MODELAMIENTO TRIDIMENSIONAL DE MUROS DE HORMIGÓN ARMADO A TRAVÉS DE ELEMENTOS UNIAXIALES NO LINEALES

NORERO CASTRO, FELIPE (2018)

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Tesis Pregrado

El hormigón armado es uno de los materiales de construcción más utilizado y estudiado a nivel nacional y mundial. Su estudio ha permitido la comprensión, análisis y diseño de geometrías estructurales cada vez más complejas a fin de obtener un equilibrio óptimo entre seguridad estructural y costos de construcción, operación y mantenimiento. En este contexto, cada vez se requiere una comprensión más profunda de elementos estructurales de hormigón armado, especialmente en casos donde existe incursión en el rango no lineal de las relaciones esfuerzo-deformación.El estudio de muros de hormigón armado se ha centrado principalmente en el comportamiento de la dirección fuerte, donde el muro provee rigidez y soporte. Por otro lado, el comportamiento de la dirección débil se vuelve relevante para verificar ciertas simplificaciones en el análisis y para comprender una serie de fenómenos, como la inestabilidad local y global, la formación y propagación de grietas, entre otros. El estudio de la dirección débil de muros de hormigón armado requiere realizar un análisis tridimensional, lo cual no es común en la práctica de la ingeniería.En este trabajo, se han construido una serie de modelos basados en elementos no lineales uniaxiales dispuestos en un arreglo de tipo enrejado, para considerar tanto la no linealidad de los materiales como las tres dimensiones de los muros de hormigón armado. Se modelan dos muros, un muro delgado y un muro grueso, cuyos espesores son 14 [cm] y 28 [cm], respectivamente. Además, el efecto del confinamiento en el comportamiento de los muros se aborda mediante la incorporación de estribos de borde en los modelos estructurales. El estudio se lleva a cabo considerando un análisis bajo carga monotónica incremental.Los resultados muestran que, en comparación con los muros gruesos, se observa un comportamiento frágil en los muros delgados. De hecho, la formación de grietas en el área de compresión máxima ocurre antes en muros delgados, creando inestabilidad en esa zona y desarrollando un patrón de agrietamiento en forma de X. Este comportamiento también se puede ver en pruebas de compresión de cilindros de hormigón. Los resultados también verifican la no linealidad del perfil de deformaciones unitarias en áreas extremas del muro bajo cargas elevadas. Esto no es consistente con el supuesto de linealidad que generalmente se encuentra en la práctica de la ingeniería, incluso para el análisis del estado límite último. Además, el momento y la capacidad de curvatura se comparan con los obtenidos por medio de un análisis clásico no lineal. Finalmente, se analiza la curvatura en la altura del muro, obteniendo el comportamiento no lineal característico de este tipo de elemento estructural e identificando la zona donde se encuentran las grandes curvaturas.

One of the most important and studied construction materials, at both global and national scale, is reinforced concrete. The study of this has allowed the understanding, analysis and design of increasingly complex structural geometries, in order to obtain an optimum equilibrium between structural safety and costs of construction, operation and maintenance. In this context, there is an increasing need for achieving a deeper understanding of structural elements constructed with this material, especially in cases where non-linear incursions are developed.The study of reinforced concrete walls has been mainly focused on the behavior of the strong direction, where the wall contributes stiffness and support. On the other hand, the behavior of the weak direction becomes relevant to verify some analysis simplification and to understand a number of phenomena, such as local and global instabilities, appearance and propagation of cracks, among others. The study of the weak direction of reinforced concrete walls requires performing three-dimensional analysis, which is not common in engineering practice.In this work, a class of models based on uniaxial non-linear elements disposed in a truss-like arrangement has been constructed, in order to consider both the non-linearity of the materials and the three dimensions of reinforced concrete walls. Two walls have been studied, a thin wall and a thick wall, whose thicknesses are 14 [cm] and 28 [cm], respectively. Additionally, the effect of confinement on the walls behavior is addressed by incorporating edge stirrups into the structural models. The study is carried out considering an analysis under incremental monotonic loading.Results show a brittle behavior observed in the thin wall model compared with the behavior of the thick wall model. In fact, crack appearance in the area of maximum compression occurs earlier in thin walls, creating instability in that area and developing an X-shaped pattern crack. This behavior can also be observed in concrete cylinder compression tests. The results also verify the non-linearity of the strain profile in extreme areas of the wall under high loads. This is not consistent with the assumption of linearity usually found in engineering practice, even for ultimate limit state analysis. Besides, moment and curvature capacity are compared to the ones obtained by means of a classical nonlinear analysis. Finally, the curvature in the height of the wall is analyzed, obtaining the characteristic nonlinear behavior of this type of structural element and identifying the zone where large curvatures are located.