Embora sejam reconhecidas diversas vantagens na adição de fibras curtas de aço ao concreto (CRFA), em especial o ganho de tenacidade, pouco se sabe a respeito da fluência desses materiais compostos. Este trabalho teve como objetivo principal investigar o potencial e as dificuldades inerentes de um método de avaliação experimental da fluência pelo ensaio de vigas, como possível alternativa aos ensaios de compressão axial já consagrados. Ao mesmo tempo, considerando a nova tendência de exploração de compósitos híbridos - formados por fibras de diferentes características, de modo a obter respostas adequadas aos processos de micro e macrofissuração - tomou-se como objeto de estudo experimental um conjunto de modelos e corpos-de-prova de CRFA comum e de CRFA híbrido, este formado pela combinação de fibras de aço de diferentes comprimentos, umas mais longas e outras mais curtas. Para caracterização dos materiais, foram efetuados ensaios para determinação das principais propriedades mecânicas de interesse em distintas idades. As proporções da mistura adotada neste programa experimental foram baseadas em dados de estudos anteriores, que suscitaram investigações mais detalhadas. Entretanto, neste particular programa de ensaios, a adição das fibras, principalmente as mais curtas, acarretou maior teor de ar incorporado ao compósito, o que penalizou o seu desempenho em alguns aspectos. Os resultados desses ensaios demonstraram pouca influência das fibras sobre as propriedades de resistência à compressão, módulo de elasticidade e resistência à tração por compressão diametral. Quanto à fluência, o desempenho do CRFA e do compósito híbrido foi inferior ao da matriz. Por outro lado, notou-se maior restrição à retração do concreto com a adição de fibras. Na análise dos resultados experimentais, o estudo das flechas diferidas foi efetuado pelas correspondentes deformações, para interpretação do fenômeno por meio das curvas de fluência específica. O ajuste de resultados experimentais para curvas de fluência específica demonstrou que a fluência em vigas, apesar de apresentar - comparativamente aos modelos teóricos fundamentados em ensaios de compressão - maior taxa inicial, maiores coeficientes de fluência e estabilização aparentemente mais rápida, pode ser representada por modelos teóricos semelhantes aos usuais. As curvas de tendência determinadas para a matriz foram comparadas com aquelas derivadas de expressões dadas por normas técnicas (NBR 6118:2003 e ACI209:1982), assim como com as obtidas em simulações numéricas efetuadas como software DIANA®. A fluência também foi avaliada experimentalmente em vigas entalhadas, submetidas apenas à ação do peso-próprio, sendo estes ensaios também simulados por meio de modelagem numérica e aplicação de conceitos da mecânica da fratura. Os resultados analisados permitem dizer que há possibilidade de avaliar a fluência pela metodologia estudada, o que oferece um método alternativo para avaliação experimental da fluência. Nesta pesquisa, avaliou-se também a alteração de rigidez das vigas ensaiadas em decorrência dos efeitos do tempo, por meio de ensaios dinâmicos de vibração livre, segundo a ASTM C-215:1991a. / Despite of the well known advantages of steel fiber addition to concrete (SFRC), especially the toughness improvement, only a few number of studies has been developed about creep on these composites. The main purpose of this research is to investigate the feasibility and inherent difficulties related to a particular creep evaluation method. This method is based on beam test results and their analysis by fracture mechanics theory. It is intended to become an alternative method instead of the usual creep analysis of axial compression test results. At the same time, looking at the development of hybrid composites - made of distinct kind of fibers to obtain the best responses for micro and macrocracking - an experimental program was performed. Specimens molded with plain concrete, ordinary SFRC and hybrid SFRC were tested in flexure, the last one made of an association of short and large steel fibers. Characterization tests were performed to obtain the main mechanical properties of these materials at several ages. The mixture proportions were based in previous studies, where good performance characteristics were observed in hybrid composites. Nevertheless, in this particular test series, the addition of shorter steel fibers resulted in high air contents, what probably caused the decrease of the composite\'s performance in some aspects. The test results displayed low influence of the fiber addition on mechanical properties such compression strength, modulus of elasticity and tensile strength. Creep performance showed to be worse in the SFRC and hybrid composites than in plain concrete matrix. However, the reinforcement with steel fibers improved the shrinkage restrain. The analysis of the long-term beam deflections was made by finding the corresponding strains in the sections. Afterwards, specific creep functions were obtained by regression methods. The experimental creep functions were compared to the existing ones in literature and design codes. Despite of some differences, such as higher initial creep rate, higher creep coefficients and faster stabilization, it may be concluded that these functions represented quite well the phenomenon. Also experimental functions for plain concrete showed good results when compared to creep prediction model given by design codes, such as the Brazilian NBR 6118:2003 and ACI 209:1982. Comparison with numerical modeling results also gave satisfactory results. Creep in flexure was also evaluated by means of notched beam tests, where the sustained load was performed only by the beam self-weight. The test results were analyzed by numerical modeling and application of fracture mechanic concepts. The overall results showed the feasibility of creep assessing by the beam test method, which can be, after further detailed test series, a good alternative method instead of axial compression tests. Also dynamic free vibration tests were performed, according to ASTM C-215:1991 recommendations, to investigate the beam stiffness loss due to long term loading effects. These tests showed that modal analysis can be a helpful method in the tests, since it does not introduce damages in the test specimens.

