El comportamiento estructural de las estructuras de hormigón armado sujetas a niveles de carga avanzados, difiere de manera importante del comportamiento elástico-lineal clásico que es usualmente asumido como válido. Cuando se llega a niveles de carga últimos el comportamiento de las estructuras de hormigón armado presenta un comportamiento soberanamente no-lineal. Los motivos para que eso suceda son debidos sobre todo a los siguientes factores: la fisuración cuando la estructura se encuentra en tracción, la fluencia y retracción del hormigón, la plastificación del acero, la adherencia imperfecta y sobretodo la no-linealidad de los materiales, principalmente del hormigón. Sin embargo, fenómenos en elementos esbeltos originan fenómenos de 2º orden que se traducen también en un comportamiento geométricamente no lineal de la estructura. Todos estos fenómenos funcionan en conjunto, siendo que esta interacción afecta directamente el estado tensional, esfuerzos y deformaciones.
En la fase de proyecto se deben cumplir minuciosamente las condiciones necesarias para satisfacer los criterios de seguridad y de servicio, para que después en la fase de ejecución ellas también se cumplan al máximo, de manera que en la vida útil de la estructura se verifiquen los valores para que fueran proyectadas. Generalmente es importante satisfacer con exactitud las condiciones de servicio como los desplazamientos, tensiones y deformaciones durante su vida útil, bajo condiciones de servicio. Para los criterios de seguridad frente a fallo, es importante una precisa estimación del comportamiento de la estructura a través de los rangos elástico, plástico y último, para obtener fiablemente la carga de colapso de la estructura.
Para hacer un análisis estructural se pueden utilizar dos tipos de estudios; el estudio experimental y el estudio analítico, siendo que los dos métodos se deben considerar complementarios el uno del otro. Si bien es cierto que el desarrollo tecnológico vivido a lo largo de los últimos años ha desembocado en un aumento importantísimo de las posibilidades a nivel de cálculo computacional, también lo es que la experimentación se convierte en un aliado imprescindible para la validación y calibración de los modelos numéricos. El desarrollo de métodos numéricos, sobre todo los elementos finitos, es hoy indispensable en el análisis de estructuras de hormigón armado.
Desde las primeras aplicaciones del MEF, diferentes estudios han ido cubriendo los diferentes aspectos del comportamiento estructural de las estructuras de hormigón. Estos estudios se podrían englobar en tres grandes grupos:
Gonçalo Filipe Simões Ventura 44
Modelización de las propiedades del material: ecuaciones constitutivas, estados de tensión multiaxial, comportamiento dependiente del tiempo, entre otros;
Estudios a nivel micro estructural: bond-slip, transferencia del cortante, tensión stiffening, efectos locales, etc;
Estudios a nivel macro estructura: que pretenden modelar el comportamiento estructural global preferiblemente a efectos locales.
Más concretamente en estructuras de hormigón armado, la mayoría de estudios se han centrado en la modelización de estructuras mediante estructura de barras planas. Muchos autores han incorporado en eses modelos, los fenómenos de fluencia y retracción, bond-slip, no linealidad geométrica, entre otros, así como modelos que incorporan la no-linealidad de los materiales y de la geometría conjuntamente.
A continuación, se describen resumidamente algunos modelos locales y globales usualmente utilizados en estructuras de hormigón.
2.10.1 Modelos Locales
Los modelos locales son aquellos que procuran desarrollar y modelar comportamientos de fenómenos específicos en la estructura, y que por eso pretenden dar una respuesta precisa y completa a ese mismo fenómeno específico y localizado.
Este tipo de modelos son importantes en la medida que permiten analizar particularidades y comportamientos locales complejos, que sirven para entender el comportamiento general de una estructura. Hay muchos fenómenos que se pueden estudiar mediante modelos locales complejos, donde se tienen se consideran diversos parámetros, o entonces se utilizan modelos globales más sencillos, pero que recogen el comportamiento general del fenómeno. O sea, con la aplicación de modelos locales más elaborados el volumen de trabajo puede aumentar bastante comparativamente con modelos globales más sencillos, pero para se obtener buenos resultados o mismo para obtener innovación, los modelos locales pueden ser muy útiles.
