simulación de los materiales compuestos como refuerzo en estructuras de hormigón armado

361 Pages·2011·7.87 MB·Spanish

UniversitatPolitècnicadeCatalunya
EscolaTècnicaSuperiord’Enginyers
UPC deCamins,CanalsiPorts
DepartamentdeResistènciadeMaterialsiEstructuresa
l’Enginyeria

SIMULACIÓN DE LOS MATERIALES
COMPUESTOS COMO REFUERZO EN
ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO

Tesis Doctoral

Presentada por:
Maritzabel Molina Herrera.

Dirigida por:
Sergio H. Oller Martínez.
Alex H. Barbat Barbat.

Barcelona, España/2011

ACTA DE CALIFICACIÓN DE LA TESIS DOCTORAL

Reunido el tribunal integrado por los abajo firmantes para juzgar la tesis
doctoral:

Título de la tesis:
Simulación de los materiales compuestos como refuerzo en estructuras de
hormigón armado

Autor de la tesis: Maritzabel Molina Herrera.

Acuerda otorgar la calificación de:
 No apta
 Aprobada
 Notable
 Excelente
 Excelente Cum Laude

Barcelona, . . . . . . . . . . . . de . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . de . . . . . . . .

El Presidente, El Secretario,

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(nombre y apellidos) (nombre y apellidos)

El Vocal, El Vocal,

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(nombre y apellidos) (nombre y apellidos)

El Vocal,

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(nombre y apellidos)

A Dios,
quien bendice cada paso de mi vida, y me
enseña la belleza del mundo y su ciencia.

A mi mami, Luz Stella,
amiga incondicional,
que ha dado todo por sus hijos.

A mi hermano, Fernando,
ejemplo de sensatez y constancia.

Y a Jair Antonio,
cómplice y compañero, construyendo cada
uno de nuestros sueños.

1 Agradecimientos

Expreso mi gratitud a todas aquellas personas e instituciones que han contribuido,
de una u otra forma, al desarrollo de esta tesis.

Agradezco muy especialmente a mis tutores, los profesores Sergio Oller y Alex
Barbat, por sus sugerencias y comentarios guiando el desarrollo de la
investigación. Su calidad humana y profesional, han sido el motor de motivación
en la búsqueda de alternativas de solución para alcanzar cada una de los retos
presentados en los temas estudiados.

Al profesor Juan Carlos Cante le agradezco sus valiosas explicaciones y
recomendaciones dadas con respecto al comportamiento de los materiales en el
campo de las grandes deformaciones. Doy gracias a Dr. Xavier Martínez, Dr.
Eduardo Car y el Dr. Fernando Rastellini, por las recomendaciones y el soporte
técnico dado, sus trabajos fueron un apoyo vital para el desarrollo de esta tesis.

Agradezco al personal del Centro Internacional de Métodos Numéricos en
Ingeniería CIMNE y al personal del Departamento de Resistencia de Materiales y
Estructuras en la Ingeniería RMME, especialmente a Rosa María Olea por su
permanente disposición y su capacidad resolutiva.

Doy las gracias al profesor Lluis Gil, a Juan J. Cruz y al personal del Laboratorio
de Resistencia de Materiales y Estructuras de la Escuela Técnica Superior de
Ingenieros Industriales de Terrassa por la información suministrada de los
ensayos de adherencia.

A la Universidad Nacional de Colombia y al programa “Alan”, Programa de
Becas de Alto Nivel de la Unión Europea para América Latina (beca Nº
E06D101053CO), agradezco su indispensable apoyo y financiación.

Quiero agradecer a mis profesores de la Universidad Nacional de Colombia,
quienes infundieron el gusto por la investigación, especialmente a Gabriel Goméz,
Gabriel Valencia, Gustavo Cifuentes, Jairo Uribe y Fernando Spinel. A mis colegas
y grandes amigos de la Universidad, Caori Takeuchi, Juan Tamasco, y Julio
Esteban Colmenares, les doy las gracias por su apoyo y cariño. Además doy las
gracias al profesor Ricardo Naranjo (Q.E.P.D), quien siempre tuvo un correo con
las palabras precisas para animarme en el trabajo y transmitir su alegría.

Agradezco a mis antiguos y nuevos amigos, Ana Pelinson, Christhian Muñoz,
Jaime Granados, Flavia Bastos, Flor Vargas, Juan M. Fonseca, Mailhyn Cafiero,
Mauricio Tapias, Nubia González, Pablo Vargas, Rocío Segura, Elvira Moreno y
Yineida Lozano, por todo lo compartido, su apoyo fue una gran motivación para
SIMULACIÓN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS COMO REFUERZO EN ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO
seguir trabajando en la tesis en momentos cruciales. Asimismo, doy las gracias a
Alejandro Caicedo, Cesar Velázquez, Diego Mora, Ivo Dias, Gerardo Socorro,
Gerardo Valdés, Jannette Zambrano, Jairo A. Paredes, Jairo A. Valcárcel, Javier
Príncipe, Joaquín Hernández, Mabel Marulanda, Noel Hernández, Rubén
Hernández, Randy Robles, Sergio Blanco y Xavier Hurtado, por su aprecio, sus
sonrisas y la compañía brindada durante el doctorado. También agradezco a María
Fernanda Lara y Dorian Linero, por el soporte que nos brindaron a mí y a mi
familia.

Agradezco a toda mi familia por su cariño, en especial a mis tías, Leonor Herrera
y Nelcy Herrera, y a mis primos Alejandra Camacho, Darío Camacho e Ingrid
Gómez, con sus charlas sentía en Barcelona los grandes valores de mi tierra
hermosa. Doy las gracias a Ceila Gutiérrez, Eunice Vaquero, Lucila Gómez y
Teresa Rodríguez, por compartir su espíritu intrépido y sus oraciones.

