Esta pesquisa apresenta os resultados obtidos com o emprego de um método físico para aumento da resistência de concretos projetados a pequenas idades. O método consiste na aplicação de gradientes elétricos ao material logo após a projeção, sendo mantido nas primeiras 5:30 h de hidratação. O comportamento mecânico do concreto projetado submetido a gradientes elétricos foi analisado em termos da resistência à compressão e módulo de elasticidade a partir da resposta de modelos estruturais e de amostras extraídas de estruturas projetadas em diferentes idades. Os modelos estruturais foram desenvolvidos para simular esforços ao concreto projetado semelhantes àqueles resultantes da interação solo-suporte em obras subterrâneas. A projeção do concreto nestes modelos ocorreu diretamente sobre o solo, permitindo assim a análise da eficiência do método sob condições de fuga de corrente elétrica para o maciço em diferentes tipos de solos. A instrumentação destes modelos permitiu analisar a eficiência do método sobre a deformabilidade do concreto projetado, sendo medidas as evoluções de deformações elásticas e deformações de fluência ao longo do tempo bem como deformações independentes de tensões desde as primeiras horas de hidratação. Constataram-se acréscimos na resistência nas primeiras 8 h de idade do concreto projetado em projeção sobre placas de madeira e diretamente sobre o solo. O módulo de elasticidade obtido a partir da instrumentação da resposta instantânea ao carregamento também constatou melhorias pela aplicação do gradiente elétrico. A reologia do concreto projetado, a partir das parcelas de deformações instantânea, retardada e lenta foi analisada utilizando-se o modelo proposto por SCHUBERT (1988). Melhorias foram observadas na resposta em termos de deformações do concreto projetado quando submetidos ao gradiente elétrico, apresentando menores taxas de evolução de deformações lentas em resposta a carregamentos iniciados em idades inferiores a 10 h e redução da parcela de deformação permanente frente ao descarregamento. A investigação dos fatores que provocam acréscimos na resistência a pequenas idades pela aplicação de gradientes elétricos a pastas e argamassas foi realizada utilizando-se técnicas de Microscopia Eletrônica de Varredura e Difratometria de Raio X. Constataram-se alterações na microestrutura de argamassas submetidas a gradiente elétrico, sem alteração nos compostos hidratados. Alterações na taxa de hidratação foram evidenciadas pela comparação de padrões difratométricos entre pastas submetidas a gradientes elétricos e pastas de referência. / This work presents the results obtained by employing a physical method for the strength increase of shotcrete at early age. The method consists of applying electric gradient to the material during the first 5 hours and 30 minutes of hydration, starting immediately after spraying. The mechanical behavior of shotcrete subjected to electric gradient was evaluated at different ages in terms of unconfined compressive strength and elastic modulus obtained from the response of structural models and on samples cored from the structural models. Shotcrete structural models were constructed in order to simulate internal forces resulting from ground mass - support interaction in underground works. Shotcrete in these models was sprayed directly on soil. It was thus possible to analyse the efficiency of the method when leakage currents occur through the soil. Model instrumentation alloed to evaluate the method efficiency in terms of shotcrete deformability. The evolution of elastic and creep strains were evaluated, as well as stress-independent strains since the beginning of hydration. Strength increase during the first 8 hours of age were observed both on panels shotcreted on wooden forms and directly on soil. The elastic modulus was also obtained from the analysis of the instantaneous strain reponse to the applied load. Improvement due to electric gradient was also found this way. Shotcrete rheology in terms instantaneous, delayed and creep strains was analyzed adopting the model proposed by SCHUBERT (1988). Improvement due to the electric gradient was found with respect to each of those strain components resulting from load applied at ages lower that 10h. Permanent strain after unloading was also reduced. The investigation of the phenomena responsible for the strength increase at early age due to the application of electric gradient to cement paste and mortar was carried out with the techniques of scanning electron microscope and X-ray diffraction. Microstructure changes were found in mortar speciments subjected to electric gradient, however without any change of hydrated products. Hydration rate changes were detected from diffractometric patterns of cement pastes subjected to electric gradient.