Un claro ejemplo de esto se da en el estudio de la fisuración. La fisuración por flexión de una estructura se puede estudiar, como fisuración distribuida de manera global, caracterizando un ancho de fisura y una separación entre ellas. Así mismo se podría analizar el fenómeno a partir del comportamiento local del material, simulando la abertura de la misma en función de las tensiones sobre el hormigón y la energía de fractura, por ejemplo. Cada un de los modelos implicará un comportamiento diferente de la estructura, a pesar de que esta solo se pueda comportar de una única forma.
Gonçalo Filipe Simões Ventura 45
Otro ejemplo de esto sería el estudio de la adherencia entre la barra y el hormigón, lo que también es llamado como “bond-slip”. En este caso un modelo local permitiría el estudio específico en el entorno de la barra. Permitiría conocer el comportamiento con precisión del hormigón que rodea la barra, determinar el estado tensional, multiaxial, del mismo y prever la posible aparición de microfisuras por tracciones excesivas. Con un modelo local se podría introducir la geometría de la barra y estudiar exactamente la distribución de tensiones que provoca, por ejemplo en un ensayo pull - out.
El principal inconveniente de este tipo de modelos es su alto coste computacional y la complejidad de los modelos, ya que cuanto más complejo el modelo mayor es el número de variables y por eso mayor el tiempo necesario para obtener se la solución del problema. Así, el uso de este tipo de modelos generalmente es aplicado a estudios específicos de zonas concretas de la estructura, de los cuales sea de especial interés obtener información más completa y detallada de los fenómenos que se producen.
Con el tiempo, la evolución de la tecnología informática permitirá el desarrollo de modelos aún más complejos que se resuelven mucho más rápido que los que existen actualmente, y por eso la aplicación de estos tipos de modelos podrá aumentar en un futuro próximo. Pero el uso de modelos locales tiene que ser bien adaptados a lo que se pretende: si evaluar una estructura en su conjunto, se conocer el comportamiento global de la misma. Si se pretender la primera opción, entonces los modelos locales son los más indicados.
2.10.2 Modelos Globales
Los modelos globales intentan estudiar de manera general el comportamiento de una estructura, integrando de manera general el efecto estructural de los diferentes fenómenos para compatibilizarlos y mostrar el comportamiento global de la estructura. Estos modelos permiten describir el comportamiento de una estructura cuando sujeta a diferentes estados de carga y diferentes condiciones, tiendo como resultado una solución general muy ajustada del comportamiento a todos los niveles.
La aplicación de este tipo de modelos tiene la ventaja de no ser tan complejos como los modelos locales, y por eso permite que su empleo sea alargado a estructuras con mayores dimensiones, y obtener resultados suficientemente aproximados como para considerarlos válidos. Así el coste computacional requerido por estos modelos es a priori inferior, permitiendo su uso de manera más cómoda y sencilla que los modelos locales. Además, otra gran ventaja de estos modelos es tener la posibilidad de utilizar modelos locales en sus modelos, que hace con que se obtenga una información más rigorosa de los problemas, mismo complicando un poco la “facilidad” de aplicación del modelo.
Gonçalo Filipe Simões Ventura 46
Estos modelos permiten la evaluación estructural en términos globales, el estudio de deformaciones, esfuerzos, cargas, pérdida de adherencia, entre otros, y conocer los efectos estructurales de los mismos sobre las estructuras de hormigón armado.
Así, serán este tipo de modelos los que se utilizarán cuando se pretende analizar estructuras de forma general, pero caso se quiera saber el comportamiento más localizado y que tenga interés por su relevancia en la estructura, se puede siempre introducir modelos locales de manera a tener un comportamiento más realista y detallado da estructura.