Degree Not Listed / Department of Civil Engineering / Asadollah Esmaeily / This report is contingent upon research and literature reviews, targeting steel fiber reinforced concrete (SFRC). It will explore all aspects involved, detailing both properties and functionality. Historical development of the modern application mix and design procedures will be discussed. A critical investigation based on laboratory testing is examined and a comparative discussion is provided. This report will also highlight the structural uses, benefits, applications and deficiencies acquired by SFRC.

Este trabalho apresenta um estudo para a previsão de comportamento quanto à fissuração e seu controle pelo uso das fibras de aço, em elementos de superfície de concreto restringidos, ou seja, submetidos às tensões de tração induzidas pela retração restringida. Neste estudo, foi desenvolvido um método analítico para calcular o consumo de um determinado tipo de fibra de aço em função do potencial de retração da matriz de concreto e da máxima abertura de fissura, determinada em função de parâmetros de durabilidade e aceitabilidade sensorial. Posteriormente, foram realizados ensaios para caracterização do potencial de fissuração de matrizes de concreto utilizadas em obras de elementos de superfície, onde testou-se um método de estimativa das tensões induzidas por retração restringida no concreto, no momento da primeira fissura. Na etapa final do trabalho, foi realizado um programa experimental, com a construção de pistas de concreto reforçado com fibras de aço (CRFA), com consumos de fibras de 10 kg/m3, 30 kg/m3 e 60 kg/m3, construídas sobre bases com duas condições de restrição: superfície desempenada e superfície jateada com exposição dos agregados. A fissuração destas pistas, nas primeiras idades, foi monitorada através da medida da abertura e do comprimento das fissuras. Com os resultados desta etapa experimental, foi realizada uma retroanálise do método onde concluiu-se que a consideração de valores característicos na previsão da resistência à tração do concreto era um ajuste necessário e coerente com a observação prática. Com o ajuste, os resultados experimentais de abertura de fissura ficaram dentro da faixa de previsibilidade do método, considerando um intervalo de confiança de 90%. Com o desenvolvimento deste método, buscou-se contribuir para a aplicação do CRFA no controle da fissuração por retração restringida de elementos de superfície, ampliando a fronteira do conhecimento no aspecto da escolha e dosagem da fibra para um determinado desempenho esperado quanto à fissuração. / This work presents a study for crack prediction and use of steel fibers to crack control in concrete surface elements submitted to tension stress induced by restrained shrinkage. In this study, a method was developed where a certain steel fiber type could be quantified, as function of concrete matrix shrinkage potential and maximum crack width, determined from human sensorial and durability criteria. Afterwards, an experimental program was done in order to characterize the crack potential of concrete matrices commonly used in surface elements. In this program, a method to predict tension stress induced by restrained shrinkage, at first crack moment, was tested. In the final step of this work, another experimental program was done, where steel fiber reinforced concrete (SFRC) tracks were built, with fiber contents of 10 kg/m3, 30 kg/m3 and 60 kg/m3, over substrates with two restriction conditions: smooth surface and rough surface, with exposition of surface aggregates. Lengths and widths of the early age shrinkage cracks in the tracks were monitored. The results obtained in this program were useful to analyze the method, adjusting it with the consideration of characteristic values in prediction of tension strength. With this adjust, experimental crack width results were more compatible with 90% confidence interval for crack width values predicted by the method. With this study, the goal was the contribution to use SFRC in the control of restrained shrinkage cracks in surface elements, amplifying the knowledge border in the aspect of fiber selection and proportioning, for a determined and expected performance in terms of crack width.