A finite element model with discrete and explicit representation of steel fibers is applied for modeling the post-cracking behavior of Steel Fiber Reinforced Concrete (SFRC) in order to contribute on the design of beams with combined reinforcement of steel fibers and rebars (RC-SFRC beams). In this numerical approach, concrete and fibers are initially discretized in finite elements in an independent way, avoiding high computational costs due to conforming meshes. Then, coupling finite elements are introduced to describe the concrete-fiber interaction. The steel fibers are discretized using truss finite elements and their behavior described by an elastoplastic constitutive model. The position of each fiber is defined into the specimen by an uniform isotropic random distribution using as reference the concrete finite element mesh. Concrete and concrete-fiber interface are represented using three and fournoded triangular finite elements, respectively, and their behavior represented by appropriate continuum damage models integrated using an implicit-explicit scheme to enhance the robustness and to reduce the expense of computation. Firstly, the numerical tool is applied in the simulation of three-point bending tests according to EN 14651 to verify its ability to obtain the performance parameters of SFRC and for calibrating the material parameters that describe the concrete-fiber interface. Secondly, both numerical and experimental performance parameters of SFRC are used on the design of RC-SFRC beams according to fib Model Code 2010 to study their influence on the amount of bending and shear reinforcements required. Thirdly, the RC-SFRC beams designed are numerically simulated and the results are compared to the designed ones in terms of crack width, mean crack spacing, deflection and ultimate and service loads. Finally, the numerical results of small scale beams are compared to the experimental and the fib Model Code 2010 predictions to study the capability of the numerical tool to simulate the behavior of structural members. The results demonstrated that computational simulations with an appropriated approach to represent the composite may be an important tool to contribute to better understanding its behavior, extrapolating the conditions considered in laboratory and contributing on the design of SFRC structural members. / Um modelo em elementos finitos com representação discreta e explícita de fibras de aço é utilizado para modelar o comportamento pós-fissuração do Concreto Reforçado com Fibras de Aço (CRFA) com objetivo de contribuir para o dimensionamento de vigas com reforço combinado de fibras e armadura convencional (vigas de CACRFA). Na abordagem numérica utilizada para modelagem de CRFA o concreto e as fibras são inicialmente discretizados em elementos finitos de forma independente, evitando altos custos computacionais devido às malhas conformes. Então, elementos finitos de acoplamento são introduzidos para descrever a interação concreto-fibra. As fibras de aço são discretizadas utilizando elementos finitos de treliça e seu comportamento é descrito por um modelo constitutivo elastoplástico Um algoritmo para distribuição isotrópica randômica é utilizado para gerar e distribuir fibras de aço com base na malha de elementos finitos do concreto. O concreto e a interface concreto-fibra são representados utilizando elementos finitos triangulares de três e quatro nós, respectivamente, e seus comportamentos representados por uma modelos apropriados de dano contínuo integrados utilizando um esquema implícito-explícito com objetivo de aumentar a robustez a reduzir o custo computacional. Primeiramente, a ferramenta numérica é aplicada na simulação de ensaios de flexão de três pontos de acordo com EN 14651 para verificar sua capacidade de obter os parâmetros de desempenho do CRFA e para calibrar os parâmetros do material que descrevem a interface concreto-fibra. Em segundo lugar, os parâmetros de desempenho numéricos e experimentais do CRFA são usados no vigas de CA-CRFA de acordo com o fib Model Code 2010, a fim de estudar sua influência na quantidade de armadura de flexão e cisalhamento necessárias. Em terceiro lugar, as vigas de CA-CRFA são numericamente simuladas e os resultados são comparados com os dimensionados em termos de largura de fissura, espaçamento médio entre fissuras, flecha e cargas últimas e de serviço. Finalmente, os resultados numéricos de vigas de pequena escala são comparados com aqueles obtidos experimentalmente e pelo fib Model Code 2010 para estudar a capacidade da ferramenta numérica em simular o comportamento de elementos estruturais. Os resultados demonstraram que a utilização de simulações computacionais com uma abordagem apropriada para representar o compósito podem ser uma importante ferramenta para contribuir para um melhor entendimento do seu comportamento, extrapolando as condições consideradas em laboratório e contribuindo para o dimensionamento de elementos estruturais de CRFA.

