A non-linear coupled model for the analysis of reinforced concrete sections under bending, shear, torsion and axial forces

Abstract

La mayoría de las estructuras de hormigón armado se someten a solicitaciones combinadas de esfuerzos axiles, flexión, cortante y torsión. La fisuración del hormigón, plastificación de las armaduras y otros efectos no-lineales hacen que las secciones transversales de estos elementos presenten un comportamiento anisótropo que deriva en el acoplamiento de los esfuerzos normales y tangenciales. Es decir, esfuerzos normales o momentos flectores pueden producir deformaciones de corte y vice versa. Aunque en algunas ocaciones, esta interacción es considerada de forma simplificada en el dimensionamiento de estructuras, hasta el momento no se ha realizado un análisis profundo de los efectos acoplados en secciones de forma arbitraria bajo cargas 3D generales utilizando modelos de fibras.<br/>El objetivo principal de esta tesis es generalizar el análisis de secciones de hormigón armado mediante fibras, de forma que se pueda reproducir la res-puesta no-lineal acoplada frente a esfuerzos normales y tangenciales bajo solicitaciones tridimensionales generales. De igual forma, se pretende obtener, para los esfuerzos cortantes y torsión, la misma capacidad de representación de geometrías y combinación de materiales que ofrecen los modelos de fibras para esfuerzos de flexo-compresión.<br/>La primera problemática estriba en representar adecuadamente la cinemática de la sección transversal. Con la excepción de las deformaciones normales contenidas en el plano de la sección, no existe una teoría cinemática que a priori pueda dar la distribución del resto de deformaciones o tensiones en la sección, sin dejar de satisfacer las condiciones de equilibrio interno o continuidad entre las fibras que componen la misma.<br/>Por otra parte, para materiales anisótropos, como el hormigón fisurado, en general todos los esfuerzos internos pueden estar acoplados. Además, es preciso considerar la distorsión de la sección transversal para satisfacer el equilibrio entre fibras.<br/>El problema se aborda de forma general, considerando una sección de forma y materiales cualesquiera. Se parte del problema diferencial de equilibrio de un sólido con el que se ha podido deducir un sistema de equilibrio entre fibras (equilibrio a nivel sección). Se puede demostrar que éste es complementario al problema estándar de vigas. El sistema complementario permite recuperar información tridimensional que normalmente se pierde al resolver un problema de vigas.<br/>Posteriormente, se propone una solución interna del problema complementario, en la que el alabeo y la distorsión de la sección quedan expresados como una función de las deformaciones generalizadas de una viga: deformaciones axil y cortantes, curvaturas de flexión y torsión. No son necesarios grados de libertad adicionales a nivel estructura ni hipótesis a-priori sobre la forma de los campos de deformación o tensión interna.<br/>A partir de la formulación teórica, se desarrolla un modelo de elementos finitos plano de la sección transversal. El modelo está preparado para servir como respuesta constitutiva de cualquier tipo de elemento viga en sus puntos de integración. %Se evita así la necesidad de realizar un modelo de elementos sólidos de toda la barra para estudiar la respuesta frente a una combinación general de esfuerzos normales y tangenciales.<br/>Se implementan una serie de modelos constitutivos para distintos materiales. En particular, se implementa un modelo constitutivo triaxial para hormigón fisurado, considerando la anisotropía inducida por la fisuración e incluyendo la superficie de rotura según un criterio multiaxial.<br/>La formulación seccional es validada mediante varios casos de estudio teóricos y experimentales. La respuesta no-lineal acoplada bajo diversas combinaciones de esfuerzos normales y tangenciales es reproducida con precisión, lo cual queda patente tanto en las curvas esfuerzo-deformación obtenidas como en las matrices de rigidez seccionales.<br/>Finalmente, se recopilan las conclusiones derivadas de la presente investigación y se<br/>ofren recomendaciones para futuros trabajos.

Most RC structures are subjected to combined normal and tangential forces, such as bending, axial load, shear and torsion. Concrete cracking, steel yielding and other material nonlinearities produce an anisotropic sectional response that results in a coupling between the effects of normal and shear forces, i.e. normal force or bending moments may produce shear strains and vice versa. Although this interaction is sometimes taken into account, in a simplified manner, in the design of RC structures, a deep analysis of the coupling effects of RC sections using fiber models has not yet been made for arbitrary shape sections under general 3D loading.<br/>The main objective of this thesis is to generalize the fiber-like sectional analysis of reinforced concrete elements, to make it capable of considering the coupled non-linear response under tangential and normal internal forces, from a general 3D loading.<br/>Similarly, it is desired to obtain, for torque and shear forces, the same capacity and versatility in reproducing complex geometry and materials combination that fiber-like sectional representations offers for bending and stretching.<br/>The first problematic lies in finding a proper representation of the section's kinematics under such general loading. Except for in-plane normal strains, there is no single kinematical theory capable of a-priori representing the correct distribution of the others strains or stresses satisfying, at the same time, inter-fiber equilibrium and continuity. On the other hand, for rather anisotropic materials, such as cracked concrete, all internal forces are, in general, coupled. It is also required that distortion is allowed for the section's kinematics in order to guarantee satisfaction of internal equilibrium.<br/>The problem is dealt in a general form considering arbitrary shaped sections and any material behaviour. Starting from the differential equilibrium of a solid, an inter-fiber equilibrium system (equilibrium at the sectional level) was deduced. This system, which is complementary to the standard equilibrium problem of a beam-column, allows to recuperate information of the three-dimensional problem that is generally lost when solving a beam problem.<br/>Further, a solution of the equilibrium at the sectional level is proposed in which the section's warping and distortion are posed as a function of the generalized beam-column strains (axial and shear strains, bending and torsion curvatures). No additional degrees of freedom are required at the structural level nor a-priori hypotheses on the distribution of the internal strains or stresses.<br/>After the theoretical formulation, a planar finite element model for cross-sectional analysis is developed. The model can be used as a constitutive law for general beam column elements at their integration points.<br/>A series of constitutive models have been implemented for several materials. In particular, a triaxial constitutive model for cracked concrete is implemented considering crackinduced anisotropy and a multiaxial failure criterion.<br/>The sectional formulation is validated by means of various theoretical and experimental case studies. Non-linear coupled response under normal and tangential internal forces is reproduced with accuracy, as can be seen both in the predicted internal force-strain curves and in the sectional stiffness matrixes.<br/>Finally, the conclusions drawn from the current research are summarized and<br/>recomendations for future works are given.