Os concretos de alta compacidade, com resistências elevadas (acima de 40 MPa), estão começando a ser cada vez mais usados em obras de infraestrutura e em edificações de grande porte, devido às importantes vantagens que os mesmos oferecem em termos de capacidade de carga e durabilidade. Um dos pontos acerca de seu desempenho que levanta dúvidas envolve o seu comportamento frente a elevadas temperaturas. Evidências coletadas em incêndios ocorridos em estruturas reais, como o do Channel Tunnel e do Mont Blanc Tunnel, indicaram que, sob certas circunstâncias, existe a possibilidade de ocorrência de um fenômeno, conhecido como spalling explosivo, que causa sérios danos por lascamento ao material, incrementando de forma significativa a degradação térmica. Isso ocorre porque a reduzida porosidade e a baixa permeabilidade favorecem o aprisionamento do vapor de água nos poros, gerando um acréscimo da pressão interna que ocasiona tensões que podem superar a resistência à tração do concreto. O processo de spalling, bem como a sua probabilidade e severidade de ocorrência, dependem de uma série de fatores interdependentes que influenciam o comportamento do material. Contudo, está se formando um consenso de que o teor de umidade é o parâmetro mais influente para o desencadeamento do processo. Estudos efetuados após o reconhecimento da existência do spalling explosivo demonstraram que o mesmo tende a ocorrer somente quando o concreto apresenta teores muito elevados de umidade em sua estrutura de poros. Isso restringe a preocupação a certos tipos de elementos onde o concreto pode estar muito úmido por ocasião do sinistro. Embora estes sejam casos raros, a gravidade dos danos devido ao spalling explosivo justifica que se investiguem as condições nas quais o mesmo pode acontecer e se implementem medidas mitigatórias. Dado o caráter recente das investigações sobre o tema, ainda existe uma carência de estudos específicos que apontem quais as combinações críticas de porosidade e teores de umidade que desencadeiam o fenômeno. Este trabalho foi concebido para ajudar a superar essa lacuna de conhecimento, coletando dados sobre as condições que favorecem o spalling explosivo, bem como averiguando quais são as propriedades mecânicas residuais e as alterações na microestrutura sofridas por concretos com vários patamares de resistência submetidos a altas temperaturas. O trabalho utiliza os dados coletados para fundamentar a proposição de um modelo simplificado de spalling, elaborado com o objetivo de prover uma forma de considerar os efeitos do fenômeno durante uma análise termomecânica. Essa é uma necessidade fundamental para complementar os softwares atualmente utilizados para analisar os efeitos de incêndios sobre estruturas. O módulo de spalling foi implementado computacionalmente de forma que pudesse ser utilizado em consórcio com a ferramenta computacional VULCAN, o que permitiu simular a ocorrência do fenômeno na deterioração de uma viga durante um incêndio. Os resultados indicaram que a perda de seção transversal causada pela ocorrência do spalling explosivo reduz substancialmente o tempo de resistência ao fogo (TRRF), devido à aceleração dos danos e à redução da capacidade portante dos elementos estruturais de concreto. Conclui-se, portanto, que é fundamental considerar a possibilidade de lascamentos explosivos em estruturas suscetíveis ao fenômeno. De acordo com o presente estudo, estas incluem aquelas fabricadas com concretos de resistência maior que 40 MPa, que apresentem grau de saturação em torno ou superiores a 90%. / In the last years, the utilization of high-strength concrete (HSC) in the construction industry, with compressive strength grades greater than 40 MPa, has become wide spread due to remarkable characteristics of durability and load bearing capacity. However, the increased use of HSC has raised concerns regarding the behaviour of such concretes in fire. Evidences which were collected from structures exposed to the effects of fires, like Channel Tunnel and Mont Blanc Tunnel, have indicated that there is a possibility of the occurrence of explosive spalling in this condition. The phenomenon causes serious damages to the material and raises its thermal degradation in a significant way. This occurs because of its low porosity and permeability that contribute for the vapour pressure build-up in the pores, generating stresses which can exceed tensile strength of the material. The probability and severity of spalling process depend on a large number of inter-dependent factors that influence the behaviour of HSC in an unexpected manner. There is a consensus that the moisture content is one of the principal factors of the occurrence of explosive spalling. Recent investigations have demonstrated that spalling tends to occur only when the moisture content in the pores of concrete is elevated. Although fire is considered an exceptional event, the seriousness of spalling in concrete structures justifies the investigation of conditions in that the phenomenon can be happen and the implementation of preventive measures. In spite of the recent advances about the spalling process in HSC at high temperatures, there is still a lack of information in relation to the critical combinations of factors which affect the spalling occurrence. This work intends to help overcoming this lack of knowledge from the experimental data analysis with the purpose of establishing some critical conditions which collaborate in the spalling process as well as investigating the residual mechanical properties and changes in the microstructure of different concrete grades submitted to high temperatures. In addition, the experimental data are used to validate the proposition of a simplified model of spalling which was developed with the objective to take into account the effects of spalling in the thermo-mechanical analysis. This is an important need to complement the fire analysis of concrete structures. The spalling model was incorporated in the VULCAN software to simulate the phenomenon occurrence in a concrete beam exposed to fire. The results shown that the loss of mass in the beam cross-section, caused by spalling, reduces substantially its required time of fire resistance whereas it accelerates the damage in the concrete and aids the reduction of load bearing capacity of structural element. In conclusion, it is essential to consider the possibility of concrete spalling mainly in concrete grades greater than 40 MPa that present a saturation degree higher than 90%.

