This thesis examines the role of Acoustic Emission (AE) as a non-destructive testing technique for concrete structures. The work focuses on the development of experimental techniques and data analysis methods for the detection, location and assessment of AE from the failure of plain and reinforced concrete specimens. Four key topics are investigated:

Com a finalidade de estudar processos de fratura em concreto simples, este trabalho propõe uma escala intermediária de análise. Sendo assim, é apresentado um modelo simplificado de duas fases, o qual representa alguns elementos da microestrutra do concreto. Uma fase representa os agregados e a outra a matriz de cimento. Os agregados são considerados elástico-lineares e são representados pelos elementos finitos. Toda a não-linearidade do concreto e do processo de fratura é considerada na matriz de cimento. Tal fase é representada por interfaces coesivas, de espessura zero, entre os elementos finitos. Enquanto o modelo considera propriedades microscópicas do concreto como entrada, tem-se o comportamento macroscópico da estrutura como saída, o que é uma grande vantagem da escala proposta. Efeitos como a relação água/cimento e a densidade de agregados são introduzidos no modelo. Os resultados mostram que o modelo é capaz de captar, pelo menos qualitativamente, efeitos os quais somente são possíveis de obter com um modelo de três fases. / An intermediate scale of analysis is proposed here in order to study the fracture of plain concrete. A simplified two phases model is proposed as a concrete microstructure. One phase is the aggregate and other is the cement matrix. Aggregate is considered elastic linear and is represented by finite elements. All the non-linearity of the concrete and the fracture process is considered in the cement matrix. This phase is represented by a zero thickness cohesive interface between finite elements. While the model considers microscopic properties of the concrete as input, it delivers the macroscopic behavior of the structure as output, which is a great advantage of the proposed scale. Effects like water-cement ratio and density of aggregates are introduced in the model. Results show the model is able to capture, at least qualitatively, effects only possible to obtain by a three phases model.

O concreto é um material de comportamento quase-frágil na ruptura, desenvolvendo uma zona de processo de fratura relativamente grande na ponta de uma fissura principal, na qual ocorrem fenômenos complexos. Modelos de fratura discretos são adequados para estudar tais fenômenos. Neste contexto, o presente trabalho estuda diferentes modelos de fratura discreta em concreto simples, em situação de modo I puro e modo misto (modo I e modo II, simultaneamente) empregando dois modelos constitutivos da zona coesiva, um acoplado e outro desacoplado. Considerando que a malha de elementos finitos não é adaptada durante a análise, fissuras não coincidem exatamente com as superfícies reais de fratura, resultando em componentes de tração e corte nas interfaces coesivas da frente de fissuração, as quais também não coincidem com os valores reais. Tais componentes devem diminuir com a abertura da fissura. Neste trabalho é demonstrado que apenas o modelo acoplado é capaz de lidar com as componentes espúrias do vetor tensões, e que a variável-chave é o potencial plástico empregado na integração deste vetor. Os modelos apresentados são comprovados por estudos experimentais, no caso de fratura em modo I puro com testes de flexão de vigas a 3 pontos e no caso do modo misto com testes em viga com 1 entalhe e dois entalhes a 4 pontos, viga com entalhe excêntrico ensaiada a 3 pontos e placa com duplo entalhe. Parâmetros do modo II podem ser alterados em uma faixa grande sem alterar visivelmente os resultados, pelo menos nos exemplos testados. Por outro lado, a lei coesiva para metodologia das interfaces coesivas necessita de uma lei de pré e pós-pico. Para o pós-pico, três leis são utilizadas, a saber: lei linear, bi-linear e exponencial. A escolha da lei interfere tanto no comportamento de pós-pico, como no valor de carga máxima a ser alcançado. A região de pré-pico define aberturas e deslizamentos elásticos fictícios, porém necessários para metodologia das interfaces coesivas. Neste trabalho, uma equação é proposta para determinar a lei constitutiva de pré-pico, que elimina efeitos de malha tornando a análise objetiva. / Plain concrete behaves as a quasi-brittle material in rupture, developing a relatively large process zone at the crack tip. Complex phenomena occur in this zone. Discrete fracture models are indicated to study such rupture process. In this context, the present work studies different plain concrete fracture models for mode I and mixed mode (coupled mode I and II) using two constitutive models for the cohesive zone: one is a coupled model and the other is uncoupled. Considering that the finite element mesh is not adapted during the analysis, cracks do not coincide exactly with the real fracture surfaces, resulting in components of the traction vector at the cohesive zone that are not coincident with the real values either. Such components must decrease with crack opening. In this work it is demonstrated that only the coupled model is able to deal with the spurious components of the traction vector and that the key variable in this regard is the plastic-potential used in the tractions integration. The presented models are verified by experimental tests. In the case of the pure mode I, threepoint beams are used and in the case of the mixed mode three-point and four-point beams as well as double-notched plates are used. Mode II parameters can be changed in a large range without a noticeable change in results, at least for the tested examples. On the other side, the cohesive law used in the methodology needs a pre-peak and a post-peak relation. For the postpeak, three different shapes are used: linear, bi-linear and exponential. The shape has influence in the overall post-peak behavior of the body, as well as in the peak loading reached. Pre-peak relation defines the fictitious elastic opening and the sliding necessary to complete the description of the cohesive interface methodology. In this work an equation is proposed for the pre-peak constitutive law that eliminates mesh effect problems, turning the analysis objective.

