Efectos de los esfuerzos cortantes biaxiales en la respuesta sísmica de columnas de hormigón armado

Durante un terremoto, las columnas de hormigón armado pueden verse sometidas a movimientos bidireccionales que pueden afectar su capacidad resistente y ductilidad. Sin embargo, las normas de diseño y evaluación sísmica no aportan recomendaciones explícitas para cuantificar el comportamiento de las columnas bajo dichas cargas. Esta investigación busca contribuir al análisis y cuantificación de los efectos de los esfuerzos cortantes biaxiales en la respuesta sísmica de columnas de hormigón armado. Con este objetivo, se realizó una recopilación del estado del conocimiento orientado a la revisión de los estudios experimentales y las estrategias de modelización numérica disponibles. De los estudios experimentales se concluyó que las columnas bajo cargas laterales bidireccionales ven reducida su capacidad resistente y ductilidad en comparación a las cargadas en una dirección. La deformación lateral del hormigón bajo cargas de compresión se ha estudiado pero no se encontró un modelo de su comportamiento bajo cargas cíclicas. En esta investigación, se estudió el comportamiento de la deformación lateral del hormigón mediante la ejecución de una primera campaña experimental en probetas cilíndricas de hormigón con cargas de compresión uniaxial cíclica. Con este estudio se aportaron curvas experimentales de tensión - deformación longitudinal y lateral con carga monótona y cíclica en hormigones de resistencia normal y alta. A partir de la interpretación de los datos experimentales, se propuso un modelo conceptual del comportamiento de la deformación lateral del hormigón. De forma paralela, se revisó y estudió el comportamiento de la deformación lateral del hormigón en un estado en compresión triaxial con base en resultados experimentales publicados en la literatura. Con las conclusiones de este estudio y el modelo conceptual en compresión uniaxial, se formuló un modelo analítico de la dilatancia del hormigón en compresión cíclica que se implementó en una ecuación constitutiva 3D. Los resultados se verificaron con los datos experimentales del hormigón en diferentes estados de compresión triaxial y diferentes materiales de confinamiento. Con la finalidad de alcanzar el objetivo general de la investigación, se diseñó, implementó y ejecutó una segunda campaña experimental en columnas con cargas unidireccionales y bidireccionales. Diez columnas circulares de hormigón armado se diseñaron y fabricaron con una disposición de armadura transversal insuficiente para que presentaran un nivel de ductilidad baja a media y un fallo por un mecanismo de cortante-flexión. Cuatro de estas columnas, fueron encamisadas con polímeros reforzados con fibras; dos con fibra de carbono (CFRP) y dos con fibra de aramida (AFRP). En los ensayos bajo carga bidireccional, la demanda de deformación en la armadura transversal fue mayor respecto al de carga unidireccional debido a que las deformaciones por esfuerzos cortantes y por la acción de confinamiento se acumulan. Las columnas con menor cuantía de armadura transversal y menor cuantía de FRP presentaron un incremento de la longitud de la rótula plástica. Dentro de esta investigación, se realizaron análisis de las columnas ensayadas con modelo seccional TINSA(Total-Interaction-Nonlinear-Section). El modelo seccional representa el decremento de resistencia y ductilidad y la mayor deformación de los cercos que se presentó en los experimentos con cargas bidireccionales. Por último, los efectos de los esfuerzos cortantes se analizaron a nivel material, seccional y de elemento. Se derivaron expresiones analíticas para considerar los efectos de los esfuerzos cortantes en el diagrama tensión-deformación del hormigón, la relación momento - curvatura y la longitud de la rótula plástica. Las expresiones analíticas encontradas se usaron en un modelo de análisis de rótula concentrada para obtener la curva de capacidad de la columna. Los resultados del modelo se corroboraron con los resultados experimentales de esta investigación.During an earthquake, reinforced concrete columns may be subjected to bi-directional displacements undermining their strength and ductility. However, the current codes for the seismic design and assessments of structures do not provide explicit provisions for the quantification of the effects of biaxial shear forces on the seismic response of reinforced concrete columns. This investigation is aimed at contributions to the analysis and quantification of the effects of biaxial shear forces on the seismic response of reinforced concrete columns. With this purpose, a state of the art review about the available experimental studies and numerical modeling strategies was performed. From the experimental studies, it is concluded that both the strength and ductility of the columns subjected to biaxial shear forces are reduced with respect to those subjected to uniaxial shear forces. The lateral deformation of concrete under compressive loads has been studied but has not formulated a model of its behavior under cyclic loading. In this research, a first experimental program on cylindrical concrete specimens subjected to cyclic compression was carried out in order to study the lateral deformation behavior. Experimental longitudinal stress- longitudinal and lateral strain curves, under monotonic and cyclic loading were provided, for normal and high strength concrete specimens. A conceptual model of the lateral behavior of concrete was proposed since interpretation of experimental data. Subsequently, the lateral behavior of concrete under a triaxial compression stress was reviewed and studied based on the experimental results available in the literature. Based on conclusions findings and using the conceptual model for uniaxial compression, an analytical model for the dilatancy of concrete under cyclic compression was formulated, which incorporate the above mentioned phenomena. The model was implemented into a 3D constitutive equation and their results were verified with experimental results under different triaxial stress states and different confinement materials. With the purpose of reaching the general objective of the investigation, a second experimental program on columns subjected to uniaxial and biaxial lateral forces and axial load was performed. Ten reinforced concrete circulars columns were designed and built, with an inadequate transverse reinforcement arrangement, providing insufficient ductility level so that a shear-flexure failure mechanism would take place. With the purpose of studying the behavior of strengthened columns under biaxial loading, four specimens were wrapped with carbon fiber reinforced polymers (FRP): two with carbon fiber (CFRP) and two with aramid fiber (AFRP). Under cyclic biaxial shear loading, the demand of strains in the transverse reinforcement was bigger than uniaxial loading because the strain by shear and the action of confinement were accumulated. The columns with smaller transverse reinforcement ratios and smaller FRP ratios showed increase of plastic hinge length. In this investigation, sectional analyses of the experimental behavior of the columns tested were performed with TINSA (Total-Interaction-Nonlinear-Section). The sectional model reproduces the decrement of strength and ductility as well as the greater strain in the hoops that was experimentally observed under biaxial tests. Finally, the effect of shear forces was analyzed at the material, section and structure levels. Analytical expressions were derived to consider the influence of the shear forces on the concrete stress-strain relationships, moment-curvature diagrams and on the plastic hinge length. The obtained analytical expressions were used in an analysis model of concentrated plastic hinges in order to obtain the capacity curve of the column. The model results were validated by comparing them satisfactorily with the experimental results presented in this investigation

