En los últimos años la industria viene exigiendo el empleo del hormigón reforzado con fibras de acero (HRFA) en aplicaciones estructurales. Debido al hecho de que la resistencia pos-fisuración del material es relevante, la capacidad de coser fisuras concedida por las fibras puede permitir la sustitución, parcial o total, de la armadura de acero convencional. Por consiguiente, una adecuada caracterización del comportamiento a tracción uniaxial del HRFA es de gran interés. Sin embargo, a pesar de la amplitud de trabajo de investigación y de la reciente elaboración de normativas, no existe un consenso respecto al modelo constitutivo a ser empleado en el diseño del HRFA.El cosido de las fibras de acero en las fisuras mejora la tenacidad y la durabilidad del hormigón. El HRFA es un material que, generalmente, presenta una resistencia residual a tracción en régimen fisurado. Sin embargo, en algunas situaciones, el HRFA puede desarrollar endurecimiento en flexotracción debido a su aptitud en redistribuir esfuerzos en la sección de fisura. Estas características vienen contribuyendo para un interés creciente así como un incremento del número de aplicaciones de este material.En esta tesis doctoral se desarrolla un método directo y lógico para predecir la respuesta a tracción del HRFA para el diseño estructural. Mientras que la comprensión del comportamiento del material se consigue por medio de una investigación experimental, la formulación del nuevo modelo constitutivo se obtiene con un estudio segmentado del comportamiento del material en niveles de menor complejidad y, en seguida, con la caracterización de cada uno de ellos hasta conseguir explicar la respuesta a tracción del HRFA.Esta tesis está dividida en cinco partes principales: I) Identificación de las motivaciones. II) Obtención de resultados a tracción uniaxial para comprender los principales mecanismos que controlan la resistencia pos-fisuración. III) Desarrollo de dos modelos para predecir la respuesta al arrancamiento de fibras de acero inclinadas, que cubren fibras rectas y con ganchos. IV) Investigación detallada de la orientación de las fibras al nivel individual mediante análisis estadísticos. Luego, aspectos prácticos asociados al proceso de producción son integrados en una metodología innovadora para predecir la orientación de las fibras. V) Formulación y validación del nuevo modelo constitutivo, con base en las Partes III y IV, con los resultados experimentales de la Parte II. El comportamiento a tracción se evalúa mediante un estudio paramétrico y se proponen expresiones ingenieriles para el diseño y optimización (EEDO).El modelo constitutivo propuesto se distingue de estudios anteriores en varios aspectos y define una nueva filosofía para el diseño de elementos de HRFA. Este modelo es un método directo y práctico para obtener el comportamiento a tracción del material mediante parámetros con sentido físico y basado en conceptos claros: arrancamiento y orientación de las fibras.Una de las principales aportaciones de este trabajo es la capacidad de predecir curvas tensión-apertura de fisura que reflejan una combinación específica de las propiedades de la matriz y de las fibras empleadas. Además, se introduce una filosofía innovadora en el diseño debido a la incorporación del proceso de producción, las propiedades en estado fresco y el elemento a construir en la definición del diagrama constitutivo. / In the last years, the industry has been demanding for the use of steel fiber reinforced concrete (SFRC) in structural applications. Because the post-cracking strength of this material is not negligible, the crack-bridging capacity provided by fibers may replace, partial or completely, conventional steel reinforcement. Therefore, an appropriate characterization of the SFRC uniaxial tensile behavior is of paramount interest. However, in spite of the extensive research and standards recently advanced, there is no agreement on the constitutive model to be used for the design of SFRC.The crack-bridging capacity provided by steel fibers improves both the toughness and the durability of concrete. Conventional SFRC is a material which presents softening response under uniaxial tension, but may develop hardening behavior in bending due to its ability to redistribute stresses within the crosssection.These evidences have been contributing to an increasing interest and growing number of applications of this material.In this doctoral thesis, a direct and rationale approach to predict the tensile response of SFRC for structural design calculations is developed. While insight on the material behavior is firstly gained through an experimental investigation, the formulation of the new constitutive model follows a bottomup approach: it fragments the material's behavior into levels of smaller complexity and then models each of them until the overall behavior can be explained.The dissertation is subdivided into five main parts: I) The motivations for this research project are pointed out. II) Uniaxial tensile test results are obtained to understand the major mechanisms governing the post-cracking strength. III) Two models predicting the pullout responses of inclined steel fibers are developed, covering straight and hooked fibers. IV) The orientation of fibers is investigated in detail at the single fiber level through statistical analyses. Then, practical aspects associated to the manufacturing process are integrated within a novel framework to predict fiber orientation. V) Based on Parts III-IV, the new constitutive model is formulated and validated with experimental results from Part II. Further insight on the tensile behavior is gained through a parametric study and Engineered Expressions for Design and Optimization (EEDO) are proposed.The proposed design-oriented constitutive model differentiates itself from previous studies in multiple aspects and defines a new philosophy for the design of SFRC elements. This model provides a direct and practical procedure to obtain the material's tensile behavior by means of parameters with physical meaning and based on clear concepts: fiber pullouts and orientations.One of the major contributions of this work is the ability to predict the stress-crack width curves that reflect the specific combination of the properties of the matrix and fibers applied. Furthermore, it introduces a novel philosophy for the material design regarding that the influences of the production process, fresh-state properties and the element to be built are taken into account to define the constitutive diagram.

