Comportamiento a fatiga de uniones a solape simple de acero prepintado y galvanizado con adhesivo silano modificado

(SPA) Se ha estudiado el comportamiento a fatiga de uniones adhesivas estructurales a solape simple. Los elementos estructurales fabricados en acero recubierto (galvanizado o pintado) sujetos a fluctuaciones de tensiones y deformaciones pueden fallar después de un número elevado de ciclos. El adhesivo silano modificado (MS) ha sido utilizado para la evaluación de la resistencia mecánica y a la fatiga de uniones de chapa delgada de acero protegido. El objetivo de este trabajo es analizar la influencia del recubrimiento en el comportamiento a fatiga de las uniones adhesivas con silano modificado. Las mejores propiedades se obtuvieron para el acero galvanizado con fallo cohesivo. Los resultados muestran que la compatibilidad química del adhesivo y la capa galvanizada mejoran la adhesión de la unión y la resistencia frente a cargas estáticas y dinámicas. Se ha obtenido el límite de fatiga para las uniones estudiadas. (ENG) The fatigue behaviour of single overlap of structural bonded joints was evaluated. Structural components made of thin coated steel (galvanised or painted) subjected to fluctuating stresses and strains may failure after a sufficient number of fluctuations. The modified silane adhesive (MS) has been used to evaluate the static and fatigue resistance of thin coated steel sheet joints. The aim of this paper is analyse the influence of coated on the fatigue behaviour of modified silane bonded joints. The best properties were obtained for galvanised steel with cohesive failure. The results show that chemical compatibility of adhesive and galvanized layer improve adhesion of joints and the mechanical resistance against static and dynamic loads. The fatigue limited has been obtained for joints studied.

Cubierta del Stade Vélodrome, Marsella (Francia)

El Stade Velódrome, uno de los Estadios de fútbol más importantes de Francia se prepara para la celebración de la Eurocopa de 2016 en el país vecino. Evento deportivo que supone un megaescaparate internacional y un buen momento para modernizar las instalaciones. La remodelación del terreno de juego del Olympique de Marsella, incluye una ampliación de las gradas hasta los 67.500 asientos, nuevos aparcamientos, un centro comercial y una cubierta que cubre completamente las tribunas. Se trata de una cubierta calculada y ejecutada por las empresas españolas, FHECOR Ingenieros Consultores y el taller metálico Horta-Coslada. Con planta ovalada de 258x251 metros y trabajando por forma, aprovecha sus 6.000 toneladas de tubos circulares de acero galvanizado en caliente para soportar las cargas y transmitirlas a cimentación sin reducir la visibilidad de los espectadores y de manera totalmente exenta del estadio existente.

Análisis de la deformación de rotura en el ensayo de tracción en probetas cilíndricas de acero perlítico

El ensayo de tracción permite obtener la curva tensión-deformación hasta el instante de carga máxima, sin embargo, a partir de ese momento el análisis de las tensiones y de las deformaciones resulta complicado. Conocer el comportamiento del material a partir del instante de carga máxima resulta fundamental para diseñar estrategias que mejoren la segundad estructural. Este trabajo presenta los resultados de una campaña experimental de ensayos de tracción sobre acero perlítico en la que se han estudiado sus deformaciones de rotura así como sus superficies de fractura, todo ello en probetas cilindricas con diferentes diámetros. Esta campaña ha sido acompañada de simulaciones numéricas con el fin de analizar el comportamiento del material en el interior de la sección. Adicionalmente, se han analizado las superficies de fractura de las probetas y se ha observado una relación no proporcional entre el tamaño de las probetas y el tamaño de la zona interna atribuida al crecimiento de poros. Esta relación no proporcional sugiere que dicha zona actuaría como un concentrador de tensiones, de forma similar a una fisura, y estaría afectado por el efecto de la tnaxialidad de las tensiones en la zona de rotura o

Comportamiento bajo cargas estáticas de sistemas provisionales de protección de borde realizados con elementos de acero = Behavior under static loads of temporary edge protection systems built with steel elements

