O presente trabalho avaliou a influência dos concretos de ultra-alto desempenho com fibras (UHPFRC) e sem fibras (UHPC) no reforço de pilares curtos de concreto armado de seção transversal circular e quadrada. Avaliou-se também a adição de armaduras adicionais de reforço e de polímeros reforçados com fibras de carbono (PRFC) em alguns pilares reforçados. Para a avaliação deste novo sistema de reforço optou-se pela realização de um programa experimental e simulações numéricas. É importante ressaltar que no programa experimental, nenhum pilar reforçado possuía seção transversal maior que a seção do pilar de referência. Foi verificado por meio do programa experimental, que as camisas de UHPC apresentaram ruína de natureza frágil e não se recomenda a sua utilização a menos que acompanhada de mecanismos que garantam adequado confinamento do pilar reforçado. Nos pilares circulares e quadrados reforçados com UHPFRC foram verificados, respectivamente, incrementos de resistência de 106,4% e 83,6% onde o concreto do cobrimento foi substituído por UHPFRC, 154,3% e 111,7% onde além da substituição do cobrimento foram inseridas armaduras adicionais e 160% e 85,6% onde houve a colocação de PRFC após a substituição do cobrimento. Todos os pilares reforçados com UHPFRC não apresentaram destacamento da camisa de reforço. Foram realizadas simulações numéricas variando a espessura da camisa de UHPFRC e do número de camadas de PRFC tanto nos pilares de seção circular como nos pilares de seção quadrada. Por meio destas simulações, notou-se que a adição de pequenos incrementos de espessura da camisa de UHPFRC, proporciona elevados incrementos de resistência ao pilar reforçado, ao passo que o aumento do número de camadas de PRFC não influenciaria significantemente no incremento de resistência e sim na ductilidade do conjunto. / The present work evaluated the influence of ultra-high performance concrete with fibers (UHPFRC) and without fibers (UHPC) on the strengthening of short columns of reinforced concrete of circular and square cross section. It was also evaluated the addition of additional reinforcement and carbon fiber reinforced polymers (PRFC) on some strengthened columns. For the evaluation of this new system of strengthening we opted for the realization of an experimental program and numerical simulations. It is important to note that in the experimental program, no strengthened columns had a larger cross section than the reference column section. It was verified through the experimental program that the UHPC shirts presented ruin of a fragile nature and their use is not recommended unless accompanied by mechanisms that guarantee adequate confinement to the strengthened columns. In the circular and square columns strengthened with UHPFRC, respectively, resistance increments of 106.4% and 83.6% were verified, where the cover concrete was replaced by UHPFRC, 154.3% and 111.7%, in addition to the substitution of additional reinforcement were inserted and 160% and 85.6% where PRFC placement was performed after the replacement of the cover. All strengthened columns with UHPFRC did not present detachment of the strengthening jacket. Numerical simulations were performed by varying the thickness of the UHPFRC jacket and the number of PRFC layers on both the circular section columns and the square section columns. Through these simulations, it was noted that the addition of small thickness increments of the UHPFRC jacket would provide high increments of strength to the strengthened columns, while increasing the number of PRFC layers would not significantly influence the increase in strength but rather ductility of the assembly.

