Modelo de comportamiento de juntas basado en la mecánica de daño, plasticidad y fractura

Abstract

Los materiales cuasifrágiles como hormigón y rocas, aún en presencia de fisuras o discontinuidades pueden conservar una cierta capacidad resistente debido al rozamiento y engranamiento entre las caras de las fisuras o discontinuidades. Ello se debe a la rugosidad de dichas fisuras o discontinuidades, que tambien puede producir efectos de dilatancia (separación de las caras de fisura al ser sometida a corte). Por ello, en los análisis numéricos de problemas ingenieriles es de gran interés modelizar adecuadamente el comportamiento de interfases y discontinuidades, incluyendo dichos efectos de rugosidad y dilatancia Dentro del grupo de investigación en el que se inserta el trabajo de esta Tesina, desde hace años se ha venido desarrollando un modelo constitutivo de junta basado en la teoría de la elasto-plasticidad y en conceptos de la Mecánica de Fractura (Carol et al., 1997, 2001). Si bien esta ley constitutiva, incorporada como comportamiento de elementos junta, ha sido ampliamente empleada y contrastada exitosamente en diversos estudios de estructuras y mesoestructuras de hormigón y otros materiales cuasifrágiles, presenta algunas limitaciones para representar comportamientos con inversión de la dirección de carga, así como ciclos de carga y descarga. A fin de mejorar algunos aspectos de la respuesta del modelo original, en este trabajo se propone y desarrolla un modelo constitutivo de junta en el cual se combina un comportamiento cohesivo basado en la teoría de daño escalar con un comportamiento friccional formulado en el marco de una plasticidad no asociada. Se presentan diversos resultados que han permitido contrastar la capacidad del modelo desarrollado. Por un lado, se muestran resultados bajo algunos estados de carga típicos en el comportamiento de juntas: tracción pura, tracción-corte y corte con compresión constante. En cada uno de estos ensayos, se analiza la incidencia de cada ley constitutiva individual (de daño y friccional) en el comportamiento del modelo conjunto. Posteriormente, se llevan a cabo simulaciones numéricas para reproducir el comportamiento detectado en dos ensayos experimentales extraídos de la bibliografía; se muestran los resultados obtenidos que se contrastan con las curvas experimentales y también se comparan con resultados obtenidos con modelos de otros autores. El trabajo requiere aún una continuidad a fines de incorporar algunos aspectos del comportamiento constitutivo, que una vez completados permitirá abordar la resolución de problemas estructurales complejos de macizos rocosos y mesoestructuras de hormigón, en los que se incluya la ley de junta en los planos de fallas, discontinuidades o fisuras.

Quasi-brittle materials such as concrete and rock containing cracks or discontinuities may retain certain stiffness and strength due to friction and interlock bewteen crack faces. This is due to the roughness, which can also cause dilatancy effects (separation of the crack or discontinuity faces when subject to shear slip). Therefore, in numerical analysis of engineering problems it is of great interest to adequately model the behaviour of interfaces and discontinuities including the roughness and dilatancy effects. Since years ago, the group of Mechanics of Materials UPC (ETSECCPB-UPC) has been developing a constitutive joint model based on the theory of elastoplasticity and concepts of Fracture Mechanics (Carol et al. al., 1997, 2001). This constitutive law has been incorporated as zero-thickness interface elements and has been widely used and contrasted successfully in several studies of concrete structures and mesostructures, and other quasi-brittle materials. However, this constitutive law exhibits some limitations to represent load reversal and cycles of loading and unloading. In order to improve some aspects of the response of the original model, this project describes a new constitutive model for joints and interfaces in which cohesive behaviour based on the theory of scalar damage is combined with frictional behaviour formulated in the framework of non-associated plasticity. Several results are presented to contrast the capacity of the model developed. On the one hand, some typical loading scenarios results are considered: pure tension, combined tension-shear, shear test with constant compression. In each of this tests he incidence of each individual constitutive law (damage and frictional) in the behaviour of the joint model is analysed. Furthermore, two experimental shear test with constant compression found in the literature have been reproduced with numerical simulation. The results have been contrasted with the experimental curves and also with the results obtained with models of other authors. The work still requires a continuity in order to incorporate some aspects of constitutive behaviour, which once completed will make the model able to be used inthe resolution of complex structural problems of rock masses and concrete mesostructures, which include the law of joint in the fault planes, discontinuities or fissures.