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.

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.

Study of the effect of four warm mix asphalt additives on bitumen modified with 15% crumb rubber

Due to a growing concern over global warming, the bituminous mixture industry is making a constant effort to diminish its emissions by reducing manufacturing and installation temperatures without compromising the mechanical properties of the bituminous mixtures. The use of mixtures with tyre rubber has demonstrated that these mixtures can be economical and ecological and that they improve the behaviour of the pavements. However, bituminous mixtures with a high rubber content present one major drawback: they require higher mixing and installation temperatures due to the elevated viscosity caused by the high rubber content and thus they produce larger amounts of greenhouse gas emissions than conventional bituminous mixtures. This article presents a study of the effect of four viscosity-reducing additives (Sasobit®, Asphaltan A®, Asphaltan B® and Licomont BS 100®) on a bitumen modified with 15% rubber. The results of this study indicate that these additives successfully reduce viscosity, increase the softening temperature and reduce penetration. However, they do not have a clear effect on the test for elastic recovery and ductility at 25 °C.

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.

Typological/Placement possibilities and limitations of ductile behavior of bridges in seismic areas

Consideraciones sobre la ductilidad en zonas sísmicas. This paper analyses the ductile behavior of a highway overpass located in a seismic zone. The paper presents the results of a pushover analysis that enables the design engineer to estimate the behavior of the bridge’s columns in two directions in an independent manner. The differences with the theoretical bilinear behavior are described and explained. Indications are given on the need and possibilities of taking advantage of ductility in different seismic events scenarios.

Multiscale modeling of a small punch test on nanostructured CP titanium

Small punch (SP) test techniques are typically used to study the mechanical properties of materials or components from miniature size specimens. This kind of test was originally developed to assess ductility loss in steel caused by irradiation or thermal treatment, particularly when the amount of metal was limited, but it soon proved to be a powerful method to estimate several properties.

Microstructural and mechanical characterization of annealed tungsten (W) and potassium-doped tungsten foils

Here we show that potassium-doped tungsten foil should be preferred to pure tungsten foil when considering tungsten laminate pipes for structural divertor applications. Potassium-doped tungsten materials are well known from the bulb industry and show an enhanced creep and recrystallization behaviour that can be explained by the formation of potassium-filled bubbles that are surrounding the elongated grains, leading to an interlocking of the microstructure. In this way, the ultra-fine grained (UFG) microstructure of tungsten foil can be stabilized and with it the extraordinary mechanical properties of the foil in terms of ductility, toughness, brittle-to-ductile transition, and radiation resistance. In this paper we show the results of three-point bending tests performed at room temperature on annealed pure tungsten and potassium-doped tungsten foils (800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, and 2400 °C for 1 h in vacuum). The microstructural assessment covers the measurement of the hardness and analyses of fractured surfaces as well as a comparison of the microstructure by optical microscopy. The results show that there is a positive effect of potassium-doped tungsten foils compared to pure tungsten foil and demonstrate the potential of the doped foil

Mechanical behavior and deformation micromechanisms of polypropylene nonwoven fabrics as a function of temperature and strain rate

The mechanical behavior and the deformation and failure micromechanisms of a thermally-bonded polypropylene nonwoven fabric were studied as a function of temperature and strain rate. Mechanical tests were carried out from 248 K (below the glass transition temperature) up to 383 K at strain rates in the range ≈10−3 s−1 to 10−1 s−1. In addition, individual fibers extracted from the nonwoven fabric were tested under the same conditions. Micromechanisms of deformation and failure at the fiber level were ascertained by means of mechanical tests within the scanning electron microscope while the strain distribution at the macroscopic level upon loading was determined by means of digital image correlation. It was found that the nonwoven behavior was mainly controlled by the properties of the fibers and of the interfiber bonds. Fiber properties determined the nonlinear behavior before the peak load while the interfiber bonds controlled the localization of damage after the peak load. The influence of these properties on the strength, ductility and energy absorbed during deformation is discussed from the experimental observations.

Identificación de los síntomas de daño o merma de capacidad resistente en estructuras en zonas sísmicas

