Comportamiento a fatiga por cortante de elementos lineales de hormigón armado sin cercos

Las estructuras de hormigón son susceptibles de sufrir los efectos asociados a las acciones de fatiga cuando estas se ven sometidas a un elevado número de cargas repetidas. Muchas de estas estructuras no requieren armadura transversal para cumplir los condicionantes de dimensionamiento estático como por ejemplo las losas superiores de tableros de puentes, los muros de contención, las losas de transición de puentes, las torres eólicas o las estructuras marítimas. La mayor parte de los códigos de diseño vigentes no incluyen una comprobación específica del nivel de seguridad a cortante de estas estructuras para acciones de fatiga, y aquellas que lo hacen prefieren utilizar expresiones de tipo empírico basadas en curvas S-N que relacionan el número de ciclos resistentes con el valor de la carga aplicada. A pesar de que el empleo de curvas S-N es de gran utilidad desde un punto de vista práctico, estas curvas no permiten comprender el proceso de rotura por cortante para cargas repetidas. El objetivo principal de esta Tesis es el de estudiar el comportamiento a cortante de elementos de hormigón armado sin cercos sometidos a fatiga. Además, el análisis es ampliado al estudio del comportamiento transversal de los voladizos de las losas superiores de tableros de puentes de hormigón que de forma habitual son diseñados sin armadura de cortante. De forma habitual estos elementos se diseñan atendiendo a criterios de dimensionamiento estáticos sin tener en cuenta la resistencia a cortante cuando se ven sometidos a cargas cíclicas. A pesar de que las cargas de fatiga son inferiores a aquellas que producen el fallo estático, es importante tener en cuenta el comportamiento de estos elementos ante cargas repetidas. Los trabajos experimentales existentes en vigas de hormigón armado sin cercos evidenciaron diferencias significativas entre los modos de fallo ante cargas estáticas y cíclicas. Estos trabajos llegaron a la conclusión de que estos elementos diseñados para tener un fallo dúctil por flexión pueden llegar a desarrollar un tipo de fallo frágil por cortante cuando se ven sometidos a cargas repetidas. El proceso de rotura por cortante en elementos de hormigón armado sin cercos sometidos a fatiga es un proceso complejo que debe ser estudiado en profundidad debido al carácter frágil de este tipo de fallo. Los trabajos experimentales permitieron comprobar que el origen de este fallo tiene lugar tras la formación de una fisura de cortante a partir de una fisura de flexión formada durante los primeros ciclos en el vano de cortante. Tras la formación de esta fisura, esta se va propagando hacia la cabeza de compresión hasta que finalmente se produce el fallo como consecuencia de la destrucción de la cabeza de compresión cuando la altura alcanzada por esta es insuficiente para resistir la fuerza de compresión aplicada en esta zona. Por otra parte, la propagación de esta fisura diagonal puede desarrollarse por completo en el instante en el que esta se forma derivando en un tipo de fallo por cortante más frágil que el anterior. El proceso de fatiga es estudiado en esta Tesis mediante un modelo mecánico. Por una parte, se propone un modelo predictivo para determinar el número de ciclos acumulados hasta que se forma la fisura diagonal en función del estado tensional que se tiene en la punta de una fisura crítica de flexión formada en los primeros ciclos. Por otra parte, la resistencia a fatiga tras la formación de la fisura diagonal se analiza teniendo en cuenta el daño por fatiga acumulado en la cabeza de compresión y las variables que afectan a la propagación de esta fisura de cortante. Para la evaluación de la resistencia a fatiga tras la formación de la fisura crítica de cortante en este tipo de elementos, se plantea un modelo teórico basado en conceptos de Mecánica de la Fractura adaptados al hormigón. Este modelo puede ser aplicado a vigas de hormigón armado sin cercos de canto constante o variable siguiendo diferentes procedimientos. Una campaña experimental ha sido llevada a cabo con el objetivo de estudiar el comportamiento a cortante de vigas de hormigón armado sin cercos de canto variable sometidas a cargas estáticas y de fatiga. Se han desarrollado un total de diez ensayos estáticos y de fatiga para diferentes niveles de carga y esbelteces de cortante, teniendo lugar diferentes modos de fallo. Estos elementos fueron diseñados para reproducir, a escala real y de forma simplificada, los voladizos laterales de las losas superiores de tableros de puentes de carretera de hormigón. Los resultados experimentales demostraron que el tipo de fallo desarrollado depende de varios parámetros como por ejemplo el nivel de carga máxima, el nivel de oscilación de tensiones en la armadura longitudinal, la esbeltez de cortante o la calidad del hormigón