Estudio numérico de las rigideces efectivas en elementos estructurales de concreto reforzado

Abstract

En esta investigación se presentan los resultados de un estudio enfocado a evaluar las rigideces efectivas en vigas de concreto reforzado mediante simulaciones numéricas en el plano (2D) y tridimensionales (3D). En los modelos de viga se varía la rigidez axial, en cortante y giro; además de modificar la rigidez en cortante cambiando la carga axial del elemento. Las propiedades de estas vigas de concreto reforzado se tomaron de los diseños de marcos planos reportados por Godínez et al. (2019) y Villafuerte (2020), ubicados en la en la zona de transición de la Ciudad de México. Se realiza un estudio paramétrico, mediante modelos de elementos finitos, en el que se evalúa la influencia en las rigideces efectivas de las variables siguientes: confinamiento, nivel de carga axial, dimensiones de las secciones, relación de aspecto, propiedades mecánicas del concreto y el acero de refuerzo, en la determinación en los miembros estructurales. Los modelos numéricos se realizan con técnicas avanzadas y sofisticadas de elementos finitos empleando el programa midas FEA. Se utilizan elementos finitos sólidos de 4 nodos para discretizar el concreto y el acero de refuerzo con elementos unidimensionales de 2 nodos tipo barra (elementos truss, con comportamiento bilineal; mientras que, el endurecimiento por deformación del acero se idealiza con una superficie de Von Mises), cuyos extremos se ensamblan en los nodos de los elementos sólidos de concreto simulando una adherencia perfecta entre el concreto y el acero de refuerzo. Se emplea un modelo constitutivo con superficie de daño diferente en tensión y en compresión para simular el proceso de falla, el modelo considera la densidad de energía de fractura (Gf), la cual es posible asignarle el valor, siendo capaz de modelar la aparición de grietas en el elemento; además, una función de ablandamiento por deformación que puede presentarse en los miembros de concreto. La rigidez efectiva se evalúa a partir de las curvas de la carga contra el desplazamiento, las cuales decrecen al ocurrir el agrietamiento en el concreto o la plastificación en el acero. Es importante mencionar que el agrietamiento y la plastificación ocurren en las zonas más esforzadas, las cuales se localizan en los extremos y/o en el centro del claro, por lo que el diseñar con un momento de inercia efectivo, calculado usualmente como una fracción del momento de inercia grueso de la sección transversal, empleando un factor “promedio” en toda la longitud de la viga, no parece una estrategia razonable, pues se omiten muchas variables que intervienen en este complejo fenómeno, por ejemplo, la cuantía de refuerzo longitudinal y resistencia a compresión del concreto. Por último, se realizan recomendaciones para el uso de los factores empleados para determinar la rigidez efectiva de vigas de concreto reforzado para garantizar un mejor comportamiento estructural.