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Análisis de la deformación de rotura en el ensayo de tracción en probetas cilíndricas de acero perlítico
(2011-04) Suárez-Guerra, Fernando; Cendón, David Ángel; Atienza, José Miguel; Gálvez-Ruíz, Jaime Carlos; Elices, Manuel
El ensayo de tracción permite obtener la curva tensión-deformación hasta el instante de carga máxima, sin embargo, a partir de ese momento el análisis de las tensiones y de las deformaciones resulta complicado. Conocer el comportamiento del material a partir del instante de carga máxima resulta fundamental para diseñar estrategias que mejoren la seguridad estructural. Este trabajo presenta los resultados de una campaña experimental de ensayos de tracción sobre acero perlítico en la que se han estudiado sus deformaciones de rotura así como sus superficies de fractura, todo ello en probetas cilíndricas con diferentes diámetros. Esta campaña ha sido acompañada de simulaciones numéricas con el fin de analizar el comportamiento del material en el interior de la sección. Adicionalmente, se han analizado las superficies de fractura de las probetas y se ha observado una relación no proporcional entre el tamaño de las probetas y el tamaño de la zona interna atribuida al crecimiento de poros. Esta relación no proporcional sugiere que dicha zona actuaría como un concentrador de tensiones, de forma similar a una fisura, y estaría afectado por el efecto de la triaxialidad de las tensiones en la zona de rotura.
Influence of coiling in stress relaxation of prestressing steel wires
(2011-06) Elices, Manuel; Suárez-Guerra, Fernando; Gálvez-Ruíz, Jaime Carlos; Cendón, David Ángel; Atienza, José Miguel
The possible deleterious effects of coiling and long-time storage of coiled wires on the stress relaxation behaviour of prestressing steel wires has been checked by means of experimental work and a simple analytical model. The results show that if the requirements of Standards are fulfilled (minimum coiling diameters) these effects can be neglected. However, some other factors like previous residual stresses, long-time storage or storage at high temperatures, can trigger or emphasise this damage to the material. In the authors’ opinion it is recommendable to control the final curvature of the wires after uncoiling prior to prestressing, as required in some Standards.
Simulación del proceso de rotura por tracción de alambres de acero perlítico con un modelo de fisura cohesiva
(2012-04) Suárez-Guerra, Fernando; Cendón, David Ángel; Gálvez-Ruíz, Jaime Carlos; Atienza, José Miguel; Elices, Manuel
La fractura de metales dúctiles como el acero suele explicarse a partir de la hipótesis de nucleación, crecimiento y coalescencia de microhuecos. A partir de esta teoría, se han desarrollado diversos modelos numéricos, entre los que el modelo de Gurson y sus variantes son los más extendidos. Dichos modelos reproducen matemáticamente el fenómeno físico de crecimiento de huecos resultando en un desarrollo progresivo del daño en el interior del material durante un ensayo de tracción. En estos modelos, el daño comienza a desarrollarse en fases muy tempranas del ensayo, incluso anteriores a la carga máxima. Ensayos realizados por los autores parecen indicar, sin embargo, que en el caso de barras de acero eutéctico empleado en la fabricación de alambres de pretensado, el daño originado en el interior del material como consecuencia del crecimiento de microhuecos sólo es apreciable en un estado muy avanzado del ensayo, momentos antes de producirse la rotura. Además, desde hace décadas se conoce que la triaxialidad de tensiones tiene una fuerte influencia sobre la rotura de los materiales. En este trabajo se presenta un modelo de rotura para elementos de acero sometidos a tracción, basado en un comportamiento cohesivo del material y que contempla el valor de la triaxialidad de tensiones, diferente en cada punto de la sección crítica de rotura.
