[pt] Nessa dissertação, investiga-se através do método dos elementos finitos o processo de fratura em estruturas de materiais quase frágeis com base em modelos de representação explícita de fratura por meio de elementos de fratura coesiva. Para tanto, são apresentadas duas formulações distintas de elementos finitos com base na zona de fratura coesiva. A formulação do modelo do coesivo com base no potencial PPR e a formulação dos modelos coesivos Bi-linear e Linear exponencial. As modelagens numéricas e análises são realizadas no simulador Abaqus . Essas formulações são aplicadas à simulação da evolução de trincas em corpos de prova de concreto reforçado com fibras de aço em ensaios de tração, flexão e cisalhamento. Apresentando a aplicabilidade da metodologia a problemas reais de fratura em modo I, II e em modo misto. Através dessas análises foi demostrada a aplicabilidade da formulação de zona coesiva a representação de fratura em materiais quase frágeis. O potencial PPR e o modelo Linear exponencial foram os modelos mais adequados à simulação dos ensaios em concreto reforçado com fibra de aço. / [en] In this thesis, the fracture process in structures with quasi-brittle materials was investigated using the finite element method based on the cohesive zone model. Two different cohesive model formulations are presented: a potential formulation, the PPR model, and a formulation for the bi-linear and linearexponential models. These formulations were applied in the simulation of fracture propagation in concrete specimens reinforced with steel-fibers. The specimens were subjected to Mode I, II and mixed-mode loading through the direct tensile, shear and bending tests. The analyses were simulated in the Abaqus . The good applicability of the cohesive zone model for fracture propagation analysis in quasi-brittle materials were demonstrated with the performed simulations. The PPR potential model and the linear-exponential model presented better results in tests with concrete reinforced with steel-fiber specimens.

[pt] A fluência em compósito cimentício reforçado com fibra (CRF) no estado pré-fissurado tornou-se um importante tópico de estudo recentemente. Isso se deve ao fato de que o comportamento dependente do tempo do CRF e a estabilidade a longo prazo de fissuras sob cargas de flexão sustentadas ainda são pouco compreendidas. Este trabalho busca explorar o uso de fibras de aço e PP para definir sua influência na fluência, analisando a evolução das aberturas de fissuras com o tempo. O material foi inicialmente caracterizado sob testes de flexão de três e quatro pontos em amostras prismáticas com entalhe. Para os testes de fluência, os corpos de prova foram pré-fissurados a 0,5 mm e testados sob carga constante durante 45 dias. Para entender os mecanismos relacionados, testes de fluência também foram realizados em fibras e em uma configuração de arrancamento. Analisando os resultados dos testes de fluência, verificou-se que a taxa de COD (crack opening displacement) é uma ferramenta interessante para avaliar o comportamento a longo prazo do CRF fissurado e para definir um critério de estabilidade. Além disso, verificou-se que o concreto incorporando fibras sintéticas apresenta maiores deformações de fluência do que o reforçado com fibras de aço. Isso pode ser explicado pelas diferentes características das ligações fibra-matriz, analisadas pelos testes de arrancamento monotônico e de carga sustentada, e pela resposta de compressão do compósito. Finalmente, as propriedades residuais das amostras ensaiadas por fluência foram determinadas por testes monotônicos de flexão. / [en] Creep in pre-cracked fiber reinforced cementitious composites has become an important topic of study recently. This is due to the fact that the time dependent behaviour of FRC and long term stability of cracks under sustained bending loads are still poorly understood. This work seeks to explore the use of steel and PP fibers in order to define their influence on creep, by analyzing the crack opening displacement rate in FRC specimens. The material was first characterized under three and four-point bending tests in notched prismatic specimens. For the creep tests, the specimens were pre-cracked to 0.5 mm, and then tested under constant load during 45 days. In order to better understand the related mechanisms, creep tests were also carried on single fibers and in a fiber pullout configuration. Analyzing the creep tests results, it was verified that the COD rate is an interesting tool to evaluate the long-term behaviour of the cracked FRC and to define a stability criterion. In addition, it was found that concrete incorporating macro synthetic fibers presents higher creep deformations and higher creep rate than concrete reinforced with steel fibers. This can be explained by the different fiber-matrix bond characteristics, analyzed by monotonic and sustained load pullout tests, and by the compression response of the composite. Finally, the residual properties of creep tested specimens were determined by monotonic flexural tests performed in the FRC specimens after the creep tests.