Orientador: Mônica Pinto Barbosa / Banca: Amarildo Tabone Paschoalini / Banca: José Samuel Giongo / Resumo: A demanda crescente pela utilização de Concreto de Alta Resistência (CAR) torna necessária a definição de critérios e procedimentos de análise do comportamento estrutural desse material. Nesse sentido, este trabalho apresenta a discussão de resultados experimentais publicados e as simulações numéricas de pilares armados de CAR submetidos à compressão axial simples. Utilizando o Código CASTEM 2000, é feita uma modelagem numérica bidimensional e análise via Método dos Elementos Finitos (MEF) para a reprodução dos diagramas força-deformação obtidos experimentalmente. Após um estudo comparativo dos parâmetros recomendados por normas internacionais de análise do comportamento estrutural do CAR, nota-se que os resultados numéricos obtidos utilizando as especificações da Norma Norueguesa NS 3473 são mais próximos dos experimentais. A modelagem numérica desenvolvida é capaz de reproduzir, com certa precisão, a capacidade de carga de pilares de diversas geometrias, taxas de armadura transversal e longitudinal, tipos de aço e resistência do concreto variando entre 50 MPa e 90 MPa. As taxas mínimas de armadura capazes de promoverem a ductilização dos pilares por desagregação do cobrimento são superiores a 2,5% de armadura longitudinal e 2,0% de armadura transversal, segundo os resultados experimentais. Comparando a esses resultados os obtidos pelas simulações, observa-se como de comportamento dúctil os pilares com capacidade de carga obtida numericamente pelo menos 25% maior que a força máxima teórica obtida de acordo com as recomendações da NS 3743. / Abstract: The increasing demand of the use of High-Strength Concrete (HSC) makes it necessary to define criteria and procedures analysis to the structural behavior of this material. This work presents the discussion on published experimental results and numerical simulations of HSC reinforced columns submitted to simple axial compression. Bidimensional numerical modeling with Finite Elements Method (FEM) analysis were made to reproduce experimentally force-strain diagrams by using the Code CASTEM 2000. After a comparative study on the internationally recommended HSC structural behavior analysis standards, it may be inferred that the numerical results obtained using specifications of the Standard Norge NS 3473 are the closest to the experimental ones. The adopted numerical modeling could reproduce the force capacity of columns of different shapes, transversal and longitudinal reinforcement rates, types of steel and concrete resistance from 50 MPa to 90 MPa with some precision. The minimal reinforcement rate able to provide columns ductility by confinement effect is higher than 2.5% longitudinal reinforcement and 2.0% transversal reinforcement, according the experimental results. Comparing these results with the simulations, it could be considered the ductility behavior of the columns with the numerical charge capacity at least 25% higher than the maximum teorical force obtained according to recomendations of NS 3743. / Mestre

Fundação Araucária; FAPESC; CNPq; Capes / Os concretos de ultra alta resistência são materiais com elevada eficiência estrutural, os quais permitem a execução de estruturas mais leves. Pesquisas recentes têm demonstrado que o uso de nanossílica contribui para o ganho de desempenho destes materiais cimentícios. O objetivo desta Tese é avaliar o efeito da nanossílica em matrizes cimentícias de ultra alta resistência. Foram analisadas a resistência à compressão, a resistência à tração na flexão e o módulo de elasticidade dinâmico. A cinética de reação foi analisada por meio de calorimetria isotérmica de condução, e o comportamento reológico foi avaliado por meio dos ensaios de reometria rotacional e mini slump. A distribuição do tamanho dos poros das matrizes foi determinada por porosimetria de intrusão de mercúrio. Os produtos de hidratação foram identificados e quantificados por meio dos ensaios de difratometria de raios-X e termogravimetria. A microestrutura foi avaliada por meio de microscopia eletrônica de varredura. Os resultados demonstram que nanossílica reduz o tempo de indução, acelerando o processo de hidratação em função do teor de nanossílica. A fluidez das matrizes se reduz pela utilização da nanossílica, em decorrência do aumento da viscosidade e da tensão de escoamento das suspensões. Para teores de 0,2% de nanossílica em massa, foram obtidos ganhos na resistência à compressão. Todavia para teores em massa superiores a 0,8% de nanossílica, tem-se uma perda de desempenho das matrizes. Verificou-se o aumento na porosidade aberta das misturas. A utilização da nanossílica aumenta o consumo dos silicatos dicálcicos e tricálcicos do cimento, conforme atestaram os resultados de difratometria de raios-X. Pôde-se observar também um aumento na quantidade dos produtos de hidratação para as amostras formuladas com nanossílica: silicatos e aluminatos de cálcio hidratados, assim como do hidróxido de cálcio. A aglomeração das nanopartículas de sílica foi observada por meio de microscopia eletrônica de varredura. Pode-se concluir que, dependendo do teor utilizado, a nanossílica contribui para o ganho de resistência, sem comprometer o comportamento reológico e a cinética de reação das matrizes cimentícias. A nucleação e pozolanicidade são os principais efeitos da nanossílica na microestrutura das matrizes cimentíceas de ultra alta resistência. / Ultra high performance concretes are estrutural composites, which exhibit a higher structural efficiency, allowing the implementation of lighter structures. Recent researchies have demonstrated that the use of nanossílica contributes to the gain on mechanical performance of these cementiteous materials. This thesis evaluated the effect of nanossílica in ultra high strength matrix, for which mechanical properties were measured, such as: compression strength, flexura strength and dynamic elastic modulus. The reaction kinetics was analyzed using adiabatic calorimetry and rheological behavior of suspensions was evaluated throught rotational rheometry and mini-slump tests. The pore size distribution was measured by mercury intrusion porosimetry. And the hydration products were identified and quantified by X-ray diffractometry and thermogravimetry. Scanning Electron Microscopy was employed in order to evaluate the microstrucuture of matrix and chemical analysis was obtained using backscattered electron probe. The results show that nano-silica changes the reaction kinetics of mixtures, reducing