Adaptación del Modelo de Comportamiento del Ultra High Performance Concrete (UHPC) para el estudio de la respuesta estructural y análisis numérico de una celosía

Abstract

[ES] El Ultra High Performance Concrete (UHPC) es un material de construcción innovador que combina las tres propiedades punteras de los hormigones como son la alta resistencia, la autocompactabilidad y el empleo de fibras en su dosificación. Estas propiedades le confieren un conjunto de características que hacen al material idóneo para su empleo en numerosas aplicaciones tanto ingenieriles como arquitectónicas y artísticas. En el ámbito de la ingeniería civil donde el volumen de material empleado es muy grande, el uso de UHPC se ve limitado por dos factores fundamentales: la falta de una normativa internacional que respalde el empleo del UHPC y el elevado precio por metro cúbico del material. Para solventar el primer factor ha habido durante los últimos años un incremento de la producción científica en el UHPC, convirtiéndose en una de las líneas de investigación más prolíferas en el ámbito de la arquitectura y la ingeniería civil, con la formación de grupos de investigación específicos del UHPC en todo el mundo. Para superar los inconvenientes del todavía elevado precio por metro cúbico del material es necesario aprovechar al máximo las propiedades mecánicas del material para así poder reducir al máximo el volumen necesario, creando nuevas secciones y nuevas tipologías estructurales que se adapten al UHPC. Además, es muy importante hacer ver que el UHPC puede ser fabricado en una central de prefabricados convencional sin la necesidad de recurrir a patentes que incrementan en exceso el precio de los elementos fabricados En este trabajo se desarrolla una de las tipologías estructurales que puede disminuir en gran cantidad el volumen de UHPC empleado ya que aprovecha al máximo las características a compresión y tracción del material: las celosías de UHPC. Tradicionalmente el empleo del hormigón convencional en celosías fue descartado desde, prácticamente la aparición del hormigón armado, debido a la dificultad para fabricar estos elementos, al gran tamaño de la secciones necesarias para soportar las compresiones y evitar la fisuración y, en su caso, a los sobrecostes adicionales de incluir pretensado en elementos traccionados. Sin embargo, el UHPC ofrece nuevas posibilidad. Así, a lo largo de este documento se pretende dar un primer paso en el estudio del comportamiento estructural de las celosías de UHPC, haciendo ver la idoneidad de este material en este tipo de elementos; que su fabricación es sencilla y fácilmente adaptable a los procesos realizados en las casas de prefabricados españolas; que tiene lugar una importante reducción de material; y que las recomendaciones de cálculo existentes dan unas buenas aproximaciones al comportamiento de los elementos estructurales desarrollados. Para llegar a ello, se presenta el diseño y ensayo experimental de una celosía fabricada en UHPC. Además de los resultados obtenidos de este ensayo se ha desarrollado un modelo numérico para simular el ensayo realizado mediante el uso de un programa de elementos finito

[EN] Ultra High Performance Concrete (UHPC) is an innovative construction material which combines the three higher technologies in concrete: high strength, fibers and flowability. This combination gives UHPC a group of mechanical and durable properties which make it a suitable material for being used in several engineering and architectural applications. However, in the civil engineering field, where the quantity of material used is very large, the use of UHPC is limited by two main factors: the lack of international design codes and the high cost of the material. There has been an increase in research activities focused on UHPC during the last years. Several specific symposiums about UHPC have been carried out since 2004, and a lot of groups have been formed worldwide over the last few years. Their main purpose is to get a deeper knowledge of UHPC mechanical behavior in order that engineers can be confident of using this material in their designs. The high cost of the material can be overcome by taking full advantages of UHPC mechanical properties and by adapting the designs to more efficient cross-sectional shapes and details. Thereby, new designs in UHPC will let saving a huge amount of material, leading to a more economical, lighter and aesthetic solutions. In addition, it is very important to demonstrate that UHPC can be made in a conventional precast factory using conventional means of production and local materials. In this way, using patented marks can be avoided, making the UHCP cheaper. One of the structural typologies which may take full advantages of the material properties, and which lets saving a big quantity of material is the truss beam. The study and development of a UHPC truss element is presented in this study. Even though reinforced and prestressed concrete truss are not widespread, mainly due to cast process and cracking problems in tension members, a UHPC truss offers new possibilities. This document is focused on the main problems that can be found in a UHPC truss. It intends to be a first approach to the way this structural typology works in UHPC since there are few studies concerning to UPHC trusses. In this study it has been proved that: UHPC is a suitable material for being used in truss structures; UHPC truss beam cast process can be easily adapted in a conventional precast factory; a huge material reduction takes place on its design; and international recommendations give a good approximation to the material behavior. These claims have been based on the design and test of a UHPC truss as well as on the development of a FEM analysis based on a finite element force formulation that reproduces the truss test performed. In addition, the comparison between both the experimental and numeric data results are shown as well as the final conclusions and the future research fields necessary to be developed in order that UPHC truss structures can become in a widespread design element.