O concreto é um material de comportamento quase-frágil na ruptura, desenvolvendo uma zona de processo de fratura relativamente grande na ponta de uma fissura principal, na qual ocorrem fenômenos complexos. Modelos de fratura discretos são adequados para estudar tais fenômenos. Neste contexto, o presente trabalho estuda diferentes modelos de fratura discreta em concreto simples, em situação de modo I puro e modo misto (modo I e modo II, simultaneamente) empregando dois modelos constitutivos da zona coesiva, um acoplado e outro desacoplado. Considerando que a malha de elementos finitos não é adaptada durante a análise, fissuras não coincidem exatamente com as superfícies reais de fratura, resultando em componentes de tração e corte nas interfaces coesivas da frente de fissuração, as quais também não coincidem com os valores reais. Tais componentes devem diminuir com a abertura da fissura. Neste trabalho é demonstrado que apenas o modelo acoplado é capaz de lidar com as componentes espúrias do vetor tensões, e que a variável-chave é o potencial plástico empregado na integração deste vetor. Os modelos apresentados são comprovados por estudos experimentais, no caso de fratura em modo I puro com testes de flexão de vigas a 3 pontos e no caso do modo misto com testes em viga com 1 entalhe e dois entalhes a 4 pontos, viga com entalhe excêntrico ensaiada a 3 pontos e placa com duplo entalhe. Parâmetros do modo II podem ser alterados em uma faixa grande sem alterar visivelmente os resultados, pelo menos nos exemplos testados. Por outro lado, a lei coesiva para metodologia das interfaces coesivas necessita de uma lei de pré e pós-pico. Para o pós-pico, três leis são utilizadas, a saber: lei linear, bi-linear e exponencial. A escolha da lei interfere tanto no comportamento de pós-pico, como no valor de carga máxima a ser alcançado. A região de pré-pico define aberturas e deslizamentos elásticos fictícios, porém necessários para metodologia das interfaces coesivas. Neste trabalho, uma equação é proposta para determinar a lei constitutiva de pré-pico, que elimina efeitos de malha tornando a análise objetiva. / Plain concrete behaves as a quasi-brittle material in rupture, developing a relatively large process zone at the crack tip. Complex phenomena occur in this zone. Discrete fracture models are indicated to study such rupture process. In this context, the present work studies different plain concrete fracture models for mode I and mixed mode (coupled mode I and II) using two constitutive models for the cohesive zone: one is a coupled model and the other is uncoupled. Considering that the finite element mesh is not adapted during the analysis, cracks do not coincide exactly with the real fracture surfaces, resulting in components of the traction vector at the cohesive zone that are not coincident with the real values either. Such components must decrease with crack opening. In this work it is demonstrated that only the coupled model is able to deal with the spurious components of the traction vector and that the key variable in this regard is the plastic-potential used in the tractions integration. The presented models are verified by experimental tests. In the case of the pure mode I, threepoint beams are used and in the case of the mixed mode three-point and four-point beams as well as double-notched plates are used. Mode II parameters can be changed in a large range without a noticeable change in results, at least for the tested examples. On the other side, the cohesive law used in the methodology needs a pre-peak and a post-peak relation. For the postpeak, three different shapes are used: linear, bi-linear and exponential. The shape has influence in the overall post-peak behavior of the body, as well as in the peak loading reached. Pre-peak relation defines the fictitious elastic opening and the sliding necessary to complete the description of the cohesive interface methodology. In this work an equation is proposed for the pre-peak constitutive law that eliminates mesh effect problems, turning the analysis objective.