Los sismos afectan a las estructuras en función de su intensidad. Normalmente se espera de las estructuras daños irreparables por motivos de ductilidad en los sismos nominales o de diseño, para protección de las personas y sus bienes. No obstante, las estructuras en zonas sísmicas sufren terremotos de baja o media intensidad de manera continuada y éstos pueden afectar a la capacidad resistente residual de las mismas, es por eso que en el presente trabajo se plantea lo siguiente: a) Identificar cuál es la estrategia o nivel de protección, que consideran las diferentes Normativas y Reglamentos frente a sismos de baja o mediana intensidad, puesto que durante la vida útil de una estructura, esta puede verse afectada por sismos de intensidad baja o moderada, los cuales también provocan daños; es por ello que es de mucha importancia conocer y estudiar el aporte, estrategias y demás parámetros que consideran las Normas, esto mediante la técnica de revisión de documentación o Literatura. b) Identificar la manera con que un terremoto de baja o media intensidad afecta a la capacidad resistente de las estructuras, sus señales, sus síntomas de daño, etc. Esto a través de tres técnicas de Investigación : Revisión en Literatura, Tormenta de ideas con un grupo de expertos en el tema, y mediante la Técnica Delphi; para finalmente aplicar una método de refinamiento para elaborar un listado y un mapa de síntomas esperables en las estructuras, consecuencia de eventos sísmicos de baja o mediana intensidad. Los cuales se podrían controlar con sistemas inteligentes y así monitorizar las construcciones para prever su comportamiento futuro. Earthquakes affect structures depending on its intensity. Normally it expected of the irreparable damage structures. It due to ductility in nominal earthquakes to protect people and property. Structures in seismic areas suffer earthquakes of low to medium intensity continually, and it may affect the residual resistant ability, therefore posed in this investigation is the following: (a) Identifying what is the strategy or level of protection, which consider different guidelines and regulations against earthquakes of low to medium intensity. Since during the service life of a structure may be affected by low or moderate intensity earthquakes, which also cause damage. For this reason it is very important also to meet and study the contribution, strategies and other parameters considered by the Guidelines by reviewing the documentation or literature technique. b) Identifying the way an earthquake of low to medium intensity affects the resistant ability of structures, their signs, their symptoms of injury, etc. Through three research techniques: review of documentation or literature, brainstorming technique with a group of experts, and using the Delphi technique. Finally applying a method of refining to produce a list and a map of symptoms expected in structures, consequence of low to medium intensity earthquakes. It could be controlled with intelligent systems and thus to monitor structures to predict its future behavior

Parametric analysis on bridge reinforced concrete elevated pile-cap foundations

Current design practices recommend to comply with the capacity protection principle, which pays special attention to ensuring an elastic response of the foundations under ground motion events. However, in cases such as elevated reinforced concrete (RC) pile-cap foundation typologies, this design criterion may lead to conservative designs, with excessively high construction costs. Reinforced concrete elevated pile-cap foundations is a system formed by a group of partially embedded piles connected through an aboveground stayed cap and embedded in soil. In the cases when they are subjected to ground motions, the piles suffer large bending moments that make it difficult to maintain their behavior within the elastic range of deformations. Aiming to make an in-depth analysis of the nonlinear behavior of elevated pile-cap foundations, a cyclic loading test was performed on a concrete 2x3 pile configuration specimen of elevated pile-cap foundation. Two results of this test, the failure mechanism and the ductile behavior, were used for the calibration of a numerical model built in OpenSees framework, by using a pushover analysis. The calibration of the numerical model enabled an in-depth study of the seismic nonlinear response of this kind of foundations. A parametric analysis was carried for this purpose, aiming to study how sensitive RC elevated pile-cap foundations are, when subjected to variations in the diameter of piles, reinforcement ratios, external loads, soil density or multilayer configurations. This analysis provided a set of ductility factors that can be used as a reference for design practices and which correspond to each of the cases analyzed.