Este trabalho apresenta um estudo para a previsão de comportamento quanto à fissuração e seu controle pelo uso das fibras de aço, em elementos de superfície de concreto restringidos, ou seja, submetidos às tensões de tração induzidas pela retração restringida. Neste estudo, foi desenvolvido um método analítico para calcular o consumo de um determinado tipo de fibra de aço em função do potencial de retração da matriz de concreto e da máxima abertura de fissura, determinada em função de parâmetros de durabilidade e aceitabilidade sensorial. Posteriormente, foram realizados ensaios para caracterização do potencial de fissuração de matrizes de concreto utilizadas em obras de elementos de superfície, onde testou-se um método de estimativa das tensões induzidas por retração restringida no concreto, no momento da primeira fissura. Na etapa final do trabalho, foi realizado um programa experimental, com a construção de pistas de concreto reforçado com fibras de aço (CRFA), com consumos de fibras de 10 kg/m3, 30 kg/m3 e 60 kg/m3, construídas sobre bases com duas condições de restrição: superfície desempenada e superfície jateada com exposição dos agregados. A fissuração destas pistas, nas primeiras idades, foi monitorada através da medida da abertura e do comprimento das fissuras. Com os resultados desta etapa experimental, foi realizada uma retroanálise do método onde concluiu-se que a consideração de valores característicos na previsão da resistência à tração do concreto era um ajuste necessário e coerente com a observação prática. Com o ajuste, os resultados experimentais de abertura de fissura ficaram dentro da faixa de previsibilidade do método, considerando um intervalo de confiança de 90%. Com o desenvolvimento deste método, buscou-se contribuir para a aplicação do CRFA no controle da fissuração por retração restringida de elementos de superfície, ampliando a fronteira do conhecimento no aspecto da escolha e dosagem da fibra para um determinado desempenho esperado quanto à fissuração. / This work presents a study for crack prediction and use of steel fibers to crack control in concrete surface elements submitted to tension stress induced by restrained shrinkage. In this study, a method was developed where a certain steel fiber type could be quantified, as function of concrete matrix shrinkage potential and maximum crack width, determined from human sensorial and durability criteria. Afterwards, an experimental program was done in order to characterize the crack potential of concrete matrices commonly used in surface elements. In this program, a method to predict tension stress induced by restrained shrinkage, at first crack moment, was tested. In the final step of this work, another experimental program was done, where steel fiber reinforced concrete (SFRC) tracks were built, with fiber contents of 10 kg/m3, 30 kg/m3 and 60 kg/m3, over substrates with two restriction conditions: smooth surface and rough surface, with exposition of surface aggregates. Lengths and widths of the early age shrinkage cracks in the tracks were monitored. The results obtained in this program were useful to analyze the method, adjusting it with the consideration of characteristic values in prediction of tension strength. With this adjust, experimental crack width results were more compatible with 90% confidence interval for crack width values predicted by the method. With this study, the goal was the contribution to use SFRC in the control of restrained shrinkage cracks in surface elements, amplifying the knowledge border in the aspect of fiber selection and proportioning, for a determined and expected performance in terms of crack width.

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Nas últimas décadas, a utilização de fibras de aço no reforço de elementos de concreto tem aumentado significativamente no cenário nacional e mesmo internacional, pois esta utilização melhora em muito as propriedades do material resultante, reduzindo sua fragilidade característica perante esforços de tração. Embora muito se conheça a respeito do comportamento de concretos reforçados com fibras sob solicitações uniaxiais, é sempre desejável que se possa prever adequadamente um comportamento mais amplo dos elementos feitos com tais materiais. Sendo assim, uma das soluções práticas para este tipo de questão seria a realização de ensaios sob solicitações biaxiais. No entanto, este tipo de análise se torna inviável em muitos casos, devido à falta de equipamentos adequados para sua realização. Assim, buscando-se colaborar com um melhor conhecimento dos concretos reforçados com fibras, o presente trabalho procurou desenvolver aparatos de ensaio de baixo custo capazes de solicitar corpos-de-prova em duas direções ortogonais. O comportamento do concreto reforçado com frações volumétricas de 0,5%, 1,0% e 1,5% de fibra foi, desta forma, avaliado a partir das seguintes proporções entre as tensões principais: ơ 2/ ơ 1 = 0/-1; ơ 2/ ơ 1 = -0,2/-1; ơ2 / ơ 1 = -0,5/-1; ơ 2/ ơ 1 = -1/-1. A partir das informações de resistência última e das deformações específicas obtidas nos ensaios, foi possível traçar as curvas de ruptura e analisar os padrões de ruptura do concreto reforçado com fibras de aço. Como esperado, os resultados obtidos nos ensaios mostraram que, sob estados de tensões biaxiais, ocorreu um aumento da resistência última e da rigidez do concreto para todas as relações de tensão analisadas ( ơ2/ ơ 1 = 0/-1; ơ 2/ ơ 1 = -0,2/-1;ơ 2/ ơ 1 = -0,5/-1; ơ 2/ ơ 1 = -1/-1). O aumento da resistência última em compressão biaxial, quando comparado ao concreto sob compressão uniaxial, foi de aproximadamente 20% para o concreto simples e, devido à adição de fibra, foi de aproximadamente 95% para uma relação de tensão igual a ơ 2/ ơ 1 = -0,5/-1. / In the last decades, the use of steel fibers to reinforce concrete elements has been significantly