A fracture model for pearlitic steel bars using a cohesive model
(2012-09) Suárez-Guerra, Fernando; Gálvez-Ruíz, Jaime Carlos; Cendón, David Ángel; Atienza, José Miguel; Elices, Manuel
The fracture of ductile materials, such as metals, is usually explained with the theory of nucleation, growth and coalescence of microvoids. Based on this theory, many numerical models have been developed, with a special mention to Gurson-type models. These models simulate mathematically the physical growth of microvoids, leading to a progressive development of the internal damage that takes place during a tensile test. In these models, the damage starts to develop in very early stages of the test.
Simulación de la rotura de barras de acero perlítico sometidas a tracción mediante un modelo de fisura cohesiva. Validación experimental
(2013-04) Suárez-Guerra, Fernando; Gálvez-Ruíz, Jaime Carlos; Atienza, José Miguel; Cendón, David Ángel; Elices, Manuel
Las probetas cilíndricas fabricadas con materiales metálicos de elevada ductilidad, como el aluminio o el cobre, sometidas a tracción suelen presentar una rotura comúnmente denominada rotura en copa y cono, debido a su geometría. Este tipo de rotura se reproduce numéricamente con éxito mediante el modelo de Gurson-Tvergaard-Needleman, cuya formulación matemática se basa en el fenómeno físico de nucleación, crecimiento y coalescencia de microhuecos. A diferencia de dichos materiales, las barras de acero perlítico, material con una ductilidad apreciable, presentan un frente de rotura plano que no puede simularse correctamente con los modelos antes mencionados, apareciendo una región interior de daño que, en principio, también puede atribuirse a un fenómeno de nucleación y crecimiento de microhuecos, mientras que en el exterior aparece una zona cuya micrografía permite asociar su rotura a un mecanismo de clivaje. En trabajos anteriores los autores han presentado un elemento de intercara cohesivo dependiente de la triaxialidad de tensiones que, incorporado a un código de elementos finitos, permite reproducir de forma razonable el daño que se desarrolla en la región interior mencionada. En este trabajo se presentan los resultados de una campaña experimental que permite validar el modelo desarrollado. Para ello, se ensayan probetas de diferentes diámetros y se comparan los resultados con los obtenidos numéricamente, empleando tres bases extensométricas diferentes en cada uno de los diámetros. Los resultados numéricos se ajustan razonablemente bien a los obtenidos experimentalmente.
Experimental validation of a fracture model for pearlitic steel bars based on the cohesive zone model
(2013-06) Suárez-Guerra, Fernando; Gálvez-Ruíz, Jaime Carlos; Atienza, José Miguel; Cendón, David Ángel; Elices, Manuel
This work presents the experimental validation of a fracture model for steel specimens in a tensile test, based on a cohesive behaviour and taking into account the effect of stress triaxiality. Experimental tests have been carried out on cylindrical specimens of three different diameters: 3, 6 and 9mm. These tests have been reproduced numerically using the aforementioned cohesive element. Results from the numerical simulations have been compared with the experimental results, showing good agreement with them.
On strain localization under bending
(2014-07) Jirásek, Milan; Suárez Guerra, Fernando
The aim of the present contribution is to assess the localization properties of nonlocal damage models under bending. To permit a partially analytical treatment and to display the fundamental properties of various formulations, the idealized case of uniform bending is considered. This means that the beam has a constant cross section and is subjected to a uniformly distributed bending moment and zero normal force. The beam is assumed to be very long, and boundary effects that might be introduced by the supports at the end sections are eliminated by imposing periodic boundary conditions on the fluctuating part of the response, which is superimposed on the solution that corresponds to uniform curvature. The average curvature serves as a loading parameter that is monotonically increased.
Damage evolution in pearlitic steel specimens under tension by means of X-ray computed tomography
(2015-06) Suárez-Guerra, Fernando; Gálvez-Ruíz, Jaime Carlos; Atienza, José Miguel; Cendón, David Ángel; Elices, Manuel; Sket, Federico; Molina-Aldareguia, Jon
In this contribution, the authors analyse the evolution of the internal damage by using X-ray computed tomography on a 3mm-diametre specimen. The specimen is tested in consecutive loading steps, after each of which it is unloaded and analysed with a X-ray tomograph. This procedure helps to identify the evolution of damage developed inside the specimen at predefined strain levels. Finally, these results are compared with the numerical results provided by the GTN model.