La norma UNE-EN 13374 “Sistemas provisionales de protección de borde. Especificaciones del producto, métodos de ensayo” (1) clasifica los sistemas provisionales de protección de borde (SPPB) en tres clases (A, B y C), en función del ángulo de la superficie de trabajo y de la altura de caída de la persona a proteger. Los sistemas clase A son los indicados cuando la inclinación de la superficie de trabajo es menor de 10º. La norma establece los requisitos de flecha y de resistencia de los SPPB. Los requisitos se pueden comprobar tanto analítica como experimentalmente. El objetivo del trabajo ha sido la evaluación del comportamiento de los SPPB utilizados habitualmente en las obras y establecer los cambios necesarios para que cumplan con la norma UNE-EN 13374. Para ello se han evaluado analítica y experimentalmente tres SPPB clase A, fabricados con acero S235. Los resultados obtenidos muestran que, el sistema empleado de forma habitual en obras no supera los requisitos de la norma ni analítica ni experimentalmente. El tercer sistema supera los requisitos con las dos metodologías de análisis. El segundo sistema supera los requisitos cuando la evaluación se realiza analíticamente pero no cuando la vía utilizada es la experimental.

Ductilidad del acero inoxidable bajo en níquel para estructuras de hormigón armado / Ductility in a new low nickel stainless steel for reinforced concrete

En este trabajo se presentan los diagramas tensióndeformación de un nuevo acero inoxidable con bajo contenido en níquel, un inoxidable convencional AISI 304 y un acero al carbono de uso común en estructuras de hormigón armado. Dicha ductilidad se ha estudiado determinando la tensión máxima (fmax), la tensión en el límite elástico (fy) y la deformación bajo carga máxima (εmax). Los tres materiales se han evaluado utilizando criterios aceptados internacionalmente, como son el índice p (capacidad de rotación plástica), el índice A* (área plástica de endurecimiento) y el índice de tenacidad Id (energía total absorbida en el punto de alargamiento bajo carga máxima), los resultados obtenidos se han comparado con los aceros convencionales de armaduras 500SD, 500N y 500H (EC-2).

Comportamiento frente a la corrosión de barras de acero de armar embebidas en morteros con incorporación de escorias blancas de horno cuchara

El objetivo del presente trabajo es estudiar el comportamiento frente a la corrosión de barras de acero de armar embebidas en probetas de mortero, en las que se ha sustituido parcialmente el árido y el cemento por escorias blancas de horno cuchara (LFS) y se ha añadido en el momento del amasado distintos porcentajes de ión cloruro, en peso de cemento. Se han fabricado probetas prismáticas de 6x8x2 cm3, en las que se han embebido 3 barras de acero de diámetro 6 mm, con el fin de comparar el potencial de corrosión y la velocidad de corrosión, en las probetas patrón y en las probetas con escorias. Los resultados alcanzados permiten afirmar que el comportamiento frente a la corrosión inducida por iones cloruro en barras de acero embebidas en probetas patrón y en probetas fabricadas parcialmente con escorias blancas de horno cuchara son semejantes, tanto en las velocidades de corrosión alcanzadas como en el umbral de cloruros que produce la despasivación del acero.

Sintomatología de la corrosión en barras de acero de armar embebidas en morteros con incorporación de escorias blancas de horno cuchara

El objetivo del presente trabajo es estudiar la sintomatología que produce la corrosión de barras de acero de armar embebidas en probetas de mortero, en las que se han incorporado escorias blancas de horno cuchara (LFS) sustituyendo parte del árido y del cemento y añadiéndose en el momento del amasado, distintos porcentajes de ión cloruro en peso de cemento. Se han fabricado probetas prismáticas de 6x8x2cm3, en las que se han embebido 3 barras de acero de diámetro 6 mm, en las cuales se ha estudiado el comportamiento a corrosión en probetas con presencia de cloruros durante 180 días. Posteriormente se ha corroído aceleradamente la barra central de las probetas con porcentajes de ión cloruro del 1,2 y 2%, conectándolas a una fuente de corriente para hacer pasar un intensidad constante de 1,3mA, equivalente a una corrosión10?A/mm2. Una vez observados los efectos que la corrosión produce en las barras de acero de armar mediante medidas de velocidad de corrosión, técnicas gravimétricas y observación de la sintomatología, se puede afirmar que el comportamiento es similar en las probetas patrón y en las probetas con escorias para porcentajes de 1,2 y 2% de ión cloruro en peso de cemento.

