Tesis de Creep David Ortiz PDF

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN UNIDAD ZACATENCO EFECTOS DE LA DEFORMACIÓN DEL CREEP EN COLUMNAS DE CONCRETO TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN INGENIERÍA CIVIL PRESENTA: ING. DAVID ORTIZ SOTO DIR...

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Tesis de Creep David Ortiz Luis Gonzales

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Maest ría en Ingeniería Civil Reynaldo Ore Alania PONT IFICIA UNIVERSIDAD CAT ÓLICA DEL PERÚ Hernan Aramayo OT TAZZI PASINO GIANFRANCO MAT ERIAL ENSEÑANZA CONCRET O ARMADO (1) ana cecilia mart inez flores

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN UNIDAD ZACATENCO

EFECTOS DE LA DEFORMACIÓN DEL CREEP EN COLUMNAS DE CONCRETO

TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE

MAESTRO EN INGENIERÍA CIVIL PRESENTA: ING. DAVID ORTIZ SOTO

DIRECTOR DE TESIS: DR. ERNESTO PINEDA LEÓN

MÉXICO, D.F., 2015

SIP-14

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO

ACTA DE REVISIÓN DE TESIS

En la Ciudad de julio

Ｍｾ

México D. F.,

siendo las

14:00

horas del día

02

del mes de

del 2015 se reunieron los miembros de la Comisión Revisora de Tesis, designada

por el Colegio de Profesores de Estudios de Posgrado e Investigación de

E.S.I.A.- U. Z.

para examinar la tesis titulada: "Efectos de la deformación del Creep en columnas de concreto"

Presentada por el alumno: Oriiz Apellido paterno

Soto

David

Apellido materno

Nombre¡s)

1_,_--'2"---'-l---=-o-'--_0'------'----'-4__.__8-=----.! Con registro: --'8__.___ '-1

aspirante de: MAESTRO EN INGENIERÍA CIVIL Después de intercambiar opiniones, los miembros de la Comisión manifestaron APROBAR LA TESIS, en virtud de que satisface los requisitos señalados por las disposiciones reglamentarias vigentes. LA COMISIÓN REVISORA Director de tesis

ｾ＠ Dr. Norberto Domínguez Ramírez

W"Héctor Aurelíano Sánchez Sánchez

PRESIDENTE DEL COLE

lng.

Sf!CCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRAOO E INVESTIGACIÓN

,

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL SECRETARÍA DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO

CARTA CESIÓN DE DERECHOS

En la Ciudad de México D.F. el dfa ｾ､･ｬ＠

mes Julio del año 2015, el (la) que suscribe David

Ortiz Soto alumno (a) del Programa de Maestría en Ingenieria Civil con número de registro B 120048, adscrito a la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura UZ, manifiesta que es autor (a) intelectual del presente trabajo de Tesis bajo la dirección de Dr. Ernesto Pineda León y cede los derechos del trabajo intitulado "Efectos de la deformación del creep en columnas de concreto", al Instituto Politécnico Nacional para su difusión, con fines académicos y de investigación.

Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o datos del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido escribiendo a la siguiente dirección [email protected]. Si el penniso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo.

