El futuro del hormigon
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Este documento resume la investigación sobre el futuro del hormigón y las estructuras de hormigón. Describe nuevos materiales como hormigón con fibras, hormigón bajo en cemento y UHPC. Explica nuevos modelos para entender mejor el comportamiento estructural en fatiga y cortante, así como el uso de inteligencia artificial y análisis probabilísticos y no lineales. También presenta resultados de pruebas en vigas y losas de hormigón pretensado y sistemas losa-entre-vigas. El objetivo general es desarrollar soluciones
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- 1. 1 El futuro del hormigón Desde la mezcla hacia la estructura Dr. ir. Eva O.L. Lantsoght TU Delft & Universidad San Francisco de Quito
- 2. 2 Contenido • Introducción • Materiales • Comportamiento estructural – elementos básicos • Comportamiento estructural – elementos avanzados • Comportamiento estructural – estructuras • Resumen
- 3. 3 ¿Por qué mejorar el hormigón y las estructuras de hormigón estructural?
- 4. 4 Introducción • Construcción sostenible Carbono- y clima-neutro Reusabilidad (economía circular) Extender la vida útil de las estructuras Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 5. 5 Economía • Costo de materiales • Costo de construcción • Costo de transporte Medio ambiente • Emisiones CO2 • Materiales • Transporte • Agua • Suelos Factores sociales • Impactovisual • Retrasosen el tráfico • Empleo Sostenibilidad
- 6. 6
- 7. 7
- 8. 8
- 9. 9
- 10. 10
- 11. Desarrollo de soluciones a través de la investigación para estructuras de hormigón
- 14. 14 Materiales • Hormigón con fibras • Hormigón bajo en cemento Portland • UHPC y nuevas mezclas • Mas allá del hormigón: geopolimeros Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 15. 15 Hormigón con fibras • Tradicional: Fibras de acero – Mejora propiedades mecánicas del material • Tensión, fatiga, Modulo de ruptura – Mejora propiedades estructurales • Cortante, torsión, punzonamiento • Nuevas opciones: – Acero reciclado – Plásticos – Materiales naturales renovables Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen Fuente: Bekaert
- 16. 16 Hormigón bajo en cemento • Uso de otros materiales pozzolanicos – Cenizas volantes – GGBS – Otros materiales finos (materiales de desecho) – Cemento reusado • Buscar mezclas a base de modelos (distribución de partículas) Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen Fuente: asocem.org.pe
- 17. 17 UHPC • Alta capacidad • Alta durabilidad • Desarollo de mezclas Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen Poptahof, Delft Fuente: Hi-Con
- 18. 18 Geopolimeros Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 20. 20 Entender el comportamiento estructural • Nuevos modelos – Fatiga – Cortante • Nuevas herramientas – Inteligencia artificial – Análisis probabilístico – Análisis con elementos finitos no lineales Introducción Materiales Comportamient o estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 21. 21 Modelos para fatiga – hormigón en compresión Lantsoght, E.O.L.; van der Veen, C.; de Boer, A. Proposal for the fatigue strength of concrete under cycles of compression. Construction and Building Materials 2016, 107, 138-156. Introducción Materiales Comportamient o estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 22. 22 Modelo de fatiga mejorada para análisis •Comparación a resultados de experimentos para Smin = 0,05 Introducción Materiales Comportamient o estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 23. 23 Modelos para cortante – Critical shear displacement theory Yang, Y.; Walraven, J.; den Uijl, J.A. Shear Behavior of Reinforced Concrete Beams without Transverse Reinforcement Based on Critical Shear Displacement. Journal of Structural Engineering 2017, 143, Introducción Materiales Comportamient o estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 24. 24 Experimentos Vigas en cortante • Cambiar posición de carga • Influencia de distribución de momento a capacidad en cortante • Fotogrametría + LVDT Introducción Materiales Comportamient o estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 25. 25 Modelos para cortante en losas – Strip model Lantsoght, E.O.L.; van der Veen, C.; de Boer, A.; Alexander, S.D.B. Extended Strip Model for Slabs under ConcentratedLoads. ACI Structural Journal 2017, 114, 565-574. Introducción Materiales Comportamient o estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 26. 26 Experimentos - Losas en cortante Introducción Materiales Comportamient o estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 27. 27 Inteligencia articicial Redes neuronales artificiales Forma de función desconocida Datos experimentales Introducción Materiales Comportamient o estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 28. 28 Capacidad a cortante de SFRC ANN- based function b d av/ d fc,cy l ρ fy F ften f Vutot d a 430 datapoints Abambres, M. and E.O.L. Lantsoght, ANN-based Shear Capacity of Steel Fiber-ReinforcedConcrete BeamsWithout Stirrups. fibers 7(10), 88, 2019 Introducción Materiales Comportamient o estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 29. 29 Introducción Materiales Comportamient o estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 30. 30 Análisis probabilístico Análisis probabilístico completo • Análisis probabilístico completo – Variabilidad de propiedades de materiales – Variabilidad de cargas – Variabilidad de dimensiones • Combinación con elementos finitos – Variabilidad espacial de propiedades de materiales • Resultado: probabilidad de falla Introducción Materiales Comportamient o estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 31. 31 Elementos finitos non-lineal • Modelos avanzados – Modelos avanzados de materiales – Capacidad en tensión de hormigón – Mecánica de la fractura • Potencia computacional necesaria • LoA IV Introducción Materiales Comportamient o estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen Rijkswaterstaat, 2017, "Validation of the Guidelines for Nonlinear Finite Element Analysis of Concrete Structures - Part 3B: Pre-stressed beams. RTD 1016- 3B:2017.," RTD 1016-3B:2017, 113 pp.
