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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.
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.
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.
Parameter calibration of a fibre-reinforced concrete fracture model by means of co-simulation between OOFEM and Scipy
(2023-06) Suárez Guerra, Fernando
In this study, the trilinear softening diagram is adapted and implemented in a smeared crack model of the free finite element code OOFEM and the calibration process of the parameters that define the trilinear softening diagram is carried out by means of an algorithm that makes use of an optimization package of Scipy. To illustrate the performance of this algorithm, an experimental reference of a three-point bending test is used and, by providing the experimental load-displacement diagram and an initial set of parameter values, the algorithm is able to provide a set that minimizes the deviation of the numerical model with respect to the experimental curve. Error is computed as the difference between the experimental and the numerical results at selected points of the load-displacement diagram.
Predictive approach of the size effect of PFRC simulated by using a softening function
(2022-05) Gálvez-Ruíz, Jaime Carlos; Suárez-Guerra, Fernando; Enfedaque, Alejandro; García-Alberti, Marcos
The size effect on plain concrete specimens is well known and can be correctly captured when performing numerical simulations by using a well characterised softening function. Nevertheless, in the case of polyolefin-fibre-reinforced concrete (PFRC), this is not directly applicable, since using only diagram cannot capture the material behaviour on elements with different sizes due to dependence of the orientation factor of the fibres with the size of the specimen. In previous works, the use of a trilinear softening diagram proved to be very convenient for reproducing fracture of polyolefin-fibre-reinforced concrete elements, but only if it is previously adapted for each specimen size. In this work, a predictive methodology is used to reproduce fracture of polyolefin-fibre-reinforced concrete specimens of different sizes under three-point bending. Fracture is reproduced by means of a well-known embedded cohesive model, with a trilinear softening function that is defined specifically for each specimen size. The fundamental points of these softening functions are defined a priori by using empirical expressions proposed in past works, based on an extensive experimental background. Therefore, the numerical results are obtained in a predictive manner and then compared with a previous experimental campaign in which PFRC notched specimens of different sizes were tested with a three-point bending test setup, showing that this approach properly captures the size effect, although some values of the fundamental points in the trilinear diagram could be defined more accurately.
Procedimiento para la calibración automática de los parámetros de fractura de un hormigón reforzado con fibras
(2025-03) Suárez-Guerra, Fernando; Fernández-Aceituno, Javier; Donaire-Ávila, Jesús
En los últimos años se han propuesto modelos numéricos para reproducir el comportamiento mecánico del hormigón con fibras empleando un diagrama de ablandamiento trilineal, definido por seis parámetros incluyendo valores de tensiones (f_t, f_k, f_r) y de apertura de fisura (w_k, w_r, w_f). La calibración de estos parámetros generalmente resulta en un proceso de prueba y error que implica un número elevado de simulaciones hasta identificar los valores que se ajustan al comportamiento observado experimentalmente. En este trabajo se presenta un procedimiento de calibración para estos parámetros empleando un modelo de fisura distribuida desarrollado en el software de elementos finitos OOFEM y el paquete de optimización de la librería SciPy de Python, ambos de acceso libre. Se emplea el algoritmo de Nelder-Mead para ajustar los resultados numéricos al diagrama experimental y analiza aspectos clave como el número de puntos de referencia utilizados en el proceso de calibración y los factores de ponderación aplicados a éstos. Para evaluar el ajuste numérico se define un factor de desviación que se reduce cuando el ajuste numérico se aproxima al diagrama experimental en los puntos de referencia definidos. Este procedimiento permite calibrar los seis parámetros de forma automática, reduciendo significativamente el tiempo de calibración y con una alta precisión.
Simulación de la rotura del hormigón reforzado con fibras en un código libre de elementos finitos (OOFEM)
(2023-03) Suárez Guerra, Fernando
El uso del hormigón reforzado con fibras (HRF) ha experimentado un gran desarrollo en los últimos años. Se ha realizado un notable número de investigaciones experimentales que permiten entender mejor cómo afectan los diferentes aspectos de su producción a sus propiedades, tanto en estado fresco como endurecido. Junto con estos trabajos experimentales, se han propuesto diferentes formas de reproducir numéricamente la rotura del HRF. De entre ellos, cabe destacar el uso de la fisura cohesiva mediante el uso de una función de ablandamiento trilineal, que ha demostrado ser efectivo y relativamente sencillo. En este trabajo se presenta un modelo de material que permite reproducir el comportamiento a rotura del HRF. A diferencia de modelos anteriores, desarrollados para el código comercial ABAQUS, el presente modelo está desarrollado en OOFEM, código libre de elementos finitos desarrollado en la Universidad Técnica Checa en Praga (República Checa) y la Universidad de Chalmers (Suecia), poniendo de esta manera a disposición del público general una herramienta que permite reproducir la rotura de elementos estructurales de hormigón reforzado con fibras. Desde el punto de vista matemático, el modelo reproduce el comportamiento mecánico del material mediante un parámetro de daño que varía de 0 a 1, proporcionando resultados muy similares a los obtenidos con el modelo de fisura embebida en el que se basa.
Simulation of fracture on PFRC specimens subjected to high temperature using a cohesive model
(2022-05) Suárez-Guerra, Fernando; Enfedaque, Alejandro; García-Alberti, Marcos; Gálvez-Ruíz, Jaime Carlos
Concrete has been traditionally reinforced with steel rebars that confer good tensile properties to this material. Nevertheless, concrete can also be reinforced with fibres, which have been traditionally made of steel, although in the last years new types of fibres have appeared, such as polypropylene fibres, glass fibres or polyolefin fibres. Their use widens the range of application of fibre-reinforced concrete (FRC) and has experienced an significant boost by national and international standards, which now include guidelines for their use in structures. More specifically, textured polyolefin macro-fibres have proved to provide very good tensile properties in concrete. The use of these fibres has significant advantages when compared with traditional steel fibres, since they reduce the tear and wear of devices involved in their production, avoid corrosion problems in concrete and have no influence on magnetic fields, which can be very important in some situations. Concrete properties, both in fresh and hardened states, have been extensively studied in the last years, proving to be a promising alternative to steel fibres. Fracture of FRC, and more specifically of PFRC, has been successfully reproduced using the finite element analysis by means of an embedded cohesive model with a trilinear softening function. On another note, concrete has a good behaviour when subjected to high temperatures and fire, especially when it is compared with other traditional construction materials, such as wood or steel. Nevertheless, concrete reinforcement is usually made of materials that are critically sensitive to these events and the behaviour of the composite material must be assessed to meet the requirements described in the structural standards. With regard to polyolefin-fibre reinforced concrete (PFRC), a recent study has analysed how the fracture properties of this material degrade when subjected to high-temperatures, ranging from 20oC to 200oC. As temperature increases, fibres modify their geometry and their mechanical properties, which leads to a reduction of their effectiveness. In this work, the fracture behaviour of PFRC specimens subjected to high temperatures is reproduced by using an embedded cohesive model that uses a trilinear softening function. The specific trilinear softening diagram that provides a good numerical simulation of fracture is obtained for each temperature increment. This helps to understand how the trilinear diagram must be adapted when PFRC is subjected to high temperatures and will allow the use of this model to a wider range of situations.
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.
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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