Neste trabalho propõe-se o projeto e a análise estrutural de uma haste femoral de implante de quadril em material compósito polimérico. No trabalho, realizaram-se algumas etapas com a finalidade de obter parâmetros confiáveis de comportamento do material, visando à consistência dos resultados numéricos e experimentais. Primeiramente, faz-se um levantamento bibliográfico sobre o comportamento mecânico dos materiais compósitos poliméricos reforçados, como também dos critérios de falha existentes para este tipo de material. Em seguida, apresentam-se as etapas experimentais com a descrição dos procedimentos de fabricação dos corpos-de-prova e os resultados obtidos a partir dos ensaios quase-estáticos de tração do poliuretano derivado de óleo de mamona. A etapa seguinte foi desenvolver um dispositivo de ensaio monotônico quase-estático para a haste femoral em poliuretano com o objetivo de levantar a curva força-deslocamento seguindo as especificações das normas ISO 7206-3 e ISO 7206-4. Com base nos resultados experimentais obtidos, foi possível propor um reforço estrutural, na forma de tubo, na haste femoral em poliuretano e adotar uma análise de falha progressiva para determinar o seu comportamento mecânico. Para esta finalidade foi implementado um modelo de material em sub-rotina FORTRAN, compilada em conjunto com um programa de elementos finitos (ABAQUS). Concluiu-se, que o modelo de material implementado e o reforço estrutural proposto para a haste femoral traz contribuições inovadoras, visto que se pode prever com mais precisão o comportamento mecânico da haste femoral reforçada com o tubo em material compósito polimérico. / A design and structural analysis of a femoral stem using a polymeric composite material is proposed in this work. The work had some steps in order to achieve trusty parameters for the material behavior aiming the consistence of numerical and experimental results. In the first step, a bibliographic review of mechanical behavior of reinforced polymeric composite materials as well as failure criterion was done. Following experimental steps are presented with specimen manufacturing procedure description and the results obtained from quasi-statics tension tests of polyurethane derivated from castor oil. The next step was the development of a monotonic quasistatic test device for the polyurethane femoral stem aiming to determine the forcedisplacement curve according to ISO 7206-3 and ISO 7206-4 standards. Considering the experimental results obtained it was possible to propose a structural reinforcement, which consists on a tube, in the polyurethane femoral stem and to adopt a progressive failure analysis in order to determine its mechanical behavior. A material model using FORTRAN sub-routine was developed and compiled joint with a finite element program (ABAQUS). The conclusion is that the model developed and the structural proposed reinforcement for the femoral stem bring innovation for this contribution once it is possible to preview accurately the mechanical behavior of the reinforced femoral stem with tube in polymeric composite material.

The confinement of concrete structures has been used for reinforcement and rehabilitation of compressed structural elements, with the objective of increasing their strength capacity and ductility. Various types of reinforcement are used: metal pipes, fiber reinforced polymers, transverse reinforcement, among others. Understanding the stress-strain behavior of confined concrete columns is an important aspect to be considered in the design of these structural elements. This work presents a study of short columns of concrete confined by transverse reinforcement and fiber reinforced polymers subjected to the centered load, employing a nonlinear theoretical model that allows obtaining the stress-strain curves. Concrete columns with various strength levels and different cross-sectional shapes are considered. The employed model is modified according with the type of analyzed problem and a comparative analysis is carried out to verify the performance of the models, considering the experimental results from several examples of short columns confined available in the literature. / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / O confinamento de estruturas de concreto vem sendo utilizado no reforço e reabilitação de peças comprimidas, com o objetivo de aumentar sua capacidade resistente e dutilidade. Vários tipos de reforços são usados: tubos metálicos, polímeros reforçados com fibras, armaduras transversais, entre outros. A compreensão do comportamento tensão-deformação de colunas de concreto confinadas é um aspecto importante a considerar para um projeto confiável desses elementos estruturais. Este trabalho apresenta um estudo de colunas curtas de concreto confinadas por armadura transversal e polímeros reforçados com fibras submetidas à carga centrada, empregando um modelo teórico não linear que permite a obtenção das curvas tensão-deformação. São considerados concretos de variadas resistências e diferentes formas de seção transversal. O modelo empregado é modificado se adequando aos diversos casos analisados, e para verificação do desempenho deste é realizada uma análise comparativa considerando os resultados experimentais provenientes de vários exemplos de colunas curtas confinadas disponíveis na literatura.