Study on Nonlocal Damage Localisation Under Pure Bending
(2015-07) Suárez Guerra, Fernando; Jirásek, Milan
This contribution is focused on studying the localisation properties of nonlocal damage models under bending. In order to allow an easy interpretation of the results, the uniform bending case is studied. Therefore, a beam with a constant cross section subjected to pure bending is analysed.
Análisis del método de Borino para formulaciones no locales en modelos de elementos finitos
(2016-04) Suárez Guerra, Fernando
A diferencia de lo que ocurre con los modelos usuales de elementos finitos, en los modelos no locales el comportamiento del material en un punto de integración no depende únicamente del estado del material en ese punto sino de un valor promediado utilizando otros puntos de integración que lo rodean. Esto disminuye notablemente la dependencia del tamaño de malla de los modelos. Cuando el punto de integración en cuestión se encuentra cerca de un borde del cuerpo han de adoptarse estrategias que permitan corregir el valor no local obtenido por la fórmula estándar. Además de algunas que dependen de la cercanía al borde y otras que lo hacen del estado de tensiones de dicho punto, existe un método propuesto por Borino que añade al valor obtenido por la fórmula estándar un cierto valor que depende del local. En algunos estudios realizados con modelos no locales se han observado resultados que presentan ciertas irregularidades cuando se emplea el método propuesto por Borino. En esta contribución se estudian los motivos que provocan estas irregularidades y por qué otras formulaciones proporcionan modelos más estables sin irregularidades en los resultados.
Analysis of the damage evolution in steel specimens under tension by means of XRTC
(2017-03) Suárez-Guerra, Fernando; Gálvez-Ruíz, Jaime Carlos; Cendón, David Ángel; Atienza, José Miguel; Sket, Federico; Molina-Aldareguia, Jon
When a steel specimen is tested under tension, damage usually develops evenly all along the specimen, finally necking and leading to the typical cup-cone fracture surface. Nevertheless, some steels present an unusual fracture pattern consisting on a plane fracture surface with a dark region in the centre of the fracture zone. In this contribution, the authors analyse the evolution of the internal damage by using X-ray computed tomography (XRCT) on 3mm-diametre specimens of two steels. The specimens are tested in subsequent loading steps, after each of which it is unloaded and analysed with XRCT. This procedure helps to identify the evolution of damage developed inside each specimen at predefined strain levels. XRCT reveals a very high initial porosity in the material with the cup-cone fracture pattern and a very low initial porosity in the other. In the latter, fracture is triggered by a concentrated internal damage that can be seen as an internal notch which produces a stress concentration that leads to the eventual failure.
Modelo de fractura en modo mixto (I y II) para materiales cementicios
(2018-03) Suárez Guerra, Fernando; Cendón, David A.; Gálvez, Jaime C.
Durante las pasadas décadas se ha dedicado un gran esfuerzo a la simulación de la fractura de materiales cuasifrágiles, como el hormigón. Muchos de los modelos propuestos se basan en el concepto de fisura cohesiva, habitualmente formulados en base a un comportamiento de rotura en modo predominantemente I, con un papel muy débil de las tensiones de cortante (modos II y III). En esta contribución se propone un modelo de material para simular la rotura en materiales de base cemento sometidos a estados de carga mixtos que combinan los modos de rotura I y II. La formulación propuesta se basa en el modelo de fisura cohesiva, extendida al caso de rotura en modo mixto, con un modo II significativo. El modelo se inspira en trabajos anteriores de Gálvez et al., pero, frente a ellos, aquí la rotura se formula a nivel de material, es decir, a nivel de los puntos de integración en un análisis con elementos finitos. A diferencia de trabajos anteriores, en los que la rotura se modelizaba mediante elementos intercara, el modelo propuesto es capaz de reproducir el camino de rotura sin información previa sobre el mismo.