[pt] O presente trabalho tem como foco a caracterização do concreto reforçado com fibras de álcool polivinílico (CRFPVA) com diferentes frações volumétricas para utilização como pavimento aeroportuário. Para isso foram determinados os parâmetros como resistência residual e tenacidade dos compósitos através de ensaios de flexão em três pontos definidos pela norma EN 14651 para serem aplicados no dimensionamento de lajes apoiadas em base elástica, proposto pela TR-34 e comparar estes resultados ao dimensionamento e a ensaios do pavimento de concreto de cimento Portland convencional regulamentado pela Federal Aviation Administration (FAA), através da circular AC150/5320-6F. Também foram utilizadas fibras de polipropileno, que são amplamente empregadas na construção de pisos industriais, para comparação com os CRFPVA. Os CRF apresentaram comportamento deflection softening e, acréscimo de tensões pós fissuração e tenacidade com o aumento da fração volumétrica de fibras. Ensaios de flexão cíclicos foram realizados mostrando que para carregamentos de até 70% da carga de primeira fissura, para corpos de prova não fissurados ou, 70% da carga em CMOD1 para corpos de prova pré-fissurados, combinados com 100 mil ciclos, há pouco ou nenhum dano aparente para os CRF. Finalmente, os ensaios estruturais em lajes sobre apoio elástico apresentaram com a adição de fibras, ganhos de até 2,8 vezes no valor da carga de primeira fissura comparado ao concreto convencional, além de redução das deformações e da fissuração das lajes, mostrando o CRF como uma alternativa para a aplicação em pavimentos aeroportuários. / [en] The present work focuses on the characterization of polyvinyl alcohol fiber reinforced concrete (PVA-FRC) with different volume content to be applied as airport pavement. The parameters that characterize the FRC were obtained through three point bending tests defined by EN 14651 and were applied in the slabs on ground design as proposed by TR-34. The results were compared to the design and tests of the plain Portland cement concrete pavement regulated by the Federal Aviation Administration (FAA) advisory circular AC150/5320-6F. Polypropylene fiber reinforced concrete (PP-FRC), which are widely used in industrial floor design and construction, were also tested for comparison. The FRC showed a deflection softening behavior improving the post-cracking strength and toughness values with the increase in the fiber content. Cyclic bending tests were performed with noncracked and pre-cracked specimens with 70 per cent of the first crack load and 70 per cent of the CMOD1 load respectively for 100k cycles. These tests showed little or no damage to the FRC samples compared to the monotonic bending tests. Finally, the structural scale tests on slabs on ground showed that with the fiber addition, the value of the load at first crack is improved up to 2.8 times compared to the plain concrete slab and also reduced deflection and displacement are seen, indicating that he PVAFRC, and also the PP-FRC are suitable to be used as airport pavement.