Evaluación del comportamiento estructural y de resistencia a la corrosión de armaduras de acero inoxidable austenítico AISI 304 y dúplex AISI 2304

Se ha evaluado el comportamiento mecánico y estructural de dos aceros inoxidables corrugados, el austenítico EN 1.4301 (AISI 304) y el dúplex EN 1.4362 (AISI 2304), y se han comparado con el tradicional acero al carbono B500SD. El estudio se ha realizado en tres niveles: a nivel de barra, estudiando las propiedades mecánicas y de ductilidad de los tres aceros; a nivel de sección, analizando el comportamiento a flexión por medio de diagramas momento-curvatura; y a nivel de pieza, ensayando una serie de vigas armadas con diferentes aceros y cuantías, y comprobando su comportamiento por medio de los diagramas carga-desplazamiento. La comparación del comportamiento frente a la corrosión entre los dos aceros inoxidables se ha realizado mediante mediciones electroquímicas de armaduras embebidas en probetas de mortero contaminado con diferentes cuantías de cloruros

Importancia del ablandamiento térmico en simulaciones de impactos en placas de acero a altas temperaturas

En el presente trabajo se presenta un estudio experimental y numérico de impactos balísticos sobre placas de acero inoxidable martensítico a altas temperaturas (400ºC y 700ºC), que pone de manifiesto la importancia del ablandamiento térmico en simulaciones de impactos a altas temperaturas. Mediante un estudio metalográfico de la zona de impacto, se ha observado la aparición de bandas adiabáticas de cortante formadas por el aumento brusco de la temperatura debido a la acumulación del trabajo plástico en el interior del material. La correcta predicción en la formación de estas bandas durante el proceso de penetración es crítica a la hora de obtener resultados representativos de los experimentos realizados. Basándose en datos experimentales de ensayos previamente realizados, se ha calibrado un modelo de material de Johnson-Cook (JC) para su uso con simulaciones numéricas en el código no lineal de elementos finitos LSDYNA. Mediante estas simulaciones numéricas se demuestra la importancia del ablandamiento térmico en el proceso de perforación de placas, al igual que la incapacidad que un modelo tipo JC tiene para representar el dicho ablandamiento para material estudiado. Esta investigación presenta, finalmente, una modificación a un modelo tipo JC programado como subrutina de material de usuario para LS-DYNA que permite simular correctamente estos procesos de impacto a alta temperatura

Clasificación de los sistemas y elementos constructivos de las estructuras metálicas en hierro y acero para la actualización de la normativa técnica

El estudio del lenguaje técnico es una tarea común a varias disciplinas. La terminología es una disciplina autónoma de carácter interdisciplinario al servicio de diferentes campos científico-técnicos. Los enfoques interdisciplinares/transversales permiten acercarse a un mismo fenómeno desde distintos ángulos ofreciendo una imagen más completa con diferentes aportaciones procedentes de los distintos métodos utilizados [1]. En la actualidad, es esencial la colaboración interdisciplinar de áreas que comparten aspectos íntimamente ligados como en el presente estudio: la terminología, la arquitectura y la construcción. La Normativa Técnica española en el área de la arquitectura y de la construcción ha sufrido muchos cambios en relación con la clasificación de los sistemas y elementos constructivos. La presente comunicación toma como punto de partida el análisis de un corpus 1 [2] lingüístico automatizado que contiene textos especializados, en lengua inglesa y española, del subdominio de sistemas y elementos constructivos de las estructuras metálicas de hierro y acero. La investigación se realiza mediante el estudio de estos textos de referencia empleados por los profesionales de la arquitectura y de la construcción. En esta comunicación se presentan los resultados relacionados con un elemento estructural que se presta a un análisis conceptual complejo, a saber “beam”, en español “viga”. Partimos del análisis semántico de las unidades clave (nudos conceptuales) para establecer las clases/categorías conceptuales pertinentes a este subdominio de especialidad. Posteriormente analizamos los nudos conceptuales con el objetivo de representar las relaciones entre los conceptos por medio de un análisis contrastivo de los conceptos/términos en lengua inglesa y española con el fin de determinar si el uso, en las dos lenguas de estudio, concuerda con la definición dada en los textos y en la normativa de origen.