induction period and accelerating the hydration process according to the content of nano-silica. The rheological behavior of mixtures was also influencied by the use of nano-silica, reducing the paste spread due to the increased viscosity and yield stress of suspensions. For mixtures containing 0,2% of nano-silica, gains ranging from 12 to 16% were obtained on compression strength. However, for nano-silica content exceeding 0,8%, a reduction in mechanical performance was achivied. It was found that nano-silica increases the open porosity of the mixtures. Hydration of cimentiteous matrix also changes due the incorporation of nano-silica, increasing the consumption of di and tri-calcium silicates of Portland cement, measured through X-ray diffraction. As consequence, an increasing on aluminates and silicates calcium hydrates, and calcium hydroxide can be observed for mixtures formulated with nanoparticles of silica. It can be conclued that, depending on content used, nano-silica contributes to the resistance gain, without compromissing rheological behavior and reaction kinetics of cementitious matrix. Nuccleation and pozzolanic are the main effects of nano-silica on microstructure of ultra high strenght cementiteous matrix.

A aplicação de aços de alta resistência está fortemente difundida na indústria mecânica, principalmente em aplicações onde a redução de peso é importante, como por exemplo, a indústria de implementos rodoviários e maquinários agrícolas. Esta dissertação visa analisar a influência de diferentes aportes térmicos no comportamento microestrutural e mecânico de juntas soldadas através do processo MAG de modo a obter juntas com propriedades otimizadas. Para este estudo foram utilizadas chapas metálicas com espessura de 3 mm do aço de alta resistência e baixa liga USI LNE700. Os parâmetros nominais de energia de soldagem foram variados de acordo com os valores descritos pelo fornecedor SSAB. O processo de soldagem foi realizado com o auxílio de um sistema robotizado para manter a homogeneidade ao longo da junta, distância e posicionamento correto no comprimento total da junta soldada. Os ensaios para verificação do comportamento microestrutural e mecânico foram realizados com auxílio de microscopia ótica, perfis de microdureza e ensaios de tração. Buscaram-se utilizar aportes térmicos reduzidos para minimizar os efeitos de revenimento da martensita presente no metal de base, um dos principais responsáveis pela redução das propriedades mecânicas da junta soldada. Os resultados não mostraram significativa variações na microestrutura e propriedades de tração do material, porém o preenchimento da junta soldada formada apresenta um comportamento diretamente proporcional à energia de soldagem. / The application of high strength steels is strongly diffused in the engineering industry, especially in applications where weight reduction is important, such as the industry of agricultural machines and trailers industry. This investigation aims to analyze the influence of different heat inputs on microstructural and mechanical behavior of joint welded by GMAW in order to obtain joints with optimized properties. Sheet metal with a thickness of 3 mm high strength low alloy steel LNE700 (supplier Usiminas) were used. The welding energy was varied around the nominal value informed by the steel supplier SSAB for this study. The welding process was made using robotic system to maintain homogeneity along the joint, right distance and position during the total weld joint length. The microstructural and mechanical behaviors were performed with the optical microscope, microhardness profile and traction test. We attempted to use lower heat inputs to minimize the effects of tempering of martensite present in the base metal, a major contributor to the reduction of the mechanical properties of the welded joint. The results did not show significant microestructural and tensile properties variation, however, when the welding energy is increased, the welded joint penetration formed was increased as well.

A armadura de tração de dutos flexíveis é a camada responsável por suportar as cargas axiais destes equipamentos em campo. Com a tendência de aumento das profundidades de exploração e produção de petróleo offshore, principalmente dos campos do pré-sal brasileiro, faz-se necessário o uso de materiais com desempenho superior. Este trabalho buscou avaliar e comparar dois aços de alta resistência mecânica para tal aplicação, um predominantemente perlítico e outro martensítico. Durante a vida em serviço destes componentes, eles sofrem tensões axiais cíclicas associadas ao processo de corrosão, que gera pites como concentradores de tensões. Considerando estes aspectos, os materiais foram avaliados segundo seu comportamento à fadiga sem e com a presença de um pequeno defeito conhecido, que atua como um entalhe e busca simular um pite de corrosão. Além disso, esses materiais foram caracterizados metalúrgica e mecanicamente e sua tenacidade à fratura foi estimada via o método do CTOD. A partir dos dados experimentais, foi quantificada a sensibilidade ao entalhe, guiada essencialmente pelo processo de iniciação de trinca, ao passo que a tenacidade à fratura não foi decisiva. O material martensítico apresentou desempenho superior em fadiga e menor sensibilidade ao entalhe e mostrou-se promissor para a aplicação como arame da armadura de tração. / The tensile armor of flexible pipes is the layer responsible for support axial loads of this equipment in field. With the trend of deep increase in offshore oil exploration and production, mainly in pre-salt fields, the use of materials with high performance becomes necessary. The aim of this dissertation is evaluate and compare two high strength steels for such application, one with perlite and other with martensitic matrix. During service life of these components, they are damaged by cyclic loading associated with corrosion process which promote corrosion pits like stress concentrators. Considering these aspects, the materials were evaluated according their fatigue behavior with and without a small defect that act as a notch and simulates a corrosion pit. In addition, they were characterized metallurgical and mechanically and their fracture toughness was estimated through CTOD test. From experimental data, notch sensitivity was quantified. This was driven by initiation process, and fracture toughness was not decisive. The martensitic material showed higher fatigue performance and lower notch sensitivity and presented itself promising for tensile armor wire application.