Neste trabalho propõe-se o projeto e a análise estrutural de uma haste femoral de implante de quadril em material compósito polimérico. No trabalho, realizaram-se algumas etapas com a finalidade de obter parâmetros confiáveis de comportamento do material, visando à consistência dos resultados numéricos e experimentais. Primeiramente, faz-se um levantamento bibliográfico sobre o comportamento mecânico dos materiais compósitos poliméricos reforçados, como também dos critérios de falha existentes para este tipo de material. Em seguida, apresentam-se as etapas experimentais com a descrição dos procedimentos de fabricação dos corpos-de-prova e os resultados obtidos a partir dos ensaios quase-estáticos de tração do poliuretano derivado de óleo de mamona. A etapa seguinte foi desenvolver um dispositivo de ensaio monotônico quase-estático para a haste femoral em poliuretano com o objetivo de levantar a curva força-deslocamento seguindo as especificações das normas ISO 7206-3 e ISO 7206-4. Com base nos resultados experimentais obtidos, foi possível propor um reforço estrutural, na forma de tubo, na haste femoral em poliuretano e adotar uma análise de falha progressiva para determinar o seu comportamento mecânico. Para esta finalidade foi implementado um modelo de material em sub-rotina FORTRAN, compilada em conjunto com um programa de elementos finitos (ABAQUS). Concluiu-se, que o modelo de material implementado e o reforço estrutural proposto para a haste femoral traz contribuições inovadoras, visto que se pode prever com mais precisão o comportamento mecânico da haste femoral reforçada com o tubo em material compósito polimérico. / A design and structural analysis of a femoral stem using a polymeric composite material is proposed in this work. The work had some steps in order to achieve trusty parameters for the material behavior aiming the consistence of numerical and experimental results. In the first step, a bibliographic review of mechanical behavior of reinforced polymeric composite materials as well as failure criterion was done. Following experimental steps are presented with specimen manufacturing procedure description and the results obtained from quasi-statics tension tests of polyurethane derivated from castor oil. The next step was the development of a monotonic quasistatic test device for the polyurethane femoral stem aiming to determine the forcedisplacement curve according to ISO 7206-3 and ISO 7206-4 standards. Considering the experimental results obtained it was possible to propose a structural reinforcement, which consists on a tube, in the polyurethane femoral stem and to adopt a progressive failure analysis in order to determine its mechanical behavior. A material model using FORTRAN sub-routine was developed and compiled joint with a finite element program (ABAQUS). The conclusion is that the model developed and the structural proposed reinforcement for the femoral stem bring innovation for this contribution once it is possible to preview accurately the mechanical behavior of the reinforced femoral stem with tube in polymeric composite material.

