Estudio del comportamiento en servicio y rotura de los apoyos a media madera

Abstract

[EN] Dapped-end beams (DEB), also known as Gerber joints or half joints, are frequently used at supports in reinforced and prestressed concrete structures, particularly in precast concrete manufacturing. DEB is a popular detail for expansion joints. Their shape facilitates the connection of precast structural elements and allows for reducing the structure's height. DEBs are considered as discontinuity regions (D). Strut-and-tie models and stress field models are widely used for the design of D-regions. However, these approaches are limited to the ultimate limit state design and serviceability requirements for D-regions usually remain unexplored. This lack of knowledge is especially important for DEBs since a crack in the re-entrant corner of DEBs appears for low loads. Such cracks become a potential issue of corrosion in reinforcing bars. Existing experimental information of cracking under serviceability conditions is scarce. Hence, it is difficult to verify crack width calculation methodologies. This thesis describes a set of 60 tests on dapped-ends, corresponding to 30 different configurations. Digital image correlation was used for continuous measurement of crack widths. The main parameters studied in this research were: the amount and layout of reinforcement, and some constructive variations (the disposition of a bevel in the re-entrant corner, the use of unbonded post-tensioned rebars for the horizontal tie, the use of steel fibre reinforced concrete and the disposition of secondary reinforcement over the support). A simplified procedure is proposed for defining the geometry of strut-and-tie models for DEBs. The strengths of these strut-and-tie models are compared with the experimental results of the tests carried out in this study and other 29 tests found in the literature. For the main tested configurations adapted strut-and-tie models based on the experimental results are also presented. The applicability of elasto-plastic stress field models for the analysis of DEBs is also investigated. Existing concrete constitutive laws have been adjusted to consider spalling failures and steel fibre reinforced concrete behaviour. This approach is used to analyse the tests of this study, 44 DEBs tests from the literature and 9 steel fibre reinforced concrete beams from the literature without transversal reinforcement failing in shear. Two different models for the calculation of crack widths in the re-entrant corner under service loads are proposed: a rational and an empirical model. The rational model uses the integration of reinforcement strains near the crack to calculate the crack width. In this study reinforcement strains have been obtained by using elasto-plastic stress fields and a proposed simplified procedure based on strut-and-tie models. In the empirical model the crack width depends on the ratio between the applied load and the ultimate load of the DEB. Predictions of the empirical model, the rational model and two other models of the literature are compared. This comparison is carried out for the experimental data of this and other 4 studies from the literature.

[ES] Los apoyos a media madera (AMM), también conocidos como dapped-end beams, Gerber joints o half joints, son un tipo de apoyos muy comunes en la práctica constructiva actual del hormigón armado y pretensado, sobre todo en el ámbito de la prefabricación. Se emplean por su facilidad de ensamblaje y porque permiten mantener constante el canto del forjado o tablero en el que se ejecute. Los AMM se consideran regiones de discontinuidad (D). Los métodos de cálculo más extendidos en las regiones D son el método de bielas y tirantes y el método de los campos de tensiones. Ambos procedimientos están limitados al diseño de regiones D en rotura. El comportamiento en condiciones de servicio en estos elementos no está suficientemente explorado. Este aspecto resulta de especial relevancia en los AMM, ya que en condiciones de servicio se genera una fisura en la esquina para solicitaciones relativamente bajas. Estas fisuras pueden ser una posible fuente de corrosión de las armaduras comprometiendo la durabilidad del apoyo. La información relativa a la fisuración en servicio de AMM en estudios experimentales previos es reducida, lo cual dificulta el contraste de metodologías para el cálculo de la abertura en AMM. Esta tesis describe un programa experimental con registro continuo de la abertura de fisura mediante técnica fotogramétrica que comprende un total de 60 ensayos de AMM correspondientes a un total de 30 configuraciones. Se estudia la influencia en el comportamiento de los AMM de las siguientes variables: cuantía de armadura, disposición de armado y variantes constructivas como son el biselado de la esquina, el pretensado de la armadura horizontal, el empleo de hormigón reforzado con fibras de acero y la disposición de armaduras secundarias sobre el apoyo. Se presenta un procedimiento simplificado para determinar la geometría de modelos de bielas y tirantes para AMM. Se comparan los resultados de carga máxima de estos modelos con los resultados de los ensayos propios y de otros 29 ensayos de otros autores. Se muestran además modelos de bielas y tirantes ajustados a los resultados experimentales para las principales configuraciones ensayadas. Se aplican además modelos de campos de tensiones elasto-plásticos a los ensayos de AMM de la campaña experimental, a otros 44 ensayos de AMM de otros autores, así como a 9 ensayos de vigas sin armadura transversal ejecutadas con hormigón reforzado con fibras de acero. Se han desarrollado en el modelo nuevas hipótesis constitutivas para captar fenómenos de spalling y el comportamiento del hormigón reforzado con fibras de acero. Se desarrollan dos modelos para el cálculo de la abertura de fisura en servicio: un modelo racional en el cual la abertura se calcula mediante la integración de las deformaciones de las armaduras en el entorno de la fisura, y un modelo empírico en el que se hace intervenir la carga actuante en relación a la carga última del AMM. El modelo racional se aplica a partir de resultados de deformaciones de campos de tensiones elasto-plásticos y a partir de un procedimiento desarrollado para el cálculo simplificado de las deformaciones a partir de modelos de bielas y tirantes. El modelo racional y el empírico se comparan entre sí y con otras dos metodologías previas mediante los resultados de la campaña experimental realizada y los ensayos de otros 4 autores.

