Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A evolução dos concretos utilizados nas últimas décadas deu origem ao Concreto de Alto Desempenho (CAD), que tem, entre suas características, alta resistência à compressão e baixa permeabilidade. Com o desenvolvimento dos produtos químicos utilizados na construção civil, em especial os superplastificantes e superfluidificantes, a utilização desse tipo de concreto tornou-se cada vez mais freqüente pela possibilidade de se obter uma mistura suficientemente trabalhável utilizando-se fatores água/cimento menores do que 0,35. Devido à sua microestrutura mais homogênea, esse tipo de concreto apresenta um comportamento mais frágil do que os concretos convencionais, exigindo uma melhor caracterização do material. A partir do final da década de 70 começou-se a aplicar os conceitos da Mecânica da Fratura para análise do comportamento de estruturas construídas com esse tipo de concreto. Como em algumas situações a resistência nominal de peças de concreto diminui com o aumento de suas dimensões, houve a necessidade de se considerar o efeito de escala das estruturas a fim de se obter níveis de segurança mais adequados no seu dimensionamento, o que justificou a utilização da Mecânica da Fratura. Neste trabalho a energia de fraturamento foi obtida experimentalmente pelo método do trabalho de fraturamento e pelo método do efeito de escala, por meio de ensaios estáveis de flexão de três pontos em amostras de concreto de alto desempenho com entalhe. Foi também desenvolvida a simulação numérica de uma viga com entalhe, analisada pelo método dos elementos finitos e empregando-se na modelagem constitutiva os conceitos da Mecânica da Fratura aplicada ao concreto. As vigas foram moldadas e ensaiadas no Instituto Politécnico do Rio de Janeiro (IPRJ) da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) na cidade de Nova Friburgo. Os ensaios foram realizados com controle de deslocamento da célula de carga. Foram ensaiadas três séries de 12 vigas, com quatro dimensões diferentes, geometricamente proporcionais, e três amostras para cada dimensão, totalizando 36 vigas. As alturas utilizadas para as vigas foram 38, 76, 152 e 304 mm, e sua espessura foi mantida constante igual a 38 mm. Os corpos de prova cilíndricos, para caracterização da resistência à compressão do concreto, foram moldados no IPRJ e rompidos no laboratório de engenharia civil da UERJ, na cidade do Rio de Janeiro. Os concretos utilizados apresentaram resistência à compressão média de 70 MPa. / The evolution of the concrete mixes used during the last decades gave birth to the High Performance Concrete (HPC), which, among its main characteristics, presents high strength and low permeability. With the development of chemical products used in civil engineering constructions, mainly the superplasticizers, the use of this kind of concrete has become more and more frequent due to the possibility of obtaining a workable mixture with a water/cement ratio lower than 0.35. Due to its more homogeneous microstructure, the HPC presents a more fragile behavior than the conventional concrete, demanding a better characterization of the material. At the end of the 1970s, concepts of the Fracture Mechanics started to be used for the analysis of the structural behavior of concrete structures. As the nominal stress of the material decreases as the size of the structure increases, it became necessary to consider this size effect in the analysis in order to obtain more suitable levels of security. This fact justifies the use of the Fracture Mechanics in the structural analysis of concrete structures. In this work, the fracture energy was experimentally obtained using the work-offracture method and the size effect method by performing three-point bend tests in HPC notched beams. It was also developed a numerical simulation of the tests, performing the analysis through the Finite Element Method and applying the concepts of the Fracture Mechanics of Concrete into the constitutive model. The notched beams were molded and tested at the Polytechnic Institute of the State University of Rio de Janeiro (IPRJ/UERJ), located in the city of Nova Friburgo. The tests were controlled by the vertical displacement of the load cell. Three series of twelve beams with four geometrically similar sizes were tested. Three samples for each size were cast, making an amount of 36 beams. The beams were 38, 76, 152 and 304 millimeters high and the width was kept constant equal to 38 millimeters. To characterize the concrete compression strength, 100x200 millimeters cylinders were molded at the IPRJ and tested at the UERJ civil engineering laboratory in the city of Rio de Janeiro. The tested concretes presented a medium compressive strength of 70 MPa.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A evolução dos concretos utilizados nas últimas décadas deu origem ao Concreto de Alto Desempenho (CAD), que tem, entre suas características, alta resistência à compressão e baixa permeabilidade. Com o desenvolvimento dos produtos químicos utilizados na construção civil, em especial os superplastificantes e superfluidificantes, a utilização desse tipo de concreto tornou-se cada vez mais freqüente pela possibilidade de se obter uma mistura suficientemente trabalhável utilizando-se fatores água/cimento menores do que 0,35. Devido à sua microestrutura mais homogênea, esse tipo de concreto apresenta um comportamento mais frágil do que os concretos convencionais, exigindo uma melhor caracterização do material. A partir do final da década de 70 começou-se a aplicar os conceitos da Mecânica da Fratura para análise do comportamento de estruturas construídas com esse tipo de concreto. Como em algumas situações a resistência nominal de peças de concreto diminui com o aumento de suas dimensões, houve a necessidade de se considerar o efeito de escala das estruturas a fim de se obter níveis de segurança mais adequados no seu dimensionamento, o que justificou a utilização da Mecânica da Fratura. Neste trabalho a energia de fraturamento foi obtida experimentalmente