Estudio numérico del comportamiento hasta rotura de regiones D constituidas por cargas concentradas sobre macizos

Abstract

[EN] Concentrated loads can be found very often among concrete structures. Two examples of them are the bridge columns top and pre-stressed cables anchorages. The compression flow from the section of application of the concentrated load P, to the section located at a distance h, equal to the perpendicular dimension on the direction of the applied load, varies its width from a, corresponding to the dimensions of the loading plate, to a width h (Image 1.1). To equilibrate the direction changes of the compression stresses on the concrete, transversal tension stresses generate; which can lead to a longitudinal cracking. Once the crack is generated, it is necessary to place reinforcement on the transversal direction to the load application axe in order to ensure the equilibrium of the diffusion of the compression stresses. This reinforcement is, additionally, to control the width of the cracks. Unlike what happens at the tensioned layer of a beam, this longitudinal cracking is not able to uniformly distribute due to the reduced length of the transversal reinforcement bars, creating an only crack at the middle of the element. The creation of an only crack concentrates on it the elongation difference between the steel bars and the concrete on its surroundings; therefore, a bigger width of the crack is expected than if this difference is distributed among several cracks. The control of the crack width might be unsolved with the steel stress limitation, which is stated at the current norms for the application of the Struts-and-Tie Method for the indirect compliance of the Serviceability Limit State limitations. An excessive width of the mentioned only crack can lead to durability problems. On the other hand, in application of the Strut-and-Tie Method, it is necessary to check that no compression failure occurs on the struts. When de struts are constituted by a bottle shaped tensional field, as the one produced under a concentrated load on a massive concrete element, the compression failure check consists of verifying that the maximum stress at the most unfavorable section never exceeds a certain limit. This limit is obtained by the application of an efficiency factor to the simple concrete strength. The definition of this factor is not yet universally accepted and established, as this is a value that depends on many factors. The current work studies the influence of different factors on the mechanical behavior until failure of the bottle-shaped tensional fields, as the ones produced under concentrated loads on massive concrete elements. For this purpose, a first analysis of the state of the scientific knowledge about D regions constituted by concentrated loads over massive concrete elements and bottle shaped struts is carried out. The main parameters being currently studied are: - Efficiency factor of the bottle shaped struts - Inclination of compression dispersion - Reinforcement ratio, specially minimum reinforcement ratio It follows a numerical simulation with the Finite Element commercial software Straus7, in which the non linear and cracked behavior of the concrete has been implemented, and the reinforcement bars have been individually included, with its non linear behavior as well. This numerical model has been calibrated with a set of experimental tests extracted from the bibliography. Finally, after the numerical model was calibrated, a parametric study was carried out in order to analyze the influence of the main variables that rule the studied phenomenon. Results have been extracted and analyzed in order to obtain conclusions.

[ES] Las cargas concentradas sobre macizos se encuentran muy habitualmente en las estructuras de hormigón, como ocurre en el caso de cabezas de pilas en puentes o en los anclajes de tendones de pretensado. El flujo de compresiones desde la sección de aplicación de la carga concentrada P hasta la sección situada a una distancia h igual a la dimensión perpendicular a la dirección de la carga aplicada pasa de tener un ancho a correspondiente a la dimensión de la placa de carga a un ancho h . Para equilibrar los cambios de dirección de las compresiones en el hormigón se generan tracciones transversales que pueden generar fisuración longitudinal. Una vez producida la fisura, es necesario colocar armadura transversal a la dirección de aplicación de la carga para asegurar el equilibrio de en la difusión las compresiones. Esta armadura además es la encargada de controlar la abertura de fisura. A diferencia de lo que ocurre en el cordón traccionado de una viga, Ésta fisuración longitudinal no puede distribuirse uniformemente debido a la reducida longitud de las armaduras transversales, formándose una única fisura en el centro de la pieza. La formación de una única fisura concentra en ella la diferencia de alargamiento entre el acero y el hormigón que le rodea y, por tanto, se produce una mayor abertura de fisura que si esta diferencia se distribuye entre varias fisuras. El control de la apertura de fisura puede no quedar resuelto con la limitación tensional del acero que establecen las normas vigentes para la aplicación del método de las bielas y tirantes para el cumplimiento indirecto de las limitaciones del estado límite de servicio. Una abertura excesiva de dicha fisura puede llevar a problemas de durabilidad. Por otra parte, para la aplicación del método de las bielas y tirantes es necesario comprobar que no se produce la rotura por compresión de las bielas. Cuando las bielas están constituidas por un campo de tensiones en forma de botella, tal como se produce en el caso de una carga concentrada sobre un macizo, la verificación del fallo por compresión se reduce a la comprobación de que la tensión máxima en la sección más desfavorable no supera un valor límite. Este valor límite se establece aplicando a la resistencia a compresión simple del hormigón un factor de eficacia. La definición de este factor no está todavía establecida de forma universalmente aceptada ya que su valor depende de multitud de factores. Este trabajo tiene como objetivo estudiar la influencia de diversos factores en el comportamiento mecánico hasta rotura de los campos tensionales en forma de huso como los que se producen en las cargas concentradas sobre macizos. Para ello, en este trabajo se realiza en primer lugar un análisis del estado del conocimiento en la comunidad científica con respecto a las regiones D constituidas por cargas concentradas sobre macizos y las bielas en forma de botella, siendo los parámetros principalmente estudiados en ella: - Coeficiente de eficiencia de la biela - Pendiente de dispersión de la compresión - Cuantía de armado, en especial lo que se refiere a la armadura mínima En segundo lugar, se realiza una simulación numérica con el programa comercial de elementos finitos Straus7, en la que se ha incorporado el comportamiento no lineal y fisurado del hormigón y se han incluido las armaduras de forma individualizada con su comportamiento no lineal. Este modelo numérico se ha calibrado mediante una campaña experimental de ensayos de elementos sometidos a cargas concentradas extraída de la bibliografía. Por último, tras el calibrado del modelo numérico, se ha realizado un estudio paramétrico para analizar la influencia de las principales variables que gobiernan este fenómeno y se ha obtenido y analizado los resultados para extraer conclusiones.