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

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