O concreto é um material que possui grande versatilidade de aplicação em construções e, desde a sua criação, vem sofrendo significativas modificações tanto na sua forma de produção e aplicação, quanto na sua composição. A razão para estas constantes modificações é a busca permanente do aperfeiçoamento das propriedades do concreto, ampliando ainda mais o seu espectro de utilização. Neste contexto e, visando principalmente melhorar o seu comportamento frágil perante esforços de tração, a adição de diferentes tipos de fibras surgiu como uma alternativa bastante promissora. Assim, fibras dispersas e concreto passam a formar, juntos, um material compósito, o qual, segundo verificações experimentais, pode trazer benefícios significativos às construções sob o ponto de vista estrutural. Este é o caso do concreto reforçado com fibras de aço (CRFA), em cujos ensaios foram observados aumentos importantes de resistência à tração e à compressão biaxial com o incremento da quantidade de fibras adicionadas. Visando uma análise mais profunda deste material, o presente trabalho tem por objetivo o estudo de peças de CRFA através da análise numérica tridimensional via Método dos Elementos Finitos. Para tanto, foi desenvolvido um programa computacional, em linguagem FORTRAN 90/95, com o intuito de modelar o comportamento de estruturas executadas com este material. Com base em estudos anteriores, foi implementado no programa um modelo constitutivo capaz de simular o comportamento do concreto com a presença das fibras. A representação do comportamento dos materiais foi feita através de um modelo elastoplástico, sendo analisadas estruturas sob condições de carregamento estático de curta duração. Especificamente para a determinação do comportamento do concreto com fibras, utilizou-se uma variante da superfície de ruptura de Willam-Warnke que considera a presença das fibras através da alteração do seu meridiano de tração. Além disso, a fissuração do concreto foi representada pelo modelo de fissuras distribuídas, que leva em consideração a contribuição da matriz entre fissuras. Dados experimentais disponíveis na literatura são apresentados para efeito de comparação com os resultados obtidos através do programa computacional desenvolvido. Observou-se que o modelo matemático e a metodologia numérica empregados forneceram resultados bastante próximos aos experimentais, validando, desta forma, a modelagem do CRFA realizada neste estudo através de alterações nas propriedades do concreto em função da presença das fibras. / Concrete is a material of great versatility of application in constructions and, since its invention, it has been experimenting significant changes in its form of production and application as well as on its composition. The reason for these continued changes is a permanent search for improvement in concrete’s properties, to widen even more its spectrum of use. In this context, and targeting mainly the improvement of its fragile behavior under tension, the addition of different types of fibers came up as a promising alternative. In this way, disperse fibers and concrete form, together, a composite material that, according to experimental investigations, can bring significant contributions to constructions under a structural standpoint. This is the case of the steel fiber reinforced concrete (SFRC), in whose tests important tensile and biaxial compression strength increases were observed with the increment of the fiber quantity added. Aiming a deeper analysis of this material, the present work has the objective of studying SFRC elements through numerical analyses based on the Finite Element Method. For in such a way, a computational program has been developed in FORTRAN 90/95 language aiming the modeling of the behavior of structures made with this material. On the basis of previous studies, a constitutive model, capable of adequately simulate the behavior of SFRC, was implemented. The representation of the behavior of the materials was carried out through an elastoplastic model and structures under short duration loading conditions were analyzed. Specifically for the determination of the behavior of the concrete with fibers, a variant of the Willam-Warnke rupture surface has been used, which considers the fibers presence through modifications of its tension meridian. Additionally, the concrete cracking was represented in the program by the smeared cracking model, which takes into consideration the contribution of the matrix between cracks. Experimental data available in the literature are compared to the results obtained with the developed computational program. It is observed that the used mathematical model and numerical methodology give results that are quite close to the available experimental data, validating, in this way, the SFRC modeling implemented.