utilizado entre otros. Para valores similares de esbeltez de cortante, los ensayos de fatiga realizados permitieron comprobar que la rotura por cortante de estos elementos está asociada a niveles de carga máxima elevados, mientras que el fallo por fatiga de la armadura longitudinal tiene mayor probabilidad de ocurrir en elementos sometidos a elevados niveles de oscilación de tensiones en esta armadura. Además, estos ensayos han sido analizados a través del modelo propuesto para tratar de comprender el comportamiento resistente de estos elementos sometidos a cargas de fatiga. Concrete structures are able to suffer fatigue when they are subjected to high number of cyclic loads. Many of these need not shear reinforcement to satisfy static design requirements, such as bridge deck slabs, retaining walls, bridge approach slabs, wind towers or maritime structures among others. Many codes of practice do not include a verification of the shear fatigue safety. Moreover, those which include it still prefer empirical S-N-based approaches that provide the number of cycles as a function of applied forces. S-N models are practical but they do not provide information to understand the shear fatigue process. The main objective of this Thesis is to study shear behaviour of reinforced concrete elements without stirrups subjected to fatigue loads. In addition, the analysis is extended in order to study the transverse behaviour of cantilever slabs of concrete bridges that traditionally are designed without shear reinforcement. These elements usually are designed on the basis of static strength and it is unusual that codes consider fatigue strength of concrete in shear. Accordingly, it is important to take into account the fatigue behaviour of structural members subjected to cyclic loads although these loads are lower than those which produce the static failure. Existing experimental works show important differences between the static and cyclic failure modes of reinforced concrete beams without stirrups. These works concluded that beams without transverse reinforcement, designed to have a ductile failure mode in flexure, can submit a brittle shear failure mode when they are subjected to repeated loads. Shear fatigue failure of reinforced concrete beams without stirrups is a rather complex process from the mechanical viewpoint. Since it leads to a brittle failure mode it should be better understood. Experimental evidence indicates that a diagonal crack first develops from the inclination of flexural cracks in the shear span. Thereafter, the diagonal crack propagates into the compression zone. Failure normally takes place by the destruction of the compression zone when its depth is too small to resist the applied force. The propagation of the diagonal crack can also be instantaneous, leading to sudden diagonal cracking fatigue failure rather than shear-compression failure. Fatigue process is studied in this Thesis on a mechanical basis. On the one hand, a predictive model is derived to obtain the number of cycles up to diagonal cracking, as a function of the stress state at the tip of a critical flexural crack. On the other hand, the residual fatigue strength after diagonal cracking is analyzed taking into account the fatigue damage accumulated by the compression zone and the variables affecting the propagation of the diagonal crack. In order to assess the residual fatigue strength after diagonal cracking of such elements, a theoretical model is proposed based on concepts from fracture mechanics adapted to concrete. This model can be successfully applied for straight or haunched reinforced concrete beams without stirrups following different procedures. In order to achieve a more advanced knowledge in this subject, an experimental campaign has been carried out with the aim of study the shear behaviour of reinforced concrete haunched beams without stirrups subjected to static and fatigue loads. A total of ten static and fatigue tests have been performed with distinct load levels and shear span-to-depth ratios, presenting different failures modes. These elements were designed to reproduce in a simplified form the cantilever slab of concrete bridges at real scale. Experimental results showed that the type of failure depends on several parameters as for example the maximum load level, the stress oscillation level on the longitudinal reinforcement, the shear span-to-depth ratio or the quality of the concrete used among others. For a similar value of the shear span-to-depth ratio, tests evidenced that shear fatigue failure is related to high maximum load levels, while steel fatigue failure is easier to occur in elements subjected to high stress oscillation level on the reinforcement bars. Besides, these tests have been analyzed through the proposed model in order to clarify the structural behaviour of such elements subjected to fatigue loads.

