El hormigón es uno de los materiales de construcción más empleados en la actualidaduddebido a sus buenas prestaciones mecánicas, moldeabilidad y economía de obtención,udentre otras ventajas. Es bien sabido que tiene una buena resistencia a compresión yuduna baja resistencia a tracción, por lo que se arma con barras de acero para formar eludhormigón armado, material que se ha convertido por méritos propios en la soluciónudconstructiva más importante de nuestra época.udA pesar de ser un material profusamente utilizado, hay aspectos del comportamientouddel hormigón que todavía no son completamente conocidos, como es el caso de suudrespuesta ante los efectos de una explosión. Este es un campo de especial relevancia,uddebido a que los eventos, tanto intencionados como accidentales, en los que unaudestructura se ve sometida a una explosión son, por desgracia, relativamente frecuentes.udLa solicitación de una estructura ante una explosión se produce por el impacto sobre laudmisma de la onda de presión generada en la detonación. La aplicación de esta cargaudsobre la estructura es muy rápida y de muy corta duración. Este tipo de acciones seuddenominan cargas impulsivas, y pueden ser hasta cuatro órdenes de magnitud másudrápidas que las cargas dinámicas impuestas por un terremoto. En consecuencia, no esudde extrañar que sus efectos sobre las estructuras y sus materiales sean muy distintosudque las que producen las cargas habitualmente consideradas en ingeniería.udEn la presente tesis doctoral se profundiza en el conocimiento del comportamientoudmaterial del hormigón sometido a explosiones.udPara ello, es crucial contar con resultados experimentales de estructuras de hormigónudsometidas a explosiones. Este tipo de resultados es difícil de encontrar en la literaturaudcientífica, ya que estos ensayos han sido tradicionalmente llevados a cabo en el ámbitoudmilitar y los resultados obtenidos no son de dominio público. Por otra parte, en lasudcampañas experimentales con explosiones llevadas a cabo por instituciones civiles eludelevado coste de acceso a explosivos y a campos de prueba adecuados no permite laudrealización de ensayos con un elevado número de muestras. Por este motivo, lauddispersión experimental no es habitualmente controlada. Sin embargo, en elementosudde hormigón armado sometidos a explosiones, la dispersión experimental es muyudacusada, en primer lugar, por la propia heterogeneidad del hormigón, y en segundo,udpor la dificultad inherente a la realización de ensayos con explosiones, por motivosudtales como dificultades en las condiciones de contorno, variabilidad del explosivo, oudincluso cambios en las condiciones atmosféricas. Para paliar estos inconvenientes, enudesta tesis doctoral se ha diseñado un novedoso dispositivo que permite ensayar hastaudcuatro losas de hormigón bajo la misma detonación, lo que además de proporcionar unudnúmero de muestras estadísticamente representativo, supone un importante ahorro deudcostes. Con este dispositivo se han ensayado 28 losas de hormigón, tanto armadasudcomo en masa, de dos dosificaciones distintas.udPero además de contar con datos experimentales, también es importante disponer deudherramientas de cálculo para el análisis y diseño de estructuras sometidas audexplosiones. Aunque existen diversos métodos analíticos, hoy por hoy las técnicas deudsimulación numérica suponen la alternativa más avanzada y versátil para el cálculo deudelementos estructurales sometidos a cargas impulsivas. Sin embargo, para obtenerudresultados fiables es crucial contar con modelos constitutivos de material que tenganuden cuenta los parámetros que gobiernan el comportamiento para el caso de carga enudestudio. En este sentido, cabe destacar que la mayoría de los modelos constitutivos desarrollados para el hormigón a altas velocidades de deformación proceden deludámbito balístico, donde dominan las grandes tensiones de compresión en el entornoudlocal de la zona afectada por el impacto. En el caso de los elementos de hormigónudsometidos a explosiones, las tensiones de compresión son mucho más moderadas,udsiendo las tensiones de tracción generalmente las causantes de la rotura del material.udEn esta tesis doctoral se analiza la validez de algunos de los modelos disponibles,udconfirmando que los parámetros que gobiernan el fallo de las losas de hormigónudarmado ante explosiones son la resistencia a tracción y su ablandamiento tras rotura.udEn base a los resultados anteriores se ha desarrollado un modelo constitutivo para eludhormigón ante altas velocidades de deformación, que sólo tiene en cuenta la rotura porudtracción. Este modelo parte del de fisura cohesiva embebida con discontinuidad fuerte,uddesarrollado por Planas y Sancho, que ha demostrado su capacidad en la predicción deudla rotura a tracción de elementos de hormigón en masa. El modelo ha sido modificadoudpara su implementación en el programa comercial de integración explícita LS-DYNA,udutilizando elementos finitos hexaédricos e incorporando la dependencia de laudvelocidad de deformación para permitir su utilización en el ámbito dinámico. Eludmodelo es estrictamente local y no requiere de remallado ni conocer previamente laudtrayectoria de la fisura.udEste modelo constitutivo ha sido utilizado para simular