Competición a ciegas de simulaciones numéricas del fallo a cortante de vigas de hormigón reforzado com fibras

Abstract

La investigación experimental ha demostrado el extraordinario potencial de la adición de fibras cortas a los materiales cementiceos, ya que mejoran significativamente el comportamiento de estructuras de hormigón en los estados límite de servicio y último. Para la simulación del comportamiento no lineal del material en estructuras de hormigón reforzado con fibras se utilizan programas informáticos basados en el método de elementos finitos. Generalmente, las aproximaciones existentes se evalúan en simulaciones de ensayos experimentales de elementos estructurales a pequeña escala, donde los valores de los parámetros de las leyes constitutivas de los materiales se ajustan según el resultado deseado. La utilidad de esta técnica inversa para el diseño estructural es discutible. Precisamente, para evaluar el comportamiento predictivo de dicho enfoque, se organizó una competición a ciegas de simulaciones numéricas. Para ello, se ensayaron hasta rotura, a flexión en tres puntos asimétrica, dos vigas gemelas de hormigón reforzado con fibras de acero de sección en T, reforzadas longitudinalmente con barras de acero y sin cercos en el vano de cortante crítico. A pesar de proporcionar los datos experimentales para la definición de los parámetros mecánicos más relevantes, las simulaciones numéricas dieron resultados dispares en la capacidad de carga, la flecha y la deformación en carga máxima, con variaciones de hasta un 40%, 113% y 600% respectivamente. Además, se obtuvieron modos de fallo y resultados muy diferentes con el mismo programa comercial pero distinto participante, lo que manifiesta la necesidad de un análisis más profundo y de una mejor comprensión de los modelos numéricos y de la influencia de sus parámetros en su capacidad predictiva.

Experimental research has shown the extraordinary potential of the addition of short fibers to cement-based materials by improving significantly the behavior of concrete structures for serviceability and ultimate limit states. Software based on the finite element method has been used for the simulation of the material nonlinear behavior of fiber-reinforced concrete (FRC) structures. The applicability of the existing approaches has often been assessed by simulating experimental tests with structural elements, in general of a small scale, where the parameter values of the material constitutive laws are adjusted for the aimed predicting level, which constitutes an inverse technique of arguable utility for structural design practice. For assessing the predictive performance of these approaches, a blind simulation competition was organized. Two twin T-cross section steel FRC beams, flexurally reinforced with steel bars and without conventional shear reinforcement in the critical shear span, were experimentally tested up to failure. Despite the experimental data provided for the definition of the relevant model parameters, inaccuracies on the load capacity, deflection, and strain at peak load attained 40, 113, and 600%, respectively. Inadequate failure modes and highly different results were estimated with the same commercial software, indicating the need for deeper analysis and understanding of the models and influence of their parameters on their predictive performance.