Modelos de comportamiento seccional de hormigón armado ajustados a ensayos mediante algoritmos metaheurísticos

[SPA] En la tesis doctoral "Modelos de comportamiento seccional de hormigón armado ajustados a ensayos mediante algoritmos metaheurísticos" se proponen unas expresiones de comportamiento seccional capaces de proporcionar aspectos relativos a los estados de plastificación y último de secciones rectangulares de hormigón armado, como son el momento, la curvatura y el giro. Dichas expresiones se obtienen calibrando unas expresiones previamente propuestas en la literatura científica con ensayos experimentales correspondientes a vigas y pilares de sección rectangular. En el proceso de calibración se emplean técnicas de optimización basadas en algoritmos metaheurísticos.[ENG] Modelling concrete structures requires the implementation of numerical models capable of reproducing the nonlinearity of this problem adequately. In particular, the seismic behaviour of these structures requires the application of different types of models, such as models of sectional behaviour, hysteresis models and global models, being the interaction between them essential to simulate the problem in an integral way. Seismic analysis of structures is a really time-consuming process, so that the models involved need to be accurate and efficient from the point of view of computing time. Therefore, it is important to obtain simple expressions that adequately reproduce the yield and ultimate behaviour of reinforced concrete sections, which is necessary to define the properties of the plastic hinges generated in the structure when acting the seismic load. Obtaining these expressions involves proper calibration with experimental tests. In particular, if these expressions must be calibrated by an extensive database, specific numerical procedures are required, such as those based on optimization techniques, in order to achieve an optimum adjustment between the values offered by the expressions and the experimental results. In this thesis, a database composed by more than 1000 experimental tests has been analysed and a set of tests is selected such that meet with seismic and construction requirements listed in the main construction codes; several empirical expressions relating to yielding and ultimate state of rectangular reinforced concrete sections have been calibrated; and the expressions obtained are implemented in the nonlinear analysis of several reinforced concrete frames, comparing the results obtained with different methods.Universidad Politécnica de CartagenaPrograma de doctorado en Medio Ambiente y Minería Sostenibl