Métodos do tipo Lagrangiano Aumentado são muito utilizados para minimização de funções sujeitas a restrições gerais. Nestes métodos, podemos separar o conjunto de restrições em dois grupos: restrições fáceis e restrições difíceis. Dizemos que uma restrição é fácil se existe um algoritmo disponível e eficiente para resolver problemas restritos a este tipo de restrição. Caso contrário, dizemos que a restrição é difícil. Métodos do tipo Lagrangiano aumentado resolvem, a cada iteração, problemas sujeitos às restrições fáceis, penalizando as restrições difíceis. Problemas de minimização com restrições lineares aparecem com freqüência, muitas vezes como resultados da aproximação de problemas com restrições gerais. Este tipo de problema surge também como subproblema de métodos do tipo Lagrangiano aumentado. Assim, uma implementação eficiente para resolver problemas com restrições lineares é relevante para a implementação eficiente de métodos para resolução de problemas de programação não-linear. Neste trabalho, começamos considerando fáceis as restrições de caixa. Introduzimos BETRA-ESPARSO, uma versão de BETRA para problemas de grande porte. BETRA é um método de restrições ativas que utiliza regiões de confiança para minimização em cada face e gradiente espectral projetado para sair das faces. Utilizamos BETRA (denso ou esparso) na resolução dos subproblemas que surgem a cada iteração de ALGENCAN (um método de lagrangiano aumentado). Para decidir qual algoritmo utilizar para resolver cada subproblema, desenvolvemos regras que escolhem um método para resolver o subproblema de acordo com suas características. Em seguida, introduzimos dois algoritmos de restrições ativas desenvolvidos para resolver problemas com restrições lineares (BETRALIN e GENLIN). Estes algoritmos utilizam, a cada iteração, o método do Gradiente Espectral Projetado Parcial quando decidem mudar o conjunto de restrições ativas. O método do gradiente Espectral Projetado Parcial foi desenvolvido especialmente para este propósito. Neste método, as projeções são computadas apenas em um subconjunto das restrições, com o intuito de torná-las mais eficientes. Por fim, tendo introduzido um método para minimização com restrições lineares, consideramos como fáceis as restrições lineares. Incorporamos BETRALIN e GENLIN ao arcabouço de Lagrangianos aumentados e verificamos experimentalmente a eficiência e eficácia destes métodos que trabalham explicitamente com restrições lineares e penalizam as demais. / Augmented Lagrangian methods are widely used to solve general nonlinear programming problems. In these methods, one can split the set of constraints in two groups: the set of easy and hard constraints. A constraint is called easy if there is an efficient method available to solve problems subject to that kind of constraint. Otherwise, the constraints are called hard. Augmented Lagrangian methods solve, at each iteration, problems subject to the set of easy constraints while penalizing the set of hard constraints. Linearly constrained problems appear frequently, sometimes as a result of a linear approximation of a problem, sometimes as an augmented Lagrangian subproblem. Therefore, an efficient method to solve linearly constrained problems is important for the implementation of efficient methods to solve nonlinear programming problems. In this thesis, we begin by considering box constraints as the set of easy constraints. We introduce a version of BETRA to solve large scale problems. BETRA is an active-set method that uses a trust-region strategy to work within the faces and spectral projected gradient to leave the faces. To solve each iteration\'s subproblem of ALGENCAN (an augmented Lagrangian method) we use either the dense or the sparse version of BETRA. We develope rules to decide which box-constrained inner solver should be used at each augmented Lagrangian iteration that considers the main characteristics of the problem to be solved. Then, we introduce two active-set methods to solve linearly constrained problems (BETRALIN and GENLIN). These methods use Partial Spectral Projected Gradient method to change the active set of constraints. The Partial Spectral Projected Gradient method was developed specially for this purpose. It computes projections onto a subset of the linear constraints, aiming to make the projections more efficient. At last, having introduced a linearly-constrained solver, we consider the set of linear constraints as the set of easy constraints. We use BETRALIN and GENLIN in the framework of augmented Lagrangian methods and verify, using numerical experiments, the efficiency and robustness of those methods that work with linear constraints and penalize the nonlinear constraints.

