ANÁLISIS EXPERIMENTAL DE SOPORTES DE HORMIGÓN DE ALTAS PRESTACIONES SOMETIDOS A COMPRESIÓN Y CARGA LATERAL CÍCLICA

Abstract

[EN] Most recent research has revealed that the present methods, in either literature or current standards, for the evaluation of the deformation capacity of reinforced concrete elements in compression and in either monotonic or cyclical flexure, are not valid outside a certain range of some parameters. This is the case of slender supports subject to moderate or high levels of axial loading, where second order effects are not negligible. Furthermore, there is a shortage of experimental information concerning the behaviour of slender supports made with concretes with compressive strength values between 100 and 150 MPa, and the effect of steel fibers can be accounted for to replace transverse reinforcement and to improve the production of supports to be subjected to high levels of axial loading. In consequence, this doctoral thesis addresses the behaviour of supports made with fiber reinforced concrete of compressive strength between 100 and 150 MPa. An ambitious experimental programme has been carried out, comprising the testing of 26 concrete specimens that simulate column-beam unions, to reach the following objectives: to bridge the experimental gap; to identify the most influential parameters on the load-bearing and deformational capacity; and to verify the validity of the simplified methods currently in use for the prediction of the load-bearing capacity and ductility when designing and analysing reinforced concrete supports, consistently with the characteristic of the specimens tested. To this end, an experimental methodology has been calibrated and put into place to study the effect of variables such as shear slenderness, type and volume of steel fibers, spacing of transverse reinforcement, longitudinal reinforcement index, axial load level and the concrete cover. The behaviour of the specimens tested has been analysed in depth. This analysis has included: determination of the load-bearing capacity of the cross-section and of the entire element; assessment of the strains of the materials, the strains profile of the cross-section and the deformation of the whole element at the stages of reinforcement yielding and when the ultimate capacity is reached; the identification of failure modes based on the strength and strains of the materials; the assessment of strain capacity indexes, rotational ductility and displacement, as well as the hinge length. With the resulting infomation and the conclusions obtained, this doctoral thesis aims to be a starting point for future research and a useful instrument for the improvement of structural behaviour prediction models of these specimens. Specifically, it's been noted that the ductility ratio in curvatures and displacements decreases when the volume of steel fibers in the concrete decrease. Ductility ratio also decreases when the axial load level, shear slenderness and transverse reinforcement spacing increase. Moreover, effective flexural stiffness factor of a section increases when axial load level does in higher values than 0.2. It has been tested that calculation methods and simplified models included in either literature and current standards predict experimental results on load bearing capacity and elastic values on deformational capacity adequately. This does not happen for ultimate values, which means that these methods are not suitable for high performance concrete behaviour.

[ES] Investigaciones recientes han puesto de manifiesto que los métodos existentes, en la bibliografía y en las actuales normas, para evaluar la capacidad de deformación de los elementos de hormigón armado sometidos a compresión y flexión cíclica o monotónica, no son válidos para cierto rango de parámetros, como son los soportes esbeltos, con moderados y altos niveles de carga axil, en los cuales los efectos de segundo orden no pueden ser despreciados. A ello hay que añadir que se carece de información experimental sobre el comportamiento de soportes esbeltos fabricados con hormigones de resistencias a compresión en el rango de 100-150 MPa, y que las fibras de acero pueden servir para sustituir la armadura transversal y mejorar la fabricación de soportes sometidos a niveles altos de axil. En consecuencia, esta tesis doctoral estudia el comportamiento de soportes de hormigón armado con fibras de acero y resistencias a compresión entre 100 y 150 MPa, planteando para ello una amplia campaña experimental compuesta por 26 elementos que simulan uniones soporte-viga, con los siguientes propósitos: cubrir el vacío experimental existente; identificar los parámetros que más influyen en la capacidad resistente y deformacional; y verificar el alcance y validez de los métodos simplificados existentes para predecir la capacidad de deformación y ductilidad en el diseño y análisis de soportes de hormigón armado, teniendo en cuenta las características que presentan los elementos ensayados. Para ello se ha puesto a punto un modelo de ensayo experimental que ha permitido estudiar la influencia de variables como la esbeltez a cortante, el tipo y volumen de fibras de acero, la separación de la armadura transversal, la cuantía de la armadura longitudinal, el nivel de la carga axil, y el recubrimiento relativo del hormigón. El comportamiento de los distintos elementos ensayados se ha analizado de un modo exhaustivo incluyendo: determinación de la capacidad resistente a nivel sección y a nivel elemento; obtención de la deformación de los materiales, de la sección y del elemento en las situaciones de inicio de la plastificación y rotura; identificación de los tipos de fallo, basados en la resistencia y deformación de los materiales; evaluación de los índices de capacidad de deformación, la ductilidad en curvatura y desplazamiento, y la longitud de la rótula plástica. Con la información recopilada y las conclusiones obtenidas, esta tesis doctoral pretende ser un punto de partida para futuras investigaciones y ser de utilidad para la mejora de los modelos de predicción del comportamiento estructural de estos elementos. En particular, se ha constatado que el índice de la ductilidad tanto en curvaturas como en desplazamientos disminuye con el volumen de fibras de acero en el hormigón y cuando aumenta el axil reducido, la esbeltez del soporte y la separación de la armadura transversal; que el factor de rigidez elástica efectiva de la sección aumenta cuando aumenta el axil reducido, y que el factor de rigidez elástica efectiva del elemento aumenta cuando aumenta cuando el axil reducido una vez se supera el umbral de 0.2. Se ha corroborado que los métodos de cálculo y modelos simplificados recogidos en las normativas y en la bibliografía predicen de forma aceptable los resultados experimentales a nivel resistente y los valores elásticos a nivel deformacional, en tanto que no los valores últimos, lo que es indicativo de la no adecuación de estos métodos al comportamiento de hormigones de altas prestaciones.

