[pt] O futuro aponta para um crescente emprego do concreto de alto desempenho e da incorporação de fibras no concreto. O concreto de alto desempenho por suas maiores resistência e durabilidade e as fibras por conseguirem dar ductilidade e tenacidade aquele produto extremamente frágil. Recentemente foi publicada no Brasil a proposta de revisão da NBR6118, chamada de nova NB1. Nela novas relações constitutivas para o concreto estão indicadas, assim como foram modificados processos de dimensionamento. Neste trabalho foi feita a experimentação de três séries de vigas de concreto de alto desempenho nas quais foram incorporadas três tipos de fibras: aço, polipropileno e sisal. Nas peças da primeira série, a ruptura foi atingida por cisalhamento. Já as vigas das segunda e terceira séries foram concebidas de sorte a se atingir o estado limite último por flexão. Apresentam-se algumas considerações sobre o desempenho das vigas e a performance das fibras. Utiliza-se a formulação da nova NB1 para prever o comportamento das peças estruturais. Faz-se uma análise a respeito do esforço cortante resistente de cálculo e do momento fletor resistente de cálculo utilizando-se também expressões das normas Norueguesa, Canadense e Neo Zelandeza. Os resultados mostram que as fibras interferem pouco nos esforços resistentes nos estados limites últimos. As fibras de aço apresentaram ligeira e benéfica influência no esforço cortante resistente de cálculo. Também indicam que a formulação da nova NB1 pode em muitos casos ser adequada mesmo para concretos de resistência característica superiores a 50MPa, com e sem fibras. Em outros casos, como no dimensionamento ao esforço cortante, pode ser contra a segurança. As fibras de sisal promovem um esmagamento mais brando do concreto, apresentando um potencial que merece ser melhor investigado e explorado. / [en] The future is directed to an increasing use of high performance concrete reinforced with fibers. The former due to its improved durability and strength, and the latter due to its ability to give ductility and tenacity to such a fragile product. Recently reviewed draft of the NBR 6118, called new NB1, was published. New constitutive laws for concrete and design procedures were incorporates. In this work, three series of steel reinforced high performance concrete beams with three types of fibers steel,polypropylene and sisal) were tested. The first series of beams attained shear rupture. In the second and third series, the beams were reinforced so as to attain the ultimate limit state by flexure. The behavior of the beams subjected to two point loads is discussed. The formulation presented by new NB1 to foresee the behavior of the structural elements is used. An analysis concerning shear and flexural moment design is also made using the procedures from Norway, Canada and New Zeland codes. Results show that fibers have low influence on resistant shear and moment in the ultimate limit states. The steel fibers presented a slightly and beneficial influence on the resistant shear force. The results also show the new NB1 code may in several cases be adequate to concrete with strength reaching more than 50MPa, with or without fibers. In other cases, as in shear design, it can be against safety. The sisal fibers promote a soft crushing of the concrete, presenting a potential which deserves further investigation.

[pt] Neste trabalho é realizada uma investigação experimental sobre os efeitos de cargas de impacto sobre a resistência de aderência entre o compósito de fibras de carbono e o concreto. O objetivo foi verificar a influência da taxa de carregamento sobre a resistência de aderência. O programa experimental consistiu em ensaios de quarenta e cinco corpos-de-prova, constituídos de blocos de concreto e tiras de fibras de carbono coladas nas laterais opostas dos blocos. As variáveis de estudo foram a resistência à compressão do concreto (25 MPa, 45 MPa e 65 MPa) e a taxa de carregamento que variou de um mínimo de 1,92 MPa/s (estático) para um máximo de 438685 MPa/s (dinâmico). Os resultados dos ensaios mostraram que a resistência de aderência foi afetada pela taxa de carregamento. / [en] An experimental investigation on the effects of impact loading on the bond strength between carbon fiber composite and concrete is described in this work. The objective was to verify the influence of loading rate on the bond strength. The experimental program consisted on testing of forty five specimens made of concrete blocks and carbon fiber strips glued on opposite sides of the block. The variables studied were the concrete compressive strength (25 MPa, 45 MPa and 65 MPa) and loading rate which varied from a minimum of 1,92 MPa/s (static) to a maximum of 438685 MPa/s (dynamic). Test results showed that the bond strength was affected by loading rate.