increased in the national scenario and even internationally, since its usage considerably improves the resulting material’s properties, reducing its characteristic fragility under tension. Although much is already known about the behavior of fiber reinforced concretes under uniaxial forces, a better understanding of the behavior of elements made of such materials is always desired. Therefore, a practical solution for this kind of problem would be to undertake biaxial tests. Nevertheless, this type of analysis sometimes turns out to be unviable because of the lack of adequate equipment for its realization. In this way, in an attempt to contribute with a better understanding of the fiber reinforced concretes, the present work tried to develop low-cost apparatuses capable of orthogonally loading specimens in two directions. The behavior of concrete reinforced with fiber volumetric fractions of 0.5%, 1.0%, and 1.5% was, therefore, evaluated under the following principal stresses’ proportions: ơ 2/ ơ 1 = ơ/-1;ơ 2/ ơ 1 = -0.2/-1; ơ 2/ơ 1 = -0.5/-1; ơ 2/ ơ 1 = -1/-1. From the ultimate strength values and from the obtained strains in the carried out tests, the rupture curves were possible to be plot, and the rupture modes and patterns of the fiber reinforced concretes were possible to be analyzed. As expected, the obtained results in the tests showed that, under biaxial stress states, an increase in ultimate strengths and stiffness of concretes for all the stress relations analyzed occurred ( ơ 2/ ơ 1 = 0/-1; ơ 2/ơ 1 = -0,2/-1; ơ 2/ ơ 1 = -0,5/-1; ơ 2/ ơ 1 = -1/-1). The increase in the ultimate strength in biaxial compression, when compared with concrete under uniaxial compression, was of about 20% for plain concrete and, due to the addition of fibers, about 95% for a stress relation equals to ơ 2/ ơ 1 = -0.5/-1.

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Nas últimas décadas, a utilização de fibras de aço no reforço de elementos de concreto tem aumentado significativamente no cenário nacional e mesmo internacional, pois esta utilização melhora em muito as propriedades do material resultante, reduzindo sua fragilidade característica perante esforços de tração. Embora muito se conheça a respeito do comportamento de concretos reforçados com fibras sob solicitações uniaxiais, é sempre desejável que se possa prever adequadamente um comportamento mais amplo dos elementos feitos com tais materiais. Sendo assim, uma das soluções práticas para este tipo de questão seria a realização de ensaios sob solicitações biaxiais. No entanto, este tipo de análise se torna inviável em muitos casos, devido à falta de equipamentos adequados para sua realização. Assim, buscando-se colaborar com um melhor conhecimento dos concretos reforçados com fibras, o presente trabalho procurou desenvolver aparatos de ensaio de baixo custo capazes de solicitar corpos-de-prova em duas direções ortogonais. O comportamento do concreto reforçado com frações volumétricas de 0,5%, 1,0% e 1,5% de fibra foi, desta forma, avaliado a partir das seguintes proporções entre as tensões principais: ơ 2/ ơ 1 = 0/-1; ơ 2/ ơ 1 = -0,2/-1; ơ2 / ơ 1 = -0,5/-1; ơ 2/ ơ 1 = -1/-1. A partir das informações de resistência última e das deformações específicas obtidas nos ensaios, foi possível traçar as curvas de ruptura e analisar os padrões de ruptura do concreto reforçado com fibras de aço. Como esperado, os resultados obtidos nos ensaios mostraram que, sob estados de tensões biaxiais, ocorreu um aumento da resistência última e da rigidez do concreto para todas as relações de tensão analisadas ( ơ2/ ơ 1 = 0/-1; ơ 2/ ơ 1 = -0,2/-1;ơ 2/ ơ 1 = -0,5/-1; ơ 2/ ơ 1 = -1/-1). O aumento da resistência última em compressão biaxial, quando comparado ao concreto sob compressão uniaxial, foi de aproximadamente 20% para o concreto simples e, devido à adição de fibra, foi de aproximadamente 95% para uma relação de tensão igual a ơ 2/ ơ 1 = -0,5/-1. / In the last decades, the use of steel fibers to reinforce concrete elements has been significantly increased in the national scenario and even internationally, since its usage considerably improves the resulting material’s properties, reducing its characteristic fragility under tension. Although much is already known about the behavior of fiber reinforced concretes under uniaxial forces, a better understanding of the behavior of elements made of such materials is always desired. Therefore, a practical solution for this kind of problem would be to undertake biaxial tests. Nevertheless, this type of analysis sometimes turns out to be unviable because of the lack of adequate equipment for its realization. In this way, in an attempt to contribute with a better understanding of the fiber reinforced concretes, the present work tried to develop low-cost apparatuses capable of orthogonally loading specimens in two directions. The behavior of concrete reinforced with fiber volumetric fractions of 0.5%, 1.0%, and 1.5% was, therefore, evaluated under the following principal stresses’ proportions: ơ 2/ ơ 1 = ơ/-1;ơ 2/ ơ 1 = -0.2/-1; ơ 2/ơ 1 = -0.5/-1; ơ 2/ ơ 1 = -1/-1. From the ultimate strength values and from the obtained strains in the carried out tests, the rupture curves were possible to be plot, and the rupture modes and patterns of the fiber reinforced concretes were possible to be analyzed. As expected, the obtained results in the tests showed that, under biaxial stress states, an increase in ultimate strengths and stiffness of concretes for all the stress relations analyzed occurred ( ơ 2/ ơ 1 = 0/-1; ơ 2/ơ 1 = -0,2/-1; ơ 2/ ơ 1 = -0,5/-1; ơ 2/ ơ 1 = -1/-1). The increase in the ultimate strength in biaxial compression, when compared with concrete under uniaxial compression, was of about 20% for plain concrete and, due to the addition of fibers, about 95% for a stress relation equals to ơ 2/ ơ 1 = -0.5/-1.