O concreto de alta resistência não é mais o concreto do futuro. Com a publicação da revisão da norma de estruturas de concreto armado de 2014, os tecnologistas do concreto são desafiados à utilizar o material de maneira cada vez mais competitiva. O custo sempre foi um grande entrave do emprego deste material, devido principalmente ao maior consumo de aglomerante, do uso de adições e aditivos. Trabalhos foram desenvolvidos nos últimos anos no Brasil buscando identificar quais dos métodos internacionalmente utilizados eram mais adequados aos materiais aqui disponíveis. Neste sentido o presente trabalho teve por objetivo contribuir com algumas lacunas existentes nos métodos de dosagem utilizados para o proporcionamento do concreto de alta resistência no estado fresco e no estado endurecido. A primeira contribuição foi no entendimento de como as propriedades mecânicas da rocha efetivamente influenciam a resistência à compressão do concreto. Foram estudados, separadamente, as fases pasta, argamassa e o agregado de diferentes concretos, caracterizando-se a resistência à compressão e o módulo de elasticidade de cada parte, estabelecendo uma relação de efeito causa entre as propriedades determinadas. A segunda contribuição foi a proposição de uma metodologia para avaliar a resistência à compressão das diferentes dimensões de partículas uma vez que a dimensão máxima característica é um importante limitador da resistência à compressão do concreto. A avaliação da resistência à compressão das diferentes frações do agregado foi realizada através da imersão do agregado numa matriz de elevada resistência. A terceira contribuição refere-se ao concreto no estado fresco e constituiu-se na discussão da eficácia da aplicação do empacotamento máximo do agregado como critério de dosagem dos concretos de alta resistência, bem como na proposição de um parâmetro alternativo a este. Foram realizados dois estudos em laboratório. Primeiramente avaliou-se a influência do empacotamento frente a demanda de água para diferentes misturas. A partir deste estudo fez-se então a proposição de um parâmetro alternativo para definição do esqueleto granular. Realizou-se então um comparativo do mesmo com um método que utiliza a compacidade máxima do esqueleto granular como parâmetro de dosagem. Comparou-se então a eficiência das diferentes abordagens através do indicador consumo de aglomerante por MPa para dois níveis de resistência à compressão. Realizou-se a caracterização reológica das diferentes pastas utilizadas na produção dos traços de concreto dosados no estudo. Como resultados finais destaca-se que a resistência à compressão do concreto de alta resistência é limitada pela diferença entre os módulos de elasticidade da fase argamassa e da fase rocha e diferentemente do que indicavam outros estudos a resistência potencial do agregado não se converte em incrementos de resistência no concreto. Demostrou-se experimentalmente que, diferente dos concretos convencionais produzidos com pastas pouco viscosas, para as pastas de elevada viscosidade utilizadas na produção de concreto de alta resistência o empacotamento máximo não se constitui como a alternativa mais eficaz de determinação do esqueleto granular em termos de custo. / The high strength concrete is no longer considered the concrete of the future. Since the revision of the Brazilian Standard for Reinforced Concrete Structures, in 2014, concrete technologists are challenged to use such material in an increasingly competitive way. The cost has always been an obstacle for concrete, mainly due to the higher binder consumption and to the use of additions and admixtures. In the recent years, researches were developed aiming to identify which of the internationally consolidated mix proportion method better suits to the materials available in Brazil. The main objective of the present work is to contribute to solve some gaps regarding mix proportion for high strength concrete in fresh and hardened states. The first contribution refers to the understanding about how the mechanical properties of the coarse aggregate can influence, effectively, the compressive strength of concrete. Binder paste, mortar and aggregate phases of different concretes were studied, separately. Compressive strength and elasticity modulus of each phase were characterized, aiming to stablish a cause-effect relationship between such properties. The second contribution was the proposition of a methodology to evaluate the compressive strength for the different aggregate particle sizes, since the maximum particle size is an important limiting for the compressive strength of concrete. The compressive strength of the different aggregate fractions was evaluated by the immersion of the aggregate in a high strength matrix. The third contribution refers to the fresh state of concrete and consisted in a discussion about the effectiveness of the maximum aggregate packing criteria used in mix proportion for high strength concrete, as well as the proposition of an alternative parameter to this one. Two experimental programs were developed. In the first one, the influence of packing due to water demand was evaluated and an alternative parameter to the definition of the granular skeleton was proposed. Then, a comparative study was performed, with a method that considers the compactness of the granular skeleton as one of the mix proportion parameter. The efficiency of these different approaches was compared by considering the binder consumption per MPa for two levels of compressive strength. The rheological characterization of the different binder pastes used to produce the concrete mixtures was performed. Results show that the compressive strength of high strength concrete is limited by the difference between the elasticity modulus of the coarse aggregate and mortar phases. Unlike other studies, it was verified that the potential compressive strength of the aggregate does not increase the compressive strength of concrete. Experimental results showed that unlike conventional concrete, produced with low viscosity pastes, for high viscosity pastes used in the production of high strength concrete, the maximum packing is not the most effective alternative for determining the granular skeleton.