Neste trabalho foi desenvolvida uma plataforma computacional para análise via método dos elementos finitos de estruturas de concreto armado convencional e reforçado com fibras de aço. A ferramenta numérica desenvolvida foi obtida por meio do acoplamento do programa FEMOOP, denominado solver com o pré e pós-processador GiD. Esse acoplamento foi possibilitado por meio da programação de um conjunto de arquivos denominados arquivos de customização, responsáveis pelo trabalho conjunto dos programas. Utiliza-se uma única interface gráfica com caixas de diálogo vinculadas ao código do solver, responsáveis por aplicar as condições de contorno do problema, tipo de análise, e aplicação dos materiais nos seus respectivos elementos finitos. Para a representação do concreto, foram implementados elementos finitos planos isoparamétricos quadrilaterais e triangulares e para as armaduras elementos finitos isoparamétricos unifilares lineares e quadráticos representados por meio do modelo discreto. Para o comportamento do concreto, foi considerado um modelo elástico não-linear com comportamento isotrópico até o limite de ruptura, acoplado a um modelo de amolecimento linear na tração. As fissuras são representadas pelo modelo de fissuração distribuída do tipo rotacional. Como critério de resistência para o concreto podem-se usar o modelo de Ottosen ou o modelo de Willam e Warnke de cinco parâmetros implementados na plataforma. Especificamente para considerar a presença de fibras de aço descontínuas na matriz de concreto, é utilizado o critério de ruptura proposto por SEOW e SWADDIWUDHIPONG (2005), que é uma alteração no meridiano de tração do critério proposto por Willam e Warnke. Para o concreto reforçado com fibras de aço fissurado considera-se o trecho pós-fissuração proposto no modelo de tração de LIM et. al (1987). As armaduras têm seu comportamento descrito através de um modelo elasto-plástico bilinear. A interação entre as armaduras e o concreto foi considerada como de aderência perfeita. Como se trata da modelagem de um material com comportamento não-linear, foi implementado para resolução das equações de equilíbrio o método de Newton-Raphson. Por fim, a plataforma final obtida foi avaliada por meio da simulação de vigas de concreto armado convencional e reforçado com fibras de aço disponíveis na literatura, que confirmaram a eficiência das implementações efetuadas. / In this work a computational platform for the analysis of reinforced concrete structures reinforced or not with steel fibers has been developed. This tool is based on the finite element method and has been obtained by the coupling of FEMOOP, denominated solver, with the pre and post-processor program GiD. The coupling has been possible by programming a set of customization files responsible for the communication between the two base programs. A single graphical interface with particular dialog boxes which are linked to the solver facilities is used to apply the boundary conditions, type of analysis, and material properties in the finite element model. For the geometrical representation of concrete elements, plane isoparametric quadrilateral and triangular finite elements have been implemented, while for the steel reinforcement bars, discrete isoparametric truss finite elements with linear end quadratic interpolation have been used. In order to model the mechanical behavior of concrete materials, a nonlinear isotropic elastic model together with a tension softening linear model has been adapted. Cracks are represented through a rotational smeared crack model. Both Ottosen and 5 parameters Willam-Warnke models can be used as the strength criterion of concrete. A failure model proposed by SEOW and SWADDIWUDHIPONG (2005), based on an adaptation of the Willam-Warnke model where a modification of the tension meridian is introduced, is used to consider the discontinuous steel fibers dispersed into the concrete mass. The post-cracking behavior of the steel fiber reinforced concrete considers the tension model proposed by LIM et. al (1987). The steel rebars have their behavior described by a bilinear elastoplastic model. A perfect bond between concrete and the reinforcing bars is assumed. For the solution of the nonlinear equations the Newton-Raphson method is used. The developed computational platform has been evaluated through a set of numerical simulations of tests performed in conventionally reinforced and steel fiber reinforced concrete beams available on the literature. These simulations confirm the efficiency of the current implementation.

