Estructuras de hormigón armado bajo carga dinámica severa. Parte II: comportamiento de los materiales

En la revista Cimbra n° 394 se publicaba la primera parte de este artículo en donde se analizaba con detalle el impacto de los explosivos, las ondas que se generan y los efectos de éstas sobre los edificios. Ahora, los autores de este artículo, se detendrán en el comportamiento de los materiales que actúa de manera diferente si es sometido a una carga estática que a una dinámica.

Estructuras de hormigón armado bajo carga dinámica severa. Parte III: ejemplo de simulación numérica

Publicamos la tercera parte y última de este artículo sobre estructuras de hormigón armado bajo carga dinámica severa en el que, los autores, nos han ido exponiendo diferentes ejemplos. En esta ocasión, se pone patente que con el desarrollo de los ordenadores durante las últimas décadas se ha dado la posibilidad de utilizar el método de los elementos finitos (FEM: Finite Elements Method) para estudiar los efectos de una carga dinámica severa, como en el caso de las explosiones. A continuación se describe el uso del método para este tipo de situaciones de carga.

Simulación numérica de elementos estructurales de hormigón armado de alta resistencia sometidos a explosiones

En los últimos años ha crecido el interés por el uso del hormigón de alta resistencia en la construcción de estructuras resistentes a explosiones y de elementos de protección frente a impactos y explosiones. En el presente trabajo se analiza la capacidad de los modelos numéricos existentes a la hora de reproducir resultados experimentales obtenidos sobre hormigones de alta resistencia sometidos a cargas explosivas y cargas estáticas. Para ello se emplea una campaña experimental desarrollada por la Agencia de Defensa de Suecia sobre vigas de este material. Los resultados obtenidos demuestran la capacidad de las herramientas numéricas para reproducir adecuadamente el comportamiento del hormigón si bien, paradójicamente, proporcionan mejores resultados en régimen dinámico que en régimen estático. Las simulaciones numéricas, junto con el análisis de los resultados experimentales, permiten obtener conclusiones acerca del diferente comportamiento de los elementos estructurales sometidos a altas velocidades de deformación frente a su comportamiento en régimen estático.

Influencia de la velocidad de deformación en el modo de rotura de vigas de hormigón armado de alta resistencia

Gran parte de los edificios e infraestructuras que son susceptibles de ser objeto de un atentado terrorista están sustentados por una estructura portante de hormigón armado. El comportamiento de estructuras de hormigón armado está bien caracterizado ante solicitaciones estáticas, por el contrario, existen todavía incertidumbres sobre el comportamiento ante cargas impulsivas como la que provoca una explosión. Por este motivo en este trabajo se estudia un mismo esquema estructural ante dos solicitaciones de distinta velocidad de deformación, con el objeto de comprobar su influencia en el modo de fallo de la estructura. Se parte de una campaña experimental desarrollada por la Agencia de Defensa de Suecia sobre vigas de hormigón armado de alta resistencia, a partir de la cual se desarrollan estudios analíticos y simulaciones numéricas. Se comprueba que ante carga impulsiva las vigas tienen una resistencia mayor que ante carga estática, si bien con cuantías altas de armado pueden presentarse modos de fallo frágiles, lo que debe ser tenido en cuenta en el diseño de estructuras de hormigón armado para que sean seguras ante explosiones.

Modelo simplificado de pocos grados de libertad, para simular el impacto de una roca sobre una viga de hormigón armado

Durante mucho tiempo se han estudiado los efectos producidos por el impacto de objetos sobre estructuras, inicialmente la gran mayoría de los estudios se centraban en el impacto de proyectiles de tipo balístico dado el interés que se tenía en el diseño de estructuras capaces de soportar el impacto de dichos proyectiles. Dada la falta de capacidad de cálculo para resolver el problema que tuviera en cuenta el comportamiento global de la estructura junto con el comportamiento local, los estudios se centraban básicamente en la zona de impacto. El momento en el cual se pueden realizar cálculos que requieren de múltiples iteraciones para llegar a una solución satisfactoria al complejo problema planteado no se produce hasta la llegada de los modernos ordenadores. En el presente estudio se establece un sistema de múltiples grados de libertad (SMDF, System of Multiple Degrees of Freedom), que permite el estudio del impacto de una roca sobre una viga de hormigón armado teniendo en cuenta factores que afectan al ámbito local y global de la estructura analizada. El sistema se resuelve a través de un método de resolución implícita como es el método de Newmark, el cual nos permite, sin tener que acceder a un programa de elementos finitos, obtener una solución suficientemente aproximada al problema planteado con un coste computacional relativamente bajo. En el documento se comprueba el modelo propuesto con los resultados existentes de unos ensayos a escala real, y se plantean diversas hipótesis analizando las diferentes respuestas del sistema a la variación de las condiciones de partida. The effects produced by the impact of objects on structures have been studied for a long time. Initially, the vast majority of studies focused on the impact of ballistic missiles, due to the particular interest in the design of these structures being capable to withstand the impact such projectiles. Due to the lack of calculation capacity to solve the problem of taking into account the global behavior of the structure together with the local behavior, the studies focused mainly on the impact zone. The moment in which calculations that required multiple iterations could be performed with satisfactory solutions for the complex problem presented did not arrive until the introduction of modern computers. The present study establishes a System of Multiple Degrees of Freedom, which allows the study of the impact of a rock on a reinforced concrete beam, taking into account factors that affect the local and global behavior of the structure analyzed. The system is solved using an implicit solution method as is the Newmark method, which allows us, without using a finite element program, to obtain a sufficiently approximate solution to the problem with a relatively low computational cost. This paper tests the proposed model with existing results obtained in large-scale tests, and analyses the response of the system to various changing scenarios to the starting conditions.

Método para el refuerzo a flexión de vigas de hormigón armado con barras de fibra de carbono en configuración NSM pretensadas

El refuerzo de elementos estructurales sometidos a flexión mediante la utilización de barras (FRP) pretensadas es una técnica novedosa. En el presente trabajo se describe una nueva técnica para efectuar dicho pretensado. Se describen además los resultados obtenidos en una campaña de ensayos con 9 vigas: 3 probetas sin refuerzo, 3 probetas con refuerzo pasivo y 3 probetas con refuerzo activo. Para conseguir una rotura a flexión las vigas fueron reforzadas a cortante con unos anillos de tejido de fibra de carbono. La rotura de las vigas testigo fue dúctil, y las vigas reforzadas rompieron a cortante de forma explosiva. El pretensado de los elementos de refuerzo permitió incrementar la capacidad resistente de las vigas un 170% respecto de la viga testigo, produciéndose además un aumento en la rigidez de los elementos reforzados y una disminución en la fisuración de la viga. Se detectaron deficiencias en la técnica de refuerzo empleada, derivadas principalmente del método de aplicación del adhesivo estructural, que se propone mejorar en próximos trabajos.

Sobre el armado de vigas planas de hormigón

El uso de vigas planas en edificación se ha generalizado por motivos funcionales.El cálculo automatizado de esfuerzos y armado en ordenador provoca en ocasiones un exceso de confianza en el tratamiento de los detalles de casos particulares.En este articulo se trata el caso de apoyo extremo de vigas de borde y se muestran los efectos que sobre el armado tiene la asimetría de las condiciones de apoyo.

Modelo de fisuración. Aplicación a estructuras axisimétricas de hormigón armado

El comportamiento mecánico del hormigón sigue siendo un problema no resuelto en cuanto a la modelización según las teorias de la mecánica del continuo, a pesar de tratarse de un material ampliamente extendido en su uso. Una de las facetas más caracteristicas de su comportamiento, la fisuración, representa tal vez el aspecto más dificil de tratar en los modelos bi y tridimensionales. En este articulo se describe un modelo propuesto de comportamiento que salva el compromiso entre complejidad y aplicabilidad: La fisuración es considerada como un deterioro del material -daño, tal vez- y su orientación no es registrada en la historia; al igual que ocurre en la Teoria de la Plasticidad, existe un trabajo de fisuración que sirve para medir el deterioro existente. El modelo es además compatible con la plasticidad como tal, tipica del comportamiento a compresión del hormigón. Dicho modelo, junto con una versión modificada del método de longitud de arco para resolución de problemas no lineales, es implementado y utilizado para la resolución de algunos ejemplos.