Evolución del conocimiento del hormigón estructural hasta 1973

Esta tesis analiza los criterios con que fueron proyectadas y construidas las estructuras de hormigón hasta 1973, fecha coincidente con la Instrucción EH-73, que en contenido, formato y planteamiento, consagró la utilización de los criterios modernamente utilizados hasta ahora. Es heredera, además, de las CEB 1970. Esos años marcan el cambio de planteamiento desde la Teoría Clásica hacia los Estados Límite. Los objetivos perseguidos son, sintéticamente: 1) Cubrir un vacío patente en el estudio de la evolución del conocimiento. Hay tratados sobre la historia del hormigón que cubren de manera muy completa el relato de personajes y realizaciones, pero no, al menos de manera suficiente, la evolución del conocimiento. 2) Servir de ayuda a los técnicos de hoy para entender configuraciones estructurales, geometrías, disposiciones de armado, formatos de seguridad, etc, utilizados en el pasado, lo que servirá para la redacción más fundada de dictámenes preliminares sobre estructuras existentes. 3) Ser referencia para la realización de estudios de valoración de la capacidad resistente de construcciones existentes, constituyendo la base de un documento pre-normativo orientado en esa dirección. En efecto, esta tesis pretende ser una ayuda para los ingenieros de hoy que se enfrentan a la necesidad de conservar y reparar estructuras de hormigón armado que forman parte del patrimonio heredado. La gran mayoría de las estructuras, fueron construidas hace más de 40 años, por lo que es preciso conocer los criterios que marcaron su diseño, su cálculo y su construcción. Pretende determinar cuáles eran los límites de agotamiento y por tanto de seguridad, de estructuras dimensionadas con criterios de antaño, analizadas por la metodología de cálculo actual. De este modo, se podrá determinar el resguardo existente “real” de las estructuras dimensionadas y calculadas con criterios “distintos” a los actuales. Conocer el comportamiento de las estructuras construidas con criterios de la Teoría Clásica, según los criterios actuales, permitirá al ingeniero de hoy tratar de la forma más adecuada el abanico de necesidades que se puedan presentar en una estructura existente. Este trabajo se centra en la evolución del conocimiento por lo que no se encuentran incluidos los procesos constructivos. En lo relativo a los criterios de proyecto, hasta mediados del siglo XX, éstos se veían muy influidos por los ensayos y trabajos de autor consiguientes, en los que se basaban los reglamentos de algunos países. Era el caso del reglamento prusiano de 1904, de la Orden Circular francesa de 1906, del Congreso de Lieja de 1930. A partir de la segunda mitad del siglo XX, destacan las aportaciones de ingenieros españoles como es el caso de Alfredo Páez Balaca, Eduardo Torroja y Pedro Jiménez Montoya, entre otros, que permitieron el avance de los criterios de cálculo y de seguridad de las estructuras de hormigón, hasta los que se conocen hoy. El criterio rector del proyecto de las estructuras de hormigón se fundó, como es sabido, en los postulados de la Teoría Clásica, en particular en el “momento crítico”, aquel para el que hormigón y acero alcanzan sus tensiones admisibles y, por tanto, asegura el máximo aprovechamiento de los materiales y sin pretenderlo conscientemente, la máxima ductilidad. Si el momento solicitante es mayor que el crítico, se dispone de armadura en compresión. Tras el estudio de muchas de las estructuras existentes de la época por el autor de esta tesis, incluyendo entre ellas las Colecciones Oficiales de Puentes de Juan Manuel de Zafra, Eugenio Ribera y Carlos Fernández Casado, se concluye que la definición geométrica de las mismas no se corresponde exactamente con la resultante del momento crítico, dado que como ahora resultaba necesario armonizar los criterios de armado a nivel sección con la organización de la ferralla a lo largo de los diferentes elementos estructurales. Los parámetros de cálculo, resistencias de los materiales y formatos de seguridad, fueron evolucionando con los años. Se fueron conociendo mejor las prestaciones de los materiales, se fue enriqueciendo la experiencia de los propios procesos constructivos y, en menor medida, de las acciones solicitantes y, consiguientemente, acotándose las incertidumbres asociadas lo cual permitió ir ajustando los coeficientes de seguridad a emplear en el cálculo. Por ejemplo, para el hormigón se empleaba un coeficiente de seguridad igual a 4 a finales del siglo XIX, que evolucionó a 3,57 tras la publicación de la Orden Circular francesa de 1906, y a 3, tras la Instrucción española de 1939. En el caso del acero, al ser un material bastante más conocido por cuanto se había utilizado muchísimo previamente, el coeficiente de seguridad permaneció casi constante a lo largo de los años, con un valor igual a 2. Otra de las causas de la evolución de los parámetros de cálculo fue el mejor conocimiento del comportamiento de las estructuras merced a la vasta tarea de planificación y ejecución de ensayos, con los estudios teóricos consiguientes, realizados por numerosos autores, principalmente austríacos y alemanes, pero también norteamericanos y franceses. En cuanto a los criterios de cálculo, puede sorprender al técnico de hoy el conocimiento que tenían del comportamiento del hormigón desde los primeros años del empleo del mismo. Sabían del comportamiento no lineal del hormigón, pero limitaban su trabajo a un rango de tensióndeformación lineal porque eso aseguraba una previsión del comportamiento estructural conforme a las hipótesis de la Elasticidad Lineal y de la Resistencia de Materiales, muy bien conocidas a principios del s. XX (no así sucedía con la teoría de la Plasticidad, aún sin formular, aunque estaba implícita en los planteamientos algunos ingenieros especializados en estructuras de fábrica (piedra o ladrillo) y metálicas. Además, eso permitía independizar un tanto el proyecto de los valores de las resistencias reales de los materiales, lo que liberaba de la necesidad de llevar a cabo ensayos que, en la práctica, apenas se podían hacer debido a la escasez de los laboratorios. Tampoco disponían de programas informáticos ni de ninguna de las facilidades de las que hoy se tienen, que les permitiera hacer trabajar al hormigón en un rango no lineal. Así, sabia y prudentemente, limitaban las tensiones y deformaciones del material a un rango conocido. El modus operandi seguido para la elaboración de esta tesis, ha sido el siguiente: -Estudio documental: se han estudiado documentos de autor, recomendaciones y normativa generada en este ámbito, tanto en España como con carácter internacional, de manera sistemática con arreglo al índice del documento. En este proceso, se han detectado lagunas del conocimiento (y su afección a la seguridad estructural, en su caso) y se han identificado las diferencias con los procedimientos de hoy. También ha sido necesario adaptar la notación y terminología de la época a los criterios actuales, lo que ha supuesto una dificultad añadida. -Desarrollo del documento: A partir del estudio previo se han ido desarrollando los siguientes documentos, que conforman el contenido de la tesis: o Personajes e instituciones relevantes por sus aportaciones al conocimiento de las estructuras de hormigón (investigación, normativa, docencia). o Caracterización de las propiedades mecánicas de los materiales (hormigón y armaduras), en relación a sus resistencias, diagramas tensión-deformación, módulos de deformación, diagramas momento-curvatura, etc. Se incluye aquí la caracterización clásica de los hormigones, la geometría y naturaleza de las armaduras, etc. o Formatos de seguridad: Se trata de un complejo capítulo del que se pretende extraer la información suficiente que permita a los técnicos de hoy entender los criterios utilizados entonces y compararlos con los actuales. o Estudio de secciones y piezas sometidas a tensiones normales y tangenciales: Se trata de presentar la evolución en el tratamiento de la flexión simple y compuesta, del cortante, del rasante, torsión, etc. Se tratan también en esta parte del estudio aspectos que, no siendo de preocupación directa de los técnicos de antaño (fisuración y deformaciones), tienen hoy mayor importancia frente a cambios de