Este trabalho descreve um dormente monobloco de concreto protendido, o qual foi projetado para atender as características de uma via ferroviária brasileira. O dormente apresentou comportamento e resistência semelhantes aos dormentes de concreto comumente fabricados em vários países. A fim de verificar e aprovar o projeto, o dormente foi submetido a ensaios estáticos e dinâmicos, segundo as especificações da norma americana AREMA. Verificado e aprovado o projeto, dezoito dormentes foram fabricados sem e com fibras de aço, no teor de 60 kg/'M POT.3' (aproximadamente 0,75 % por volume). Ensaios estáticos e dinâmicos foram realizados em dormentes com e sem fibras de aço, com o objetivo de quantificar o benefício das fibras de aço à resistência estrutural do dormente. As fibras aumentaram o momento fletor de primeira fissura e o momento último, aumentaram significativamente a força de início de escorregamento dos fios de protensão e reduziram o espaçamento e a abertura das fissuras. As fibras também acrescentaram grande ductilidade aos dormentes e diminuíram a tensão nos fios de protensão, nos estágios mais avançados do carregamento. Sob ação dinâmica, as fibras reduziram a tensão nos fios de protensão mais tracionados em aproximadamente 100%, o que elevou significativamente a resistência do dormente à fadiga. Dormentes fabricados com menor força de protensão apresentaram excelente comportamento plástico e grande ductilidade, especialmente o dormente com fibras / This work describes a prestressed concrete monoblock railway sleeper designed according to a brazilian railway track. The sleeper was tested according to the Arema specifications in order to verify the project. The sleeper presented a structural behavior similar to the concrete railway sleepers used worldwide. After the preliminary tests, eighteen sleepers were manufactured without and with steel fibers contents of 60 Kg/'M POT.3' (about 0.75% by volume) and they were tested under static and dynamic loading to evaluate the fiber contribution on the resistance. Steel fibers increased the first crack and ultimate bending moments, reduced the deflection under ultimate load and increased significantly the slip force of the prestressing tendons. Reinforcing the sleeper with fibers also reduced the crack width and the spacing between cracks, adding higher ductility to the sleepers and decreasing the stress in the prestressing tendons under higher loads. The fibers increased significantly the fatigue strength under cyclic loading, decreasing the stress in the prestressing tendons in about 100%. The test results showed that sleepers manufactured with lower prestressed force have higher toughness, especially those reinforced with steel fibers

Este trabalho descreve um dormente monobloco de concreto protendido, o qual foi projetado para atender as características de uma via ferroviária brasileira. O dormente apresentou comportamento e resistência semelhantes aos dormentes de concreto comumente fabricados em vários países. A fim de verificar e aprovar o projeto, o dormente foi submetido a ensaios estáticos e dinâmicos, segundo as especificações da norma americana AREMA. Verificado e aprovado o projeto, dezoito dormentes foram fabricados sem e com fibras de aço, no teor de 60 kg/'M POT.3' (aproximadamente 0,75 % por volume). Ensaios estáticos e dinâmicos foram realizados em dormentes com e sem fibras de aço, com o objetivo de quantificar o benefício das fibras de aço à resistência estrutural do dormente. As fibras aumentaram o momento fletor de primeira fissura e o momento último, aumentaram significativamente a força de início de escorregamento dos fios de protensão e reduziram o espaçamento e a abertura das fissuras. As fibras também acrescentaram grande ductilidade aos dormentes e diminuíram a tensão nos fios de protensão, nos estágios mais avançados do carregamento. Sob ação dinâmica, as fibras reduziram a tensão nos fios de protensão mais tracionados em aproximadamente 100%, o que elevou significativamente a resistência do dormente à fadiga. Dormentes fabricados com menor força de protensão apresentaram excelente comportamento plástico e grande ductilidade, especialmente o dormente com fibras / This work describes a prestressed concrete monoblock railway sleeper designed according to a brazilian railway track. The sleeper was tested according to the Arema specifications in order to verify the project. The sleeper presented a structural behavior similar to the concrete railway sleepers used worldwide. After the preliminary tests, eighteen sleepers were manufactured without and with steel fibers contents of 60 Kg/'M POT.3' (about 0.75% by volume) and they were tested under static and dynamic loading to evaluate the fiber contribution on the resistance. Steel fibers increased the first crack and ultimate bending moments, reduced the deflection under ultimate load and increased significantly the slip force of the prestressing tendons. Reinforcing the sleeper with fibers also reduced the crack width and the spacing between cracks, adding higher ductility to the sleepers and decreasing the stress in the prestressing tendons under higher loads. The fibers increased significantly the fatigue strength under cyclic loading, decreasing the stress in the prestressing tendons in about 100%. The test results showed that sleepers manufactured with lower prestressed force have higher toughness, especially those reinforced with steel fibers