Reacondicionamiento sísmico de pilares de hormigón armado con material compuesto

Durante la ocurrencia de un terremoto, los pilares de los puentes y de los edificios se ven sometidos a fuertes cargas laterales. Este tipo de acciones puede llegar a provocar el fallo de las columnas por una insuficiencia en la resistencia a cortante, en la resistencia a flexión o en la ductilidad especialmente en estructuras proyectadas con normativas sísmicas antiguas. El confinamiento de estas columnas con materiales compuestos contribuye a mejorar la resistencia de las mismas así como su ductilidad lo que constituye, por tanto, una medida de reacondicionamiento sísmico. En este trabajo se propone un modelo para evaluar el comportamiento sísmico de pilares reacondicionados con camisas de material compuesto.

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.

Estudio experimental de elementos de protección de hormigón armado sometidos a explosiones

En el presente trabajo se exponen los resultados de una campaña experimental cuyo objetivo principal es estudiar y analizar el comportamiento a fractura de elementos de hormigón reforzado con fibras de acero y de polipropileno, así como elementos de hormigón armado convencional con un refuerzo externo de fibra de Kevlar, cuando son sometidos a cargas explosivas. Para ello, placas cuadradas de estos hormigones fueron fabricadas y sometidas a una serie de ensayos con explosivos. Con el fin de contar con un patrón con el que comparar los resultados experimentales, se ensayaron también placas de hormigón armado convencional. Los resultados experimentales se analizaron y compararon con simulaciones numéricas basadas en un modelo constitutivo, previamente desarrollado, para elementos estructurales de hormigón sometido a cargas explosivas. Los resultados preliminares de este análisis muestran cómo las cargas a altas velocidades de deformación producidas por el explosivo, a pesar de proporcionar un incremento de las propiedades mecánicas, conllevan un cambio en el modo de rotura, de rotura por flexión a rotura por cortante, siendo este último mecanismo, mucho más propenso al colapso estructural progresivo.

Cálculo sísmico no lineal de edificios de hormigón armado. Comparación con la norma PDS-1

El cálculo moderno de edificios frente a acciones sísmicas contempla la posibilidad de comportamiento no lineal de los mismos, en orden a conseguir seguridad y economía en su diseño. La característica del hormigón armado de producir deformaciones plásticas sin llegar a rotura, supone un mecanismo suficientemente aceptable y seguro para absorber la energía generada durante el seísmo. En este artículo se presenta un método de cálculo no lineal de edificios, en el que se permite el desarrollo de rótulas plásticas en los nudos de unión de las vigas a los soportes. El comportamiento de los soportes se considera lineal. La acción sísmica es un conjunto de acelerogramas generados artificialmente en base a un proceso aleatorio tipo ruido de disparo filtrado, según el método de PENZIEN-RUIZ. Los resultados del cálculo se comparan con los obtenidos en un cálculo pseudo-estático aplicando la Norma POS-l.

Un método de comprobación de secciones en losas de hormigón armado con familias de armaduras en direcciones arbitrarias. Parte I: Lajas y membranas