Las lecturas de Sáenz de Oíza. Desde Torres Blancas al Banco de Bilbao a través de una selección de textos hecha por el propio arquitecto.

El 29 de enero de 2000 Francisco Javier Sáenz de Oíza ofrece su última conferencia en el salón de actos del edificio sede del BBVA en el Paseo de la Castellana de Madrid. Esta conferencia inaugura el ciclo “El arquitecto enseña su obra”, organizado por el Colegio Oficial de Arquitectos de Madrid (C.O.A.M.) y la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Madrid (E.T.S.A.M.). Las obras en concreto que Oíza 'enseña' en este evento son Torres Blancas (Madrid, 1961- 1968) y Banco de Bilbao (Madrid, 1971-1980). Antes de la conferencia, blandiendo una carpeta, Oíza dice: Traigo aquí los textos de siempre, los que siempre he usado, (...) yo no he escrito ni una línea, solo he subrayado ciertos pasajes, en la medida de lo posible me gustaría leer alguno. Pero como aquí hay como para cinco horas, pues no se qué hacer. Citarlo sí, porque de ustedes el que quiera penetrar un poco en mi conocimiento, pues que vea las citas que yo hago aquí, qué pasajes, o qué libros o qué artículos propongo. 1 La carpeta que lleva Oíza en su mano contiene veinticuatro fichas mecanografiadas por él mismo. Las fichas son pasajes de textos; en su mayoría de textos literarios o poéticos, e incluyen una referencia bibliográfica que menciona: título de libro, edición y número de página. Además, en cada ficha están resaltados los pasajes que Oíza pretende leer. 2 Antes del comienzo de la conferencia Oíza dice: Tengo aquí citas de lecturas que le recomendaría a quien quiera enterarse de cómo es este edificio. 3 Durante la conferencia Oíza no parece hablar sobre las obras que debe enseñar; en cambio se dedica, casi exclusivamente, a leer en público. Esta tesis nace de lo sugerido por el propio Oíza. El objetivo general, siguiendo sus propias palabras, es 'penetrar un poco' en su conocimiento a partir de citas y recomendaciones de lecturas realizadas por él mismo al tratar sobre arquitectura. La hipótesis central plantea que por medio de sus lecturas Oíza sí habla de arquitectura, y sostiene también que a partir de sus textos es posible 'enterarse', al menos en parte, de cómo es un edificio, en particular Torres Blancas y Banco de Bilbao. Más aún, se plantea la hipótesis de que Oíza, maestro ágrafo y de carácter socrático, ha construido, no obstante, un 'discurso teórico' arquitectónico suficientemente sistemático. De modo que aún cuando Oíza no ha dejado una 'teoría' escrita es posible reconstruirla, en cierta medida, a partir de su elocución y a partir de la comprensión de sus 'lecturas'. Las fuentes primarias de esta tesis son: a) Las lecturas que Oíza recomienda en su conferencia de enero de 2000. b) Torres Blancas y Banco de Bilbao. c) Las lecturas en público realizadas por Oíza en conferencias, cursos, debates, mesas redondas, programas de TV, etc. El tema que se investiga es la relación entre los textos recomendados por Oíza y su arquitectura, y la pregunta guía de la investigación es cómo y en qué medida los textos pueden contribuir a la comprensión del pensamiento, del discurso y de la obra de Oíza. Torres Blancas y Banco de Bilbao son, en todo momento, las dos principales obras utilizadas para la observación y el contraste de los resultados de la investigación teórica en el desarrollo de la tesis. El soporte teórico y metodológico de la tesis está dado por la hermenéutica en tanto disciplina encargada de la interpretación y correcta comprensión de textos y obras, en particular por la filosofía hermenéutica de Hans-Georg Gadamer expuesta en Verdad y método. La relevancia, el aspecto original y la posible aportación al conocimiento de esta tesis consiste en una aproximación