A corrosão de armaduras é uma das causas mais comuns de degradação mecânica em estruturas em concreto armado. Esse processo leva à redução da vida útil e, consequentemente, a prejuízos econômicos. Desse modo, o presente trabalho visa contribuir com a análise dos fenômenos associados à degradação mecânica do concreto armado sujeito a processos corrosivos devido à carbonatação e à ação de cloretos. Para tal finalidade, modelos analíticos baseados na segunda lei de Fick são usados para quantificar a difusão de CO2 e de íons cloreto no concreto, os quais permitem determinar o tempo de início da corrosão. A degradação mecânica de estruturas em concreto armado é considerada por meio de um modelo em dano concentrado que contempla perda da rigidez, redução da área de aço e da tensão de escoamento de armaduras devido ao processo corrosivo. A formulação de dano concentrado foi modificada de forma a incluir uma variável de estado de corrosão e uma lei de evolução da corrosão, baseada em equações semi-empíricas disponíveis na literatura. Essas equações determinam a redução no diâmetro das armaduras e a perda da capacidade resistente do aço. O problema da corrosão é formulado como um processo estocástico sendo resolvido por meio do método de simulação de Monte Carlo para dois exemplos: uma viga isostática e um pórtico plano com grau de hiperestaticidade igual a três. A formulação da equação de estado limite é baseada em um valor de dano aceitável. Curvas de probabilidade de início da corrosão e de probabilidade de falha da estrutura são obtidas ao longo de 50 anos. No caso da estrutura hiperestática, o caminho mais provável de falha, também chamado de caminho crítico, é determinado. Observa-se que o processo corrosivo provoca mudanças no caminho crítico, e portanto, deve ser considerado nas análises de reparo estrutural. Mapas de dano e de probabilidade de falha foram desenvolvidos para mostrar as mudanças no comportamento estrutural devido à corrosão. / The reinforcement\'s corrosion is one of the most common causes of mechanical degradation in reinforced concrete structures. This process leads to the reduction of the service life and, consequently, economic loss. Thereby, this study aims to contribute with the analysis of the phenomena associated to the mechanical degradation of reinforced concrete, due to the carbonation and the chloride ions. For this purpose, analytical models based on second Fick\'s law are used to quantify CO2 and chloride ions diffusion, which enables to determine the corrosion time initiation. The mechanical degradation of reinforced concrete structures is modeles by the lumped damage model which accounts for stiffness loss, reinforcement mass loss and yield stress reduction due to the corrosive process. The lumped damage formulation was modified to include the state corrosion variable and the corrosion evolution law based on semi-empirical equations available in the literature. These equations determine the reinforcement\'s diameter reduction and the loss of resistant capacity of the reinforcement\'s bar. The corrosion problem is formulated as a stochastic process and solved by the Monte Carlo simulation for two examples: an isostatic beam and a hyperstatic frame. The limit state functions are based on the acceptable damage value. Curves of probability of corrosion initiation and probability of failure are obtained over a range of 50 years. In the hyperstatic case, the most probable failure path, also named the critical path, is determined. It is observed that the corrosive process causes changes on the critical path and, therefore, it must be accounted on structural repair analysis. Damage and probability of failure maps were developed to show the changes on the structural behavior due to the corrosion.

