O presente trabalho trata do estudo do comportamento de chumbadores grauteados inseridos em concreto com fibras de aço em ligações viga-pilar de estruturas de concreto pré-moldado. Este estudo é importante para se entender e poder quantificar a influência da rigidez deste componente no comportamento de ligações semirrígidas de estruturas de concreto pré-moldado. O objetivo do trabalho é estudar o mecanismo do chumbador no concreto com fibras de aço em ensaios específicos e avaliar também o comportamento de uma ligação viga-pilar de concreto pré-moldado utilizando estas fibras no consolo e no dente da viga. Nesta pesquisa foi realizado um programa experimental no Laboratório de Estruturas da EESC, uma análise numérica com o emprego do software DIANA® e uma comparação com formulações analíticas existentes para o cálculo da força última destes componentes. Foram ensaiados nove modelos experimentais para avaliar especificamente o mecanismo resistente do chumbador, variando-se os diâmetros das barras, sua inclinação e a porcentagem de fibras de aço no concreto. Além destes modelos, foi realizado ensaio de uma ligação viga-pilar de concreto pré-moldado para avaliar a rigidez da ligação com chumbador inserido em concreto com fibras de aço. Nos ensaios experimentais dos chumbadores observou-se que modelos com concreto com fibras de aço apresentam rigidez até 25% maior se comparado ao modelo com concreto convencional. Verificou-se que o graute utilizado para solidarizar os chumbadores exerce significativa influência na capacidade última do modelo, podendo diminuir em cerca de 30% a capacidade de carga. A ligação viga-pilar de concreto pré-moldado utilizando concreto com fibras de aço no consolo e no dente da viga se comportou de maneira satisfatória, não apresentando fissuração na interface dos diferentes concretos. Na comparação dos modelos ensaiados com as formulações teóricas extraídas de trabalhos de referência verificou-se que, para os modelos específicos de chumbador, a formulação existente é representativa. Para a ligação viga-pilar, alguns ajustes na formulação analítica se fizeram necessários para considerações de efeitos de grupo e de borda observados e decorrentes da utilização de dois chumbadores na ligação proposta neste trabalho. / This research deals with the study of the behavior of grouted dowels embedded in concrete with steel fibers. This study is important to understand and quantify the stiffness transmitted by this component in a semi-rigid connection of precast concrete structures. The objective is to study the mechanism of the dowel in the concrete with steel fibers and evaluate the mechanical behavior of a precast beam-column connection using this type of concrete on the corbels and in the dapped-end beam. In this research, an experimental program in the EESC Structures Laboratory was carried out, as well as a numerical analysis with the use of DIANA® software and a comparison with existing formulations to calculate these components. Nine models were experimentally tested to specifically evaluate the dowel resistant mechanism by varying the diameters of the bars, the declination and the percentage of steel fibers in concrete. Furthermore, an experimental test was performed in order to evaluate the behavior of the connector. The results indicate that for the dowels with concrete and steel fibers, the ultimate capacity of the connection occurs by failure of the connector (excessive deformation of the bars), while in conventional concrete this capability is associated with the rupture of the concrete and that the concrete with steel fibers decreases by 25% the deformability of the models. The grout has a significant impact on the ultimate capacity of the model, which may increase in less than 30%. In the analysis of the beam-column connection, it is possible to observe that the proposed connection exceeds by more than 20% the ultimate capacity compared to traditional beam-column connections. In comparing the theoretical models tested with the formulations shown by previous studies, it was found that for specific models dowels, the existing formulation is representative. For the beam-column connection, adjustment was performed in the previous formulation considerations group and edge effects that occur due to the use of two dowels on the tested connection.

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.