a Oíza y a su arquitectura, desde un punto de vista hasta ahora no investigado de forma sistemática, esto es, a partir de las lecturas de Oíza. ABSTRACT On 29th January 2000 Francisco Javier Sáenz de Oíza gave his last lecture in the Auditorium at BBVA headquarters located in Paseo de la Castellana avenue in Madrid. That lecture opened the series The Architect Shows his Work (El arquitecto enseña su obra) organised by the COAM Official College of Architects and the ETSAM Architecture School of Madrid. The specific works that Oíza 'shows' in his lecture were Torres Blancas (Madrid, 1961- 1968) and Banco de Bilbao (Madrid, 1971-1980). Before the lecture, waving a folder in his hand, Oíza says: I've got here the texts I've always used, (…) I haven't written a line, I've only underlined certain passages, I would like to read some of them to the extent possible. But I have here about five hours of reading, so I don't know what to do. I can cite them, yes, and anyone of you who want to delve a little into my knowledge can look at the citations I make here, the passages, books or articles I recommend. 1 The folder in Oíza's hand contains 24 files typed by the architect himself. The files consist of text passages -most of which are literary or poetry texts- and include the bibliographic citation with book the title, edition and page number. In addition, the passages Oíza intends to read are highlighted. Before starting his lecture Oíza says: I've got here citations of readings I'd recommend to those who want to realise how this building is. 2 During the lecture Oíza doesn't seem to be talking about the works he has to show, on the contrary, he focuses almost exclusively on reading texts to the audience. This thesis is the result of a suggestion made by Oíza himself. The broad aim is to 'delve a little into' his knowledge using citations and reading recommendations made by Oíza when dealing with the architecture subject. The main hypothesis proposes that Oíza talks about architecture through his readings and that starting from 'his' texts it is possible to 'realise', at least in part, how a building is, Torres Blancas and Banco de Bilbao in particular. Moreover, it is proposed the hypothesis that Oíza, as a Socratic teacher reluctant to write down his ideas, has nevertheless built a systematic 'theoretical discourse' on architecture. As a result, even when he has not written a 'theory', it is possible to reconstruct it to a certain degree, starting from his speech and from the understanding of his readings. The primary sources for this thesis are: a) The readings that Oíza recommends in his lecture of January 2000. b) The Torres Blancas and Banco de Bilbao. c) The readings done by Oíza in presentations, lectures, debates, panel discussions, television programmes, etc. The subject under research is the relationship between the texts that Oíza recommends and his architecture. The guiding question for the research is how and to what extent the texts can contribute to the understanding of Oíza's thoughts, discourse and work. Torres Blancas and Banco de Bilbao are the two main works considered along the thesis and they have been used for observation and to test the results of the theoretical research as it progresses. The thesis theoretical and methodological framework is based on the hermeneutics -as the discipline that deals with the interpretation and the correct understanding of texts and works-, in particular the hermeneutics philosophy of Hans-Georg Gadamer in Truth and Method. The relevance, the original element and the possible contribution of this thesis is given by the approach to Oíza and his architecture through Oíza's readings, a perspective that hasn't been yet systematically researched.