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Os estudos focando a otimização do reforço dos tubos de concreto para obras de saneamento são importantes por estes componentes estarem vinculados a grandes necessidades sociais que ainda atingem o Brasil e outros países em desenvolvimento bem como pelo fato destes componentes serem produzidos em série, o que gera economia de escala. Neste sentido, a utilização de fibras como reforço dos tubos trás consigo um grande número de vantagens aplicativas e de desempenho. A tendência internacional de busca por um consenso no dimensionamento e controle do concreto reforçado com fibras (CRF) como material estrutural está sendo direcionada para o fib Model Code 2010. Geralmente, para a caracterização do CRF são utilizados os ensaios de flexão de vigas. Porém, a moldagem desses corpos de prova para o controle do CRF dos tubos apresentou resultados inadequados em estudos anteriores. A definição do reforço ótimo de tubos de CRF através da tentativa e erro no ensaio de compressão diametral do componente deve ser evitada pelos elevados gastos (financeiros, de material e tempo) associados a esta metodologia. O projeto deve ser atingido através de modelos confiáveis que possam otimizar o reforço através da previsão adequada do desempenho do componente. Da mesma forma, deve-se obter procedimentos de controle do material que sejam concatenados com os procedimentos de controle do produto. Neste sentido, esta tese propõe uma metodologia para a caracterização e controle do comportamento mecânico do CRF para a produção de tubos, que permita modelar o comportamento do componente no ensaio de compressão diametral e verificar sua adequação a uma aplicação estrutural. O estudo foi dividido em três fases principais. Na primeira houve a avaliação de um método de ensaio alternativo ao de flexão de prismas para o controle do CRF. Na segunda fase experimental houve a incorporação de modificações no método de ensaio de compressão diametral do componente de modo a aproximá-lo à filosofia do fib Model Code 2010. Nesta etapa foram avaliados tubos com reforço de fibras de aço, macrofibras poliméricas e vergalhões para comprovar a pertinência da nova metodologia de ensaio. Na terceira fase do estudo foi realizada uma simulação numérica para previsão de comportamento dos componentes ensaiados utilizando os parâmetros do material caracterizados através do método de ensaio alternativo validado na primeira fase. Os resultados obtidos na modelagem foram comparados com o resultado experimental do ensaio do componente de modo a validar a metodologia proposta. Os resultados demonstraram a adequação do ensaio Barcelona para a caracterização e controle do comportamento mecânico do CRF destinado à produção de tubos. Essa caracterização poderá subsidiar simulações numéricas do comportamento do componente no ensaio de compressão diametral. Com isto, ábacos de projeto de tubos de concreto reforçados com diferentes tipos de fibras poderão ser desenvolvidos, identificando as classes resistentes que serão atendidas dependendo do diâmetro do tubo e do teor de fibras empregados. Esta tese aponta também para a necessidade de uma revisão na normalização vigente, estabelecendo critérios relacionados ao comportamento pós-fissuração que avaliem o estado limite de serviço e o estado limite último. Isto permitirá uma avaliação homogênea do tipo de reforço e tornará mais adequada a comparação entre distintos tipos de reforço (fibras ou convencional). / The international trend for a consensus about the design and control of fibre reinforced concrete (FRC) as a structural material is based on the fib Model Code 2010. Generally, in order to characterize the FRC, bending tests are used. However, the moulding of these control test specimens of the FRC pipes is not quite simple as has been shown by previous studies. The design of FRC pipes through trial and error in the component-crushing test should be avoided. This test shall be limited to the acceptance control or final validation of a new component, designed through reliable models that optimize the reinforcement and the component performance. These models should allow both design and prediction of the component behaviour related to the quality control. In that sense, this thesis proposes a methodology for characterizing and controlling the mechanical behaviour of FRC for the production of pipes. This study allows modelling the component behaviour in crushing test and verifying their suitability for structural application. The methodology considered consisted in three main topics: evaluation of an alternative method of FRC control test; modification of the procedure of the crushing test method in order to approach the fib Model Code 2010 philosophy, and prediction the mechanical behaviour of the components comparing numerical simulation results with experiments results. In this last topic, the characterization of the materials performance by the alternative test method was considered. The results indicated that the Barcelona test is suitable in order to characterize and control the mechanical behaviour of the FRC used for the production of pipes. This characterization is able to support numerical simulations of the component behaviour in crushing test. It allows the development of design tables identifying the pipes resistant classes considering a variety of parameters such as types and contents of fibres and pipes diameters. This thesis also points out the need for a review of the current standards, establishing parameters related to the post-cracking behaviour to assess the serviceability limit state and the ultimate limit state. This allows a homogeneous evaluation of the reinforcement type and makes it more suited to comparing different types of reinforcement (fibre or conventional).

