Nonlinear static and dynamic model for the analysis of reinforced concrete frames under high shear forces

La respuesta de estructuras de hormigon armado bajo grandes tensiones tangenciales en combinacion con tensiones normales es especialmente importante en situaciones de carga extraordinaria como por ejemplo en el caso de un terremoto. El fenomeno del fallo por cortante en estructuras de hormigon bajo cargas sismicas es un problema bien conocido y observado. La modelizacion de la respuesta de estructuras de hormigon armado con una combinacion de fuerzas normales y tangenciales requiere la consideracion del comportamiento no-isotropo despues de la fisuracion y en el rango ultimo. Los modelos numericos, que utilizan elementos finitos solidos (3D) y planos (2D), pueden reproducir el efecto del cortante pero su coste computacional es tan elevado, especialmente en analisis no lineales, que no son apropiados para la ingenieria civil diaria. Una alternativa a los modelos solidos es utilizar modelos de barras (1D) que tienen incorporado un modelo seccional con fibras. A nivel seccional, las fibras tradicionales solo son capaces de reproducir los efectos de esfuerzos normales (axil y flexion). La presencia de grandes cortantes requiere una distribucion realista de las deformaciones tangenciales y verticales sobre el canto de la seccion. La definicion a priori de patrones fijos para la deformacion o tension de cortante no refleja la respuesta real en muchos casos debido a la cinematica simplificada de la seccion. En esta tesis se ha desarrollado una teoria de vigas (2D) generalizada. El modelo numerico obtenido combina una formulacion seccional capaz de reproducir la interaccion cortante flexion axil y elementos tipo barra que consideran el cortante. Este modelo se puede usar para analisis estructurales con cortantes grandes o pequenos. La clave para la teoria de vigas generalizada propuesta es un nuevo modelo seccional capaz de reproducir adecuadamente la interaccion cortante flexion axil. El modelo seccional asume que el campo de desplazamiento de cada fibra en la seccion se puede aproximar con la suma del desplazamiento de la seccion plana, parecido a la hipotesis de Navier Bernoulli, y un nuevo campo de desplazamientos que permite la distorsion y el alabeo de la seccion. Se supone que la distribucion de las deformaciones tangenciales y verticales, estimada con series de polinomios de orden creciente, se suma a las deformaciones de la seccion plana. Cada polinomio esta afectado por una constante, que se calcula con un equilibrio adicional en la seccion, asegurando el equilibrio de las tensiones entre las fibras y la compatibilidad considerando el estado del material. La solucion se obtiene al nivel de la seccion sin grados de libertad adicionales al nivel elemento o estructura. El modelo seccional propuesto es versatil para obtener la respuesta no lineal acoplada de la seccion, cuya geometria tiene que ser simetrica al eje vertical. La teoria de vigas (2D) generalizada y el modelo seccional propuesto se han verificado mediante varios estudios teoricos y experimentales. Se ha reproducido la respuesta no lineal acoplada de los tres esfuerzos, mostrando que el efecto del cortante esta captado adecuadamente con la formulacion propuesta. La capacidad del modelo de tener en cuenta el efecto de cortante es evidente reproduciendo desplazamientos, tensiones y deformaciones en el hormigon y la armadura, y diferentes modos de rotura con mas precision que modelos anteriores. El uso de distribuciones adecuadas para las deformaciones tangenciales y verticales junto con modelos constitutivos ciclicos permite la simulacion de ensayos con columnas bajo varios ciclos de carga y tener en cuenta la redistribucion de esfuerzos debido a grandes deformaciones por cortante en estructuras hiperestaticas. El modelo validado se ha usado en analisis estaticos (push-over) y dinamicos para una portico de dos plantas. Los resultados muestran la influencia de la distribucion de deformaciones tangenciales y verticales, y la separacion de los cercos.