Nas últimas décadas, a utilização de fibras de aço no reforço de elementos de concreto tem aumentado significativamente no cenário nacional e mesmo internacional, pois esta utilização melhora em muito as propriedades do material resultante, reduzindo sua fragilidade característica perante esforços de tração. Embora muito se conheça a respeito do comportamento de concretos reforçados com fibras sob solicitações uniaxiais, é sempre desejável que se possa prever adequadamente um comportamento mais amplo dos elementos feitos com tais materiais. Sendo assim, uma das soluções práticas para este tipo de questão seria a realização de ensaios sob solicitações biaxiais. No entanto, este tipo de análise se torna inviável em muitos casos, devido à falta de equipamentos adequados para sua realização. Assim, buscando-se colaborar com um melhor conhecimento dos concretos reforçados com fibras, o presente trabalho procurou desenvolver aparatos de ensaio de baixo custo capazes de solicitar corpos-de-prova em duas direções ortogonais. O comportamento do concreto reforçado com frações volumétricas de 0,5%, 1,0% e 1,5% de fibra foi, desta forma, avaliado a partir das seguintes proporções entre as tensões principais: ơ 2/ ơ 1 = 0/-1; ơ 2/ ơ 1 = -0,2/-1; ơ2 / ơ 1 = -0,5/-1; ơ 2/ ơ 1 = -1/-1. A partir das informações de resistência última e das deformações específicas obtidas nos ensaios, foi possível traçar as curvas de ruptura e analisar os padrões de ruptura do concreto reforçado com fibras de aço. Como esperado, os resultados obtidos nos ensaios mostraram que, sob estados de tensões biaxiais, ocorreu um aumento da resistência última e da rigidez do concreto para todas as relações de tensão analisadas ( ơ2/ ơ 1 = 0/-1; ơ 2/ ơ 1 = -0,2/-1;ơ 2/ ơ 1 = -0,5/-1; ơ 2/ ơ 1 = -1/-1). O aumento da resistência última em compressão biaxial, quando comparado ao concreto sob compressão uniaxial, foi de aproximadamente 20% para o concreto simples e, devido à adição de fibra, foi de aproximadamente 95% para uma relação de tensão igual a ơ 2/ ơ 1 = -0,5/-1. / In the last decades, the use of steel fibers to reinforce concrete elements has been significantly increased in the national scenario and even internationally, since its usage considerably improves the resulting material’s properties, reducing its characteristic fragility under tension. Although much is already known about the behavior of fiber reinforced concretes under uniaxial forces, a better understanding of the behavior of elements made of such materials is always desired. Therefore, a practical solution for this kind of problem would be to undertake biaxial tests. Nevertheless, this type of analysis sometimes turns out to be unviable because of the lack of adequate equipment for its realization. In this way, in an attempt to contribute with a better understanding of the fiber reinforced concretes, the present work tried to develop low-cost apparatuses capable of orthogonally loading specimens in two directions. The behavior of concrete reinforced with fiber volumetric fractions of 0.5%, 1.0%, and 1.5% was, therefore, evaluated under the following principal stresses’ proportions: ơ 2/ ơ 1 = ơ/-1;ơ 2/ ơ 1 = -0.2/-1; ơ 2/ơ 1 = -0.5/-1; ơ 2/ ơ 1 = -1/-1. From the ultimate strength values and from the obtained strains in the carried out tests, the rupture curves were possible to be plot, and the rupture modes and patterns of the fiber reinforced concretes were possible to be analyzed. As expected, the obtained results in the tests showed that, under biaxial stress states, an increase in ultimate strengths and stiffness of concretes for all the stress relations analyzed occurred ( ơ 2/ ơ 1 = 0/-1; ơ 2/ơ 1 = -0,2/-1; ơ 2/ ơ 1 = -0,5/-1; ơ 2/ ơ 1 = -1/-1). The increase in the ultimate strength in biaxial compression, when compared with concrete under uniaxial compression, was of about 20% for plain concrete and, due to the addition of fibers, about 95% for a stress relation equals to ơ 2/ ơ 1 = -0.5/-1.

