Simulación numérica del proceso de fractura en concreto reforzado mediante la metodología de discontinuidades fuertes de continuo. Parte I: formulación

Numerical modeling of the fracture process in reinforced concrete by means of the continuum strong discontinuity approach. Part I: formulation

En  general,  las  estructuras  de  concreto  reforzado  como  vi-gas,  columnas  y  muros  están  conformadas  por  entramados  complejos  de  barras  de  acero  embebidas  en  una  matriz  de  concreto,  las  cuales  exhiben  múltiples  fisuras  ante  la  aplicación  de  cargas  externas  elevadas.  Este  artículo  presenta  la  formulación de un modelo numérico cuyo objetivo es describir el proceso de fractura en elementos de concreto reforzado a partir de la fracción volumétrica del concreto y del acero.  El  modelo  utiliza  un  campo  enriquecido  de  la  deformación para describir la formación y propagación de fisuras en un material compuesto, tal como lo establecen la metodología  de  discontinuidades  fuertes  de  continuo  y  la  teoría  de  mezclas. El material compuesto está constituido por una matriz de concreto y uno o dos paquetes de barras de acero ortogonales entre sí. El acero y el concreto se representan con modelos de plasticidad unidimensional y de daño escalarcon tracción  y  compresión  diferenciada,  respectivamente.  La  acción pasador y los efectos del deslizamiento entre las barras y la  matriz,  se  describen  con  modelos  adicionales  que  relacionan  el  esfuerzo  y  la  deformación  de  los  materiales  componentes.  Finalmente,  se  concluye  que  el  modelo  propuesto  se  puede  implementar  con  facilidad  en  el  método  de  los  elementos  finitos,  dado  que  permanecen  muchas  características  del  procedimiento  numérico  no  lineal  convencional.  Asimismo, el modelo permite analizar el problema en la escala macroscópica, lo cual elude la construcción de mallas de elementos finitos de cada material componente y de sus efectos de interacción, reduciendo así el costo computacional.

Introducción

El comportamiento del concreto reforzado durante el proceso de fractura se puede predecir mediante  un  modelo  numérico  capaz de capturar la formación y propagación de fisuras en todos los puntos del sólido, a partir de las propiedades del concreto simple      y del acero de refuerzo.  La  implementación  de  dicho  modelo  en el método de los elementos finitos permite representar la geometría y el régimen de carga de cualquier miembro estructural.

La simulación numérica de estructuras de concreto reforzado se puede hacer a diferentes escalas. En la escala mesoscópica, la malla de elementos finitos representa cada uno de los materiales por separado, incluyendo elementos especiales que describen la interacción entre concreto y acero.