Les aciers THLE ont la particularité de posséder à la fois une bonne ductilité et de hautes caractéristiques mécaniques. Ceci les rend particulièrement adaptés pour l'industrie automobile, dont les principales exigences sont l'allègement du véhicule et la sécurité des passagers. Toutefois, il est bien connu que l'augmentation des caractéristiques mécaniques accroît la susceptibilité à la fragilisation par l'hydrogène. Ce travail de thèse est consacré à l'étude de la susceptibilité vis-à-vis de la fragilisation par l'hydrogène de quatre aciers THLE : un DP, un TRIP, un CP et le BAS 100, un acier enrichi en vanadium et chrome. Un acier aux propriétés mécaniques plus modestes, dénommé HE (Haute Elasticité) a servi de référence. Les caractéristiques de transport de l'hydrogène dans ces aciers ont été étudiées, grâce à des essais de perméation électrochimique avec chargement en milieu acide, éventuellement additionné d'un promoteur d'hydrogénation (l'arsenic). Comme observé sur d'autres aciers, il faut souligner l'absence de conditions d'entrée stationnaires, dont il faut tenir compte dans l'évaluation des caractéristiques de diffusion. La diffusivité à température ambiante est apparue élevée pour tous les aciers, et une corrélation a été établie entre la microstructure et la diffusivité de l'hydrogène dans le matériau : plus la microstructure est fine et complexe, moins la diffusivité est élevée. De plus, l'évaluation des concentrations subsurfaciques sur les courbes en présence d'arsenic a révélé des valeurs relativement élevées pour les trois aciers aux caractéristiques mécaniques les plus élevées (TRIP 800, CP 800 et BAS 100). Ces valeurs sont conformes avec les teneurs en hydrogène diffusible mesurées par dosage juste après la perméation. Les dosages d'hydrogène résiduel, réalisés par désorption thermique sous vide après perméation, ont par ailleurs indiqué que le piégeage profond dans ces aciers était peu important, même après chargement sous polarisation et en présence d'arsenic. Ceci peut s'expliquer par des structures très bien élaborées, très fines et comportant peu de défauts. Des essais de traction ont montré qu'une hydrogénation sévère (en présence d'un promoteur) était nécessaire pour obtenir une fragilisation notable des aciers THLE. Hormis les cas extrêmes de dégradation spontanée par HIC (cloquage, fissuration), la fragilisation est imputable à l'hydrogène diffusible ou faiblement piégé car les teneurs en hydrogène piégé profondément restent négligeables. Dans les conditions industrielles, en décapage acide HCl en présence d'inhibiteurs, les résultats de perméation, de dosage et de traction s'accordent à montrer l'absence de fragilisation sur ce type d'acier. Les inhibiteurs testés semblent jouer un rôle de barrière physique, par adsorption sur le métal nu, limitant ainsi tant l'entrée d'hydrogène que la corrosion. / The distinctive feature of Very High Strength Steels (VHSS) is to present a good combination of ductility and high strength. This makes them particularly interesting for the automotive industry because of the increasing demand for the reduction of car weight and the improvement of passengers security. However, it is known that increasing mechanical characteristics enhances susceptibility to hydrogen embrittlement. The aim of this doctoral thesis work is to study the susceptibility to hydrogen embrittlement of four very high strength steels : a DP (Dual Phase), a TRIP (Transformation Induced Plasticity), a CP (Complex Phase) and BAS, a Cr-V enriched high strength steel. Low alloyed steel with lower mechanical properties, HE (high Elasticity) has been used as a reference. Hydrogen transport characteristics in these steels were investigated thanks to electrochemical permeation tests including charging in acid solution, possibly with the addition of a hydrogenation promoter (arsenic). As already observed on other steels, the absence of stationary entry conditions is to be underlined due to its necessity for the evaluation of diffusion characteristics. Diffusivity at room temperature has appeared to be very high in each of the five steels and a correlation between hydrogen diffusion coefficient and microstructure has been drawn : the finer and the more complex it is, the lower is the apparent diffusion coefficient. Moreover, sub-surface concentrations calculated on the permeation transient in the presence of arsenic have revealed relatively high values for the three steels with the higher mechanical properties (TRIP 800, CP 800 and BAS 100). These values comply with the diffusible hydrogen content measured by thermal desorption technique just after permeation. Otherwise, residual hydrogen dosage tests by thermal desorption under vacuum, have indicated that deep trapping is very low for these steels, even after charging under polarisation and in the presence of arsenic. These results can be explained by fine and homogeneous microstructures that are very well developed with few lattice defects. Ordinary tensile tests have shown the necessity of extreme charging conditions (in the presence of a promoter) for VHS steel embrittlement. With an exception in the case of extreme spontaneaous damages created by HIC (blistering, cracking), embrittlement is imputable to diffusible and weakly trapped hydrogen because deeply trapped hydrogen content is very low. In industrial conditions, during acid pickling while in the presence of inhibitors, permeation, dosage and tensile tests results suggest the absence of embrittlement for the steels. Tested inhibitors seem to act as a physical barrier, by adsorption on the bare steel surface, and limit that way hydrogen absorption and corrosion.