O presente trabalho avaliou a influência dos concretos de ultra-alto desempenho com fibras (UHPFRC) e sem fibras (UHPC) no reforço de pilares curtos de concreto armado de seção transversal circular e quadrada. Avaliou-se também a adição de armaduras adicionais de reforço e de polímeros reforçados com fibras de carbono (PRFC) em alguns pilares reforçados. Para a avaliação deste novo sistema de reforço optou-se pela realização de um programa experimental e simulações numéricas. É importante ressaltar que no programa experimental, nenhum pilar reforçado possuía seção transversal maior que a seção do pilar de referência. Foi verificado por meio do programa experimental, que as camisas de UHPC apresentaram ruína de natureza frágil e não se recomenda a sua utilização a menos que acompanhada de mecanismos que garantam adequado confinamento do pilar reforçado. Nos pilares circulares e quadrados reforçados com UHPFRC foram verificados, respectivamente, incrementos de resistência de 106,4% e 83,6% onde o concreto do cobrimento foi substituído por UHPFRC, 154,3% e 111,7% onde além da substituição do cobrimento foram inseridas armaduras adicionais e 160% e 85,6% onde houve a colocação de PRFC após a substituição do cobrimento. Todos os pilares reforçados com UHPFRC não apresentaram destacamento da camisa de reforço. Foram realizadas simulações numéricas variando a espessura da camisa de UHPFRC e do número de camadas de PRFC tanto nos pilares de seção circular como nos pilares de seção quadrada. Por meio destas simulações, notou-se que a adição de pequenos incrementos de espessura da camisa de UHPFRC, proporciona elevados incrementos de resistência ao pilar reforçado, ao passo que o aumento do número de camadas de PRFC não influenciaria significantemente no incremento de resistência e sim na ductilidade do conjunto. / The present work evaluated the influence of ultra-high performance concrete with fibers (UHPFRC) and without fibers (UHPC) on the strengthening of short columns of reinforced concrete of circular and square cross section. It was also evaluated the addition of additional reinforcement and carbon fiber reinforced polymers (PRFC) on some strengthened columns. For the evaluation of this new system of strengthening we opted for the realization of an experimental program and numerical simulations. It is important to note that in the experimental program, no strengthened columns had a larger cross section than the reference column section. It was verified through the experimental program that the UHPC shirts presented ruin of a fragile nature and their use is not recommended unless accompanied by mechanisms that guarantee adequate confinement to the strengthened columns. In the circular and square columns strengthened with UHPFRC, respectively, resistance increments of 106.4% and 83.6% were verified, where the cover concrete was replaced by UHPFRC, 154.3% and 111.7%, in addition to the substitution of additional reinforcement were inserted and 160% and 85.6% where PRFC placement was performed after the replacement of the cover. All strengthened columns with UHPFRC did not present detachment of the strengthening jacket. Numerical simulations were performed by varying the thickness of the UHPFRC jacket and the number of PRFC layers on both the circular section columns and the square section columns. Through these simulations, it was noted that the addition of small thickness increments of the UHPFRC jacket would provide high increments of strength to the strengthened columns, while increasing the number of PRFC layers would not significantly influence the increase in strength but rather ductility of the assembly.

[pt] O presente trabalho avalia o efeito da utilização de concreto de ultra-alto desempenho (CUAD) em elementos estruturais, analisando seu comportamento à flexão e o impacto da utilização desse material no seu dimensionamento. Através de ensaios de caracterização do material, foram estudadas as suas propriedades mecânicas. Os resultados dos testes já apresentavam resistência à compressão de 104 MPa com 7 dias de idade e 142 MPa aos 28 dias de idade, além de um aumento na capacidade de carga e na ductilidade dos corpos de prova com o aumento da quantidade de fibras utilizadas no CUAD. Na escala estrutural, foram analisadas quatro vigas de concreto armado, onde duas foram produzidas com concreto de ultra-alto desempenho e duas com concreto convencional (CC), com taxa de armaduras de 0,44 por cento e 1,78 por cento. Primeiramente foi realizada uma análise comparativa dos resultados dos momentos obtidos experimentalmente e teoricamente (baseado nas normas NBR 6118:2014, ACI 544.4R-18 e Model Code 2010) não apresentando diferença significativa. Posteriormente, através dos resultados dos ensaios foi possível verificar que, a utilização do CUAD melhora, no geral, as propriedades mecânicas dos elementos analisados. A utilização do CUAD em vigas subarmadas apresenta resultados similares às vigas normalmente armadas com CC. Além disso, quando combinadas a utilização do CUAD com o aumento da taxa de armaduras, os resultados melhoram significativamente, apresentando, por exemplo um ganho na capacidade de carga de aproximadamente 40 por cento no aumento da taxa geométrica de armaduras e de 75 por cento com o aumento da taxa de armaduras combinada com a utilização do CUAD. / [en] The present work evaluates the effect of the use of ultra-high performance concrete (UHPC) in structural elements, analyzing its behavior to bending and the impact of the use of this material on its dimensioning. Through tests of characterization of the material, its mechanical properties were studied. The results of the tests already presented compressive strength of 104 Mpa at 7 days of age and 142 Mpa at 28 days of age, in addition to an increase in load capacity and ductility of the specimens with the increase in the amount of fibers used in the UHPC. In the structural scale, four reinforced concrete beams were analyzed, two of which were produced with ultra-high performance concrete and two with conventional concrete (CC), with an armor rate of 0.44 percent and 1.78 percent. First, a comparative analysis of the results of the moments obtained experimentally and theoretically (based on the norms NBR 6118:2014, ACI 544.4R-18 and Model Code 2010) was performed, with no significant difference. Subsequently, through the results of the tests it was possible to verify that the use of UHPC improves, in general, the mechanical properties of the analyzed elements. The use of UHPC in underarmed beams presents similar results to beams normally armed with CC. In addition, when combined with the use of UHPC with increased reinforcement rate, the results improve significantly, presenting, for example, a gain in load capacity of approximately 40 percent in the increase in the geometric rate of reinforcements and 75 percent with the increase in the reinforcement rate combined with the use of UHPC.