Degradación del comportamiento a flexión de perfiles tubulares de acero expuestos a la intemperie utilizados como protecciones colectivas y medios auxiliares en edificación

Los perfiles tubulares de acero (PTA) son más habitualmente empleados el ámbito de las protecciones colectivas (PC) y medios auxiliares de edificación (MAE), al ser usados en ámbitos de seguridad, adquieren una importancia tal que motiva el estudio de la fiabilidad de su comportamiento mecánico. Por ello se motiva este trabajo estudiando a flexión PTA con las mismas calidades que los que habitualmente se emplean en PC y MAE. Han sido ensayadas a flexión un total de 150 secciones de PTA, utilizando como variables la velocidad del ensayo, la distancia entre los apoyos, la influencia del dispositivo de apoyo y la comparativa entre el comportamiento de PTA expuestos a la intemperie durante 3 años en la Sierra de Guadarrama (en servicio como postes en sistemas de protección de borde) con PTA adquiridos. En este trabajo se ha evaluado en todos los casos las diferencias existentes entre los espesores de cada PTA medido con calibre, su espesor nominal y su espesor medio de cada tubo. El esquema de solicitaciones y tensiones resultante del ensayo de flexión es muy similar en la mayoría de los casos a los esquemas de solicitaciones y tensiones reales a los que trabajan los PTA utilizados como PC y MAE. En este caso, la sección más desfavorable esta solicitada por el máximo momento flector y el máximo cortante y la variación del flector a lo largo de las barras es lineal. Documentos técnicos como el CTE-SE-A o el EC3, establecen una clasificación para determinar el método de cálculo de las secciones de acero, y en la que la mayoría de las secciones de los PTA son clase 1(aquella que permite la formación de una rótula plástica con capacidad de rotación suficiente para la redistribución de momentos) con lo que es posible utilizar el cálculo plástico o el elástico para la determinación de las solicitaciones. Esta clasificación indica directamente la capacidad de aprovechamiento de la sección antes de que se produzca la abolladura y depende de las dimensiones de las secciones de los PTA. Estudios anteriores desvelan que los PTA no llegan a plastificarse ya que antes de que se produzca este fenómeno se abollan, lo que motiva el colapso. Como resultado de este trabajo de investigación se pretende estudiar, como ya predijo en su tesis González García, M.N. [1] que la clasificación de secciones indicada por EC3 o CTE para PTA queda del lado de la inseguridad porque predice comportamientos plásticos en secciones que no tienen posibilidad de plastificación.

Importancia del ablandamiento térmico en simulaciones de impactos en placas de acero a altas temperaturas

En el presente trabajo se presenta un estudio experimental y numérico de impactos balísticos sobre placas de acero inoxidable martensítico a altas temperaturas (400ºC y 700ºC), que pone de manifiesto la importancia del ablandamiento térmico en simulaciones de impactos a altas temperaturas. Mediante un estudio metalográfico de la zona de impacto, se ha observado la aparición de bandas adiabáticas de cortante formadas por el aumento brusco de la temperatura debido a la acumulación del trabajo plástico en el interior del material. La correcta predicción en la formación de estas bandas durante el proceso de penetración es crítica a la hora de obtener resultados representativos de los experimentos realizados. Basándose en datos experimentales de ensayos previamente realizados, se ha calibrado un modelo de material de Johnson-Cook (JC) para su uso con simulaciones numéricas en el código no lineal de elementos finitos LSDYNA. Mediante estas simulaciones numéricas se demuestra la importancia del ablandamiento térmico en el proceso de perforación de placas, al igual que la incapacidad que un modelo tipo JC tiene para representar el dicho ablandamiento para material estudiado. Esta investigación presenta, finalmente, una modificación a un modelo tipo JC programado como subrutina de material de usuario para LS-DYNA que permite simular correctamente estos procesos de impacto a alta temperatura.

Comportamiento de hormigones de alta resistencia con fibras de acero frente al impacto de proyectiles

Este trabajo presenta los resultados de la investigación llevada a cabo por los autores sobre el comportamiento de hormigón de 80 MPa de resistencia característica a compresión reforzado con diferentes cuantías de fibras de acero de alto contenido en carbono sometido al impacto de proyectiles de distintos calibres, determinando el espesor de muros de este tipo de hormigón que sería preciso disponer para impedir su perforación por dichos proyectiles, así como los valores máximos de penetración, para que en el caso de no producirse perforación y sólo penetración, no se genera cráter, “scabbing”, en el trasdós de los mismos. Previamente a los ensayos balísticos fue preciso diseñar los hormigones para que, presentaran determinadas características mecánicas, especialmente las relacionadas con la ductilidad, dado que estos hormigones especiales deben absorber la elevada energía que le transmiten los proyectiles y las ondas de choque que los acompañan.