[pt] O emprego de concretos de diferentes resistências em pilares e nos demais elementos do edifício, sendo o concreto dos pilares o de maior resistência, tem sido uma opção adotada em algumas edificações. Nas construções em geral, o concreto do pavimento é colocado continuamente atravessando o nó pilar-pavimento. Como resultado, o concreto da parte do pilar na região de encontro entre o pavimento e o pilar tem uma resistência menor do que no resto do pilar. Como, em geral, esta região do pilar se encontra confinada pelo pavimento, surge então a dúvida sobre qual é a resistência à compressão que se deve utilizar no cálculo do pilar; se deve ser a do pilar, a do pavimento ou um valor intermediário. O objetivo do trabalho é estudar experimentalmente a influência do confinamento do nó em pilares interceptados por vigas. As variáveis adotadas foram a taxa de armadura e a deformação específica inicial na armadura longitudinal das vigas. Nesta tese foram estudados experimentalmente quatro espécimes com vigas nas duas direções e oito espécimes com vigas em uma direção. Também foram ensaiados dois pilares isolados e homogêneos, um com concreto de mesma resistência à compressão do concreto utilizado no pilar e outro com concreto com resistência igual à resistência do concreto das vigas. As resistências nominais dos concretos das vigas e dos pilares foram 30 MPa e 70 MPa respectivamente. Os resultados indicaram que o confinamento promovido por vigas nas duas direções resulta num aumento significativo na carga de ruptura. O aumento da taxa de armadura das vigas aumenta a capacidade final somente nos espécimes com vigas nas duas direções. A influência da deformação inicial na armadura das vigas é inexpressiva. / [en] The use of concretes with different strengths in columns and in the others elements of the floor, with the columns having the concrete with the highest strength, has been an option adopted in some buildings. In general, the concrete of the floor is poured continuously crossing the floor-column joint. As a result, the concrete strength in the joint region is lower than the concrete strength of the rest of the column. Since, in general, the joint region is confined by the floor, a doubt on the effective strength of the joint remains. The objective of the present work was to study experimentally the influence of the lateral confinement in the joint region of columns intercepted by beams. The variables were the reinforcement ratio and the initial strain in the tension reinforcement of the beams. In the present thesis, four specimens with beams in one direction and eight specimens with beams in two directions were studied experimentally. In addition, two isolated columns were also tested, one with concrete of same strength of the concrete of the columns and other with concrete of same strength of the concrete of the beams. The compressive concrete strength of the beams and columns were 30 MPa and 70 MPa respectively. The results indicated that the confinement provided by beams in two directions causes a significant increase of the failure load. The increase of the tension reinforcement ratio of the beams increases the failure load only in specimens with beams in two directions. The initial strain in the tension reinforcement of the beams has no effect on the ultimate capacity of the specimens.

[pt] A presente tese de doutorado tem como origem o projeto de pesquisa Aneel PD-0394-1905/2019, realizado a partir de uma colaboração entre Furnas e PUC-Rio. A principal meta desse grande projeto de pesquisa está no desenvolvimento do concreto reforçado com fibras visando sua aplicação em elementos estruturais que estão submetidos à fadiga na flexão ao longo de toda sua vida útil, como torres eólicas, pavimentos e elementos de pontes. Dessa maneira, ao longo de todo essa tese doutorado, a degradação mecânica do concreto reforçado com fibras sob fadiga é analisada em detalhe desde a escala da fibra em ensaios de arrancamento até a escala estrutural através de testes mecânicos de fadiga em larga escala. A primeira etapa desse estudo traz uma análise do comportamento à fadiga do concreto reforçado com fibras. A vida à fadiga desse material é estudada através de diferentes modelos estatísticos, que garantem avaliar a falha do material baseada em uma probabilidade falha. Já os ensaios de fadiga no arrancamento ajudam a explicar na escala interface fibra-matriz como ocorre