The accurate description of the nonlinear structural behaviour is an important issue in engineering science. Usually, classic nonlinear theories, such as fracture and damage mechanics, applied to finite element programmes are used to fulfil that purpose. Classic fracture mechanics describes the structural deterioration process by a few discrete cracks. This theory presents good precision for structures with simple geometries, few cracks and homogeneous materials. Classic damage mechanics measures the deterioration process by an internal variable called damage. This theory has been successful in the description of several deterioration mechanisms in continuum media. Despite their accuracy, classic fracture and damage mechanics present some drawbacks. Firstly, regarding civil engineering problems, both theories are not suitable for some practical applications. Secondly, fracture mechanics demands the consideration of initial cracks to begin the analysis. Lastly, classic damage models may present an issue known as localisation, what essentially leads to ill-posed problems and mesh-dependent numerical algorithms. Alternatively, a recent theory, called lumped damage mechanics, was proposed in order to achieve good accuracy in actual engineering problems. Such theory applies key concepts from fracture and damage mechanics in plastic hinges. In the light of the foregoing, the main goal of this thesis is the extension of the lumped damage mechanics framework to analyse different engineering problems. So far, lumped damage mechanics was characterised as a simplified methodology to analyse reinforced concrete frames under seismic and monotonic loadings; even with a few contributions on the analysis of local buckling in metallic structures. Therefore, this work extends the lumped damage mechanics framework to analyse reinforced concrete arches, unreinforced concrete structures, high cycle fatigue and continuum problems. The application examples show the accuracy of the proposed methodologies. / A descrição acurada do comportamento não linear de estruturas é um problema importante na engenharia. Usualmente, teorias não lineares clássicas, tais como as mecânicas da fratura e do dano, aplicadas a programas de elementos finitos são utilizadas a fim de cumprir aquele propósito. A mecânica da fratura clássica descreve o processo de deterioração estrutural por meio de um pequeno número de fissuras discretas. Esta teoria apresenta boa precisão para estruturas com geometrias simples, poucas fissuras e materiais homogêneos. A mecânica do dano clássica tem sido exitosa na descrição de diversos mecanismos de deterioração em meios contínuos. Apesar de precisas, as abordagens clássicas em fratura e dano apresentam alguns entraves. Primeiramente, tratando-se de problemas da engenharia civil, ambas teorias não são adequadas para aplicações práticas. Em segundo lugar, os modelos clássicos de fratura demandam a consideração de fissuras iniciais para iniciar a análise. Por fim, os modelos clássicos de dano podem apresentar um problema conhecido como localização, o que essencialmente implica em problemas mal colocados e algoritmos com dependência de malha. Alternativamente, uma teoria recente, chamada teoria do dano concentrado, foi proposta a fim de obter boa precisão em problemas reais de engenharia. Tal teoria aplica conceitos-chave das mecânicas da fratura e do dano em rótulas plásticas. À luz do exposto, o principal objetivo desta tese é a extensão da teoria do dano concentrado para analisar diferente problemas da engenharia. Até então, a teoria do dano concentrado era caracterizada como uma metodologia simplificada para analisar pórticos de concreto armado sob solicitações monotônicas ou sísmicas; mesmo com algumas poucas contribuições na análise de instabilidade local em estruturas metálicas. Desta forma, este trabalho estende a teoria do dano concentrado a fim de analisar arcos de concreto armado, estruturas de concreto simples, fadiga de alto ciclo e problemas contínuos. Os exemplos de aplicação mostram a acurácia das metodologias propostas.

O fenômeno de fadiga é uma das principais considerações quando se verifica a integridade de estruturas sujeitas a carregamentos cíclicos. Para analisar o problema, devem-se considerar os efeitos da significativa dispersão observada nos dados estatísticos das variáveis relacionadas à fadiga. Para contemplar tais incertezas, métodos de confiabilidade são particularmente recomendados. Nesse sentido, quando utilizada uma técnica baseada em simulações, procuram-se métodos de análise estrutural que minimizem o tempo de processamento para viabilizar a análise de confiabilidade. Este trabalho apresenta uma formulação geral para a análise de fadiga de pórticos planos baseada na Mecânica do Dano Concentrado (LDM) considerando as incertezas associadas. A abordagem proposta é verificada através da comparação dos resultados obtidos com as curvas S-N disponíveis em diversas normas. Exemplos de estruturas mais complexas são apresentados posteriormente. / Fatigue analysis is one of the main tasks when assessing the integrity of structures under cyclic loading. In order to properly approach the fatigue process, the effects of the great scatter observed in statistical data of fatigue variables must be considered. Facing such uncertainties, reliability methods are particularly recommended. If a sampling-based technique is to be used, one of the critical points is the huge number of analyses required for computing failure probabilities. Consequently, those methods of structural analysis that minimize the processing time are highly convenient to make the analysis feasible without significant loss of accuracy. This work presents a general formulation for probabilistic structural fatigue analysis of frames, based on Lumped Damage Mechanics (LDM). The proposed approach is first validated comparing the number of cycles to failure with the S-N curves found in building codes. Further examples of more complex structures, represented as plane frames, are also presented.