Pesquisas e projetos envolvendo a complexa interação de maciços rochosos com estruturas de suporte de túneis evoluem constantemente. A adoção de modelos numéricos sofisticados aliada ao desenvolvimento de computadores com capacidade de processamento crescente possibilitam representações mecânicas de processos complexos. Para análises geotécnicas, considerações de resistência, deformabilidade e condutividade hidráulica do maciço são encontradas em códigos computacionais com representações próximas das encontradas nas pesquisas experimentais de vanguarda da área. Por outro lado, estes mesmos códigos atribuem com frequência ao comportamento do concreto reforçado representações simplistas, muitas vezes com base na teoria da elasticidade. Implicações econômicas e de incerteza na avaliação da segurança decorrem desta forma de representação. Esta pesquisa visa a contribuir para análises da interação entre maciço e suporte de uma escavação subterrânea. Para tanto foram elaboradas simulações numéricas considerando técnicas consagradas de avaliação mecânica de uma escavação, aliadas a uma representação do concreto reforçado considerando o marcante efeito de fissuração. Com foco no comportamento do concreto foram desenvolvidas simulações numéricas de distintas estruturas de concreto reforçado selecionadas na literatura e que contam com boa instrumentação e caracterização mecânica adequada de seus materiais. Os resultados obtidos indicam a possibilidade da avaliação concomitante das complexas características do maciço assim como do concreto reforçado. Este fato contribui para a avaliação da segurança de uma escavação subterrânea com possíveis repercussões no custo das obras. / Research and projects involving the intricate interaction between rock mass and tunnel support structures constantly evolve. The adoption of sophisticated numerical models allied to the development of computers with an increasing processing capacity allows mechanical representations of complex processes. For geotechnical analysis, considerations on rock mass strength, deformability and hydraulic conductivity are found in computational codes with representations close to those found in vanguard experimental research of this subject. However, these same codes often attribute simplistic representations to reinforced concrete behavior, frequently based on elasticity theory. Economic and uncertainty implications in safety evaluation result from this sort of representation. This research aims to contribute to analysis of interaction between rock mass and support of an underground excavation. Thus, numerical simulations were elaborated considering established techniques of mechanical evaluation of excavations, allied to a reinforced concrete representation taking into account the prominent effect of cracking. Focused on the concrete behavior, there were developed numerical simulations of distinct reinforced concrete structures selected in literature and that rely on fair instrumentation and adequate mechanical characterization of the involved materials. The results indicate the possibility of concomitant evaluation of the rock mass complex character and the reinforced concrete. This fact contributes to safety evaluation of an underground excavation with potential repercussions on project cost.

O emprego de fibras para reforço de concreto é uma técnica bastante conhecida e estudada mundialmente. As mais conhecidas e estudadas são as fibras de aço, embora utilização das macrofibras poliméricas esteja amplamente difundida no mercado brasileiro. Entretanto, a caracterização do comportamento mecânico de concretos reforçados com essas macrofibras ainda deve ser mais bem avaliada. Dentre os diversos métodos utilizados para essa finalidade, os ensaios realizados com sistema fechado de controle de velocidade de deslocamento fornecem resultados mais confiáveis. A principal vantagem conferida por esse sistema está na avaliação desses compósitos em baixo nível de fissuração com maior acurácia. O desempenho desses compósitos foi estudado segundo as normas ASTM C1609 (2010), ASTM C1399 (2010) e EN 14651 (2007) e o método JSE-SF4 (1984). Os quatro procedimentos prescrevem ensaios de flexão de corpos-de-prova prismáticos para determinação da resistência residual pós-fissuração e da tenacidade. Os procedimentos americanos e o método japonês prescrevem configuração de aplicação de carga por dois cutelos superiores, posicionados sobre o terço médio do corpo-de-prova. Já a configuração do método europeu é de aplicação de carga por apenas um cutelo superior, centralizado em relação ao vão de ensaio, com corpos-de-prova com entalhe na face inferior. Foram estudadas uma macrofibra de polipropileno, nas dosagens de 0,22, 0,33, 0,50, 0,66, 0,82 e 1,0% em volume em três matrizes de concreto, com resistências médias à compressão de 30, 35 e 40MPa, e uma fibra de aço, nas dosagens de 0,19, 0,32 e 0,45% em volume em uma matriz de resistência média à compressão de 35MPa. Foi observado que a utilização da velocidade de deslocamento do corpo-de-prova como parâmetro de controle do ensaio forneceu boas condições de avaliação do compósito, devido à redução da instabilidade pós-pico. Com isso, a determinação da resistência residual do compósito nos níveis iniciais de deslocamento e fissuração da matriz foi mais bem caracterizada. Pela análise e comparação dos resultados, foram formuladas equações para estabelecer correlações entre os diferentes métodos de ensaio. Com o modelo de regressão utilizado na análise estatística foi possível verificar que a resistência à compressão da matriz, o tipo e o teor de fibra são as variáveis independentes que mais influenciam os resultados de resistência residual. Foi necessário estabelecer correlações para cada tipo de fibra separadamente, pois o comportamento de slip-softening ou de slip-hardening influencia as funções obtidas. / The use of fibers for concrete reinforcing is a very common practice, used all over the world. Steel fibers are the most common and studied, although synthetic macrofibers are in