Métodos do tipo Lagrangiano Aumentado são muito utilizados para minimização de funções sujeitas a restrições gerais. Nestes métodos, podemos separar o conjunto de restrições em dois grupos: restrições fáceis e restrições difíceis. Dizemos que uma restrição é fácil se existe um algoritmo disponível e eficiente para resolver problemas restritos a este tipo de restrição. Caso contrário, dizemos que a restrição é difícil. Métodos do tipo Lagrangiano aumentado resolvem, a cada iteração, problemas sujeitos às restrições fáceis, penalizando as restrições difíceis. Problemas de minimização com restrições lineares aparecem com freqüência, muitas vezes como resultados da aproximação de problemas com restrições gerais. Este tipo de problema surge também como subproblema de métodos do tipo Lagrangiano aumentado. Assim, uma implementação eficiente para resolver problemas com restrições lineares é relevante para a implementação eficiente de métodos para resolução de problemas de programação não-linear. Neste trabalho, começamos considerando fáceis as restrições de caixa. Introduzimos BETRA-ESPARSO, uma versão de BETRA para problemas de grande porte. BETRA é um método de restrições ativas que utiliza regiões de confiança para minimização em cada face e gradiente espectral projetado para sair das faces. Utilizamos BETRA (denso ou esparso) na resolução dos subproblemas que surgem a cada iteração de ALGENCAN (um método de lagrangiano aumentado). Para decidir qual algoritmo utilizar para resolver cada subproblema, desenvolvemos regras que escolhem um método para resolver o subproblema de acordo com suas características. Em seguida, introduzimos dois algoritmos de restrições ativas desenvolvidos para resolver problemas com restrições lineares (BETRALIN e GENLIN). Estes algoritmos utilizam, a cada iteração, o método do Gradiente Espectral Projetado Parcial quando decidem mudar o conjunto de restrições ativas. O método do gradiente Espectral Projetado Parcial foi desenvolvido especialmente para este propósito. Neste método, as projeções são computadas apenas em um subconjunto das restrições, com o intuito de torná-las mais eficientes. Por fim, tendo introduzido um método para minimização com restrições lineares, consideramos como fáceis as restrições lineares. Incorporamos BETRALIN e GENLIN ao arcabouço de Lagrangianos aumentados e verificamos experimentalmente a eficiência e eficácia destes métodos que trabalham explicitamente com restrições lineares e penalizam as demais. / Augmented Lagrangian methods are widely used to solve general nonlinear programming problems. In these methods, one can split the set of constraints in two groups: the set of easy and hard constraints. A constraint is called easy if there is an efficient method available to solve problems subject to that kind of constraint. Otherwise, the constraints are called hard. Augmented Lagrangian methods solve, at each iteration, problems subject to the set of easy constraints while penalizing the set of hard constraints. Linearly constrained problems appear frequently, sometimes as a result of a linear approximation of a problem, sometimes as an augmented Lagrangian subproblem. Therefore, an efficient method to solve linearly constrained problems is important for the implementation of efficient methods to solve nonlinear programming problems. In this thesis, we begin by considering box constraints as the set of easy constraints. We introduce a version of BETRA to solve large scale problems. BETRA is an active-set method that uses a trust-region strategy to work within the faces and spectral projected gradient to leave the faces. To solve each iteration\'s subproblem of ALGENCAN (an augmented Lagrangian method) we use either the dense or the sparse version of BETRA. We develope rules to decide which box-constrained inner solver should be used at each augmented Lagrangian iteration that considers the main characteristics of the problem to be solved. Then, we introduce two active-set methods to solve linearly constrained problems (BETRALIN and GENLIN). These methods use Partial Spectral Projected Gradient method to change the active set of constraints. The Partial Spectral Projected Gradient method was developed specially for this purpose. It computes projections onto a subset of the linear constraints, aiming to make the projections more efficient. At last, having introduced a linearly-constrained solver, we consider the set of linear constraints as the set of easy constraints. We use BETRALIN and GENLIN in the framework of augmented Lagrangian methods and verify, using numerical experiments, the efficiency and robustness of those methods that work with linear constraints and penalize the nonlinear constraints.

Esta pesquisa apresenta os resultados obtidos com o emprego de um método físico para aumento da resistência de concretos projetados a pequenas idades. O método consiste na aplicação de gradientes elétricos ao material logo após a projeção, sendo mantido nas primeiras 5:30 h de hidratação. O comportamento mecânico do concreto projetado submetido a gradientes elétricos foi analisado em termos da resistência à compressão e módulo de elasticidade a partir da resposta de modelos estruturais e de amostras extraídas de estruturas projetadas em diferentes idades. Os modelos estruturais foram desenvolvidos para simular esforços ao concreto projetado semelhantes àqueles resultantes da interação solo-suporte em obras subterrâneas. A projeção do concreto nestes modelos ocorreu diretamente sobre o solo, permitindo assim a análise da eficiência do método sob condições de fuga de corrente elétrica para o maciço em diferentes tipos de solos. A instrumentação destes modelos permitiu analisar a eficiência do método sobre a deformabilidade do concreto projetado, sendo medidas as evoluções de deformações elásticas e deformações de fluência ao longo do tempo bem como deformações independentes de tensões desde as primeiras horas de hidratação. Constataram-se acréscimos na resistência nas primeiras 8 h de idade do concreto projetado em projeção sobre placas de madeira e diretamente sobre o solo. O módulo de elasticidade obtido a partir da instrumentação da