Development of corrosion of steel bars embedded in mortar made with slag from secondary metallurgy

The aim of this work is to study the evolution of the corrosion rate of reinforcements embedded in mortar specimens that have been partly or fully replaced by the sand ladle furnace white slag. Prisms are manufactured mortar 6cm x 8cm x 2cm in which are embedded reinforcing steel bars of 6mm diameter B500SD. At the time of mixing were added varying amounts of chloride ion content by weight of cement (0%, 0.4%, 0.8%, 1.2%, 2%). The specimens were made totally or partially replacing the white slag, getting four different mixes depending on the degree of substitution. After curing the specimens for 28 days in moist chambers proceeded to dry up naturally. Here are gradually dampened by its conservation in a moist chamber, periodically measuring the corrosion rate of the bars using the technique of polarization curve. The results, in terms of corrosion current and corrosion potential, were compared with those obtained on standard samples, without replacement by slag aggregate. The analysis of results allows us to know, depending on the type of mortar used, the chloride threshold with the depassivation produced steel and the corrosion rates achieved in steels in the active state in terms of mortar moisture, obtained from qualitatively using gravimetric techniques. The results achieved to date support the conclusion that no significant differences in the behavior against corrosion induced by chloride ions, between the steel bars embedded in standard samples and the steel bars embedded in samples including with aggregates from slag. Both the chloride threshold resulting in the depassivation steel as the corrosion rate reached through the bars in an active state are very similar in both types of mortars when they have the same moisture content.

A fracture model for pearlitic steel bars using a cohesive model

The fracture of ductile materials, such as metals, is usually explained with the theory of nucleation, growth and coalescence of microvoids. Based on this theory, many numerical models have been developed, with a special mention to Gurson-type models. These models simulate mathematically the physical growth of microvoids, leading to a progressive development of the internal damage that takes place during a tensile test. In these models, the damage starts to develop in very early stages of the test. Tests carried out by the authors suggest that, in the case of some eutectoid steels such as those used for manufacturing prestressing steel wires, the internal damage that takes place as a result of the growth of microvoids is only noticeable in very late stages of the tensile test. In the authors’ opinion, using a cohesive model as a failure criterion may be interesting in this case; a cohesive model only requires two parameters to be defined, with the fracture energy being one of them, which can be obtained experimentally. In addition to this, given that it is known that the stress triaxiality has a strong influence on the fracture of ductile materials, a cohesive model whose parameters are affected by the value of the stress triaxiality can be considered. This work presents a fracture model for steel specimens in a tensile test, based on a cohesive behaviour and taking into account the effect of stress triaxiality, which is different at each point of the fracture plane.

Experimental validation of a fracture model for pearlitic steel bars based on the cohesive zone model

Congreso internacional celebrado en Praga sobre modelos numéricos de fractura en el campo de la ciencia de materiales y estructuras.

Experimental validation of a fracture model for pearlitic steel bars based on the cohesive zone model

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, since it allows for more energy to be stored before failure. A better understanding of the material behaviour before failure may lead to better structural safety strategies.

Experimental and numerical study of bond response in structural concrete with corroded steel bars

Corrosion can affect the bond between reinforcing bars and concrete and hence the transfer of longitudinal stresses. Although a number of experimental studies on bond failure have been conducted in recent years, the findings have diverged rather widely, due primarily to differing test conditions. The present paper reports on an experimental programme consisting of eccentric pull-out tests run on corroded steel bars in specimens subjected to accelerated or natural corrosion. An axisymmetric bi-dimensional FE model with finite deformations initially developed to study bond mechanics with sound steel bars, has been enhanced to consider bond effects in corroded steel bars. The model simulation is compared to some of the experimental results for corroded and sound bars and the findings are analysed.

Failure analysis of prestressed anchor bars

Three broken steel bars from a sewed crack in a dam are reported. The inspection of the fracture surfaces of the prestressed bars suggests that fractures were triggered by small cracks and by the inherent brittleness of the bars, as fracture toughness was about 40 MPa m1/2. The analysis of the failures shows that the usual design requirements for prestressing bars fail to warn against brittle failures if some damage exists. Some recommendations, based on the concept of damage tolerance, are suggested to avoid similar unfortunate incidents.