[pt] Compósitos cimentícios estão ganhando cada vez mais relevância na indústria da construção civil. No entanto, as diretrizes para o projeto do material compósito e dos seus elementos estruturais são ainda incipientes, pois mecanismos de ponte de transferência de forças providos pelas fibras ainda estão sob investigação. Este trabalho apresenta uma estratégia de modelagem de elementos finitos que leva em consideração a estrutura de nível mesoestrutural do material cimentício reforçado com fibras. Desta forma, quatro fases do material são consideradas no modelo numérico: agregados graúdos, argamassa, zona de transição interfacial (ZTI) e fibras. A argamassa e os agregados são modelados usando elementos contínuos triangulares com comportamento linear-elástico. As fibras são incluídas usando elementos de treliça unidimensionais acopladas a elementos bidimensionais contínuos. Uma técnica de fragmentação de malha é usada para introduzir elementos de interface nas arestas dos elementos de argamassa e na interface entre agregados e argamassa para representar a ZTI. O método Take-and-Place, proposto por Wriggers e Moftah (2006), foi adotado neste estudo para incluir agregados no modelo. Primeiro, os agregados são gerados seguindo uma curva de Fuller, que define um empacotamento entre os agregados perfeitos. Na segunda fase, os agregados são introduzidos no modelo garantindo a não sobreposição entre eles. Finalmente, as fibras são adicionadas. Para validar a metodologia proposta, testes experimentais foram simulados com sucesso em um framework de simulação numérica – GeMA. Por fim, o trabalho explora a influência do empacotamento fibra-agregado na resposta mecânica e nos padrões de fraturamento de compósitos cimentícios fibrosos. / [en] Fiber Reinforced Concrete (FRC) materials are gaining more relevance in the construction industry. However, the guidelines for the design of the composite material and of structural elements thereof are incipient and the stress bridging mechanisms are still under investigation. This work presents a finite element modelling strategy that takes into account the material meso-level structure. Four phases of the FRC material are considered in the model: coarse aggregates, mortar, interfacial transition zone (ITZ), and fibers. The mortar and aggregates are modelled using triangular linear elements with linear–elastic behavior. Fibers are included using one-dimensional truss elements which are coupled to the matrix through the technique proposed by Congro (2021). Zero-thickness interface elements are introduced at the interface between mortar elements, and at the interface between aggregates and mortar to represent the ITZ. The Take-and-Place method, obtained from Wriggers and Moftah (2006), was adopted in this study to include aggregates in the model. First, the aggregates are generated following a Fuller s curve that means a perfect aggregate package. In the second phase, the aggregates are placed in the model without overlapping. Finally, fibers were added. A mesh fragmentation technique is used to introduced zero-thickness interface elements at the interface between mortar elements, and at the interface between aggregates and mortar to represent the ITZ. To validate the proposed methodology, direct tensile test models were successfully reproduced in finite element analyses performed in an in-house framework – GeMA. Based on the obtained results, the authors could explore the influence of the fibers-aggregate packing in the mechanical response of the composite material.

[pt] O contínuo e variado uso da viga parede como elemento estrutural em diferentes tipos de projetos da construção civil como em silos, reservatórios, fachadas de edifícios entre outros. Além da importância do bambu como material natural não convencional de baixo impacto ambiental e baixo custo econômico na prática sustentável da engenharia civil são fatores que justificam a presente pesquisa. O enfoque é dado para o entendimento do comportamento das vigas parede de concreto reforçado com tiras de bambu. Testaram-se nove vigas parede de concreto reforçado com bambu (espécie Dendrocalamus giganteus) e uma reforçada com barras de aço, com relação de esbeltez (l/h) igual a 1.5, biapoiadas, geometricamente iguais, submetidas a uma carga pontual central na face superior e distribuídas em quatro grupos diferenciados pela taxa geométrica da armadura. Como resultados foram identificados e comparados os parâmetros: mecanismos de falha, padrão de fissuração, deflexões, deformações, cargas últimas e aderência entre reforço e concreto. Devido à influência da aderência no desempenho das estruturas de concreto armado realizou-se um tratamento de impermeabilização no material de reforço com a finalidade de melhorar a interface entre o concreto e a armadura de bambu. / [en] The continuous and varied use of the deep beams as an element with structural function in different types of civil construction projects such as reservoirs, building facades among others. Besides the importance of bamboo as unconventional material in the practice of sustainable civil engineering, are facts that justify this research. The focus is given to understanding the behavior of concrete deep beams reinforced with bamboo (type Dendrocalamus Giganteus). Were tested nine simply supported bamboo-reinforced deep beams, with slenderness ratio (l / h) equal to 1.5 and same geometry, subjected to a central point load on the upper surface and divided into three groups distinguished by the geometric rate of truss. As results were identified and compared the parameters: failure mechanisms, crack pattern, deflections, strain, ultimate loads and adhesion between reinforcement and concrete. Due to the influence of the adhesion performance of reinforced concrete structures, was performed a waterproofing treatment on the reinforcing material in order to improve the interface between the concrete and the reinforcement of bamboo.

