This diploma thesis examines the properties of concrete with reinforcement, designed for the production of a concrete egg-shaped tubes . The stress is put on using various types of fiber reinforcements. Theoretical part is divided into 4 subsections. The topic of the first subsection is a concrete in general. Second subsection deals with various technology of production of concrete pipes. The third subsection is focused on description and summary of basic properties of concrete and reinforced concrete tubes. The last subsection deals with standardized procedures for testing concrete. Experimental part of this thesis is divided into two subsection. First subsection deals with design of a reference sample. Six different samples of a concrete were designed and their rheological properties were tested. Second subsection deals with the additi-on of various types of fiber reinforcement to the reference sample. Eight different admixtures of a concrete were added to the reference sample. Properties of these admixtures were tested in fresh and hardened state.

Concrete, the second most used material in the world, presents great performance and economic benefits. Yet, it is often characterized by a brittle behaviour, low tensile strength, and toughness. Fibers are usually added to concrete to counteract its brittle behaviour, increasing ductility and toughness, controlling crack propagation and delaying concrete failure. However, their addition significantly worsens the fresh state performance of the material. To improve fresh state of the so-called Fiber Reinforced Concrete (FRC), conventional mix-design methods recommend the use of high paste content, which results in a significant increase of Portland cement (PC) content and raises the carbon footprint of the material. The latter is responsible for 8% of the global annual carbon dioxide (CO2) anthropogenic emissions. Given the current worldwide concerns on global warming, the construction industry is in a need to lessen the demand, and thus production of PC. Recent studies have been focusing on the use of advanced mix-design techniques (i.e. particle packing models- PPMs) along with Inert Fillers (IF) as an alternative to reduce PC content in concrete. However, the latter was not applied to conventional FRC. In this work, advanced mix design techniques (i.e. PPMs) are used to overcome the aforementioned issues and mix-proportion eco-efficient FRC with low cement content (< 300 kg/m3). Fresh (i.e. VeBe time, slump, rheological behaviour) and hardened (i.e. compressive strength, and flexural behaviour) state tests were performed on the proposed mixtures and compared with control high PC content (375 kg/m3) FRC mixes. Results show that PPM designed mixes presented higher minimum torque (yield stress) but quite comparable apparent viscositiy when compared to conventionally designed mixtures. Moreover, the flowability (i.e. VeBe time, and slump) tends to decrease as fiber content, length, and/or as the amount of fillers increase in the mixtures. In addition, PPM mixes exhibited a shear thinning behaviour following the Herschel-Bulkley model, which enables the design of FRC PPM mix-proportioned mixtures for applications requiring high torque regimes such as vibrated and/or pumped concrete. Finally, results show that the use of PPMs to mix proportion eco-efficient low cement FRC mixtures produced improved hardened (i.e. compressive strength, and flexural performance) state behaviour with lower environmental impact than conventional ACI designed FRC mixtures.