Este trabalho tem como objetivo investigar o comportamento pós-pico de pilares com concretos de alta resistência confinados com e sem adição de fibras metálicas, submetidos à flexo-compressão. Para tanto, realizou-se inicialmente uma extensa revisão bibliográfica sobre o tema, na qual, elencaram-se os principais fatores que influenciam o comportamento pós-pico desses elementos estruturais. Em seguida, desenvolveram-se estudos paramétricos com o intuito de estabelecer os modos de influência de cada fator. Com base nesses estudos preliminares, um programa experimental, dividido em duas fases, foi proposto. Na primeira fase, ensaiaram-se vinte e seis pilares de concreto armado e 14 pilares de concreto simples. Três fatores foram estudados: a taxa de adição de fibras metálicas, a taxa de armadura transversal e a resistência à compressão do concreto. Os pilares possuíam seções transversais quadradas com dimensões 15 cm x 15 cm e altura de 50 cm e foram ensaiados à compressão centrada com controle de deslocamento. Observou-se que os três fatores analisados influenciam diretamente a ductilidade desses elementos estruturais e que, por meio de adição de fibras metálicas, é possível garantir índices de ductilidade aceitáveis para os pilares com concreto de alta resistência. Outrossim, analisando-se os diagramas força vs. deformação dos pilares, observou-se que para o primeiro pico de força, toda a seção resiste a esforços de compressão e que a adição de fibras melhora o trabalho conjunto entre o cobrimento e o núcleo do pilar. Finalizando esta fase, propuseram-se modificações para o modelo para concreto confinado de Cusson e Paultre (1995), de modo que, permitisse ao mesmo modelar o comportamento do concreto confinado com e sem adição de fibras metálicas. Na segunda fase do programa experimental, quinze pilares de concreto armado foram ensaiados a compressão excêntrica. Essa fase teve como objetivo investigar a influência da excentricidade, da taxa de armadura transversal e da taxa de adição de fibras metálicas no comportamento pós-pico desses elementos estruturais. Os pilares, nessa fase, possuíam seção transversal quadrada com dimensões de 15 cm x 15 cm e altura de 170 cm. Para realização dos ensaios foi confeccionado um par de rótulas unidirecionais, as quais apresentaram excelente desempenho, conseguindo transferir integralmente o momento externo aplicado ao pilar. Observou-se que, tanto a flambagem das barras da armadura longitudinal, quanto a perda de massa de concreto nesses pilares ocorrem de modo bem mais crítico que nos pilares submetidos à compressão centrada. Constatou-se, ainda, que quando os valores dos três fatores analisados são elevados, a ductilidade desses elementos estruturais é melhorada. Finalmente, foi observado que o efeito da flexão faz com que as tensões de confinamento se distribuam de modo diferenciado dentro da seção transversal dos pilares; contudo, observou-se que a tensão de confinamento na região comprimida da seção transversal pouco é modificada. / This thesis aims to investigate the ductility of high strength concrete columns, with confinement and/or with steel fibre addition, under combined axial load and bending. For this, an extensive survey was performed, and the main factors, which influence the column ductility, were pointed out. Then, parametric studies were done, aiming to establish the mode of influence of each factor. Based on these preliminaries studies, an experimental investigation, divided in two steps, was proposed. In the first part, twenty-six reinforced concrete columns and fourteen concrete columns were tested and three factors were analysed: the ratio of fibre addition, the transversal reinforcement ratio and the concrete compressive strength. The columns have 15 cm x 15 cm square cross section and were 50 cm high. They were tested under concentric load with displacement control. It was observed that all factors interfere in the columns\' ductility, and that, by adding fibre in the concrete, is possible to provide acceptable ductility index to high strength concrete columns. The load vs. column strain diagrams were studied and it was verified that for the first load peak, all the column cross section resists the axial load. Besides that, it was observed that the fibre addition improves the work together between the cover and the column core. Finally, several modifications to the concrete confinement model of Cusson and Paultre (1995) were proposed to allow this model to analyse the compressive behaviour of the confined concrete with or/not fibre addition. In the second part of the experimental program, fifteen reinforced concrete columns were tested under eccentric load. The effects of the load eccentricity, the ratio of steel fibre addition and the transversal reinforcement ratio on the column ductility were investigated. The columns have 15 cm x 15 cm square cross section and were 170 cm high. A pair of unidirectional hinges was design, which presented exceptional performance, transferring integrally the external applied moment to the columns. A most critical model of longitudinal reinforcement buckling and mass lost was observed. In addition, it was verified that when the values of all factors were increased, the column ductility was improved. Finally, a different distribution mode of the confinement pressure on the column cross section was observed, when combined axial load and bending is applied. Nevertheless, the confinement pressure on the compressive region of the column cross section is not modified.