a ruptura dos prismas sob carregamentos cíclicos. Uma segunda fase desse trabalho mostra a degradação mecânica de vigas armadas sob fadiga e o impacto da adição de fibras nos principais parâmetros de interesse. A adição do reforço fibroso é responsável por causar uma redistribuição de tensões na zona tracionada do elemento estrutural, diminuindo as deformações da armadura longitudinal e amenizando a degradação mecânica do concreto armado em termos de curvatura, deslocamento e rigidez. Além disso, a adição de fibras também é responsável por incrementar significativamente a aderência da barra de aço ao redor da matriz de concreto. Fator chave para explicar a melhora da resposta mecânica da estrutura sob fadiga e estudada nessa tese de doutorado através dos ensaios de arrancamento da barra aço. Por fim, uma nova solução analítica foi desenvolvida para avaliar a degradação mecânica dos prismas de concreto reforçado com fibras sob fadiga. As curvas analíticas propostas se adequaram de forma bem sucedida os resultados experimentais analisados nesse trabalho. A adição de fibras apresentou grande potencial visando uma diminuição da degradação mecânica das estruturas de concreto armado submetidas a carregamentos cíclicos. A redistribuição de tensões na zona tracionada devido às fibras promove uma maior rigidez da estrutura sob fadiga, uma melhora da aderência da armadura e uma maior capacidade de resistir aos ciclos de fadiga ao longo do tempo. Esse ganho mecânico com o reforço fibroso, portanto, pode garantir maior vida útil das estruturas em concreto armado. / [en] This doctoral thesis originates from the research project Aneel PD-0394- 1905/2019, carried out through a collaboration between Furnas and PUC-Rio. The main objective of this extensive research project is the development of fiber reinforced concrete for distinct structural application which are subjected to continuous flexural fatigue loading along their useful life, such wind tower endeavors, concrete pavements and bridge elements. The addition of fibers in the concrete mix has the potential to mitigate the mechanical deterioration along the continuous load cycles, enhancing, as a consequence, the durability and the fatigue life of the cited concrete structural elements. Throughout this doctoral thesis, the mechanical degradation of fiber reinforced concrete under fatigue is carefully analyzed, starting from the fiber scale with pull-out tests and going up to the structural scale through large-scale fatigue mechanical tests. The first stage of this study involves an analysis of the mechanical behavior of fiber reinforced concrete under fatigue loading. The material fatigue life is examined using different statistical models, which allow evaluating material failure based on a failure probability. Fatigue pull-out tests help explain, at the fiber-matrix interface scale, how the prisms rupture under cyclic loading. A second phase of this work demonstrates the mechanical degradation of reinforced structural beams under fatigue and the impact of fiber addition on key concerned parameters. The addition of fiber reinforcement causes a redistribution of stresses in the tension zone of the structural element, reducing the deformations of the longitudinal rebar and mitigating the mechanical degradation of reinforced concrete in terms of curvature, displacement and stiffness. Furthermore, fiber addition significantly improves the bond between the steel bar and the surrounding concrete matrix, a key factor in explaining the enhanced mechanical response of the structure under fatigue, as studied in this doctoral thesis through rebar pull-out tests. Finally, a new analytical solution was developed to assess the mechanical degradation of fiber reinforced concrete prisms under fatigue loads. The proposed analytical curves successfully fit the experimental results analyzed in this work. The addition of fibers showed great potential in reducing the mechanical degradation of reinforced concrete structures subjected to cyclic loading. The stress redistribution in the tension zone, caused by the fibers, promotes greater stiffness of the structure under fatigue, improves the bond with the reinforcement and enhances the ability to withstand fatigue cycles over time. Therefore, the observed enhancement of mechanical properties through fiber reinforcement can ensure a longer service life for reinforced concrete structures.