David Ortiz Soto

DEDICATORIAS

Este trabajo es producto de un gran esfuerzo y va dedicado para todas las personas que son y han sido parte trascendental en mi vida personal y en mi formación profesional. A mis padres Clara y Antonio, por toda una vida de esfuerzos y sacrificios, brindándome su apoyo incondicional en todo momento. Por haberme guiado por el camino recto de la vida inculcándome los valores que ahora poseo y logrado hacer de mí lo que soy y muy en particular por haber convertido aquel sueño en lo que hoy día es realidad. Con amor, respeto y admiración. A Antonio y Carlos, por ser unos maravillosos hermanos los cuales quiero y admiro, pues en ellos he encontrado verdadera comunicación y apoyo al compartir nuestros sentimientos, logros, tropiezos y proyectos. A mis sobrinos Diego y Antonio, que tanto aprecio y en quienes tengo plena confianza de que algún día se convertirán en profesionistas de calidad. A mis abuelas Paulina Ramírez y Juana Marín. He sido bendecido por el apoyo y afecto que me ha brindado cada uno de los miembros de mi familia a lo largo de mi vida, lo cual les agradezco infinitamente, incluyendo aquellos que se han adelantado (abuelos Rafael y Antonio, y tía Lucía). A todos(as) mis amigos(as), compañeros(as), profesores(as) y colegas que siempre me han respaldado, en especial a los de la etapa de la Maestría en Ingeniería Civil. A todas las personas de México y del extranjero que directa o indirectamente me han apoyado y/o han depositado su confianza en mí. A quienes defendieron la ESIA UZ IPN y al IPN en general, impidiendo su desmantelamiento educativo. A todos los que luchan por un mundo más justo y se atreven a denunciar la corrupción para no legitimarla, siguiendo siempre ideales de justicia, libertad y dignidad.

AGRADECIMIENTOS

Expreso mi más sincero agradecimiento a las Instituciones y a las personas que han contribuido directa o indirectamente en la elaboración de la presente tesis. En primera instancia, al Instituto Politécnico Nacional, en especial a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación (SEPI) de la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura, Unidad Zacatenco (ESIA-UZ), que es donde me formé académicamente a nivel de posgrado, específicamente estudiando la Maestría en Ingeniería Civil, área disciplinaria de Estructuras. Al Dr. Ernesto Pineda León, director de esta investigación, por su amistad y los conocimientos que me transmitió tanto en el aula como para efectuar este trabajo, orientándome y confiando siempre en mí. Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), por el apoyo económico brindado en esta etapa de Maestría. A los doctores con los que tuve el enorme privilegio de haber tomado clases, pues gracias a ellos tuve una formación académica de gran calidad en la Maestría: M. en C. Arturo Ávila Rosas, Dr. Francisco Antelmo Díaz Guerra, Dr. Esteban Flores Méndez, Dr. Ramsés Rodríguez Rocha, M. en C. Jorge Silva Ballesteros, Dr. Jorge Luis Alamilla López, Dr. Norberto Domínguez Ramírez, Dr. Héctor Aureliano Sánchez Sánchez. Todos ellos son excelentes docentes e investigadores. Igual agradezco a los doctores que pese a que no me dieron clases, tuve el gran gusto de conocerlos y me apoyaron en todo momento. A todos(as) los(as) amigos(as) y compañeros(as) de Maestría, sobre todo a los de Estructuras de mi generación. A los Ingenieros Hugo, Izael, Rosa María, José Alfredo, Sergio O., Daniel H., Daniel Arturo, Arturo, Omar M., Omar I., Erney, Miguel Ángel, Tonatiuh, y todos los que me faltaron por colocar, muchas gracias. Juntos hicimos una gran comunidad, fomentamos el apoyo mutuo y salimos adelante. Siempre estarán presentes en mí.

RESUMEN

En el presente trabajo se estudia el comportamiento de una columna en forma de prisma rectangular hecha de concreto simple, debido a los efectos del creep bajo esfuerzo uniaxial constante de compresión, con base en una comparativa entre los resultados obtenidos en pruebas experimentales extraídas de la bibliografía y los resultados generados por el software ANSYS. Esta obra se divide en cinco capítulos. El capítulo 1 abarca las generalidades; particularmente,

el

primer

capítulo

contempla

lo

siguiente:

introducción,

antecedentes, objetivo, justificación y alcances. Posteriormente, en el capítulo 2 el fenómeno del creep es descrito. En este apartado se ofrece la definición de la deformación por creep y se explican las curvas típicas de este fenómeno no lineal. Además, se detalla la ley de creep que se optará por emplear en el software. La teoría de la deformación por creep, específicamente para el concreto, es atendida en el capítulo 3. Aquí se proporcionan algunos aspectos básicos del creep en el material constructivo citado, tales como la definición, la curva característica, las causas, la clasificación, los efectos, etc. El capítulo 4 se enfoca al caso de estudio. Este se divide en dos partes; en la primera se abordan las pruebas experimentales tomadas de la literatura y en la segunda se cita el modelo en software. Finalmente, en el capítulo 5, primero se analizan todos los resultados generados con el software, los cuales corresponden básicamente a las curvas de deformación por creep contra tiempo para las distintas edades de carga del concreto joven, después, se efectúan las conclusiones de esta investigación.