No presente trabalho, utiliza-se concreto com fibras de aço, traspasse de armaduras e chaves de cisalhamento para desenvolver uma ligação viga-pilar capaz de resistir a ações cíclicas e dinâmicas e que possa ser empregada na pré-moldagem de estruturas de casas de força de usinas hidrelétricas. Para atingir este objetivo, inicialmente foram realizados ensaios de caracterização dos materiais, cujos resultados mostraram aumentos de 34% na resistência à tração na flexão, 16% na resistência à compressão e 33% na tenacidade, comprovando os efeitos benéficos das fibras de aço nas propriedades mecânicas do concreto. Em seguida, foram realizados ensaios de tração em tirantes, cujos resultados sugeriram que um comprimento de 15Ø é suficiente para que a emenda desenvolva as tensões de aderência de modo adequado; e ensaios de cisalhamento, cujos resultados mostraram que a ligação viga-pilar resiste a tensões de cisalhamento direto de até 0,77 MPa. Na sequencia, foram realizados ensaios cíclicos em dois modelos cruciformes para caracterização da ligação (um monolítico e outro de concreto pré-moldado, o qual empregava concreto com 1% de fibras na região da ligação), sendo o carregamento aplicado em cinco níveis de força, cada um com dez ciclos de carregamento e descarregamento. Os resultados desses ensaios mostraram que a ligação do modelo em concreto pré-moldado apresentou 85% da resistência do modelo monolítico e ruptura governada por flexão. Por fim, os ensaios dinâmicos foram realizados nos modelos cruciformes em três diferentes situações (íntegros, fraturados e após ruptura da ligação) para estimar o coeficiente de amortecimento, o qual sofreu uma redução de 31% após o ensaio cíclico. Simulações computacionais foram realizadas para complementar a investigação realizada neste trabalho. Elas mostraram representação aceitável da rigidez, mas não da resistência do modelo. / In the present work, steel fiber reinforced concrete, splicing bars and shear keys are used in order to develop a beam-column connection able to support cyclic and dynamic loadings and which can be used in precasting power houses structures of power plants. To achieve this goal, tests were carried out to characterize the materials, which showed increases of 34% in flexural tensile strength, 16% in compressive strength and 33% in toughness factor, confirming the beneficial effects of steel fibers in mechanical properties of the concrete. Then, tensile tests were carried out on rods, whose results suggested that a length of 15Ø can assure appropriate development of bond stresses through the splice; and shear tests, whose results showed that the beam-column connection resists to shear stresses of up to 0,77 MPa on shear key. After, cyclic tests were performed in two cruciform models in order to characterize the beam-column connection (one monolithic and the other precast concrete, which employed 1% steel fiber reinforced concrete in connection region, being the loading applied in five loading levels, each one in 10 cycles of loading and unloading. Results of these tests showed that precast beam-column connection presented 85% of the strength presented by the monolithic model and bending failure. Finally, dynamic tests were performed in cruciform models in three different situations (uncracked, cracked and after failure) for estimating the damping ratio, which was reduced by 31% after cycles. Computer simulations were performed to complement the research developed in this work. They showed acceptable representation of stiffness, but the strength of the model.

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.