Evaluación del comportamiento mecánico, estructural y frente a la corrosión, de una nueva armadura de acero inoxidable dúplex bajo en níquel

La durabilidad de las estructuras de hormigón armado no es ilimitada, en especial en determinados ambientes. El ingreso de agentes agresivos en el hormigón, fundamentalmente dióxido de carbono e iones cloruros, rebasando el espesor del recubrimiento y alcanzando las armaduras, reducen el alto pH del hormigón hasta alcanzar un umbral crítico, por debajo del cual, el acero queda despasivado. Posteriormente, si existe el suficiente aporte de humedad y oxígeno, el acero se corroe, lo que supone drásticas reducciones de la vida de servicio de estas estructuras y su inevitable reparación. La utilización de armaduras de acero inoxidable es una alternativa que está recibiendo cada vez más consideración. Su resistencia a la corrosión en los ambientes más agresivos, incluso con ataque de cloruros, lo convierte en el material idóneo para prolongar de forma muy considerable la vida útil de la estructura. En este trabajo se ha evaluado el comportamiento mecánico y estructural, y de resistencia a la corrosión, de un nuevo acero inoxidable dúplex de bajo contenido en níquel, el EN 1.4482 (AISI 2001), y se ha comparado con el inoxidable austenítico más utilizado, el EN 1.4301 (AISI 304), con el dúplex EN 1.4362 (AISI 2304) y con el tradicional acero al carbono B-500-SD. El estudio mecánico y estructural se ha realizado en tres niveles diferentes: a nivel de barra, estudiando las propiedades mecánicas y de ductilidad de los cuatro aceros citados; a nivel de sección, estudiando su comportamiento a flexión con diferentes cuantías de armado por medio de los diagramas momento-curvatura; y a nivel de pieza, ensayando una serie de vigas armadas con diferentes aceros y cuantías, y comprobando su comportamiento a desplazamiento y resistencia por medio de los diagramas carga-desplazamiento. El estudio de resistencia a la corrosión se ha realizado embebiendo barras corrugadas, de los tres aceros inoxidables mencionados, en probetas de mortero contaminadas con diferentes cantidades de cloruros, y realizando mediciones electroquímicas durante un periodo de al menos un año. Se han preparado probetas de mortero para dos comparativas diferentes. La primera, manteniendo las probetas en un desecador con el 95 % de humedad relativa durante todo el periodo de mediciones. La segunda, sumergiendo parcialmente las probetas en una solución tampón para carbonatar el mortero. Los resultados de los ensayos mecánicos han demostrado dos aspectos diferentes. Uno, que las armaduras de acero inoxidable tienen un comportamiento muy similar a las de acero al carbono en lo referente a las resistencias alcanzadas, en el límite elástico y en rotura, pero distinto en cuanto al módulo de deformación longitudinal, cuyo valor es claramente inferior al del acero al carbono, por lo que su utilización en las estructuras de hormigón necesita tener en cuenta ese dato en los análisis lineales de cálculo. El segundo aspecto es que las armaduras de acero inoxidable laminadas en caliente presentan una ductilidad muy superior a las de acero al carbono, por lo que ofrecen una mayor seguridad frente a su rotura o al colapso de la estructura, lo que se debe tener en cuenta en el análisis de cálculo plástico. En cambio, las armaduras de acero inoxidable laminadas en frío sólo cumplen con los límites mínimos de ductilidad establecidos en la instrucción EHE-08 para los aceros soldables, y no para los aceros con características especiales de ductilidad. El estudio a nivel de sección refleja la paradoja de obtener secciones menos dúctiles con las armaduras de acero inoxidable laminadas en caliente que con las armaduras de acero al carbono. Para subsanarlo, se definen los conceptos de curvatura última de rotura y ductilidad de la sección en rotura, que tienen en cuenta las altas deformaciones alcanzadas por las armaduras de acero inoxidable. Los resultados a nivel de pieza permiten identificar el comportamiento estructural del hormigón armado con barras corrugadas de acero inoxidable y compararlo con el de las estructuras de hormigón armado convencionales, verificando los resultados experimentales con los teóricos obtenidos con la formulación recogida en la instrucción EHE- 08. Los ensayos de resistencia a la corrosión por cloruros demuestran, durante el primer año y medio de vida de las probetas, un comportamiento muy similar entre el nuevo acero inoxidable dúplex bajo en níquel y el austenítico y el dúplex utilizados para la comparación, incluso para las probetas carbonatadas. Por último, se añade una comparativa económica, realizada sobre dos edificaciones tipo, para cuantificar el sobrecoste que supone la utilización de armaduras de acero inoxidable respecto a las