Com a finalidade de estudar processos de fratura em concreto simples, este trabalho propõe uma escala intermediária de análise. Sendo assim, é apresentado um modelo simplificado de duas fases, o qual representa alguns elementos da microestrutra do concreto. Uma fase representa os agregados e a outra a matriz de cimento. Os agregados são considerados elástico-lineares e são representados pelos elementos finitos. Toda a não-linearidade do concreto e do processo de fratura é considerada na matriz de cimento. Tal fase é representada por interfaces coesivas, de espessura zero, entre os elementos finitos. Enquanto o modelo considera propriedades microscópicas do concreto como entrada, tem-se o comportamento macroscópico da estrutura como saída, o que é uma grande vantagem da escala proposta. Efeitos como a relação água/cimento e a densidade de agregados são introduzidos no modelo. Os resultados mostram que o modelo é capaz de captar, pelo menos qualitativamente, efeitos os quais somente são possíveis de obter com um modelo de três fases. / An intermediate scale of analysis is proposed here in order to study the fracture of plain concrete. A simplified two phases model is proposed as a concrete microstructure. One phase is the aggregate and other is the cement matrix. Aggregate is considered elastic linear and is represented by finite elements. All the non-linearity of the concrete and the fracture process is considered in the cement matrix. This phase is represented by a zero thickness cohesive interface between finite elements. While the model considers microscopic properties of the concrete as input, it delivers the macroscopic behavior of the structure as output, which is a great advantage of the proposed scale. Effects like water-cement ratio and density of aggregates are introduced in the model. Results show the model is able to capture, at least qualitatively, effects only possible to obtain by a three phases model.

Com a finalidade de estudar processos de fratura em concreto simples, este trabalho propõe uma escala intermediária de análise. Sendo assim, é apresentado um modelo simplificado de duas fases, o qual representa alguns elementos da microestrutra do concreto. Uma fase representa os agregados e a outra a matriz de cimento. Os agregados são considerados elástico-lineares e são representados pelos elementos finitos. Toda a não-linearidade do concreto e do processo de fratura é considerada na matriz de cimento. Tal fase é representada por interfaces coesivas, de espessura zero, entre os elementos finitos. Enquanto o modelo considera propriedades microscópicas do concreto como entrada, tem-se o comportamento macroscópico da estrutura como saída, o que é uma grande vantagem da escala proposta. Efeitos como a relação água/cimento e a densidade de agregados são introduzidos no modelo. Os resultados mostram que o modelo é capaz de captar, pelo menos qualitativamente, efeitos os quais somente são possíveis de obter com um modelo de três fases. / An intermediate scale of analysis is proposed here in order to study the fracture of plain concrete. A simplified two phases model is proposed as a concrete microstructure. One phase is the aggregate and other is the cement matrix. Aggregate is considered elastic linear and is represented by finite elements. All the non-linearity of the concrete and the fracture process is considered in the cement matrix. This phase is represented by a zero thickness cohesive interface between finite elements. While the model considers microscopic properties of the concrete as input, it delivers the macroscopic behavior of the structure as output, which is a great advantage of the proposed scale. Effects like water-cement ratio and density of aggregates are introduced in the model. Results show the model is able to capture, at least qualitatively, effects only possible to obtain by a three phases model.

O concreto é um material de comportamento quase-frágil na ruptura, desenvolvendo uma zona de processo de fratura relativamente grande na ponta de uma fissura principal, na qual ocorrem fenômenos complexos. Modelos de fratura discretos são adequados para estudar tais fenômenos. Neste contexto, o presente trabalho estuda diferentes modelos de fratura discreta em concreto simples, em situação de modo I puro e modo misto (modo I e modo II, simultaneamente) empregando dois modelos constitutivos da zona coesiva, um acoplado e outro desacoplado. Considerando que a malha de elementos finitos não é adaptada durante a análise, fissuras não coincidem exatamente com as superfícies reais de fratura, resultando em componentes de tração e corte nas interfaces coesivas da frente de fissuração, as quais também não coincidem com os valores reais. Tais componentes devem diminuir com a abertura da fissura. Neste trabalho é demonstrado que apenas o modelo acoplado é capaz de lidar com as componentes espúrias do vetor tensões, e que a variável-chave é o potencial plástico empregado na integração deste vetor. Os modelos apresentados são comprovados por estudos experimentais, no caso de fratura em modo I puro com testes de flexão de vigas a 3 pontos e no caso do modo misto com testes em viga com 1 entalhe e dois entalhes a 4 pontos, viga com entalhe excêntrico ensaiada a 3 pontos e placa com duplo entalhe. Parâmetros do modo II podem ser alterados em uma faixa grande sem alterar visivelmente os resultados, pelo menos nos exemplos testados. Por outro lado, a lei coesiva para metodologia das interfaces coesivas necessita de uma lei de pré e pós-pico. Para o pós-pico, três leis são utilizadas, a saber: lei linear, bi-linear e exponencial. A escolha da lei interfere tanto no comportamento de pós-pico, como no valor de carga máxima a ser alcançado. A região de pré-pico define aberturas e deslizamentos elásticos fictícios, porém necessários para metodologia das interfaces coesivas. Neste trabalho, uma equação é proposta para determinar a lei constitutiva de pré-pico, que elimina efeitos de malha tornando a análise objetiva. / Plain concrete behaves as a quasi-brittle material in rupture, developing a relatively large process zone at the crack tip. Complex phenomena occur in this zone. Discrete fracture models are indicated to study such rupture process. In this context, the present work studies different plain concrete fracture models for mode I and mixed mode (coupled mode I and II) using two constitutive models for the cohesive zone: one is a coupled model and the other is uncoupled. Considering that the finite element mesh is not adapted during the analysis, cracks do not coincide exactly with the real fracture surfaces, resulting in components of the traction vector at the cohesive zone that are not coincident with the real values either. Such components must decrease with crack opening. In this work it is demonstrated that only the coupled model is able to deal with the spurious components of the traction vector and that the key variable in this regard is the plastic-potential used in the tractions integration. The presented models are verified by experimental tests. In the case of the pure mode I, threepoint beams are used and in the case of the mixed mode three-point and four-point beams as well as double-notched plates are used. Mode II parameters can be changed in a large range without a noticeable change in results, at least for the tested examples. On the other side, the cohesive law used in the methodology needs a pre-peak and a post-peak relation. For the postpeak, three different shapes are used: linear, bi-linear and exponential. The shape has influence in the overall post-peak behavior of the body, as well as in the peak loading reached. Pre-peak relation defines the fictitious elastic opening and the sliding necessary to complete the description of the cohesive interface methodology. In this work an equation is proposed for the pre-peak constitutive law that eliminates mesh effect problems, turning the analysis objective.

