Modelo numérico para la caracterización del comportamiento de las propiedades a tracción del UHPFRC

Abstract

[ES] La tecnología del hormigón ha avanzado notablemente en las últimas décadas, siendo el Hormigón de muy Alto Rendimiento (Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Concrete, UHPFRC) uno de los tipos de hormigón de mayor futuro para su uso en estructuras. Se trata de un material compuesto a base de cemento que combina tres avances técnicos en el hormigón: (a) una elevada resistencia a la compresión, superior a 150 MPa; (b) un comportamiento dúctil que pueden proporcionar una respuesta a tracción de pseudo-endurecimiento por deformación; y (c) una selección especial de áridos finos, que da lugar a una densa microestructura y a una gran fluidez de la mezcla que facilita su puesta en obra, lo que redunda en una elevada durabilidad. Este Trabajo Fin de Master se centra en el estudio de la caracterización mecánica de las propiedades a tracción del UHPFRC. Más concretamente se lleva a cabo la implementación numérica de un modelo analítico (Non-Linear Hinge Model) previamente desarrollado por López (2017) capaz de reproducir el comportamiento carga-flecha de ensayos de vigas prismáticas a flexotracción de UHPFRC cargadas a 4 puntos y sin entalla. El modelo se fundamenta en una ecuación constitutiva específica para el UHPFRC que se integra en un comportamiento a nivel sección y, a su vez, en un modelo no lineal de rótula plástica, que permite reproducir el comportamiento del ensayo de flexotracción y sin necesidad de recurrir a otras técnicas más avanzadas como el análisis no lineal por elementos finitos. En este trabajo se realiza un estudio de sensibilidad con el fin de evaluar el efecto de los parámetros constitutivos en la respuesta de las probetas de UHPFRC a flexotracción. Por otro lado, se valida experimentalmente el modelo numérico implementado mediante dos series de probetas ensayadas en anteriores trabajos de investigación por López (2017) y Mezquida (2021). Por último, se lleva a cabo un método de análisis inverso iterativo de búsqueda automática de las propiedades a tracción del UHPFRC fundamentado en el modelo numérico implementado. Los resultados del método de análisis inverso iterativo arrojan una alta fiabilidad en la predicción de los parámetros constitutivos a tracción del UHPFRC. Tanto el modelo numérico como el método de análisis inverso iterativo se han integrado en una aplicación de escritorio en entorno Matlab con una interfaz gráfica de sencillo manejo, que puede facilitar el proceso de caracterización de este tipo de hormigones en cualquier ámbito de trabajo.

[EN] Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Concrete, UHPFRC, is emerging as one of the most relevant concrete in the near future for the scope of civil engineering so its material properties, mainly those in tension, are currently the subject of in-depth study and analysis.they are a reason for a deep study and analysis today. Its special mechanical properties, such as its high compression strength over 150 MPa, its high ductility accompanied by tensile deformation hardening or softening and its dense microstructure, make it a high durability and highly sustainable concrete. In this work a numerical model is developed capable of reproducing the bending behavior of prismatic specimens of UHPFRC tested under a 4PBT test enabling the implementation of numerical methodologies for the characterization of its tensile properties. The developed model allows you to instantly analyze the behavior of the load- deflection response to the different variables that influence the 4PBT bending test even beyond those characteristic parameters of the UHPFRC. A sensitivity study is carried out to evaluate the effects of the constituent parameters in the response of UHPFRC's specimens to bending and also experimentally validated the numeric model developed comparing the response of this with results of specimens characterized in previous works, by other authors, and through other methods. A new characteristic parameter is included in the study, the crack opening where the maximum efficiency of the UHPFRC fiber is achieved. An iterative inverse analysis method of automatic search of the UHPFRC tensile properties based on the numeric model developed is also developed. The results obtained show high reliability in the prediction of the constituent parameters of the UHPFRC. The numerical model and the Iterative Inverse Analysis method were coupled in a Matlab environment desktop application allowing the UHPFRC analysis and characterization process to be carried out quickly and easily in any field of work. Keywords: Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Concrete; UHPFRC; inverse analysis; sectional analysis; four-point bending test; 4PBT; tensile properties.