very common use in the Brazilian market. However, the evaluation of the mechanical behavior of concrete reinforced with this type of fiber must be evaluated. A broad range of tests is available for this purpose. Tests performed under closed-loop displacement control provide more reliable results. The main advantage of that system is in the evaluation of the composite at low levels of crack opening with higher accuracy. In this study, the performance of these composites was examined according to the standard test methods ASTM C1609 (2010), ASTM C1399 (2010), EN 14651 (2007) and JSCE-SF4 (1984). These four methods prescribe flexural tests in prismatic specimens for the determination of post-crack residual strength and toughness. The American and the Japanese test methods prescribe four-point bending tests, while the European test method prescribes three-point bending tests and specimens with a notch in the bottom face. Two fibers were analyzed: a polypropylene macrofiber, used in the dosages of 0.22, 0.33, 0.50, 0.66, 0.82 and 1.0 in volume percentage, in three concrete matrices with average compressive strengths of 30, 35 and 40MPa, and a steel fiber, in the dosages of 0.19, 0.32 and 0.45 in volume percentage, in one concrete matrix of average compressive strength of 35MPa. It was observed that the use of the net displacement of the specimen as the parameter to control the load application provided good conditions for the evaluation of the mechanical behavior of the composite, due to the reduction of post-peak instability. Therefore, the determination of the residual strength of the composite in the initial levels of displacement and cracking of the matrix was better achieved. From the comparative analysis of the results, equations were developed to establish a correlation among the test methods. Based on the model used in the statistical analysis, the main independent variables that influence the results of residual strength are the compressive strength of the concrete matrix, the type and the content of the fiber. The equations were obtained separately according to the fiber type, because the behavior of slip-hardening or slip-softening influence the correlations.

Esta pesquisa foi motivada pela existência de controvérsia na literatura sobre concreto exposto a altas temperaturas, das dúvidas ainda por solucionar acerca da matéria e da lacuna na norma brasileira para a matéria. Este tema reapareceu após os vários acidentes em túneis ao redor do mundo ocorridos nos últimos dez anos, nos quais se verificou a ocorrência de lascamento explosivo de forma intensa, afetando a estabilidade estrutural. O objetivo principal da tese é correlacionar os parâmetros tecnológicos de dosagem (relação água/cimento, teor de argamassa e consumo total de água) às condições de risco de lascamento, associados à umidade ambiente, que indiretamente, influencia no grau de saturação do concreto. O segundo objetivo é otimizar o uso de fibras de polipropileno para minimizar o efeito do lascamento. Adotou-se empregar a curva-padrão H durante 55 minutos em corpos-de-prova cúbicos aquecidos apenas em uma das fases com sua dilatação térmica lateral restringida. O nível de lascamento foi avaliado usando o volume lascado, obtido pela espessura medida diretamente nos corpos-de-prova, multiplicada pela área lascada, calculada pelo AUTOCAD 2000. Os resultados mostraram que o parâmetro tecnológico mais relevante na ocorrência de lascamento foi a relação água/cimento e a umidade ambiente apresentou capacidade de alterar as condições de risco de lascamento. No estudo com as fibras percebeu-se diferentes teores de fibras e diferentes características das fibras para cada grupo de a/c. Conclui-se que a relação água/cimento mais baixa associada a umidade a ambiente mais elevada é a condição mais propícia a ocorrência de lascamento. Conclui-se também que o teor de fibras de 600g/m³ é o teor mínimo para se reduzir o lascamento no grupo a/c=0,50 e 1750g/m³ no grupo a/c=0,25. A fibra L=12mm F=36µm PF=140°C mostrou-se a mais eficaz no grupo a/c=0,50 apenas o comprimento L=6 mm mostrou-se eficiente na redução do lascamento. / The present research was motivated by the going controversy in the literature about concrete exposed to high temperatures, the yet unanswered doubts existent on this subject and in the absence of regulation on the matter in Brazil. The theme gained significance after the occurrence of several accidents in tunnels all over the world in the last ten years, in which were observed a very intense form of explosive spalling that affected structural stability of the sites. The main purpose of this work is set up a correlation between technological parameters of dosage in concrete (water cement rate -w/c, mortar content - a, and total water consumption - H) and risk conditions of spalling, which are related to environment humidity that indirectly effects concrete saturation level. The second goal is to optimize the use of polypropylene fiber in order to minimize spalling. The standard H curve was applied during 55 minutes in cubic samples with only a single surface exposed to heat and with restrained lateral thermo dilatation. The response variable was the observed volume of spalling (with multiplied by area of spalling in the sample). The results showed the rate water/cement as the most relevant technology parameter related to spalling risk conditions. Whereas the use of fiber is concerned, efficiency required different fiber content and characteristic for each water/cement rate combined with higher environment humidity provides proper conditions for the occurrence of spalling were 600g/m³ and 1750g/m³ for water/cement ratios of 0,5 and 0,25 respectively. It was also found that the fiber with L=12mm, F=36µm PF=140°C was the most effective in reducing spalling for a water/cement ratio of 0,50 whilst for a effective in reducing spalling for a water/cement ratio of 0,50 whilst for a water/cement ratio of 0,50 whilst for a water/cement ratio 0,25 only the length (L=6 mm) appeared as a significant factor.