[pt] Nos últimos 40 anos, tem-se observado um crescente interesse por compósitos formados pela adição de fibras a matrizes de concreto, os chamados concretos reforçados com fibras. Esse interesse é justificado, sobretudo, pelo significativo ganho em tenacidade que as fibras proporcionam, atenuando as características frágeis do concreto. De fato, em virtude do mecanismo de reforço promovido pelas fibras, o concreto com fibras é capaz de absorver muito mais energia de deformação até a ruptura, apresentando, no regime pós-fissuração, um comportamento muito mais suave que o concreto simples. Esse comportamento é acompanhado por um processo de fissuração mais uniforme, no qual observam-se fissuras mais finas e menos espaçadas. Além disso, registram-se aumentos nos valores de resistência do material e nos níveis de deformação que ele atinge até seu completo esgotamento. Tendo em vista os benefícios que as fibras aportam ao desempenho do concreto, seu emprego seria recomendável a estruturas em que a ductilidade é um dos parâmetros principais de projeto, ou naquelas feitas com concretos de alta resistência, uma vez que estes apresentam um comportamento ainda mais frágil que os concretos de resistência normal. Além disso, a utilização de fibras no combate aos esforços de cisalhamento mostra-se extremamente vantajosa e promissora. Neste trabalho, apresenta-se um modelo constitutivo para concreto reforçado com fibras baseado na formulação hipoelástica de ELWI E MURRAY (1979), originalmente proposta para concreto simples. As especificidades do comportamento do concreto com fibras frente às mais diversas solicitações, tais como, tração, compressão e cisalhamento, são incorporadas ao modelo através de relações tensão-deformação adequadas a esse material. Tais relações provêm de estudos analíticos e experimentais sobre o assunto, publicados na literatura técnica especializada. O modelo assim obtido é implementado no programa FEPARCS (ELWI E MURRAY, 1980), capaz de realizar análises númericas não-lineares através do método dos elementos finitos. Por fim, utiliza-se esse program para simular a resposta de uma estrutura de concreto com fibras, cujo ensaio experimental aparece minuciosamente descrito em (CRAIG, 1987). Os resultados numéricos obtidos são comparados com os experimentais correspondentes, em termos da curva carga versus deslocamento, desenvolvimento e distribuição de fissuras, progressão do escoamento da armadura longitudinal (convencional) e modo de ruptura. Avalia-se, então, a eficiência da implementação realizada na descrição do comportamento de estruturas de concreto com fibras. / [en] Along the past forty years, an increasing interest on composite materials formed by the addition of discrete fibers to a concrete matrix is being observed. These composites are known as fiber reinforced concretes. The interest on the use of fibers as reinforcement is justified by their significative contribution to concrete thoughness, as they reduce the brittle characteristics of that material. In fact, due to fiber reinforcement mechanism, fiber reinforced concrete can absorb much more strain energy until failure, in comparison to ordinary concrete. The cracking process seems to be more uniform, as the distance between cracks are reduced. Besides that, the material strength and the deformation levels at cracking and rupture are greater, on the case of fiber reinforced concrete. The benefits that fibers bring to concrete behavior indicate that they could be used as complementary reinforcent for concrete structures when ductility is a major design concern, or when high strength concrete is employed, as this class of material tends to be much more brittle then normal strength concrete. Fibers are also effective as shear reinforcement, and they could even replace stirrups in this function. In this work, a constituive model for fiber reinforced concrete is presented. This model is based on the formulation originally proposed by ELWI AND MURRAY (1979) for the case of ordinary concrete. The behavior characteristcs of fiber reinforced concrete are incorporated as adaquated uniaxial stress-strain relations in tension and compression. The behavior under shear stress is also considered. The model is then implemented in the finite element program FEPARCS (ELWI AND MURRAY, 1980). A numerical analysis on the response of a fiber reinforced concrete structure is conducted. Results reported in technical literature (CRAIG, 1987) are compared to those obtained by the finite element analysis. The efficiency of the model is then verified. / [es] En los últimos 40 anos, se ha observado un creciente interés por compuestos formados por la adición de fibras a matrizes de concreto, los llamados concretos reforzados con fibras. Ese interés se debe a la significativa ganancia en tenacidad que las fibras proporcionan, atenuando las características frágiles del concreto. De hecho, en virtud del mecanismo de refuerzo promovido por las fibras, el concreto con fibras es capaz de absorver mucha más energía de deformación hasta la ruptura, presentando, en el régimen posfisuración, un comportamiento mucho más suave que