[pt] O fenômeno de fluência em compósitos reforçados com fibras é particularmente importante quando são utilizadas macro fibras sintéticas, que devido ao seu baixo módulo de elasticidade, apresentam comportamento viscoelástico pronunciado mesmo em temperatura ambiente, o que pode levar a alterações no controle de fissuração ao longo do tempo. Testes de arrancamento são comumente usados para prever interações fibra-matriz e neste trabalho foram realizados para cargas de curto e longo prazo em três tipos de macro fibras sintéticas. Diferentes níveis de cargas de longo prazo (20, 30, 40 e 50 por cento da carga máxima de arrancamento em curta duração) e ângulos de orientação das fibras (15 graus celsius, 30 graus celsius e 45 graus celsius) em relação à direção da carga foram considerados para investigar a influência desses parâmetros na interação entre macro fibras sintéticas e matriz. Macro fibras com superfícies onduladas e maior módulo de elasticidade alcançaram maiores tensões de aderência e menores deformações por fluência. Em testes de curto prazo, imagens de microscopia óptica foram obtidas nas fibras arrancadas para correlacionar a degradação superficial das fibras com as curvas de tensão versus deformação. No arrancamento quase estático (curto prazo), foram observadas pequenas reduções na resistência ao arrancamento à medida que o ângulo foi aumentado para todas as fibras, além de uma intensa degradação de suas superfícies devido ao significativo efeito de polia. Em contraste, para os testes de longo prazo, foi observada uma redução da fluência com o aumento do ângulo de inclinação da fibra causada pela redução da fluência da fibra devido ao carregamento não axial e componentes de força adicionais produzidos pelo desvio da força axial. O modelo viscoelástico de Burgers foi aplicado e apresentou boa concordância com as curvas de fluência experimentais, consistindo, portanto, em uma alternativa promissora para modelar o comportamento de longo prazo de fibras individuais. Imagens de microtomografia e microscopia eletrônica de varredura mostraram que uma parte da deformação em tração, sob carga sustentada, pode ser atribuída à fluência da própria fibra, tornando desafiador estimar a fluência deste tipo de compósito, dada a considerável variabilidade de configurações de fibra. / [en] The creep phenomenon in fiber-reinforced composites is particularly important when macro synthetic fibers are used, due to their low modulus of elasticity, exhibit pronounced viscoelastic behavior even at room temperature, which can lead to changes in the cracking control over time. Pullout tests are commonly used to predict fiber–matrix interactions and in this work were conducted for short- and long-term on three types of polymeric macro fibers. Different levels of long-term loads (20, 30, 40 and 50 percent of the maximum short-term pullout load) and fiber orientation angles (15 degrees celsius, 30 degrees celsius, and 45 degrees celsius) with respect to the direction of the load were considered to investigate the influence of these parameters on the interaction between macro synthetic fibers and matrix. Macro fibers with crimped surfaces and higher modulus of elasticity achieved higher bond stresses and lower creep deformations. In short-term tests, optical microscopy images were obtained on the pulled-out fibers to correlate the surface degradation of the fibers with the stress versus strain curves. In quasi-static pullout (short-term), small reductions in pullout strength were observed for all fibers and angles, in addition to an intensive degradation of their surfaces owing to the significant snubbing effect of this type of fiber. In contrast, for the long-term tests, a creep reduction was observed with increasing fiber inclination angle caused by the creep reduction of the fiber due to non-axial loading and additional force components produced by the deviation of the axial force. The Burgers viscoelastic model was applied and showed good agreement with the experimental creep curves, therefore consisting of a promising alternative for modeling the long-term behavior of individual fibers. Microtomography and scanning electron microscopy images showed that a large portion of the strain in tension, under sustained load, can be attributed to the creep of the fiber itself, thus making it challenging to estimate the creep of this type of composite, given the considerable variability of fiber configurations.