Estimación de la resistencia de estructuras de hormigón armado reforzadas a cortante mediante FRP

El empleo de refuerzos de FRP en vigas de hormigón armado es cada vez más frecuente por sus numerosas ventajas frente a otros métodos más tradicionales. Durante los últimos años, la técnica FRP-NSM, consistente en introducir barras de FRP sobre el recubrimiento de una viga de hormigón, se ha posicionado como uno de los mejores métodos de refuerzo y rehabilitación de estructuras de hormigón armado, tanto por su facilidad de montaje y mantenimiento, como por su rendimiento para aumentar la capacidad resistente de dichas estructuras. Si bien el refuerzo a flexión ha sido ampliamente desarrollado y estudiado hasta la fecha, no sucede lo mismo con el refuerzo a cortante, debido principalmente a su gran complejidad. Sin embargo, se debería dedicar más estudio a este tipo de refuerzo si se pretenden conservar los criterios de diseño en estructuras de hormigón armado, los cuales están basados en evitar el fallo a cortante por sus consecuencias catastróficas Esta ausencia de información y de normativa es la que justifica esta tesis doctoral. En este pro-yecto se van a desarrollar dos metodologías alternativas, que permiten estimar la capacidad resistente de vigas de hormigón armado, reforzadas a cortante mediante la técnica FRP-NSM. El primer método aplicado consiste en la implementación de una red neuronal artificial capaz de predecir adecuadamente la resistencia a cortante de vigas reforzadas con este método a partir de experimentos anteriores. Asimismo, a partir de la red se han llevado a cabo algunos estudios a fin de comprender mejor la influencia real de algunos parámetros de la viga y del refuerzo sobre la resistencia a cortante con el propósito de lograr diseños más seguros de este tipo de refuerzo. Una configuración óptima de la red requiere discriminar adecuadamente de entre los numerosos parámetros (geométricos y de material) que pueden influir en el compor-tamiento resistente de la viga, para lo cual se han llevado a cabo diversos estudios y pruebas. Mediante el segundo método, se desarrolla una ecuación de proyecto que permite, de forma sencilla, estimar la capacidad de vigas reforzadas a cortante con FRP-NSM, la cual podría ser propuesta para las principales guías de diseño. Para alcanzar este objetivo, se plantea un pro-blema de optimización multiobjetivo a partir de resultados de ensayos experimentales llevados a cabo sobre vigas de hormigón armado con y sin refuerzo de FRP. El problema multiobjetivo se resuelve mediante algoritmos genéticos, en concreto el algoritmo NSGA-II, por ser más apropiado para problemas con varias funciones objetivo que los métodos de optimización clásicos. Mediante una comparativa de las predicciones realizadas con ambos métodos y de los resulta-dos de ensayos experimentales se podrán establecer las ventajas e inconvenientes derivadas de la aplicación de cada una de las dos metodologías. Asimismo, se llevará a cabo un análisis paramétrico con ambos enfoques a fin de intentar determinar la sensibilidad de aquellos pa-rámetros más sensibles a este tipo de refuerzo. Finalmente, se realizará un análisis estadístico de la fiabilidad de las ecuaciones de diseño deri-vadas de la optimización multiobjetivo. Con dicho análisis se puede estimar la capacidad resis-tente de una viga reforzada a cortante con FRP-NSM dentro de un margen de seguridad espe-cificado a priori. ABSTRACT The use of externally bonded (EB) fibre-reinforced polymer (FRP) composites has gained acceptance during the last two decades in the construction engineering community, particularly in the rehabilitation of reinforced concrete (RC) structures. Currently, to increase the shear resistance of RC beams, FRP sheets are externally bonded (EB-FRP) and applied on the external side surface of the beams to be strengthened with different configurations. Of more recent application, the near-surface mounted FRP bar (NSM-FRP) method is another technique successfully used to increase the shear resistance of RC beams. In the NSM method, FRP rods are embedded into grooves intentionally prepared in the concrete cover of the side faces of RC beams. While flexural strengthening has been widely developed and studied so far, the same doesn´t occur to shearing strength mainly due to its great complexity. Nevertheless, if design criteria are to be preserved more research should be done to this sort of strength, which are based on avoiding shear failure and its catastrophic