ABSTRACT

In this paper is studied the behavior of a column in shape of rectangular prism made of plain concrete, due to the effects of creep under compressive constant uniaxial stress, based on comparison between the results of experimental tests taken from the literature and the results generated by the ANSYS software. This paper is divided into five chapters. Chapter 1 includes the generalities; particularly, the first chapter includes the following: introduction, background, objective, justification and scope. Later, in chapter 2 the phenomenon of creep is described. In this section the definition of creep deformation is offered and typical curves of this nonlinear phenomenon are explained. Also, the law of creep that will opt for use in the software is detailed. The theory of creep deformation, specifically for concrete, is treated in Chapter 3. Here some basic aspects of creep for building material said are provided, such as the definition, characteristic, causes, classification, effects, etc. Chapter 4 focuses on the case study. This is divided into two parts; the first experimental tests taken from the literature are discussed and the second software model is quoted. Finally, in Chapter 5, first all results generated with the software are analyzed, which relate mainly to the creep deformation curves to different ages loading of young concrete, after, the findings of this research are made.

CONTENIDO

1 GENERALIDADES ....................................................................................................... 1 1.1 Introducción ...................................................................................................... 2 1.2 Antecedentes .................................................................................................... 5 1.3 Objetivo ............................................................................................................ 7 1.4 Justificación ...................................................................................................... 7 1.5 Alcances ........................................................................................................... 9 2 EL FENÓMENO DEL CREEP ..................................................................................... 11 2.1 Definición ........................................................................................................ 12 2.2 Mecanismos ................................................................................................... 13 2.3 Curvas típicas ................................................................................................. 14 2.3.1 Gráfica de deformación por creep contra tiempo ................................... 14 2.3.2 Gráfica de velocidad de deformación por creep contra tiempo .............. 16 2.4 Creep bajo esfuerzo uniaxial constante ........................................................... 18 3 CREEP O FLUJO PLÁSTICO DEL CONCRETO ........................................................ 21 3.1 Definición ........................................................................................................ 22 3.2 Curva del creep del concreto .......................................................................... 23 3.3 Causa que origina el flujo plástico en el concreto ........................................... 24 3.4 Clasificación del creep en el concreto .............................................................. 25 3.5 Principales factores que afectan su magnitud ................................................. 26 3.6 Efectos ............................................................................................................ 27 3.7 Método empírico del comité 209 del ACI para calcular las deformaciones por creep................................................................................................................. 29 4 CASO DE ESTUDIO ................................................................................................... 33 4.1 Descripción de las pruebas experimentales de Jiang-De Schutter-Yuan ........ 34 4.1.1 El creep básico como una función del grado de hidratación .................. 35 4.1.1.1 Grado de hidratación ...................................................................... 35 4.1.1.2 Coeficiente del creep básico del concreto ....................................... 36

4.1.1.3 Método ficticio del grado de hidratación........................................... 37 4.1.2 Pruebas de hidratación isotérmicas ...................................................... 38 4.1.2.1 Método y materiales ....................................................................... 38 4.1.2.2 Resultados ..................................................................................... 39 4.1.3 Ensayos del creep en el concreto a edad temprana .............................. 41 4.1.3.1 Materiales ...................................................................................... 41 4.1.3.2 Máquina de ensayo de creep ......................................................... 42 4.1.3.3 Programa de carga ........................................................................ 44 4.1.3.4 Resultados ..................................................................................... 44 4.2 Modelo numérico ............................................................................................ 47 4.2.1 Constantes elásticas ............................................................................. 47 4.2.2 Tipo de elemento ................................................................................... 48 4.2.3 Dimensionamiento de la columna .......................................................... 48 4.2.4 Mallado ................................................................................................. 49 4.2.5 Condiciones de frontera ........................................................................ 51 4.2.6 Carga externa ....................................................................................... 52 4.2.7 Tiempo del creep y temperatura ............................................................. 55 4.2.8 Ley de creep ......................................................................................... 56 4.2.9 Paso del tiempo ..................................................................................... 60