Esta dissertação contempla o estudo sobre os principais aspectos que norteiam as propostas normativas com critérios de dimensionamento de estruturas de concreto armado reforçadas com Polímeros Reforçados com Fibras (FRP). Este trabalho procura avaliar e discutir as metodologias de cálculo sugeridas pelas publicações American Concrete Institute (ACI) \"Committee 440\" e Fédération Internationale du béton (FIB) e propor um procedimento para a análise e dimensionamento do reforço aos esforços de flexão e discutir a importância do esforço cortante com relação à flexão. Primeiramente, efetuou-se uma revisão bibliográfica sobre o estado da arte no que concerne ao dimensionamento de reforços com materiais compósitos de FRP. Em seguida, apresentou-se a análise da verificação de segurança de elementos reforçados à flexão segundo a perspectiva das publicações acima mencionadas: ACI440.2R (2017) e FIB Model Code (2010). Posteriormente, estabeleceu-se um estudo de análise comparativa entre os resultados experimentais encontrados na bibliografia, os previstos pelos referidos manuais para os modelos aqui estudados. Os valores máximos da capacidade resistente dos modelos serão confrontados e a importância do conhecimento das características dos materiais discutidos. Com tais informações sistematizaram-se os procedimentos de cálculo a se adotar em um projeto de reforço estrutural com sistemas compósitos de FRP, respeitando as propostas normativas que mais se adequam ao Brasil. / The present dissertation results from a study concerning the main design criteria for reinforced concrete structures through externally bonding Fibre-Reinforced Polymer (FRP) systems. This paper tries to evaluate and discuss the design methodologies proposed by the guidelines publications American Concrete Institute (ACI) \"Committee 440\" and Fédération Internationale du béton (FIB) and seek to propose a procedure for the analysis and design of FRP strengthened RC elements in bending and discuss the importance of shear stress regarding the bending efforts. Initially, a state-of-art concerning design criterias on the use of FRP composites is presented. Then, the analysis and procedures of the safety concept is exposed from the perspective of the publications: ACI440.2R (2017) and FIB Model Code 2010. After, it established a study of comparative analysis between the experimental results found in the bibliography and the ones predicted by international guidelines for beams and slabs. The maximum ultimate capacity of the strengthened element will be compared and confronted and the importance of the knowledge of the characteristics of the materials discussed. Finally, conclusions are drawn out and recommendations concerning the design and safety concepts are presented, respecting the guidelines proposals that are most appropriate to Brazil.

Este trabalho apresenta uma estratégia numérica desenvolvida usando o método dos elementos finitos para simular o processo de falha de compósitos cimentícios reforçados com fibras de aço. O material é descrito como um compósito composto por três fases: matriz cimentícia (pasta, argamassa ou concreto), fibras descontínuas discretas, e interface fibra-matriz. Um novo esquema de acoplamento para malhas de elementos finitos não-conformes foi desenvolvido para acoplar as malhas geradas independentes, da matriz cimentícia e de uma nuvem de fibras de aço, baseado na utilização de novos elementos finitos desenvolvidos, denominados elementos finitos de acoplamento. Utilizando este esquema de acoplamento, um procedimento não-rígido é proposto para a modelagem do complexo comportamento não linear da interface fibra-matriz, utilizando um modelo constitutivo de dano apropriado para descrever a relação entre a tensão de cisalhamento (tensão de aderência) e deslizamento relativo entre a matriz e cada fibra de aço individualmente. Este esquema também foi adotado para considerar a presença de barras de aço para as análises de estruturas de concreto armado. As fibras de aço são modeladas usando elementos finitos lineares com dois nós (elementos de treliça) com modelo material elastoplástico. As fibras são posicionadas usando uma distribuição randômica uniforme isotrópica, considerando o efeito parede. Uma abordagem contínua e outra descontínua são investigadas para a modelagem do comportamento frágil da matriz cimentícia. Para a primeira, é utilizado um modelo de dano isotrópico com duas variáveis de dano