Modelo numérico de elementos finitos para el estudio de regiones d tridimensionales mediante modelos de bielas y tirantes

Abstract

[ES] regiones D de estructuras de hormigón armado, en las que se producen campos tensionales complejos y no es válida la hipótesis de Navier-Bernoulli. Se trata de un método de diseño consistente, racional, simple de aplicar, validado experimentalmente, y consecuentemente numerosas normas lo han incorporado. Su aplicación a regiones D bidimensionales está bastante extendida. Sin embargo, tal y como señala el Boletín 61 de la fib (2011), apenas existen directrices para su uso en regiones D cuyo comportamiento en rotura es marcadamente tridimensional. Como ejemplo de elementos estructurales que constituyen regiones D tridimensionales pueden citarse los encepados sobre pilotes, las zapatas rígidas o los diafragmas para la conexión de elementos en puentes segmentados. Aunque el método de bielas y tirantes es conceptualmente sencillo, el proyectista puede encontrar dificultades en la definición de un modelo adecuado para una determinada región D, ya que esta elección se fundamenta básicamente en la experiencia e intuición. Existen herramientas informáticas aplicables a regiones D bidimensionales que facilitan esta tarea, pero no para regiones D tridimensionales. En este trabajo fin de máster se ha desarrollado un modelo numérico para estructuras de hormigón armado tridimensionales que es capaz de generar automáticamente el campo tensional a partir de la configuración de armado proporcionada por el proyectista. Este modelo numérico se ha implementado en MATLAB para posteriormente aplicarlo al análisis de un bloque de anclaje y un encepado de pilotes. De la comparación de los resultados obtenidos con los presentados por otros autores se puede concluir que, al menos para los elementos estudiados, el modelo numérico propuesto es capaz de generar modelos de bielas y tirantes tridimensionales coherentes y de predecir correctamente la carga última. No obstante existen algunos aspectos del modelo numérico que pueden ser mejorados, siendo el objetivo último de la investigación desarrollar una herramienta informática para el proyecto de regiones D tridimensionales similares a las que ya existen para 2D.

[EN] The strut-and-tie method has become the most used tool for the design of D-Regions in reinforced concrete structures, where there is a complex stress field and Navier-Bernoulli hypothesis is not valid. It is a consistent, rational, easy to use, experimentally validated method, and therefore many design codes have included it. Its application to bidimensional D-Regions is widespread. Nevertheless there is little guidance for D-Regions with a tridimensional behavior in failure, as remarked by Bulletin 61 fib (2011). Some examples of structural elements that belong to the group of three-dimensional DRegions are pile caps, pad foundations and diaphragms in segmental bridges. Although the strut-and-tie method is conceptually simple, finding a suitable model for a certain DRegion can be tedious, since this choice is based on experience and intuition of the designer. There are some computer tools that help to overcome these difficulties for bidimensional D-Regions, but not for 3D. In this master thesis a numerical model has been developed for three-dimensional reinforced concrete structures which is capable to generate automatically the stress field based on the bars location proposed by the designer. Based on this field a 3D strut-and-tie model can be suggested. This numerical model has been implemented in MATLAB and applied to the analysis of an anchorage block and a pile cap. Through comparison between the obtained results and other author's results it can be stated that at least for the assessed elements the proposed numerical model is able to generate consistent three-dimensional strut-and-tie models and predict correctly the ultimate strength. However there are some points of the numerical model that can be improved, since the final aim of this research program is to develop a computer-based tool for the design of three-dimensional D-Regions similar to those available in 2D.