Comportamiento mecánico del hormigón

Dado que el hormigón armado es un material compuesto, tiene propiedades físicas que difieren de las de los materiales que lo componen por sí solos.

Los refuerzos de acero de una sola pieza son los responsables de dotar a las piezas de ductilidad, con una elevada resistencia a la tracción, mientras que el hormigón aporta la resistencia a la compresión. Cuando se aplican cargas a una pieza de hormigón, es habitual que aparezcan grietas en la zona de tracción.

El hormigón tiene un comportamiento denominado parcialmente frágil, que se caracteriza por una pequeña región de linealidad, seguida de un reblandecimiento, que es un comportamiento no lineal. La interacción de defectos inherentes al hormigón, como huecos y microfisuras, da lugar a una respuesta típica a la tracción. El comportamiento del hormigón se caracteriza por una región elástica lineal seguida de una región de reblandecimiento antes de la tensión máxima. Tras desarrollar la tensión máxima, el hormigón muestra un aumento de la deformación con una reducción de la tensión, lo que caracteriza la región dereblandecimiento. Los materiales con este comportamiento se clasifican como parcialmentefrágiles (cuasi frágiles).

Figura 1 - Curva típica de tensión-deformación del hormigón,^módulo secante^Eis y^módulo tangente _Eit.

Algunas manifestaciones de grietas en las piezas

Las grietas pueden originarse durante la construcción de la propia pieza, como resultado de tensiones autógenas debidas al proceso de solidificación del hormigón. Si no se controla el proceso de solidificación, pueden producirse grietas. La cantidad de agua que necesita el hormigón durante el proceso de solidificación es esencial para evitar un endurecimiento rápido, que da lugar a un agrietamiento excesivo.

Figura 2 - Ejemplo de grieta desarrollada debido a la retracción en el proceso de endurecimiento del hormigón - Fuente: PCA - Portland Cement Association.

Una fisuración excesiva expone la armadura a la humedad y puede provocar diversas manifestaciones patológicas en el hormigón armado. La más común es la corrosión de la armadura, cuyas reacciones expansivas provocan el desprendimiento del hormigón.

Otra manifestación es la reacción álcali-agregado, que se ve potenciada o incluso desencadenada por la presencia de humedad excesiva en el interior del hormigón.

Figura 3 - Ejemplo de manifestación patológica - reacción álcali-agregado - Fuente: PCA - Portland Cement Association.

Mecánica de fractura del hormigón

El estudio de la propagación de grietas en piezas de hormigón armado puede realizarse utilizando la mecánica de fractura, pero con algunas peculiaridades. El uso de modelos lineales (MFEL - mecánica de fractura elástica lineal) no es muy adecuado para piezas de hormigón armado debido al comportamiento del material.

Los mecanismos de propagación de grietas en piezas de hormigón armado son no lineales, debido principalmente a la existencia de una matriz cementosa, árido fino y árido grueso, donde cada una de estas fases tiene diferentes propiedades de tenacidad a la fractura.

Figura 4 - Ejemplo de propagación de grietas en hormigón, (a) alta tenacidad del árido en relación con la matriz cementosa, (b) árido con tenacidad ligeramente superior a la matriz, Chen, Y. P., 2006.

Para los análisis numéricos, deben aplicarse modelos de propagación adecuados a fin de reproducir el comportamiento elastoplástico de la zona de proceso de fractura (FPZ), que se forma en las proximidades de la grieta. Otro aspecto que añade no linealidad al comportamiento de propagación de la grieta son los mecanismos de tenacidad que se forman durante el proceso de propagación, conocidos como mecanismos de detención de la grieta.

Figura 5 - Regiones desarrolladas cerca de una grieta, (L) región lineal, (F) en proceso de fractura, (N) no lineal, Bazant y Oh (1983).

Modelo de estudio

En un modelo típico de análisis de mecánica de la fractura, se añade inicialmente una grieta que se propaga en cada paso del análisis. En este procedimiento de cálculo, las tensiones en la pieza se modifican debido a la presencia de la grieta, lo que cambia la dirección de propagación de la grieta en cada paso del análisis.

Figura 6 - Simulación de la propagación de una fisura (fisura empotrada) en una pieza de hormigón: a partir de una fisura inicial, el modelo reproduce la trayectoria de propagación en función del campo de tensiones.

Durante una simulación de propagación, es posible que la grieta se estabilice, dando lugar a una grieta que se propaga y permanece estable después de una cierta longitud.

Uno de los modelos más utilizados para representar la no linealidad en la punta de la grieta es el modelo de grieta cohesiva. Este modelo consiste en añadir tensiones en la punta de la grieta para representar la región del proceso de fractura (ZPF - zona de processo de fractura). Esta región se caracteriza por la acumulación de microfisuras y el entrelazamiento del agregado, y es considerablemente mayor en comparación con la zona plástica de un material dúctil como el acero. Esta condición hace imposible utilizar la mecánica de fractura elástica lineal (LELM) en elementos de hormigón.

La zona cohesiva corresponde entonces a una región microfracturada en la que existen ligamentos encargados de transferir la tensión, mientras que el material situado fuera de la región fracturada mantiene inalterada su resistencia.

Figura 7 - Modelo de grieta cohesiva propuesto por Hillerborg.

La técnica de la mecánica de fractura del hormigón puede aplicarse para estudiar el patrón de propagación de grietas en piezas de hormigón armado. Este enfoque mediante la modelización numerical analysis es especialmente importante para determinar el patrón de grietas y sus causas, lo que permite reproducir el mismo patrón de grietas observado sobre el terreno.

Esta técnica también puede aplicarse en casos en los que se desea determinar la vida útil restante de piezas de hormigón armado con grietas importantes. El ejemplo siguiente muestra una viga transversal de un viaducto con grietas, en la que la mecánica de la fractura es una herramienta para determinar la gravedad de la grieta, la reducción de la resistencia de la pieza y la causa del daño.

Figura 8 - Ejemplo de grieta importante en un travesaño de viaducto de carretera que puede investigarse mediante mecánica de fractura no lineal.

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