Proposal of a new indicator to define ductility applied to corroded steel reinforcement on concrete structures = Propuesta de un nuevo indicador para definir la ductilidad aplicada a la corrosión del acero de refuerzo en estructuras de hormigón

The carbonation of concrete or the chlorides ingress in such quantity to reach the level of bars is triggers of reinforcement corrosion. One of the most significant effects of reinforcing steel corrosion on reinforced concrete structures is the decline in the ductility-related properties of the steel. Reinforcement ductility has a decisive effect on the overall ductility of reinforced concrete structures. Different Codes classify the type of steel depending on their ductility defined by the minimum values of several parameters. Using indicators of ductility associating different properties can be advantageous on many occasions. It is considered necessary to define the ductility by means of a single parameter that considers strength values and deformation simultaneously. There are a number of criteria for defining steel ductility by a single parameter. The present experimental study addresses the variation in the ductility of concrete-embedded steel bars when exposed to accelerated corrosion. This paper analyzes the suitability of a new indicator of ductility used in corroded bars.

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.

Modelling of chloride transport in non-saturated concrete : from microscale to macroscale

Corrosion of steel bars embedded in concrete has a great influence on structural performance and durability of reinforced concrete. Chloride penetration is considered to be a primary cause of concrete deterioration in a vast majority of structures. Therefore, modelling of chloride penetration into concrete has become an area of great interest. The present work focuses on modelling of chloride transport in concrete. The differential macroscopic equations which govern the problem were derived from the equations at the microscopic scale by comparing the porous network with a single equivalent pore whose properties are the same as the average properties of the real porous network. The resulting transport model, which accounts for diffusion, migration, advection, chloride binding and chloride precipitation, consists of three coupled differential equations. The first equation models the transport of chloride ions, while the other two model the flow of the pore water and the heat transfer. In order to calibrate the model, the material parameters to determine experimentally were identified. The differential equations were solved by means of the finite element method. The classical Galerkin method was employed for the pore solution flow and the heat transfer equations, while the streamline upwind Petrov Galerkin method was adopted for the transport equation in order to avoid spatial instabilities for advection dominated problems. The finite element codes are implemented in Matlab® . To retrieve a good understanding of the influence of each variable and parameter, a detailed sensitivity analysis of the model was carried out. In order to determine the diffusive and hygroscopic properties of the studied concretes, as well as their chloride binding capacity, an experimental analysis was performed. The model was successfully compared with experimental data obtained from an offshore oil platform located in Brazil. Moreover, apart from the main objectives, numerous results were obtained throughout this work. For instance, several diffusion coefficients and the relation between them are discussed. It is shown how the electric field set up between the ionic species depends on the gradient of the species’ concentrations. Furthermore, the capillary hysteresis effects are illustrated by a proposed model, which leads to the determination of several microstructure properties, such as the pore size distribution and the tortuosity-connectivity of the porous network. El fenómeno de corrosión del acero de refuerzo embebido en el hormigón ha tenido gran influencia en estructuras de hormigón armado, tanto en su funcionalidad estructural como en aspectos de durabilidad. La penetración de cloruros en el interior del hormigón esta considerada como el factor principal en el deterioro de la gran mayoría de estructuras. Por lo tanto, la modelización numérica de dicho fenómeno ha generado gran interés. El presente trabajo de investigación se centra en la modelización del transporte de cloruros en el interior del hormigón. Las ecuaciones diferenciales que gobiernan los fenómenos a nivel macroscópico se deducen de ecuaciones planteadas a nivel microscópico. Esto se obtiene comparando la red porosa con un poro equivalente, el cual mantiene las mismas propiedades de la red porosa real. El modelo está constituido por tres ecuaciones diferenciales acopladas que consideran el transporte de cloruros, el flujo de la solución de poro y la transferencia de calor. Con estas ecuaciones se tienen en cuenta los fenómenos de difusión, migración, advección, combinación y precipitación de cloruros. El análisis llevado a cabo en este trabajo ha definido los parámetros necesarios para calibrar el modelo. De acuerdo con ellas, se seleccionaron los ensayos experimentales a realizar. Las ecuaciones diferenciales se resolvieron mediante el método de elementos finitos. El método clásico de Galerkin se empleó para solucionar las ecuaciones de flujo de la solución de poro y de la transferencia de calor, mientras que el método streamline upwind Petrov-Galerkin se utilizó para resolver la ecuación de transporte de cloruros con la finalidad de evitar inestabilidades espaciales en problemas con advección dominante. El código de elementos finitos está implementado en Matlab® . Con el objetivo de facilitar la comprensión del grado de influencia de cada variable y parámetro, se realizó un análisis de sensibilidad detallado del modelo. Se llevó a cabo una campaña experimental sobre los hormigones estudiados, con el objeto de obtener sus propiedades difusivas, químicas e higroscópicas. El modelo se contrastó con datos experimentales obtenidos en una plataforma petrolera localizada en Brasil. Las simulaciones numéricas corroboraron los datos experimentales. Además, durante el desarrollo de la investigación se obtuvieron resultados paralelos a los planteados inicialmente. Por ejemplo, el análisis de diferentes coeficientes de difusión y la relación entre ellos. Así como también se observó que el campo eléctrico establecido entre las especies iónicas disueltas en la solución de poro depende del gradiente de concentración de las mismas. Los efectos de histéresis capilar son expresados por el modelo propuesto, el cual conduce a la determinación de una serie de propiedades microscópicas, tales como la distribución del tamaño de poro, además de la tortuosidad y conectividad de la red porosa.