[pt] O concreto de ultra-alto desempenho (CUAD) é um material cimentício avançado que possui excelente desempenho mecânico, ductilidade e durabilidade devido a uma elevada densidade de empacotamento e ao uso de fibras, promovendo benefícios à vida útil das estruturas. Grande parte das estruturas está sujeita a ações cíclicas, ou seja, variáveis com o tempo, resultando em danos de fadiga, como o surgimento e a propagação de trincas, que podem comprometer sua integridade. Assim, é essencial compreender o comportamento dos materiais sob fadiga para que sejam propostas diretrizes de projeto seguras e adequadas ao bom funcionamento das estruturas. Este trabalho visa, portanto, investigar o comportamento do concreto de ultra-alto desempenho pré-fissurado sob fadiga na flexão, quantificando sua degradação mecânica ao longo do carregamento cíclico a partir dos parâmetros de abertura de fissura (CMOD) e rigidez, contribuindo para o estudo desse tipo especial de concreto. Foram propostas equações para prever a vida à fadiga em relação ao limite superior de carga e estabelecer o limite de fadiga do concreto de ultra-alto desempenho, igual a 75,3 por cento, considerando o limite inferior igual a 30 cento do limite superior. Ainda, avaliou-se o comportamento pós-fadiga de amostras que não sofreram ruptura ao longo de 1.000.000 de ciclos, sendo possível observar que o mecanismo não gerou alterações no desempenho das amostras sob flexão para limites inferiores ao limite de fadiga. / [en] Ultra-high Performance Concrete (UHPC) is an advanced cementitious material that has excellent mechanical performance, ductility and durability due to a high packing density and the use of fibers, contributing to increase the structures lifespan. Most of the structures are subject to cyclic loads, which vary with time, resulting in fatigue damage such as the formation and propagation of cracks that could compromise its integrity. Thus, it is essential to understand the behavior of materials subjected to fatigue so that safe and proper design guidelines can be proposed for the appropriate performance of the structures. Therefore, this work aims to investigate the behavior of pre-cracked ultra-high performance concrete under flexural fatigue, quantifying its mechanical deterioration during cyclic loading through both crack mouth opening displacement (CMOD) and stiffness, which will contribute to the study of this special type of concrete. Equations were proposed to predict fatigue life according to the upper load limit during the cyclic loading and to establish the endurance limit of ultra-high performance concrete in 75,3 percent, considering the lower limit load equal to 30 percent of the upper limit. Also, when evaluating the post-fatigue behavior of samples that did not fail over 1,000,000 cycles it was possible to identify that the cyclic loading did not change the performance of the samples under bending, which was due to the use of upper loads below the endurance limit.

