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

Abstract

En general, las estructuras de concreto reforzado como vigas, 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 escalar con 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.

Reinforced concrete structures generally refers to beams, columns and walls which are constituted by complex lattices of steel bars embedded in a concrete matrix, exhibiting multiple cracks due to high external loads. This paper presents the formulation of a numerical model aimed at describing the fracture process in reinforced concrete, from the volumetric ratio of concrete and steel. Crack formation and propagation in a composite material is described in the model by an enhanced strain field, such as that established in the continuum strong discontinuity approach and mixture theory. The composite material is constituted by a concrete matrix and one or two steel bar orthogonal packages. The steel and concrete are represented by a one-dimensional plasticity model and a scalar damage model having different tension and compression strength, respectively. The dowel action and the bond-slip effects between the bars and the matrix are described with additional models relating component material stress and strain. It is concluded that the proposed model can easily be implemented in the finite element method, due to several conventional nonlinear numerical process characteristics which remain. The model would also allow the problem to be analysed at macroscopic scale, thereby avoiding a finite element mesh having to be constructed for each component material and its interaction effects and reducing computational costs.