Submitted by Vanessa Nunes (vnunes) on 2015-03-31T13:19:31Z No. of bitstreams: 1 RobertoChrist.pdf: 9317574 bytes, checksum: 23b19b5dd98381b184ffb8f3c20b2951 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-31T13:19:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RobertoChrist.pdf: 9317574 bytes, checksum: 23b19b5dd98381b184ffb8f3c20b2951 (MD5) Previous issue date: 2014-02-20 / itt Performance - Instituto Tecnológico em Desempenho da Construção Civil / O desenvolvimento de novos concretos vem sendo ampliado ao longo dos anos, o que ocorre paralelamente ao aprimoramento dos cálculos estruturais e ao maior conhecimento sobre as propriedades dos materiais, o que conduz os projetistas ao desenvolvimento de estruturas que necessitam ter características específicas. Com isso surge a necessidade de se desenvolver concretos especiais, que apresentam elevada resistência mecânica e durabilidade. O concreto de pós reativos, também chamado de CPR, é um exemplo destes materiais. Trata-se de um concreto de ultra alto desempenho, com elevada resistência mecânica, extremamente dúctil e de baixa porosidade. Este tipo de concreto apresenta propriedades mecânicas superiores em comparação aos concretos de alta resistência, chegando a resistências à compressão de 200 MPa, à tração de 45MPa e módulo de elasticidade superior a 50 GPa. O consumo de cimento neste tipo de concreto pode atingir 800 kg/m3, além de incorporar elevado volume de sílica ativa. A otimização granular dos constituintes, realizada através de métodos de empacotamento de partículas, faz com que seja possível obter um material com o mínimo de vazios e elevada densidade. As fibras introduzidas no composto proporcionam elevada ductilidade. Neste trabalho, parte do cimento Portland foi substituído por cinza volante, para desenvolver um CPR com baixo consumo de aglomerantes. Também foi estudada a incorporação de dois tipos de fibras, ou hibridização, para uma matriz de CPR com menor consumo de cimento. A introdução de dois tipos distintos de fibras proporciona ao material maior sinergia, diminuindo a formação e a propagação de fissuras durante o carregamento. Os resultados obtidos nesta pesquisa mostram que a substituição parcial do cimento por cinza volante apresentou melhor desempenho mecânico, atingindo resistência à compressão de aproximadamente 190 MPa com 30% de adição. A incorporação de dois tipos distintos de fibras, aço e polipropileno em teores de 80% e 20% respectivamente, proporcionou ao material elevada resistência à tração na flexão e tenacidade. Portanto, é possível dosar CPR com menores consumos de cimento e uso de dois tipos de fibras, melhorando as propriedades da mistura e obtendo um compósito com reduzido impacto ambiental. / The development of new concretes is being expanded over the years, withal the improvements in structural design, along the increased knowledge of materials properties, which leads the designers to develop structures with specific requirements. It arises the need of the development of special concretes, with have enhanced mechanical strength and durability. Reactive powder concrete, also called RPC, is an example of these materials. This is an ultra-high-performance concrete with high mechanical strength, extremely ductile and low porosity. This type of concrete has superior mechanical properties compared to high strength concrete, reaching compressive strengths of 200 MPa, tensile strengths of 45 MPa and modulus higher than 50 GPa. The cement consumption in this type of concrete may reach 800 kg/m3, while incorporating high volumes of silica fume. The optimization of granular constituents accomplished by particle packing methods provides a material with a minimum of voids and also high density. The fiber introduced into the material compound provides high ductility. On this report, fly ash was used to replace some part of the cement, aiming the development of a RPC with low agglomerate consumption. It was also studied the use of two types of fiber, or hybridization, to a RPC matrix array of CPR with less consumption of cement. The introduction of two distinct types of fibers gives the material improved synergy, decreasing the formation and propagation of cracks during the charging. The results obtained in this study show that the partial replacement of cement by fly ash gives better mechanical performance, reaching the compressive strength of approximately 190 MPa with 30% addition. The incorporation of two different types of fibers, steel and polypropylene at levels of 80% and 20% respectively, provided the materials high tensile strength and toughness. Therefore, it is possible to compose an RPC with lower cement consumption and use of two types of fibers, improving the properties of the mixture and obtaining a composite with reduced environmental impact.