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.

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.

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.

Esta tese discute as análises teórica e experimental de pilares de seção retangular, esbeltos, confinados por estribos, de concreto de alta resistência, sujeitos à flexo-compressão, considerando os estados limites últimos de ruptura do concreto ou por deformação excessiva das barras da armadura ou por instabilidade. Foram ensaiados 12 modelos de pilares com esbeltez mecânica igual a 92, compondo três séries de 4 pilares cada uma; os parâmetros estudados foram a excentricidade da força, a taxa volumétrica de armadura transversal e a resistência do concreto. Em uma segunda fase, foram analisados 9 pilares curtos de seção quadrada à compressão concêntrica com o objetivo de avaliar a ductilidade e obter as propriedades do concreto confinado. Para a realização dos ensaios foram empregadas rótulas unidirecionais, que permitiram transferir a força excêntrica ao pilar. Para a obtenção das resistências dos concretos, foram realizados ensaios para a determinação da composição dos materiais e foram traçadas curvas de dosagem. Os resultados experimentais foram comparados com os obtidos com o método exato que considera a não linearidade física e geométrica por meio de programas computacionais elaborados pelo autor. Observou-se que os resultados experimentais se aproximaram dos resultados teóricos. As ruínas dos pilares esbeltos foram por instabilidade, sendo que todos eles atingiram o ponto limite. Foi verificado que a capacidade resistente dos pilares é muito sensível para pequenas variações da excentricidade da força. Nos modelos analíticos foram incorporadas formulações de várias normas que contemplam concretos de alta resistência e o critério de confinamento indicadas pela literatura técnica com algumas modificações. Foi verificada uma pequena melhora na ductilidade ao incrementar a taxa de armadura transversal dos modelos ensaiados. Com os resultados obtidos e com as formulações analisadas, sugere-se uma forma alternativa de projeto de pilares esbeltos. / This thesis discusses the theoretical and experimental analyses of slender high-strength concrete rectangular columns confinement by lateral reinforcement, subjected to combined axial load and bending, considering the ultimate limit states of concrete crushing at the compressive face or the longitudinal bars excessive deformation or the column instability. Twelve column models were tested with 92 mechanical slenderness. These models included three series of four columns each; the parameters studied were axial load eccentricity, volumetric lateral reinforcement ratio and concrete strength. In a second step, nine square cross section short columns under concentric compression were tested to evaluate ductility and to obtain the confined concrete properties. A pair of unidirectional hinges was used to transfer the eccentric load to the columns. Tests were carried out for material\'s composition determination and dosage curves were drawn to obtain concrete strengths. The experimental results were compared with those obtained using the exact method that considers physical and geometrical nonlinearities through computational programs prepared by the author. There is not a significant difference between experimental and theoretical results. The instability failure was reach in all columns because of high slenderness, all of they reached the limit point. It was observed that the column ultimate strength is very sensitive for small axial load eccentricity variations. The formulations of several standards codes that consider the high-strength concrete and technical literature confinement criterion with some modifications have been incorporated in the analytical models. A small ductility improvement was observed considering the tests volumetric lateral reinforcement ratio increase. There is an alternative method suggested for slender columns design, based on the obtained results.

The primary aim of this research was to develop a method for determining the true uniaxial tensile strength of concrete by conducting a series of cylinder splitting, modulus of rupture (MOR) and cylinder/cube compression tests. The main objectives were: • Critically reviewing previous published research in order to identify gaps in current knowledge and understanding, including theoretical and methodological contributions to the true uniaxial tensile strength of concrete. In order to maintain consistency and increase the reliability of the proposed methods, it is essential to review the literature to provide additional data points in order to add additional depth, breathe and rigor to Senussi's investigation (2004). • The design of self compacting concrete (SCC), normal strength concrete (NSC) and high strength concrete (HSC) mixes and undertaking lab-based experimental works for mixing, casting, curing and testing of specimens in order to establish new empirical evidence and data. • Analysing the data, presenting the results, and investigating the application of validity methods as stated by Lin and Raoof (1999) and Senussi (2004). • To draw conclusions including comparison with previous research and literature, including the proposal of new correction factors and recommendations for future research. 29 batches of NSC, 137 batches of HSC, 44 batches of fly ash SCC and 47 batches of GGBS SCC were cast and their hardened and fresh properties were measured. Hardened properties measured included: cylinder splitting strength, MOR, cylinder compressive strength and cube compressive strength. A variety of rheological tests were also applied to characterise the fresh properties of the SCC mixes, including: slump flow, T50, L-box, V-funnel, J-ring and sieve stability. Cylinders were also visually checked after splitting for segregation. The tensile strength of concrete has traditionally been expressed in terms of its compressive strength (e.g. ft = c x c f ). Based on this premise, extensive laboratory testing was conducted to evaluate the tensile strength of the concretes, including the direct tension test and the indirect cylinder splitting and MOR tests. These tests however, do not provide sufficiently accurate results for the true uniaxial tensile strength, due to the results being based upon different test methods. This shortcoming has been overcome by recently developed methods reported by Lin and Raoof (1999) and Senussi (2004) who proposed simple correction factors for the application to the cylinder splitting and MOR test results, with the final outcome providing practically reasonable estimates of the true uniaxial tensile strength of concrete, covering a wide range of concrete compressive strengths 12.57 ≤ fc ≤ 93.82 MPa, as well as a wide range of aggregate types. The current investigation has covered a wide range of ages at testing, from 3 to 91 days. Test data from other sources has also been applied for ages up to 365 days, with the test results reported relating to a variety of mix designs. NSC, SCC and HSC data from the current investigation has shown an encouraging correlation with the previously reported results, hence providing additional wider and deeper empirical evidence for the validity of the recommended correction factors. The results have also demonstrated that the type (size, texture and strength) of aggregate has a negligible effect on the recommended correction factors. The concrete age at testing was demonstrated to have a potentially significant effect on the recommended correction factors. Altering the cement type can also have a significant effect on the hardened properties measured and demonstrated practically noticeable variations on the recommended correction factors. The correction factors proved to be valid regarding the effects of incorporating various blended cements in the HSC and SCC. The NSC, HSC and SCC showed an encouraging correlation with previously reported results, providing additional support, depth, breadth and rigor for the validity of the correction factors recommended.