Parametrización mecánica de materiales para impresión 3D
(2018-09) Felipe Sesé, Luis; Suárez Guerra, Fernando; López-Alba, Elías; Díaz, Francisco A.
La impresión en 3D es en la actualidad una técnica de fabricación de piezas cada vez más popular y cuyo uso se está extendiendo progresivamente a un mayor número de campos de aplicación. Una de las tecnologías de impresión en 3D más popular es la Fabricación por Fusión de Filamento (FFF) , que es la que se emplea en el presente estudio. Cuando se precisa que las piezas fabricadas posean unas ciertas capacidades resistentes, resulta fundamental conocer sus características mecánicas y, por el propio método de fabricación, las probetas producidas mediante FFF presentan direcciones con propiedades mecánicas claramente diferenciadas. En este estudio se realiza una caracterización mecánica sobre probetas fabricadas con dos de los materiales más habituales cuando se emplea esta tecnología, PLA y ABS. Se estudian sus propiedades mecánicas mediante el ensayo de tracción para dos direcciones de impresión diferentes (paralela y perpendicular a la dirección de la carga) y se comparan los resultados con simulaciones numéricas realizadas en ABAQUS empleando modelos de material habituales en el campo de los materiales compuestos. Se observa que la previsible anisotropía del material no resulta notable en régimen elástico, aunque el comportamiento en rotura sí muestra claras diferencias entre probetas con distinta orientación de impresión.
Comportamiento a fractura de yeso con adición de fibras poliméricas
(2019-04) Suárez-Guerra, Fernando; Felipe-Sesé, Luis; Díaz, Francisco A.; Gálvez-Ruíz, Jaime Carlos; García-Alberti, Marcos
El yeso es un material de construcción ampliamente utilizado como revestimiento interior en edificios por su bajo coste, manejabilidad y propiedades de habitabilidad (aislamiento acústico y térmico, aspecto estético, etc.). La industria del yeso ha ido buscando nuevos usos, fruto de lo cual, entre otros, han surgido los paneles sándwich de yeso laminado o las placas de yeso reforzado con fibras de celulosa, que mejoran considerablemente sus propiedades mecánicas. Por otro lado, el uso de fibras poliméricas ha dado recientemente interesantes resultados en hormigón, proporcionando buenas propiedades dúctiles a las mezclas y dotándolas de una importante capacidad resistente frente a esfuerzos de tracción. En el presente estudio se analiza el comportamiento a fractura de mezclas de yeso con adiciones de distintos tipos de fibras poliméricas, en particular microfibras de polipropileno y macrofibras de poliolefina. Para ello se realizaron ensayos de flexión en tres puntos con probetas prismáticas entalladas. Además, el uso de un sistema de correlación digital de imágenes (DIC) permite medir la evolución de la apertura de la fisura (CMOD) y, lo que es más innovador e importante para evaluar su comportamiento, obtener mapas completos de deformaciones que ayuden a entender cómo contribuyen los distintos tipos de fibras a la disipación de energía durante la propagación del daño.