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O presente trabalho trata do estudo do comportamento de chumbadores grauteados inseridos em concreto com fibras de aço em ligações viga-pilar de estruturas de concreto pré-moldado. Este estudo é importante para se entender e poder quantificar a influência da rigidez deste componente no comportamento de ligações semirrígidas de estruturas de concreto pré-moldado. O objetivo do trabalho é estudar o mecanismo do chumbador no concreto com fibras de aço em ensaios específicos e avaliar também o comportamento de uma ligação viga-pilar de concreto pré-moldado utilizando estas fibras no consolo e no dente da viga. Nesta pesquisa foi realizado um programa experimental no Laboratório de Estruturas da EESC, uma análise numérica com o emprego do software DIANA® e uma comparação com formulações analíticas existentes para o cálculo da força última destes componentes. Foram ensaiados nove modelos experimentais para avaliar especificamente o mecanismo resistente do chumbador, variando-se os diâmetros das barras, sua inclinação e a porcentagem de fibras de aço no concreto. Além destes modelos, foi realizado ensaio de uma ligação viga-pilar de concreto pré-moldado para avaliar a rigidez da ligação com chumbador inserido em concreto com fibras de aço. Nos ensaios experimentais dos chumbadores observou-se que modelos com concreto com fibras de aço apresentam rigidez até 25% maior se comparado ao modelo com concreto convencional. Verificou-se que o graute utilizado para solidarizar os chumbadores exerce significativa influência na capacidade última do modelo, podendo diminuir em cerca de 30% a capacidade de carga. A ligação viga-pilar de concreto pré-moldado utilizando concreto com fibras de aço no consolo e no dente da viga se comportou de maneira satisfatória, não apresentando fissuração na interface dos diferentes concretos. Na comparação dos modelos ensaiados com as formulações teóricas extraídas de trabalhos de referência verificou-se que, para os modelos específicos de chumbador, a formulação existente é representativa. Para a ligação viga-pilar, alguns ajustes na formulação analítica se fizeram necessários para considerações de efeitos de grupo e de borda observados e decorrentes da utilização de dois chumbadores na ligação proposta neste trabalho. / This research deals with the study of the behavior of grouted dowels embedded in concrete with steel fibers. This study is important to understand and quantify the stiffness transmitted by this component in a semi-rigid connection of precast concrete structures. The objective is to study the mechanism of the dowel in the concrete with steel fibers and evaluate the mechanical behavior of a precast beam-column connection using this type of concrete on the corbels and in the dapped-end beam. In this research, an experimental program in the EESC Structures Laboratory was carried out, as well as a numerical analysis with the use of DIANA® software and a comparison with existing formulations to calculate these components. Nine models were experimentally tested to specifically evaluate the dowel resistant mechanism by varying the diameters of the bars, the declination and the percentage of steel fibers in concrete. Furthermore, an experimental test was performed in order to evaluate the behavior of the connector. The results indicate that for the dowels with concrete and steel fibers, the ultimate capacity of the connection occurs by failure of the connector (excessive deformation of the bars), while in conventional concrete this capability is associated with the rupture of the concrete and that the concrete with steel fibers decreases by 25% the deformability of the models. The grout has a significant impact on the ultimate capacity of the model, which may increase in less than 30%. In the analysis of the beam-column connection, it is possible to observe that the proposed connection exceeds by more than 20% the ultimate capacity compared to traditional beam-column connections. In comparing the theoretical models tested with the formulations shown by previous studies, it was found that for specific models dowels, the existing formulation is representative. For the beam-column connection, adjustment was performed in the previous formulation considerations group and edge effects that occur due to the use of two dowels on the tested connection.