[CA] Els suports a mitja fusta (AMM), també coneguts en anglès com a dapped-end beams, Gerber joints o half joints, són un tipus de suports molt habituals en la pràctica constructiva actual del formigó armat i pretensat, especialment a l'àmbit de la prefabricació. Aquests suports es fan servir per la seua facilitat d'assemblatge , i perquè permeten mantindre constant el cantell de la estructura. Els AMM son considerats zones de discontinuïtat (D). Els mètodes de càlcul més estesos en les zones D son el mètode de bieles i tirants i el mètode dels camps de tensions. Les dues metodologies estan limitades al disseny de zones D en ruptura. El comportament en condicions de servei en aquests elements no esta suficientment explorat. Aquest aspecte és d'especial importància als AMM, ja que en condicions de servei es produeix una fissura al cantó per a sol·licitacions relativament baixes. Aquestes fissures poden ser una possible font de corrosió de les armadures, comprometent la durabilitat del suport. La informació relativa a la fissuració en servei de AMM en estudis experimentals previs es reduïda, dificultant el contrast de metodologies per a el càlcul de l'obertura en AMM. Aquesta tesi descriu un programa experimental amb registre continu de l'obertura de fissura mitjançant tècnica fotogramètrica que compren un total de 60 assajos de AMM, corresponent a un total de 30 configuracions. S'estudia l'influencia en el comportament del AMM de les següents variables: quantia d'armadura, disposició de armat i variants constructives com el bisellat del cantó, el pretensat de l'armadura horitzontal, la utilització del formigó reforçat amb fibres d'acer i la disposició de armadures secundaries sobre el suport. Es presenta un procediment simplificat per a determinar la geometria de models de bieles i tirants adaptats als AMM. Es comparen els resultats de càrrega màxima d'aquests models amb els resultats dels assajos propis y de altres 29 assajos corresponent a altres autors. Es mostres, a més, models de bieles i tirants ajustats als resultats experimentals per a les principals configuracions assajades. S'apliquen, a més, models de camps de tensions elasto-plàstics als assajos de AMM de la campanya experimental, a altres 44 assajos de AMM d'altres autors, així com a 9 assajos de bigues sense armadura transversal executades amb formigó reforçat amb fibres d'acer. S'han desenvolupat noves hipòtesis constitutives al model per a captar fenòmens de spalling i el comportament del formigó reforçat amb fibres metàl·liques. Es desenvolupen dos models per al càlcul de l'obertura de fissura en servei: un model racional al qual l'obertura es calcula mitjançant la integració de les deformacions de les armadures al voltant de la fissura, i un model empíric al qual es fa intervenir la càrrega existent en relació a la càrrega última del AMM. El model racional s'aplica a partir de resultats de deformacions de camps de tensions elasto-plàstics i a partir d'un procediment desenvolupat per al càlcul simplificat de les deformacions a partir de models de bieles i tirants. Es comparen entre sí, el model racional i el model empíric, i a més amb altres dos metodologies prèvies mitjançant els resultats de la campanya experimental realitzada i assajos de altres 4 autors.