Tese doutoramento. Engenharia Civil (Estruturas). Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2011

O efeito de confinamento do concreto em pilares submetidos à compressão axial traz diversos benefícios ao seu comportamento estrutural, dentre os quais destacam-se o aumento na resistência à compressão axial do concreto pela ação das pressões laterais, e a melhoria da ductilidade do elemento estrutural. Em função destas vantagens, o confinamento é uma das principais técnicas de reforço de pilares de concreto. Porém, dependendo da forma da seção transversal, a eficiência do reforço pode ficar comprometida em função da distribuição da pressão de confinamento. No caso de pilares de seção circular, esta distribuição é uniforme. Já em pilares de seção quadrada e retangular, existe concentração de tensão nos cantos da seção transversal, o que, no caso de reforço por encamisamento com PRFC, pode causar a ruptura prematura da camisa, resultando num reforço ineficiente. Com o intuito de considerar as diferentes configurações da distribuição da pressão de confinamento, utiliza-se um coeficiente de forma, que em seções diferentes da circular (para a qual este coeficiente é igual à unidade), minora o valor da pressão de confinamento, o qual é utilizado na previsão da carga de ruptura do pilar reforçado. Este trabalho tem como objetivo central o estudo de vários tipos de seção transversal com o intuito de avaliar a sua influência na eficiência do reforço e da ductilidade do elemento estrutural. Para tal, foram realizadas simulações experimentais com pilares de seção transversal circular, quadrada e retangular com os cantos arredondados, elíptica e uma seção composta por semicírculos. Os resultados demonstram que uma forma de seção transversal adequada é essencial para um bom desempenho do pilar reforçado, sendo assim, as seções transversais que apresentaram os melhores resultados foram a circular, a elíptica e a composta por semicírculos / The effect of the concrete confinement in columns submitted to the axial compression brings many benefits to its structural behavior, amongst them the increase of the axial compressive strength due to the action of the lateral pressures and the improvement of the ductility. In function of these advantages, the confinement is one of the main techniques for strengthening of concrete columns. However, depending on the shape of the cross section, the efficiency of the reinforcement can be impaired by the non-uniformity of the confinement pressure distribution. In the case of circular cross section columns, this distribution is uniform. Otherwise, in square and rectangular cross section columns, there is a pressure concentration at the cross section corners. In case of CFRP jackets, the pressure concentration leads to a premature rupture of the jacket, resulting in an inefficient reinforcement. Intending to consider the different confinement pressure distributions, a shape coefficient is applied to cross sections with distinguished shape from the circular one (for which this coefficient is equal to the unit), to correct the confinement pressure value. The corrected pressure is applied in theoretical evaluations of the column’s load carrying capacity. The main objective of work is to analyze the structural behavior of strengthened concrete columns with different shape cross-sections, evaluating the influences in the efficiency of the jacketing and in the ductility of the structural element. Experimental simulations were made in columns with the following cross section shapes: circular, square and rectangular with rounded corners, elliptical and a section composed by semicircles. The results demonstrated that an adequate shape of the cross-section is essential for a good performance of the strengthened columns. The cross sections that presented the best results were the circular, the elliptical and the one composed by semicircles

O efeito de confinamento do concreto em pilares submetidos à compressão axial traz diversos benefícios ao seu comportamento estrutural, dentre os quais destacam-se o aumento na resistência à compressão axial do concreto pela ação das pressões laterais, e a melhoria da ductilidade do elemento estrutural. Em função destas vantagens, o confinamento é uma das principais técnicas de reforço de pilares de concreto. Porém, dependendo da forma da seção transversal, a eficiência do reforço pode ficar comprometida em função da distribuição da pressão de confinamento. No caso de pilares de seção circular, esta distribuição é uniforme. Já em pilares de seção quadrada e retangular, existe concentração de tensão nos cantos da seção transversal, o que, no caso de reforço por encamisamento com PRFC, pode causar a ruptura prematura da camisa, resultando num reforço ineficiente. Com o intuito de considerar as diferentes configurações da distribuição da pressão de confinamento, utiliza-se um coeficiente de forma, que em seções diferentes da circular (para a qual este coeficiente é igual à unidade), minora o valor da pressão de confinamento, o qual é utilizado na previsão da carga de ruptura do pilar reforçado. Este trabalho tem como objetivo central o estudo de vários tipos de seção transversal com o intuito de avaliar a sua influência na eficiência do reforço e da ductilidade do elemento estrutural. Para tal, foram realizadas simulações experimentais com pilares de seção transversal circular, quadrada e retangular com os cantos arredondados, elíptica e uma seção composta por semicírculos. Os resultados demonstram que uma forma de seção transversal adequada é essencial para um bom desempenho do pilar reforçado, sendo assim, as seções transversais que apresentaram os