dos campañas experimentales,udprobando la hipótesis de que el fallo de elementos de hormigón ante explosiones estáudgobernado por el comportamiento a tracción, siendo de especial relevancia eludablandamiento del hormigón. Concrete is nowadays one of the most widely used building materials because of itsudgood mechanical properties, moldability and production economy, among otherudadvantages. As it is known, it has high compressive and low tensile strengths and forudthis reason it is reinforced with steel bars to form reinforced concrete, a material thatudhas become the most important constructive solution of our time.udDespite being such a widely used material, there are some aspects of concreteudperformance that are not yet fully understood, as it is the case of its response to theudeffects of an explosion. This is a topic of particular relevance because the events, bothudintentional and accidental, in which a structure is subjected to an explosion are,udunfortunately, relatively common.udThe loading of a structure due to an explosive event occurs due to the impact of theudpressure shock wave generated in the detonation. The application of this load on theudstructure is very fast and of very short duration. Such actions are called impulsiveudloads, and can be up to four orders of magnitude faster than the dynamic loadsudimposed by an earthquake. Consequently, it is not surprising that their effects onudstructures and materials are very different than those that cause the loads usuallyudconsidered in engineering.udThis thesis broadens the knowledge about the material behavior of concrete subjectedudto explosions.udTo that end, it is crucial to have experimental results of concrete structures subjectedudto explosions. These types of results are difficult to find in the scientific literature, asudthese tests have traditionally been carried out by armies of different countries and theudresults obtained are classified. Moreover, in experimental campaigns with explosivesudconducted by civil institutions the high cost of accessing explosives and the lack ofudproper test fields does not allow for the testing of a large number of samples. For thisudreason, the experimental scatter is usually not controlled. However, in reinforcedudconcrete elements subjected to explosions the experimental dispersion is veryudpronounced. First, due to the heterogeneity of concrete, and secondly, because of theuddifficulty inherent to testing with explosions, for reasons such as difficulties in theudboundary conditions, variability of the explosive, or even atmospheric changes. Toudovercome these drawbacks, in this thesis we have designed a novel device that allowsudfor testing up to four concrete slabs under the same detonation, which apart fromudproviding a statistically representative number of samples, represents a significantudsaving in costs. A number of 28 slabs were tested using this device. The slabs wereudboth reinforced and plain concrete, and two different concrete mixes were used.udBesides having experimental data, it is also important to have computational tools forudthe analysis and design of structures subjected to explosions. Despite the existence ofudseveral analytical methods, numerical simulation techniques nowadays represent theudmost advanced and versatile alternative for the assessment of structural elementsudsubjected to impulsive loading. However, to obtain reliable results it is crucial to haveudmaterial constitutive models that take into account the parameters that govern theudbehavior for the load case under study. In this regard it is noteworthy that most of theuddeveloped constitutive models for concrete at high strain rates arise from the ballisticudfield, dominated by large compressive stresses in the local environment of the areaudaffected by the impact. In the case of concrete elements subjected to an explosion, theudcompressive stresses are much more moderate, while tensile stresses usually cause material failure. This thesis discusses the validity of some of the available models,udconfirming that the parameters governing the failure of reinforced concrete slabsudsubjected to blast are the tensile strength and softening behaviour after failure.udBased on these results we have developed a constitutive model for concrete at highudstrain rates, which only takes into account the ultimate tensile strength. This model isudbased on the embedded Cohesive Crack Model with Strong Discontinuity Approachuddeveloped by Planas and Sancho, which has proved its ability in predicting the tensileudfracture of plain concrete elements. The model has been modified for itsudimplementation in the commercial explicit integration program LS-DYNA, usingudhexahedral finite elements and incorporating the dependence of the strain rate, toudallow for its use in dynamic domain. The model is strictly local and does not requireudremeshing nor prior knowledge of the crack path.udThis constitutive model has been used to simulate two experimental campaigns,udconfirming the hypothesis that the failure of concrete elements subjected to explosionsudis governed by their tensile response, being of particular relevance the softeningudbehavior of concrete.ud
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