el concreto simple. Este comportamiento se ve acompañado por un proceso de fisuración más uniforme, en el cual se observan fisuras más finas y menos espaciadas. Además, se registran aumentos en los valores de resistencia del material y en los niveles de deformación que alcanza hasta su completa destrucción. Teniedo en cuenta los beneficios que las fibras aportan al desempeño del concreto, sería recomendable su empleo en extructuras donde la ductilidad es uno de los parámetros principales de proyecto, o en aquellas hechas con concreto de alta resistencia, ya que éstos presentan un comportamiento más frágil que los concretos de resistencia normal. En este trabajo, se presenta un modelo constitutivo para concreto reforzado con fibras que tiene como base la formulación hipoelástica de ELWI Y MURRAY (1979), originalmente propuesta para concreto simple. Las especificidades del comportamiento del concreto con fibras frente a las más diversas solicitudes, tales como, tracción, compresión y cisallamiento, se incorporan al modelo a través de relaciones tensión-deformación adecuadas a ese material. Tales relaciones provienen de estudios analíticos y experimentales sobre el asunto, publicados en la literatura técnica especializada. La implementación del modelo obtenido fue realizada a través del programa FEPARCS (ELWI Y MURRAY, 1980), capaz de realizar análisis númerico no lineal a través del método de los elementos finitos. Por fin, se utiliza ese programa para simular la respuesta de una extructura de concreto con fibras, cuyo ensayo experimental aparece minuciosamente descrito en (CRAIG, 1987). Los resultados numéricos obtenidos se comparan con los experimentales correspondientes, considerando la curva carga versus deslocamiento, desarrollo y distribuición de fisuras, progresión del deslizamiento de la armadura longitudinal (convencional) y modo de ruptura. Se evalúa entonces, la eficiencia de la implementación en la descrición del comportamiento de extructuras de concreto con fibras.

[pt] Esta pesquisa tem por objetivo a análise experimental do comportamento à flexão, a curto e longo prazo, de vigas de seção I de concreto reforçado com tecido de carbono (Textile Reinforced Concrete - TRC). Foram utilizados quatro tipos de tecido de carbono, sendo eles diferenciados pelas dimensões da malha e seção transversal dos cordões, assim como pelo revestimento do tecido. As amostras foram identificadas de acordo com o nome do revestimento, sendo eles de estireno butadieno (SBR) e SBR com impregnação de areia (SND), acrilato (ACR) e epóxi (EPX). Inicialmente, foram realizados ensaios de flexão em quatro pontos nas vigas, considerando o tecido SBR e as seguintes condições: (a) matriz cimentícia simples; (b) matriz simples e têxtil revestido de areia; e (c) matriz strain hardening cement‐based composite (SHCC). O principal objetivo foi correlacionar as melhorias nas propriedades da interface e da matriz com o padrão de fissuração, modo de falha e ductilidade. Foi utilizado um método teórico para avaliação do comportamento à flexão das vigas, que obteve boa concordância com os resultados experimentais. Na etapa seguinte, as propriedades mecânicas de diferentes tipos de TRC e sua interface foram estudadas através de ensaios de tração direta, arrancamento e compressão. A influência de diferentes configurações de ensaio e a eficácia dos parâmetros obtidos nestes ensaios foram verificados para a previsão do desempenho de vigas de TRC ensaiadas em flexão de forma monotônica. O estudo foi capaz de indicar os métodos de caracterização mais adequados para derivar propriedades mecânicas a serem utilizadas em métodos analíticos, assim como a influência dos diferentes parâmetros de ensaio na capacidade de carga do compósito. Finalmente, foi investigado o comportamento de longo duração das vigas de seção sob carregamento permanente de 4 kN. Um modelo analítico foi usado para analisar os resultados em termos de módulo efetivo do tecido, resistência à tração do concreto e tensão nominal de aderência. O modelo mostrou que o tecido SBR é fortemente afetado pela carga permanente. As vigas SND, ACR e EPX formaram novas fissuras durante os ensaios de fluência e a redução do módulo efetivo observada não foi acompanhada pelo aumento da abertura da fissura. Confirmou-se a grande influência da adesão entre tecido e matriz na capacidade de carga do compósito, a diminuição da resistência da matriz devido à incorporação do tecido, bem como a divergência das condições dos ensaios de caracterização do compósito. / [en] The present research aims to perform an experimental investigation on the short and long-term flexural behavior of I-section textile reinforced concrete (TRC) beams. Four types of carbon fabric were used, differentiated by the mesh dimensions and yarn cross-section, as well as by the fabric coating. The samples were identified according to the name of the coating, being styrene butadiene rubber (SBR) and SBR impregnated with sand (SND), acrylate (ACR) and epoxy (EPX) resin. Initially, four‐point bending tests were performed in I‐beams, considering SBR fabric and the following conditions: (a) plain