O fenômeno de fadiga é uma das principais considerações quando se verifica a integridade de estruturas sujeitas a carregamentos cíclicos. Para analisar o problema, devem-se considerar os efeitos da significativa dispersão observada nos dados estatísticos das variáveis relacionadas à fadiga. Para contemplar tais incertezas, métodos de confiabilidade são particularmente recomendados. Nesse sentido, quando utilizada uma técnica baseada em simulações, procuram-se métodos de análise estrutural que minimizem o tempo de processamento para viabilizar a análise de confiabilidade. Este trabalho apresenta uma formulação geral para a análise de fadiga de pórticos planos baseada na Mecânica do Dano Concentrado (LDM) considerando as incertezas associadas. A abordagem proposta é verificada através da comparação dos resultados obtidos com as curvas S-N disponíveis em diversas normas. Exemplos de estruturas mais complexas são apresentados posteriormente. / Fatigue analysis is one of the main tasks when assessing the integrity of structures under cyclic loading. In order to properly approach the fatigue process, the effects of the great scatter observed in statistical data of fatigue variables must be considered. Facing such uncertainties, reliability methods are particularly recommended. If a sampling-based technique is to be used, one of the critical points is the huge number of analyses required for computing failure probabilities. Consequently, those methods of structural analysis that minimize the processing time are highly convenient to make the analysis feasible without significant loss of accuracy. This work presents a general formulation for probabilistic structural fatigue analysis of frames, based on Lumped Damage Mechanics (LDM). The proposed approach is first validated comparing the number of cycles to failure with the S-N curves found in building codes. Further examples of more complex structures, represented as plane frames, are also presented.

A corrosão de armaduras é uma das causas mais comuns de degradação mecânica em estruturas em concreto armado. Esse processo leva à redução da vida útil e, consequentemente, a prejuízos econômicos. Desse modo, o presente trabalho visa contribuir com a análise dos fenômenos associados à degradação mecânica do concreto armado sujeito a processos corrosivos devido à carbonatação e à ação de cloretos. Para tal finalidade, modelos analíticos baseados na segunda lei de Fick são usados para quantificar a difusão de CO2 e de íons cloreto no concreto, os quais permitem determinar o tempo de início da corrosão. A degradação mecânica de estruturas em concreto armado é considerada por meio de um modelo em dano concentrado que contempla perda da rigidez, redução da área de aço e da tensão de escoamento de armaduras devido ao processo corrosivo. A formulação de dano concentrado foi modificada de forma a incluir uma variável de estado de corrosão e uma lei de evolução da corrosão, baseada em equações semi-empíricas disponíveis na literatura. Essas equações determinam a redução no diâmetro das armaduras e a perda da capacidade resistente do aço. O problema da corrosão é formulado como um processo estocástico sendo resolvido por meio do método de simulação de Monte Carlo para dois exemplos: uma viga isostática e um pórtico plano com grau de hiperestaticidade igual a três. A formulação da equação de estado limite é baseada em um valor de dano aceitável. Curvas de probabilidade de início da corrosão e de probabilidade de falha da estrutura são obtidas ao longo de 50 anos. No caso da estrutura hiperestática, o caminho mais provável de falha, também chamado de caminho crítico, é determinado. Observa-se que o processo corrosivo provoca mudanças no caminho crítico, e portanto, deve ser considerado nas análises de reparo estrutural. Mapas de dano e de probabilidade de falha foram desenvolvidos para mostrar as mudanças no comportamento estrutural devido à corrosão. / The reinforcement\'s corrosion is one of the most common causes of mechanical degradation in reinforced concrete structures. This process leads to the reduction of the service life and, consequently, economic loss. Thereby, this study aims to contribute with the analysis of the phenomena associated to the mechanical degradation of reinforced concrete, due to the carbonation and the chloride ions. For this purpose, analytical models based on second Fick\'s law are used to quantify CO2 and chloride ions diffusion, which enables to determine the corrosion time initiation. The mechanical degradation of reinforced concrete structures is modeles by the lumped damage model which accounts for stiffness loss, reinforcement mass loss and yield stress reduction due to the corrosive process. The lumped damage formulation was modified to include the state corrosion variable and the corrosion evolution law based on semi-empirical equations available in the literature. These equations determine the reinforcement\'s diameter reduction and the loss of resistant capacity of the reinforcement\'s bar. The corrosion problem is formulated as a stochastic process and solved by the Monte Carlo simulation for two examples: an isostatic beam and a hyperstatic frame. The limit state functions are based on the acceptable damage value. Curves of probability of corrosion initiation and probability of failure are obtained over a range of 50 years. In the hyperstatic case, the most probable failure path, also named the critical path, is determined. It is observed that the corrosive process causes changes on the critical path and, therefore, it must be accounted on structural repair analysis. Damage and probability of failure maps were developed to show the changes on the structural behavior due to the corrosion.