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.

Simulación del proceso de rotura por tracción de alambres de acero perlítico con un modelo de fisura cohesiva

La fractura de metales dúctiles como el acero suele explicarse a partir de la hipótesis de nucleación, crecimiento y coalescencia de microhuecos. A partir de esta teoría, se han desarrollado diversos modelos numéricos, entre los que el modelo de Gurson y sus variantes son los más extendidos. Dichos modelos reproducen matemáticamente el fenómeno físico de crecimiento de huecos resultando en un desarrollo progresivo del daño en el interior del material durante un ensayo de tracción. En estos modelos, el daño comienza a desarrollarse en fases muy tempranas del ensayo, incluso anteriores a la carga máxima. Ensayos realizados por los autores parecen indicar, sin embargo, que en el caso de barras de acero eutéctico empleado en la fabricación de alambres de pretensado, el daño originado en el interior del material como consecuencia del crecimiento de microhuecos sólo es apreciable en un estado muy avanzado del ensayo, momentos antes de producirse la rotura. Además, desde hace décadas se conoce que la triaxialidad de tensiones tiene una fuerte influencia sobre la rotura de los materiales. En este trabajo se presenta un modelo de rotura para elementos de acero sometidos a tracción, basado en un comportamiento cohesivo del material y que contempla el valor de la triaxialidad de tensiones, diferente en cada punto de la sección crítica de rotura. The fracture of ductile materials, such as steel, is usually explained with the theory of nucleation, growth and coalescence of microvoids. Based on this theory, many numerical models have been developed, with a special mention to Gurson-type models. These models simulate mathematically the physical growth of microvoids, leading to a progressive development of the internal damage that takes place during a tensile test. In these models, the damage starts to develop in very early stages of the test. Tests carried out by the authors seem to point out that, in the case of eutectoid steel bars used for manufacturing prestressing steel wires, the internal damage that takes place as a result of the growth of microvoids is only noticeable in a very advanced state of the test. In addition to this, it is known that the stress triaxiality has a strong influence over the fracture of ductile materials. This work presents a fracture model for steel specimens in a tensile test, based on a cohesive behaviour and taking into account the effect of stress triaxiality, which is different in every point of the fracture plane.

Simulación del proceso de rotura por tracción de alambres de acero perlítico con un modelo de fisura cohesiva