melhores resultados foram a circular, a elíptica e a composta por semicírculos / The effect of the concrete confinement in columns submitted to the axial compression brings many benefits to its structural behavior, amongst them the increase of the axial compressive strength due to the action of the lateral pressures and the improvement of the ductility. In function of these advantages, the confinement is one of the main techniques for strengthening of concrete columns. However, depending on the shape of the cross section, the efficiency of the reinforcement can be impaired by the non-uniformity of the confinement pressure distribution. In the case of circular cross section columns, this distribution is uniform. Otherwise, in square and rectangular cross section columns, there is a pressure concentration at the cross section corners. In case of CFRP jackets, the pressure concentration leads to a premature rupture of the jacket, resulting in an inefficient reinforcement. Intending to consider the different confinement pressure distributions, a shape coefficient is applied to cross sections with distinguished shape from the circular one (for which this coefficient is equal to the unit), to correct the confinement pressure value. The corrected pressure is applied in theoretical evaluations of the column’s load carrying capacity. The main objective of work is to analyze the structural behavior of strengthened concrete columns with different shape cross-sections, evaluating the influences in the efficiency of the jacketing and in the ductility of the structural element. Experimental simulations were made in columns with the following cross section shapes: circular, square and rectangular with rounded corners, elliptical and a section composed by semicircles. The results demonstrated that an adequate shape of the cross-section is essential for a good performance of the strengthened columns. The cross sections that presented the best results were the circular, the elliptical and the one composed by semicircles

O presente trabalho avaliou a influência dos concretos de ultra-alto desempenho com fibras (UHPFRC) e sem fibras (UHPC) no reforço de pilares curtos de concreto armado de seção transversal circular e quadrada. Avaliou-se também a adição de armaduras adicionais de reforço e de polímeros reforçados com fibras de carbono (PRFC) em alguns pilares reforçados. Para a avaliação deste novo sistema de reforço optou-se pela realização de um programa experimental e simulações numéricas. É importante ressaltar que no programa experimental, nenhum pilar reforçado possuía seção transversal maior que a seção do pilar de referência. Foi verificado por meio do programa experimental, que as camisas de UHPC apresentaram ruína de natureza frágil e não se recomenda a sua utilização a menos que acompanhada de mecanismos que garantam adequado confinamento do pilar reforçado. Nos pilares circulares e quadrados reforçados com UHPFRC foram verificados, respectivamente, incrementos de resistência de 106,4% e 83,6% onde o concreto do cobrimento foi substituído por UHPFRC, 154,3% e 111,7% onde além da substituição do cobrimento foram inseridas armaduras adicionais e 160% e 85,6% onde houve a colocação de PRFC após a substituição do cobrimento. Todos os pilares reforçados com UHPFRC não apresentaram destacamento da camisa de reforço. Foram realizadas simulações numéricas variando a espessura da camisa de UHPFRC e do número de camadas de PRFC tanto nos pilares de seção circular como nos pilares de seção quadrada. Por meio destas simulações, notou-se que a adição de pequenos incrementos de espessura da camisa de UHPFRC, proporciona elevados incrementos de resistência ao pilar reforçado, ao passo que o aumento do número de camadas de PRFC não influenciaria significantemente no incremento de resistência e sim na ductilidade do conjunto. / The present work evaluated the influence of ultra-high performance concrete with fibers (UHPFRC) and without fibers (UHPC) on the strengthening of short columns of reinforced concrete of circular and square cross section. It was also evaluated the addition of additional reinforcement and carbon fiber reinforced polymers (PRFC) on some strengthened columns. For the evaluation of this new system of strengthening we opted for the realization of an experimental program and numerical simulations. It is important to note that in the experimental program, no strengthened columns had a larger cross section than the reference column section. It was verified through the experimental program that the UHPC shirts presented ruin of a fragile nature and their use is not recommended unless accompanied by mechanisms that guarantee adequate confinement to the strengthened columns. In the circular and square columns strengthened with UHPFRC, respectively, resistance increments of 106.4% and 83.6% were verified, where the cover concrete was replaced by UHPFRC, 154.3% and 111.7%, in addition to the substitution of additional reinforcement were inserted and 160% and 85.6% where PRFC placement was performed after the replacement of the cover. All strengthened columns with UHPFRC did not present detachment of the strengthening jacket. Numerical simulations were performed by varying the thickness of the UHPFRC jacket and the number of PRFC layers on both the circular section columns and the square section columns. Through these simulations, it was noted that the addition of small thickness increments of the UHPFRC jacket would provide high increments of strength to the strengthened columns, while increasing the number of PRFC layers would not significantly influence the increase in strength but rather ductility of the assembly.