The accurate description of the nonlinear structural behaviour is an important issue in engineering science. Usually, classic nonlinear theories, such as fracture and damage mechanics, applied to finite element programmes are used to fulfil that purpose. Classic fracture mechanics describes the structural deterioration process by a few discrete cracks. This theory presents good precision for structures with simple geometries, few cracks and homogeneous materials. Classic damage mechanics measures the deterioration process by an internal variable called damage. This theory has been successful in the description of several deterioration mechanisms in continuum media. Despite their accuracy, classic fracture and damage mechanics present some drawbacks. Firstly, regarding civil engineering problems, both theories are not suitable for some practical applications. Secondly, fracture mechanics demands the consideration of initial cracks to begin the analysis. Lastly, classic damage models may present an issue known as localisation, what essentially leads to ill-posed problems and mesh-dependent numerical algorithms. Alternatively, a recent theory, called lumped damage mechanics, was proposed in order to achieve good accuracy in actual engineering problems. Such theory applies key concepts from fracture and damage mechanics in plastic hinges. In the light of the foregoing, the main goal of this thesis is the extension of the lumped damage mechanics framework to analyse different engineering problems. So far, lumped damage mechanics was characterised as a simplified methodology to analyse reinforced concrete frames under seismic and monotonic loadings; even with a few contributions on the analysis of local buckling in metallic structures. Therefore, this work extends the lumped damage mechanics framework to analyse reinforced concrete arches, unreinforced concrete structures, high cycle fatigue and continuum problems. The application examples show the accuracy of the proposed methodologies. / A descrição acurada do comportamento não linear de estruturas é um problema importante na engenharia. Usualmente, teorias não lineares clássicas, tais como as mecânicas da fratura e do dano, aplicadas a programas de elementos finitos são utilizadas a fim de cumprir aquele propósito. A mecânica da fratura clássica descreve o processo de deterioração estrutural por meio de um pequeno número de fissuras discretas. Esta teoria apresenta boa precisão para estruturas com geometrias simples, poucas fissuras e materiais homogêneos. A mecânica do dano clássica tem sido exitosa na descrição de diversos mecanismos de deterioração em meios contínuos. Apesar de precisas, as abordagens clássicas em fratura e dano apresentam alguns entraves. Primeiramente, tratando-se de problemas da engenharia civil, ambas teorias não são adequadas para aplicações práticas. Em segundo lugar, os modelos clássicos de fratura demandam a consideração de fissuras iniciais para iniciar a análise. Por fim, os modelos clássicos de dano podem apresentar um problema conhecido como localização, o que essencialmente implica em problemas mal colocados e algoritmos com dependência de malha. Alternativamente, uma teoria recente, chamada teoria do dano concentrado, foi proposta a fim de obter boa precisão em problemas reais de engenharia. Tal teoria aplica conceitos-chave das mecânicas da fratura e do dano em rótulas plásticas. À luz do exposto, o principal objetivo desta tese é a extensão da teoria do dano concentrado para analisar diferente problemas da engenharia. Até então, a teoria do dano concentrado era caracterizada como uma metodologia simplificada para analisar pórticos de concreto armado sob solicitações monotônicas ou sísmicas; mesmo com algumas poucas contribuições na análise de instabilidade local em estruturas metálicas. Desta forma, este trabalho estende a teoria do dano concentrado a fim de analisar arcos de concreto armado, estruturas de concreto simples, fadiga de alto ciclo e problemas contínuos. Os exemplos de aplicação mostram a acurácia das metodologias propostas.