Os concretos de alta compacidade, com resistências elevadas (acima de 40 MPa), estão começando a ser cada vez mais usados em obras de infraestrutura e em edificações de grande porte, devido às importantes vantagens que os mesmos oferecem em termos de capacidade de carga e durabilidade. Um dos pontos acerca de seu desempenho que levanta dúvidas envolve o seu comportamento frente a elevadas temperaturas. Evidências coletadas em incêndios ocorridos em estruturas reais, como o do Channel Tunnel e do Mont Blanc Tunnel, indicaram que, sob certas circunstâncias, existe a possibilidade de ocorrência de um fenômeno, conhecido como spalling explosivo, que causa sérios danos por lascamento ao material, incrementando de forma significativa a degradação térmica. Isso ocorre porque a reduzida porosidade e a baixa permeabilidade favorecem o aprisionamento do vapor de água nos poros, gerando um acréscimo da pressão interna que ocasiona tensões que podem superar a resistência à tração do concreto. O processo de spalling, bem como a sua probabilidade e severidade de ocorrência, dependem de uma série de fatores interdependentes que influenciam o comportamento do material. Contudo, está se formando um consenso de que o teor de umidade é o parâmetro mais influente para o desencadeamento do processo. Estudos efetuados após o reconhecimento da existência do spalling explosivo demonstraram que o mesmo tende a ocorrer somente quando o concreto apresenta teores muito elevados de umidade em sua estrutura de poros. Isso restringe a preocupação a certos tipos de elementos onde o concreto pode estar muito úmido por ocasião do sinistro. Embora estes sejam casos raros, a gravidade dos danos devido ao spalling explosivo justifica que se investiguem as condições nas quais o mesmo pode acontecer e se implementem medidas mitigatórias. Dado o caráter recente das investigações sobre o tema, ainda existe uma carência de estudos específicos que apontem quais as combinações críticas de porosidade e teores de umidade que desencadeiam o fenômeno. Este trabalho foi concebido para ajudar a superar essa lacuna de conhecimento, coletando dados sobre as condições que favorecem o spalling explosivo, bem como averiguando quais são as propriedades mecânicas residuais e as alterações na microestrutura sofridas por concretos com vários patamares de resistência submetidos a altas temperaturas. O trabalho utiliza os dados coletados para fundamentar a proposição de um modelo simplificado de spalling, elaborado com o objetivo de prover uma forma de considerar os efeitos do fenômeno durante uma análise termomecânica. Essa é uma necessidade fundamental para complementar os softwares atualmente utilizados para analisar os efeitos de incêndios sobre estruturas. O módulo de spalling foi implementado computacionalmente de forma que pudesse ser utilizado em consórcio com a ferramenta computacional VULCAN, o que permitiu simular a ocorrência do fenômeno na deterioração de uma viga durante um incêndio. Os resultados indicaram que a perda de seção transversal causada pela ocorrência do spalling explosivo reduz substancialmente o tempo de resistência ao fogo (TRRF), devido à aceleração dos danos e à redução da capacidade portante dos elementos estruturais de concreto. Conclui-se, portanto, que é fundamental considerar a possibilidade de lascamentos explosivos em estruturas suscetíveis ao fenômeno. De acordo com o presente estudo, estas incluem aquelas fabricadas com concretos de resistência maior que 40 MPa, que apresentem grau de saturação em torno ou superiores a 90%. / In the last years, the utilization of high-strength concrete (HSC) in the construction industry, with compressive strength grades greater than 40 MPa, has become wide spread due to remarkable characteristics of durability and load bearing capacity. However, the increased use of HSC has raised concerns regarding the behaviour of such concretes in fire. Evidences which were collected from structures exposed to the effects of fires, like Channel Tunnel and Mont Blanc Tunnel, have indicated that there is a possibility of the occurrence of explosive spalling in this condition. The phenomenon causes serious damages to the material and raises its thermal degradation in a significant way. This occurs because of its low porosity and permeability that contribute for the vapour pressure build-up in the pores, generating stresses which can exceed tensile strength of the material. The probability and severity of spalling process depend on a large number of inter-dependent factors that influence the behaviour of HSC in an unexpected manner. There is a consensus that the moisture content is one of the principal factors of the occurrence of explosive spalling. Recent investigations have demonstrated that spalling tends to occur only when the moisture content in the pores of concrete is elevated. Although fire is considered an exceptional event, the seriousness of spalling in concrete structures justifies the investigation of conditions in that the phenomenon can be happen and the implementation of preventive measures. In spite of the recent advances about the spalling process in HSC at high temperatures, there is still a lack of information in relation to the critical combinations of factors which affect the spalling occurrence. This work intends to help overcoming this lack of knowledge from the experimental data analysis with the purpose of establishing some critical conditions which collaborate in the spalling process as well as investigating the residual mechanical properties and changes in the microstructure of different concrete grades submitted to high temperatures. In addition, the experimental data are used to validate the proposition of a simplified model of spalling which was developed with the objective to take into account the effects of spalling in the thermo-mechanical analysis. This is an important need to complement the fire analysis of concrete structures. The spalling model was incorporated in the VULCAN software to simulate the phenomenon occurrence in a concrete beam exposed to fire. The results shown that the loss of mass in the beam cross-section, caused by spalling, reduces substantially its required time of fire resistance whereas it accelerates the damage in the concrete and aids the reduction of load bearing capacity of structural element. In conclusion, it is essential to consider the possibility of concrete spalling mainly in concrete grades greater than 40 MPa that present a saturation degree higher than 90%.