Este trabajo tiene como principal objetivo conocer el comportamiento de los materiales compuestos como elementos estructurales de reparación y refuerzo en estructuras de hormigón. Las investigaciones se centraron en la experimentación con dos tipos de materiales compuestos; polímeros reforzados con fibras de Carbono y polímeros reforzados con fibras de Aramida.Los ensayos realizados se enfocaron específicamente en el estudio del comportamiento de los materiales compuestos como elementos de refuerzo bajo la acción de esfuerzos a cortante en elementos de hormigón.Previa a la aplicación de los materiales compuestos fue necesaria la caracterización de éstos para posteriormente, determinar su comportamiento como elemento de refuerzo. Se realizaron diversas series de ensayos en los que por una parte se aplicaron refuerzos con diferentes tipos de orientación de adherencia del material compuesto con respecto a la dirección de los esfuerzos a cortante generados en cada probeta. Por otra parte se prepararon las probetas con diferentes condiciones superficiales en la zona de cizallamiento de éstas.Una vez terminada la fase experimental se efectuó un análisis gráfico comparativo del comportamiento de cada tipo de ensayo. Después se hizo un análisis para determinar las tensiones que se transmiten a los compuestos que actúan como material de refuerzo.Las principales conclusiones estarán dirigidas a mostrar las cualidades y limitaciones de los materiales compuestos como refuerzo a cortante de elementos de hormigón, conociendo propiedades como la capacidad de carga, deformaciones, esfuerzos y tipo de fallo o colapso durante la acción de cargas. Finalmente se proponen otras posibles líneas de investigación como continuación del presente estudio. / This work has as main objective to know the behavior of the composites materials as structural elements of repair and reinforcement in concrete structures. The investigations were centered in the experimentation with two types of composites materials; polymers reinforced with fibers of Carbon and polymers reinforced with fibers of Aramida. The carried out tests were focused specifically in the study of the behavior of the composites materials as reinforcement elements under the action of shear strength in concrete elements. Previous to the application of the composites materials it was necessary the characterization of these and later on to determine the tensions that were transmitted to these materials. They were carried out diverse series of tests, where on one hand reinforcements were applied with different types of orientation of adherence of the composite material with regard to the address of the shear strength generated in each specimen. On the other hand they got ready the specimens with different superficial conditions in the area of shear of these. Once finished the experimental phase a comparative graphic analysis of the behavior of each test type was made. Then an analysis was made to determine the tensions that are transmitted to the composites that act as reinforcement material. The main conclusions will be directed to show the qualities and limitation of the composite materials as reinforcement, knowing properties like the load capacity, deformations, strength and failure type or collapse during the action of loads. Finally they intend other possible investigation lines like continuation of the present study.

En aquest treball s'ha desenvolupat un model per a l'anàlisi no lineal i evolutiva, en servei, de pòrtics plans de formigó armat o pretensat, aplicable també a estructures mixtes, que incorpora els principals fenòmens que intervenen en el seu comportament. El model es basa en una extensió de la formulació matricial per a l'anàlisi de barres (Formulació Matricial Generalitzada - FMG) aplicada a estructures reticulars planes. La contribució del formigó traccionat entre fissures (tension stiffening) es contempla mitjançant un model de fissuració distribuïda que modifica la lleii constitutiva del formigó en tracció. S'ha realitzat un estudi detallat de l'esmentat model tant en comportament instantani com diferit i es presenta una proposta par a la determinació dels coeficients que el defineixen a partir de les característiques seccionals. S'ha contemplat la construcció evolutiva tant a nivell seccional com estructural, la variació de les propietats dels materials amb el temps i la variació temporal de les accions. La generalitat de la proposta permet la incorporació del comportament diferit dels materials segons diferents formulacions i la inclusió futura de lleis constitutives no lineals per a l'acer o el formigó en compressió. El model s'ha mostrat capaç de reproduir de manera adequada els resultats obtinguts de procediments analítics, d'altres models i els d'assaigs disponibles en bases de proves de referència (benchmarks). També s'ha contrastat satisfactòriament amb els assaigs realitzats. En els exemples presentats es mostra l'aptitud per a l'anàlisi d'estructures amb un nombre relativament elevat de nusos i de barres i amb processos constructius diversos i es posa de manifest la possibilitat de realitzar estudis paramètrics per a analitzar la influència de diferents variables. La part experimental ha consistit en la construcció, instrumentació i assaig d'una biga contínua de formigó armat de dos trams amb càrregues puntuals aplicades