Análisis y modelación numérica, utilizando la teoría de mezclas serie / paralelo en vigas de concreto, reforzadas externamente a cortante, con fibras de carbono y fibras de vidrio

Abstract

Analizar el comportamiento no lineal de los materiales compuestos como alternativas de reforzamiento externo a flexión y corte en vigas de concreto a través de la simulación numérica depende del uso de modelos constitutivos y teorías que permitan identificar el aporte del FRP (Polímero Reforzado con Fibras) en el comportamiento de los elementos estructurales de concreto. Debido a la complejidad del análisis del comportamiento de los materiales compuestos, se requiere utilizar herramientas de modelación numérica por elementos finitos que permitan simular numéricamente su comportamiento hasta la falla en aras de optimizar los diseños. Es así como resulta necesario validar la teoría de mezclas serie/paralelo como una herramienta del análisis numérico para representar el comportamiento de los materiales compuestos. En esta investigación, la validación de la teoría de mezclas serie paralelo, se hizo a través de la contrastación de los resultados obtenidos para cada uno de los modelos construidos en el plano (2D) y tridimensional (3D), con lo presentado en un ensayo experimental a flexión y corte, realizado a tres diferentes tipos de vigas, una sin refuerzo externo y dos de ellas con el mismo encamisado, pero diferenciadas en el material de refuerzo, unas con fibra de carbono (CFRP) y otras con fibra de vidrio (GFRP). Una vez se ha validado la teoría de mezclas en las primeras tres vigas, se analiza el comportamiento de dos vigas más cada una de ellas con diferente configuración de refuerzo externo por cada tipo de refuerzo (CFRP y GFRP), para un total de siete vigas evaluadas en cada una de las simulaciones. Lo anterior se realizó con el fin de verificar tres aspectos importantes: el aporte en el aumento a cortante y flexión del FRP, la aproximación de los resultados obtenidos en cada simulación con los presentados en los tres ensayos experimentales, y el análisis de los mecanismos de daño que experimentan las vigas con refuerzo externo de FRP.

Abstract: Analyzing the nonlinear behaviour of composite materials as alternatives to Strengthening Reinforced Concrete Beams through numerical simulation depends on the use of constitutive models and theories that allow the identification of the contribution of the FRP (fiber reinforced polymer) in the behaviour of concrete structural elements. Due to the complexity of the analysis of the behaviour of composite materials, it is required to use numerical modeling tools by finite elements that allow numerically simulating their behaviour until failure in order to optimize the designs. Thus, it is necessary to validate the serial / parallel mixing theory as a tool of numerical analysis to represent the behaviour of composite materials. In this investigation the validation of the serial-parallel mixing theory was made through the contrast of the results of the numerical simulations in the plane (2D) and three-dimensional (3D) with the experimental tests of three beams: one unwrapped beam, and the others, full wrapping beams with different type of FRP: one with carbon fibers (CFRP), and other, with glass fibers (GFRP). Once the serial-parallel mixing theory validated, the behaviour of others two strengthening beams with different wrapping configuration for each type of FRP for a total of seven beams, were analyzed trough numerical simulation in the plane (2D) and three-dimensional (3D). This in order to verify three important aspects: the contribution in the increase in load capacity to shear and bending of the FRP, the approximation of the results obtained in each simulation with those presented in the three experimental tests, and the analysis of the failure mechanisms of strengthening reinforced concrete beams.