Estudio experimental y numérico de vigas usando ultra high performance fiber reinforced concrete (UHPFRC)

Abstract

El Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) es una clase de material cementício con alta resistencia y durabilidad. Presenta comportamiento dúctil bajo esfuerzos de tracción debido a la presencia de fibras, las cuales pueden proveer o no comportamiento de endurecimiento por deformación en la curva esfuerzo-deformación. El comportamiento constitutivo del UHPFRC en compresión y tracción uniaxial fue definido considerando directamente la data experimental. Valores superiores a 150 MPa y 48 GPa fueron obtenidos para la resistencia a la compresión y módulo de elasticidad respectivamente. En tracción uniaxial, los valores promedio de resistencia estuvieron en el rango de (8-9) MPa y el módulo de elasticidad en el rango de (36 a 48) GPa. Curvas de esfuerzo vs abertura de la muesca en flexión fueron definidas usando análisis inverso, los valores de la abertura de la muesca se transformaron en deformación unitaria usando relaciones en función de la longitud característica. Las curvas de esfuerzo vs abertura de la muesca fueron validadas utilizando la energía de fractura y las curvas constitutivas del comportamiento fueron validadas usando el Método de los Elementos Finitos. Buenas aproximaciones del problema real fueron obtenidas en el modelaje computacional usando el programa ANSYS. El elemento SOLID65 permitió simular las fibras en forma distribuida dentro de la matriz de concreto. El elemento SOLID185 junto al material CAST, permitieron simular el UHPFRC como un material homogéneo, incluyendo las leyes constitutivas del material en la entrada de datos. Finalmente podemos concluir que el UHPFRC desarrollado en esta pesquisa es diferenciado de otros productos porque presenta un proceso simple de fabricación, sin necesidad de utilizar elaborados y demorados procesos de molienda para el empaquetamiento de partículas. Además, incluye en su composición residuos industriales, que clasifican al material como una mezcla sustentable. Las propiedades mecánicas de concretos con ultra alto desempeño son atingidas con una mezcla que posee tixotropía, característica que abre una gama de posibilidades de aplicación en situaciones extremas, donde la flexibilidad arquitectónica, el tiempo y tipo de colocación rigen la factibilidad de la obra.

O Concreto com Ultra Alto Desempenho Reforçado com Fibra (CUADRF) é um tipo de material cementício com alta resistência e durabilidade. Possui comportamento dúctil sobre tensão de tração devido à presença de fibras, que podem ou não fornecer comportamento de endurecimento por deformação na curva tensão-deformação. O comportamento constitutivo do CUADRF na compressão e tração uniaxial foi definido diretamente considerando os dados experimentais. Valores superiores a 150 MPa e 48 GPa foram obtidos para resistência à compressão e módulo de elasticidade, respectivamente. Na tração uniaxial, os valores médios de resistência estavam na faixa de (8-9) MPa e o módulo de elasticidade na faixa de (36 a 48) GPa. As curvas de tensão versus a abertura da trinca foram definidas usando análise inversa, os valores da abertura da trinca foram transformados em deformação unitária usando relações baseadas no comprimento característico. As curvas tensão versus abertura da trinca foram validadas usando a energia de fratura e as curvas de comportamento foram validadas pelo Método dos Elementos Finitos. Boas aproximações do problema real foram obtidas na modelagem computacional usando o programa ANSYS. O elemento SOLID65 permitiu simular as fibras na forma distribuída dentro da matriz de concreto. O elemento SOLID185, juntamente com o material CAST, permitiu a simulação do CUADRF como um material homogêneo, incluindo as leis constitutivas do material na entrada de dados. Finalmente, podemos concluir que o CUADRF desenvolvido nesta pesquisa se diferencia de outros produtos, pois apresenta um processo de fabricação simples, sem o uso de demorados processos de moagem para o empacotamento de partículas. Também, inclui na sua composição, resíduos industriais, que classificam o material como uma mistura sustentável. As propriedades mecânicas do concreto com ultra-alto desempenho são obtidas com uma mistura que possui tixotropía, um recurso que abre uma gama de possibilidades de aplicação em situações extremas, onde a flexibilidade arquitetônica, o tempo e o tipo de colocação governam a viabilidade do trabalho.

Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) is a type of cementitious material with high strength and durability. It has ductile behavior under tensile stress due to the presence of fibers, in which it is possible to find deformation hardening behavior in the stressstrain curve. The constitutive behavior of UHPFRC in compression and uniaxial traction was defined directly considering the experimental data. Values greater than 150 MPa and 48 GPa were obtained for compressive strength and elastic modulus respectively. In uniaxial traction, the average resistance values were in the range of (8-9) MPa and the modulus of elasticity in the range of (36 to 48) GPa. Stress vs notch width curves were defined using inverse analysis, notch width values were transformed into strain using relationships based on characteristic length. The stress vs. notch width curves were validated using fracture energy and the behavioral curves were validated using the Finite Element Method. Models and experiments showed good agreement, using the ANSYS program. The SOLID65 element allowed simulating the fibers in distributed form within the concrete matrix. The SOLID185 element, together with the CAST material, allowed the simulation of the UHPFRC as a homogeneous material, including the constituent laws of the material in the INPUT. Finally, we can conclude that the UHPFRC developed in this research is differentiated from other products because it presents a simple manufacturing process, without using elaborate and delayed grinding processes for particle packaging. It also includes in its composition industrial waste, which classifies the material as a sustainable mixture. The mechanical properties of concrete with ultra-high performance are achieved with a mixture that is thixotropic, a feature that opens a range of application possibilities in extreme situations, where architectural flexibility, time and type of placement govern the feasibility of the work.