In dieser Arbeit wird das Verhalten von Normal- und Stahlfaserbeton (engl. steel fiber reinforced concrete (SFRC)) unter quasi-statischer und dynamischer Belastung untersucht. Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf den Untersuchungen unter dynamischer Belastung. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass die Zugabe von Stahlfasern viele der gewünschten technischen Eigenschaften des erhärteten Betons, wie Bruchzähigkeit, Biegefestigkeit, Ermüdungsfestigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit sowie Rissbildung, erheblich verbessern kann. In diesem Zusammenhang weisen viele experimentelle und numerische Studien darauf hin, dass die Festigkeit solcher Verbundwerkstoffe ratenabhängig ist, d.h. sie wird durch die Erhöhung der dynamischen Belastung stark beeinflusst. Dieser Effekt gilt sowohl für die Verbundwerkstoffkomponenten Beton und Stahlfasern als auch für die Verbundwechselwirkung zwischen ihnen. Das Phänomen ist allgemein als Dehnraten-Effekt bekannt. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurden numerische Untersuchungen durchgeführt, um den Einfluss der Zugabe von Stahlfasern in die Betonmatrix systematisch zu analysieren und die Abhängigkeit dieses Materials von der Belastungsrate zu untersuchen. Es wurden drei numerische Studien durchgeführt. In der ersten Studie wurde das Verbundverhalten zwischen Stahlfaser und der angrenzenden Betonmatrix mit verschiedenen Ansätzen mit der Finite-Elemente-Software LS-DYNA untersucht. Die Ergebnisse wurden mit zur Verfügung stehenden experimentellen Daten verglichen. In der zweiten Studie wurde das Verhalten von unverstärktem und stahlfaserverstärkten Betonplatten unter Impakt-Belastung untersucht. Die Modelle wurden entwickelt und kalibriert. Die Qualität und Zuverlässigkeit der Modelle wurden in einer Reihe von numerischen Fallstudien bewertet. Die berechneten Ergebnisse wurden durch Vergleich mit den zur Verfügung stehenden experimentellen Daten verifiziert. Das dynamische Verhalten von unverstärktem Beton und faserverstärktem Beton wurde in der dritten Studie untersucht, wobei sowohl das Druck- als auch das Zugverhalten untersucht wurden. Diese Untersuchungen zielten darauf ab, den Beitrag der Stahlfasern zur globalen Festigkeit bzw. zum Widerstandsverhalten von unverstärktem und faserverstärktem Material unter dynamischer Belastung zu untersuchen, wobei dem Einfluss der Stahlfasern auf die Rissentwicklung des faserverstärkten Betons wenig Beachtung geschenkt wurde. Darüber hinaus sind der Beitrag des Materialeffekts und seine Fähigkeit, das dynamische Verhalten von glattem und faserverstärktem Beton zu erfassen, von Interesse. Der Schwerpunkt liegt hier auf dem vorgeschlagenen Materialmodell für den Beton. Es wird gezeigt, dass das vorgeschlagene Betonmodell das druck- und zugdynamische Verhalten des unverstärkten und des faserverstärkten Betons gut abbilden und die experimentellen Ergebnisse realistisch vorhersagen kann. Schließlich folgten numerische Fallstudien zur Abhängigkeit der Ergebnisse von der Netzgröße, dem Fasergehalt, dem Verhältnis von Faserlänge zu -durchmesser, der Betonfestigkeit und der Belastungsrate. Die Parameter mit dem größten Einfluss wurden identifiziert und analysiert, und eine Schlussfolgerung wurde gezogen. Es wurde gezeigt, dass die zuvor genannten Parameter aktiv am Gesamtverhalten der Materialien beteiligt sind und eine wesentliche Rolle dabei spielen können.