[pt] A interação entre o cimento e outros constituintes desempenha um papel importante em várias aplicações de Engenharia, como nas indústrias de construçãocivil e de óleo e gás (OeG). Na indústria da construção, os compósitos cimentícios reforçados com fibras (CRF) ganharam grande destaque por suas excelentes propriedades mecânicas. As fibras podem aumentar a resistência crítica à fissuração do compósito, melhorando a durabilidade do concreto convencional e controlando a propagação de fissuras na matriz cimentícia. Além disso, as fibras desenvolvem um mecanismo de ponte de transferência de tensões na interface, alterando o comportamento pós-pico do compósito. Por outro lado, na indústria de OeG, cimento e aço são elementos estruturais essenciais que devem garantir a integridade de poços e fornecer isolamento para a passagem de fluidos, especialmente em cenários de abandono. Esse mecanismo na interface é considerado crítico, uma vez que uma interação não eficaz pode permitir a formação de caminhos de vazamento no microanular ao longo da interface cimento-aço, gerando a formação de fissuras. Neste sentido, um estudo abrangente dos mecanismos de dano desenvolvidos na interface do cimento é essencial em ambas as aplicações para entender o comportamento mecânico do material. Portanto, faz-se necessário o desenvolvimento de modelos de elementos finitos que considerem os mecanismos de pullout (descolamento, adesão e atrito) e os parâmetros de interface que governam o comportamento mecânico local do cimento. Embora existam numerosos estudos experimentais e modelos numéricos na literatura, o estado-da-arte atual carece de formulações que investiguem os mecanismos de mapeamento de dano e as interações de transferência de tensão na interface do cimento, especialmente considerando diferentes tipos de matriz de cimento e geometrias de fibra de aço.Esta tese aborda uma lacuna crítica na literatura ao propor a modelagem numérica do descolamento interfacial e mecanismos de evolução de dano para materiais cimentícios avançados e em aplicações de integridade de poços. Modelos de elementos finitos elastoplásticos, incorporando formulações coesivas baseadas em superfícies de contato, são empregados para simular o comportamento da interface do cimento. Além disso, ensaios experimentais de caracterização mecânica e análises de microtomografia são realizados para validar e apoiar os resultados do modelo numérico, avaliando a resistência ao cisalhamento e a propagação de dano na interface do cimento. Assim sendo, esta pesquisa pode oferecer contribuições para engenheiros de diferentes áreas aprimorarem o desempenho mecânico e prototipar novos materiais avançados por meio da investigação da evolução do dano. Os modelos de elementos finitos desenvolvidos emergem como ferramentas valiosas para avaliações de desempenho do cimento de maneira eficaz, simulando confiavelmente o comportamento de pullout/pushout. / [en] The interaction between cement and other constituents plays an important role in several engineering applications, such as in the construction and oil and gas (OandG) industries. In the construction industry, fiber-reinforced cementitious composites (FRC) have gained wide prominence for their excellent mechanical properties. Fibers can increase the post-cracking strength of the composite, improving concrete durability and controlling crack propagation in the cement matrix. Moreover, they perform a bridging mechanism at the interface, changing the material post-peak behavior. On the other hand, in the OandG industry, cement and steel are essential structural elements that should ensure well integrity and provide zonal isolation. This interaction is considered critical since a strong bond may prevent the generation of microannulus leakage paths along the cement and steel interface, which also can lead to crack propagation. In this sense, a comprehensive study of the damage mechanisms developed at the cement interface is essential in both applications to understand the material mechanical behavior. Therefore, it is possible to develop finite element models that consider the pullout mechanisms (debonding, adhesion, and friction) and the interface parameters that govern the local mechanical behavior of cement. While numerous experimental studies and numerical models exist, the current state-of-the-art lacks formulations investigating damage mapping and stress transfer interactions at the cement interface, particularly considering different cement matrix types and steel fiber geometries. This thesis addresses a critical gap in the literature by proposing the numerical modeling of interfacial debonding and damage evolution mechanisms for cement advanced materials and well integrity applications. Elastoplastic finite element models, incorporating surface-based cohesive formulations with contact, are employed to simulate cement interface behavior. Additionally, mechanical characterization tests and microCT analyses are conducted to validate and support the numerical model results, assessing shear strength and damage propagation at the cement interface. Therefore, this research can offer insights for engineers across disciplines to enhance mechanical performance and prototype new advanced materials by damage evolution investigation. The developed finite element models emerge as valuable tools for cost-effective evaluations of cement performance through reliably simulating pullout/pushout behavior.

[pt] Um dos métodos adotados para a caracterização das ligações mistas semirrígidas é o método das componentes descrito no Eurocode 3 e no Eurocode 4. O modelo de componentes desenvolvido nesse método considera para a contribuição mista à incorporação da componente da barra de armadura, aspectos relativos ao concreto e a resistência do conector. Porém, o modelo é baseado em suposições ainda não totalmente estudadas quanto à resposta estrutural da parcela mista da ligação, principalmente em regiões de momento negativo. Todo esse aspecto tem limitado o uso do método para o projeto de estruturas mistas. Esse fato motivou a concepção e o desenvolvimento de um programa experimental para investigar as ligações em estruturas mistas, por meio de testes de pull out, considerados os modos de falha devido a ruptura da barra, da ancoragem da barra e da solda dos conectores. Adicionalmente, foi realizada uma investigação da influência da solda dos conectores devido a falha desse elemento no decorrer de alguns ensaios. Os resultados dos ensaios desenvolvidos permitiram que conclusões gerais pudessem ser determinadas e possibilitaram um maior conhecimento sobre a solda e seus impactos ao sistema. A correta utilização de soluções de ligações mistas pode aumentar a competitividade do sistema estrutural, propiciando construções mais econômicas e eficientes. / [en] One of the methods adopted for the characterization of the composite semirigid joints is the method of the components described in Eurocode 3 and Eurocode 4. The model developed in the method considered for the composite contribution the incorporation of reinforcement bar components, aspects related to the concrete and the connector strength. However, the model is based on not fully validated assumptions as to structural response of the composite portion of the joint, mainly negative moment areas. All this aspect has limited the use of the method for the design of composite structures. This fact encouraged to the conception and development of an experimental program to investigate joints in composite structures, by means of pull out tests, considering the failure modes due to rupture of the reinforcement bar, of the anchorage of the bar, and of the weld connectors. Additionally was made a research of the weld connectors influence due to failure of this element in the course of a few pull out tests. The results of the tests developed have allowed general conclusions could be determined and made possible a better understanding of the weld and its impacts to the system. The correct use of composite joints solutions can increase the competitiveness of the structural system, providing more economical and efficient buildings