Simulación numérica del comportamiento elástico del concreto reforzado con fibras cortas de acero en condición plana de esfuerzos

Numerical modelling of elastic behaviour of concrete reinforced with steel short fibres in plane stress conditions

Este trabajo describe un modelo numérico implementado en el método de los elementos finitos (Hughes, 2000), el cual permite simular el comportamiento elástico del concreto reforzado con fibras cortas de dirección aleatoria. En estructuras hechas de dicho material cada punto está compuesto por fibras cortas de acero embebidas en una matriz de concreto simple. En el interior de un elemento finito el concreto reforzado se representa como un material ortótropo de dirección material aleatoria, basado en el modelo de fibras con diámetro despreciable (Dvorak y Bahei-el-Din, 1982) y la teoría de mezclas modificada para refuerzo de corta longitud (Oller, 2003). El análisis estadístico realizado consiste en: repetir la simulación numérica del problema cambiando la dirección de las fibras mediante una función aleatoria, construir la base de datos de muestreo a partir de los resultados obtenidos y medir la dispersión de estos últimos. A continuación, en este trabajo se estudia la sensibilidad del tamaño de los elementos finitos y del número de datos de muestreo en el cálculo de la energía total de deformación y se establecen algunos valores recomendables. Como ejemplo de aplicación se obtuvo la respuesta estructural promedio de una viga de concreto reforzado con diferentes cuantías de fibras cortas de acero, observando una dispersión mínima de los datos.

Introducción

En las últimas décadas la utilización del concreto reforzado con fibras cortas de acero (CRFC) en la construcción de obras civiles   ha aumentado notoriamente debido a su comportamiento mecánico y a sus ventajas constructivas. A diferencia del concreto simple, la presencia de las fibras reduce la abertura de las microfisuras en el concreto y aumenta la resistencia mecánica y la ductilidad del compuesto. Asimismo, el acero de refuerzo contribuye a la resistencia al impacto, al fuego y a la abrasión (ACI, 1989; ACI, 1996; ACI, 1998). En la actualidad el uso del CRFC se extiende a la construcción de vigas, columnas, placas de entrepiso y pisos industriales en edificaciones, como también arcos y dovelas en el revestimiento de túneles, entre otros.

Los materiales reforzados presentan características diferentes con respecto a los materiales homogéneos debido a que las fibras modifican su comportamiento dependiendo de su participación volumétrica y del sentido en que se encuentren orientadas.

En este trabajo se desarrolla un modelo numérico implementado en el método de los elementos finitos para simular el comportamiento mecánico del CRFC en el rango elástico, en un estado plano de esfuerzos.