Análisis numérico termo-mecánico y termo-higrométrico del hormigón expuesto a altas temperaturas

Abstract

Concrete is one of the most used materials in construction, and its application spans to all kinds of structures. For this reason, concrete has been the subject of intense study. In spite of that, there are still apects of its behavior that are not completely unerstood and require further research, such as those related to material durability, i.e. aspects related to the deterioration due to environmental actions such as for instance high temperatures, chemical or biological attack, etc. The present doctoral thesis focuses on the numerical study of concrete behavior subject to high temeperatures. Nowadays it seems clear that two main mechanisms exist that may lead to material failure or spalling (sudden explosive detachment or outer concrete layers) when concrete is exposed to high temperatures (fire). The first one is related to the develoment of high compresive stresses as the result of restricted termal dilation, and the second one is related to the development of vapor pressures within the material pores due to water vaporization. Both mechanisms are studied independently in this Thesis. In this context of the high temeprature effects in concrete, most numerical studies in the literature are based on a macroscopic approach, in which the material is considered a homogeneous continuum. However, it is clear that concrete is a heterogeneous material and that its overall behavior strongly depends on the response of each one of its constituents and the interaction between them. In this regard, the approach to the first of the two above-mentioned mechanisms, is carried out using two independent Finite Element codes in-house developed within the MECMAT-UPC research group: the duffusion code DRACFLOW and the meso-mechanical code DRAC. In both analyses, the material is considered as heterogeneous, composed of aggregates and mortar, each of them with different thermal and mechanical properties. The results of various uncoupled calculations under uniform and non-uniform temperature distrubutions, are compared to experimental results from the literature. Numerical results of a thermo-mechanical análisis are also presented. These results represent spalling more realistically, in better agreement with the behavior observed in coulmns exposer to the fire action. On the other hand, a main contribution of this thesis is the formulation and implementaiotn of a hygro-mechanical TH model (second failure mechanism mentioned above). In this TH formulation, temperature and water vapor pressure are conssidered the primary variables, from which the rest of the field and state variables may be obtained. A novel formulation is also proposed to relate saturation degree and vapor pressure, which is based on the combination of the pore distribution curve with some fundamental equations of termodinamical equilibrium between water vapor and liquid water in the pores. Various 1-D examples of applcation are selected for the validation of the model. The results obtained succeed in reproducing satisfactorily a variety of complex aspects of the phenomenon. Finally, results are presented of the application of the model to the TH analysis of a meso-structural concrete sample

El hormigón es uno de los materiales más utilizados en el ámbito de la construcción y su aplicación se extiende a todo tipo de estructuras, motivo por el cual resulta un material altamente estudiado dentro de la comunidad científica. Sin embargo, existen en la actualidad diversos aspectos aún por investigar en mayor detalle, como aquellos relacionados con la durabilidad del material, es decir, aspectos relacionados con la acción del medio circundante, como pueden ser: la exposición a altas temperaturas, ataques físicos, químicos, biológicos, etc. La presente tesis doctoral aborda el estudio numérico de la respuesta del hormigón a nivel material cuando es sometido al efecto de altas temperaturas. En la actualidad parece claro que existen dos mecanismos principales que conducen al fallo del material o al fenómeno de spalling (explosión repentina) cuando se ve expuesto a altas temperaturas (fuego), uno de ellos relacionado con el desarrollo de elevadas tensiones de compresión como resultado de una dilatación térmica restringida y el otro relacionado con el desarrollo de presiones dentro del material como consecuencia de la evaporación del agua. Ambos mecanismos son estudiados de manera independiente en este trabajo. En el contexto del efecto de las altas temperaturas sobre el hormigón, la mayoría de estudios numéricos encontrados en la bibliografía se plantean a un nivel macroscópico, donde el material se considera como un medio continuo y homogéneo. Sin embargo, el hormigón es un material claramente heterogéneo en el que la respuesta global depende de la respuesta de cada una de las partes componentes y de la interacción entre las mismas. En este sentido, el estudio del primer mecanismo de fallo mencionado antes, se lleva a cabo desde un punto de vista termo-mecánico mediante dos códigos de elementos finitos independientes ya existentes dentro del propio grupo de investigación MECMAT de la UPC: un código de difusión (DRACFLOW) y un código meso-mecánico (DRAC). En ambos análisis el material es tratado de manera heterogénea, donde a cada fase componente se le asignan sus propias propiedades tanto térmicas como mecánicas. Se analizan diversos resultados de casos desacoplados sometidos a distribuciones uniformes y no uniformes de temperatura, que se comparan con resultados experimentales de otros autores. También se presentan resultados numéricos de un análisis termo-mecánico acoplado que reflejan una representación realista del fenómeno de spalling que concuerda con el comportamiento observado en elementos de columna expuestos a la acción del fuego. Por otro lado, y como principal aporte de la tesis, se ha formulado y desarrollado un modelo termo-higrométrico TH (segundo mecanismo de fallo mencionado) que presenta dos únicas variables primarias (de las que se derivan las demás), la temperatura y la presión de vapor; se propone también una novedosa formulación para definir el grado de saturación basada en la combinación de la curva de distribución de poros y algunas ecuaciones fundamentales del equilibrio termodinámico entre el vapor de agua y el agua líquida en los poros. Se presenta un conjunto de ejemplos de aplicación 1D para la validación del modelo que reproducen satisfactoriamente prácticamente todos los diversos y complejos aspectos que implica la problemática. Finalmente, se muestran resultados TH en una muestra mesoestructural de hormigón