de acero al carbono. El alto coste inicial de las armaduras de acero inoxidable se ve compensado en el coste final de la estructura de muy diferentes formas, principalmente dependiendo del grado de acero elegido y de si se emplean en el total de la estructura o solamente en los elementos más expuestos. The durability of the concrete structures is limited, especially in certain environments. The attack of aggressive agents in the concrete, mainly carbon dioxide and chloride ions, penetrating the thickness of concrete cover and reaching the reinforcements, reduce the high pH of concrete to the point of reaching a critical threshold, under which, the steel despasivates. Therefore, if there is enough humidity and oxygen, the steel corroes, causing drastic reductions in the service life of these structures and its inevitable repair. Despite the high initial cost compared to carbon steel, the usage of stainless steel reinforcements is an alternative with a major consideration nowadays. Its resistance to corrosion in the most aggressive atmospheres, including chlorides attack, makes the stainless steel a suitable material to extend considerably its lifetime. In this study, it’s been evaluated the mechanical and structural behaviour, and the corrosion resistance, of a new low-nickel duplex stainless steel EN 1.4482 (AISI 2001), and it has been compared with the most widely used austenitic type EN 1.4301 (AISI 304), with duplex steel EN 1.4362 (AISI 2304) and with the traditional carbon steel B-500-SD. The mechanical and structural study has been carried out in three different levels: bar level, studying mechanical properties and ductility of the four steels; section level, studying its behaviour when blending with different amounts of reinforcement through the moment-curvature diagrams; and structural element level, testing a series of reinforced beams with different steels and amounts, and checking its sag and resistance through the load-deflection diagrams. The corrosion resistance study was performed by embedding ribbed bars, using the three stainless steel listed, on mortar specimens contaminated with different amounts of chlorides, and taking electrochemical measurements over a period of at least one year. Mortar specimens have been prepared for two different comparisons. The first, keeping the specimens at 95% of relative humidity during the measurement period. The second, immersing the specimens partially in a carbonate buffer solution. The results of those tests have proved two different aspects. Firstly, that stainless steel reinforcements show a very similar behaviour to carbon steel, according to the reached levels of mechanical resistance, yield stress and steel strength, but a different behaviour in Young’s modulus, which value is clearly lower than the carbon steel. Therefore, when using in concrete structures it is need to consider on that point the existing calculus of linear analysis. The second aspect is that stainless steel reinforcement manufactured by hot-rolling process show a very higher ductility than carbon steel, offering a better security on cracks or structure collapse, which it has to be taken into account on plastic calculus analysis. However, the stainless steel reinfor9 cement cold-rolled bars only meet the minimum thresholds of ductility established by EHE-08 for welded steel, and not for steels with special ductility. The results at the section level reflect the paradox of getting less ductile sections with hot rolled stainless steel reinforcement than with carbon steel reinforcements. To overcome that, the concepts of last break curvature and break ductility section have been defined, which take into account the high deformation value achieved by stainless steel reinforcements. The results at the structural element level allow to identify the structural behaviour of reinforced concrete with stainless steel reinforcements and compared with that of conventional steel reinforcement, contrasting the experimental with the theoretical results obtained from the formulation contained in the instruction EHE-08. Tests on resistance of chloride corrosion show during the first year and a half of specimens life, a similar behaviour between the new low nickel duplex stainless steel and austenitic and duplex used for comparison, even for carbonated specimens. Finally, it has been included an economic comparison on two differents building types, to quantify the additional cost involved on the use of stainless steel reinforcement compared to that of carbon steel. The high initial cost of stainless steel reinforcements is offset in the final cost of the structure in many different ways, mainly depending on the chosen steel grade and whether the reinforcement is used in the total structure or only in risky structural elements.