O presente trabalho avaliou a influência dos concretos de ultra-alto desempenho com fibras (UHPFRC) e sem fibras (UHPC) no reforço de pilares curtos de concreto armado de seção transversal circular e quadrada. Avaliou-se também a adição de armaduras adicionais de reforço e de polímeros reforçados com fibras de carbono (PRFC) em alguns pilares reforçados. Para a avaliação deste novo sistema de reforço optou-se pela realização de um programa experimental e simulações numéricas. É importante ressaltar que no programa experimental, nenhum pilar reforçado possuía seção transversal maior que a seção do pilar de referência. Foi verificado por meio do programa experimental, que as camisas de UHPC apresentaram ruína de natureza frágil e não se recomenda a sua utilização a menos que acompanhada de mecanismos que garantam adequado confinamento do pilar reforçado. Nos pilares circulares e quadrados reforçados com UHPFRC foram verificados, respectivamente, incrementos de resistência de 106,4% e 83,6% onde o concreto do cobrimento foi substituído por UHPFRC, 154,3% e 111,7% onde além da substituição do cobrimento foram inseridas armaduras adicionais e 160% e 85,6% onde houve a colocação de PRFC após a substituição do cobrimento. Todos os pilares reforçados com UHPFRC não apresentaram destacamento da camisa de reforço. Foram realizadas simulações numéricas variando a espessura da camisa de UHPFRC e do número de camadas de PRFC tanto nos pilares de seção circular como nos pilares de seção quadrada. Por meio destas simulações, notou-se que a adição de pequenos incrementos de espessura da camisa de UHPFRC, proporciona elevados incrementos de resistência ao pilar reforçado, ao passo que o aumento do número de camadas de PRFC não influenciaria significantemente no incremento de resistência e sim na ductilidade do conjunto. / The present work evaluated the influence of ultra-high performance concrete with fibers (UHPFRC) and without fibers (UHPC) on the strengthening of short columns of reinforced concrete of circular and square cross section. It was also evaluated the addition of additional reinforcement and carbon fiber reinforced polymers (PRFC) on some strengthened columns. For the evaluation of this new system of strengthening we opted for the realization of an experimental program and numerical simulations. It is important to note that in the experimental program, no strengthened columns had a larger cross section than the reference column section. It was verified through the experimental program that the UHPC shirts presented ruin of a fragile nature and their use is not recommended unless accompanied by mechanisms that guarantee adequate confinement to the strengthened columns. In the circular and square columns strengthened with UHPFRC, respectively, resistance increments of 106.4% and 83.6% were verified, where the cover concrete was replaced by UHPFRC, 154.3% and 111.7%, in addition to the substitution of additional reinforcement were inserted and 160% and 85.6% where PRFC placement was performed after the replacement of the cover. All strengthened columns with UHPFRC did not present detachment of the strengthening jacket. Numerical simulations were performed by varying the thickness of the UHPFRC jacket and the number of PRFC layers on both the circular section columns and the square section columns. Through these simulations, it was noted that the addition of small thickness increments of the UHPFRC jacket would provide high increments of strength to the strengthened columns, while increasing the number of PRFC layers would not significantly influence the increase in strength but rather ductility of the assembly.