[pt] Trata-se de um estudo experimental do comportamento de pilares de alta resistência submetidos à flexão composta reta e oblíqua. Foram ensaiados oito pilares com seção transversal de 25x15 cm e comprimento de 300 cm, compondo duas séries de 4 pilares cada uma. Na primeira série, a resistência do concreto foi de 40 MPa e os quatro pilares foram ensaiados à flexão composta oblíqua. Na segunda série, a resistência do concreto foi de 70 MPa e os quatro pilares foram ensaiados à flexão composta reta. Em cada série, a variável foi a taxa de armadura longitudinal que assumiu os valores 1,3%, 2,1%, 3,2% e 4,3%. A finalidade foi verificar os valores da excentricidade de segunda ordem que devem ser considerados no dimensionamento de pilares de concreto de alta resistência. Os resultados experimentais foram comparados com os obtidos pelos métodos do Pilar Padrão com Curvatura Aproximada e do Pilar Padrão com Rigidez Aproximada que constam na NBR 6118:2003. Essa comparação mostrou que o método da curvatura aproximada apresenta valores das excentricidades de 2ª ordem próximos dos reais no caso de pilares submetidos à flexão composta reta e oblíqua, enquanto que o método da rigidez aproximada é contra a segurança só na maioria dos ensaios de pilares submetidos à flexão composta reta. / [en] This work presents an experimental study of the behavior of slender high strength concrete columns under uniaxial and biaxial eccentric compression loads. Eight columns with cross-section of 15x25 cm and height of 300 cm were tested, divided into two series. In the first series, the concrete strength was 40 MPa and the four columns were tested under biaxial compression. In the second series, the concrete strength was 70 MPa and the four columns were tested under uniaxial compression. In each series, the variable was the longitudinal reinforcement ratio which assumed the values 1,3%, 2,1%, 3,2% e 4,3%. The objective was to verify the values of the eccentricity of second order that should be taken into account in the design of slender high strength concrete columns. The experimental results were compared with theoretical results obtained by the models of the approximated curvature and approximated stiffnes methods prescribed in the NBR 6118:2003 code. This comparison showed that the method of curvature approximate present values of the eccentricities of second order close to the real in the case of columns under uniaxial and biaxial eccentric compression loads, while the method of stiffness approximate is lower security in columns under uniaxial eccentric compression load.

[pt] A crescente demanda por reforços em estruturas de concreto motivou a elaboração deste trabalho. Este estudo consiste na comparação entre modelos para o cálculo da parcela da força cortante resistida pelo reforço externo e na implementação computacional de um procedimento numérico para o dimensionamento da área de reforço à força cortante utilizando a NBR 6118, o modelo da treliça generalizada e a teoria do campo de compressão. Os objetivos deste estudo são: fornecer um melhor conhecimento dos materiais utilizados, promover um melhor entendimento dos parâmetros atuantes na interação do concreto com os materiais compósitos e sistematizar o dimensionamento para obtenção da área necessária de reforço com compósitos de fibras de carbono. A análise dos modelos de cálculo da resistência à força cortante e do dimensionamento da área de reforço foi feita através da comparação dos resultados teóricos com resultados experimentais encontrados na literatura. O modelo para o cálculo da parcela da força cortante resistida pelo reforço externo publicado por Chen e Teng em 2003 foi utilizado na implementação computacional por ser o modelo que apresentou melhor desempenho na comparação. As comparações entre os resultados teóricos do dimensionamento e os resultados experimentais da literatura indicaram a necessidade de se avançar nos estudos para a elaboração de um modelo apropriado para o dimensionamento da área de reforço à força cortante com compósito de fibras de carbono. / [en] The increasing demand for reinforcement of concrete structures using carbon fiber composites was the main motivation of this work. This study consists of the comparison of different models that compute the contribution of the external reinforcement to the shear capacity of the beams, and of the implementation of a numerical procedure for the shear design of strengthened beams using the Brazilian code NBR 6118, the generalized truss model and the compression field theory. The objectives of this study are to supply a better knowledge of the materials used in the strengthening, to promote a better understanding of the parameters that act in the interaction between the concrete and the composite, and to systematize the design in order to obtain the carbon fiber composite cross-section area necessary for the reinforcement. The analysis of the shear reinforcement design models for determining the cross-section area of the carbon fiber composite was developed comparing the analytical results with the experimental results found in literature. The Chen and Teng model, published in 2003, for computing the contribution of the external reinforcement to the shear capacity of the beams, was used in the computational implementation due to the fact that it presented the best performance. Comparing the analytical results obtained by the theoretical model with the experimental results found in literature, the investigations showed the necessity of further studies regarding the implementation of a more appropriate model for the design of the shear reinforcement, and for a more precise computation of the cross-section area of the carbon fiber composite reinforcement.