usos y condiciones de durabilidad. o Detalles de armado: Incluye el tratamiento de la adherencia, el anclaje, el solapo de barras, el corte de barras, las disposiciones de armado en función de la geometría de las piezas y sus solicitaciones, etc. Es un capítulo de importancia obvia para los técnicos de hoy. Se incluye un anejo con las referencias más significativas a los estudios experimentales en que se basaron las propuestas que han marcado hito en la evolución del conocimiento. Finalmente, junto a las conclusiones más importantes, se enuncian las propuestas de estudios futuros. This thesis analyzes the criteria with which structures of reinforced concrete have been designed and constructed prior to 1973. Initially, the year 1970 was chosen as starting point, coinciding with the CEB recommendations, but with the development of the thesis it was decided that 1973 was the better option, coinciding with the Spanish regulations of 1973, whose content, format and description introduced the current criteria. The studied period includes the Classic Theory. The intended goals of this thesis are: 1) To cover a clear gap in the study of evolution of knowledge about reinforced concrete. The concept and accomplishments achieved by reinforced concrete itself has been treated in a very complete way by the main researchers in this area, but not the evolution of knowledge in this subject area. 2) To help the engineers understand structural configurations, geometries, dispositions of steel, safety formats etc, that will serve as preliminary judgments by experts on existing structures. To be a reference to the existing studies about the valuation of resistant capacity of existing constructions, constituting a basic study of a pre-regulation document. This thesis intends to be a help for the current generation of engineers who need to preserve and repair reinforced concrete structures that have existed for a significant number of years. Most of these structures in question were constructed more than 40 years ago, and it is necessary to know the criteria that influenced their design, the calculation and the construction. This thesis intends to determine the safety limits of the old structures and analyze them in the context of the current regulations and their methodology. Thus, it will then be possible to determine the safety of these structures, after being measured and calculated with the current criteria. This will allow the engineers to optimize the treatment of such a structure. This work considers the evolution of the knowledge, so constructive methods are not included. Related to the design criteria, there existed until middle of the 20th century a large number of diverse European tests and regulations, such as the Prussian norm of 1904, the Circular French Order of 1906, the Congress of Liège of 1930, as well as individual engineers’ own notes and criteria which incorporated the results of their own tests. From the second half of the 20th century, the contributions of Spanish engineers as Alfredo Páez Balaca, Eduardo Torroja and Pedro Jiménez Montoya, among others, were significant and this allowed the advancement of the criteria of the calculation of safety standards of concrete structures, many of which still exist to the present day. The design and calculation of reinforced concrete structures by the Classic Theory, was based on the ‘Critical Bending Moment’, when concrete and steel achieve their admissible tensions, that allows the best employment of materials and the best ductility. If the bending moment is major than the critical bending moment, will be necessary to introduce compression steel. After the study of the designs of many existing structures of that time by the author of this thesis, including the Historical Collections of Juan Manuel de Zafra, Eugenio Ribera and Carlos Fernandez Casado, the conclusion is that the geometric definition of the structures does not correspond exactly with the critical bending moment inherent in the structures. The parameters of these calculations changed throughout the years. The principal reason that can be outlined is that the materials were improving gradually and the number of calculated uncertainties were decreasing, thus allowing the reduction of the safety coefficients to use in the calculation. For example, concrete used a coefficient of 4 towards the end of the 19th century, which evolved to 3,57 after the publication of the Circular French Order of 1906, and then to 3 after the Spanish Instruction of 1939. In the case of the steel, a much more consistent material, the safety coefficient remained almost constant throughout the years, with a value of 2. Other reasons related to the evolution of the calculation parameters were that the tests and research undertaken by an ever-increasing number of engineers then allowed a more complete knowledge of the behavior of reinforced concrete. What is surprising is the extent of knowledge that existed about the behavior of the concrete from the outset. Engineers from the early years knew that the behavior of the concrete was non-linear, but they limited the work to a linear tension-deformation range. This was due to the difficulties of work in a non-linear range, because they did not have laboratories to test concrete, or facilities such as computers with appropriate software, something unthinkable today. These were the main reasons engineers of previous generations limited the tensions and deformations of a particular material to a known range. The modus operandi followed for the development of this thesis is the following one: -Document study: engineers’ documents, recommendations and regulations generated in this area, both from Spain or overseas, have been studied in a systematic way in accordance with the index of the document. In this process, a lack of knowledge has been detected concerning structural safety, and differences to current procedures have been identified and noted. Also, it has been necessary to adapt the notation and terminology of the Classic Theory to the current criteria, which has imposed an additional difficulty. -Development of the thesis: starting from the basic study, the next chapters of this thesis have been developed and expounded upon: o People and relevant institutions for their contribution to the knowledge about reinforced concrete structures (investigation, regulation, teaching). Determination of the mechanical properties of the materials (concrete and steel), in relation to their resistances, tension-deformation diagrams, modules of deformation, moment-curvature diagrams, etc. Included are the classic characterizations of concrete, the geometry and nature of the steel, etc. Safety formats: this is a very difficult chapter from which it is intended to provide enough information that will then allow the present day engineer to understand the criteria used in the Classic Theory and then to compare them with the current theories. Study of sections and pieces subjected to normal and tangential tensions: it intends to demonstrate the evolution in the treatment of the simple and complex flexion, shear, etc. Other aspects examined include aspects that were not very important in the Classic Theory but currently are, such as deformation and fissures. o Details of reinforcement: it includes the treatment of the adherence, the anchorage, the lapel of bars, the cut of bars, the dispositions of reinforcement depending on the geometry of the pieces and the solicitations, etc. It is a chapter of obvious importance for current engineers. The document will include an annex with the most references to the most significant experimental studies on which were based the proposals that have become a milestone in the evolution of knowledge in this area. Finally, there will be included conclusions and suggestions of future studies. A deep study of the documentation and researchers of that time has been done, juxtaposing their criteria and results with those considered relevant today, and giving a comparison between the resultant safety standards according to the Classic Theory criteria and currently used criteria. This thesis fundamentally intends to be a guide for engineers who have to treat or repair a structure constructed according to the Classic Theory criteria.