La fractura de metales dúctiles como el acero suele explicarse a partir de la hipótesis de nucleación, crecimiento y coalescencia de microhuecos. A partir de esta teoría, se han desarrollado diversos modelos numéricos, entre los que el modelo de Gurson y sus variantes son los más extendidos. Dichos modelos reproducen matemáticamente el fenómeno físico de crecimiento de huecos resultando en un desarrollo progresivo del daño en el interior del material durante un ensayo de tracción. En estos modelos, el daño comienza a desarrollarse en fases muy tempranas del ensayo, incluso anteriores a la carga máxima. Ensayos realizados por los autores parecen indicar, sin embargo, que en el caso de barras de acero eutéctico empleado en la fabricación de alambres de pretensado, el daño originado en el interior del material como consecuencia del crecimiento de microhuecos sólo es apreciable en un estado muy avanzado del ensayo, momentos antes de producirse la rotura. Además, desde hace décadas se conoce que la triaxialidad de tensiones tiene una fuerte influencia sobre la rotura de los materiales. En este trabajo se presenta un modelo de rotura para elementos de acero sometidos a tracción, basado en un comportamiento cohesivo del material y que contempla el valor de la triaxialidad de tensiones, diferente en cada punto de la sección crítica de rotura. The fracture of ductile materials, such as steel, is usually explained with the theory of nucleation, growth and coalescence of microvoids. Based on this theory, many numerical models have been developed, with a special mention to Gurson-type models. These models simulate mathematically the physical growth of microvoids, leading to a progressive development of the internal damage that takes place during a tensile test. In these models, the damage starts to develop in very early stages of the test. Tests carried out by the authors seem to point out that, in the case of eutectoid steel bars used for manufacturing prestressing steel wires, the internal damage that takes place as a result of the growth of microvoids is only noticeable in a very advanced state of the test. In addition to this, it is known that the stress triaxiality has a strong influence over the fracture of ductile materials. This work presents a fracture model for steel specimens in a tensile test, based on a cohesive behaviour and taking into account the effect of stress triaxiality, which is different in every point of the fracture plane.

Influencia de las condiciones de ejecución en la resistencia de anclajes en convencional y autocompactante