pelo método do trabalho de fraturamento e pelo método do efeito de escala, por meio de ensaios estáveis de flexão de três pontos em amostras de concreto de alto desempenho com entalhe. Foi também desenvolvida a simulação numérica de uma viga com entalhe, analisada pelo método dos elementos finitos e empregando-se na modelagem constitutiva os conceitos da Mecânica da Fratura aplicada ao concreto. As vigas foram moldadas e ensaiadas no Instituto Politécnico do Rio de Janeiro (IPRJ) da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) na cidade de Nova Friburgo. Os ensaios foram realizados com controle de deslocamento da célula de carga. Foram ensaiadas três séries de 12 vigas, com quatro dimensões diferentes, geometricamente proporcionais, e três amostras para cada dimensão, totalizando 36 vigas. As alturas utilizadas para as vigas foram 38, 76, 152 e 304 mm, e sua espessura foi mantida constante igual a 38 mm. Os corpos de prova cilíndricos, para caracterização da resistência à compressão do concreto, foram moldados no IPRJ e rompidos no laboratório de engenharia civil da UERJ, na cidade do Rio de Janeiro. Os concretos utilizados apresentaram resistência à compressão média de 70 MPa. / The evolution of the concrete mixes used during the last decades gave birth to the High Performance Concrete (HPC), which, among its main characteristics, presents high strength and low permeability. With the development of chemical products used in civil engineering constructions, mainly the superplasticizers, the use of this kind of concrete has become more and more frequent due to the possibility of obtaining a workable mixture with a water/cement ratio lower than 0.35. Due to its more homogeneous microstructure, the HPC presents a more fragile behavior than the conventional concrete, demanding a better characterization of the material. At the end of the 1970s, concepts of the Fracture Mechanics started to be used for the analysis of the structural behavior of concrete structures. As the nominal stress of the material decreases as the size of the structure increases, it became necessary to consider this size effect in the analysis in order to obtain more suitable levels of security. This fact justifies the use of the Fracture Mechanics in the structural analysis of concrete structures. In this work, the fracture energy was experimentally obtained using the work-offracture method and the size effect method by performing three-point bend tests in HPC notched beams. It was also developed a numerical simulation of the tests, performing the analysis through the Finite Element Method and applying the concepts of the Fracture Mechanics of Concrete into the constitutive model. The notched beams were molded and tested at the Polytechnic Institute of the State University of Rio de Janeiro (IPRJ/UERJ), located in the city of Nova Friburgo. The tests were controlled by the vertical displacement of the load cell. Three series of twelve beams with four geometrically similar sizes were tested. Three samples for each size were cast, making an amount of 36 beams. The beams were 38, 76, 152 and 304 millimeters high and the width was kept constant equal to 38 millimeters. To characterize the concrete compression strength, 100x200 millimeters cylinders were molded at the IPRJ and tested at the UERJ civil engineering laboratory in the city of Rio de Janeiro. The tested concretes presented a medium compressive strength of 70 MPa.

The diploma thesis is focused on the evaluation of mechanical fracture parameters of concrete after exposure to high temperatures. In the introductory theoretical part general principles of fracture mechanics with the concentration on a linear elastic fracture mechanics and non-linear fracture models for the concrete are summarized. The meaning of the three-point bending fracture test used for determination of fracture parameters is also explained. Further the influence of high temperatures on the partial components of concrete and general modeling of temperature loading is described. The practical part is concerned with the evaluation of fire experiments on the concrete panels including numerical simulations using GiD and ATENA software. The evaluation of data obtained from the three-point bending test carried out on specimens with initial stress concentrator taken from concrete panels is a main part of the diploma thesis. The values of modulus of elasticity, effective fracture toughness, work of fracture and fracture energy are determined from the measured F–d and F–CMOD diagrams after their proper corrections in the GTDiPS application. The evaluation of the selected mechanical fracture parameters was performed by StiCrack software using effective crack model and work of fracture method and DKFM_BUT software using the double-K fracture model. Finally, the attention is paid to the analysis of the obtained data.

The thesis is focused on a test on determination of the fracture-mechanical parameters of quasi-brittle materials, especially concrete. What is referred to as the wedge-splitting test is considered, for which a variety of shapes of notched specimen can be used. This work is exclusively focused on the cylinder-shaped specimen of diameter 150 mm and breadth of 100 mm. The test is performed virtually using Atena 2D FEM software. Progress of failure is observed during loading of the specimen for various notch lengths. The amount of energy released for the development the failure outside of the tested cross-sectional area (weakened by the notch) is quantified and the size of the fracture process zone is investigated. The described analysis is performed for several material sets witch differ in cohesive properties of the quasi-brittle material expressed via the so-called characteristic length. Suitable proportions of the test specimen are sought, in order to avoid the failure and thus also the energy dissipation outside of the specimen ligament area during the experimental tests, which shall lead to more accurate estimates of fracture-mechanical parameters of the tested material.