Límites de ductilidad y de servicio al cálculo en carga última de estructuras de hormigón armado y de fábrica

En este trabajo se aborda una cuestión central en el diseño en carga última de estructuras de hormigón armado y de fábrica: la posibilidad efectiva de que las deformaciones plásticas necesarias para verificar un estado de rotura puedan ser alcanzadas por las regiones de la estructura que deban desarrollar su capacidad última para verificar tal estado. Así, se parte de las decisiones de diseño que mediante mera estática aseguran un equilibrio de la estructura para las cargas últimas que deba resistir, pero determinando directamente el valor de las deformaciones necesarias para llegar a tal estado. Por tanto, no se acude a los teoremas de rotura sin más, sino que se formula el problema desde un punto de vista elastoplástico. Es decir, no se obvia el recorrido que la estructura deba realizar en un proceso de carga incremental monótono, de modo que las regiones no plastificadas contribuyen a coaccionar las libres deformaciones plásticas que, en la teoría de rotura, se suponen. En términos de trabajo y energía, se introduce en el balance del trabajo de las fuerzas externas y en el de la energía de deformación, aquella parte del sistema que no ha plastificado. Establecido así el balance energético como potencial del sistema es cuando la condición de estacionariedad del mismo hace determinados los campos de desplazamientos y, por tanto, el de las deformaciones plásticas también. En definitiva, se trata de un modo de verificar si la ductilidad de los diseños previstos es suficiente, y en qué medida, para verificar el estado de rotura previsto, para unas determinadas cargas impuestas. Dentro del desarrollo teórico del problema, se encuentran ciertas precisiones importantes. Entre ellas, la verificación de que el estado de rotura a que se llega de manera determinada mediante el balance energético elasto-plástico satisface las condiciones de la solución de rotura que los teoremas de carga última predicen, asegurando, por tanto, que la solución determinada -unicidad del problema elásticocoincide con el teorema de unicidad de la carga de rotura, acotando además cuál es el sistema de equilibrio y cuál es la deformada de colapso, aspectos que los teoremas de rotura no pueden asegurar, sino sólo el valor de la carga última a verificar. Otra precisión se basa en la particularidad de los casos en que el sistema presenta una superficie de rotura plana, haciendo infinitas las posibilidades de equilibrio para una misma deformada de colapso determinada, lo que está en la base de, aparentemente, poder plastificar a antojo en vigas y arcos. Desde el planteamiento anterior, se encuentra entonces que existe una condición inherente a cualquier sistema, definidas unas leyes constitutivas internas, que permite al mismo llegar al inicio del estado de rotura sin demandar deformación plástica alguna, produciéndose la plastificación simultánea de todas las regiones que hayan llegado a su solicitación de rotura. En cierto modo, se daría un colapso de apariencia frágil. En tal caso, el sistema conserva plenamente hasta el final su capacidad dúctil y tal estado actúa como representante canónico de cualquier otra solución de equilibrio que con idéntico criterio de diseño interno se prevea para tal estructura. En la medida que el diseño se acerque o aleje de la solución canónica, la demanda de ductilidad del sistema para verificar la carga última será menor o mayor. Las soluciones que se aparten en exceso de la solución canónica, no verificarán el estado de rotura previsto por falta de ductilidad: la demanda de deformación plástica de alguna región plastificada estará más allá de la capacidad de la misma, revelándose una carga de rotura por falta de ductilidad menor que la que se preveía por mero equilibrio. Para la determinación de las deformaciones plásticas de las rótulas, se ha tomado un modelo formulado mediante el Método de los Elementos de Contorno, que proporciona un campo continuo de desplazamientos -y, por ende, de deformaciones y de tensiones- incluso en presencia de fisuras en el contorno. Importante cuestión es que se formula la diferencia, nada desdeñable, de la capacidad de rotación plástica de las secciones de hormigón armado en presencia de cortante y en su ausencia. Para las rótulas de fábrica, la diferencia se establece para las condiciones de la excentricidad -asociadas al valor relativo de la compresión-, donde las diferencias entres las regiones plastificadas con esfuerzo normal relativo alto o bajo son reseñables. Por otro lado, si bien de manera un tanto secundaria, las condiciones de servicio también imponen un límite al diseño previo en carga última deseado. La plastificación lleva asociadas deformaciones considerables, sean locales como globales. Tal cosa impone que, en estado de servicio, si la plastificación de alguna región lleva asociadas fisuraciones excesivas para el ambiente del entorno, la solución sea inviable por ello. Asimismo, las deformaciones de las estructuras suponen un límite severo a las posibilidades de su diseño. Especialmente en edificación, las deformaciones activas son un factor crítico a la hora de decidirse por una u otra solución. Por tanto, al límite que se impone por razón de ductilidad, se debe añadir el que se imponga por razón de las condiciones de servicio. Del modo anterior, considerando las condiciones de ductilidad y de servicio en cada caso, se puede tasar cada decisión de diseño con la previsión de cuáles serán las consecuencias en su estado de carga última y de servicio. Es decir, conocidos los límites, podemos acotar cuáles son los diseños a priori que podrán satisfacer seguro las condiciones de ductilidad y de servicio previstas, y en qué medida. Y, en caso de no poderse satisfacer, qué correcciones debieran realizarse sobre el diseño previo para poderlas cumplir. Por último, de las