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[pt] No presente trabalho foi estudado o comportamento mecânico do concreto reforçado com fibras de aço na escala do material e estrutural. A caracterização da matriz foi realizada por meio de ensaios de compressão para diferentes idades. Foram realizados ensaios de flexão em três pontos, e ensaios de tração direta em corpos de prova no formato de dog bone, tanto para a matriz quanto para concretos reforçados com fibras de aço. As fibras eram providas de ganchos nas extremidades, com comprimentos de 30, 35 e 60 mm e diâmetros de 0,62, 0,55 e 0,75 mm, respectivamente. As frações volumétricas adotadas foram 0,25, 0,5 e 1,0 por cento. A adição de fibras promoveu aumento na tenacidade e na resistência residual do concreto tanto nos ensaios de flexão quanto tração direta. Ensaios de tração direta em tirantes de concreto armado foram conduzidos para a matriz e para concretos reforçados com 1,0 por cento das fibras de 35 e 60 mm de comprimento. Foi observado que a adição de fibras controlou a abertura de fissuras, aumentou a rigidez pós fissuração e a aderência barra-concreto. Na escala estrutural, ensaios de momento negativo no meio do vão foram conduzidos em dormentes de concreto protendido sem reforço e com 0,5 por cento de fibras de comprimento 35 e 60 mm. O momento de primeira fissura, momento último e a tenacidade foram incrementadas com a adição de fibras no dormente. Os resultados experimentais foram verificados por cálculo teórico. O incremento no momento último pela adição de fibras seguiu o mesmo padrão apresentado experimentalmente. / [en] This work presents an evaluation of the mechanical behavior of steel fiber reinforced concrete on a material and structural scale. The characterization of the matrix was performed by compression tests for different ages. Three-point bending tests and direct tensile tests on dog bone specimens were performed for the matrix and for concrete reinforced with steel fibers. The fibers had hooked-end geometry, were 30, 35 and 60 mm long and had diameters of 0.62, 0.55 and 0.75 mm, respectively. The volume fractions were 0.25, 0.5 and 1.0 per cent. The addition of fibers promoted an increase in toughness and residual strength of the concrete in both the flexural and direct tensile tests. Tension stiffening tests were conducted on the matrix and on concretes reinforced with 1.0 per cent of the 35 and 60 mm long fibers. It was observed that the addition of fibers controlled the crack opening, increased post-cracking stiffness and bar-concrete adhesion. In the structural scale, negative bending moment tests at mid span were conducted on reinforced concrete sleepers with 0.5 per cent of the 35 and 60 mm long fibers. The first crack strength, ultimate strength and toughness were increased with the addition of fibers on the sleeper. The experimental results were verified by theoretical calculations. The increment ratio of the ultimate moment by the fiber addition was the same for the theoretical and experimental analysis.

Orientador: Michael John Brennan / Abstract: The advances in microelectromechanical systems to power supply devices for monitoring the structural integrity, mainly for applications in remote areas or with difficult access, have made energy harvesting from ambient vibration a highly researched topic. Although several electromechanical mechanisms have been proposed for applications in a variety of fields, harvesting energy from railway track vibrations is relatively new, and only a small amount of research is ongoing in this topic. This thesis aims to determine the factors that govern the sleeper vertical vibration induced by a passing train, develop a methodology to emulate this vibration in a laboratory-based system and to derive a model of a load resistance attached to a linear electromagnetic transducer to determine the optimum energy harvested. The study shows the importance of knowing the vibration behaviour of the sleeper in order to tune the energy harvester to the correct excitation frequency. A comparison between piezoelectric and electromagnetic transducers is performed using a two-port network model to determine which transducer performs better for low frequency vibration. To emulate sleeper vibration due to a passing train using an electrodynamic shaker, a compensator filter is designed to remove the system dynamics. An analytical investigation into the energy dissipated by a load resistance attached to an electromagnetic transducer when subject to a time-limited base excitation, which may include the transie... (Complete abstract click electronic access below) / Resumo: Avanços em sistemas micro eletromecânico para fornecer energia à dispositivos para monitoramento de integridade estrutural, principalmente para aplicações em áreas remotas ou de difícil acesso, fez de extração de energia a partir de vibrações contidas no ambiente um tópico de pesquisa em destaque. Apesar de que diversos mecanismos eletromecânicos já foram propostos em uma variedade de aplicações, extração de energia à partir de vibrações em linhas férreas é, relativamente, novo e somente algumas pesquisas estão sendo realizadas sobre esse tópico. Esta Tese busca determinar os fatores que governam a vibração vertical do dormente induzida devido a passagem de um trem, desenvolver uma metodologia para emular esta vibração em um sistema em laboratório e derivar um modelo para um transdutor linear eletromagnético com uma carga resistiva acoplada. O estudo mostrou a importância de conhecer o comportamento vibracional do dormente de modo a sintonizar o extrator de energia com a frequência correta de excitação. Uma comparação entre transdutores piezoelétrico e eletromagnético é realizado utilizando um modelo quadripolo para determinar qual transdutor tem um melhor desempenho para vibrações em baixa frequência. Para emular a vibração do dormente devido a passagem de um trem em um agitador eletrodinâmico, um filtro compensador é projetado para remover a dinâmica do sistema. Uma investigação analítica da energia dissipada pela carga resistiva acoplada à um transdutor eletromagnético qua... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor