Experimental and numerical analysis of reinforced concrete elements subjected to blast loading

El hormigón es uno de los materiales de construcción más empleados en la actualidad debido a sus buenas prestaciones mecánicas, moldeabilidad y economía de obtención, entre otras ventajas. Es bien sabido que tiene una buena resistencia a compresión y una baja resistencia a tracción, por lo que se arma con barras de acero para formar el hormigón armado, material que se ha convertido por méritos propios en la solución constructiva más importante de nuestra época. A pesar de ser un material profusamente utilizado, hay aspectos del comportamiento del hormigón que todavía no son completamente conocidos, como es el caso de su respuesta ante los efectos de una explosión. Este es un campo de especial relevancia, debido a que los eventos, tanto intencionados como accidentales, en los que una estructura se ve sometida a una explosión son, por desgracia, relativamente frecuentes. La solicitación de una estructura ante una explosión se produce por el impacto sobre la misma de la onda de presión generada en la detonación. La aplicación de esta carga sobre la estructura es muy rápida y de muy corta duración. Este tipo de acciones se denominan cargas impulsivas, y pueden ser hasta cuatro órdenes de magnitud más rápidas que las cargas dinámicas impuestas por un terremoto. En consecuencia, no es de extrañar que sus efectos sobre las estructuras y sus materiales sean muy distintos que las que producen las cargas habitualmente consideradas en ingeniería. En la presente tesis doctoral se profundiza en el conocimiento del comportamiento material del hormigón sometido a explosiones. Para ello, es crucial contar con resultados experimentales de estructuras de hormigón sometidas a explosiones. Este tipo de resultados es difícil de encontrar en la literatura científica, ya que estos ensayos han sido tradicionalmente llevados a cabo en el ámbito militar y los resultados obtenidos no son de dominio público. Por otra parte, en las campañas experimentales con explosiones llevadas a cabo por instituciones civiles el elevado coste de acceso a explosivos y a campos de prueba adecuados no permite la realización de ensayos con un elevado número de muestras. Por este motivo, la dispersión experimental no es habitualmente controlada. Sin embargo, en elementos de hormigón armado sometidos a explosiones, la dispersión experimental es muy acusada, en primer lugar, por la propia heterogeneidad del hormigón, y en segundo, por la dificultad inherente a la realización de ensayos con explosiones, por motivos tales como dificultades en las condiciones de contorno, variabilidad del explosivo, o incluso cambios en las condiciones atmosféricas. Para paliar estos inconvenientes, en esta tesis doctoral se ha diseñado un novedoso dispositivo que permite ensayar hasta cuatro losas de hormigón bajo la misma detonación, lo que además de proporcionar un número de muestras estadísticamente representativo, supone un importante ahorro de costes. Con este dispositivo se han ensayado 28 losas de hormigón, tanto armadas como en masa, de dos dosificaciones distintas. Pero además de contar con datos experimentales, también es importante disponer de herramientas de cálculo para el análisis y diseño de estructuras sometidas a explosiones. Aunque existen diversos métodos analíticos, hoy por hoy las técnicas de simulación numérica suponen la alternativa más avanzada y versátil para el cálculo de elementos estructurales sometidos a cargas impulsivas. Sin embargo, para obtener resultados fiables es crucial contar con modelos constitutivos de material que tengan en cuenta los parámetros que gobiernan el comportamiento para el caso de carga en estudio. En este sentido, cabe destacar que la mayoría de los modelos constitutivos desarrollados para el hormigón a altas velocidades de deformación proceden del ámbito balístico, donde dominan las grandes tensiones de compresión en el entorno local de la zona afectada por el impacto. En el caso de los elementos de hormigón sometidos a explosiones, las tensiones de compresión son mucho más moderadas, siendo las tensiones de tracción generalmente las causantes de la rotura del material. En esta tesis doctoral se analiza la validez de algunos de los modelos disponibles, confirmando que los parámetros que gobiernan el fallo de las losas de hormigón armado ante explosiones son la resistencia a tracción y su ablandamiento tras rotura. En base a los resultados anteriores se ha desarrollado un modelo constitutivo para el hormigón ante altas velocidades de deformación, que sólo tiene en cuenta la rotura por tracción. Este modelo parte del de fisura cohesiva embebida con discontinuidad fuerte, desarrollado por Planas y Sancho, que ha demostrado su capacidad en la predicción de la rotura a tracción de elementos de hormigón en masa. El modelo ha sido modificado para su implementación en el programa comercial de integración explícita LS-DYNA, utilizando elementos finitos hexaédricos e incorporando la dependencia de la velocidad de deformación para permitir su utilización en el ámbito dinámico. El modelo es estrictamente local y no requiere de remallado ni conocer previamente la