Um modelo de controle de qualidade é confiável quando devidamente vinculado a um modelo de dimensionamento de estruturas. O fib Model Code 2010 apresentou um modelo de dimensionamento e controle do concreto reforçado com fibras (CRF) para fins estruturais baseado no ensaio de flexão de prismas com entalhe (EN 14651), mas indica que outros métodos de ensaio podem ser aplicados através de correlação comprovada com o método de referência. Há dificuldades para a utilização do ensaio EN 14651 no Brasil, pois demanda máquinas de ensaio sofisticadas que dificilmente são encontradas em laboratórios de controle tecnológico. O ensaio de duplo puncionamento é um método alternativo para o controle do comportamento mecânico do CRF e utiliza máquinas de ensaio mais simples. No entanto, alguns estudos observaram que podem ocorrer instabilidades após a ruptura da matriz quando são usados CRFs com elevada força da matriz e baixa força residual pós-fissuração. Estas instabilidades ocorrem devido a alguns fatores dentre eles o sistema de controle de ensaio. As instabilidades podem comprometer a avaliação do material. Assim, esta pesquisa estudou os sistemas de controle para o ensaio de duplo puncionamento. Os ensaios foram realizados em máquinas com sistema aberto e fechado e com controle por deslocamento vertical da máquina e deformação do corpo de prova, para verificar se as instabilidades causadas após a fissuração da matriz comprometem a determinação da resistência residual. Os resultados mostraram que, quando os ensaios de duplo puncionamento são realizados em máquinas com sistema aberto, a instabilidade pós-fissuração é maior. No entanto, não influencia negativamente a determinação da resistência residual. Portanto, o ensaio de puplo puncionamento, mesmo realizado em máquinas com sistema aberto, pode ser utilizado como uma alternativa confiável para o controle tecnológico do CRF, estabelecendo como parâmetros de controle valores de forças residuais para determinados deslocamentos verticais. / A quality control model is reliable when properly linked to a structural design model. The fib Model Code 2010 presented a design model of fiber reinforced concrete (FRC) for structural applications where the control of the material is based on the notched beam test (EN 14651). However, this Code indicates that other test methods can be applied as long as proven correlation with the reference method. There are obstacles to the use of the EN 14651 test method in Brazil, as it requires sophisticated testing machines that are difficult to find in laboratories dedicated to quality control. The double punch test is as an alternative test method to control the mechanical behavior of FRC and requires simpler test machines. However, some studies have observed post-peak instabilities in FRC with high matrix strength and low post-crack residual strength low fiber contents are used. These instabilities occur due to some factors including the test control system. The instabilities may compromise the evaluation of the material. Thus, this research studied the control systems for the double punch test. Tests were performed in open and closed-loop test machines and with control by machine displacement and by deformation of the specimen to verify if the instabilities caused after the matrix cracking compromise the determination of residual strength. Results showed that when open-loop test machines are employed, post-crack instability is greater. However, it does not influence the determination of residual strength negatively. Therefore, the double punch test, even when performed in open-loop test machines, may be used for the routine analysis and characterization of FRC, establishing as control parameters residual forces values for certain axial displacement.