La tesis se enmarca en la caracterización, a nivel material, de la fractura del hormigón reforzado con fibras de acero (SFRC) bajo solicitaciones de tracción y cortante, y sobre la determinación de parámetros que representan la tenacidad del material sometido a esos dos modos de carga. Asimismo, se han realizado ensayos hasta rotura por cortante de elementos estructurales a escala real, los cuales se han analizado utilizando formulaciones existentes en distintos códigos de diseño.El comportamiento a tracción uniaxial del hormigón reforzado con fibras de acero se caracteriza utilizando cilindros entallados, elaborados con hormigones de resistencia normal y alta, con y sin fibras de acero. La metodología se extiende también para testigos extraídos de elementos de mayor tamaño. Los resultados se utilizan para definir parámetros de tenacidad y resistencia equivalentes de post-pico utilizables para representar el comportamiento del material y para un posible diseño estructural. Además, se desarrolla un estudio paramétrico experimental, que considera diferentes variables del ensayo y forma de probetas, para definir una configuración confiable del ensayo. Se analizan los modos de rotura observados y se evalúa la respuesta tensión-ancho de fisura. Asimismo, se propone una relación tensión-apertura de fisura característica para el diseño y análisis estructural. El comportamiento a tracción uniaxial se compara también con el de flexión y tracción por compresión diametral.La fractura por cortante se estudia a nivel material, en hormigones de resistencia normal y alta, con y sin fibras de acero, utilizando la configuración de cortante directo denominada push-off. Se analizan el modo de rotura y la respuesta tensión-desplazamiento. Además, se definen parámetros basados en la tenacidad y tensiones equivalentes de cortante para una posible utilización en el diseño estructural.Con el fin de obtener resultados que validen la utilización de las fibras de acero como refuerzo de cortante y al mismo tiempo estudiar la fractura por cortante a nivel estructural, se han realizado ensayos a escala real sobre vigas de sección rectangular y en T. Se analizan las respuestas carga-flecha y carga-ancho de fisura de vigas rectangulares de hormigón reforzado con fibras de acero variando su altura y de vigas T variando las dimensiones del ala. Los resultados obtenidos experimentalmente se utilizan para verificar la aplicabilidad de los métodos de diseño existentes en el caso del hormigón reforzado con fibras de acero. Además, se presenta una propuesta para el diseño a cortante basada en la respuesta tensión-desplazamiento relativo obtenida a partir del ensayo push-off de cortante directo. / The thesis deals with the characterization of the failure of steel fiber reinforced concrete (SFRC) in tension and shear, on the material level, and the determination of parameters that represent the toughness in these two modes of failure. Tests have been performed on large-scale beams failing under shear failure, which have been analyzed using existing design code formulas. The toughness parameters determined from the material are used in the design against such failure.The uniaxial tensile behavior of SFRC is characterized using notched cylinders of normal and high strength concretes, with and without steel fibers. The methodology is also extended to cores extracted from large elements. Results are used to define toughness parameters and equivalent post-peak strengths to be used for representing the material behavior and for possible structural design. Furthermore, a parametric study considering different test variables and specimen shape is carried out in order to define a reliable test configuration. The observed modes of failure are analyzed and the stress-crack width response is evaluated. Also, a characteristic stress-crack width response is proposed for structural analysis and design. The uniaxial tension behavior is also compared with that of flexural and splitting-tension.The shear failure is studied using the direct shear push-off test configuration, in normal and high strength concretes with and without steel fibers. The mode of failure and the stress-slip and stress-crack opening responses are analyzed. Toughness parameters and equivalent shear strengths based on the test results are defined for structural design.In order to provide results for validating the use of steel fibers as shear reinforcement and for studying shear failure at the structural level, full-scale tests on rectangular and T-beams were performed. The load-deflection and load-crack width responses are analyzed and compared with results of plain concrete beam tests. The experimentally-obtained results are used to evaluate the applicability of existing design methods for steel fiber reinforced concrete. Furthermore, a proposal for shear design based on the shear stress versus slip relationship from the push-off shear test is presented.