consecuencias que se extraen de lo estudiado, se proponen ciertas líneas de estudio y de experimentación para poder llegar a completar o expandir de manera práctica los resultados obtenidos. ABSTRACT This work deals with a main issue for the ultimate load design in reinforced concrete and masonry structures: the actual possibility that needed yield strains to reach a ultimate state could be reached by yielded regions on the structure that should develop their ultimate capacity to fulfill such a state. Thus, some statically determined design decisions are posed as a start for prescribed ultimate loads to be counteracted, but finding out the determined value of the strains needed to reach the ultimate load state. Therefore, ultimate load theorems are not taken as they are, but a full elasto-plastic formulation point of view is used. As a result, the path the structure must develop in a monotonus increasing loading procedure is not neglected, leading to the fact that non yielded regions will restrict the supposed totally free yield strains under a pure ultimate load theory. In work and energy terms, in the overall account of external forces work and internal strain energy, those domains in the body not reaching their ultimate state are considered. Once thus established the energy balance of the system as its potential, by imposing on it the stationary condition, both displacements and yield strains appear as determined values. Consequently, what proposed is a means for verifying whether the ductility of prescribed designs is enough and the extent to which they are so, for known imposed loads. On the way for the theoretical development of the proposal, some important aspects have been found. Among these, the verification that the conditions for the ultimate state reached under the elastoplastic energy balance fulfills the conditions prescribed for the ultimate load state predicted through the ultimate load theorems, assuring, therefore, that the determinate solution -unicity of the elastic problemcoincides with the unicity ultimate load theorem, determining as well which equilibrium system and which collapse shape are linked to it, being these two last aspects unaffordable by the ultimate load theorems, that make sure only which is the value of the ultimate load leading to collapse. Another aspect is based on the particular case in which the yield surface of the system is flat -i.e. expressed under a linear expression-, turning out infinite the equilibrium possibilities for one determined collapse shape, which is the basis of, apparently, deciding at own free will the yield distribution in beams and arches. From the foresaid approach, is then found that there is an inherent condition in any system, once defined internal constitutive laws, which allows it arrive at the beginning of the ultimate state or collapse without any yield strain demand, reaching the collapse simultaneously for all regions that have come to their ultimate strength. In a certain way, it would appear to be a fragile collapse. In such a case case, the system fully keeps until the end its ductility, and such a state acts as a canonical representative of any other statically determined solution having the same internal design criteria that could be posed for the that same structure. The extent to which a design is closer to or farther from the canonical solution, the ductility demand of the system to verify the ultimate load will be higher or lower. The solutions being far in excess from the canonical solution, will not verify the ultimate state due to lack of ductility: the demand for yield strains of any yielded region will be beyond its capacity, and a shortcoming ultimate load by lack of ductility will appear, lower than the expected by mere equilibrium. For determining the yield strains of plastic hinges, a Boundary Element Method based model has been used, leading to a continuous displacement field -therefore, for strains and stresses as well- even if cracks on the boundary are present. An important aspect is that a remarkable difference is found in the rotation capacity between plastic hinges in reinforced concrete with or without shear. For masonry hinges, such difference appears when dealing with the eccentricity of axial forces -related to their relative value of compression- on the section, where differences between yield regions under high or low relative compressions are remarkable. On the other hand, although in a certain secondary manner, serviceability conditions impose limits to the previous ultimate load stated wanted too. Yield means always big strains and deformations, locally and globally. Such a thing imposes, for serviceability states, that if a yielded region is associated with too large cracking for the environmental conditions, the predicted design will be unsuitable due to this. Furthermore, displacements must be restricted under certain severe limits that restrain the possibilities for a free design. Especially in building structures, active displacements are a critical factor when chosing one or another solution. Then, to the limits due to ductility reasons, other limits dealing with serviceability conditions shoud be added. In the foresaid way, both considering ductility and serviceability conditions in every case, the results for ultimate load and serviceability to which every design decision will lead can be bounded. This means that, once the limits are known, it is possible to bound which a priori designs will fulfill for sure the prescribed ductility and serviceability conditions, and the extent to wich they will be fulfilled, And, in case they were not, which corrections must be performed in the previous design so that it will. Finally, from the consequences derived through what studied, several study and experimental fields are proposed, in order to achieve a completeness and practical expansion of the obtained results.

