[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] 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.