Comportamiento mecánico de traviesas de ferrocarril polivalentes de hormigón pretendsado durante su fabricación y puesta en obra
(2019-04) Montañés, Antonio; Donaire-Ávila, Jesús; Suárez Guerra, Fernando
Las traviesas de hormigón pretensado utilizadas en la superestructura de vía para el transporte por ferrocarril se elaboran mediante procesos normalizados en fábricas de elementos prefabricados. Están compuestas fundamentalmente por hormigón, armadura activa para pretensado, armadura pasiva en zonas muy localizadas y vainas poliméricas que permiten alojar los tirafondos que forman parte del sistema de fijación de los carriles. Los agujeros de las vainas generan debilidades en los extremos de las traviesas debido a la alineación de huecos que presentan, duplicándose estos últimos en el caso de las traviesas polivalentes (permiten la colocación de carriles en ancho ibérico o internacional). Dado que el hormigón entre vainas suele carecer de armadura pasiva transversal, esta zona es susceptible de presentar fisuras longitudinales a lo largo de su vida útil, debido a las solicitaciones que producen los diferentes tipos de acciones que actúan sobre la traviesa: par de apriete de los tirafondos, gravitatorias, pretensado, térmicas y dinámicas. En el presente estudio se analiza la influencia en la aparición de fisuras y su propagación en traviesas polivalentes ante el empleo de diferentes materiales que componen las vainas. En concreto, se analiza el período comprendido entre la fabricación y su puesta en obra, durante el que las principales solicitaciones son debidas al pretensado y a variaciones térmicas que puedan darse en este periodo.
Numerical modelling of fracture in polyolefin fibre reinforced concrete specimens under mixed-model loading (I+II)
(2019-06) Suárez-Guerra, Fernando; Gálvez-Ruíz, Jaime Carlos; Enfedaque, Alejandro; García-Alberti, Marcos
In the last decades, many researchers have focused their work on studying the behaviour of fibre-reinforced concrete (FRC). The appearance of specific recommendations in several Standards has boosted their usage and the interest in this technology. Apart from the traditional steel fibres, new materials are now studied as fibre-type reinforcement in structural concrete. This is the case of polyolefin, a polymer that has proved to be a suitable alternative that overcomes some of the drawbacks of steel, namely those related to corrosion processes, and keeps a good ductile behaviour providing structural strength to concrete against tensile stresses. Modelling fracture of FRC elements has also proved to be successful using trilinear softening functions, not only with polyolefin fibres, but also with steel and glass fibres. Nevertheless, these numerical models have been used to contrast only notched specimens under three-point bending symmetric loading. In this contribution, trilinear softening functions are used to model fracture in specimens in which crack initiates under a combination of modes I and II. Fracture is modelled by means of an embedded crack formulation based on the strong discontinuity approach. Two sets of experimental data are compared, one with specimens of the same size with different proportions of fibres and another one where, keeping the fibre proportion constant, the specimens are scaled up in order to analyse the size effect. In both sets of experimental results, the Load-CMOD diagrams fit reasonably well using trilinear softening functions, predicting with correction the maximum load and the shape of the diagram due to the influence of the fibres.
Simulation of mixed-mode fracture (I-II) on PFRC specimens with various fibre proportions using an embedded cohesive crack model
(IOP Science, 2019-09) Suárez-Guerra, Fernando; Gálvez-Ruíz, Jaime Carlos; Enfedaque , Alejandro; García-Alberti, Marcos
The study of fibre-reinforced concrete (FRC) has become of increasing interest in the last decades. Although it is not a new technology, it has experienced a remarkable progress with the appearance of some recommendations in the standards. More specifically, the use of polyolefin fibres has proved to increase the tensile strength of concrete without the problems usually found with steel fibres, especially those related to corrosion. This type of fibres have been studied in depth and its fracture behaviour has been successfully simulated in the past by means of an embedded crack model using a trilinear softening function. Nevertheless, these simulations have been always focused on cases where fracture took place under pure mode I conditions, namely using the classical three-point bending test on notched specimens. In this study, such embedded crack model is used to reproduce the fracture behaviour on notched specimens subjected to a modified three-point bending test that induces fracture under a combination of modes I and II. Three PFRC mixes are analysed, all of them with the same proportions of concrete components but different proportions of polyolefin fibres. The experimental and numerical diagrams properly agree and allow identifying how the increasing proportion of fibres can be reflected in the trilinear softening function that numerically drives the damage evolution.