Comportamiento de pilares de hormigón armado confinados con materiales compuestos sometidos a compresión centrada

En la actualidad muchas estructuras de hormigón armado necesitan ser reforzadas debido a diversas razones: errores en el proyecto o construcción, deterioro debido a efectos ambientales, cambios de uso o mayores requerimientos en los códigos. Los materiales compuestos, también conocidos como polímeros reforzados con fibras (FRP), están constituidos por fibras continuas de gran resistencia y rigidez embebidas en un material polimérico. Los FRP se utilizan cada vez más en aplicaciones estructurales debido a sus excelentes propiedades (elevadas resistencia y rigidez específicas y resistencia a la corrosión). Una de las aplicaciones más atractivas es el refuerzo de pilares mediante confinamiento para incrementar su resistencia y ductilidad. El confinamiento puede conseguirse pegando capas de FRP envolviendo el pilar en la dirección de los cercos (con las fibras orientadas en dirección perpendicular al eje del elemento). Se han realizado numerosos estudios experimentales en probetas cilíndricas pequeñas confinadas con encamisados de FRP y sometidas a compresión axial, y se han propuesto varios modelos sobre el hormigón confinado con FRP. Es sabido que el confinamiento de pilares de sección no circular es menos eficiente. En una sección circular, el FRP ejerce una presión de confinamiento uniforme sobre todo el perímetro, mientras que en una sección rectangular la acción de confinamiento se concentra en las esquinas. Esta tesis presenta los resultados de una investigación experimental sobre el comportamiento de probetas de hormigón de sección cuadrada confinadas con FRP y sometidas a compresión centrada. Se realizaron un total de 42 ensayos investigándose el comportamiento en las direcciones axial y transversal. Las variables del estudio incluyen: la resistencia del hormigón, el tipo de fibras (vidrio o carbono), la cuantía de refuerzo y el radio de curvatura de las esquinas. Los resultados de los ensayos realizados muestran que el confinamiento con FRP puede mejorar considerablemente la resistencia y ductilidad de pilares de hormigón armado de sección cuadrada con las esquinas redondeadas. La mejora conseguida es mayor en los hormigones de baja resistencia que en los de resistencia media. La deformación de rotura de la camisa de FRP es menor que la que se obtiene en ensayos de tracción normalizados del laminado, y la eficiencia del confinamiento depende en gran medida del radio de redondeo de las esquinas. Los resultados se han comparado con los obtenidos según los modelos teóricos más aceptados. Hay dos parámetros críticos en el ajuste de los modelos: el factor de eficiencia de la deformación y el efecto de confinamiento en secciones no circulares. Nowadays, many existing RC structures are in need of repair and strengthening for several reasons: design or construction errors, deterioration caused by environmental effects, change in use of the structures or revisions of code requirements. Composite materials, also known as fibre reinforced polymers (FRP), are composed of high strength and stiffness continuous fibres embedded in a polymer material. FRP materials are being increasingly used in many structural applications due to their excellent properties (high strength- and stiffness-toweight ratio, good corrosion behaviour). One of the most attractive applications of FRP is the confinement of concrete columns to enhance both strength and ductility. Concrete confinement can be achieved by bonding layers of hoop FRP around the column (fibres oriented perpendicular to the longitudinal axis). Many experimental studies have been conducted on small-scale plain concrete specimens of circular cross-sections confined with FRP and subjected to pure axial compressive loading, and several design models have been proposed to describe the behaviour of FRP-confined concrete. It is widely accepted that the confinement of non-circular columns is less efficient than the confinement of circular columns. In a circular cross section, the jacket exerts a uniform confining pressure over the entire perimeter. In the case of a rectangular cross section, the confining action is mostly concentrated at the corners. This thesis presents the results of a comprehensive experimental investigation on the behaviour of axially loaded square concrete specimens confined with FRP. A total of 42 compression tests were conducted, and the behaviour of the specimens in the axial and transverse directions were investigated. The parameters considered in this study are: concrete strength, type of fibres (glass or carbon), amount of FRP reinforcement and corner radius of the cross section. The tests results indicate that FRP confinement can enhance considerably the compressive strength and ductility of RC square columns with rounded corners. The enhancement is more pronounced for low- than for normal-strength concrete. The rupture strain of the FRP jacket is lower than the ultimate strain obtained by standard tensile testing of the FRP material, and the confinement efficiency significantly depends on the corner radius. The confined concrete behaviour was predicted according to the more accepted theoretical models and compared with experimental results. There are two key parameters which critically influence the fitting of the models: the strain efficiency factor and the effect of confinement in non-circular sections.