Este trabajo de investigación presenta un estudio sobre el comportamiento de los puentes de dovelas de hormigón con pretensado exterior y juntas secas conjugadas, centrándose en el estudio de la respuesta a solicitaciones de flexión y cortante combinados, en servicio y en rotura. Se evalúa, asimismo, la posibilidad de sustituir total o parcialmente la armadura convencional de las dovelas tras la inclusión de fibras metálicas en el hormigón.Para ello se realizaron ensayos sobre paneles, para evaluar la resistencia de las juntas conjugadas, y ensayos de vigas con distinto grado de pretensado sometidas a flexión y a cortante. Tanto de vigas como de paneles, se fabricaron dos series paralelas, una realizada con hormigón convencional y otra con hormigón reforzado con fibras de acero. Tanto los resultados obtenidos en estos ensayos, como los de los ensayos encontrados en la bibliografía, se han comparado con la variada formulación existente para evaluar la capacidad resistente de las juntas secas conjugadas propuesta por distintos investigadores y normativas.De entre todos los modelos de junta estudiados, todos ellos basados en el Método de los Elementos Finitos, finalmente se han puesto a punto dos modelos para estudiar la transmisión de cortante entre juntas conjugadas. Un modelo elaborado con elementos tipo junta a los que se les confiere un comportamiento de rozamiento coulombiano y que modeliza la junta (y sus llaves conjugadas) con su geometría. Otro modelo de junta plana que modeliza el comportamiento medio de la junta en la zona de llaves con elementos tipo junta dotados de un modelo de comportamiento de rozamiento cohesivo. Estos modelos de junta han sido calibrados y aplicados al estudio de los ensayos. El primer modelo de junta ha sido aplicado al estudio de los ensayos de paneles. Los dos modelos de junta han sido aplicados al estudio de los ensayos realizados sobre vigas, de los que se ha realizado un completo análisis no lineal en teoría de segundo orden, incluyendo el comportamiento no lineal de los materiales. El modelo de junta plana ha sido usado en el estudio de dos ejemplos de puentes, uno isostático y otro continuo.De todo lo anterior se han extraído conclusiones referentes al modelo de análisis, a la resistencia de las juntas, al armado de las dovelas y al comportamiento global de este tipo de estructuras. / This work presents a study of the behaviour of segmental concrete bridges with external prestressing, focussing on the response under combined flexure and shear, in the service and ultimate limit states. The possibility of replacing entirely or partially the conventional reinforcement of the segments through the incorporation of steel fibres in the concrete is also evaluated.Tests have been performed on panels to evaluate the resistance of castellated dry joints, and on large-scale beams with different levels of prestressing for evaluating the response under flexure and shear. The tests were conducted on conventional and steel fibre reinforced concretes. The results obtained in these tests, as well as those found in the literature, have been compared with several design formulas for evaluating the load-carrying capacity of dry castellated joints. The formulas that gave the best predictions have been identified and used further in the analysis of bridge girders. Two models have been used within the framework of the Finite Element Method for simulating the transmission of shear along joints between match-cast segments. In one of the approaches, the geometry of the joints (and the shear keys) is represented with interface elements with Coulomb frictional behaviour. In the other approach, the global behaviour of the key zone of the joint is represented by flat interface elements with cohesive frictional behaviour. These joint models have been calibrated using the results of the experiments. A complete analysis was performed taking into account the geometric nonlinearities and the non-linear behaviour of the materials. The flat joint model has been used in the study of two bridges, one simply supported highway bridge and another five-span highway bridge.The results of the experimental and numerical analyses have led to significant conclusions regarding the modelling of the keys, load-carrying capacity of the joints, reinforcement detailing in the segments and the global behaviour of segmental structures with dry castellated joints.

