Design-oriented constitutive model for steel fiber reinforced concrete
Authors:   , Laranjeira de Oliveira Filipe 
Published: July 2023

En los últimos años la industria viene exigiendo el empleo del hormigón reforzado con fibras de acero (HRFA) en aplicaciones estructurales. Debido al hecho de que la resistencia pos-fisuración del material es relevante, la capacidad de coser fisuras concedida por las fibras puede permitir la sustitución, parcial o total, de la armadura de acero convencional. Por consiguiente, una adecuada caracterización del comportamiento a tracción uniaxial del HRFA es de gran interés. Sin embargo, a pesar de la amplitud de trabajo de investigación y de la reciente elaboración de normativas, no existe un consenso respecto al modelo constitutivo a ser empleado en el diseño del HRFA.<br/><br/>El cosido de las fibras de acero en las fisuras mejora la tenacidad y la durabilidad del hormigón. El HRFA es un material que, generalmente, presenta una resistencia residual a tracción en régimen fisurado. Sin embargo, en algunas situaciones, el HRFA puede desarrollar endurecimiento en flexotracción debido a su aptitud en redistribuir esfuerzos en la sección de fisura. Estas características vienen contribuyendo para un interés creciente así como un incremento del número de aplicaciones de este material.<br/><br/>En esta tesis doctoral se desarrolla un método directo y lógico para predecir la respuesta a tracción del HRFA para el diseño estructural. Mientras que la comprensión del comportamiento del material se consigue por medio de una investigación experimental, la formulación del nuevo modelo constitutivo se obtiene con un estudio segmentado del comportamiento del material en niveles de menor complejidad y, en seguida, con la caracterización de cada uno de ellos hasta conseguir explicar la respuesta a tracción del HRFA.<br/><br/>Esta tesis está dividida en cinco partes principales: I) Identificación de las motivaciones. II) Obtención de resultados a tracción uniaxial para comprender los principales mecanismos que controlan la resistencia pos-fisuración. III) Desarrollo de dos modelos para predecir la respuesta al arrancamiento de fibras de acero inclinadas, que cubren fibras rectas y con ganchos. IV) Investigación detallada de la orientación de las fibras al nivel individual mediante análisis estadísticos. Luego, aspectos prácticos asociados al proceso de producción son integrados en una metodología innovadora para predecir la orientación de las fibras. V) Formulación y validación del nuevo modelo constitutivo, con base en las Partes III y IV, con los resultados experimentales de la Parte II. El comportamiento a tracción se evalúa mediante un estudio paramétrico y se proponen expresiones ingenieriles para el diseño y optimización (EEDO).<br/>El modelo constitutivo propuesto se distingue de estudios anteriores en varios aspectos y define una nueva filosofía para el diseño de elementos de HRFA. Este modelo es un método directo y práctico para obtener el comportamiento a tracción del material mediante parámetros con sentido físico y basado en conceptos claros: arrancamiento y orientación de las fibras.<br/><br/>Una de las principales aportaciones de este trabajo es la capacidad de predecir curvas tensión-apertura de fisura que reflejan una combinación específica de las propiedades de la matriz y de las fibras empleadas. Además, se introduce una filosofía innovadora en el diseño debido a la incorporación del proceso de producción, las propiedades en estado fresco y el elemento a construir en la definición del diagrama constitutivo.

In the last years, the industry has been demanding for the use of steel fiber reinforced concrete (SFRC) in structural applications. Because the post-cracking strength of this material is not negligible, the crack-bridging capacity provided by fibers may replace, partial or completely, conventional steel reinforcement. Therefore, an appropriate characterization of the SFRC uniaxial tensile behavior is of paramount interest. However, in spite of the extensive research and standards recently advanced, there is no agreement on the constitutive model to be used for the design of SFRC.<br/><br/>The crack-bridging capacity provided by steel fibers improves both the toughness and the durability of concrete. Conventional SFRC is a material which presents softening response under uniaxial tension, but may develop hardening behavior in bending due to its ability to redistribute stresses within the crosssection.<br/>These evidences have been contributing to an increasing interest and growing number of applications of this material.<br/><br/>In this doctoral thesis, a direct and rationale approach to predict the tensile response of SFRC for structural design calculations is developed. While insight on the material behavior is firstly gained through an experimental investigation, the formulation of the new constitutive model follows a bottomup approach: it fragments the material's behavior into levels of smaller complexity and then models each of them until the overall behavior can be explained.<br/><br/>The dissertation is subdivided into five main parts: I) The motivations for this research project are pointed out. II) Uniaxial tensile test results are obtained to understand the major mechanisms governing the post-cracking strength. III) Two models predicting the pullout responses of inclined steel fibers are developed, covering straight and hooked fibers. IV) The orientation of fibers is investigated in detail at the single fiber level through statistical analyses. Then, practical aspects associated to the manufacturing process are integrated within a novel framework to predict fiber orientation. V) Based on Parts III-IV, the new constitutive model is formulated and validated with experimental results from Part II. Further insight on the tensile behavior is gained through a parametric study and Engineered Expressions for Design and Optimization (EEDO) are proposed.<br/><br/>The proposed design-oriented constitutive model differentiates itself from previous studies in multiple aspects and defines a new philosophy for the design of SFRC elements. This model provides a direct and practical procedure to obtain the material's tensile behavior by means of parameters with physical meaning and based on clear concepts: fiber pullouts and orientations.<br/>One of the major contributions of this work is the ability to predict the stress-crack width curves that reflect the specific combination of the properties of the matrix and fibers applied. Furthermore, it introduces a novel philosophy for the material design regarding that the influences of the production process, fresh-state properties and the element to be built are taken into account to define the constitutive diagram.