consequences. However, in spite of this, accurately calculating the shear capacity of FRP shear strengthened RC beams remains a complex challenge that has not yet been fully resolved due to the numerous variables involved in the procedure. The objective of this Thesis is to develop methodologies to evaluate the capacity of FRP shear strengthened RC beams by dealing with the problem from a different point of view to the numerical modeling approach by using artificial intelligence techniques. With this purpose two different approaches have been developed: one concerned with the use of artificial neural networks and the other based on the implementation of an optimization approach developed jointly with the use of artificial neural networks (ANNs) and solved with genetic algorithms (GAs). With these approaches some of the difficulties concerned regarding the numerical modeling can be overcome. As an alternative tool to conventional numerical techniques, neural networks do not provide closed form solutions for modeling problems but do, however, offer a complex and accurate solution based on a representative set of historical examples of the relationship. Furthermore, they can adapt solutions over time to include new data. On the other hand, as a second proposal, an optimization approach has also been developed to implement simple yet accurate shear design equations for this kind of strengthening. This approach is developed in a multi-objective framework by considering experimental results of RC beams with and without NSM-FRP. Furthermore, the results obtained with the previous scheme based on ANNs are also used as a filter to choose the parameters to include in the design equations. Genetic algorithms are used to solve the optimization problem since they are especially suitable for solving multi-objective problems when compared to standard optimization methods. The key features of the two proposed procedures are outlined and their performance in predicting the capacity of NSM-FRP shear strengthened RC beams is evaluated by comparison with results from experimental tests and with predictions obtained using a simplified numerical model. A sensitivity study of the predictions of both models for the input parameters is also carried out.

Modelos simplificados de elementos finitos para el estudio del colapso progresivo en estructuras de hormigón armado sometido a explosiones

La mayoría de las estructuras construidas actualmente están constituidas por hormigón armado, el cual, a pesar de poseer una gran resistencia, está expuesto a múltiples amenazas. Una de ellas, y de las que más preocupa a la sociedad actualmente, son los posibles ataques terroristas como impactos o colocación de explosivos en las proximidades de las estructuras o en el interior de las mismas. Por ello, cada vez más se está mostrando un gran interés en el comportamiento de la estructura y sus diferentes componentes para poder prevenir cualquier tipo de daño. Con este fin, el presente proyecto aborda el estudio de un caso de colapso de estructura sometida a una carga explosiva. El estudio y la modelización del hormigón armado presenta un gran reto debido a los múltiples factores que definen su comportamiento, marcadamente no lineal cuando se producen en él grandes deformaciones. Se ha procedido a la realización del estudio de una estructura porticada de dos plantas, utilizando diferentes técnicas de simulación mediante el programa de elementos finitos LS-DYNA. En concreto se han empleado tres modelos diferentes, un modelo de elementos finitos sólidos tridimensionales con materiales segregados (hormigón y acero), un modelo de elementos finitos estructurales (viga, lámina) con material homogeneizado, y un modelo de elementos finitos estructurales con materiales segregados, comparando la evolución del colapso de la estructura tras la demolición de uno de los pilares centrales. Se ha analizado también el desplazamiento y la velocidad de colapso para un punto concreto. Estos resultados han sido comparados con los datos obtenidos de la fase de ensayo del Proyecto SEGTRANS sobre el mismo punto de la estructura. Con todo ello se ha podido determinar la viabilidad de los modelos para el estudio del colapso de la estructura porticada empleada en este trabajo, señalando las ventajas de cada uno de ellos, y la posibilidad de la aplicación de estos modelos para el estudio de la estructura de un edificio completo teniendo en cuenta las limitaciones de los mismos y de los recursos existentes actualmente.