A finite element model with discrete and explicit representation of steel fibers is applied for modeling the post-cracking behavior of Steel Fiber Reinforced Concrete (SFRC) in order to contribute on the design of beams with combined reinforcement of steel fibers and rebars (RC-SFRC beams). In this numerical approach, concrete and fibers are initially discretized in finite elements in an independent way, avoiding high computational costs due to conforming meshes. Then, coupling finite elements are introduced to describe the concrete-fiber interaction. The steel fibers are discretized using truss finite elements and their behavior described by an elastoplastic constitutive model. The position of each fiber is defined into the specimen by an uniform isotropic random distribution using as reference the concrete finite element mesh. Concrete and concrete-fiber interface are represented using three and fournoded triangular finite elements, respectively, and their behavior represented by appropriate continuum damage models integrated using an implicit-explicit scheme to enhance the robustness and to reduce the expense of computation. Firstly, the numerical tool is applied in the simulation of three-point bending tests according to EN 14651 to verify its ability to obtain the performance parameters of SFRC and for calibrating the material parameters that describe the concrete-fiber interface. Secondly, both numerical and experimental performance parameters of SFRC are used on the design of RC-SFRC beams according to fib Model Code 2010 to study their influence on the amount of bending and shear reinforcements required. Thirdly, the RC-SFRC beams designed are numerically simulated and the results are compared to the designed ones in terms of crack width, mean crack spacing, deflection and ultimate and service loads. Finally, the numerical results of small scale beams are compared to the experimental and the fib Model Code 2010 predictions to study the capability of the numerical tool to simulate the behavior of structural members. The results demonstrated that computational simulations with an appropriated approach to represent the composite may be an important tool to contribute to better understanding its behavior, extrapolating the conditions considered in laboratory and contributing on the design of SFRC structural members. / Um modelo em elementos finitos com representação discreta e explícita de fibras de aço é utilizado para modelar o comportamento pós-fissuração do Concreto Reforçado com Fibras de Aço (CRFA) com objetivo de contribuir para o dimensionamento de vigas com reforço combinado de fibras e armadura convencional (vigas de CACRFA). Na abordagem numérica utilizada para modelagem de CRFA o concreto e as fibras são inicialmente discretizados em elementos finitos de forma independente, evitando altos custos computacionais devido às malhas conformes. Então, elementos finitos de acoplamento são introduzidos para descrever a interação concreto-fibra. As fibras de aço são discretizadas utilizando elementos finitos de treliça e seu comportamento é descrito por um modelo constitutivo elastoplástico Um algoritmo para distribuição isotrópica randômica é utilizado para gerar e distribuir fibras de aço com base na malha de elementos finitos do concreto. O concreto e a interface concreto-fibra são representados utilizando elementos finitos triangulares de três e quatro nós, respectivamente, e seus comportamentos representados por uma modelos apropriados de dano contínuo integrados utilizando um esquema implícito-explícito com objetivo de aumentar a robustez a reduzir o custo computacional. Primeiramente, a ferramenta numérica é aplicada na simulação de ensaios de flexão de três pontos de acordo com EN 14651 para verificar sua capacidade de obter os parâmetros de desempenho do CRFA e para calibrar os parâmetros do material que descrevem a interface concreto-fibra. Em segundo lugar, os parâmetros de desempenho numéricos e experimentais do CRFA são usados no vigas de CA-CRFA de acordo com o fib Model Code 2010, a fim de estudar sua influência na quantidade de armadura de flexão e cisalhamento necessárias. Em terceiro lugar, as vigas de CA-CRFA são numericamente simuladas e os resultados são comparados com os dimensionados em termos de largura de fissura, espaçamento médio entre fissuras, flecha e cargas últimas e de serviço. Finalmente, os resultados numéricos de vigas de pequena escala são comparados com aqueles obtidos experimentalmente e pelo fib Model Code 2010 para estudar a capacidade da ferramenta numérica em simular o comportamento de elementos estruturais. Os resultados demonstraram que a utilização de simulações computacionais com uma abordagem apropriada para representar o compósito podem ser uma importante ferramenta para contribuir para um melhor entendimento do seu comportamento, extrapolando as condições consideradas em laboratório e contribuindo para o dimensionamento de elementos estruturais de CRFA.