Las armaduras en estructuras bidimensionales de hormigón (losas y láminas) se suelen disponer en dos direcciones, típicamente ortogonales. Sin embargo, a veces, particularmente en zonas en las que las tensiones principales son elevadas, se disponen más de dos familias de armaduras y si la geometría del contorno de la estructura no es regular o no es rectangular es preciso colocar familias de armaduras formando ángulos oblicuos entre sí. En general, las direcciones de las tensiones principales en un punto de una estructura bidimensional no coinciden con las de las armaduras, lo que implica una incertidumbre acerca del trabajo de éstas. Esta problemática que aparece en el diseño usual de las estructuras de hormigón armado y pretensado, no suele estar recogida en la mayoría de las instrucciones. En particular, el tratamiento que presenta la norma española HE acerca del armado de las estructuras y elementos distintos de los monodimensionales, es decir, de la viga, es muy escaso. Este trabajo, que se ha dividido en dos partes, presenta un tratamiento unificado de comprobación de las armaduras en estructuras bidimensionales. En esta primera parte se recoge su aplicación a estructuras, tipos laja y membrana, sometidas a esfuerzos de extensión, es decir, axiles y rasantes, contenidos en su plano medio en el caso de lajas o en su plano tangente a la superficie media en el punto de comprobación, si se trata de una membrana. Como es usual, los esfuerzos, que se determinan a partir de un cálculo elástico y lineal, se mayoran mediante los pertinentes coeficientes de seguridad para obtener los llamados esfuerzos de cálculo. En este articulo, las armaduras en el punto en el que se comprueba la estructura se disponen con la máxima generalidad, es decir, una o varias familias formando ángulos arbitrarios en planta, y colocadas bien en el plano medio o simétricamente en planos paralelos equidistantes del anterior y separados de las caras superior e inferior de la estructura por los mismos recubrimientos. La segunda parte de este trabajo, que representa una extensión de la metodología al caso general de flexión-extensión, es objeto de una siguiente publicación. La metodología en este trabajo tiene en cuenta las ecuaciones, dadas por la elasticidad, de equilibrio, compatibilidad y constitutivas entre los esfuerzos conocidos y las tensiones y deformaciones en ambos materiales, hormigón y acero. Naturalmente, la ecuación constitutiva del hormigón no considera su resistencia a tracción, y por concreción se utiliza la conocida parábola rectángulo con posibilidad de rama descendente. Para el acero se supone para la relación tensiones-deformaciones un diagrama bilineal, es decir, se tiene en cuenta el posible endurecimiento. El cálculo, que se lleva a cabo mediante un simple programa de computador, permite obtener en pocos segundos las curvas de las tensiones y de las deformaciones en cada una de las familias de barras, así como de las tensiones principales en el hormigón en función del factor de amplificación de los esfuerzos. De esta forma se deduce el nivel de seguridad que se alcanza en un punto de la estructura de hormigón armado.

Un método de comprobación de secciones en losas de hormigón armado con familias de armaduras en direcciones arbitrarias. Parte II: Placas y láminas

Este artículo corresponde a la extensión de uno anterior dedicado al estudio del problema de la comprobación y el dimensionamiento de las armaduras de acero en estructuras bidimensionales de hormigón armado tipo laja, cuyos esfuerzos están contenidos en su plano medio. Aquí se consideran las estructuras con cargas normales a su plano medio (placas y láminas), es decir. sometidas a esfuerzos de flexión. El procedimiento de comprobación y dimensionamiento que se propone, permite tratar situaciones importantes como el armado en las esquinas de placa, la combinación de tensiones axiles, rasantes y de flexión que aparecen en los arranques de 10s voladizos en las estructuras de los tableros continuos de puentes, particularmente las zonas sobre apoyos. En estos casos las alternativas actuales son procedimientos heurísticos o fórmulas empíricas como la de Wood. El cálculo, que se lleva a cabo mediante un simple programa de computador, permite obtener en pocos segundos la curva de las tensiones y las deformaciones en cada una de las familias de barras y de las principales en el hormigón en función del factor de amplificación de los esfuerzos. De esta forma se deduce el nivel de seguridad que se alcanza en un punto de la estructura de hormigón armado.

Estructuras de hormigón armado bajo carga dinámica severa

Para entender el comportamiento de las estructuras de hormigón sometidas a una carga severa de armas de guerra, o de artefactos terroristas, conviene comprender la naturaleza y la física de las explosiones y la creación de una onda explosiva y sus reflexiones. Los autores de este artículo analizan con detalle el impacto de los explosivos, las ondas que se generan y los efectos sobre los edificios dependiendo si la explosión es confinada o no, si en superficie o aérea, etc. Influirá, lógicamente, el tipo de explosivo utilizado, cuestión que también se aborda en el artículo.