[pt] O objetivo foi estudar a aderência entre o compósito de fibra de carbono (CFC) e o substrato de concreto, em corpos-de-prova compostos de cubos de concreto, por meio do ensaio de tração-compressão. Foram ensaiados 18 corposde- prova compostos de dois cubos de concreto (móvel e fixo) ligados por tiras de CFC coladas às suas laterais opostas onde a região à ser estudada foi devidamente instrumentada. Os parâmetros estudados foram a resistência do concreto, o tipo de carregamento (monotônico crescente e carregamento em ciclos de carga e descarga) e as diferentes superfícies do concreto (superfície lisa e superfície rugosa). Os resultados dos ensaios mostraram que para as diferentes resistências à compressão do concreto no intervalo estudado não se obteve uma formulação que indicasse a influencia da resistência à compressão sob a resistência última de aderência, para a qual foi obtido um valor característico igual a 1,44 MPa. Foram medidas as deformações específicas do CFC assim como do concreto, com as quais foram calculadas as tensões de aderência e as deformações específicas. Com os resultados experimentais foram obtidos gráficos e curvas de ajuste para energia de fratura vs. resistência de aderência. Com o critério de Coulomb-Mohr generalizado pode-se estimar como valor inicial a resistência de aderência da ordem de 30% da tensão tangencial máxima resistida pelo substrato de concreto. / [en] The purpose of this work was study the bond between the composite of fiber carbon (CFC) and the concrete substratum. A total of 18 tension-compression tests on specimens with two concrete cubes (fixed and movable) linked by fiber carbon on opposites sides were performed. The area to be studied was properly monitored. The variables of these tests were the concrete strength, the loading type (monotonic loading and loading/unloading cycles), and different concrete surfaces (smooth face and rough face). The test results showed that in the interval analyzed, could not be obtain a formulation that indicates the influence of ultimate bond stress on concrete strength. A characteristic value of 1,44 MPa was obtained for the ultimate bond stress. The specific deformations of CFC and concrete were measured, allowing to calculate the bond stress and the corresponding mean strain. The experimental results provided graphs and adjustment curves for energy of fracture vs. bond stress. With the Coulomb- Mohr criteria it can be considered as initial value for bond stress 30% of the concrete mean shear strain.

[pt] Este trabalho compara o projeto ótimo determinístico (DDO) com o projeto ótimo baseado em confiabilidade (RBDO) de pórticos planos de concreto armado. A estrutura é modelada por uma malha de elementos finitos usando elementos de barras e considerando a não-linearidade geométrica e dos materiais. Na formulação do problema de otimização proposto as variáveis de projeto são definidas para cada elemento finito da malha. Elas são as armaduras superior e inferior das seções transversais de extremidade do elemento, a altura da seção do elemento, as áreas de armadura transversal e o parâmetro D usado para descrever os estados limites últimos de acordo com a norma brasileira NBR 6118 (ABNT, 2004). Os algoritmos de otimização utilizados são os de programação quadrática seqüencial (PQS), programação linear seqüencial (PLS) e o método das direções viáveis (MDV). As variáveis randômicas do problema de RBDO são a resistência à compressão do concreto, as resistências à tração e à compressão do aço, assim como as cargas aplicadas. As funções de comportamento são de dois tipos, a primeira é relativa à carga crítica da estrutura e a segunda ao controle de deslocamento para o estado limite de utilização. Para o cálculo da probabilidade de falha de uma função de comportamento, em cada iteração do problema de RBDO, o método FORM (PMA) utilizará o algoritmo HMV para obtenção do ponto de projeto. Análise de sensibilidade é feita pelo método analítico. / [en] This work compares the Deterministic Design Optimization (DDO) with the Reliability-Based Design Optimization (RBDO) of reinforced concrete plane frames. The structure is modeled by a finite element mesh using bar elements and considering both geometric and material nonlinearities. In the formulation of the proposed optimization problem the design variables are defined for each element of the finite element mesh. They are the areas of tensile and compressive reinforcement at the element ends, the depth of the element rectangular cross-section, the areas of shear reinforcement, and the parameter D used to describe the deformation limit sates for the element cross-sections defined according to the Brazilian code for the design of concrete structures NBR 6118 (ABNT, 2004). The optimization algorithms used are the Sequential Linear Programming (SLP), the Sequential Quadratic Programming (SQP) and the Method of Feasible Direction (MFD). The random variables of the RBDO problem are the concrete compressive strength, the steel compressive and tensile strength, as well as some applied loads. The performance functions are of two types, the first relates to the critical load of the structure and the second to the control of displacements in the serviceability state. For performing the calculation of the probability of failure for the associated performing function in each iteration of the RBDO problem, the method FORM (PMA) will be used in connection with the HMV algorithm for obtaining the project point. The sensitivity analyses are carried out by the analytical method.