Studies on the behavior of steel fiber reinforced concrete (SFRC) and slurry infiltrated fibrous concrete (SIFCON) to impact loading have started in recent years. Using these relatively new materials, higher values of tensile and compressive strength can be obtained with greater fracture toughness and energy absorption capacity, and therefore they carry a considerable importance in the design of protective structures. In this thesis, computational analyses concerning impact loading effect on concrete, steel fiber reinforced concrete (SFRC) and slurry infiltrated fibrous concrete (SIFCON) are conducted by the aid of ANSYS AUTODYN 11.0.0 software. In the simulations, the importance of the concrete compressive and tensile strengths, and the fracture energy, together with the target and projectile erosion parameters, were investigated on the response of concrete target and projectile residual velocity. The obtained results of the simulation trials on concrete, SFRC and SIFCON have been compared with the experimental outcomes of three concrete, two SFRC and two SIFCON specimens in terms of deformed target crater radius, depth volume and striking projectile residual velocities. The simulation analyses have shown that, compressive as well as tensile strengths of the concrete, SFRC and SIFCON specimens are of great importance on the crater volume while erosion parameters have a significant effect on the projectile residual velocity. Simulation outcomes possess a higher accuracy for concrete simulations when comparisons are made with available experimental results. This accuracy deteriorates for SFRC and SIFCON specimens. It was further concluded that related material tests of the specimens must be available in order to obtain higher accuracy.

Tiriamajame darbe nagrinėjami tempiamieji plieno plaušu armuoti gelžbetoniniai elementai. Atliekama teorinių skaičiavimo metodų literatūros apžvalga. Darbe gauti nauji eksperimentiniai tempiamųjų plieno plaušu armuotų gelžbetoninių elementų deformacijų duomenys. Iš bandymo rezultatų eliminuojamas betono susitraukimas. Patikslinami Eurokodo 2 ir Model Code tempiamųjų elementų deformacijų skaičiavimo metodai, įvertinant plieno plaušo įtaką. Liekamieji įtempiai apskaičiuojami taikant empirinį metodą. Atliekama teorinių ir eksperimentinių rezultatų palyginamoji analizė. Darbo pabaigoje pateikiami pagrindiniai rezultatai ir išvados. / In this Master Thesis investigation of steel fiber reinforced concrete members subjected to tension is performed. Literature survey on theoretical investigation methods of steel fiber reinforced concrete is done. New experimental data of steel fiber reinforced concrete members subjected to tension is obtained. Concrete shrinkage is eliminated from experimental data.Eurocode 2 and Model Code strain calculation methods of members subjected to tension are adjusted to steel fiber reinforced concrete members. Residual stresses calculated using empirical method. Comperative analysis of experimental and theoretical results is done.

Quando o concreto é submetido a ações especiais, como cargas cíclicas ou ação de cargas de impacto, modificações em sua composição são necessárias, já que o concreto não apresenta desempenho satisfatório à tração, o que compromete o seu comportamento frente à ação de cargas dinâmicas. Uma alternativa para amenizar esta deficiência consiste em adicionar fibras ao concreto. Estas atuam como reforços à tração, transformando a matriz cimentícia, tipicamente frágil, em um material que apresenta boa resistência residual após a fissuração. Buscando colaborar na avaliação da eficiência de diferentes tipos de fibras, o presente trabalho analisa o comportamento de concretos com fibras de aço, submetidos ao impacto, avaliando a influência do fator de forma, do comprimento e do teor de fibras, assim como do tamanho do agregado. São ainda analisados os efeitos da incorporação de fibras na resistência à compressão, na resistência à tração por compressão diametral, no módulo de elasticidade e na tenacidade dos compósitos. Adicionalmente, é executada uma comparação entre os resultados experimentais e os derivados de um esquema de modelagem da situação de impacto através do uso do método de elementos discretos. Buscou-se, através da modelagem teórica, executar um mapeamento dos danos, provocados por cargas de impacto incrementais, ao longo do tempo, bem como determinar as energias necessárias para levar as placas até a ruptura. Os resultados indicam que a incorporação de fibras de aço não consegue retardar o aparecimento da primeira fissura, mas aumenta significativamente a tenacidade dos compósitos. Fibras mais longas e com maior fator de forma tendem a ser mais eficientes, desde que se supere um teor de fibras mínimo, que neste trabalho ficou em torno de 100.000 fibras/m3, para fibras longas (50-60 mm) e de 400.000 fibras/m3, para fibras curtas, cuja ancoragem é menos eficiente. O método de teste de impacto por queda de esfera se mostrou adequado e sensível, porém o esquema de modelagem numérica testado necessita ser refinado para permitir uma adequada simulação do comportamento de concretos com fibras. / When submitted to special loading patterns, derived from dynamical actions such as cyclic or impact loads, concrete elements