trayectoria de la fisura. Este modelo constitutivo ha sido utilizado para simular dos campañas experimentales, probando la hipótesis de que el fallo de elementos de hormigón ante explosiones está gobernado por el comportamiento a tracción, siendo de especial relevancia el ablandamiento del hormigón. Concrete is nowadays one of the most widely used building materials because of its good mechanical properties, moldability and production economy, among other advantages. As it is known, it has high compressive and low tensile strengths and for this reason it is reinforced with steel bars to form reinforced concrete, a material that has become the most important constructive solution of our time. Despite being such a widely used material, there are some aspects of concrete performance that are not yet fully understood, as it is the case of its response to the effects of an explosion. This is a topic of particular relevance because the events, both intentional and accidental, in which a structure is subjected to an explosion are, unfortunately, relatively common. The loading of a structure due to an explosive event occurs due to the impact of the pressure shock wave generated in the detonation. The application of this load on the structure is very fast and of very short duration. Such actions are called impulsive loads, and can be up to four orders of magnitude faster than the dynamic loads imposed by an earthquake. Consequently, it is not surprising that their effects on structures and materials are very different than those that cause the loads usually considered in engineering. This thesis broadens the knowledge about the material behavior of concrete subjected to explosions. To that end, it is crucial to have experimental results of concrete structures subjected to explosions. These types of results are difficult to find in the scientific literature, as these tests have traditionally been carried out by armies of different countries and the results obtained are classified. Moreover, in experimental campaigns with explosives conducted by civil institutions the high cost of accessing explosives and the lack of proper test fields does not allow for the testing of a large number of samples. For this reason, the experimental scatter is usually not controlled. However, in reinforced concrete elements subjected to explosions the experimental dispersion is very pronounced. First, due to the heterogeneity of concrete, and secondly, because of the difficulty inherent to testing with explosions, for reasons such as difficulties in the boundary conditions, variability of the explosive, or even atmospheric changes. To overcome these drawbacks, in this thesis we have designed a novel device that allows for testing up to four concrete slabs under the same detonation, which apart from providing a statistically representative number of samples, represents a significant saving in costs. A number of 28 slabs were tested using this device. The slabs were both reinforced and plain concrete, and two different concrete mixes were used. Besides having experimental data, it is also important to have computational tools for the analysis and design of structures subjected to explosions. Despite the existence of several analytical methods, numerical simulation techniques nowadays represent the most advanced and versatile alternative for the assessment of structural elements subjected to impulsive loading. However, to obtain reliable results it is crucial to have material constitutive models that take into account the parameters that govern the behavior for the load case under study. In this regard it is noteworthy that most of the developed constitutive models for concrete at high strain rates arise from the ballistic field, dominated by large compressive stresses in the local environment of the area affected by the impact. In the case of concrete elements subjected to an explosion, the compressive stresses are much more moderate, while tensile stresses usually cause material failure. This thesis discusses the validity of some of the available models, confirming that the parameters governing the failure of reinforced concrete slabs subjected to blast are the tensile strength and softening behaviour after failure. Based on these results we have developed a constitutive model for concrete at high strain rates, which only takes into account the ultimate tensile strength. This model is based on the embedded Cohesive Crack Model with Strong Discontinuity Approach developed by Planas and Sancho, which has proved its ability in predicting the tensile fracture of plain concrete elements. The model has been modified for its implementation in the commercial explicit integration program LS-DYNA, using hexahedral finite elements and incorporating the dependence of the strain rate, to allow for its use in dynamic domain. The model is strictly local and does not require remeshing nor prior knowledge of the crack path. This constitutive model has been used to simulate two experimental campaigns, confirming the hypothesis that the failure of concrete elements subjected to explosions is governed by their tensile response, being of particular relevance the softening behavior of concrete.