Tradicionalmente no reforço de pilares de concreto armado são empregados materiais já consagrados, como as chapas de aço, o próprio concreto armado, e, mais recentemente, o polímero reforçado com fibras (PRF). Porém existem ainda alguns problemas associados a estes materiais ou, mais especificamente, às técnicas utilizadas para promover o reforço, destacando-se a dificuldade de execução, comportamento frágil e perda de área útil em função do aumento da seção transversal do pilar original. Por outro lado, o desenvolvimento da tecnologia dos materias e a constante inovação tecnológica tem como resultado a oferta de uma grande variedade de materiais com características orientadas à solução de um determinado problema. Cita-se como exemplo o concreto reforçado com fibras de aço, inicialmente desenvolvido para aplicação em elementos submetidos à flexão, mas que apresenta atributos, que se bem explorados, são desejáveis para aplicação no reforço de pilares. Busca-se neste trabalho desenvolver estratégias e técnicas de reforço que busquem potencializar o aproveitamento de todos os atributos oferecidos pelos materiais comumente empregados e desenvolver um concreto reforçado com fibras de aço com diferentes comprimentos que possibilite sua aplicação no reforço de pilares. Os resultados da análise experimental demonstram que a escolha do material, da estratégia e técnica de reforço são fatores decisivos para aliar o melhor aproveitamento dos materiais empregados e o atendimento às exigências de projeto. Conclui-se ainda que a associação de fibras de aço de diferentes comprimentos possibilita a utilização do concreto reforçado com fibras no reforço de pilares de concreto, tendo como grande virtude a facilidade de execução, se comparado com o concreto armado. / Tradicionally the strengthening of reinforced concrete columns uses materials well known, such as steel plates, the reinforced concrete, and, more recently, fiber reinforced polymer (FRP). But there are still some problems associated with these materials, or more specifically, with the used techniques, specially the difficulty of implementation, brittle behavior and loss free space due to the increase of the original cross section of the column. On the other hand, the materials technology development and the constant innovation has resulted in the provision of a wide variety of materials with specifics caracteristics to solving a particular problem. For example, steel fiber reinforced concrete, originally developed for use in elements subject to bending, but it has some attributes, which if are well explored, are desirable for use in strengthening columns. This work presents the development of strategies and techniques that optimize the o use all the attributes offered by the commonly used materials, and develop a different lengths steel fiber reinforced concrete to enable its application on columns strengthening. The results of experimental analysis show that the choice of material, strategy and technique of strengtheningt is a key factor to combine the best use of the materials used and the design requirements. It is also concluded that the combination of steel fibers of different lengths allows the use of steel fibers reinforced concrete on the strengthening of concrete columns, with the great virtue of the ease of implementation, compared to the reinforced concrete.

Tradicionalmente no reforço de pilares de concreto armado são empregados materiais já consagrados, como as chapas de aço, o próprio concreto armado, e, mais recentemente, o polímero reforçado com fibras (PRF). Porém existem ainda alguns problemas associados a estes materiais ou, mais especificamente, às técnicas utilizadas para promover o reforço, destacando-se a dificuldade de execução, comportamento frágil e perda de área útil em função do aumento da seção transversal do pilar original. Por outro lado, o desenvolvimento da tecnologia dos materias e a constante inovação tecnológica tem como resultado a oferta de uma grande variedade de materiais com características orientadas à solução de um determinado problema. Cita-se como exemplo o concreto reforçado com fibras de aço, inicialmente desenvolvido para aplicação em elementos submetidos à flexão, mas que apresenta atributos, que se bem explorados, são desejáveis para aplicação no reforço de pilares. Busca-se neste trabalho desenvolver estratégias e técnicas de reforço que busquem potencializar o aproveitamento de todos os atributos oferecidos pelos materiais comumente empregados e desenvolver um concreto reforçado com fibras de aço com diferentes comprimentos que possibilite sua aplicação no reforço de pilares. Os resultados da análise experimental demonstram que a escolha do material, da estratégia e técnica de reforço são fatores decisivos para aliar o melhor aproveitamento dos materiais empregados e o atendimento às exigências de projeto. Conclui-se ainda que a associação de fibras de aço de diferentes comprimentos possibilita a utilização do concreto reforçado com fibras no reforço de pilares de concreto, tendo como grande virtude a facilidade de execução, se comparado com o concreto armado. / Tradicionally the strengthening of reinforced concrete columns uses materials well known, such as steel plates, the reinforced concrete, and, more recently, fiber reinforced polymer (FRP). But there are still some problems associated with these materials, or more specifically, with the used techniques, specially the difficulty of implementation, brittle behavior and loss free space due to the increase of the original cross section of the column. On the other hand, the materials technology development and the constant innovation has resulted in the provision of a wide variety of materials with specifics caracteristics to solving a particular problem. For example, steel fiber reinforced concrete, originally developed for use in elements subject to bending, but it has some attributes, which if are well explored, are desirable for use in strengthening columns. This work presents the development of strategies and techniques that optimize the o use all the attributes offered by the commonly used materials, and develop a different lengths steel fiber reinforced concrete to enable its application on columns strengthening. The results of experimental analysis show that the choice of material, strategy and technique of strengtheningt is a key factor to combine the best use of the materials used and the design requirements. It is also concluded that the combination of steel fibers of different lengths allows the use of steel fibers reinforced concrete on the strengthening of concrete columns, with the great virtue of the ease of implementation, compared to the reinforced concrete.