Accounting for blast hazards has become one of the major concerns for civil engineers when analysing and designing structures. Recent terrorist attacks and accidental explosions have demonstrated the importance of mitigating blast effects on buildings to ensure safety, preserve life and ensure structural integrity. Innovative materials such as high-strength concrete, steel fibers, and high-strength steel offer a potential solution to increase resistance against extreme dynamic loading and improve the blast resilience of buildings. This thesis presents the results of an experimental and analytical study examining the effect of high-strength concrete, high-strength reinforcement and steel fibers on the blast behaviour of reinforced concrete columns. As part of the study, a total of seventeen reinforced concrete columns with different design combinations of concrete, steel fibers, and steel reinforcement were designed, constructed, and tested under gradually increasing blast loads using the University of Ottawa shock-tube facility. Criteria used to assess the blast performance of the columns and the effect of the test variables included overall blast capacity, mid-span displacements, cracking patterns, secondary fragmentation, and failure modes. The effect of concrete strength was found to only have a moderate effect on the blast performance of the columns. However, the results showed that benefits are associated with the combined use of high-strength concrete with steel fibers and high-strength reinforcement in columns tested under blast loads. In addition to the experimental program, a dynamic inelastic single-degree-of-freedom analysis was performed to predict the displacement response of the test columns. A sensitivity analysis was also conducted to examine the effect of various modelling parameters such as materials models, DIFs, and accumulated damage on the analytical predictions.

The CSA S850 Blast standard provides guidelines that can be used to enhance the blast performance of reinforced concrete structures. In the case of beams, the standard requires the use of top continuity (compression) bars and well-detailed transverse steel to ensure strength and ductility under blast loads. However, the requirements in the CSA S850 standard are intended for normal-strength concrete structures. Given the increased use of high-strength concrete (HSC) in practice, there is a need to explore the effects of modern blast designs on the behavior of HSC structures subjected to blast loads. Accordingly, this project examines the effect of modern reinforcement detailing on the static, dynamic and post-blast performance of high-strength concrete beams. The study further examines the ability to use fibers to relax such detailing and simplify construction. A total of seventeen beams are tested. Static testing is conducted under four-point bending, with blast testing conducted using the University of Ottawa shock-tube. The post-blast behavior of the beams is assessed by conducting residual static tests on the blast-damaged specimens. The parameters investigated include the effects of: blast detailing vs. nominal detailing, steel fibers, the effect of longitudinal steel ratio (in compression and tension) and tie spacing. The results show that under static loads, the use of blast detailing significantly improves the flexural behavior of the beams in terms of ductility. Likewise, the provision of continuity (compression) bars and closely spaced ties is found to improve blast performance by better controlling displacements, increasing blast resistance, limiting damages and allowing for important post-blast residual capacity. The use of steel fibers and relaxed detailing (increased tie spacing) is found to increase resistance and improve cracking behavior under static loads, with an ability to match the blast performance of more heavily-detailed HSC specimens. The use of fibers also allowed for substantial post-blast capacity. Finally, the steel ratio (in tension, in compression and in the transverse direction) was found to affect the blast behavior of the HSC beams. In addition to the experiments, the analytical study predicts the static and blast response of the tested beams using sectional analysis and non-linear SDOF modeling. Results show that the analysis methodology was able to predict the static and blast responses of the blast-detailed and fiber-reinforced HSC beams with reasonable accuracy.