Estudio teórico-experimental de soportes esbeltos de hormigón armado sometidos a compresión con excentricidades y ángulos de esviaje desiguales en sus extremos

Los soportes de hormigón armado, en general, están sometidos a una ley de momentos flectores no uniforme debido a la existencia de excentricidades desiguales en sus extremos. Además, el empleo de hormigón de alta resistencia en la construcción de estructuras ordinarias está cada vez más extendida, lo que supone la fabricación de soportes más esbeltos. Sin embargo, los ensayos experimentales existentes en la literatura técnica para soportes fabricados con hormigón de alta resistencia y sometidos a excentricidades distintas en los extremos son escasos y centran su estudio en el comportamiento de soportes cortos, fabricados con hormigón convencional y bajo esfuerzos de flexo-compresión recta. Por otra parte, los códigos de diseño, en general, proponen métodos simplificados con la finalidad de predecir la carga de agotamiento de soportes esbeltos sometidos a esfuerzos de flexo-compresión con excentricidades desiguales en sus extremos. Sin embargo, los métodos simplificados han sido contrastados, en su gran mayoría, con soportes fabricados con hormigón convencional. La extrapolación de estos métodos a hormigones de alta resistencia sin un soporte científico y verificación experimental adecuados puede conducir a resultados poco fiables. En la presente tesis doctoral se ha estudiado el comportamiento de 68 soportes esbeltos sometidos a compresión con excentricidades y ángulos de esviaje desiguales en sus extremos, fabricados con hormigón convencional y de alta resistencia. Estos ensayos tienen como objetivo conocer el comportamiento de este tipo de elementos estructurales y además han de servir para poder calibrar modelos numéricos y validar métodos simplificados. La importancia de la investigación se centra en la contribución de aumentar el banco de datos experimentales disponibles con el fin de corroborar los métodos de diseño propuesto por las distintas normativas para soportes de hormigón armado sometidos a este tipo de solicitación.Da Costa Lino Leite, LC. (2011). Estudio teórico-experimental de soportes esbeltos de hormigón armado sometidos a compresión con excentricidades y ángulos de esviaje desiguales en sus extremos [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/14178Palanci

Modelling alpha case formation and embrittlement for Ti-6Al-4V produced by additive manufacturing and subjected to thermomechanical post-processing

Comunicación presentada en: 5th Iberian Conference on Structural Integrity que corresponde con el 38 Congreso del Grupo Español de Fractura GEF2022 celebrado en Coimbra, Portugal del 30 de marzo al 1 de abril de 2022La Fabricación Aditiva permite la producción optimizada de geometrías complejas. Las propiedades de tracción entallada de la aleación Ti-6Al-4V se estudian numéricamente en este trabajo considerando el método de Selective Laser Melting (SLM) y diferentes condiciones de post-proceso. La formación de una capa frágil enriquecida con oxígeno o “alpha case” también se reproduce aquí para atmósferas no inertes aprovechando esquemas numéricos para el agrietamiento asistido por hidrógeno. La reducción local de la energía de fractura en función de la concentración de oxígeno se implementa en un modelo de Phase Field para la nucleación y propagación de grietas. Se modelizan diferentes probetas de tracción entallada en Comsol Multiphysics. El análisis es secuencial: la entrada y difusión de oxígeno se simulan para diferentes temperaturas y tiempos de permanencia, reproduciendo procesos típicos de SLM y HIP y diferentes presiones parciales de oxígeno. En un segundo paso, se simula el ensayo mecánico de tracción y se resuelve el problema de Phase Field considerando una reducción lineal de la tenacidad a fractura en función de la concentración de oxígeno. Se evalúan los efectos del valor de la longitud característica y del comportamiento plástico. Los resultados muestran que el marco numérico actual, después de una necesaria calibración de parámetros, es capaz de predecir la influencia del post-proceso termomecánico en la fractura de componentes entallados.Additive Manufacturing enables cost-effective production of complex geometries. Notched tensile properties of Ti-6Al4V alloy are here numerically studied considering the Selective Laser Melting (SLM) method and different postprocessing conditions. The formation of an oxygen-enriched brittle layer or an “alpha case” in Ti-6Al-4V is also reproduced for non-inert atmospheres. Exploiting other Finite Element frameworks for environmentally assisted cracking, e.g. hydrogen embrittlement models, the local reduction of fracture energy as a function of oxygen concentration is implemented in a Phase Field model for crack nucleation and propagation. Different notched tensile specimens are modelled in Comsol Multiphysics. The analysis is sequential: oxygen uptake and diffusion are simulated for different temperatures and dwell times, reproducing typical SLM and HIP processes and different partial pressures of oxygen. In a second step, mechanical tensile testing is simulated, and the damage Phase Field scheme is solved considering a linear reduction of fracture toughness as a function of oxygen concentration. The effects of the characteristic length value and of plastic behaviour are evaluated. Results show that the present framework, after parameter calibration, is able to predict the influence of thermomechanical post-processing on notch fracture.The authors gratefully acknowledge financial support from the Junta of Castile and Leon through grant BU002-P20, co-financed by FEDER funds