The development of advanced fiber reinforced cement-based materials to provide higher strength, ductility, and durability, as ultra-high performance fiber-reinforced concrete (UHPFRC), enables the design of precast beams with thin sections and reduced self-weight to meet the required flexural performance. However, such slender elements when subjected to transitory phases, and possibly also in permanent stages, are prone to instability failure. So, the present study aims to provide experimental data and analytical solution for UHPFRC beams during the lifting phase, and studies about the other stages. This type of test is rare and was not reported for UHPFRC beams. For testing, the beams were lifted by inclined cables and subjected to a transversal load applied at midspan to induce lateral instability. The displacements of the beams were monitored with total station equipment. Also, a new analytical solution was proposed to predict the failure load of lifted beams and closed-form analytical solutions to predict the rollover load of beams supported by bearing pads and subjected to different loading conditions. Furthermore, there are limited data that characterizes the constitutive behavior of this material. In this context, the present research also focused on providing such laboratory results for UHPFRC with different fiber contents. Besides, analytical models for damage evolution and stress-strain relationship are proposed and applied in numerical simulations. From the results, the UHPFRC beams failed by instability with a load capacity 3.7 times smaller than the flexural load capacity. Furthermore, the analytical solution for lifting predicted the peak load of the experiment with great accuracy. Also, the proposed equations for beams on bearing pads accurately predicted the experimental results available in the literature. The analytical and experimental rollover loads differed by 4.37% and 13.6% for the two studied cases. From material, the stiffness degradation occurred rapidly in UHPFRC under tensile loading while occurred gradually in compression. Also, fiber content influenced toughness and degradation evolution significantly over the loading cycles. Proposed equations were utilized in the Plastic-Damage model of Abaqus that predicted accurately damage growth and cyclic envelopes during all the phases of the tension, compression, and bending tests. The calibrated numerical model also predicted the experimental results with the UHPFRC beams. / O desenvolvimento de materiais avançados à base de cimento reforçado com fibra para fornecer maior resistência, ductilidade e durabilidade, como o concreto de ultra-alto desempenho reforçado com fibras (UHPFRC), permite o projeto de vigas pré-moldadas com seções esbeltas e peso próprio reduzido que atendem desempenho estrutural requerido. No entanto, esses elementos delgados quando submetidos a fases transitórias e também em serviço são propensos a falhar por instabilidade. Então, o presente estudo tem por objetivo apresentar resultados experimentais e soluções analíticas para vigas de UHPFRC durante a fase de içamento e estudos sobre as outras fases. Este tipo de teste é raro e não foi reportado para vigas de UHPFRC. Para o teste, as vigas foram levantadas por cabos inclinados e submetidas a uma carga concentrada transversal aplicada no meio do vão para induzir a instabilidade lateral. Os deslocamentos das vigas foram monitorados com estação total. Além disso, uma nova solução analítica foi proposta para prever a carga de instabilidade das vigas içadas e soluções analíticas para prever a carga de tombamento de vigas suportadas por aparelho de apoio e submetidas a diferentes condições de carregamento. Além disso, existem poucos resultados experimentais que caracterizam o comportamento constitutivo deste material. Neste contexto, a presente pesquisa também se concentrou em fornecer tais resultados experimentais para UHPFRC com diferentes teores de fibras. Além disso, modelos analíticos para evolução de dano e relação tensão-deformação são propostos e aplicados em simulações numéricas. A partir dos resultados, as vigas em içamento falharam por instabilidade com uma capacidade de carga 3,7 vezes menor que a capacidade à flexão. Além disso, a solução analítica para içamento previu carga máxima do experimento com grande precisão. As equações propostas para vigas sobre aparelhos de apoio previram com precisão os resultados experimentais disponíveis na literatura. As cargas de tombamento analíticas e experimental diferiram em 4,37% e 13,6% para os dois casos estudados. Dos resultados do material, a degradação da rigidez ocorreu de maneira rápida no UHPFRC submetido à tração enquanto ocorreu gradualmente na compressão. O teor de fibras influenciou significativamente a tenacidade e a degradação nos ciclos de carregamento. As equações propostas foram utilizadas em um modelo de Dano acoplado à plasticidade que previu com precisão a evolução do dano e as envoltórias cíclicas durante todas as fases dos testes de tração, compressão e flexão. O modelo numérico calibrado também previu os resultados experimentais das vigas de UHPFRC.