para descrever o comportamento de dano à tração e à compressão. A segunda emprega uma técnica de fragmentação de malha que utiliza elementos finitos degenerados, posicionados entre todos os elementos finitos que formam a matriz cimentícia. Para esta técnica é proposto um modelo constitutivo à tração, compatível com a abordagem descontínua forte contínua, para prever a propagação de fissura. Para acelerar o cálculo e aumentar a robustez dos modelos de dano contínuos para simular o processamento de falhas, um esquema de integração implícito-explícito é utilizado. Exemplos numéricos são apresentados ao longo do desenvolvimento desta tese. Inicialmente, exemplos numéricos com um único reforço são apresentados para validar a técnica desenvolvida e para investigar à influência das propriedades geométricas 7 das fibras e sua posição em relação à superfície de falha. Posteriormente, exemplos mais complexos são considerados envolvendo uma nuvem de fibras. Nestes casos, atenção especial é dada à influência da distribuição das fibras no comportamento do compósito relacionado ao processo de fissuração. Comparações com resultados experimentais demonstram que a aplicação da ferramenta numérica para modelar o comportamento de compósitos cimentícios reforçados com fibras de aço é muito promissora e pode ser utilizada como uma importante ferramenta para melhor entender os efeitos dos diferentes aspectos envolvidos no processo de falha deste material. / This work presents a numerical strategy developed using the Finite Element Method (FEM) to simulate the failure process of Steel Fiber Reinforced Cementitious Composites (SFRCCs). The material is described as a composite made up by three phases: a cementitious matrix (paste, mortar or concrete), discrete discontinuous fibers, and a fiber-matrix interface. A novel coupling scheme for non-matching finite element meshes has been developed to couple the independent generated meshes of the bulk cementitious matrix and a cloud of discrete discontinuous fibers based on the use of special finite elements developed, termed Coupling Finite Elements (CFEs). Using this approach, a nonrigid coupling procedure is proposed for modeling the complex nonlinear behavior of the fiber-matrix interface by adopting an appropriate constitutive damage model to describe the relation between the shear stress (adherence stress) and the relative sliding between the matrix and each fiber individually. This scheme has also been adopted to account for the presence of regular reinforcing bars in the analysis of reinforced concrete structural elements. The steel fibers are modeled using two-node finite elements (truss elements) with a one-dimensional elastoplastic constitutive model. They are positioned using an isotropic uniform random distribution, considering the wall effect of the mold. Continuous and discontinuous approaches are developed to model the brittle behavior of the bulk cementitious matrix. For the former, an isotropic damage model including two independent scalar damage variables for describing the composite behavior under tension and compression is considered. The discontinuous approach is based on a mesh fragmentation technique that employs degenerated solid finite elements in between all regular (bulk) elements. In this case, a tensile damage constitutive model, compatible with the Continuum Strong Discontinuity Approach (CSDA), is proposed to predict crack propagation. To increase the computability and robustness of the continuum damage models used to simulate the failure processes in both of the strategies, an implicit-explicit integration scheme is used. Numerical analyses are performed throughout the presentation of the work. Initially, numerical examples with a single reinforcement are presented to validate the technique and to investigate the influence of the fibers geometrical properties and its position relative to the crack surface. Then, more complex examples involving a cloud of steel fibers are considered. In these cases, special attention is given to the analysis of the influence of the fiber distribution on the composite behavior relative to the cracking process. Comparisons with experimental results demonstrate that the application of the numerical tool for modeling the behavior of SFRCCs is very promising and may constitute an important tool for better understanding the effects of the different aspects involved in the failure process of this material.