Im konstruktiven Betonbau haben sich Kurzfasern in Form von Makrofasern zur isotropen Verstärkung vorwiegend statisch unbestimmter Bauteile etabliert. Diese Fasern werden dem Frischbeton konventionell beigemischt und verleihen dem Festbeton bei üblichen Fasergehalten von etwa 1 Vol.-% die Eigenschaft, auch nach erfolgter Rissbildung einen gewissen Grad an Zugspannungen im Riss übertragen zu können. Die dabei übertragbaren Spannungen nehmen in der Regel mit zunehmender Rissweite ab. Das Hauptanwendungsgebiet stellen daher Bodenplatten und Industrieböden dar, deren Systemtragfähigkeit aufgrund ihrer hohen statischen Unbestimmtheit nicht auf die Querschnittstragfähigkeit begrenzt ist. Da die Tragwerk-Baugrund-Interaktion ein komplexer Prozess ist, gestaltet sich eine Aussage zu den Mindestanforderungen an das Entfestigungsverhalten konstruktiver Faserbetone zur Gewährleistung eines duktilen und überkritischen Systemtragverhaltens schwierig. Die Regelungen zur Akzeptanz und zum Einsatz von Faserprodukten für konstruktive Betonbauteile sind zudem insbesondere im deutschsprachigen Raum durch präskriptive Vorgaben wie in der DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ auf die Anwendung von Stahlfasern begrenzt. International können dagegen durch leistungsbezogene Normen, wie dem fib Model Code 2010, auch andere Fasermaterialien eingesetzt werden, sofern diese mit der Betonmatrix verträglich sind. Kurzfasern aus Glas dürfen im konstruktiven Betonbau momentan nicht auf die Tragfähigkeit von Bauteilen angerechnet werden. Insbesondere längere Makroglasfasern erscheinen aber als geeignet, Spannungen auch bei größeren Rissöffnungen übertragen zu können und insbesondere Betonbodenplatten eine höhere Tragfähigkeit und Duktilität zu verleihen. In dieser Arbeit wurde die Verwendung von Makroglasfasern mit einer Länge von 36 mm im Kontext ihrer Leistungsfähigkeit auf Material- und Bauteilebene untersucht. Auf Basis von Drei- und Vier-Punkt-Biegezugversuchen wurden Finite-Elemente-Modelle entwickelt und die Leistungsfähigkeit der Faserbetone auf Materialebene durch inverse Analysen bestimmt. Zusätzlich wurde ein eigener Ansatz für dieses Vorgehen entwickelt, mit dem einige der in den Regelwerken verankerten Parameter hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für Makroglasfaserbeton neu kalibriert wurden. Durch experimentelle und numerische Versuche an Decken- und Bodenplatten wurde das Materialverhalten des Makroglasfaserbetons auf Bauteilebene untersucht. Die im Vorfeld ermittelten Materialkennwerte bildeten die Eingangswerte für die Simulation der Bauteilversuche. Abschließend verdeutlichte eine Parameterstudie den Einfluss der Leistungsfähigkeit des Faserbetons und der Bodensteifigkeit auf die Tragfähigkeit von Bodenplatten. Insgesamt soll diese Arbeit einen wissenschaftlichen Beitrag zur Verwendung und statischen Anrechenbarkeit von Makroglasfasern in Konstruktionsbeton und seiner Anwendung in Bodenplatten leisten. Im Ergebnis ist festzuhalten, dass Makroglasfaserbeton innerhalb der untersuchten Fasergehalte ein dehnungsentfestigendes Materialverhalten aufweist. Die normativ verankerten Beiwerte für die Umrechnung der Nachrissbiegezugfestigkeit in die Nachrisszugfestigkeit sind teilweise zu hoch angesetzt, und die rechnerische Bruchdehnung sollte auf 18 ‰ begrenzt werden. Die Untersuchungen an Bodenplatten zeigen, dass selbst Faserbetone mit geringer Nachrisszugfestigkeit im Bereich größerer Rissweiten, eine deutliche Traglaststeigerungen nach Erstrissbildung im Bauteil erzeugen können. Erst ab einer Rissweite von etwa 0,4 mm bieten duktilere Fasern wie Kunststoff- oder Stahlfasern Vorteile. Bei der Herstellung von Makroglasfaserbeton ist besonderes Augenmerk auf den Mischvorgang zu legen. Mit zunehmender Mischzeit werden die Fasern aufgrund ihres grundsätzlich spröden Materialverhaltens und ihrer Zusammensetzung aus Einzelfilamenten geschädigt. Die Wahl des Betonmischers kann einen Unterschied von einer Leistungsklasse bedingen, weshalb die Leistungsfähigkeit von Makroglasfaserbeton immer an Prüfkörpern aus dem zum Einsatz kommenden Betonmischers erfolgen sollte. Im Rahmen dieser Arbeit wurden kurzzeitige