O concreto de alta resistência não é mais o concreto do futuro. Com a publicação da revisão da norma de estruturas de concreto armado de 2014, os tecnologistas do concreto são desafiados à utilizar o material de maneira cada vez mais competitiva. O custo sempre foi um grande entrave do emprego deste material, devido principalmente ao maior consumo de aglomerante, do uso de adições e aditivos. Trabalhos foram desenvolvidos nos últimos anos no Brasil buscando identificar quais dos métodos internacionalmente utilizados eram mais adequados aos materiais aqui disponíveis. Neste sentido o presente trabalho teve por objetivo contribuir com algumas lacunas existentes nos métodos de dosagem utilizados para o proporcionamento do concreto de alta resistência no estado fresco e no estado endurecido. A primeira contribuição foi no entendimento de como as propriedades mecânicas da rocha efetivamente influenciam a resistência à compressão do concreto. Foram estudados, separadamente, as fases pasta, argamassa e o agregado de diferentes concretos, caracterizando-se a resistência à compressão e o módulo de elasticidade de cada parte, estabelecendo uma relação de efeito causa entre as propriedades determinadas. A segunda contribuição foi a proposição de uma metodologia para avaliar a resistência à compressão das diferentes dimensões de partículas uma vez que a dimensão máxima característica é um importante limitador da resistência à compressão do concreto. A avaliação da resistência à compressão das diferentes frações do agregado foi realizada através da imersão do agregado numa matriz de elevada resistência. A terceira contribuição refere-se ao concreto no estado fresco e constituiu-se na discussão da eficácia da aplicação do empacotamento máximo do agregado como critério de dosagem dos concretos de alta resistência, bem como na proposição de um parâmetro alternativo a este. Foram realizados dois estudos em laboratório. Primeiramente avaliou-se a influência do empacotamento frente a demanda de água para diferentes misturas. A partir deste estudo fez-se então a proposição de um parâmetro alternativo para definição do esqueleto granular. Realizou-se então um comparativo do mesmo com um método que utiliza a compacidade máxima do esqueleto granular como parâmetro de dosagem. Comparou-se então a eficiência das diferentes abordagens através do indicador consumo de aglomerante por MPa para dois níveis de resistência à compressão. Realizou-se a caracterização reológica das diferentes pastas utilizadas na produção dos traços de concreto dosados no estudo. Como resultados finais destaca-se que a resistência à compressão do concreto de alta resistência é limitada pela diferença entre os módulos de elasticidade da fase argamassa e da fase rocha e diferentemente do que indicavam outros estudos a resistência potencial do agregado não se converte em incrementos de resistência no concreto. Demostrou-se experimentalmente que, diferente dos concretos convencionais produzidos com pastas pouco viscosas, para as pastas de elevada viscosidade utilizadas na produção de concreto de alta resistência o empacotamento máximo não se constitui como a alternativa mais eficaz de determinação do esqueleto granular em termos de custo. / The high strength concrete is no longer considered the concrete of the future. Since the revision of the Brazilian Standard for Reinforced Concrete Structures, in 2014, concrete technologists are challenged to use such material in an increasingly competitive way. The cost has always been an obstacle for concrete, mainly due to the higher binder consumption and to the use of additions and admixtures. In the recent years, researches were developed aiming to identify which of the internationally consolidated mix proportion method better suits to the materials available in Brazil. The main objective of the present work is to contribute to solve some gaps regarding mix proportion for high strength concrete in fresh and hardened states. The first contribution refers to the understanding about how the mechanical properties of the coarse aggregate can influence, effectively, the compressive strength of concrete. Binder paste, mortar and aggregate phases of different concretes were studied, separately. Compressive strength and elasticity modulus of each phase were characterized, aiming to stablish a cause-effect relationship between such properties. The second contribution was the proposition of a methodology to evaluate the compressive strength for the different aggregate particle sizes, since the maximum particle size is an important limiting for the compressive strength of concrete. The compressive strength of the different aggregate fractions was evaluated by the immersion of the aggregate in a high strength matrix. The third contribution refers to the fresh state of concrete and consisted in a discussion about the effectiveness of the maximum aggregate packing criteria used in mix proportion for high strength concrete, as well as the proposition of an alternative parameter to this one. Two experimental programs were developed. In the first one, the influence of packing due to water demand was evaluated and an alternative parameter to the definition of the granular skeleton was proposed. Then, a comparative study was performed, with a method that considers the compactness of the granular skeleton as one of the mix proportion parameter. The efficiency of these different approaches was compared by considering the binder consumption per MPa for two levels of compressive strength. The rheological characterization of the different binder pastes used to produce the concrete mixtures was performed. Results show that the compressive strength of high strength concrete is limited by the difference between the elasticity modulus of the coarse aggregate and mortar phases. Unlike other studies, it was verified that the potential compressive strength of the aggregate does not increase the compressive strength of concrete. Experimental results showed that unlike conventional concrete, produced with low viscosity pastes, for high viscosity pastes used in the production of high strength concrete, the maximum packing is not the most effective alternative for determining the granular skeleton.