Analysis of mode II fracture of fibre-reinforced gypsum specimens using an anchor bolt test
(2020-09) Suárez-Guerra, Fernando; Fernández-Aceituno, Javier
Fibre reinforcement is not a new idea, but it has experienced a very important development in the last years. Many recent studies have analysed the effect of fibre reinforcement on fracture [1], which is of special interest in the case of concrete, given the high production of this material and its impact on the global economy and the world environment, due to the carbon footprint its production generates. Nevertheless, the use of gypsum is also widespread in the construction field and is the most used material for interior lining. Although this is not a structural material, the use of fibre reinforcement may be of interest in some cases, increasing the fracture energy of the elements and reducing tearing [2]. In the analysis of fracture of quasi-brittle materials, studies have traditionally focused on mode I. Mode I is indeed the most usual fracture mode, but in some cases Mode II has a strong influence at the onset of fracture. There is not much information about Mode II fracture in the literature and almost none about fracture of fibre-reinforced quasi-brittle materials. In this contribution mode II fracture of fibre reinforced gypsum (FRG) is studied by means of anchor bolt tests. This test was analysed in depth by RILEM [3] and consists of pulling an embedded T-shaped steel element out of a block of concrete. In the case of this study, the test is used with fibre-reinforced gypsum specimens.
Study of mode II fracture on fibre-reinforced gypsum notched specimens
(2020-09) Suárez-Guerra, Fernando; Fernández-Aceituno, Javier; Donaire-Ávila, Jesús
Fracture on quasibrittle materials, such as concrete or gypsum, has been under study for decades. These studies have helped to understand what are the fracture mechanisms and the parameters that drive this phenomenon, giving rise to numerical models that can reproduce it using methods such as the finite element analysis. Nevertheless, mode I is clearly the best known fracture mode, since it has attracted much experimental work and has been used to define the formulation of some of the most successful numerical models. Nevertheless, in some occasions fracture results from a combination of modes I and II. In this regard, mode II fracture has been studied less often and not many examples can be found in the literature, partly because mode I fracture is more usual and partly because it is harder to experimentally induce fracture under mode II conditions. In this contribution, mode II fracture is studied on fibre-reinforced gypsum (FRG) specimens using two experimental setups; one defined by the Japanese standard JSCE-G 553-1999 [1] and another one corresponding to a push-off test, recently used with success for analysing shear fracture in fibre-reinforced-concrete [2].
Últimos avances en el estudio de la rotura del hormigón reforzado con fibras poliméricas
(2020-10) Suárez Guerra, Fernando
El hormigón es uno de los materiales más empleados en construcciones civiles, pues, combinado con el acero, proporciona unas capacidades resistentes elevadas a un bajo coste. En los últimos años ha crecido el interés por sustituir el refuerzo tradicional de barras de acero corrugado por fibras poliméricas uniformemente distribuidas en el material. Esto permite obtener un material isótropo que presenta beneficios en la puesta en obra y, con las fibras y proporciones adecuadas, posee capacidades resistentes similares a las del hormigón armado tradicional. El hormigón con fibras no es nuevo, y hasta hace unos años era empleado con adiciones de fibras metálicas en ciertos ámbitos, como es el refuerzo en túneles, pero no era contemplado en la normativa de forma específica. En algunas de las últimas normas de hormigón estructural, tanto nacionales [1] como internacionales [2], ya aparecen recomendaciones específicas que facilitan el uso de este material con fines estructurales. En este trabajo se presentan algunos resultados obtenidos recientemente en grupos de investigación de la Universidad Politécnica de Madrid [3] y de la Universidad de Jaén [4], que profundizan en el estudio de las características mecánicas del hormigón reforzado con fibras poliméricas. Se analizan las propiedades mecánicas de las mezclas endurecidas, especialmente en las relacionadas con la fractura del material, fenómeno que se reproduce numéricamente mediante modelos de rotura basados en la fisura cohesiva.

RUJA: Repositorio Institucional de Producción Científica

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