Modelo Meso-Mecánico del Proceso de Fractura del Concreto Simple

Abstract

La presente investigación tiene como objetivo formular, implementar y validar un modelo numérico que represente el proceso de fractura en el concreto simple, considerándolo un material compuesto, conformado por agregados gruesos, embebidos en una matriz de mortero. La definición de los dominios de los materiales constituyentes del concreto fue realizada a una escala mesoscópica, formulando e implementado un procedimiento numérico que ubica las esferas de agregado dentro de un cilindro de mortero. Dada la fracción de volumen y la granulometría del agregado grueso, este procedimiento determina la distribución de conjuntos de partículas esféricas de diferente diámetro en la matriz de mortero de forma aleatoria.

El proceso de fractura del concreto se describe mediante el criterio de fallo de William – Warnke y el modelo material de Microplanos, los cuales han sido formulados en el método de los elementos finitos, considerando deformaciones infinitesimales y cargas estáticas. Se simuló el ensayo estandarizado de compresión de cilindros de concreto con 20% de participación volumétrica del agregado, considerando agregado grueso de arenisca o de caliza blanda, y 20 distribuciones granulométricas aleatorias.

Como resultado se obtuvo la evolución de la fractura del mortero y el agregado, y la respuesta mecánica del concreto. Lo anterior permitió: identificar la inclinación de la fisura a escala macroscópica, observar las zonas de compresión triaxial y los conos de corte, y definir una ecuación del módulo de elasticidad del concreto en función de los respectivos módulos de sus componentes.

The present research aims to formulate, implement and validate a numerical model that represents the fracture process in simple concrete, considering it a composite material, made up of coarse aggregates, embedded in a mortar matrix. The definition of the domains of the constituent materials of concrete was carried out on a mesoscopic scale, formulating and implementing a numerical procedure that locates the aggregate spheres within a mortar cylinder. Given the volume fraction and the granulometry of the coarse aggregate, this procedure determines the random distribution of sets of spherical particles of different diameter in the mortar matrix.

The concrete fracture process is described by the William - Warnke failure criterion and the Microplanes material model, which have been formulated in the finite element method, considering infinitesimal strain and static loads. The standardized concrete cylinder compression test was simulated with 20% volumetric participation of the aggregate, considering coarse aggregate of sandstone or soft limestone, and 20 random granulometric distributions.

As a result, the fracture evolution of mortar and aggregate was obtained, as well as the mechanical response of the concrete. This allows to: identify the inclination of the crack on a macroscopic scale, observe the triaxial compression zones and shear cones, and define an equation for the elasticity modulus of concrete as a function of the modulus of its components.