Infinitas gracias doy a quienes dedico este trabajo. A Dios por todas sus
bendiciones, rodeándome de gente maravillosa. Y a mis tres invaluables tesoros: A
mi mami, Stella Herrera, por su templanza y apoyo incondicional. A Fernando
Molina, por su sensatez y respaldo, siempre atento a escuchar. Y a Jair Cárdenas,
por ser el artífice de que entre los dos materialicemos nuestros sueños y
cumplamos nuestras metas. Ellos son la esencia de mi vida, ya que el amor que nos
rodea no tiene límites de espacio y tiempo.

ii MMH
2 Resumen

El refuerzo de estructuras de hormigón armado con materiales compuestos es una
de las tecnologías más prometedoras, por las buenas características mecánicas de
los compuestos reforzados con fibras y su facilidad de manipulación. Sin embargo,
uno de los principales factores que restringe su uso como refuerzo a una mayor
escala, es la dificultad que hay para definir el comportamiento mecánico de los
materiales compuestos, y para establecer su influencia en el comportamiento
global del elemento reforzado. El comportamiento complejo de los materiales
compuestos surge por la alta no linealidad, la anisotropía, la heterogeneidad y los
modos de fallo que se presentan en este tipo de materiales.

En esta tesis doctoral se muestra que la utilización de la teoría de mezclas en la
simulación numérica por elementos finitos, es una herramienta útil que permite
analizar estructuras reforzadas con materiales compuestos reforzados con fibras
largas (FRP). Bajo este enfoque, se tratan y aplican las teorías de mezclas “clásica”
y “serie/paralelo”, dado que como gestores de modelos constitutivos definen el
comportamiento de los materiales compuestos por medio de la participación de los
materiales simples que los componen, y de paso, permiten determinar su
incidencia en el comportamiento global de los elementos estructurales reforzados

Por medio de la estrategia de la teoría de mezclas, en esta investigación se estudia
el comportamiento no lineal de los compuestos como refuerzo en estructuras de
hormigón armado en tres escalas: (i) Una global, en la que se analiza el
comportamiento de estructuras rehabilitada y/o reparadas con FRP. (ii) Una
elemental, en la que se propone una estrategia para comprender la interacción del
refuerzo con el hormigón y la influencia de los mecanismos de fallo generados por
la pérdida de adherencia en la zona reforzada de elementos estructurales. (iii) Una
microestructural, en la que se plantea un modelo constitutivo para considerar los
mecanismos de fallo que inducen la pérdida de adherencia entre las fibras y la
matriz, en el análisis del comportamiento no lineal de los componentes del
compuesto y su interacción. Asimismo, en la escala elemental, se propone un
modelo constitutivo que extiende la teoría serie/paralelo al campo de grandes
deformaciones, para aprovechar las ventajas que ofrece esta teoría en el análisis del
comportamiento de los compuestos y sus componentes.

En este documento se muestra que el uso, las modificaciones y las mejoras en la
estrategia de la teoría de mezclas, permiten comprender de una forma global el
comportamiento de los materiales compuestos como refuerzo en estructuras de
hormigón armado, y la interacción entre el refuerzo y el hormigón. Luego que
desde un enfoque fenomenológico, se pueden estudiar los efectos de los
mecanismos de fallo por pérdida de adherencia entre las fibras y la matriz en el
comportamiento de los materiales compuestos. Y por último, se proporciona una
herramienta que permite analizar integralmente el comportamiento no lineal
constitutivo y cinemático de los materiales compuestos reforzados con fibras.
SIMULACIÓN DE LOS MATERIALES COMPUESTOS COMO REFUERZO EN ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO

3 Abstract

The reinforced concrete structures with composites materials are one of the most
promising technologies for the good mechanical properties of fiber reinforced
composites, and their easy hand-work. However, one factor that restricts its use as
a strengthening to a larger scale, is the difficulty to define the mechanical
performance of composites, and to establish their influence on the overall behavior
of the strengthened element. The complex behavior of composite materials
happens by the high non-linearity, anisotropy, heterogeneity and failure modes
that found in these materials.

This Ph.D. thesis shows that the mixing theory strategy in the numerical
simulation is a useful tool to analyze concrete structures strengthened with long
fiber reinforced composite (FRP). Under this approach, are treated and applied the
mixing theories, classical and serial/parallel, given that as managers of constitutive
models define the performance of the composites by coupling the constitutive
performance of their constituents, and by the way, allow determining its influence
on the overall behavior of strengthened structural elements.

Through the mixing theory strategy, this research studies the nonlinear
performance of composites as strengthening in concrete structures at three levels:
(i) A overall, which analyzes the behavior of structures rehabilitated and/or
repaired with FRP. (ii) An elementary, which proposes a methodology for
understanding the interaction of strengthening with the concrete and the influence
of failure mechanisms caused by the loss of adherence in the reinforced structural
elements. (iii) A microstructural, which set out a constitutive model to consider the
failure mechanisms that induce loss of adherence between fibers and matrix in the
analysis of nonlinear behavior of composite components and their interaction. Also
at the elementary level, it is proposed a constitutive model that broadens the
serial/parallel mixing theory to the large deformation field, for take the
advantages offer by this theory for analysis the behavior of the composites and
their constituents.

This paper shows that the use, modifications and improvements in the mixing
theory strategy, allow a global understanding of the behavior of composites as
strengthening in concrete structures, and the interaction between the composites
laminated and concrete. After that, from a phenomenological approach, one can
study the effects of failure mechanisms for loss of adhesion between the fibers and
the matrix on the performance of composites. Finally, it provides a tool for
analyzing nonlinear integral constitutive and kinematic behavior of fiber
reinforced composites.

iv MMH