A través de los años las estructuras de hormigón armado han ido aumentando su cuota de mercado, sustituyendo a las estructuras de fábrica de piedra o ladrillo y restándole participación a las estructuras metálicas. Uno de los primeros problemas que surgieron al ejecutar las estructuras de hormigón armado, era cómo conectar una fase de una estructura de este tipo a una fase posterior o a una modificación posterior. Hasta los años 80-90 las conexiones de una fase de una estructura de hormigón armado, con otra posterior se hacían dejando en la primera fase placas de acero con garrotas embebidas en el hormigón fresco o barras grifadas recubiertas de poliestireno expandido. Una vez endurecido el hormigón se podían conectar nuevas barras, para la siguiente fase mediante soldadura a la placa de la superficie o enderezando las barras grifadas, para embeberlas en el hormigón fresco de la fase siguiente. Estos sistemas requerían conocer la existencia y alcance de la fase posterior antes de hormigonar la fase previa. Además requerían un replanteo muy exacto y complejo de los elementos de conexión. Otro problema existente en las estructuras de hormigón era la adherencia de un hormigón fresco a un hormigón endurecido previamente, ya que la superficie de contacto de ambos hormigones suponía un punto débil, con una adherencia baja. A partir de los años 80, la industria química de la construcción experimentó un gran avance en el desarrollo de productos capaces de generar una buena adherencia sobre el hormigón endurecido. Este avance tecnológico tenía aplicación tanto en la adherencia del hormigón fresco sobre el hormigón endurecido, como en la adherencia de barras post-instaladas en agujeros de hormigón endurecido. Este sistema se denominó “anclajes adherentes de barras de acero en hormigón endurecido”. La forma genérica de ejecutarlos es hacer una perforación cilíndrica en el soporte de hormigón, con una herramienta especifica como un taladro, limpiar la perforación, llenarla del material adherente y finalmente introducir la barra de acero. Los anclajes adherentes se dividen en anclajes cementosos y anclajes químicos, siendo estos últimos los más habituales, fiables, resistentes y fáciles de ejecutar. El uso del anclaje adherente de barras de acero en hormigón endurecido se ha extendido por todo el espectro productivo, siendo muy habitual tanto en construcción de obras de hormigón armado de obra civil y edificación, como en obras industriales, instalaciones o fijación de elementos. La ejecución de un anclaje de una barra de acero en hormigón endurecido depende de numerosas variables, que en su conjunto, o de forma aislada pueden afectar de forma notable a la resistencia del anclaje. Nos referimos a variables de los anclajes, que a menudo no se consideran tales como la dirección de la perforación, la máquina de perforación y el útil de perforación utilizado, la diferencia de diámetros entre el diámetro del taladro y la barra, el tipo de material de anclaje, la limpieza del taladro, la humedad del soporte, la altura del taladro, etc. La utilización en los últimos años de los hormigones Autocompactables, añade una variable adicional, que hasta ahora apenas ha sido estudiada. En línea con lo apuntado, la presente tesis doctoral tiene como objetivo principal el estudio de las condiciones de ejecución en la resistencia de los anclajes en hormigón convencional y autocompactable. Esta investigación se centra principalmente en la evaluación de la influencia de una serie de variables sobre la resistencia de los anclajes, tanto en hormigón convencional como en un hormigón autocompactable. Para este estudio ha sido necesaria la fabricación de dos soportes de hormigón sobre los cuales desarrollar los ensayos. Uno de los bloques se ha fabricado con hormigón convencional y el otro con hormigón autocompactable. En cada pieza de hormigón se han realizado 174 anclajes con barras de acero, variando los parámetros a estudiar, para obtener resultados de todas las variables consideradas. Los ensayos a realizar en ambos bloques son exactamente iguales, para poder comparar la diferencia entre un anclaje en un soporte de hormigón con vibrado convencional (HVC) y un hormigón autocompactante (HAC). De cada tipo de ensayo deseado se harán dos repeticiones en la misma pieza. El ensayo de arrancamiento de las barras se realizara con un gato hidráulico hueco, con un sistema de instrumentación de lectura y registro de datos en tiempo real. El análisis de los resultados, realizado con una potente herramienta estadística, ha permitido determinar y evaluar numéricamente la influencia de los variables consideradas en la resistencia de los anclajes realizados. Así mismo ha permitido diferenciar los resultados obtenidos en los hormigones convencionales y autocompactantes, tanto desde el punto de vista de la resistencia mecánica, como de las deformaciones sufridas en el arrancamiento. Se define la resistencia mecánica de un anclaje, como la fuerza desarrollada en la dirección de la barra, para hacer su arrancamiento del soporte. De la misma forma se considera desplazamiento, a la separación entre un punto fijo de la barra y otro del soporte, en la dirección de la barra. Dichos puntos se determinan cuando se ha terminado el anclaje, en la intersección de la superficie plana del soporte, con la barra. Las conclusiones obtenidas han permitido establecer qué variables afectan a la ejecución de los anclajes y en qué cuantía lo hacen, así como determinar la diferencia entre los anclajes en hormigón vibrado convencional y hormigón autocompactante, con resultados muy interesantes, que permiten valorar la influencia de dichas variables. Dentro de las conclusiones podemos destacar tres grupos, que denominaremos como de alta influencia, baja influencia y sin influencia. En todos los casos hay que hacer el estudio en términos de carga y de desplazamiento. Podemos considerar como de alta influencia, en términos de carga las variables de máquina de perforación y el material de anclaje. En términos de desplazamiento podemos considerar de alta influencia además de la máquina de perforación y el material de anclaje, el diámetro del taladro, así como la limpieza y humedad del soporte. Podemos considerar de baja influencia, en términos de carga las variables de tipo de hormigón, dirección de perforación, limpieza y humedad del soporte. En términos de desplazamiento podemos considerar de baja influencia el tipo de hormigón y la dirección de perforación. Podemos considerar en el apartado de “sin influencia”, en términos de carga las variables de diámetro