Conjunto de ecuaciones para el cálculo del factor de intensidad de tensiones en fisuras internas de barras cilíndricas sometidas a tracción

Comunicación presentada en: 5th Iberian Conference on Structural Integrity que corresponde con el 38 Congreso del Grupo Español de Fractura GEF2022 celebrado en Coimbra, Portugal del 30 de marzo al 1 de abril de 2022La propagación de fisuras por fatiga iniciadas a partir de defectos internos es uno de los principales mecanismos de fallo en piezas sometidas a alto número de ciclos (HCF) y muy alto número de ciclos (VHCF). La propagación de estos defectos internos en barras sometidas a esfuerzos de tracción tiende a adquirir una forma circular, independientemente de la forma irregular que presente el defecto iniciador, estableciendo un patrón conocido como fish-eye. Para el estudio de la propagación de este tipo de defectos se presenta en este trabajo un conjunto de ecuaciones que permiten obtener el factor de intensidad de tensiones (FIT) en función de tres parámetros adimensionales (tamaño, posición y relación de aspecto de la fisura). Se presenta también la metodología necesaria para su aplicación al estudio de la propagación de un defecto inicial. Los caminos de propagación calculados son comparados con los obtenidos en ensayos experimentales obteniendo una muy buena predicciónFatigue crack propagation initiated from internal defects is one of the main mechanisms observed in components created using additive manufacturing techniques, as well as one of the most common mechanisms in high cycle fatigue (HCF). The propagation of these internal defects in round bars subjected to tensile loads tends to a circular shape, regardless of the irregular shape of the initiating defect, establishing a pattern known as fish-eye. In order to study the fatigue crack propagation of this type of defects, a series of closed-form equations are presented which allow the stress intensity factor (SIF) to be obtained in this geometry as a function of three dimensionless parameters (size, position and aspect ratio). The methodology necessary for its application to the study of fatigue crack propagation is also presented. The propagation paths calculated are compared with those obtained in experimental tests, obtaining a very good prediction.Los autores desean agradecer la financiación recibida a través del proyecto de la JCyL referencia BU-002-P20, cofinanciada con fondos FEDER

Estudio experimental del pandeo de perfiles tubulares rectangulares de acero, rellenos de hormigón de alta resistencia, bajo carga axial y diagrama de momentos variables