Belastungen an Bodenplatten unter mittiger Lasteinleitung untersucht. Andere Belastungsszenarien sollten gesondert betrachtet werden. Die Überführung der Ergebnisse der untersuchten Bodenplatten in ein Berechnungsmodell für beliebige Plattengeometrien und Bodeneigenschaften stellt eine sinnvolle Verwertung der Forschungsergebnisse dar.:Vorwort Symbolverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Kurzfassung Abstract Inhalt 1 Einleitung 1.1 Problem- und Zielstellung 1.2 Thematische Abgrenzung 1.3 Aufbau der Arbeit, Methodik 2 Grundlagen Faserbeton 2.1 Allgemeines 2.1.1 Faserwerkstoffe 2.1.2 Faserformen 2.1.3 Betonmatrix 2.2 Tragverhalten von Faserbeton 2.3 Grundlagen der Bruchmechanik von Faserbeton 2.3.1 Rissbildungsmodelle 2.3.2 Betrachtungen zur charakteristischen Länge 2.4 Ermittlung der Leistungsfähigkeit von Faserbeton 2.4.1 Allgemeine Prüfverfahren 2.4.2 Drei-Punkt-Biegezugversuch nach DIN EN 14651 und fib Model Code 2010 2.4.3 Anwendungsvoraussetzungen von Faserbeton in tragenden Bauteilen nach fib Model Code 2010 2.4.4 Vier-Punkt-Biegezugversuch nach DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ 2.4.5 Anwendungsvoraussetzungen von Faserbeton in tragenden Bauteilen nach DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ 3 Konstruktiver Makroglasfaserbeton 4 Bodenplatten aus Faserbeton 4.1 Allgemeines 4.2 Bodeneigenschaften 4.2.1 Allgemeines 4.2.2 Elastizitätsmodul 4.2.3 Dynamischer Verformungsmodul 4.2.4 Bettungsmodul 4.2.5 Spannungen im Boden 4.2.5.1 Verfahren nach STEINBRENNER 4.2.5.2 Fließkriterium nach DRUCKER-PRAGER 4.3 Interaktion von Baugrund und Gründung 4.3.1 Phasen der Traglastentwicklung von Betonbodenplatten 4.3.2 Bodenmodelle 4.3.3 Ansätze zur Ermittlung der Tragfähigkeit von Bodenplatten 4.4 Eigener Ansatz 5 Beschreibung der experimentellen Untersuchungen 5.1 Übersicht zum Versuchsprogramm 5.2 Entwickelte Makroglasfaserbetonmischungen 5.2.1 Mischungskonzeption 5.2.2 Verwendete Makroglasfasern 5.2.3 Anforderungen an die Frischbetoneigenschaften 5.2.3.1 Verarbeitbarkeit 5.2.3.2 Luftporengehalt 5.3 Versuche an kleinformatigen Prüfkörpern 5.3.1 Übersicht 5.3.2 Druckfestigkeit 5.3.3 Elastizitätsmodul 5.3.4 Drei- und Vier-Punkt-Biegezugversuche an Biegebalken 5.3.5 Dauerhaftigkeit 5.3.5.1 Allgemein 5.3.5.2 Alkalität 5.3.5.3 Frost-Tausalzbeständigkeit 5.3.5.4 Mechanischer Abrieb 5.3.5.5 Wassereindringwiderstand 5.3.6 Untersuchungen zu Faserverteilung und Fasergehalt 5.3.7 Einfluss von Misch- und Transportzeiten auf Faserzustand und Tragverhalten 5.3.7.1 Einfluss der Mischzeit 5.3.7.2 Einfluss des Transportvorgangs 5.4 Bauteilversuche 5.4.1 Übersicht 5.4.2 Vierseitig liniengelagerte Platten 5.4.2.1 Untersuchungsgegenstand und Ziel 5.4.2.2 Versuchsaufbau 5.4.2.3 Versuchsablauf 5.4.3 Flächig gelagerte Platten 5.4.3.1 Untersuchungsgegenstand und Ziel 5.4.3.2 Versuchsaufbau 5.4.3.3 Versuchsablauf 6 Auswertung der experimentellen Untersuchungen 6.1 Frisch- und Festbetoneigenschaften der untersuchten Makroglasfaserbetone 6.1.1 Frischbetoneigenschaften 6.1.2 Grundlegende Festbetoneigenschaften 6.1.3 Residuales Biegetragverhalten 6.1.3.1 Übersicht 6.1.3.2 Drei-Punkt-Biegezugversuche 6.1.3.3 Vier-Punkt-Biegezugversuche 6.1.3.4 Zusammenfassung und Vergleich der Biegeversuche 6.1.3.5 Einfluss des Mischertyps 6.1.4 Dauerhaftigkeit 6.1.4.1 Alkalität 6.1.4.2 Frost-Tauwechselbeständigkeit 6.1.4.3 Mechanischer Abrieb 6.1.4.4 Wassereindringwiderstand 6.1.5 Faserverteilung 6.1.5.1 Übersicht 6.1.5.2 Faserverteilung im Frischbeton 6.1.5.3 Faserverteilung im Festbeton 6.1.6 Einfluss von Misch- und Transportzeiten auf Faserzustand und Tragverhalten 6.1.6.1 Einfluss der Mischzeit 6.1.6.2 Einfluss der Transportzeit 6.2 Vierseitig liniengelagerte Platten 