Este trabalho apresenta uma estratégia numérica desenvolvida usando o método dos elementos finitos para simular o processo de falha de compósitos cimentícios reforçados com fibras de aço. O material é descrito como um compósito composto por três fases: matriz cimentícia (pasta, argamassa ou concreto), fibras descontínuas discretas, e interface fibra-matriz. Um novo esquema de acoplamento para malhas de elementos finitos não-conformes foi desenvolvido para acoplar as malhas geradas independentes, da matriz cimentícia e de uma nuvem de fibras de aço, baseado na utilização de novos elementos finitos desenvolvidos, denominados elementos finitos de acoplamento. Utilizando este esquema de acoplamento, um procedimento não-rígido é proposto para a modelagem do complexo comportamento não linear da interface fibra-matriz, utilizando um modelo constitutivo de dano apropriado para descrever a relação entre a tensão de cisalhamento (tensão de aderência) e deslizamento relativo entre a matriz e cada fibra de aço individualmente. Este esquema também foi adotado para considerar a presença de barras de aço para as análises de estruturas de concreto armado. As fibras de aço são modeladas usando elementos finitos lineares com dois nós (elementos de treliça) com modelo material elastoplástico. As fibras são posicionadas usando uma distribuição randômica uniforme isotrópica, considerando o efeito parede. Uma abordagem contínua e outra descontínua são investigadas para a modelagem do comportamento frágil da matriz cimentícia. Para a primeira, é utilizado um modelo de dano isotrópico com duas variáveis de dano para descrever o comportamento de dano à tração e à compressão. A segunda emprega uma técnica de fragmentação de malha que utiliza elementos finitos degenerados, posicionados entre todos os elementos finitos que formam a matriz cimentícia. Para esta técnica é proposto um modelo constitutivo à tração, compatível com a abordagem descontínua forte contínua, para prever a propagação de fissura. Para acelerar o cálculo e aumentar a robustez dos modelos de dano contínuos para simular o processamento de falhas, um esquema de integração implícito-explícito é utilizado. Exemplos numéricos são apresentados ao longo do desenvolvimento desta tese. Inicialmente, exemplos numéricos com um único reforço são apresentados para validar a técnica desenvolvida e para investigar à influência das propriedades geométricas 7 das fibras e sua posição em relação à superfície de falha. Posteriormente, exemplos mais complexos são considerados envolvendo uma nuvem de fibras. Nestes casos, atenção especial é dada à influência da distribuição das fibras no comportamento do compósito relacionado ao processo de fissuração. Comparações com resultados experimentais demonstram que a aplicação da ferramenta numérica para modelar o comportamento de compósitos cimentícios reforçados com fibras de aço é muito promissora e pode ser utilizada como uma importante ferramenta para melhor entender os efeitos dos diferentes aspectos envolvidos no processo de falha deste material. / This work presents a numerical strategy developed using the Finite Element Method (FEM) to simulate the failure process of Steel Fiber Reinforced Cementitious Composites (SFRCCs). The material is described as a composite made up by three phases: a cementitious matrix (paste, mortar or concrete), discrete discontinuous fibers, and a fiber-matrix interface. A novel coupling scheme for non-matching finite element meshes has been developed to couple the independent generated meshes of the bulk cementitious matrix and a cloud of discrete discontinuous fibers based on the use of special finite elements developed, termed Coupling Finite Elements (CFEs). Using this approach, a nonrigid coupling procedure is proposed for modeling the complex nonlinear behavior of the fiber-matrix interface by adopting an appropriate constitutive damage model to describe the relation between the shear stress (adherence stress) and the relative sliding between the matrix and each fiber individually. This scheme has also been adopted to account for the presence of regular reinforcing bars in the analysis of reinforced concrete structural elements. The steel fibers are modeled using two-node finite elements (truss elements) with a one-dimensional elastoplastic constitutive model. They are positioned using an isotropic uniform random distribution, considering the wall effect of the mold. Continuous and discontinuous approaches are developed to model the brittle behavior of the bulk cementitious matrix. For the former, an isotropic damage model including two independent scalar damage variables for describing the composite behavior under tension and compression is considered. The discontinuous approach is based on a mesh fragmentation technique that employs degenerated solid finite elements in between all regular (bulk) elements. In this case, a tensile damage constitutive model, compatible with the Continuum Strong Discontinuity Approach (CSDA), is proposed to predict crack propagation. To increase the computability and robustness of the continuum damage models used to simulate the failure processes in both of the strategies, an implicit-explicit integration scheme is used. Numerical analyses are performed throughout the presentation of the work. Initially, numerical examples with a single reinforcement are presented to validate the technique and to investigate the influence of the fibers geometrical properties and its position relative to the crack surface. Then, more complex examples involving a cloud of steel fibers are considered. In these cases, special attention is given to the analysis of the influence of the fiber distribution on the composite behavior relative to the cracking process. Comparisons with experimental results demonstrate that the application of the numerical tool for modeling the behavior of SFRCCs is very promising and may constitute an important tool for better understanding the effects of the different aspects involved in the failure process of this material.