Estudio de la rotura en barras de acero : aspectos experimentales y numéricos

El acero es, junto con el hormigón, el material más ampliamente empleado en la construcción de obra civil y de edificación. Además de su elevada resistencia, su carácter dúctil resulta un aspecto de particular interés desde el punto de vista de la seguridad estructural, ya que permite redistribuir esfuerzos a elementos adyacentes y, por tanto, almacenar una mayor energía antes del colapso final de la estructura. No obstante, a pesar de su extendida utilización, todavía existen aspectos relacionados con su comportamiento en rotura que necesitan una mayor clarificación y que permitirían un mejor aprovechamiento de sus propiedades. Cuando un elemento de acero es ensayado a tracción y alcanza la carga máxima, sufre la aparición de un cuello de estricción que plantea dificultades para conocer el comportamiento del material desde dicho instante hasta la rotura. La norma ISO 6892-1, que define el método a emplear en un ensayo de tracción con materiales metálicos, establece procedimientos para determinar los parámetros relacionados con este tramo último de la curva F − E. No obstante, la definición de dichos parámetros resulta controvertida, ya que éstos presentan una baja reproducibilidad y una baja repetibilidad que resultan difíciles de explicar. En esta Tesis se busca profundizar en el conocimiento del último tramo de la curva F − E de los aceros de construcción. Para ello se ha realizado una amplia campaña experimental sobre dos aceros representativos en el campo de la construcción civil: el alambrón de partida empleado en la fabricación de alambres de pretensado y un acero empleado como refuerzo en hormigón armado. Los dos materiales analizados presentan formas de rotura diferentes: mientras el primero de ellos presenta una superficie de rotura plana con una región oscura claramente apreciable en su interior, el segundo rompe según la clásica superficie en forma de copa y cono. La rotura en forma de copa y cono ha sido ampliamente estudiada en el pasado y existen modelos de rotura que han logrado reproducirla con éxito, en especial el modelo de Gurson- Tvergaard-Needleman (GTN). En cuanto a la rotura exhibida por el primer material, en principio nada impide abordar su reproducción numérica con un modelo GTN, sin embargo, las diferencias observadas entre ambos materiales en los ensayos experimentales permiten pensar en otro criterio de rotura. En la presente Tesis se realiza una amplia campaña experimental con probetas cilíndricas fabricadas con dos aceros representativos de los empleados en construcción con comportamientos en rotura diferentes. Por un lado se analiza el alambrón de partida empleado en la fabricación de alambres de pretensado, cuyo frente de rotura es plano y perpendicular a la dirección de aplicación de la carga con una región oscura en su interior. Por otro lado, se estudian barras de acero empleadas como armadura pasiva tipo B 500 SD, cuyo frente de rotura presenta la clásica superficie en forma de copa y cono. Estos trabajos experimentales han permitido distinguir dos comportamientos en rotura claramente diferenciados entre ambos materiales y, en el caso del primer material, se ha identificado un comportamiento asemejable al exhibido por materiales frágiles. En este trabajo se plantea la hipótesis de que el primer material, cuya rotura provoca un frente de rotura plano y perpendicular a la dirección de aplicación de la carga, rompe de manera cuasifrágil como consecuencia de un proceso de decohesión, de manera que la región oscura que se observa en el centro del frente de rotura se asemeja a una entalla circular perpendicular a la dirección de aplicación de la carga. Para la reproducción numérica de la rotura exhibida por el primer material, se plantea un criterio de rotura basado en un modelo cohesivo que, como aspecto novedoso, se hace depender de la triaxialidad de tensiones, parámetro determinante en el fallo de este tipo de materiales. Este tipo de modelos presenta varias ventajas respecto a los modelos GTN habitualmente empleados. Mientras los modelos GTN precisan de numerosos parámetros para su calibración, los modelos cohesivos precisan fundamentalmente de dos parámetros para definir su curva de ablandamiento: la tensión de decohesión ft y la energía de fractura GF . Además, los parámetros de los modelos GTN no son medibles de manera experimental, mientras que GF sí lo es. En cuanto a ft, aunque no existe un método para su determinación experimental, sí resulta un parámetro más fácilmente interpretable que los empleados por los modelos GTN, que utilizan valores como el porcentaje de huecos presentes en el material para iniciar el fenómeno de coalescencia o el porcentaje de poros que provoca una pérdida total de la capacidad resistente. Para implementar este criterio de rotura se ha desarrollado un elemento de intercara cohesivo dependiente de la triaxialidad de tensiones. Se han reproducido con éxito los ensayos de tracción llevados a cabo en la campaña experimental empleando dicho elemento de intercara. Además, en estos modelos la rotura se produce fenomenológicamente de la misma manera observada en los ensayos experimentales: produciéndose una decohesión circular en torno al eje de la probeta. En definitiva, los trabajos desarrollados en esta Tesis, tanto experimentales como numéricos, contribuyen a clarificar el comportamiento