Behaviour of FRP confined concrete in square columns

A significant amount of research has been conducted on FRP-confined circular columns, but much less is known about rectangular/square columns in which the effectiveness of confinement is much reduced. This paper presents the results of experimental investigations on low strength square concrete columns confined with FRP. Axial compression tests were performed on ten intermediate size columns. The tests results indicate that FRP composites can significantly improve the bearing capacity and ductility of square section reinforced concrete columns with rounded corners. The strength enhancement ratio is greater the lower the concrete strength and also increases with the stiffness of the jacket. The confined concrete behaviour was predicted according to the more accepted theoretical models and compared with experimental results. There are two key parameters which critically influence the fitting of the models: the strain efficiency factor and the effect of confinement in non-circular sections.

Tenacidade ao impacto e resistência a fadiga de aço API 5L X70 modificado ao Nb

O transporte de gás e derivados de petróleo é realizado pelo uso de tubulações, denominadas de oleodutos ou gasodutos, que necessitam de elevados níveis de resistência mecânica e corrosão, aliadas a uma boa tenacidade à fratura e resistência à fadiga. A adição de elementos de liga nesses aços, Ti, V e Nb entre outros, é realizada para o atendimento destes níveis de resistência após o processamento termomecânico das chapas para fabricação destes dutos, utilizando-se a norma API 5L do American Petroleum Institute, API, para a classificação destes aços. A adição de elementos de liga em associação com o processamento termomecânico visa o refino de grão da microestrutura austenítica, o qual é transferido para a estrutura ferrítica resultante. O Brasil é o detentor das maiores reservas mundiais de nióbio, que tem sido apresentado como refinador da microestrutura mais eficiente que outros elementos, como o V e Ti. Neste trabalho dois aços, denominados Normal e Alto Nb foram estudados. A norma API propõe que a soma das concentrações de Nióbio, Vanádio e Titânio devem ser menores que 0,15% no aço. As concentrações no aço contendo mais alto Nb é de 0,107%, contra 0,082% do aço de composição normal, ou seja, ambos atendem o valor especificado pela norma API. Entretanto, os aços são destinados ao uso em dutovias pela PETROBRÁS que impõe limites nos elementos microligantes para os aços aplicados em dutovias. Deste modo estudos foram desenvolvidos para verificar se os parâmetros de resistência à tração, ductilidade, tenacidade ao impacto e resistência à propagação de trinca por fadiga, estariam em acordo com a norma API 5L grau X70 e com os resultados que outros pesquisadores têm encontrado para aços dessa classe. Ainda, como para a formação de uma dutovia os tubos são unidos uns aos outros por processo de soldagem (circunferencial), o estudo de fadiga foi estendido para as regiões da solda e zona termicamente afetada (ZTA). Como conclusão final observa-se que o aço API 5L X70 com Nb modificado, produzido conforme processo desenvolvido pela ArcelorMittal - Tubarão, apresenta os parâmetros de resistência e ductilidade em tração, resistência ao impacto e resistência a propagação de trinca em fadiga (PTF) similar aos aços API 5L X70 com teores de Nb = 0,06 % peso e aqueles da literatura com teores de Nb+Ti+V < 0,15% peso. O metal base, metal de solda e zona termicamente afetada apresentaram curvas da/dN x ΔK similares, com os parâmetros do material C e m, da equação de Paris, respectivamente na faixa de 3,3 - 4,2 e 1.3x10-10 - 5.0x10-10 [(mm/ciclo)/(MPa.m1/2)m].