Capacidad resistente de elementos lineales de hormigón armado reforzado con fibras bajo cargas de impacto

La sociedad actual está muy concienciada sobre la importancia de garantizar la seguridad estructural bajo cargas extremas que, causadas por catástrofes naturales o por acciones humanas, captan una atención mediática y social considerable, por su carácter súbito, devastador y arbitrario. Entre dichas cargas, los impactos de cuerpos rígidos a velocidades moderadas pueden resultar especialmente dañinos. Estos se pueden producir por desprendimientos, impacto de vehículos, y choques de proyectiles aéreos, causados por explosiones o por vientos huracanados, entre otras causas. A nivel de diseño es común considerar estas acciones dinámicas como cargas estáticas equivalentes. Sin embargo, los impactos presentan una naturaleza muy distinta, caracterizada por cargas pico elevadas, velocidades de carga considerables y grandes cantidades de energía liberada súbitamente. El análisis mediante cargas estáticas equivalentes puede ser poco riguroso para caracterizar los efectos dinámicos del impacto, como el desarrollo de fuerzas de inercia (que modifican significativamente la distribución de esfuerzos), la propagación de sus efectos, que los impactos demandan una cierta capacidad de disipación de energía, las propiedades del contacto estructura-proyectil y de la inercia de ambos. Por otra parte, las características mecánicas de los materiales presentan sensibilidad a la velocidad de deformación, que habitualmente se caracteriza mediante factores de incremento dinámico (DIF), que pueden ser diferentes para cada mecanismo de rotura implicado en el fallo global. La suma de estos efectos es especialmente crítica en estructuras de hormigón armado, las cuales tienden a fallar frágilmente por cortante o punzonamiento bajo cargas de impacto, con una capacidad de absorción de energía muy limitada. Esto se ha observado incluso en estructuras con armadura transversal y un modo de rotura estático dúctil. Una de las opciones más interesantes para evitar dicha fragilidad es aumentar la capacidad de absorción de energía del hormigón mediante la adición de fibras de acero. Gracias a su capacidad de transmitir tensiones a través de las fisuras, el hormigón reforzado con fibras de acero (SFRC) reduce la tendencia a desarrollar fallos frágiles en régimen dinámico. Sin embargo, la sensibilidad del SFRC a la velocidad de deformación no está completamente caracterizada. En la investigación expuesta en la presente Tesis Doctoral se aborda el problema a diferentes niveles (material y estructural) desde distintas perspectivas (experimental y analítica). El estudio propuesto pretende explicar el comportamiento a impacto de vigas de SFRC armadas longitudinalmente, sin cercos, y evaluar la relevancia de la adición de fibras evitando el desarrollo de fallos frágiles en dichas estructuras en el rango dinámico. Para ello se analizan varias mezclas de SFRC, incluyendo tres tipos de fibras (prismáticas, con anclajes y rectas) en varias dosificaciones (0.5 y 1.0 %), además de una serie de referencia de hormigón convencional. La campaña experimental propuesta consistió en ensayos de material, sobre probetas prismáticas sin entallar, y ensayos estructurales, ejecutados en vigas de 2 000 _ 250 _ 125 mm armadas longitudinalmente, ambos realizados a flexión en tres puntos. Para cada una de las siete mezclas ensayadas se ejecutaron varios ensayos de impacto y uno cuasi-estático complementario, tanto en los ensayos de material como los estructurales. Los primeros ensayos mostraron, por lo general, una mejora de las propiedades del SFRC con la velocidad de deformación. La sensibilidad a la velocidad varía en función del tipo de fibras empleado y su dosificación. Por ejemplo, el DIF de la energía de fractura mostró una tendencia a disminuir en las mezclas en las que se observó roturas de fibras, con anclaje y prismáticas. Por su parte, los ensayos estructurales mostraron que ciertas mezclas de SFRC, las que contenían fibras rectas o una dosificación del 1.0 %, evitaron el desarrollo del fallo por cortante, cosiendo las finas fisuras diagonales observadas en las almas. Los resultados experimentales se han discutido analizando modelos teóricos, desarrollados ad-hoc. A nivel material se propone un modelo que define el comportamiento a tracción de las mezclas de SFRC en el rango dinámico. A nivel seccional se plantean dos modelos, uno que estudia el comportamiento en flexión en función de la velocidad de curvatura y un modelo de interacción flexión-cortante en vigas de SFRC sin armadura transversal bajo cargas dinámicas. Por último, se han propuesto dos modelos estructurales no lineales, un modelo continuo de elementos finitos con elementos viga elasto-plásticos y otro modelo de dos grados de libertad considerando el contacto como elasto-plástico, la propagación del vano efectivo y la formación de rótulas plásticas. La interacción entre estos modelos ha permitido analizar y discutir detalladamente las observaciones experimentales, las cuales verificaron la coherencia de los modelos. Entre los temas tratados destacan la caracterización mecánica de diferentes SFRC en régimen dinámico, la descripción de la fuerza de impacto, la propagación del vano efectivo y la sensibilidad a la velocidad de cada modo de fallo, entre otros. Por su parte, el uso del modelo de interacción flexión-cortante con la distribución de esfuerzos del modelo continuo ha aclarado el desarrollo de los fallos por