Hormigón reforzado con fibras de acero (SFRC) para revestimiento de túneles
El comportamiento de arrancamiento de la fibra se estudia experimentalmente, considerando factores como la forma, el tamaño y el ángulo de inclinación de la fibra. Además, las siguientes secciones presentan los experimentos y los modelos numéricos correspondientes establecidos para describir completamente el revestimiento de hormigón con fibras de acero.
2. Hormigón de fibra de acero bajo carga de área local.
Como se mencionó en la introducción, los segmentos de revestimiento están sujetos a cargas altamente concentradas (es decir, cargas de área local) durante la construcción y las etapas finales. Las tensiones de tracción resultantes son a menudo un factor decisivo en el diseño y deben resistirse mediante un refuerzo adecuado. El uso de hormigón armado con fibras de acero puede aumentar la capacidad de carga e influir positivamente en el comportamiento de fractura en situaciones de carga tan concentradas. Para lograr la aplicación óptima del hormigón con fibras de acero, especialmente en segmentos de revestimiento, se llevó a cabo un estudio experimental y numérico sistemático sobre el comportamiento de carga y fractura del hormigón con fibras de acero bajo cargas puntuales parciales.
(1) Investigación experimental sobre SFRC bajo carga de área local
Para caracterizar el comportamiento de carga y fractura del SFRC bajo carga regional localizada, se realizó un experimento a escala real que contiene parámetros variables no relacionados con la fibra y relacionados con la fibra. Las variables no relacionadas con la fibra incluyen la resistencia del concreto, el tamaño de la muestra, la relación de área y la excentricidad de la carga. Además, se consideran las cargas superficiales locales distribuidas espacialmente (es decir, cargas puntuales) y arealmente (es decir, cargas en tiras), teniendo en cuenta dos situaciones de carga concentrada relevantes que ocurren en uniones circunferenciales y longitudinales de segmentos de revestimiento. Los factores relacionados con las fibras incluyen propiedades de las fibras (por ejemplo, resistencia, tamaño, geometría y relación de aspecto), contenido y orientación de las fibras y combinaciones de diferentes tipos de fibras (es decir, mezclas de fibras).
El diseño de mezcla base de concreto estudiado es el mismo que comúnmente se utiliza en dovelas de revestimiento.
Tomando como ejemplo una muestra de 150 mm x 150 mm x 300 mm, se demuestra el dispositivo de prueba para carga de área local.
La influencia de varios parámetros en el comportamiento de carga y fractura se investigó analizando la tensión de compresión local final (es decir, la capacidad de carga última), la respuesta tensión-desplazamiento y las características de falla y agrietamiento. A continuación, se presentan algunos resultados principales y hallazgos clave.
(2) Relación de área y cantidad de fibra agregada
Bajo la acción de una carga de área local en un espacio concéntrico, la relación de área (= /=2.25, 4, 9 y 16) y la adición de fibra (60 kg/m3 de fibra de acero con extremo de gancho) tienen diferentes efectos sobre la tensión de compresión local y la relación longitudinal del hormigón de alta resistencia (=84.5 MPa). Efecto de la respuesta de desplazamiento. Tenga en cuenta que en los siguientes estudios, la tensión de compresión local se define como la carga aplicada dividida por el área cargada.
Se puede ver en la curva tensión-desplazamiento que la adición de fibras de acero puede aumentar significativamente la tensión de compresión local última del hormigón (hasta un 47%). En comparación con el hormigón ordinario, se puede observar que la influencia de las fibras de acero sobre la capacidad de carga es más significativa en proporciones de superficie más altas.
Como se esperaba, la tensión de compresión local última del hormigón simple y del hormigón con fibra de acero también aumenta significativamente al aumentar la relación de área, lo que se debe al efecto de confinamiento del hormigón circundante. En el caso de cargas de área local en el espacio, se puede determinar claramente la relación proporcional entre la tensión de compresión local última y la raíz cuadrada de la relación de área. Dado que el efecto de restricción es incompleto en el caso de cargas planas en áreas locales, el aumento en la tensión de compresión local última es relativamente bajo. En este caso, se encuentra que es proporcional a la raíz cúbica de la razón de área. Estas correlaciones proporcionan una base para calcular las tensiones locales que puede soportar el SFRC de alta resistencia.