El empleo de estructuras mixtas de acero-hormigón ha experimentado un aumento creciente en las últimas décadas, dado qu permiten un mejor aprovechamiento de las características de los materiales empleados, en comparación con estructuras de hormigón armado y acero trabajando de forma independiente. Este trabajo de investigación se centra en el estudio y análisis de pilares mixtos de tipo perfil tubular de acero, CFT (Concrete Filled Tube), rectangular o cuadrado, rellenos de hormigón de alta resistencia. Este tipo de pilares cuenta con ventajas respecto a otros pilares mixtos como el hecho de que el perfil de acero sirve de enconfrado para el núcleo de hormigón y a su vez, cuenta con suficiente capacidad resistente como para soportar las cargas exixtentes en fase de construcción. Todo ello permite un importante ahorro, tanto económico, como en las plazos de ejecución. Otras ventajas de estos pilares es que el perfil tubular confina el núcleo de hormigón y este a su vez evita que se produzca el pandeo local del tubo de acero, permitiendo así su plastificación y máximo aprovechamiento. Estas ventajas, proporcionan a los soportes ductibilidad característica muy importante frente a la acción sísima, de ahí que el uso de este tipo de pilares se haya extendido en países como Japón, Estados Unidos y China. Es importante, también, destacar el aumento de resistencia al fuego del sistema en comparación con un perfil de acero hueco. A partir del análisis del estado actual del conocimiento se ha planteado una campaña experiemental que cubre los aspectos no estudiados hasta el momento, y que constituyen los casos más habituales en la práctica real: soportes esbeltos o semiesbeltos sometidos a carga axial y diagrama de momentos no constante. En total se han efectuado 78 ensayos sobre pilares mixtos. Los resultados experimentales se comparan con las previsiones de las normativas de referencia más importantes para el cálculo de pilares mixtos: EC4, AISC 2010, BS5-400:2005, AS5100-6, DBJ13-51, etc, comprobando su validez para el tipo de pilar estudiado. Finalmente se ha planteado un modelo de cálculo simplificado basado en el método de amplificación de momentos y se ha ajustado el factor de rigidez a flexión de los pilares, así como un factor de conversión a diagrama de momentos constantes.Hernández Figueirido, D. (2012). Estudio experimental del pandeo de perfiles tubulares rectangulares de acero, rellenos de hormigón de alta resistencia, bajo carga axial y diagrama de momentos variables [Tesis doctoral]. Editorial Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/14724Palanci

Formulación Paramétrica y Técnicas de Model Updating para el Análisis Elastoplástico de Pórticos con Daño

En este trabajo se desarrollan modelos de complejidad creciente que tratan de aproximar la respuesta no lineal de estructuras planas formadas por barras. Estos modelos se desarrollan en una aplicación informática basada en el elemento finito beam, bajo distintas condiciones de geometría de la estructura y cargas para diferentes secciones de las barras, incluyendo distintos comportamientos y materiales y asumiendo diferentes hipótesis. Los materiales se solicitan más allá del régimen elástico, llegando a plasticidad y rotura. El modelo más complejo contempla una función de plastificación dependiente de los esfuerzos y del daño de la sección, que da lugar a una matriz de rigidez elastoplástica degradable y utiliza una ley bilineal para definir un material con daño y endurecimiento. Disponiendo de suficiente información numérica o experimental se pueden ajustar los parámetros mediante técnicas de Model Updating para simular, con buen nivel de precisión, el comportamiento real del pórtico hasta el colapsoDepartamento de Construcciones Arquitectónicas, Ingeniería del Terreno y Mecánica de los Medios Continuos y Teoría de Estructura

XXIV congreso anual de la sociedad española de ingeniería biomédica (CASEIB2016)

En la presente edición, más de 150 trabajos de alto nivel científico van a ser presentados en 18 sesiones paralelas y 3 sesiones de póster, que se centrarán en áreas relevantes de la Ingeniería Biomédica. Entre las sesiones paralelas se pueden destacar la sesión plenaria Premio José María Ferrero Corral y la sesión de Competición de alumnos de Grado en Ingeniería Biomédica, con la participación de 16 alumnos de los Grados en Ingeniería Biomédica a nivel nacional. El programa científico se complementa con dos ponencias invitadas de científicos reconocidos internacionalmente, dos mesas redondas con una importante participación de sociedades científicas médicas y de profesionales de la industria de tecnología médica, y dos actos sociales que permitirán a los participantes acercarse a la historia y cultura valenciana. Por primera vez, en colaboración con FENIN, seJane Campos, R. (2017). XXIV congreso anual de la sociedad española de ingeniería biomédica (CASEIB2016). Editorial Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/79277EDITORIA