Modelado numérico del concreto reforzado en su evolución al colapso

En la actualidad, no se conocen realmente las propiedades físico–químicas del concreto reforzado, por lo que existe incertidumbre en la definición de su durabilidad. Otros problemas que se presentan son el uso indiscriminado de programas de cálculo sin verdadero conocimiento, de modelos de comportamiento elástico que consideran un pseudo-agrietamiento; métodos de análisis límite para el comportamiento inelástico con muy poco uso, y la adopción generalizada de reglamentos como guías de diseño tipo “formulario”.

Tomar el valor de la resistencia del concreto como parámetro central para evaluarlo y asumir nula resistencia a la tensión sin entender la fenomenología, así como la pobre evaluación de los módulos de elasticidad se consideran incertidumbres. El problema se incrementa con el empleo de procedimientos no unificados, desde la forma artesanal hasta lo estandarizado. El desconocimiento de hipótesis de diseño origina cambios indiscriminados mal justificados.

En México el estudio y enseñanza del concreto se ha enfocado a sus aplicaciones en edificación. Sin embargo, existe una gran cantidad de estructuras no convencionales en las que se requiere determinar el margen de seguridad con el que cuenta dicho sistema.

Muchos de los análisis de confiabilidad deben apoyarse en simulaciones deterministas diversas. Por ejemplo, se realizan simulaciones experimentales como puntos de referencia, modelos analíticos, simulaciones numéricas, procesos de validación, calibración y optimización.

Por lo anterior, es necesario el estudio del comportamiento y respuesta no lineal del concreto reforzado para una estimación más real en su diseño, auxiliándonos del análisis numérico por medio de programas de cómputo como el FEAP, ANSYS, CODE-ASTER, entre otros.

Este proceso exhorta definir los modelos no lineales a utilizar, por lo que también se requiere el conocimiento de tópicos especiales de estructuras, donde se estudien agrietamientos del concreto, plastificación, incompatibilidad de deformaciones en los materiales que conforman el concreto reforzado, por lo que surge la pregunta ¿Cómo se modela el concreto reforzado en su evolución al colapso, para estudiar su comportamiento y respuesta no lineal?

Una posible solución sería que el estudio del comportamiento y respuesta no lineal del concreto reforzado aporta una estimación más cercana a la realidad para su diseño, si se utiliza como auxiliar el análisis numérico por medio del Método del Elemento Finito en el programa de cómputo FEAP, bajo la siguiente metodología:

• Revisar diferentes tipos de modelos de concreto reforzado.

• Evaluar diferentes ejemplos del MEF.

• Describir la teoría de los modelos constitutivos del concreto reforzado, con apoyo del MEF.

• Utilizar el programa FEAP para elementos finitos, para el modelado del concreto reforzado propuesto.

• Evaluar diferentes tipos de modelado del concreto reforzado y analizar los resultados mediante gráficas comparativas.

Cabe mencionar que para simular el comportamiento no lineal de un material compuesto es necesario considerar características relevantes como la fuerte anisotropía, la existencia de distintas sustancias componentes con su propia ley constitutiva, deslizamiento fibra-matriz, pandeo local de las fibras, tendencia de las fibras al alineamiento en la dirección de la tensión máxima, grandes deformaciones, entre otras.

Muchos de los fenómenos mencionados producen pérdida de resistencia y rigidez, y son los principales responsables del comportamiento no lineal de los materiales compuestos. El modelo constitutivo a utilizar en el MEF debe tener en cuenta dichas características, así como también debe ser un marco adecuado para contemplar el deterioro de las propiedades con el tiempo debido a tensiones cíclicas.

El problema planteado es no lineal debido a la aparición de fenómenos como las grandes deformaciones, las deformaciones irrecuperables. La resolución de problemas no lineales con el MEF conduce a resolver un sistema de ecuaciones no lineales utilizando una estrategia incremental e iterativa (Bathe, 1982) (Crisfield, 1991) basado en la linealización del sistema no lineal, motivo por el cual se convierte en un tema de estudio para desarrollar.

Referencias bibliográficas

Domínguez, N. (2009). Aprendizaje y desarrollo de modelos numéricos del concreto en el posgrado. México: Simposio Nacional sobre la Enseñanza del Concreto, Centro BANAMEX.

Juárez, G. (2006). Modelado numérico de problemas de fractura en sólidos mediante discontinuidades interiores. México: Tesis de Doctorado, Universidad Nacional Autónoma de México.

Retama, J. & Ayala, G. (2010b). Modelado del daño en sólidos mediante formulaciones variacionales de discontinuidades interiores. Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería, Vol. 26, Núm. 3, pp. 171—177.

Retama, J. & Ayala, G. (2011). Simulación de la pérdida de rigidez en estructuras de concreto armado, mediante el modelo de discontinuidades interiores. Portugal: CMNE 2011, Congreso de Métodos Numéricos en Ingeniería, 14–17 de junio.