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2018-09-26T13:12:32Z No. of bitstreams: 1 Augusto Masiero Gil_.pdf: 7085344 bytes, checksum: 32676c681f7f8f1de66f6a4b43f3e394 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-26T13:12:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Augusto Masiero Gil_.pdf: 7085344 bytes, checksum: 32676c681f7f8f1de66f6a4b43f3e394 (MD5) Previous issue date: 2018-05-29 / itt Performance - Instituto Tecnológico em Desempenho da Construção Civil / O concreto autoadensável (CAA) é conhecido por sua elevada fluidez e estabilidade reológica no estado fresco, enquanto que o concreto reforçado com fibras (CRF) é conhecido por sua elevada capacidade de absorção de energia, evitando a ruptura frágil do material. Na última década, tem sido buscada a sinergia destas tecnologias com o concreto autoadensável reforçado com fibras (CAA-RF), que, além de apresentar propriedades mecânicas avançadas, permite uma melhor dispersão das fibras. No entanto, a incorporação de fibras tende a ocasionar a perda de trabalhabilidade da mistura, devido ao intertravamento com os agregados e ao aumento da área superficial de materiais secos na mistura. Este trabalho teve como objetivo contribuir para o desenvolvimento de um método de dosagem de CAA-RF, relacionando propriedades nos estados fresco e endurecido. Assim, a composição da mistura é alterada de modo a incluir fibras, mantendo a mesma espessura de argamassa sobre os agregados e as fibras da mistura de CAA original, considerando a área superficial de seus componentes e a composição volumétrica. Foram realizadas dosagens com três tipos de fibras metálicas, de diferentes características geométricas, incorporadas em três teores, de modo a compor o diagrama de dosagem proposto. Os resultados dos ensaios realizados no estado fresco evidenciaram pequenas alterações em suas propriedades, com o aumento do espalhamento, porém atendendo às mesmas classes da mistura referência. Verificou-se, no entanto, que misturas com maiores teores de fibras mais longas e com maior fator de forma apresentaram maior perda de estabilidade e de dispersão das fibras, evidenciando a ocorrência de segregação pelo excesso de fluidez das misturas. A partir dos ensaios no estado endurecido foi possível verificar que a incorporação de fibras pelo método proposto contribuiu para o aumento das propriedades mecânicas das misturas, com exceção do módulo de elasticidade. Foram verificados valores de resistência à compressão na ordem de 84,5 MPa, com influência significativa do tipo de fibra, de acordo com a análise de variância realizada. A instabilidade de algumas misturas afetou a distribuição de fibras na seção fissurada, apesar de haver o aumento do fator de tenacidade com o teor de incorporação, principal parâmetro adotado no diagrama de dosagem proposto. / Self-consolidating concrete (SCC) is known for its high fluidity and rheological stability in the fresh state, while fiber reinforced concrete (FRC) is known for its high energy absorption capacity, avoiding fragile rupture. In the last decade, the synergy of these technologies has been researched with self-consolidating fiber-reinforced concrete (FR-SCC), which allows better dispersion of the fibers, in addition to the advanced mechanical properties. However, the incorporation of fibers tends to cause the mixture’s loss of workability due to its interlocking with the aggregates and the increase of dry materials’ surface area in the mixture. This study aimed to contribute to the development of a mix design method for FR-SCC, relating properties in the fresh and hardened states. Thus, the mixture composition is modified to include fibers maintaining the same mortar thickness over aggregates and fibers as in the original SCC mixture, considering the surface area of its components and the volumetric composition. Mixtures with three types of steel fibers, of different geometric characteristics, incorporated in three contents each in order to compose the proposed mix design nomogram. The results of the tests performed in the fresh state showed small changes in their properties, with the increase of the slump-flow, but attending the same classes of the reference mixture. It was verified, however, that mixtures with higher fiber content, longer and with higher aspect ratio, showed greater loss of stability and fiber dispersion, evidencing the occurrence of fiber segregation due to excess mixture fluidity. From the tests in the hardened state it was possible to verify that the incorporation of fibers by the proposed method contributed to the improvement of mechanical properties, with the exception of the modulus of elasticity. Compressive strength values were verified in the order of 84.5 MPa, with significant influence of the fiber type, according to the analysis of variance performed. Although the instability of some blends in the fresh state affected the distribution of fibers in the cracked section, the toughness factor increased with the incorporation content, main parameter adopted in the dosage diagram.