Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2011

The development of advanced fiber reinforced cement-based materials to provide higher strength, ductility, and durability, as ultra-high performance fiber-reinforced concrete (UHPFRC), enables the design of precast beams with thin sections and reduced self-weight to meet the required flexural performance. However, such slender elements when subjected to transitory phases, and possibly also in permanent stages, are prone to instability failure. So, the present study aims to provide experimental data and analytical solution for UHPFRC beams during the lifting phase, and studies about the other stages. This type of test is rare and was not reported for UHPFRC beams. For testing, the beams were lifted by inclined cables and subjected to a transversal load applied at midspan to induce lateral instability. The displacements of the beams were monitored with total station equipment. Also, a new analytical solution was proposed to predict the failure load of lifted beams and closed-form analytical solutions to predict the rollover load of beams supported by bearing pads and subjected to different loading conditions. Furthermore, there are limited data that characterizes the constitutive behavior of this material. In this context, the present research also focused on providing such laboratory results for UHPFRC with different fiber contents. Besides, analytical models for damage evolution and stress-strain relationship are proposed and applied in numerical simulations. From the results, the UHPFRC beams failed by instability with a load capacity 3.7 times smaller than the flexural load capacity. Furthermore, the analytical solution for lifting predicted the peak load of the experiment with great accuracy. Also, the proposed equations for beams on bearing pads accurately predicted the experimental results available in the literature. The analytical and experimental rollover loads differed by 4.37% and 13.6% for the two studied cases. From material, the stiffness degradation occurred rapidly in UHPFRC under tensile loading while occurred gradually in compression. Also, fiber content influenced toughness and degradation evolution significantly over the loading cycles. Proposed equations were utilized in the Plastic-Damage model of Abaqus that predicted accurately damage growth and cyclic envelopes during all the phases of the tension, compression, and bending tests. The calibrated numerical model also predicted the experimental results with the UHPFRC beams. / O desenvolvimento de materiais avançados à base de cimento reforçado com fibra para fornecer maior resistência, ductilidade e durabilidade, como o concreto de ultra-alto desempenho reforçado com fibras (UHPFRC), permite o projeto de vigas pré-moldadas com seções esbeltas e peso próprio reduzido que atendem desempenho estrutural requerido. No entanto, esses elementos delgados quando submetidos a fases transitórias e também em serviço são propensos a falhar por instabilidade. Então, o presente estudo tem por objetivo apresentar resultados experimentais e soluções analíticas para vigas de UHPFRC durante a fase de içamento e estudos sobre as outras fases. Este tipo de teste é raro e não foi reportado para vigas de UHPFRC. Para o teste, as vigas foram levantadas por cabos inclinados e submetidas a uma carga concentrada transversal aplicada no meio do vão para induzir a instabilidade lateral. Os deslocamentos das vigas foram monitorados com estação total. Além disso, uma nova solução analítica foi proposta para prever a carga de instabilidade das vigas içadas e soluções analíticas para prever a carga de tombamento de vigas suportadas por aparelho de apoio e submetidas a diferentes condições de carregamento. Além disso, existem poucos resultados experimentais que caracterizam o comportamento constitutivo deste material. Neste contexto, a presente pesquisa também se concentrou em fornecer tais resultados experimentais para UHPFRC com diferentes teores de fibras. Além disso, modelos analíticos para evolução de dano e relação tensão-deformação são propostos e aplicados em simulações numéricas. A partir dos resultados, as vigas em içamento falharam por instabilidade com uma capacidade de carga 3,7 vezes menor que a capacidade à flexão. Além disso, a solução analítica para içamento previu carga máxima do experimento com grande precisão. As equações propostas para vigas sobre aparelhos de apoio previram com precisão os resultados experimentais disponíveis na literatura. As cargas de tombamento analíticas e experimental diferiram em 4,37% e 13,6% para os dois casos estudados. Dos resultados do material, a degradação da rigidez ocorreu de maneira rápida no UHPFRC submetido à tração enquanto ocorreu gradualmente na compressão. O teor de fibras influenciou significativamente a tenacidade e a degradação nos ciclos de carregamento. As equações propostas foram utilizadas em um modelo de Dano acoplado à plasticidade que previu com precisão a evolução do dano e as envoltórias cíclicas durante todas as fases dos testes de tração, compressão e flexão. O modelo numérico calibrado também previu os resultados experimentais das vigas de UHPFRC.