Embora sejam reconhecidas diversas vantagens na adição de fibras curtas de aço ao concreto (CRFA), em especial o ganho de tenacidade, pouco se sabe a respeito da fluência desses materiais compostos. Este trabalho teve como objetivo principal investigar o potencial e as dificuldades inerentes de um método de avaliação experimental da fluência pelo ensaio de vigas, como possível alternativa aos ensaios de compressão axial já consagrados. Ao mesmo tempo, considerando a nova tendência de exploração de compósitos híbridos - formados por fibras de diferentes características, de modo a obter respostas adequadas aos processos de micro e macrofissuração - tomou-se como objeto de estudo experimental um conjunto de modelos e corpos-de-prova de CRFA comum e de CRFA híbrido, este formado pela combinação de fibras de aço de diferentes comprimentos, umas mais longas e outras mais curtas. Para caracterização dos materiais, foram efetuados ensaios para determinação das principais propriedades mecânicas de interesse em distintas idades. As proporções da mistura adotada neste programa experimental foram baseadas em dados de estudos anteriores, que suscitaram investigações mais detalhadas. Entretanto, neste particular programa de ensaios, a adição das fibras, principalmente as mais curtas, acarretou maior teor de ar incorporado ao compósito, o que penalizou o seu desempenho em alguns aspectos. Os resultados desses ensaios demonstraram pouca influência das fibras sobre as propriedades de resistência à compressão, módulo de elasticidade e resistência à tração por compressão diametral. Quanto à fluência, o desempenho do CRFA e do compósito híbrido foi inferior ao da matriz. Por outro lado, notou-se maior restrição à retração do concreto com a adição de fibras. Na análise dos resultados experimentais, o estudo das flechas diferidas foi efetuado pelas correspondentes deformações, para interpretação do fenômeno por meio das curvas de fluência específica. O ajuste de resultados experimentais para curvas de fluência específica demonstrou que a fluência em vigas, apesar de apresentar - comparativamente aos modelos teóricos fundamentados em ensaios de compressão - maior taxa inicial, maiores coeficientes de fluência e estabilização aparentemente mais rápida, pode ser representada por modelos teóricos semelhantes aos usuais. As curvas de tendência determinadas para a matriz foram comparadas com aquelas derivadas de expressões dadas por normas técnicas (NBR 6118:2003 e ACI209:1982), assim como com as obtidas em simulações numéricas efetuadas como software DIANA®. A fluência também foi avaliada experimentalmente em vigas entalhadas, submetidas apenas à ação do peso-próprio, sendo estes ensaios também simulados por meio de modelagem numérica e aplicação de conceitos da mecânica da fratura. Os resultados analisados permitem dizer que há possibilidade de avaliar a fluência pela metodologia estudada, o que oferece um método alternativo para avaliação experimental da fluência. Nesta pesquisa, avaliou-se também a alteração de rigidez das vigas ensaiadas em decorrência dos efeitos do tempo, por meio de ensaios dinâmicos de vibração livre, segundo a ASTM C-215:1991a. / Despite of the well known advantages of steel fiber addition to concrete (SFRC), especially the toughness improvement, only a few number of studies has been developed about creep on these composites. The main purpose of this research is to investigate the feasibility and inherent difficulties related to a particular creep evaluation method. This method is based on beam test results and their analysis by fracture mechanics theory. It is intended to become an alternative method instead of the usual creep analysis of axial compression test results. At the same time, looking at the development of hybrid composites - made of distinct kind of fibers to obtain the best responses for micro and macrocracking - an experimental program was performed. Specimens molded with plain concrete, ordinary SFRC and hybrid SFRC were tested in flexure, the last one made of an association of short and large steel fibers. Characterization tests were performed to obtain the main mechanical properties of these materials at several ages. The mixture proportions were based in previous studies, where good performance characteristics were observed in hybrid composites. Nevertheless, in this particular test series, the addition of shorter steel fibers resulted in high air contents, what probably caused the decrease of the composite\'s performance in some aspects. The test results displayed low influence of the fiber addition on mechanical properties such compression strength, modulus of elasticity and tensile strength. Creep performance showed to be worse in the SFRC and hybrid composites than in plain concrete matrix. However, the reinforcement with steel fibers improved the shrinkage restrain. The analysis of the long-term beam deflections was made by finding the corresponding strains in the sections. Afterwards, specific creep functions were obtained by regression methods. The experimental creep functions were compared to the existing ones in literature and design codes. Despite of some differences, such as higher initial creep rate, higher creep coefficients and faster stabilization, it may be concluded that these functions represented quite well the phenomenon. Also experimental functions for plain concrete showed good results when compared to creep prediction model given by design codes, such as the Brazilian NBR 6118:2003 and ACI 209:1982. Comparison with numerical modeling results also gave satisfactory results. Creep in flexure was also evaluated by means of notched beam tests, where the sustained load was performed only by the beam self-weight. The test results were analyzed by numerical modeling and application of fracture mechanic concepts. The overall results showed the feasibility of creep assessing by the beam test method, which can be, after further detailed test series, a good alternative method instead of axial compression tests. Also dynamic free vibration tests were performed, according to ASTM C-215:1991 recommendations, to investigate the beam stiffness loss due to long term loading effects. These tests showed that modal analysis can be a helpful method in the tests, since it does not introduce damages in the test specimens.