[CA] Les investigacions més recents han posat de manifest que els mètodes existents, a la bibliografia i a les normes actuals, per avaluar la capacitat de deformació dels elements de formigó armat sotmesos a compressió i flexió cíclica o monotònica, no són vàlids per a un determinat marge de paràmetres, com són els suports esvelts, amb nivells moderats i alts de càrrega axial, en què els efectes de segon ordre no són negligibles. A això cal afegir la manca d'informació experimental sobre el comportament de suports esvelts fabricats amb formigons amb resistència a compressió entre 100 i 150 MPa, i que les fibres d'acer poden servir per substituir l'armat transversal i millorar la fabricació de suports sotmesos a nivells alts de càrrega axial. En conseqüència, aquesta tesi doctoral estudia el comportament de suports de formigó armat amb fibres d'acer i resistències de compressió entre 100 i 150 MPa, plantejant amb aquest objectiu una àmplia campanya experimental consistent en 26 elements que simulen unions suport-biga amb els següents propòsits: cobrir l'actual buit experimental; identificar els paràmetres més influents sobre la capacitat resistent i deformacional; i verificar l'abast i la validesa dels mètodes simplificats existents per a la predicció de la capacitat de deformació i la ductilitat en el disseny i anàlisi de suports de formigó armat, tenint en compte les característiques dels elements assajats. Per tal d'aconseguir-ho, s'ha posat a punt un model d'assaig que ha permés estudiar la influència de variables com l'esveltesa a tallant, el tipus i volum de fibres d'acer, l'espaiament de l'armat transversal, la dotació d'armat longitudinal, el nivell de càrrega axial i el recobriment relatiu del formigó. El comportament dels diferents elements assajats s'ha analitzat de manera exhaustiva, incloent: determinació de la capacitat resistent a nivell secció i a nivell element; obtenció de la deformació dels materials, de la secció i de l'element en les situacions d'inici de la plastificació i trencament; identificació dels modes d'esgotament, basats en la resistència i la deformació dels materials; avaluació dels índexos de capacitat de deformació, la ductilitat en corbatura i desplaçament, i la longitud de la ròtula plàstica. Amb la informació recopilada i les conclusions obtingudes, aquesta tesi doctoral pretén ser un punt de partida per a futures investigacions i ser d'utilitat per a la millora dels models de predicció del comportament estructural d'aquests elements. En particular, s'ha constatat que l'índex de la ductilitat tant en curvatures com en desplaçaments disminueix amb el volum de fibres d'acer en el formigó i quan augmenta l'esforç axial reduït, l'esveltesa del suport i l'espaiament de l'armat transversal; que el factor de rigidesa elàstica efectiva de la secció augmenta quan s'incrementa el nivell de càrrega axial, i que el factor de rigidesa elàstica efectiva de l'element augmenta quan amplifica el nivell el nivell de càrrega axial una vegada se supera el llindar de 0.2. Així mateix s'ha corroborat que els mètodes de càlcul i models simplificats recollits en les normatives i en la bibliografia prediuen de forma acceptable els resultats experimentals a nivell resistent i els valors elàstics a nivell deformacional, la qual cosa no succeeix amb els valors últims i és indicatiu de la no adequació d'aquests mètodes al comportament de formigons d'altes prestacions.