5 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES .................................................... 61 5.1 Gráficas de deformación por creep contra tiempo obtenidas con el software .. 62 5.1.1 Edad de carga: 1 día .............................................................................. 64 5.1.2 Edad de carga: 2 días ........................................................................... 65 5.1.3 Edad de carga: 3 días ........................................................................... 66 5.1.4 Edad de carga: 7 días ........................................................................... 67 5.1.5 Edad de carga: 28 días ......................................................................... 68 3.2 Conclusiones .................................................................................................. 81

REFERENCIAS .............................................................................................................. 83

LISTA DE TABLAS

4 CASO DE ESTUDIO Tabla 4-1. Composición de la mezcla ternaria, en ��/�3 ...................................... 40

Tabla 4-2. Composición química de los materiales aglutinantes ............................ 40 Tabla 4-3. Composición del concreto en ��/�3 ..................................................... 42

Tabla 4-4. Resistencia a la compresión y módulo de elasticidad del concreto en

las diferentes edades ............................................................................................. 42 Tabla 4-5. Grado de reacción �0 en el tiempo de carga .......................................... 44

Tabla 4-6. Resultados experimentales de las deformaciones elástica y por creep bajo esfuerzo constante ................................................................................................ 46

5 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES Tabla 5-1. Datos dispuestos en forma tabular de la deformación total obtenida del experimento y del software (nodo 408) para el concreto joven de 1 día ................ 71 Tabla 5-2. Datos dispuestos en forma tabular de la deformación total obtenida del experimento y del software (nodo 408) para el concreto joven de 2 días .............. 74 Tabla 5-3. Datos dispuestos en forma tabular de la deformación total obtenida del experimento y del software (nodo 408) para el concreto joven de 3 días .............. 76 Tabla 5-4. Datos dispuestos en forma tabular de la deformación total obtenida del experimento y del software (nodo 408) para el concreto joven de 7 días .............. 79

LISTA DE FIGURAS

1 GENERALIDADES Figura 1-1. Deformación a través del tiempo para el creep, considerando una carga constante ................................................................................................................. 3 Figura 1-2. Retracción en un elemento de concreto simple .................................... 4 Figura 1-3. Creep en un elemento de concreto simple en compresión . .................. 5 2 EL FENÓMENO DEL CREEP Figura 2-1. Componentes fundamentales en una curva de creep ......................... 13 Figura 2-2. Gráfica de deformación-tiempo para creep ......................................... 16 Figura 2-3. Velocidad de deformación por creep para los tres estados. ................. 17

3 CREEP O FLUJO PLÁSTICO DEL CONCRETO Figura 3-1. Curva típica del creep para un elemento de concreto simple con esfuerzo axial constante de compresión .............................................................................. 23 Figura 3-2. Representación esquemática del creep básico, la contracción por secado, y ambos actuando simultáneamente. La deformación extra observada cuando la fluencia y la retracción por secado actúan conjuntamente está indicada por la superficie achurada .............................................................................................. 26

4 CASO DE ESTUDIO Figura 4-1. Método ficticio del grado de hidratación .............................................. 38 Figura 4-2. Tasa de producción de calor � � como una función del tiempo .......... 40

Figura 4-3. Tasa de producción de calor � � como una función del grado de reacción ............................................................................................................................... 41

Figura 4-4. Contracción (izquierda) y configuración de la prueba de creep (derecha) ............................................................................................................................... 43 Figura 4-5. Curvas de creep básico para especímenes sometidos a un esfuerzo constante .............................................................................................................. 45 Figura 4-6. SOLID185............................................................................................. 49 Figura 4-7. Columna prismática de concreto ......................................................... 50

Figura 4-8. División de la estructura en elementos finitos ...............................