cortante en vigas de SFRC. En resumen, los resultados han mostrado que la eficacia de la adición de fibras evitando el desarrollo de fallos frágiles depende del tipo de fibra empleado, dosificación y, en especial, la tendencia de este tipo de fibra a romperse durante su arrancamiento dinámico. -----------ABSTRACT----------- The current society is aware about the relevance of guaranteeing the safety of structures under extreme loading cases, which might be caused by natural catastrophes or human action. Those have a significant media and social impact due to their sudden, destructive and arbitrary character. Among extreme loads, impacts of rigid bodies at moderated speeds could result especially harmful. Impact events can be due to rockfall, vehicles impact, and collision of debris, caused by explosions or hurricanes, among other causes. At the design stage it is common to consider dynamic actions as quasi-static equivalent loads. However, impacts are characterized by high peak loads, considerable strain rates and large energy release suddenly. Analysis based on equivalent loads might underestimate the dynamic effect of impacts, such as the development of inertia forces (that modify substantively the internal forces distribution), the propagation of their effects or that the impacts demand an energy dissipation capacity, being the impact force a consequence of the structure-projectile contact properties and of the inertia of both. Additionally, the mechanical properties of the material are sensible to the strain-rate (typically characterized by the dynamic increase factors — DIF — that could be different for each failure mechanism involved in the global failure). The sum of these effects can be especially critical in concrete structures, which trend to develop brittle failure by shear or punching, with a limited capacity of energy absorption. This has been observed even in structures designed with flexure-governed failure and with transverse reinforcement. An interesting option to improve the impact performance of concrete structures is to enhance its energy capacity absorption by fiber addition. Thanks to its capacity to bridge tensions across crack surfaces, steel fiber-reinforced concrete (SFRC) reduces the tendency to fail in a brittle mode in dynamic range. Nevertheless, the rate sensibility of SFRC has not been completely characterized, so far. The research presented in this Ph.D. Thesis is addressed at various levels (material and structural) from different perspectives (experimental and analytical). The proposed study is focused on the impact behavior of longitudinally reinforced SFRC beams, without stirrups, and to evaluate fiber addition role avoiding the development of brittle shear failure in dynamic range. For that purpose various mixes of SFRC are analyzed, including three types of fibers (prismatic, hooked-end and straight) in various amounts (0.5 and 1.0 %), besides a reference series with conventional concrete. The experimental campaign has consisted of material tests, on unnotched prismatic specimens, and structural tests, performed on 2 000 _ 250 _ 125 mm beams reinforced longitudinally, both in a three-point bending configuration. For each of the seven mixes, various impact tests were performed as well as companion static tests, in both the material and structural tests. The experimental results showed an enhancement of SFRC properties with the strain-rate, with dependence on the type of fibers and its volumetric fraction. For instance, fracture energy DIF showed a tendency to decrease in mixes with fiber ruptures observed in case of prismatic and hooked-end fibers. In structural tests, certain SFRC mixes avoided shear failure, such as those with straight fibers or 1.0% of fiber amount, which were able to stitch thin diagonal cracks in the shear span. Tests results have been discussed with theoretical models developed ad-hoc. At the material level, a model for tensile behavior of SFRC mixes in the dynamic range is presented. At the sectional level two models are proposed, one that studies the bending response as function of the curvature rate and a dynamic flexure-shear interaction model for reinforced SFRC beams without stirrups. Lastly, two structural models are presented, a finite element model with elasto-plastic beam elements and a two-degree-of-freedom model, which considers the contact non linearities, the effective span propagation and the formation of plastic hinges. The interplay of these models has enabled the author to analyze and discuss the experimental observations in detail. Besides that, the experimental results have allowed to verify the models. The results are discussed with emphasis on the mechanical characterization of various mixes of SFRC in the dynamic range, the description of impact force, the propagation of the effective span and the rate sensibility of each mode of failure, among others. The evolution of internal forces distribution and the use of the flexure-shear interaction model has clarified the development of shear failure in SFRC beams. In essence, the results have shown that fiber addition effectiveness avoiding shear failure depends of the fiber amount and type, and especially, of its tendency to rupture in the dynamic pull-out. For an extended and comprehensive description of the research presented in this Ph.D. Thesis please refer to Chapter 8. In that Chapter the reader will find an extended summary of this document together with the conclusions, both written in English