Aplicaciones del análisis meso-mecánico con elementos juntas a probetas de hormigón sometidas a fractura en modo mixto y altas temperaturas

Abstract

Como es sabido el hormigón es un material heterogéneo cuya respuesta ante la acción de una carga depende de la geometría y de las propiedades de sus componentes. Por lo tanto es de gran importancia poder considerar cada fase constituyente con sus respectivas propiedades al momento de abordar cualquier tipo de estudios sobre este material. En el presente trabajo se estudia la respuesta mecánica del hormigón mediante la utilización de un modelo meso-estructural para materiales heterogéneos, que se ha venido desarrollando durante los últimos años dentro del grupo de investigación de la ETSECCPB, UPC. La modelización representa explícitamente las principales componentes de la estructura interna del hormigón a nivel mesoescala, en la cual se discretizan los áridos de mayor tamaño rodeados de una matriz que caracteriza conjuntamente al mortero y a los áridos de menor tamaño. Dentro de la malla de elementos finitos se incluyen a priori elementos junta sin espesor, con el fin de representar las principales trayectorias potenciales de fisuración. Este modelo meso-estructural se ha empleado en este trabajo, inicialmente para analizar el comportamiento de muestras de hormigón sometidas a modo mixto de fractura. Se realizaron simulaciones numéricas de algunos de los ensayos experimentales llevados a cabo en Nooru-Mohamed (1992), sobre muestras de 200 y 50 mm de lado. Se han analizado dos aspectos específicos: 1) la influencia de una carga lateral de corte (sólo en la muestra de 200mm de lado) y 2) la influencia de una relación impuesta de los desplazamientos (en ambas muestras, 200 y 50 mm de lado). En el primero de los casos analizados, el modelo es capaz de capturar la reducción en la carga máxima de tracción a medida que la carga de corte es mayor y en el segundo de los casos se ha logrado capturar la alta influencia de la dilatancia. Ambos casos muestran una buena concordancia cualitativa y cuantitativa con los resultados experimentales. El estudio realizado con la malla de 50 mm de lado logra reproducir satisfactoriamente el comportamiento de las curvas de carga-desplazamiento (tensióndesplazamiento), así como la formación y evolución en la tendencia de fisuración de los ensayos de Nooru-Mohamed (1992) y similares de Hassanzadeh (1990). Posteriormente, el modelo se ha aplicado al estudio de muestras de mortero y hormigón sometidas a la acción de altas temperaturas. En primer lugar, se realiza un análisis puramente mecánico con distribución uniforme de temperaturas. Los resultados numéricos representan adecuadamente la expansión global de mortero y hormigón, al mismo tiempo que capturan la evolución del grado de deterioro y caminos de fisuración. Asimismo se ha analizado la influencia de una carga de compresión simultánea a la carga térmica, que ha permitido capturar la reducción o retraso de la expansión del material a medida que la carga de compresión se hace mayor, de la misma forma que ha sido obtenido en resultados experimentales similares en Anderberg y Thelandersson (1976). Finalmente, se ha realizado un análisis termo-mecánico desacoplado para una distribución de temperaturas no uniforme dentro de las muestras, obtenida mediante un modelo de difusión de calor. Los resultados numéricos muestran para el caso de expansión libre, un cierto efecto del tamaño de áridos: para el mortero se obtiene una mayor distribución y evolución más uniforme de la fisuración, mientras para el hormigón se obtiene una fisuración más localizada a lo largo del perímetro de la muestra y formando aproximadamente una línea cerrada (spalling).