Design-oriented constitutive model for steel fiber reinforced concrete

En los ultimos anos la industria viene exigiendo el empleo del hormigon reforzado con fibras de acero (HRFA) en aplicaciones estructurales. Debido al hecho de que la resistencia pos-fisuracion del material es relevante, la capacidad de coser fisuras concedida por las fibras puede permitir la sustitucion, parcial o total, de la armadura de acero convencional. Por consiguiente, una adecuada caracterizacion del comportamiento a traccion uniaxial del HRFA es de gran interes. Sin embargo, a pesar de la amplitud de trabajo de investigacion y de la reciente elaboracion de normativas, no existe un consenso respecto al modelo constitutivo a ser empleado en el diseno del HRFA. El cosido de las fibras de acero en las fisuras mejora la tenacidad y la durabilidad del hormigon. El HRFA es un material que, generalmente, presenta una resistencia residual a traccion en regimen fisurado. Sin embargo, en algunas situaciones, el HRFA puede desarrollar endurecimiento en flexotraccion debido a su aptitud en redistribuir esfuerzos en la seccion de fisura. Estas caracteristicas vienen contribuyendo para un interes creciente asi como un incremento del numero de aplicaciones de este material. En esta tesis doctoral se desarrolla un metodo directo y logico para predecir la respuesta a traccion del HRFA para el diseno estructural. Mientras que la comprension del comportamiento del material se consigue por medio de una investigacion experimental, la formulacion del nuevo modelo constitutivo se obtiene con un estudio segmentado del comportamiento del material en niveles de menor complejidad y, en seguida, con la caracterizacion de cada uno de ellos hasta conseguir explicar la respuesta a traccion del HRFA. Esta tesis esta dividida en cinco partes principales: I) Identificacion de las motivaciones. II) Obtencion de resultados a traccion uniaxial para comprender los principales mecanismos que controlan la resistencia pos-fisuracion. III) Desarrollo de dos modelos para predecir la respuesta al arrancamiento de fibras de acero inclinadas, que cubren fibras rectas y con ganchos. IV) Investigacion detallada de la orientacion de las fibras al nivel individual mediante analisis estadisticos. Luego, aspectos practicos asociados al proceso de produccion son integrados en una metodologia innovadora para predecir la orientacion de las fibras. V) Formulacion y validacion del nuevo modelo constitutivo, con base en las Partes III y IV, con los resultados experimentales de la Parte II. El comportamiento a traccion se evalua mediante un estudio parametrico y se proponen expresiones ingenieriles para el diseno y optimizacion (EEDO). El modelo constitutivo propuesto se distingue de estudios anteriores en varios aspectos y define una nueva filosofia para el diseno de elementos de HRFA. Este modelo es un metodo directo y practico para obtener el comportamiento a traccion del material mediante parametros con sentido fisico y basado en conceptos claros: arrancamiento y orientacion de las fibras. Una de las principales aportaciones de este trabajo es la capacidad de predecir curvas tension-apertura de fisura que reflejan una combinacion especifica de las propiedades de la matriz y de las fibras empleadas. Ademas, se introduce una filosofia innovadora en el diseno debido a la incorporacion del proceso de produccion, las propiedades en estado fresco y el elemento a construir en la definicion del diagrama constitutivo.