Diseño, construcción, ensayo y análisis de modelos reducidos de estructuras de hormigón armado: arco rígido triarticulado. Comprobación estructural mediante métodos de cálculo

Abstract

[EN] This theoretical and experimental study of a real element of reinforced concrete fits properly to the objectives for a degree final project. The design itself represents an application of skills associated with the title, the same way, construction permits implement procedures assimilated theoretically during the degree. By the testing and analysis of results the student can be formed in experimental techniques not acquired in the degree. Arches are structures that work primarily compressed by shape, which has traditionally led to its concrete construction, allowing them to save large spans with reduced use of material. If reinforced concrete is used, in addition, they can resist bending, in which case it is ideal the cross-section height variation for structural optimization. Among all types of reinforced concrete arches employed in history, three-hinged configuration was chosen by its adequacy to experimental analysis, since it shows accurately the stresses in the structure. Further, it is possible to examine the functioning of the joint in the key, so little used today. With cross-section height variation greater efficiency and improved structural elegance criterion are achieved. This final degree project has focused on a reduced model of reinforced concrete consisting of a polygonal three-hinged arch with variable depth, a span of two meters and sixty centimetres of height. This structure has been designed, built entirely by the authors, tested and analyzed using the experiment results. Herein whole process is chronologically presented. An initial approach and preliminary design constraints leads to the final geometry, in which it is based a reinforcement able to resist the internal forces. All this considering characteristics of materials unstated until later. To characterize the concrete was conducted two previous batches. The second phase of this work is the construction of the element, which includes all possible aspects that might occur in a building site: making procedural decisions, procurement of materials, reinforcement, formwork, production, placement and curing of concrete; without leaving aside the quality control and cost. And finally, the structure is prepared and subjected to a laboratory test, which aims to observe their actual behaviour under the action of a monotonically increasing load, to study both the phase of service and the breaking. The experiment results are processed and analyzed to compare them with theoretical values obtained by various methods of calculation.

[ES] Este estudio teórico y experimental de un elemento real de hormigón armado se ajusta adecuadamente a los objetivos marcados para un trabajo final de grado. El diseño representa en sí mismo una aplicación de las competencias profesionales asociadas al título, del mismo modo que la construcción permite poner en práctica los procedimientos asimilados de forma teórica durante el Grado. Con el ensayo y análisis de resultados, igualmente, es posible formarse en técnicas experimentales no adquiridas en la titulación. Los arcos son estructuras que trabajan fundamentalmente a compresión por su forma, lo que tradicionalmente ha llevado a su construcción con hormigón, pudiendo salvar grandes luces con un reducido empleo de material. Si se usa hormigón armado, además, pueden resistirse solicitaciones de flexión, en cuyo caso resulta ideal para la optimización estructural la variación de canto. De entre toda la tipología de arcos de hormigón armado empleados en la historia se ha optado por la configuración triarticulada por su adecuación al análisis experimental, ya que permite conocer con precisión los esfuerzos en la estructura. Asimismo, resulta posible examinar el funcionamiento de la articulación en la clave, tan poco usada en la actualidad. Con la variación de canto se consigue una mayor eficiencia, así como una mejora del criterio de elegancia estructural. Este trabajo final de grado se ha centrado en un modelo reducido de hormigón armado consistente en un arco poligonal de canto variable triarticulado, con una luz de dos metros y sesenta centímetros de flecha. Esta estructura ha sido diseñada, construida íntegramente por los autores, ensayada y analizada a partir de los resultados del experimento. En esta memoria se presenta cronológicamente todo el proceso seguido. A partir de un planteamiento inicial de condicionantes y un prediseño se llega a la geometría definitiva, en base a la cual se propone un armado que permita resistir las solicitaciones establecidas. Todo ello considerando unas características de los materiales no constatadas hasta más tarde. Para caracterizar el hormigón se llevaron a cabo dos amasadas previas. La segunda fase de este trabajo es la construcción del elemento, que incluye todas las posibles facetas que podrían presentarse en una obra real: toma de decisiones procedimentales, adquisición de materiales, ferrallado, encofrado, fabricación y puesta del hormigón, curado y desencofrado; sin dejar a parte el control de calidad y de costes. Ya por último, se prepara y somete la estructura a un ensayo de laboratorio, con el que se pretende observar su comportamiento real bajo la acción de una carga monótona creciente, tanto para estudiar la fase de servicio como la de rotura. Los resultados del experimento se procesan y se analizan para poderlos comparar con valores teóricos obtenidos mediante métodos de cálculo variados.

[CA] quest estudi teòric i experimental d'un element real de formigó armat s'ajusta adequadament als objectius marcats per a un treball final de grau. El disseny representa en si mateix una aplicació de les competències professionals associades al títol, de la mateixa forma que la construcció permet posar en pràctica els procediments assimilats de forma teòrica durant la carrera. Amb l'assaig i anàlisis de resultats, igualment, es possible formar-se en tècniques experimentals no adquirides en la titulació. Els arcs son estructures que treballen fonamentalment a compressió per la seua forma, cosa que tradicionalment ha portat a la seua construcció amb formigó, podent salvar grans llums emprant poc de material. Si s'utilitza formigó armat, amés, poden resistir-se sol'licitacions de flexió, resultant ideal en aquest cas per a la optimització estructural la variació de cantell. De entre tota la tipologia de arcs de formigó armat emprats en la historia s'ha optat per la configuració triarticulada per la seua adequació a l'anàlisi experimental, ja que permet conèixer amb precisió els esforços en la estructura. Així mateix, resultava possible examinar el funcionament de la articulació en la clau, tan poc usada en l'actualitat. Amb la variació de cantell s'aconsegueix una major eficiència, així com una millora del criteri d'elegància estructural. Aquest treball final de grau s'ha centrat en un model reduït de formigó armat que consisteix en un arc poligonal de cantell variable triarticulat, amb una llum de dos metres i seixanta centímetres de fletxa. Aquesta estructura ha sigut dissenyada, construïda integrament pels autors, assajada i analitzada a partir dels resultats del experiment. En esta memòria es presenta cronològicament tot el procés seguit. A partir d'un plantejament inicial de condicionant i un predisseny s'arriba a la geometria definitiva, en base a la qual es proposa un armat que permeta resistir les sol'licitacions establides. Tot açò considerant unes característiques dels materials no constatades fins a més tard. Per a caracteritzar el formigó es van realitzar dues amasades prèvies. La segona fase d'aquest treball es la construcció del element, que inclou totes les possibles facetes que podrien presentar-se en una obra real: presa de decisions procedimentals, adquisició de materials, ferrallat, encofrat, fabricació i posada en obra del formigó, curat i desencofrat; sense oblidar el control de qualitat i de costos. Ja per últim, es prepara i sotmet la estructura a un assaig de laboratori, amb el que es pretén observar el seu comportament real baix l'acció d'una càrrega monòtona creixent, tant per a la fase de servei com la de trencament. Els resultats de l'experiment es processen i analitzen per a poder-los comparar amb valors teòrics obtinguts a mitjançant mètodes de càlcul diversos.