Espacios máximos con recursos mínimos : edificio Central Lechera CLESA, Alejandro de la Sota

La tesis aborda el estudio de la Central lechera CLESA, uno de los edificios industriales de Alejandro de la Sota más significativos de la década de los años cincuenta en España. Las centrales lecheras fueron abordadas por Sota en distintas ocasiones entre 1955 y 1969, siendo CLESA la única de todas ellas que llega a construirse. Se trata de uno de los exponentes más brillantes de la arquitectura moderna industrial española de la posguerra, incluido en "La arquitectura de la industria, REGISTRO DOCOMOMO IBÉRICO”1 entre la veintena de edificios seleccionados de la arquitectura madrileña de este periodo. Plantea una solución singular para alcanzar la diafanidad exigida en la implantación del proceso de producción. La estructura de las naves se realiza con hormigón pretensado, siendo uno de los pioneros en la utilización de esta técnica. La hipótesis de partida considera la realidad del proyecto construido como respuesta desde la arquitectura a un programa industrial resuelto con sencillez, que partiendo de una economía de recursos que le es inherente, consigue desde la coherencia del planteamiento, soluciones donde la complejidad espacial constituye una respuesta eficaz y del máximo interés. Los objetivos de esta tesis son contribuir a un conocimiento riguroso del edificio, que permita descubrir la particularidad de su entramado espacial y el interés de las soluciones adoptadas en su configuración final, en aras de contrastar su calidad arquitectónica. El edificio de la Central Lechera CLESA, si bien es un edificio muy conocido, lo es de una manera superficial. Aparece en numerosas publicaciones, en muchas ocasiones formando parte de un relato extenso de la obra de su autor. El libro monográfico publicado en 2007 por la Fundación Alejandro de la Sota, cuya edición está a cargo de Teresa Couceiro, es la única publicación específica sobre él. Tras una breve introducción, en la que se destaca la intensa dedicación de Sota a esta obra, reúne una colección de planos, fotografías y croquis, junto a la memoria del proyecto. Ofrece una visión fragmentada, que permite vislumbrar el interés de esta obra, pero no facilita comprenderla en su integridad. Es importante destacar la publicación de CLESA en el libro editado por Pronaos (1989), que incluye una selección, realizada por el autor, de plantas, alzados y secciones que corresponden al proyecto construido junto a fotografías de la obra terminada, además de un breve texto tan conciso como esclarecedor. Sobre Alejandro de la Sota se han escrito, tesis doctorales, numerosos artículos, varios libros así como realizado exposiciones que recogen su obra global, reflejados en este documento en las consiguientes bibliografías específicas. Cabe destacar la exposición realizada en la sede del COAM en 2014, con ocasión de su centenario, que el edificio CLESA protagoniza en cierto modo, por su riesgo de desaparición.2 La tesis se estructura en cuatro capítulos: descripción, análisis, síntesis y conclusiones. El primer capítulo contempla la descripción del edificio objeto de la tesis, con una introducción que nos sitúa en el contexto histórico, económico, cultural y social en el que se desarrolla el encargo, proyecto y obra de la central lechera. La descripción propiamente dicha del conjunto industrial, partiendo del encargo de la central lechera al autor del proyecto, pasando por el anteproyecto, el proyecto visado y llegando a la obra realizada. Se compara el proyecto visado, la obra terminada y la CLESA publicada, así como el devenir del edificio. La segunda parte corresponde al análisis, en primer lugar desde el programa como planteamiento general, estudiando las circulaciones, relaciones espaciales, geométricas, esqueléticas, geográficas -parte a parte- que integran el conjunto de la central. La estructura, introducción explicativa de las soluciones adoptadas por Alejandro de la Sota; análisis del sistema esquelético del edificio por partes, operaciones geométricas y espaciales. Construcción, análisis de la materialización de la obra, sistemas constructivos empleados en cerramientos, cubiertas, lucernarios; de lo general a lo particular, estudiando los sistemas. Finalmente a través de la pequeña escala se compendian elementos singulares que forman parte de sistemas complejos, como las múltiples escaleras, barandillas, carpinterías, miradores. Se recapitula en una síntesis que configura un todo con la suma de las partes, mediante la utilización de recursos de enlace de esa arquitectura aditiva, como es el módulo, los recorridos y los enlaces visuales. El capítulo final de Conclusiones contrasta la hipótesis de partida de la tesis en cuanto a una arquitectura de espacios máximos con recursos mínimos. Recoge también diversas reflexiones como la dialéctica entre el espacio fragmentado y el espacio único; crecimiento expansivo o inclusivo; imagen singular y representación; escala doméstica y escala industrial; renuncias estructurales o limitaciones de medios. Quizás, el mayor interés de esta tesis reside los dibujos realizados en axonométrica del complejo CLESA, que han permitido restituir y reconstruir idealmente la fábrica al inicio de su actividad. Teniendo