The development of advanced fiber reinforced cement-based materials to provide higher strength, ductility, and durability, as ultra-high performance fiber-reinforced concrete (UHPFRC), enables the design of precast beams with thin sections and reduced self-weight to meet the required flexural performance. However, such slender elements when subjected to transitory phases, and possibly also in permanent stages, are prone to instability failure. So, the present study aims to provide experimental data and analytical solution for UHPFRC beams during the lifting phase, and studies about the other stages. This type of test is rare and was not reported for UHPFRC beams. For testing, the beams were lifted by inclined cables and subjected to a transversal load applied at midspan to induce lateral instability. The displacements of the beams were monitored with total station equipment. Also, a new analytical solution was proposed to predict the failure load of lifted beams and closed-form analytical solutions to predict the rollover load of beams supported by bearing pads and subjected to different loading conditions. Furthermore, there are limited data that characterizes the constitutive behavior of this material. In this context, the present research also focused on providing such laboratory results for UHPFRC with different fiber contents. Besides, analytical models for damage evolution and stress-strain relationship are proposed and applied in numerical simulations. From the results, the UHPFRC beams failed by instability with a load capacity 3.7 times smaller than the flexural load capacity. Furthermore, the analytical solution for lifting predicted the peak load of the experiment with great accuracy. Also, the proposed equations for beams on bearing pads accurately predicted the experimental results available in the literature. The analytical and experimental rollover loads differed by 4.37% and 13.6% for the two studied cases. From material, the stiffness degradation occurred rapidly in UHPFRC under tensile loading while occurred gradually in compression. Also, fiber content influenced toughness and degradation evolution significantly over the loading cycles. Proposed equations were utilized in the Plastic-Damage model of Abaqus that predicted accurately damage growth and cyclic envelopes during all the phases of the tension, compression, and bending tests. The calibrated numerical model also predicted the experimental results with the UHPFRC beams. / O desenvolvimento de materiais avançados à base de cimento reforçado com fibra para fornecer maior resistência, ductilidade e durabilidade, como o concreto de ultra-alto desempenho reforçado com fibras (UHPFRC), permite o projeto de vigas pré-moldadas com seções esbeltas e peso próprio reduzido que atendem desempenho estrutural requerido. No entanto, esses elementos delgados quando submetidos a fases transitórias e também em serviço são propensos a falhar por instabilidade. Então, o presente estudo tem por objetivo apresentar resultados experimentais e soluções analíticas para vigas de UHPFRC durante a fase de içamento e estudos sobre as outras fases. Este tipo de teste é raro e não foi reportado para vigas de UHPFRC. Para o teste, as vigas foram levantadas por cabos inclinados e submetidas a uma carga concentrada transversal aplicada no meio do vão para induzir a instabilidade lateral. Os deslocamentos das vigas foram monitorados com estação total. Além disso, uma nova solução analítica foi proposta para prever a carga de instabilidade das vigas içadas e soluções analíticas para prever a carga de tombamento de vigas suportadas por aparelho de apoio e submetidas a diferentes condições de carregamento. Além disso, existem poucos resultados experimentais que caracterizam o comportamento constitutivo deste material. Neste contexto, a presente pesquisa também se concentrou em fornecer tais resultados experimentais para UHPFRC com diferentes teores de fibras. Além disso, modelos analíticos para evolução de dano e relação tensão-deformação são propostos e aplicados em simulações numéricas. A partir dos resultados, as vigas em içamento falharam por instabilidade com uma capacidade de carga 3,7 vezes menor que a capacidade à flexão. Além disso, a solução analítica para içamento previu carga máxima do experimento com grande precisão. As equações propostas para vigas sobre aparelhos de apoio previram com precisão os resultados experimentais disponíveis na literatura. As cargas de tombamento analíticas e experimental diferiram em 4,37% e 13,6% para os dois casos estudados. Dos resultados do material, a degradação da rigidez ocorreu de maneira rápida no UHPFRC submetido à tração enquanto ocorreu gradualmente na compressão. O teor de fibras influenciou significativamente a tenacidade e a degradação nos ciclos de carregamento. As equações propostas foram utilizadas em um modelo de Dano acoplado à plasticidade que previu com precisão a evolução do dano e as envoltórias cíclicas durante todas as fases dos testes de tração, compressão e flexão. O modelo numérico calibrado também previu os resultados experimentais das vigas de UHPFRC.