cementitious matrix; (b) plain matrix and sand‐coated textile; and (c) strain hardening cement‐based composite (SHCC) matrix. The main goal was to correlate the improvements on interface and matrix properties with the crack pattern, failure mode and ductility. A theoretical method was used to evaluate the flexural behavior of the beams and good agreement was achieved with the experimental results. In the next step, the mechanical properties of different types of carbon-TRC and their interface were studied through direct tensile, pullout and compression tests. The influence of different test configurations and the effectiveness of the parameters obtained in these tests were verified for the performance prediction of TRC beams tested in bending in a monotonic way. The study was able to indicate the most suitable characterization methods to derive mechanical properties to be used in analytical methods, as well as to show the influence of different testing parameters on the load capacity of the composite. Finally, the long-term behavior of I-section beams reinforced with carbon fabric under sustained loading of 4 kN was investigated. An analytical model was used to analyze the results in terms of effective textile moduli, concrete tensile strength and the nominal bond stress. The model showed that SBR textile is strongly affected by sustained load. SND, ACR and EPX beams formed new cracks during creep and the reduction in effective modulus observed was not accompanied by increase in crack width. It was confirmed the great influence of adhesion between fabric and matrix on the load capacity of the composite, the decrease in matrix strength due to fabric incorporation, as well as the divergence of the conditions of composite characterization tests.

[pt] Neste trabalho foi realizado um estudo comparativo do desempenho mecânico e da durabilidade de concretos reforçados com macrofibras discretas de sisal e polipropileno. Foram utilizadas duas matrizes cimentícias com teores distintos de material pozolânico. As duas fibras, com comprimento de 51 mm, foram incorporadas em dosagens de 3 a 15 kg/m3. Foram realizados ensaios de tração direta para ambas as fibras, obtendo-se valores de tensões equivalentes. Para caracterização mecânica dos compósitos, foram realizados ensaios de flexão em três pontos sob carregamento monotônico, de acordo com o procedimento da norma EN 14651. Também se avaliou este comportamento sob carregamentos cíclicos. Na avaliação da aderência fibra-matriz, ensaios de arrancamento foram realizados. A fibra de sisal apresentou menor aderência nas duas matrizes. Todos os compósitos com fibras de sisal e polipropileno apresentaram comportamento deflection softening quando submetidos à flexão. Para se obter desempenho mecânico na flexão similar para ambas as fibras, foi necessário aproximadamente o dobro da dosagem de fibras de sisal. De acordo com a classificação proposta pelo fib Model Code, essas fibras podem substituir parcialmente ou integralmente o reforço convencional no estado limite último. A durabilidade dos compósitos foi estudada por meio de processo de envelhecimento acelerado, utilizando-se ciclos de molhagem e secagem. A utilização do reforço de sisal na matriz com maior alcalinidade apresentou degradação, enquanto que sua incorporação na matriz livre de hidróxido de cálcio não resultou em perdas mecânicas após os ciclos. Concretos reforçados com fibras de polipropileno não apresentaram degradação pelos processos de envelhecimento acelerado. / [en] This work aims to present a comparative study of the mechanical performance and durability of concretes reinforced with discrete sisal and polypropylene macrofibers. Two cementitious matrices with different pozzolan material content were used. The both fibers were incorporated into fractions of 3 to 15 kg/m3 and were 51 mm long. Direct tensile tests were performed for the fibers, achieving equivalent stress values. For mechanical characterization of the composites, three-point flexural tests were performed under monotonic loading in accordance with the EN 14651 procedure. The behavior under cyclic loading was also investigated. To evaluate the fiber-matrix interaction, pull out tests were performed. The sisal fiber showed lower adhesion with the two matrices. All the composites with sisal and polypropylene fibers presented deflection softening behavior when subjected to flexural loads. In order to obtain similar flexural mechanical performance for both fibers, approximately twice dosage of sisal fiber was required. According to the classification proposed by fib Model Code, these fibers can partially or fully replace the conventional reinforcement at ultimate limit state. The durability of the composites was studied by accelerated aging process through wetting and drying cycles. The use of sisal fibers as reinforcement in the matrix with higher alkalinity showed degradation, while its incorporation into the matrix free of calcium hydroxide did not result in mechanical losses after the cycles. Concretes reinforced with polypropylene fibers did not present degradation caused by accelerated aging processes.