6.2.1 Zielstellung 6.2.2 Tragfähigkeit und Duktilität der untersuchten Serien 6.2.3 Verformungsfiguren und Rissbilder 6.3 Flächig gelagerte Platten 6.3.1 Zielstellung 6.3.2 Eigenschaften des Untergrundes 6.3.3 Tragfähigkeit und Duktilität der untersuchten Bewehrungsvarianten 6.3.4 Verformungsfiguren und Rissbilder 7 Numerische Simulation 7.1 Übersicht 7.2 Numerische Analyse des Entfestigungsverhaltens von Biegebalken 7.2.1 Überblick 7.2.2 Inverse Analyse der Biegebalken mit CONSOFT 7.2.3 Inverse Analyse der Biegebalken mit ATENA 7.2.4 Eigene Inverse Analyse auf Grundlage normativer Ansätze 7.3 Nachrechnung der Untersuchungen an Bodenplatten 7.3.1 Zielstellung 7.3.2 Aufbau des FE-Modells 7.3.2.1 Geometrisches Modell 7.3.2.2 Materialparameter 7.3.2.3 Verwendete Netzparameter 7.3.2.4 Belastungen 7.3.3 Ergebnisse der FE-Simulation 8 Versuchsübergreifende Auswertung 8.1 Entfestigungsverhalten von Makroglasfaserbeton anhand von Biegeversuchen 8.1.1 Überblick 8.1.2 Kalibrierung der ?-Faktoren 8.1.2.1 Drei-Punkt-Biegezugversuch 8.1.2.2 Vier-Punkt-Biegezugversuch 8.1.3 Interpretation der ermittelten Entfestigungskurven 8.2 Einfluss ausgewählter Parameter auf das Systemtragverhalten der untersuchten Bodenplatten 8.2.1 Überblick 8.2.2 Einfluss des Nachbruchverhaltens und der Bodenart 8.2.3 Fazit 9 Zusammenfassung und Ausblick Literatur Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A: Ergänzungen zum Stand des Wissens Dauerhaftigkeit von Glasfaserbeton Einfluss der Glaszusammensetzung Einfluss der zementösen Matrix Bodenmodelle Halbraumtheorie Plattentheorie und Bettungsmodulverfahren Steifezifferverfahren Steifemodulverfahren 3D-Halbraumverfahren Berechnungsverfahren für Bodenplatten Grundlagen der Berechnung der ungerissenen Platte Grundlagen der Berechnung der gerissenen Platte Streifenmethode Bruchlinientheorie Analytischer Ansatz nach LANZONI ET AL. Modelle auf Basis numerischer Verfahren Modell von SHENTU ET AL. Modell von GOSSLA ET AL. Modelle auf Basis der nichtlinearen Bruchmechanik Modell nach BARROS und FIGUEIRAS Modell nach PLIZZARI ET AL. Anhang B: Betonzusammensetzung Betonmischungen Datenblätter Flugasche Betonzusatzmittel Festigkeiten Anhang C: Biegezugversuche Aufbereitung der Versuchsdaten Prüfprotokolle der Biegezugversuche Anhang D: Liniengelagerte Platten Vorbetrachtungen Zeichnungen Versuchsbegleitende Messungen Modifizierung der gemessenen Last-Verformungs-Kurven Bauteilverformungen über den Plattenquerschnitt Anhang E: Bodenplatten Bodenuntersuchungen Verformungen über die Plattendiagonale Rissbilder nach Versuchsende Anhang G: Inverse Analyse Entfestigungskurven der experimentellen und numerischen Biegezugversuche Vier-Punkt-Biegezugversuche Drei-Punkt-Biegezugversuche Anhang H: FE-Simulation der Bodenplatten Dimensionierung Einfluss des Elementtyps Netzkonfiguration Eingabewerte für die Materialmodelle Linear elastische Materialmodelle Betonmodelle Bewehrungsstahl Bodenmodelle Ergebnisse Anhang I: Parameterstudie

In the course of revitalizing the Poseidon Building in Frankfurt, an energetically optimized façade, made of an architectural concrete was developed. The development of a fiber-reinforced architectural concrete had to consider the necessary mechanical strength, design technology and surface quality. The fiber-reinforced architectural concrete has a compressive strength of 104.1 MPa and a 3-point bending tensile strength of 19.5 MPa. Beyond that, it was ensured that the fiber-reinforced high-performance concrete had a high durability, which has been shown by the capillary suction of de-icing solution and freeze thaw test with a weathering of abrasion of 113 g/m² after 28 freeze-thaw cycles and a mean water penetration depth of 11 mm.

