Modelo numérico del comportamiento inelástico del concreto reforzado con fibras cortas de acero

Abstract

En esta tesis doctoral, de la Universidad Nacional de Colombia, se presenta el desarrollo de un modelo numérico que permite estimar el comportamiento inelástico del concreto reforzado con fibras cortas de acero SFRC, empleando una simulación numérica estocástica mediante el Método de los Elemento Finitos – FEM, de miembros estructurales solicitados en un estado plano de esfuerzos. En la simulación del material compuesto se utiliza la teoría de mezclas (Truesdell and Toupin, 1960) y la metodología de las discontinuidades fuertes de continuo (Oliver, 1996b), para representar el proceso de fractura (Oliver, et al., 2008). La matriz de concreto se considera homogénea y su comportamiento se representa por un modelo constitutivo de daño continuo bidimensional de resistencias diferenciadas a tracción y compresión (Oliver, et al., 1990). Por otra parte, el conjunto de fibras de acero se representan mediante un modelo de plasticidad unidimensional que involucra la posibilidad de deslizamiento de la fibra respecto a la matriz de concreto. El carácter aleatorio en la distribución y orientación de las fibras se consideró permitiendo predecir un rango de posibilidades de respuesta que emula la dispersión presentada en los ensayos experimentales. El tratamiento estadístico de la muestra se realizó con base en el concepto de profundidad (López-Pintado and Romo, 2009) en estadística funcional (Ramsay and Silverman, 2005), teniendo como resultado la estimación de intervalos de confianza para la respuesta estructural del material. Por último, se simulan pruebas experimentales de miembros SFRC sometidos a tensión y flexión. La respuesta estructural y los patrones de fisuración obtenidos de la simulación numérica son satisfactorios.

Abstract. In this doctoral thesis, a numerical model was developed to estimate the inelastic behavior of concrete reinforced with short steel fibers SFRC, by a stochastic numerical simulation using the Finite Element Method – FEM of structural members, under a plane stress state. The mixture theory (Truesdell and Toupin, 1960) and the continuum strong discontinuity approach (Oliver, 1996b) are used in the simulation of the composite material representing the fracture process (Oliver, et al., 2008). The concrete matrix is considered homogeneous and its behavior is represented by a constitutive model of two-dimensional continuum damage with differentiated tensile and compressive strengths (Oliver, 1990). Moreover, the set of steel fibers is represented by a model of one dimensional plasticity which involves the possibility of slippage of fiber relative to the concrete matrix. The randomness in the distribution and fiber orientation was considered allowing to predict a range of possible responses that emulates the dispersion presented in the experimental tests. The statistical treatment of the sample was based on the concept of depth (López-Pintado and Romo, 2009) in functional statistic (Ramsay and Silverman, 2005), resulting in the estimation of confidence intervals for the structural response of the material. Finally, experimental tests of SFRC members subjected to tension and bending were simulated. The structural response and crack patterns obtained from the numerical simulation are satisfactory.