[pt] Pilares mistos são pilares compostos de perfis metálicos, concreto e vergalhões. Um tipo destes pilares é aquele em que um perfil metálico fechado é preenchido com concreto armado, que é o tipo de pilar adotado neste trabalho. Uma de suas vantagens é a facilidade de execução. O objetivo deste trabalho é estudar experimentalmente o comportamento dos pilares mistos quando sujeitos à flexão-compressão. Inicialmente foi realizada uma série de ensaios em corpos de prova mistos com a finalidade de se obter a curva tensão- deformação do concreto confinado. Em seguida foram realizados 15 ensaios de pilares mistos onde as variáveis estudadas foram o comprimento de flambagem do pilar, a excentricidade da carga e a taxa de armadura. Os resultados experimentais foram comparados com as resistências calculadas de acordo com os métodos propostos nas normas técnicas NBR 14323 e no EuroCode 4. De uma forma geral, todos os métodos de cálculo forneceram bons resultados. / [en] Composite columns are a structural members subjected to compression and bending, made of concrete and structural steel. One particular type of composite column consists of rectangular steel hollow sections completely filled with concrete and reinforcing bars, which is the type of column considered in this work. One of the advantages of this column is the construction facility. The objective of this work is to study experimentally the behaviour of composite columns when subjected to combined compression and bending. Initially a series of tests of composite specimens was carried out in order to obtain the stress-strain curve for the concrete confined by the steel section. Following that, 15 composite columns were tested with the purpose of studying the effect of the buckling length, load eccentricity and reinforcement ratio on the column strength. The experimental results were compared to theoretical resistances calculated by the NBR 14323 and EuroCode 4 Code Requirements. In general, a good agreement was found between the experimental and theoretical results.

[pt] O reforço de estruturas de concreto armado torna-se necessário por uma série de fatores, tais como: erros de projeto ou de execução que levam a sistemas estruturais inseguros; deterioração do concreto e do aço causada por envelhecimento natural; agentes agressivos ou acidentes como incêndio e choques; mudança no tipo de utilização original da estrutura através do aumento do carregamento e/ou modificações na sua geometria. A aplicação de compósitos de fibra de carbono para reforço de estruturas de concreto armado representa o que há de mais moderno em engenharia estrutural. O uso deste material é bastante interessante devido à sua leveza, alta resistência mecânica, resistência à corrosão, neutralidade eletromagnética, fácil aplicação e manutenção das dimensões originais do elemento estrutural. A escolha deste tipo de reforço, em vez de sistemas tradicionais que utilizam chapas de aço, depende da viabilidade econômica e de restrições específicas feitas no projeto. O objetivo deste trabalho é desenvolver um modelo analítico para o dimensionamento à flexão de vigas de concreto armado reforçadas com compósitos de fibras de carbono. Foi realizada uma revisão da literatura disponível de modo a se obter evidências experimentais acerca do assunto. Com o propósito de avaliar a eficiência do modelo analítico desenvolvido, os resultados numéricos calculados com este modelo são discutidos e comparados com os resultados experimentais e teóricos obtidos da literatura. / [en] The strengthening of reinforced concrete structures turns to be necessary due to a number of factors, such as: mistakes in the design or in the construction leading to unsafe structural systems; deterioration of concrete and steel caused by natural aging, aggressive agents or accidents like fire and shocks; the changing of the original use of the structure with the increase of loading and/or modifications in the geometry. The application of carbon fiber composites for strengthening of reinforced concrete structures is a very new and modern issue in structural engineering. The use of this material is very interesting due to its lightness, high mechanical strength, resistance to corrosion, electromagnetic neutrality, easy application and maintenance of the original shape of the structural element. The choice of this type of reinforcement, instead of more traditional systems using steel plates, depends on the economical viability and specific restrictions made in the project. The objective of this work is to develop analytical model for flexural design of reinforced concrete beams strengthened with carbon fiber composites. A literature review was carried out in order to obtain the experimental evidences on this subject. In order to evaluate the efficiency of the analytical model, the numerical results obtained with this model are discussed and compared with the experimental and numerical results obtained from literature.