[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.

The production of concrete remains one of the highest CO2 producers. It consumes alarge number of primary sources of raw materials. One way to reduce emissions and rawmaterials consumption is by applying more recycled aggregates. However, when recycledaggregate is used for concrete, its properties and durability usually decline in comparisonwith conventional concrete with natural aggregate. For this reason, it is necessary to findthe optimal way in connection with the requirements of structural use in buildingstructures. The diploma thesis will examine the basic possibility of using lost formworkfrom high-performance concrete. The core will be made of concrete with recycledaggregate. High-performance concrete skin will be reinforced by various unconventionalreinforcement

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[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.

This dissertation presents a comprehensive investigation into the mechanical properties of fiber-reinforced concrete (FRC), focusing on fracture and flexural toughness properties, the impact of fiber orientation and distribution, and the evaluation of flexural models for predicting the behavior of functionally graded FRC. It embarks on a critical investigation aimed at bridging a significant gap in the understanding of FRC materials' behavior, particularly in terms of fracture and flexural performance. Across five distinct manuscripts, this work employs a variety of experimental methodologies, including three-point bend tests, four-point bend tests, digital image correlation, X-ray computed tomography, and the implementation of the two parameter fracture model and then size effect fracture method to explore the effects of different casting techniques – namely, conventional casting and pump-driven extrusion – on the performance of FRC. The core hypothesis tested throughout these studies suggests that the extrusion process, by aligning fibers parallel to tensile stresses, significantly enhances the concrete's ductility, post-peak behavior, and overall fracture and flexural properties. This hypothesis was corroborated across various experiments, which demonstrated that fiber alignment via extrusion not only enhances the concrete's mechanical properties but also leads to more effective crack propagation control, increased toughness, and enhanced residual strengths. The research encompasses a series of systematic investigations into the effects of fiber alignment on the mechanical properties of FRC, revealing that the extrusion process significantly enhances fracture and flexural properties and maintains residual strength after peak stress. Utilizing both extrusion-based and conventional casting methods with varying dosages of polyvinyl alcohol fibers, the study demonstrates notable improvements in fracture properties, deflection at failure, and equivalent flexural strength ratio for extrusion-based specimens compared to their conventionally cast counterparts. Moreover, the dissertation explores the impact of casting methods and fiber orientation on fracture energy, offering a size-dependent improvement in extrusion-based methods. The strategic distribution of steel fibers, employing an innovative targeted fiber injection for creating Functionally Graded FRC (FG-FRC), is shown to significantly enhance the structural integrity and resilience of the material. The analysis of flexural models applied to FG-FRC specimens, proposing a novel functionally graded factor to improve model predictability, further advances the understanding of the predictability and reliability of these models in assessing FRC's structural behavior. This dissertation advances academic knowledge in the field of FRC casting and offers significant implications for the construction industry, demonstrating a profound understanding of the challenges and opportunities in extrusion-based FRC casting. Through its innovative approach and detailed investigations, this work contributes significantly to the advancement of the FRC casting field, paving the way for the development of more resilient and efficient construction materials. / Doctor of Philosophy / This research explores the enhancement of concrete's strength and flexibility through the incorporation of individual fibers, with a special focus on the integration and alignment of these fibers. The study examines how concrete can be made more resilient by mixing in fibers in specific ways. A variety of tests, including bending beams and employing advanced imaging techniques, were conducted to observe the effects of mixing fibers using traditional methods versus a novel extrusion-based technique that aligns the fibers in the desired direction in the concrete. The research hypothesized that this innovative alignment method would improve the concrete's ductility and enhance its ability to resist crack propagation. The findings confirmed this hypothesis, revealing that aligned fibers significantly improve concrete's bending capacity, reduce sensitivity to cracking, and retain residual strength even after cracking. Further investigation into varying methods of fiber addition, such as a targeted approach for placing fibers in strategic locations, demonstrated a marked enhancement in the material's ductility. Additionally, the study evaluated mathematical models for predicting the behavior of fiber-reinforced concrete, aiming to improve the understanding and reliability of these models for practical construction applications. In short, the research underscores that adjusting the method of fiber integration into concrete can lead to the development of structures that are both stronger and more durable. This advancement holds promising implications for the future of construction, offering pathways to create more resilient and efficient building materials.