al centre de cadascun d'ells. Poden distingir-se tres fases: càrrega fins a les condicions de servei, descàrrega i reforç, finalment, càrrega fins a la ruptura. El reforç consisteix en la incorporació de xapes metàl·liques adherides amb resines epoxídiques. La instrumentació instal·lada i els mesuraments manuals realitzats han permès seguir l'evolució de tensions, deformacions i desplaçaments. Els resultats mostrat un alt grau de concordança amb els que s'han obtingut amb el model numèric desenvolupat. / En el presente trabajo se ha desarrollado un modelo para el análisis no lineal y evolutivo, en servicio, de pórticos planos de hormigón armado o pretensado, también aplicable a estructuras mixtas, que incluye los principales fenómenos que intervienen en su comportamiento. El modelo se basa en una extensión de la formulación matricial para el análisis de barras (Formulación Matricial Generalizada - FMG) aplicada a estructuras reticulares planas. La contribución del hormigón traccionado entre fisuras (tension stiffening) se contempla mediante un modelo de fisuración distribuida que modifica la ley constitutiva del hormigón en tracción. Se ha realizado un estudio detallado de dicho modelo tanto en comportamiento instantáneo como diferido y se presenta una propuesta para la determinación de los coeficientes que lo definen a partir de las características seccionales. Se ha contemplado la construcción evolutiva tanto a nivel seccional como estructural, la variación de las propiedades de los materiales con el tiempo y la variación temporal de las acciones. La generalidad de la propuesta permite la incorporación del comportamiento diferido de los materiales según distintas formulaciones y la inclusión futura de leyes constitutivas no lineales para el acero o el hormigón en compresión. El modelo se ha mostrado capaz de reproducir de manera adecuada los resultados obtenidos de procedimientos analíticos, de otros modelos y los de ensayos disponibles en bases de pruebas de referencia (benchmarks). Asimismo se ha contrastado satisfactoriamente con los ensayos realizados. En los ejemplos presentados se muestra la aptitud para el análisis de estructuras con un número relativamente elevado de nudos y de barras y con procesos constructivos diversos y se pone de manifiesto la posibilidad de realizar estudios paramétricos para analizar la influencia de distintas variables. La parte experimental ha consistido en la construcción, instrumentación y ensayo de una viga continua de hormigón armado de dos vanos con cargas puntuales aplicadas en el centro de cada uno de ellos. Pueden distinguirse tres fases: carga hasta condiciones de servicio, descarga y refuerzo y, finalmente, carga hasta la rotura. El refuerzo consiste en la incorporación de chapas metálicas adheridas con resinas epoxídicas. La instrumentación instalada y las mediciones manuales realizadas han permitido seguir la evolución de tensiones, deformaciones y desplazamientos. Los resultados han tenido un alto grado de concordancia con los obtenidos mediante el modelo numérico desarrollado. / A model for the non-linear analysis under serviceability conditions of plane concrete frames (suitable for composite concrete - steel structures) taking into account segmental construction has been developed. The model is based in an extension of the classical matrix theory for the analysis of frames (Generalized Matrix Formulation - GMF). The contribution of the tensioned concrete between cracks (tension stiffening) is simulated by a modified constitutive law for concrete in tension. A detailed study of the model for both instantaneous and long - time behavior has been performed, and a proposal to determine the coefficients defining the uniaxial tensioned concrete constitutive relationship from sectional characteristics is presented. Segmental construction (sectional and structural), load history and temporal changing in material properties are considered in the model. The generality of the proposal allows simulating the materials time - dependent behavior using several formulations. In future development, non - linear constitutive laws for the steel and for the compressed concrete will be incorporated. The model has been able to adequately reproduce the results obtained from analytical procedures, other models and from experiments available in benchmarks. Likewise good agreement has been obtained with results from specific tests carried out for this work. An objective of the thesis was to develop a scaled - up model suitable to analyze structures with many elements and with diverse construction processes. The examples included show it as well as the possibility to make parametrical studies to analyze the influence of several variables. The experimental part of the work has consisted in the construction, instrumentation and testing of a two - span continuous reinforced concrete beam with concentrated loads at the center of each span. Three phases can be distinguished: loading until serviceability conditions, unloading and strengthening and, finally, loading until collapse. Strengthening consists in bonded steel plates using epoxy resins. The installed instrumentation and the manual measurements have allowed registering the variation of stresses, strains and displacements. The results have showed a good agreement with those obtained from the numerical model.