Poco después de alcanzar la tensión máxima, la curva tensión-desplazamiento del PC mostró una fuerte disminución, lo que indica que la muestra se dañó repentinamente durante la prueba. Por el contrario, SFRC exhibe la característica de disminuir gradualmente la tensión a medida que aumenta el desplazamiento, lo que corresponde al comportamiento de falla dúctil. En el caso de una distribución plana de carga de área parcial, este efecto es menos obvio porque no está completamente restringido.
Modos de fractura típicos de muestras de PC y SFRC de alta resistencia, con las correspondientes curvas de tensión-desplazamiento coincidentes. En general, no se observaron grietas ni desprendimientos visibles para PC y SFRC hasta cerca de la carga máxima. Poco después, todas las probetas de PC fallaron en condiciones más o menos fragmentadas, especialmente en el caso del hormigón de alta resistencia, con una fuerte disminución en la curva carga-desplazamiento. Para relaciones de área grandes, se desarrolló una grieta de división importante a lo largo de la prueba y penetró la superficie lateral hasta el fondo, mientras que para relaciones de área pequeñas, la muestra de PC colapsó por completo. Por el contrario, todas las muestras de SFRC mantuvieron su integridad hasta el final de la prueba y exhibieron múltiples patrones de grietas. Bajo una relación de área grande, las grietas junto con una pequeña cantidad de desconchado de concreto ocurrieron principalmente en la parte superior de la muestra de SFRC. A medida que la relación de área disminuye, las grietas y el desconchado tienden a desarrollarse cada vez más también en la mitad inferior.
(3) Tipo de fibra y mezcla
Del estudio del comportamiento de extracción de las fibras de acero, se puede inferir que las propiedades de las fibras también tienen un impacto significativo en el comportamiento de carga y fractura del SFRC bajo cargas de área local. Se muestra la tensión de compresión local última de SFRC de alta resistencia preparado utilizando diferentes tipos de fibras de acero con un contenido de fibra de 60 kg/m3 (distribución de carga espacial, δ=9). En comparación con el PC, la tasa aumentada de tensión de compresión local última oscila entre el 28% y el 51%. Como se esperaba, las fibras de gran tamaño con extremos de gancho de alta resistencia (Lh60) parecieron ser más efectivas para aumentar la capacidad de carga final. Sin embargo, la prueba encontró que el SFRC preparado con fibras de gran tamaño de alta resistencia solo aumentó la capacidad de carga máxima en un 15% en comparación con el SFRC preparado con fibras de gran tamaño de resistencia normal (L60), aunque los resultados de la La prueba de extracción mostró que la capacidad de carga máxima de la fibra de alta resistencia. La carga de extracción es casi el doble que la de las fibras de resistencia normal.
For SFRC prepared using fiber blends, positive synergistic effects can be observed for certain combinations of fiber types. In high-strength concrete, however, this effect is only evident at relatively high fiber contents (>80-100kg/m3). Los estudios de diferentes mezclas de fibras mostraron que la combinación de microfibras con extremos de gancho y fibras rectas resultó ser la más ventajosa en tales condiciones de carga. Aunque la tensión de compresión local última de las dos mezclas de fibras comparadas es casi la misma, se puede observar que el SFRC con 50% de fibras de gran tamaño y 50% de microfibras (SFRC L60+S60) tiene un comportamiento más dúctil. en la etapa posterior al crack (en comparación con SFRC L40+M40+S40). Debido al efecto de refuerzo de la mezcla de fibras, su influencia positiva sobre el comportamiento de carga y de rotura se hace especialmente evidente en el caso de cargas excéntricas locales.
(4) Orientación de la fibra
Es bien sabido que las fibras alineadas a lo largo de la dirección de la tensión de tracción tienen la mejor capacidad para puentear grietas. En el caso de cargas de área local, la tensión de tracción de agrietamiento perpendicular a la dirección de la carga generalmente limita la tensión de compresión local tolerable y domina el modo de falla. Por lo tanto, se puede esperar que la orientación de las fibras tenga un impacto significativo en el comportamiento de carga y fractura del SFRC bajo cargas localizadas. Para estudiar este efecto, se controló la orientación de las fibras produciendo especímenes en encofrados verticales y horizontales, y se realizaron pruebas de carga de área local en SFRC.