need to be reinforced, in order to resist the tensile stresses. A feasible alternative, in such cases, is to incorporate fibers in the concrete matrix. The fibers act as a tensile reinforcement, transforming the fragile cement matrix into a composite with significant post-cracking residual strength. In order to contribute with the data collection about the efficiency of different fiber types, the present research work presents an analysis of the behavior of steel fiber reinforced concretes subjected to impact loads. The work investigates the influences of changes in the shape factor, length and amount of fibers. The effects of these combinations on other basic properties of the composites, such as compression strength, split cylinder tensile strength, Young’s modulus and tenacity is also measured. Additionally, a comparison is made between the experimental results from the impact tests and the estimates obtained from a theoretical model that uses the discrete element method (DEM). This theoretical approach aimed to determine if the model was able to simulate the damage evolution over time generated by the increasing impacts loads, as well as to determine the total energy necessary to crack and break the specimens. The results obtained pointed out that the introduction of steel fibers does not affect the energy for the first crack but increases significantly the tenacity of the composite. Longer fibers, with greater shape factors, tend to be more efficient, provided that the fiber content is sufficiently high. The minimum recommended fiber content, according to the data from this research, may be around 100.000 fibers/m3, for longer fibers (50-60 mm). Or around 400.000 fibers/m3, for shorter fibers, which are not so efficient in terms of anchorage. The impact test method developed was considered adequate, being sensitive to the phenomenon and providing reliable data. The DEM model, however, needs to be refined to be able to deal with fiber concrete composites.

Quando o concreto é submetido a carregamentos especiais, como cargas cíclicas ou ação de cargas de impacto, modificações em sua composição são necessárias. Uma vez que o material não apresenta desempenho satisfatório à tração, seu comportamento frente a este tipo de carregamento acaba seriamente comprometido. Uma alternativa para amenizar esta deficiência consiste em adicionar fibras de aço ao concreto. Ao adicionar estes elementos à matriz cimentícia, promove-se meios de transferência de tensões através das fissuras, aumentando a tenacidade do material, proporcionando mecanismos de absorção, relacionados com o desligamento e o arrancamento de fibras. Um número significativo de trabalhos experimentais envolvendo os mais diversos tipos de elementos estruturais reforçados com fibras de aço está disponível, havendo, no entanto, uma forte carência sob o ponto de vista de simulações numéricas. Buscando colaborar no desenvolvimento do material, o presente trabalho propõe a aplicação do Método dos Elementos Discretos para simulação do compósito submetido a carregamentos estáticos e dinâmicos. São realizadas alterações no algoritmo do método a fim de realizar a dispersão de fibras de aço na matriz de concreto. A análise das condições de contorno utilizadas em trabalho anterior revela a necessidade de aplicação de apoios elásticos sob pena de superestimar a rigidez do modelo. Os diagramas carga versus deslocamento que resultaram dos ensaios estáticos demonstram que o modelo criado é sensível à adição de fibras: maiores teores conduzem a modelos com maior tenacidade. O ensaio de impacto também se mostrou sensível e o padrão de fissuração encontrado nas simulações revelou uma boa aproximação com ensaios experimentais anteriores. / When submitted to special loading patterns, derived from dynamical actions such as cyclic or impact loads, some alterations in the concrete constitution need to be done, since the material don’t have an adequate behavior under tensile stress. A feasible alternative, in such cases, is to incorporate steel fibers in the concrete matrix. Adding these elements, stress transference mechanisms along the cracks are promoted, increasing the material tenacity. An expressive number of experimental works involving all the kinds of steel fiber reinforced concrete structural elements are available. However, few researches based on numerical methods are found in the literature. In order to contribute with the data collection and the development of the material, the present research work proposes the application of the Discrete Element Method to simulate the composite subjected to static and dynamic loads. Some modifications are made on the method algorithm trying to create the dispersion of fibers in the concrete matrix. The analysis of the boundary conditions used on previous work reveal the importance of using elastic support to don’t overestimate the stiffness of the model. The diagram load versus displacement that came from the static simulations shows that the model is sensible to the addition of fibers: higher proportions of fiber leads to models with higher tenacity. The impact tests also demonstrate sensibility and the crack pattern found on the simulations presented a very good approximation to previous experimental work.