de perforación y altura del taladro. En términos de desplazamiento podemos considerar como “sin influencia” la variable de altura del taladro. Podemos afirmar que las diferencias entre los valores de carga aumentan de forma muy importante en términos de desplazamiento. ABSTRACT Over the years the concrete structures have been increasing their market share, replacing the masonry structures of stone or brick and subtracting as well the participation of the metallic structures. One of the first problems encountered in the implementing of the reinforced concrete structures was connecting a phase structure of this type at a later stage or a subsequent amendment. Until the 80s and 90s the connections of one phase of a reinforced concrete structure with a subsequent first phase were done by leaving the steel plates embedded in the fresh concrete using hooks or bent bars coated with expanded polystyrene. Once the concrete had hardened new bars could be connected to the next stage by welding them to the surface plate or by straightening the bent bars to embed them in the fresh concrete of the next phase. These systems required a previous knowledge of the existence and scope of the subsequent phase before concreting the previous one. They also required a very precise and complex rethinking of the connecting elements. Another existing problem in the concrete structures was the adhesion of a fresh concrete to a previously hardened concrete, since the contact surface of both concretes leaded to a weak point with low adherence. Since the 80s, the chemicals construction industry experienced a breakthrough in the development of products that generate a good grip on the concrete. This technological advance had its application both in the grip on one hardened fresh concrete and in the adhesion of bar post-installed in holes of hardened concrete. This system was termed as adherent anchors of steel bars in hardened concrete. The generic way of executing this system is by firstly drilling a cylindrical hole in the concrete support using a specific tool such as a drill. Then, cleaning the bore and filling it with bonding material to lastly, introduce the steel bar. These adherent anchors are divided into cement and chemical anchors, the latter being the most common, reliable, durable and easy to run. The use of adhesive anchor of steel bars in hardened concrete has spread across the production spectrum turning itself into a very common solution in both construction of reinforced concrete civil engineering and construction, and industrial works, installations and fixing elements as well. The execution of an anchor of a steel bar in hardened concrete depends on numerous variables which together or as a single solution may significantly affect the strength of the anchor. We are referring to variables of anchors which are often not considered, such as the diameter difference between the rod and the bore, the drilling system, cleansing of the drill, type of anchor material, the moisture of the substrate, the direction of the drill, the drill’s height, etc. During recent years, the emergence of self-compacting concrete adds an additional variable which has hardly been studied so far. According to mentioned this thesis aims to study the main performance conditions in the resistance of conventional and self-compacting concrete anchors. This research is primarily focused on the evaluation of the influence of several variables on the strength of the anchoring, both in conventional concrete and self-compacting concrete. In order to complete this study it has been required the manufacture of two concrete supports on which to develop the tests. One of the blocks has been manufactured with conventional concrete and the other with self-compacting concrete. A total of 174 steel bar anchors have been made in each one of the concrete pieces varying the studied parameters in order to obtain results for all variables considered. The tests to be performed on both blocks are exactly the same in order to compare the difference between an anchor on a stand with vibrated concrete (HVC) and a self-compacting concrete (SCC). Each type of test required two repetitions in the same piece. The pulling test of the bars was made with a hollow jack and with an instrumentation system for reading and recording data in real time. The use of a powerful statistical tool in the analysis of the results allowed to numerically determine and evaluate the influence of the variables considered in the resistance of the anchors made. It has likewise enabled to differentiate the results obtained in the self-compacting and conventional concretes, from both the outlook of the mechanical strength and the deformations undergone by uprooting. The mechanical strength of an anchor is defined as the strength undergone in a direction of the bar to uproot it from the support. Likewise, the movement is defined as the separation between a fixed point of the bar and a fixed point from the support considering the direction of the bar. These points are only determined once the anchor is finished, with the bar, at the intersection in the flat surface of the support. The conclusions obtained have established which variables affect the execution of the anchors and in what quantity. They have also permitted to determine the difference between the anchors in vibrated concrete and selfcompacting concrete with very interesting results that also allow to assess the influence of these mentioned variables. Three groups are highlighted among the conclusions called high influence, low influence and no influence. In every case is necessary to perform the study in terms of loading and movement. In terms of loading, there are considered as high influence two variables: drilling machinery and anchorage material. In terms of movement, there are considered as high influence the drilling diameter and the cleaning and moisture of the support, besides the drilling machinery and the anchorage material. Variables such as type of concrete, drilling direction and cleaning and moisture of the support are considered of low influence in terms of load. In terms of movement, the type of concrete and the direction of the drilling are considered variables of low influence. Within the no influence section in terms of loading, there are included the diameter of the drilling and the height of the drill. In terms of loading, the height of the drill is considered as a no influence variable. We can affirm that the differences among the loading values increase significantly in terms of movement.