[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] No presente trabalho foi investigado o comportamento mecânico de um concreto autoadensável reforçado com fibras de aço. Foram utilizadas fibras de aço torcidas e com ganchos, nos comprimentos de 25, 30 e 60 mm e diâmetros de 0,5, 0,62 e 0,75 mm. Para cada uma destas fibras e para cada uma das frações volumétricas investigadas (0,5, 1,0 e 2,0 por cento) foram realizados os ensaios de flexão em quatro pontos em corpos de prova prismáticos e de tração direta em corpos de prova do tipo dog bone shaped. Nos ensaios de flexão, os índices de tenacidade e as cargas residuais foram contabilizados. Alternativamente, determinou-se a energia absorvida nos ensaios de flexão de painéis circulares conforme a ASTM C1550, cuja abertura de fissuras foi medida com o auxílio de transdutores de deslocamento. Os corpos de prova reforçados com fibras de aço submetidos à tração direta se mostraram mais dúcteis com relação à matriz de concreto autoadensável, observando-se grande influência do volume e comprimento ancorado das fibras nas cargas residuais da zona de pós-fissuração. Nos ensaios de flexão, observaram-se grandes incrementos na tenacidade e deformações correspondentes às cargas residuais. Por fim, analisou-se a influência desses concretos no comportamento de vigas armadas sujeitas à flexão. A evolução da abertura de fissuras foi monitorada com sistema de correlação digital de imagens, sendo posteriormente correlacionadas com cargas aplicadas e com os deslocamentos obtidos nos ensaios. Observou-se nestes ensaios, que o reforço fibroso aumentou a capacidade de carga e a rigidez à flexão, atrasando consideravelmente o surgimento de fissuras. / [en] In the present work the mechanical behavior of a self-consolidating concrete reinforced with steel fibers was investigated. Twisted and hooked end steel fibers were used in lengths of 25, 30 and 60 mm and diameters of 0.5, 0.62 e 0.75 mm. For each of these fibers and for each volumetric fractions investigated (0.5, 1.0 and 2.0 percent), the four-point bending tests on prismatic specimens and direct tensile in dog bone shape specimens were performed. In the flexural tests, the toughness and residual strengths were computed. Alternatively, the energy absorption capacity in the round panel tests was determined following the ASTM C1550. During the test the crack opening was measured through displacement transducers. The steel fiber reinforced concrete subject to direct tensile loading was more ductile than the self-consolidating concrete matrix, showing a high influence of the volume and embedded length of the fibers in the residual loads in the post-cracking zone. In the bending tests, a large increase in the toughness and strains corresponding to the residual loads were observed. Finally, the influence of the fiber reinforced concretes on the behavior of reinforced beams subject to bending was investigated. The evolution of the crack openings was monitored with a digital image correlation system and correlated to the applied load and displacements. It was observed in these tests that the fibrous reinforcement considerably increased the load capacity and flexural stiffness, delaying the crack growth.