Quando o concreto é submetido a ações especiais, como cargas cíclicas ou ação de cargas de impacto, modificações em sua composição são necessárias, já que o concreto não apresenta desempenho satisfatório à tração, o que compromete o seu comportamento frente à ação de cargas dinâmicas. Uma alternativa para amenizar esta deficiência consiste em adicionar fibras ao concreto. Estas atuam como reforços à tração, transformando a matriz cimentícia, tipicamente frágil, em um material que apresenta boa resistência residual após a fissuração. Buscando colaborar na avaliação da eficiência de diferentes tipos de fibras, o presente trabalho analisa o comportamento de concretos com fibras de aço, submetidos ao impacto, avaliando a influência do fator de forma, do comprimento e do teor de fibras, assim como do tamanho do agregado. São ainda analisados os efeitos da incorporação de fibras na resistência à compressão, na resistência à tração por compressão diametral, no módulo de elasticidade e na tenacidade dos compósitos. Adicionalmente, é executada uma comparação entre os resultados experimentais e os derivados de um esquema de modelagem da situação de impacto através do uso do método de elementos discretos. Buscou-se, através da modelagem teórica, executar um mapeamento dos danos, provocados por cargas de impacto incrementais, ao longo do tempo, bem como determinar as energias necessárias para levar as placas até a ruptura. Os resultados indicam que a incorporação de fibras de aço não consegue retardar o aparecimento da primeira fissura, mas aumenta significativamente a tenacidade dos compósitos. Fibras mais longas e com maior fator de forma tendem a ser mais eficientes, desde que se supere um teor de fibras mínimo, que neste trabalho ficou em torno de 100.000 fibras/m3, para fibras longas (50-60 mm) e de 400.000 fibras/m3, para fibras curtas, cuja ancoragem é menos eficiente. O método de teste de impacto por queda de esfera se mostrou adequado e sensível, porém o esquema de modelagem numérica testado necessita ser refinado para permitir uma adequada simulação do comportamento de concretos com fibras. / When submitted to special loading patterns, derived from dynamical actions such as cyclic or impact loads, concrete elements need to be reinforced, in order to resist the tensile stresses. A feasible alternative, in such cases, is to incorporate fibers in the concrete matrix. The fibers act as a tensile reinforcement, transforming the fragile cement matrix into a composite with significant post-cracking residual strength. In order to contribute with the data collection about the efficiency of different fiber types, the present research work presents an analysis of the behavior of steel fiber reinforced concretes subjected to impact loads. The work investigates the influences of changes in the shape factor, length and amount of fibers. The effects of these combinations on other basic properties of the composites, such as compression strength, split cylinder tensile strength, Young’s modulus and tenacity is also measured. Additionally, a comparison is made between the experimental results from the impact tests and the estimates obtained from a theoretical model that uses the discrete element method (DEM). This theoretical approach aimed to determine if the model was able to simulate the damage evolution over time generated by the increasing impacts loads, as well as to determine the total energy necessary to crack and break the specimens. The results obtained pointed out that the introduction of steel fibers does not affect the energy for the first crack but increases significantly the tenacity of the composite. Longer fibers, with greater shape factors, tend to be more efficient, provided that the fiber content is sufficiently high. The minimum recommended fiber content, according to the data from this research, may be around 100.000 fibers/m3, for longer fibers (50-60 mm). Or around 400.000 fibers/m3, for shorter fibers, which are not so efficient in terms of anchorage. The impact test method developed was considered adequate, being sensitive to the phenomenon and providing reliable data. The DEM model, however, needs to be refined to be able to deal with fiber concrete composites.