Simulación de la rotura de barras de acero perlítico sometidas a tracción mediante un modelo de fisura cohesiva. Validación experimental

Las probetas cilíndricas fabricadas con materiales metálicos de elevada ductilidad, como el aluminio o el cobre, sometidas a tracción suelen presentar una rotura comúnmente denominada rotura en copa y cono, debido a su geometría. Este tipo de rotura se reproduce numéricamente con éxito mediante el modelo de Gurson-Tvergaard- Needleman, cuya formulación matemática se basa en el fenómeno físico de nucleación, crecimiento y coalescencia de microhuecos. A diferencia de dichos materiales, las barras de acero perlítico, material con una ductilidad apreciable, presentan un frente de rotura plano que no puede simularse correctamente con los modelos antes mencionados, apareciendo una región interior de daño que, en principio, también puede atribuirse a un fenómeno de nucleación y crecimiento de microhuecos, mientras que en el exterior aparece una zona cuya micrografía permite asociar su rotura a un mecanismo de clivaje. En trabajos anteriores los autores han presentado un elemento de intercara cohesivo dependiente de la triaxialidad de tensiones que, incorporado a un código de elementos finitos, permite reproducir de forma razonable el daño que se desarrolla en la región interior mencionada. En este trabajo se presentan los resultados de una campaña experimental que permite validar el modelo desarrollado. Para ello, se ensayan probetas de diferentes diámetros y se comparan los resultados con los obtenidos numéricamente, empleando tres bases extensométricas diferentes en cada uno de los diámetros. Los resultados numéricos se ajustan razonablemente bien a los obtenidos experimentalmente.The cylindrical specimens made of high-ductility metallic materials, such as aluminium and copper, usually fail showing a fracture surface commonly known as cup-cone fracture because of its shape. This type of fracture is successfully reproduced using the Gurson-Tvergaard-Needleman model, which is based on the physical process of nucleation, growth and coalescence of microvoids. Unlike these materials, pearlitic steel bars, which are considerably ductile, show a flat fracture surface that cannot be correctly reproduced with the aforementioned models. In this flat fracture surface, a dark region can be observed in the centre of the specimen, which is the result of a process of nucleation and growth of microvoids, while in the rest of the fracture surface a different region can be identified, which a micrographic study reveals to be the result of a process of cleavage. In previous works, the authors presented a triaxiality-dependent cohesive interface element that, implemented in a finite element code, can reproduce in a reasonably accurate manner the damage that takes place in the dark region mentioned before. The results of an experimental campaign designed to validate the model are presented in this paper. For it, different diameter specimens are tested and these results are compared to those obtained with the numerical models, using three different initial lengths for the strain. Numerical results agree reasonably well with those obtained experimentally.

Simulación de la rotura de barras de acero perlítico sometidas a tracción mediante un modelo de fisura cohesiva. Validación experimental

Las probetas cilíndricas fabricadas con materiales metálicos de elevada ductilidad, como el aluminio o el cobre, sometidas a tracción suelen presentar una rotura comúnmente denominada rotura en copa y cono, debido a su geometría. Este tipo de rotura se reproduce numéricamente con éxito mediante el modelo de Gurson-Tvergaard- Needleman, cuya formulación matemática se basa en el fenómeno físico de nucleación, crecimiento y coalescencia de microhuecos. A diferencia de dichos materiales, las barras de acero perlítico, material con una ductilidad apreciable, presentan un frente de rotura plano que no puede simularse correctamente con los modelos antes mencionados, apareciendo una región interior de daño que, en principio, también puede atribuirse a un fenómeno de nucleación y crecimiento de microhuecos, mientras que en el exterior aparece una zona cuya micrografía permite asociar su rotura a un mecanismo de clivaje. En trabajos anteriores los autores han presentado un elemento de intercara cohesivo dependiente de la triaxialidad de tensiones que, incorporado a un código de elementos finitos, permite reproducir de forma razonable el daño que se desarrolla en la región interior mencionada. En este trabajo se presentan los resultados de una campaña experimental que permite validar el modelo desarrollado. Para ello, se ensayan probetas de diferentes diámetros y se comparan los resultados con los obtenidos numéricamente, empleando tres bases extensométricas diferentes en cada uno de los diámetros. Los resultados numéricos se ajustan razonablemente bien a los obtenidos experimentalmente.The cylindrical specimens made of high-ductility metallic materials, such as aluminium and copper, usually fail showing a fracture surface commonly known as cup-cone fracture because of its shape. This type of fracture is successfully reproduced using the Gurson-Tvergaard-Needleman model, which is based on the physical process of nucleation, growth and coalescence of microvoids. Unlike these materials, pearlitic steel bars, which are considerably ductile, show a flat fracture surface that cannot be correctly reproduced with the aforementioned models. In this flat fracture surface, a dark region can be observed in the centre of the specimen, which is the result of a process of nucleation and growth of microvoids, while in the rest of the fracture surface a different region can be identified, which a micrographic study reveals to be the result of a process of cleavage. In previous works, the authors presented a triaxiality-dependent cohesive interface element that, implemented in a finite element code, can reproduce in a reasonably accurate manner the damage that takes place in the dark region mentioned before. The results of an experimental campaign designed to validate the model are presented in this paper. For it, different diameter specimens are tested and these results are compared to those obtained with the numerical models, using three different initial lengths for the strain. Numerical results agree reasonably well with those obtained experimentally.