A finite element model with discrete and explicit representation of steel fibers is applied for modeling the post-cracking behavior of Steel Fiber Reinforced Concrete (SFRC) in order to contribute on the design of beams with combined reinforcement of steel fibers and rebars (RC-SFRC beams). In this numerical approach, concrete and fibers are initially discretized in finite elements in an independent way, avoiding high computational costs due to conforming meshes. Then, coupling finite elements are introduced to describe the concrete-fiber interaction. The steel fibers are discretized using truss finite elements and their behavior described by an elastoplastic constitutive model. The position of each fiber is defined into the specimen by an uniform isotropic random distribution using as reference the concrete finite element mesh. Concrete and concrete-fiber interface are represented using three and fournoded triangular finite elements, respectively, and their behavior represented by appropriate continuum damage models integrated using an implicit-explicit scheme to enhance the robustness and to reduce the expense of computation. Firstly, the numerical tool is applied in the simulation of three-point bending tests according to EN 14651 to verify its ability to obtain the performance parameters of SFRC and for calibrating the material parameters that describe the concrete-fiber interface. Secondly, both numerical and experimental performance parameters of SFRC are used on the design of RC-SFRC beams according to fib Model Code 2010 to study their influence on the amount of bending and shear reinforcements required. Thirdly, the RC-SFRC beams designed are numerically simulated and the results are compared to the designed ones in terms of crack width, mean crack spacing, deflection and ultimate and service loads. Finally, the numerical results of small scale beams are compared to the experimental and the fib Model Code 2010 predictions to study the capability of the numerical tool to simulate the behavior of structural members. The results demonstrated that computational simulations with an appropriated approach to represent the composite may be an important tool to contribute to better understanding its behavior, extrapolating the conditions considered in laboratory and contributing on the design of SFRC structural members. / Um modelo em elementos finitos com representação discreta e explícita de fibras de aço é utilizado para modelar o comportamento pós-fissuração do Concreto Reforçado com Fibras de Aço (CRFA) com objetivo de contribuir para o dimensionamento de vigas com reforço combinado de fibras e armadura convencional (vigas de CACRFA). Na abordagem numérica utilizada para modelagem de CRFA o concreto e as fibras são inicialmente discretizados em elementos finitos de forma independente, evitando altos custos computacionais devido às malhas conformes. Então, elementos finitos de acoplamento são introduzidos para descrever a interação concreto-fibra. As fibras de aço são discretizadas utilizando elementos finitos de treliça e seu comportamento é descrito por um modelo constitutivo elastoplástico Um algoritmo para distribuição isotrópica randômica é utilizado para gerar e distribuir fibras de aço com base na malha de elementos finitos do concreto. O concreto e a interface concreto-fibra são representados utilizando elementos finitos triangulares de três e quatro nós, respectivamente, e seus comportamentos representados por uma modelos apropriados de dano contínuo integrados utilizando um esquema implícito-explícito com objetivo de aumentar a robustez a reduzir o custo computacional. Primeiramente, a ferramenta numérica é aplicada na simulação de ensaios de flexão de três pontos de acordo com EN 14651 para verificar sua capacidade de obter os parâmetros de desempenho do CRFA e para calibrar os parâmetros do material que descrevem a interface concreto-fibra. Em segundo lugar, os parâmetros de desempenho numéricos e experimentais do CRFA são usados no vigas de CA-CRFA de acordo com o fib Model Code 2010, a fim de estudar sua influência na quantidade de armadura de flexão e cisalhamento necessárias. Em terceiro lugar, as vigas de CA-CRFA são numericamente simuladas e os resultados são comparados com os dimensionados em termos de largura de fissura, espaçamento médio entre fissuras, flecha e cargas últimas e de serviço. Finalmente, os resultados numéricos de vigas de pequena escala são comparados com aqueles obtidos experimentalmente e pelo fib Model Code 2010 para estudar a capacidade da ferramenta numérica em simular o comportamento de elementos estruturais. Os resultados demonstraram que a utilização de simulações computacionais com uma abordagem apropriada para representar o compósito podem ser uma importante ferramenta para contribuir para um melhor entendimento do seu comportamento, extrapolando as condições consideradas em laboratório e contribuindo para o dimensionamento de elementos estruturais de CRFA.