Modelación numérica con elementos finitos del concreto reforzado con fibras cortas mediante un modelo constitutivo de Daño – Plasticidad

Abstract

Esta tesis de maestría tiene como objetivo analizar, desarrollar, implementar y validar un modelo constitutivo que represente el comportamiento de estructuras de concreto reforzado con fibras cortas por medio del método de los elementos finitos. El modelo implementado considera un estado plano de esfuerzos, deformaciones infinitesimales y cargas aplicadas estáticas. Inicialmente se simuló el comportamiento estructural en el rango elástico por medio de un modelo de material compuesto basado en la teoría de mezclas clásica. Este modelo fue implementado en el método de los elementos finitos considerando una inclinación de las fibras aleatoria y diferente en cada elemento finito. Del análisis estadístico realizado se obtuvieron las propiedades mecánicas promedio del concreto reforzado con fibras cortas y se concluyó que tal material exhibe un comportamiento isótropo. Para describir el comportamiento inelástico del material se utilizaron varios modelos constitutivos y se analizaron sus ventajas y desventajas. Finalmente se desarrolló un nuevo modelo constitutivo de plasticidad que permite tener resistencias a tracción y a compresión diferentes. El modelo constitutivo propuesto se basa en la formulación de la teoría de la plasticidad y en el dominio elástico definido por el modelo de daño continuo de Oliver y colaboradores (1990). Algunos ensayos experimentales de probetas sometidas a fuerza axial o flexión se simularon con este modelo mostrando resultados satisfactorios. / Abstract. The objectives of this thesis are: to analyze, develop, implement and validate a constitutive model which represents the structural behavior of the short fiber reinforced concrete by means of finite element methods. The implemented model considers plane stress state, infinitesimal strain and applied static loads. Initially, the structural behavior in elastic regime is modeling by means of a composite material model based on classic mixing theory. This model was implemented in the finite element methods considering a random and different fiber orientation each finite element. In the statistical analysis, the average mechanical properties of the short fiber reinforced concrete were obtained and the conclusion is that the material exhibits an isotropic behavior. In order to describe the inelastic behavior of the material, some constitutive models were used and its advantage and drawback were analyzed. Finally, a new plasticity constitutive model with difference between the tensile and compressive strength was developed. The proposed constitutive model is based on the formulation of plasticity theory and in the elastic domain defined by the continuum damage model of Oliver and collaborators (1990). Some experimental test of specimens subjected to axial forces or bending were simulated with this model and its results were satisfactory.