Coupled analysis of degradation processes in concrete specimens at the meso-level

Abstract

En los últimos años, el análisis numérico de problemas acoplados, como los procesos de degradación de materiales y estructuras relacionados con los efectos medioambientales, ha cobrado especial importancia en la comunidad científica de la mecánica del hormigón. Problemas de este tipo son por ejemplo el ataque químico, el efecto de altas temperaturas o la retracción por secado.<br/><br/>Tradicionalmente, los análisis acoplados existentes en la literatura se han realizado a nivel macroscópico, considerando el material como un medio continuo y homogéneo. Sin embargo, es bien conocido que el origen de la degradación observada a nivel macroscópico, a menudo es debida a la interacción entre los áridos y el mortero, sobre todo cuando se dan cambios de volumen diferenciales entre los dos componentes. Esta es la razón por la que el análisis mesomecánico está emergiendo como una herramienta potente para estudios de materiales heterogéneos, aunque actualmente existen escasos modelos numéricos capaces de simular un problema acoplado a esta escala de observación.<br/><br/>En esta tesis, la aplicabilidad del modelo meso-mecánico de elementos finitos, desarrollado en el seno del grupo de investigación durante los últimos quince años, se extiende al análisis de problemas acoplados higro-mecánicos y químico-mecánicos, con el fin de estudiar la retracción por secado y el ataque sulfático externo en muestras de hormigón. La generación numérica de mesogeometrías y mallas de elementos finitos con los áridos de mayor tamaño rodeados de la fase mortero se consigue mediante la teoría de Voronoï/Delaunay Adicionalmente, con el fin de simular las principales trayectorias de fisuración, se insertan a priori elementos junta de espesor nulo, equipados con una ley constitutiva basada en la mecánica de fractura no lineal, a lo largo de todos los contactos entre árido y matriz, y también en algunas líneas matriz-matriz.<br/><br/>La aportación principal de esta tesis es, conjuntamente con la realización de análisis acoplados sobre una representación mesoestructural del material, la simulación no solo de la formación y propagación de fisuras, sino también la consideración explícita de la influencia de éstas en el proceso de difusión.<br/><br/>Los cálculos numéricos se realizan mediante el uso de los códigos de elementos finitos DRAC y DRACFLOW, previamente desarrollados en el seno del grupo de investigación, y acoplados mediante una estrategia staggered. Las simula-ciones realizadas abarcan, entre otros aspectos, la evaluación del compor-tamiento acoplado, el ajuste de parámetros del modelo con resultados experimentales disponibles en la bibliografía, diferentes estudios del efecto de los áridos en la microfisuración inducida por el secado y las expansiones debidas al ataque sulfático, así como el efecto simultáneo de los procesos gobernados por difusión y cargas de origen mecánico. Los resultados obtenidos concuerdan con observaciones experimentales de la fisuración, el fenómeno de spalling y la evolución de las deformaciones, y muestran la capacidad del modelo para ser utilizado en el estudio de problemas acoplados en los que la naturaleza heterogénea y cuasi-frágil del material tiene un papel predominante.