El porcentaje de fibras de acero (60 kg/m3 de fibras de gran tamaño con extremo de gancho) en tres direcciones espaciales (x, y, z) en relación con la dirección de carga se midió mediante un equipo electromagnético, y las muestras de SFRC se prepararon mediante moldes verticales y horizontales. se compararon. (150 mm x 150 mm x 300 mm). En la muestra del molde horizontal, aproximadamente el 46% de las fibras estaban orientadas en la dirección de carga. Por lo tanto, en comparación con las muestras en pie, hay menos fibras orientadas a lo largo de dos direcciones perpendiculares a la dirección de carga, que corresponden a las principales direcciones de tensión de tracción de la distribución de carga del área local. Los resultados muestran que el valor último de la tensión de compresión local de la muestra preparada en el molde horizontal se reduce significativamente (hasta un 23%). Además, después de alcanzar la tensión de compresión local última, la curva tensión-desplazamiento se caracteriza por una fuerte caída de la tensión, exhibiendo un comportamiento de falla menos dúctil. Este efecto también se demostró en el caso experimental de proporciones de áreas independientes.
En el caso de cargas superficiales locales, la influencia sobre la orientación dominante de las fibras dependiendo de la dirección de vertido (encofrado vertical/horizontal) es más significativa, ya que en este caso las principales tensiones de tracción actúan principalmente en dirección transversal (perpendicular a la dirección de carga).
• Tamaño de fibra:
A nivel de fibra individual y matriz, el comportamiento de extracción de las fibras individuales está controlado por las condiciones de la interfaz, la forma de la fibra y el ángulo de inclinación de la fibra con respecto a la grieta. Se desarrolló un modelo semianalítico que predice la relación fuerza-desplazamiento de extracción de una sola fibra, que depende de la posición del centro de gravedad de la fibra y del ángulo de inclinación con respecto al plano de la grieta. El modelo es capaz de capturar los principales mecanismos activados durante el proceso de extracción de una única fibra de acero incrustada en una matriz de hormigón (enderezamiento del extremo del gancho, desconchado del hormigón y rotura de la fibra), teniendo en cuenta diferentes configuraciones de tipo y resistencia de la fibra. resistencia del hormigón, ángulo de inclinación de las fibras y longitud de empotramiento.
• Tamaño de grieta:
Al nivel de las grietas dentro del compuesto de hormigón reforzado con fibras, las fibras que pasan a través de las grietas se activan y proporcionan una resistencia residual post-fisura que depende del contenido y la orientación de las fibras. En el modelo SFRC multinivel, la respuesta post-fisura se aproxima mediante un método de separación por estiramiento que tiene en cuenta las direcciones de anisotropía de las fibras integrando las relaciones fuerza-desplazamiento de extracción de todas las fibras individuales que pasan a través de la fisura.
• Dimensiones estructurales:
A escala estructural, el comportamiento posterior a la ruptura se captura a través de un modelo de grieta discreta basado en elementos de interfaz condensados. Los elementos de interfaz se insertan entre elementos finitos regulares (elementos de volumen), lo que permite mapear las fracturas de manera discreta y proporciona directamente información sobre el ancho de las fisuras. El comportamiento de los elementos de la interfaz se rige por reglas de separación por estiramiento derivadas de modelos SFRC multinivel a escala de grieta. Para tener en cuenta la presencia de barras de acero, también se desarrolló una representación de barras de acero discretas basada en contactos independientes de la malla. Las barras de acero se modelan como elementos de armadura y se acoplan a la matriz de hormigón mediante restricciones ubicadas entre los puntos de control de los elementos de barras de acero y sus puntos de proyección en los elementos de volumen integrados. El mecanismo de unión-deslizamiento se proporciona en las restricciones, y se consideran la superficie elástica-plástica v.Mises y el endurecimiento lineal del acero.