An improved equation is presented for the prediction of the ultimate strength of the local zone in Load Transfer Tests. The derivation of this new formulation is the result of the investigation of the ultimate bearing strength of plain and reinforced concrete blocks, concentrically loaded. A total of 199 bearing tests were performed on plain and reinforced concrete prisms to evaluate the variables involved in the bearing problem. A finite element analysis of a typical square block loaded with different bearing areas was performed. Two equations, one for plain concrete and the other for reinforced concrete were derived using the Mohr failure criterion. The performance of the derived equations was evaluated against actual test data. The results of this evaluation showed very good agreement between the predicted ultimate strength and the actual test strength for both plain and reinforced concrete. For plain concrete specimens the ratio Ptest/Ppred was 1.05 with a coefficient of variation of 9 percent. In the case of reinforced concrete blocks the ratio Ptest/Ppred was 1.00 with a coefficient of variation of 14 percent. / Master of Science

The diploma thesis is based on design of a multifunctional building in Lazany. The object is situated in a build-up area. There is the patisserie and the grocery on the first floor. There is six flats on the second and the third floor. The building has three floors without a cellar. There is a parking for customers and tenantry of building. The object is based on the footings of plaint concrete and it is used the building system POROTHERM. The ceilings are made of ceiling panels SPIROLL and the roof is flat.

Self-consolidating concrete (SCC) has wide use for placement in congested reinforced concrete structures in recent years. SCC represents one of the most outstanding advances in concrete technology during the last two decades. In the current work a great deal of cognizance pertaining to mechanical properties of SCC and comparison of fracture characteristics of notched and unnotched beams of plain concrete as well as using acoustic emission to understand the localization of crack patterns at different stages has been done. An artificial neural network (ANN) is proposed to predict the 28day compressive strength of a normal and high strength of SCC and HPC with high volume fly ash. The ANN is trained by the data available in literature on normal volume fly ash because data on SCC with high volume fly ash is not available in sufficient quantity. Fracture characteristics of notched and unnotched beams of plain self consolidating concrete using acoustic emission to understand the localization of crack patterns at different stages has been done. Considering this as a platform, further analysis has been done using moment tensor analysis as a new notion to evaluate fracture characteristics in terms of crack orientation, direction of crack propagation at nano and micro levels. Analysis of B-value (b-value based on energy) is also carried out, and this has introduced to a new idea of carrying out the analysis on the basis of energy which gives a clear picture of results when compared with the analysis carried out using amplitudes. Further a new concept is introduced to analyze crack smaller than micro (could be hepto cracks) in solid materials. Each crack formation corresponds to an AE event and is processed and analyzed for crack orientation, crack volume at hepto and micro levels using moment tensor analysis based on energy. Cracks which are tinier than microcracks (could be hepto), are formed in large numbers at very early stages of loading prior to peak load. The volume of hepto and micro cracks is difficult to measure physically, but could be characterized using AE data in moment tensor analysis based on energy. It is conjectured that the ratio of the volume of hepto to that of micro could reach a critical value which could be an indicator of onset of microcracks after the formation of hepto cracks.