Modelización triaxial del comportamiento del hormigón y su aplicación a las zonas nodales 3D en el método de las bielas y tirantes

Abstract

[ES] La modelización de estructuras y partes de las mismas a través del método de bielas y tirantes está incluida en las normas en vigor sobre hormigón. Dicho sistema reproduce de manera adecuada el trazado de las tensiones en el interior de las piezas calculadas, y facilita la concepción y cálculo de los elementos de armado que de otro modo resultarían ineficaces. Así, la vigente EHE impone su utilización en los casos de regiones D (regiones de discontinuidad) como son las ménsulas cortas y los encepados de pilotes. Este trabajo aborda primero el análisis de las últimas investigaciones sobre el método de bielas y tirantes, así como las diferentes técnicas en las que se fundamenta y perfecciona, tales como la teoría de campos tensionales, la optimización topológica de estructuras y el comportamiento triaxial del material hormigón. Una vez conocidas las bases del método, se propone una técnica simplificada de comprobación de nudos tridimensionales, construida a partir de la definición de un modelo geométrico sencillo. Para ello se ha definido un nudo necesariamente 3D como es el que se produce en la base del pilar dentro de un encepado de 4 pilotes. Dicho modelo geométrico ha sido calibrado a través del programa ANSYS mediante elementos finitos, asegurando que no se superan las tensiones máxima a compresión y tracción del material y por tanto el nudo es seguro dentro de los límites tensionales estudiados. Los resultados de la comprobación de seis series con 130 ensayos de encepados de 4 pilotes son suficientemente similares a los resultados reales, habiendo hecho las estimaciones en un régimen elástico y lineal del comportamiento de los materiales. El trabajo puede ser completado mediante un cálculo más exhaustivo de las piezas en régimen plástico que pueda reproducir con fidelidad aquellos especímenes que presentan mayor dispersión en el resultado.

[EN] The strut-and-tie method is widely used to modelize and calculate structures and their pieces, and it is also implemented in the current regulations. The system, based in drawing the traces of stresses within the mass of structural elements, allows a simplified concept of the mechanical behaviour, that otherwise could result inefficiently designed. According to this, the EHE code imposes their use to describe and calculate D-areas, like corbels and pile caps. The purpose of this study is firstly to introduce the analysis of latest research works about strut-and-tie method, as well as some different fundamentals related, like theory of stress fields, structural topology optimization and triaxial behaviour of concrete. Following the basis of the method, it is proposed a simplified path to design triaxial nodes. This metodology has been constructed according to the geometrical description of a single node. The node is the one placed on the bottom of the pillar in a 4-pile cap element. This model has been tested with the finite element program ANSYS, resulting that maximum stresses are never exceeded. The node is then considered secure within the studied stress limits. The results obtained from the analysis of six series of test with 130 models of 4-pile caps show a positive correlation with the real test reported. Estimations of the mathematical model were made in a linear elastic behaviour of materials. This work can be also completed in a further research with a more accurate calculation system which estimates the plasticity of materials. That way could reproduce feasibly the mechanical behaviour of some specimens which were hardly reported by the simplified model now developed.