- 33. 33 Compartamiento de elementos avanzados • Vigas de hormigón pretensado – Críticos para cortante – Estribos no según la normativa – Perfil de tendones • Colegas: Gabriela Zarate, Fengqiao Zhang, Shozab Mustafa, Min-kook Park, Yuguang Yang Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamient o estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 34. 34 Vigas Helperzoom Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamient o estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 35. 35 Vigas Helperzoom SeccionA-Aʹ SeccionB-Bʹ (C.L) Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamient o estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 36. 36 Experimentos en las vigasIntroducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamient o estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 37. 37 Detalles de los experimentos Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamient o estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 38. 38 Protocolo de carga Protocolo de carga HPZ03 Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamient o estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 39. 39 Resultados de las pruebas HPZ01 HPZ02 HPZ03 HPZ04 Date 27/06/2019 12/09/2019 14/11/2019 16-17/12/2019 lgirder 10.51 m 11.1 m 12.28m 12.88 m lspan 9.6 m 9.6 m 9.6 m 9.6 m a 2903 mm 2903 mm 4400 mm 4400 mm a/d 3.6 3.6 4.9 4.9 Fcrack 965 kN 1001 kN 1050 kN 1100 kN Fshearcrack 1344 kN 1299 kN 1250 kN 1450 kN FShear-tension crack 1480 kN 1350 kN 1600 kN 1750 kN Fmax 1892.7 kN 1849 kN 1990 kN 2380 kN δfail 51.5 mm 39.66 mm 60.91 mm 68.6 mm Failure mode SC/FS SC/FS SC/CC SC/CC Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamient o estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 40. 40 HPZ04 test Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamient o estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 41. 41 Analisis con DIC Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamient o estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 42. 42 Global strain distribution with 20 mm lens Local strain distribution with 90 mm lens Crack opening (w) in x- direction Crack sliding (∆) in y- direction HPZ02 DIC analysis Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamient o estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 43. 43 1st bending crackShear cracks Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamient o estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen HPZ02 AE analysis
- 44. 44 Comparacion entre prueba y ACIIntroducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamient o estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 45. 45 Efecto de posicion de la carga 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Laod(kN) Deflection at loading point (mm) HPZ01 HPZ02 HPZ03 HPZ04 Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamient o estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 46. 46 Analisis de theta HPZ03Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamient o estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen
- 48. 48 Comportamiento de estructuras • Pruebas de laboratorio – Sistema estructural losa- entre-vigas – Capacidad carga monotonica y en fatiga • Pruebas en el campo Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamient o estructural – estructuras Resumen
- 49. 49 Estructuras losa-entre-viga Compressive membrane action factor 1.622 Capacidad adicional UC < 1 Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamient o estructural – estructuras Resumen
- 50. 50 Capacidad bajo carga monotonica Amir, S., Van der Veen , C., Walraven, J. C., & de Boer, A. (2016). Experiments on Punching Shear Behavior of PrestressedConcrete Bridge Decks. Aci Structural Journal, 113(3), 627-636. Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamient o estructural – estructuras Resumen
- 51. 51 Capacidad bajo fatiga Lantsoght, E.O.L.; Van der Veen , C.; Koekkoek, R.T.; Sliedrecht, H. Fatigue testing of transversely prestressed concrete decks. ACI Structural Journal 2019, 116, 143-154. Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamient o estructural – estructuras Resumen
- 52. 52 Pruebas de fatiga Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamient o estructural – estructuras Resumen
- 53. 53 Pruebas de fatiga Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamient o estructural – estructuras Resumen
- 54. 54 Pruebas de carga • Pruebas de carga para analizar capacidad de puente existente • Uso de sensores para evaluar comportamiento en tiempo real • Demostrar que puente resiste carga viva Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamient o estructural – estructuras Resumen
- 55. 55 Pruebas de carga: Caso De Beek Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamient o estructural – estructuras Resumen
- 56. 56 Resumen • Construir con hormigón de manera sostenible: – Innovación al nivel de los materiales – Entender el comportamiento estructural • Investigación para enfrentar los desafíos del siglo 21 Introducción Materiales Comportamiento estructural – elementos básicos Comportamiento estructural – elementos avanzados Comportamiento estructural – estructuras Resumen Estructura Elemento estructural Material