sábado, 10 de enero de 2009

Modelación numérica del ensayo pull- out para losas compuestas (losas mixtas)

Numerical modeling of pull out test
for composite slabs using steel deck

Ing. Melchor López Ávila
Universidad Central de Las Villas, UCLV, Cuba
melchor@uclv.edu.cu, melchor_bia@yahoo.com
(Revista Ingeniería Civil CEDEX [En edición])

Dr. Ing. Carlos A. Recarey Morfa
Dr. Ing. Rafael Larrúa Quevedo
Dr. Ing. Jorge D. Bonilla Rocha


RESUMEN
Se emplean de modo combinado la modelación numérica y los ensayos e instrumentación como patrones de calibración para reproducir el ensayo pull out que se ejecuta a losas compuestas con lámina metálica colaborante (losas mixtas) para determinar la fuerza de cizallamiento longitudinal que se genera en la superficie de contacto entre la lámina metálica y el bloque de hormigón. Se considera modelo elasto- plástico para el acero y modelo de daño plástico para el hormigón. Se hace uso del código comercial ABAQUS/Implicit 6.6 para realizar la simulación virtual de los ensayos pull out. Se define conceptualmente la concepción de la modelación y el proceso de calibración del modelo numérico tomando como base ensayos reales e instrumentación en tiempo real. Se sientan las bases para la realización de un estudio paramétrico del problema y el desarrollo de un método de estimación analítico del cizallamiento longitudinal.


ABSTRACT
Numerical modeling is used to reproduce pull out tests that are carry out at composite slabs in small scale to determine shear longitudinal forces between metallic sheet and concrete slab. Is been considered an elastic- plastic model for the steel and a plastic damage model for the concrete. Is used ABAQUS/Implicit 6.6 Commercial Code to simulate numerically using FEA the pull out test. Is conceptually defined the modeling and the numerical model calibration taking as basis experimental studies. Are established the parametric study basis and an analytic method to estimate longitudinal shear.


INTRODUCCION
Las losas compuestas (losas mixtas)son tipologías estructurales de extendido uso donde se combina el trabajo de una lámina metálica y el bloque de hormigón reforzado que esta soporta (López et al., 2007). Usualmente el fallo estructural está precedido por el deslizamiento del bloque de hormigón sobre la lámina metálica, venciendo la resistencia a cortante longitudinal entre ambos elementos y eliminándose así el trabajo conjunto entre ambos materiales. La adherencia química inicial, la fricción y la interacción mecánica son las componentes principales que conforman la resistencia al cortante longitudinal entre la lámina y el hormigón.

Para caracterizar las losas compuestas (losas mixtas) se efectúan estudios experimentales, cargando tramos simples de losas para cuantificar su fallo a la flexión (EN 1994-1-1, 2004, NRMC 082, 2004, ASTM E8-00b, 2001, CSSBI S3-2002, 2003), o aplicando tracción sobre probetas de un tramo de entrenervio de losa (Figura 1) para cuantificar la resistencia a cortante longitudinal entre el bloque de hormigón reforzado y su lámina portante. A este tipo de ensayo se le denomina “Pull out” (Daniels, 1988, Guex, 2002, Edder, 2003).

La modelación numérica de losas compuestas (losas mixtas) ha sido objeto de varias investigaciones (Widjaja, 1997, Veljkovic, 1998, Schuurman, 2000, Edder, 2003, Abdullah, 2004, Ferrer, 2006, Mistakidis, 2007). De una forma u otra todas intentan simular el efecto de cizallamiento longitudinal entre la superficie portante de la lámina metálica colaborante y el bloque de hormigón. Internacionalmente se han desarrollado varias investigaciones en la temática, entre ellas se destacan Abdullah y Ferrer. Mistakidis, a pesar de ser una de las investigaciones más actuales en la temática, se centra en el estudio de la flexión de los elementos compuestos o mixtos de acero- hormigón.