de los aceros de construcción en el último tramo de la curva F − E y los mecanismos desencadenantes de la rotura final del material, aspecto que puede contribuir a un mejor aprovechamiento de las propiedades de estos aceros en el futuro y a mejorar la seguridad de las estructuras construidas con ellos. Steel is, together with concrete, the most widely used material in civil engineering works. Not only its high strength, but also its ductility is of special interest from the point of view of the structural safety, since it enables stress distribution with adjacent elements and, therefore, more energy can be stored before reaching the structural failure. However, despite of being extensively used, there are still some aspects related to its fracture behaviour that need to be clarified and that will allow for a better use of its properties. When a steel item is tested under tension and reaches the maximum load point, necking process begins, which makes difficult to define the material behaviour from that moment onward. The ISO standard 6892-1, which defines the tensile testing method for metallic materials, describes the procedures to obtain some parameters related to this last section of the F − E curve. Nevertheless, these parameters have proved to be controversial, since they have low reproducibility and repeatibility rates that are difficult to explain. This Thesis tries to deepen the knowledge of the last section of the F − E curve for construction steels. An extensive experimental campaign has been carried out with two representative steels used in civil engineering works: a steel rod used for manufacturing prestressing steel wires, before the cold-drawing process is applied, and steel bars used in reinforced concrete structures. Both materials have different fracture surfaces: while the first of them shows a flat fracture surface, perpendicular to the loading direction with a dark region in the centre of it, the second one shows the classical cup-cone fracture surface. The cup-cone fracture surface has been deeply studied in the past and different numerical models have been able to reproduce it with success, with a special mention to the Gurson-Tvergaard-Needleman model (GTN). Regarding the failure surface shown by the first material, in principle it can be numerically reproduced by a GTN model, but the differences observed between both materials in the experimental campaign suggest thinking of a different failure criterium. In the present Thesis, an extensive experimental campaign has been carried out using cylindrical specimens made of two representative construction steels with different fracture behaviours. On one hand, the initial eutectoid steel rod used for manufacturing prestressing steel wires is analysed, which presents a flat fracture surface, perpendicular to the loading direction, and with a dark region in the centre of it. On the other hand, B 500 SD steel bars, typically used in reinforced concrete structures and with the typical cup-cone fracture surface, are studied. These experimental works have allowed distinguishing two clearly different fracture behaviours between both materials and, in the case of the first one, a fragile-like behaviour has been identified. For the first material, which shows a flat fracture surface perpendicular to the loading direction, the following hypothesis is proposed in this study: a quasi-brittle fracture is developed as a consequence of a decohesion process, with the dark region acting as a circular crack perpendicular to the loading direction. To reproduce numerically the fracture behaviour shown by the first material, a failure criterium based on a cohesive model is proposed in this Thesis. As an innovative contribution, this failure criterium depends on the stress triaxiality state of the material, which is a key parameter when studying fracture in this kind of materials. This type of models have some advantages when compared to the widely used GTN models. While GTN models need a high number of parameters to be defined, cohesive models need basically two parameters to define the softening curve: the decohesion stress ft and the fracture energy GF . In addition to this, GTN models parameters cannot be measured experimentally, while GF is indeed. Regarding ft, although no experimental procedure is defined for its obtention, it has an easier interpretation than the parameters used by the GTN models like, for instance, the void volume needed for the coalescence process to start or the void volume that leads to a total loss of the bearing capacity. In order to implement this failure criterium, a triaxiality-dependent cohesive interface element has been developed. The experimental results obtained in the experimental campaign have been successfully reproduced by using this interface element. Furthermore, in these models the failure mechanism is developed in the same way as observed experimentally: with a circular decohesive process taking place around the longitudinal axis of the specimen. In summary, the works developed in this Thesis, both experimental and numerical, contribute to clarify the behaviour of construction steels in the last section of the F − E curve and the mechanisms responsible for the eventual material failure, an aspect that can lead to a better use of the properties of these steels in the future and a safety improvement in the structures built with them.