Modelización computacional no local y análisis del hormigón en altas temperaturas

Título

Modelización computacional no local y análisis del hormigón en altas temperaturas

Colaborador

Etse, Guillermo

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

2016-03-22

Extensión

xiii, 175 p.

Resumen

En la actualidad, el hormigón puede ser considerado como uno de los materiales más utilizados en el campo de la construcción civil. Esto se debe a algunas de sus ventajas, sobre todo a aquellas relacionadas con su resistencia, durabilidad, versatilidad y economía. En la mayoría de los casos, el hormigón es combinado con armaduras de acero con el fin mejorar su comportamiento mecánico en los regímenes de tracción y de corte. La exposición a las altas temperaturas durante tiempos prolongados y al fuego constituye una de las acciones más severas que puede actuar sobre el hormigón.
Cuando dicho material se expone a temperaturas superiores a 200_C, experimenta una fuerte degradación de sus propiedades mecánicas, tales como cohesión, fricción, rigidez y resistencia, dando lugar a cambios significativos de sus mecanismos de falla, con potenciales daños irreversibles e incluso el colapso repentino de las estructuras afectadas.
En las últimas tres décadas, se evidenció un progreso significativo respecto al análisis experimental y a la comprensión del comportamiento mecánico del hormigón, luego de ser expuesto a las altas temperaturas, durante períodos prolongados. Sin embargo, aún existe una necesidad imperiosa de abordar a teorías constitutivas más precisas, que permitan predecir el complejo comportamiento de la respuesta mecánica del hormigón bajo altas temperaturas, considerando además, los diferentes aspectos relevantes involucrados, tales como la deshidratación, la porosidad, el confinamiento, la descohesión,
etc, en el marco de la consistencia termodinámica y de la objetividad material.
En esta tesis, se propone un modelo poroplástico de gradientes, termodinámicamente consistente, para el hormigón sometido a altas temperaturas. La propuesta considera una forma simple y particular de poroplasticidad basada en gradientes, en la cual las variables de estado son las únicas de carácter no local. La degradación de dichas variables, se debe a efectos termomecánicos acoplados y se describe en el marco del enfoque termodinámico. Después de establecer la formulación material, se realiza la calibración del modelo con datos experimentales extraídos de la literatura.
Además, se evalúan las condiciones de falla localizada en la forma de bifurcación discontinua para las ecuaciones constitutivas particulares del modelo propuesto. De este modo, se evalúan y discuten los efectos de la temperatura sobre el comportamiento del indicador de falla localizada.
Para finalizar, se presenta un análisis numérico integral, que demuestra la capacidad del modelo para capturar la variación de las superficies de discontinuidad y de los modos de falla crítica para diferentes trayectorias de tensiones y condiciones térmicas. Los resultados, ampliamente descritos en esta tesis, contribuirán a mejorar el conocimiento de la formulación de teorías constitutivas para materiales porosos como el hormigón, sometidos a altas temperaturas y también, para comprender mejor el comportamiento de la insuficiencia de las estructuras de hormigón bajo los efectos térmicos. Finalmente, se discute la posibilidad de emplear el modelo propuesto, en la evaluación del tiempo de vida residual de una estructura de hormigón, después haber sido sometida a un incendio.
Nowadays, concrete is considered one of the most used materials in the civil construction field due to some advantages, mainly related to its resistance, durability, versatility and economy. Generally, concrete is combined with steel reinforcements to improve its mechanical behavior in tensile and shear regimes. One of the most severe actions on concrete is the long term exposure to high temperature and fire. When it is exposed to temperatures above 200_C, concrete experiences a strong degradation of its mechanical properties such as cohesion, friction, stiffness and strength, leading to significant changes of its failure mechanisms with potential irreversible damages and sudden collapses of the affected structures. In the last three decades, a significant progress was made in the experimental analysis and understanding of concrete mechanical behavior after long term exposure to high temperatures. However, there is still a need of more accurate constitutive theories to predict the complex mechanical response behavior of concrete under high temperature. There is a demand for models that consider all different relevant aspects involved, such as the dehydration, porosity, confinement, decohesion, etc, in the framework of thermodynamical consistency and material objectivity. In this thesis, a thermodynamically consistent gradient poroplastic model for concrete subjected to high temperatures is proposed. A particular and simple form of gradient-based poroplasticity is considered, where the state variables are the only ones of non-local character. The degradations of these variables due to coupled thermomechanical effects are described in the framework of the thermodynamic approach.
After describing the material formulation, the model calibration is performed with experimental data taken from literature.
The conditions for localized failure in the form of discontinuous bifurcation is evaluated for the particular constitutive equations of the proposed model. Thereby, the effects of the temperature on the performance of the localized indicator are evaluated and discussed. After the theoretical framework is proposed, a comprehensive numerical analysis is presented which demonstrates the ability of the model to capture the variation of discontinuity surfaces and the critical failure modes for different stress paths and thermal conditions. The results widely described in this thesis will contribute to improve the knowledge in the formulation of constitutive theories for porous material like concrete, subjected to high temperatures and, also, to better understand the failure behavior of concrete structures under high temperature effects. Finally, it is discussed the possibility to employ the proposed model to evaluate the residual lifetime of a concrete structure after a fire.