en cuenta su posible desaparición total o parcial, esta restitución cobra relevancia como testimonio de lo que fue. ABSTRACT The thesis deals with the study of CLESA's Dairy Plant, one of the most significant industrial buildings of the Decade of the fifties in Spain, by Alejandro de la Sota. The Dairies were addressed by Sota at various occasions between 1955 and 1969, being the CLESA plant the only one that is has been built. This is one of the most brilliant exponents of Spanish industrial post-war modern architecture, included in "The architecture industry, IBERIAN DOCOMOMO RECORD"3 between the score of selected buildings of Madrid architecture of this period. It poses a singular solution to achieve the openness of the space required in the implementation of the manufacturing process. The structure of the nave is done with prestressed concrete, being one of the pioneers in the use of this technique. The initial hypothesis considers the reality of the project built from the architecture in response to an industrial program solved with simplicity, that from a resource economy that is inherent, gets from the consistency of the approach, solutions where the space complexity is an effective response of great interest. The objectives of this thesis are to contribute to a rigorous knowledge of the building, which allows to discover the particularity of its space lattice and the interest of the solutions adopted in its final configuration, in order to contrast its architectural quality. The building of the Central Lechera CLESA, despite it is a well known building, is in a superficial way. It appears in several publications, often as part of an extensive account of the work of its author. The monograph published in 2007 by the Foundation Alejandro de la Sota, whose edition is run by Teresa Couceiro, is the only specific publication about it. After a brief introduction, in which Sota's intense dedication to this work stands out, it brings together a collection of drawings, photographs and sketches, along with the project report. It offers a fragmented view, which enable to glimpse the interest of this work, but not helps to understand it in full. It is important to highlight the publication of CLESA in the book edited by Pronaos (1989), which includes a selection made by the author of plants, elevations and sections corresponding to the project built, next to photographs of the finished construction, in addition to a brief text as concise as enlightening. About Alejandro de la Sota have been written doctoral thesis, numerous articles, several books as well as held exhibitions collecting his global work, which have been reflected in this document in the resulting specific bibliographies. It should be noted the exhibition in COAM headquarters in 2014, on the occasion of its Centennial, where the building CLESA has a leading role, in a certain way, because of its risk of disappearance.4 The thesis is structured in four chapters: description, analysis, synthesis, and conclusions. The first chapter provides the description of the building object of this thesis. Includes an introduction that puts us in the historic, economic, cultural and social context in which it is developed the commission, the project and construction of the dairy building. The description itself of the industrial complex, starts with the order of the dairy to the author of the project, moves through the draft, the visa project and reaches the completion of the work. The visa project, CLESA's finished and published work, as well as the future of the building is compared. The second part corresponds to the analysis, first from the program as a general approach, studying the circulations, geometric, spatial, skeletal, geographical relations - bit by bit - comprising the manufacturing plant ("la central"). The structure, explanatory introduction of the solutions adopted by Alejandro de la Sota; analysis of the skeletal system of the building by parts, geometric and spatial operations. Construction, analysis of the realization of the work, constructive systems used in the building enclosures, roofs, skylights; from the general to the particular and studying the systems. Finally through small scale unique elements that are part of complex systems, such as multiple stairs, railings, carpentry, viewpoints are summarized. It is recapitulated in a synthesis which forms a whole with the sum of the parts, using linking resources that belongs to the additive architecture, such as the module, tours and visual links The final chapter of Conclusions contrast the hypothesis of the thesis regarding the maximum space architecture with minimal resources. It also includes various reflections as the dialectic between the fragmented space and the single space; expansive or inclusive growth; unique image and representation; domestic and industrial scale; structural abandonment or limitation of means. Perhaps the greatest interest of this thesis lies in the axonometric drawings made of the CLESA complex, which ideally have allowed to restore and rebuild the factory back to the beginning of its activity. Considering its potential full or partial disappearance, such recovery becomes relevant as a testimonial evidence of what it was.