resposta instantânea ao carregamento também constatou melhorias pela aplicação do gradiente elétrico. A reologia do concreto projetado, a partir das parcelas de deformações instantânea, retardada e lenta foi analisada utilizando-se o modelo proposto por SCHUBERT (1988). Melhorias foram observadas na resposta em termos de deformações do concreto projetado quando submetidos ao gradiente elétrico, apresentando menores taxas de evolução de deformações lentas em resposta a carregamentos iniciados em idades inferiores a 10 h e redução da parcela de deformação permanente frente ao descarregamento. A investigação dos fatores que provocam acréscimos na resistência a pequenas idades pela aplicação de gradientes elétricos a pastas e argamassas foi realizada utilizando-se técnicas de Microscopia Eletrônica de Varredura e Difratometria de Raio X. Constataram-se alterações na microestrutura de argamassas submetidas a gradiente elétrico, sem alteração nos compostos hidratados. Alterações na taxa de hidratação foram evidenciadas pela comparação de padrões difratométricos entre pastas submetidas a gradientes elétricos e pastas de referência. / This work presents the results obtained by employing a physical method for the strength increase of shotcrete at early age. The method consists of applying electric gradient to the material during the first 5 hours and 30 minutes of hydration, starting immediately after spraying. The mechanical behavior of shotcrete subjected to electric gradient was evaluated at different ages in terms of unconfined compressive strength and elastic modulus obtained from the response of structural models and on samples cored from the structural models. Shotcrete structural models were constructed in order to simulate internal forces resulting from ground mass - support interaction in underground works. Shotcrete in these models was sprayed directly on soil. It was thus possible to analyse the efficiency of the method when leakage currents occur through the soil. Model instrumentation alloed to evaluate the method efficiency in terms of shotcrete deformability. The evolution of elastic and creep strains were evaluated, as well as stress-independent strains since the beginning of hydration. Strength increase during the first 8 hours of age were observed both on panels shotcreted on wooden forms and directly on soil. The elastic modulus was also obtained from the analysis of the instantaneous strain reponse to the applied load. Improvement due to electric gradient was also found this way. Shotcrete rheology in terms instantaneous, delayed and creep strains was analyzed adopting the model proposed by SCHUBERT (1988). Improvement due to the electric gradient was found with respect to each of those strain components resulting from load applied at ages lower that 10h. Permanent strain after unloading was also reduced. The investigation of the phenomena responsible for the strength increase at early age due to the application of electric gradient to cement paste and mortar was carried out with the techniques of scanning electron microscope and X-ray diffraction. Microstructure changes were found in mortar speciments subjected to electric gradient, however without any change of hydrated products. Hydration rate changes were detected from diffractometric patterns of cement pastes subjected to electric gradient.

[pt] O presente trabalho investigou o comportamento mecânico do concreto projetado com fibras aplicado nas escavações da mina Cuiabá e o seu controle tecnológico através do ensaio de duplo puncionamento. Para essa pesquisa utilizouse o traço desenvolvido pelos engenheiros da mina Cuiabá com dois tipos diferentes de fibra sintética e uma fibra de aço. Inicialmente, caracterizou-se o material compósito através de ensaios de flexão em prismas (EN 14651) e de arrancamento. Em seguida, os resultados obtidos foram utilizados em conjunto com os ensaios de flexão em painéis circulares (ASTM C1550), quadrados (EN 14488-5) e de larga escala para o dimensionamento do sistema de suporte utilizado na mina Cuiabá. As frações mais baixas de fibras sintéticas são mais indicadas nos locais onde a qualidade da rocha é razoável ou boa, enquanto as fibras de aço podem ser aplicadas onde a qualidade do maciço rochoso é classificada como muito fraca. Em relação ao controle tecnológico do concreto com fibras, os ensaios de duplo puncionamento realizados em máquinas mais rígidas são mais eficientes em diminuir a extensão da instabilidade pós-fissuração, limitar os erros nas correlações com os ensaios de flexão (EN 14651) e em reduzir a variação das propriedades mecânicas do material. A aplicação do ensaio de duplo puncionamento com controle fechado pela corrente extensométrica foi o método mais efetivo em limitar a instabilidade pós-fissuração independente da máquina de ensaios selecionada. / [en] The present work investigated the mechanical behavior of the fiber reinforced shotcrete applied at the Cuiabá mine excavation and its quality control through the double punch test. For this research, the mix composition was developed by Cuiabá mine Engineers with the addition of two different types of synthetic fibers and one steel fiber. Firstly, the cement based composite was studied at the material level through bending (EN 14651) and pullout tests. Thereafter, the support system of the Cuiabá mine excavation was designed based on round (ASTM C1550), square (EN 14488-5) and large scale panel tests. The application of lower synthetic fiber volume fractions was more suited for the areas with good quality rock indexes, while steel fibers were better suited at field with lower rock classes. Regarding the quality control of FRC, the double punch tests that were conducted in stiffer testing machines were more effective in reducing the post-peak instability, in limiting the errors in the correlations with bending tests (EN 14651) and in reducing the mechanical properties variations of the material. Finally, the application of the double punch test with closed-loop control of the circumferential extensometer turned to be the most effective method in limiting the post-peak instability regardless of the selected machine.