Abdullah emplea el código comercial ABAQUS/Explicit y una configuración carente de embuticiones. Modela un nervio de la losa en toda su longitud, con elementos finitos tipo placa para la lámina de acero y elementos sólidos 3D para el bloque de hormigón (Abdullah, 2004). La interacción entre las superficies y el aporte de las embuticiones lo simula empleando elementos conectores de rigidez no lineal y conectados nodo a nodo. Estas simplificaciones le impiden efectuar estudios del aporte real debido a la interacción mecánica por la geometría de las embuticiones, así como la distribución local de tensiones en las paredes de las embuticiones y sus proximidades. Con esta forma de modelización del problema no se estudia con fiabilidad el fenómeno de la adherencia química inicial, la fricción y la interacción mecánica entre la lámina el hormigón.

Ferrer utiliza el código comercial ANSYS asumiendo un modelo de contacto de fricción rígida de Coulomb, sin adherencia inicial, sin efectos dinámicos y sin tensión tangencial máxima (Ferrer, 2006). Para el acero de la lámina metálica colaborante emplea un modelo multilineal elasto- plástico, y el bloque de hormigón lo simplifica considerándolo como una superficie infinitamente rígida, lo que implica no poder evaluar mecanismos de fallo en el hormigón, como el desgarramiento que se ha observado en estudios experimentales. Este autor aprovecha las simplificaciones que facilita la doble simetría geométrica y de cargas en la probeta del ensayo pull out, así como la simetría longitudinal regida por el patrón cíclico de embuticiones. Modela la lámina con elementos finitos tipo placa con integración reducida, asumiendo el comportamiento de la lámina modelada por su fibra media. La carga aplicada consiste en un desplazamiento longitudinal en la dirección del deslizamiento, impuesto a todos los nodos de cada uno de los bordes transversales de la lámina (Ferrer, 2006). Esta simplificación aparenta no permitir evaluar en toda su magnitud las flexiones que pueden producirse en los bordes de las láminas debido a la aplicación de las cargas con respecto al ensayo real.

En este trabajo se desarrolla un modelo numérico para el código comercial ABAQUS/Implicit que aprovecha las simetrías propuestas por Ferrer, pero presenta la novedad que modela el bloque de hormigón utilizando modelo de daño. En el proceso de modelación de las cargas hay que preproducir el efecto de la tracción y se debe simular el efecto del peso propio del hormigón debido a la posición en que se ejecuta el ensayo (Figura 1). La fuerza de tracción se modela a través de una carga uniformemente distribuida (en área) sobre la cara del bloque de hormigón transversal a la dirección del deslizamiento. La simulación de efecto del peso propio de la lámina y el hormigón se modela con cargas aplicadas lateralmente, las cuales son aplicadas sobre el bloque de hormigón (Figura 1). Tanto la lámina metálica como el bloque de hormigón se modelan geométricamente con elementos finitos sólidos en 3D.

1. INTRODUCCION 2
2. CONCEPTUALIZACIÓN DEL ENSAYO PULL OUT 3
3. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL ESTUDIO EXPERIMENTAL PULL OUT 4
4. MODELACION NUMERICA DEL ENSAYO PULL OUT 5
4.1 ESTUDIOS EXPERIMENTALES PREVIOS 6
4.2 MODELACIÓN GEOMÉTRICA 8
4.3 MODELACIÓN DE LAS CARGAS 10
4.4 MODELACIÓN DE LOS MATERIALES 10
4.5 MODELACIÓN DE LAS CONDICIONES DE CONTACTO 11
4.6 MODELACIÓN DE LAS CONDICIONES DE BORDE 11
5. ESTUDIO DE CALIBRACIÓN Y VALIDACIÓN DEL MODELO 12
5.1 ESTUDIO DE SELECCIÓN DEL TIPO DE ELEMENTO FINITO 12
5.2 ESTUDIO DE DENSIDAD DE MALLA 15
5.3 CALIBRACION DE LOS MODELOS CONSTITUTIVOS 16
6. APLICACIONES AL ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DEL ENSAYO PULL OUT. 18
6.1 INFLUENCIA ENTRE CORTANTE LONGITUDINAL Y LONGITUD DE LA PROBETA 18
6.2 MODELACIÓN DEFINITIVA DEL ENSAYO 19
7. CONCLUSIONES 22

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