Comparación de esfuerzos cortantes en vigas de concreto reforzado de gran altura, mediante el método de los elementos finitos y el modelo puntal – tensor

Abstract

El comportamiento de los elementos estructurales de concreto reforzado sometidos a esfuerzos cortantes es más complejo que su comportamiento bajo solicitaciones flexionantes. La resistencia a compresión y a tensión del concreto simple, la orientación del refuerzo de acero con relación a las fisuras de corte, la proximidad de cargas concentradas, y el nivel dentro de la viga en el que actúan las cargas son algunos de los factores que definen los mecanismos que se desarrollan dentro de los elementos estructurales para resistir los esfuerzos cortantes. La presencia simultánea de todos estos factores determina que las fallas por cortante sean frágiles, lo que es una característica indeseable que debe ser controlada durante el proceso de diseño. Las vigas de concreto reforzado de gran altura presentan zonas discontinuas donde la hipótesis de BERNOULLI de distribución lineal de deformaciones no es válida con trayectorias de tensiones turbulentas, por lo tanto, las teorías tradicionales de flexión, corte y torsión no son aplicables. El modelo Puntal-Tensor es un método racional para el diseño de discontinuidades geométricas y/o de carga, basado en el teorema del más bajo límite de plasticidad que consiste en la idealización de los campos de esfuerzos internos mediante un reticulado hipotético. Puntales de concreto representan los campos a compresión y tensores de acero representan los campos a tracción, los cuales se encuentran conectados por nodos. El concreto se fisura a tensiones relativamente bajas y la viga de gran altura deja de ser un continuo. En estos casos suele usarse un modelo de bielas o reticulado (RITTER-MÖRSCH). La resistencia de la viga se interpreta como el trabajo de un reticulado formado por bielas comprimidas (puntales) y traccionadas (tensores). Los cálculos con elementos finitos basados en un análisis lineal elástico del material son útiles para determinar el flujo de fuerzas en las regiones discontinuas donde la hipótesis de BERNOULLI no es válida. Por tal razón, se presentará la comparación de los esfuerzos principales y de corte luego de realizar una simulación numérica bidimensional a una viga de gran altura con el programa comercial de Elementos Finitos ANSYS® v14.0.

Abstract. The behavior reinforced concrete structural elements subjected to shear stresses are more complex than its behavior under flexural stresses. The resistance to compression and tension on the unreinforced concrete, the orientation of steel reinforcement with respect to shear cracks, the proximity of concentrated loads, and the level within the beam at which the loads act on the element are some on the factors that define the mechanisms developed within the structural components to resist shear stresses. The simultaneous presence of all these factors determines that shear failures are fragile, which is an undesirable feature that must be controlled during the design process. Reinforced concrete deep beams present discontinuous zones where BERNOULLI hypothesis of linear distribution of strain is not valid with paths of turbulent stresses, therefore, the traditional bending, shear, and torsion theories are not applicable. The strut-and-tie model is a rational method for the design of geometric discontinuities or load, based on the theorem of the lower limit of plasticity, which consist of the fields idealization of the internal efforts through hypothetical framing of the element. Concrete struts represent compression fields and steel tensioning represent the fields to tension, which are connected by nodes. Concrete will crack at relatively low tensions and deep beams cease to be a continuous. In these cases a model connecting rods or framing of the element (RITTER – MÖRSCH) it is often used. The resistance of the beam is interpreted as the work made by a framed system of compressed (struts) and tensioned (ties) rods. Computations with finite elements based on a linear elastic analysis of the material are useful to determine the flow of forces in the discontinuous regions where BERNOULLI hypothesis is not valid. For this reason comparisons of principal stresses and shear stresses are presented after a two–dimensional numerical simulation of deep beams using the commercial finite element program ANSYS® v.14.0.