The development of advanced fiber reinforced cement-based materials to provide higher strength, ductility, and durability, as ultra-high performance fiber-reinforced concrete (UHPFRC), enables the design of precast beams with thin sections and reduced self-weight to meet the required flexural performance. However, such slender elements when subjected to transitory phases, and possibly also in permanent stages, are prone to instability failure. So, the present study aims to provide experimental data and analytical solution for UHPFRC beams during the lifting phase, and studies about the other stages. This type of test is rare and was not reported for UHPFRC beams. For testing, the beams were lifted by inclined cables and subjected to a transversal load applied at midspan to induce lateral instability. The displacements of the beams were monitored with total station equipment. Also, a new analytical solution was proposed to predict the failure load of lifted beams and closed-form analytical solutions to predict the rollover load of beams supported by bearing pads and subjected to different loading conditions. Furthermore, there are limited data that characterizes the constitutive behavior of this material. In this context, the present research also focused on providing such laboratory results for UHPFRC with different fiber contents. Besides, analytical models for damage evolution and stress-strain relationship are proposed and applied in numerical simulations. From the results, the UHPFRC beams failed by instability with a load capacity 3.7 times smaller than the flexural load capacity. Furthermore, the analytical solution for lifting predicted the peak load of the experiment with great accuracy. Also, the proposed equations for beams on bearing pads accurately predicted the experimental results available in the literature. The analytical and experimental rollover loads differed by 4.37% and 13.6% for the two studied cases. From material, the stiffness degradation occurred rapidly in UHPFRC under tensile loading while occurred gradually in compression. Also, fiber content influenced toughness and degradation evolution significantly over the loading cycles. Proposed equations were utilized in the Plastic-Damage model of Abaqus that predicted accurately damage growth and cyclic envelopes during all the phases of the tension, compression, and bending tests. The calibrated numerical model also predicted the experimental results with the UHPFRC beams. / O desenvolvimento de materiais avançados à base de cimento reforçado com fibra para fornecer maior resistência, ductilidade e durabilidade, como o concreto de ultra-alto desempenho reforçado com fibras (UHPFRC), permite o projeto de vigas pré-moldadas com seções esbeltas e peso próprio reduzido que atendem desempenho estrutural requerido. No entanto, esses elementos delgados quando submetidos a fases transitórias e também em serviço são propensos a falhar por instabilidade. Então, o presente estudo tem por objetivo apresentar resultados experimentais e soluções analíticas para vigas de UHPFRC durante a fase de içamento e estudos sobre as outras fases. Este tipo de teste é raro e não foi reportado para vigas de UHPFRC. Para o teste, as vigas foram levantadas por cabos inclinados e submetidas a uma carga concentrada transversal aplicada no meio do vão para induzir a instabilidade lateral. Os deslocamentos das vigas foram monitorados com estação total. Além disso, uma nova solução analítica foi proposta para prever a carga de instabilidade das vigas içadas e soluções analíticas para prever a carga de tombamento de vigas suportadas por aparelho de apoio e submetidas a diferentes condições de carregamento. Além disso, existem poucos resultados experimentais que caracterizam o comportamento constitutivo deste material. Neste contexto, a presente pesquisa também se concentrou em fornecer tais resultados experimentais para UHPFRC com diferentes teores de fibras. Além disso, modelos analíticos para evolução de dano e relação tensão-deformação são propostos e aplicados em simulações numéricas. A partir dos resultados, as vigas em içamento falharam por instabilidade com uma capacidade de carga 3,7 vezes menor que a capacidade à flexão. Além disso, a solução analítica para içamento previu carga máxima do experimento com grande precisão. As equações propostas para vigas sobre aparelhos de apoio previram com precisão os resultados experimentais disponíveis na literatura. As cargas de tombamento analíticas e experimental diferiram em 4,37% e 13,6% para os dois casos estudados. Dos resultados do material, a degradação da rigidez ocorreu de maneira rápida no UHPFRC submetido à tração enquanto ocorreu gradualmente na compressão. O teor de fibras influenciou significativamente a tenacidade e a degradação nos ciclos de carregamento. As equações propostas foram utilizadas em um modelo de Dano acoplado à plasticidade que previu com precisão a evolução do dano e as envoltórias cíclicas durante todas as fases dos testes de tração, compressão e flexão. O modelo numérico calibrado também previu os resultados experimentais das vigas de UHPFRC.