Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/8989

TitleThe bending and shear behaviour of laminar structures of high performance fibre reinforced concrete
Author(s)Santos, S. P. F.
Advisor(s)Barros, Joaquim A. O.
Issue date6-Jan-2009
Abstract(s)The concrete precasting industry is frequently requested to produce structural elements of reinforced concrete with high geometric complexity. These geometric conditions introduce difficulties on the placement of reinforcement, resulting in a large consuming time phase of the industrial process, causing delays in the construction schedule. Moreover, when high percentage of reinforcement is used, there are difficulties on assuring the desired concrete pouring quality, once the compaction process may be very difficult to execute, although all the great advances in compaction techniques and equipments. Most of the times, in these conditions and in the absence of rigorous quality control and specialized workers, the elements present deficiencies that can compromise the mechanical behaviour and the visual appearance of the final structure. Self-compacting concrete (SCC) can be defined as concrete that is able to flow in the interior of the formwork, passing through the reinforcement and filling it in a natural manner, being consolidated under the action of its own weight. Adding the benefits of SCC to those resulting from the addition of discrete fibres to cement based materials, a high performance material, designated by steel fibre reinforced self-compacting concrete (SFRSCC), is obtained. Steel fibre reinforcement greatly increases ductility of concrete, retards crack coalescence and propagation, increases pronouncedly the after-cracking energy absorption and decreases the width of the cracks. Although all the advantages already known and recognized, the technology of Steel Fibre Reinforced Concrete (SFRC) still deserving a certain rejection from structural engineers solutions: not only to applications that involve safety considerations but also where the fibres are used as secondary reinforcement. In the present work, an evaluation of the bending and shear behaviour of laminar structures in high performance steel fibre reinforced concrete (HPSFRC) will be carried out. Two wide research programs were developed in order to find out the influence of steel fibres reinforcement in the mechanical behaviour of these structures. The influence of the strength class, fck, in the load carrying capacity and its influence in the reinforcing mechanisms that steel fibres can develop within a composition of HPSFRC were also studied. The performance of the analytical approach for the prediction of the fibre reinforcement contribution in terms of shear resistance of concrete beams recommended by RILEM TC 162 TDF was assessed. A numerical simulation of the tests carried out with HSSFRC beams failing in shear was done, under the framework of the material nonlinear finite element analysis, in order to evince the influence of using a softening constitutive law for modeling the crack shear sliding. The experimental programs and the numerical research are described, and the main results are presented and discussed.
A indústria de pré-fabricados de betão depara-se, frequentemente, com a necessidade de produzir elementos estruturais de elevada complexidade geométrica. Essa complexidade geométrica dificulta significativamente a introdução das armaduras de reforço nas cofragens, o que aumenta consideravelmente o tempo de produção das peças podendo, inclusivamente, ser causadora de atrasos no processo de fabricação. Ademais, quando a percentagem de armadura é elevada, existe uma maior dificuldade em garantir a qualidade de betonagem desejada, uma vez que a operação de vibração pode tornar-se numa tarefa árdua ou mesmo impossível, apesar de todos os avanços que vêm conhecendo a tecnologia e os equipamentos de vibração ao longo dos últimos anos. Na maior parte das vezes, nestas condições, e na falta de um controlo de qualidade rigoroso, bem como de mão-de-obra especializada, os elementos pré-fabricados apresentam deficiências que podem comprometer o comportamento mecânico e a aparência da estrutura final. O betão auto-compactável (BAC) pode ser definido como sendo um material capaz de fluir no interior da cofragem e de passar através da armadura, unicamente sob acção do seu peso próprio, ou seja, sem vibração. Conjugando as vantagens do betão auto-compactável com as que advêm da adição de fibras a materiais de matriz cimentícia, obtém-se um material com desempenho elevado, designado de betão auto-compactável reforçado com fibras de aço (BACRFA). A utilização de fibras de aço aumenta a ductilidade do betão, retarda ao aparecimento e a propagação de fendas, aumenta significativamente a absorção de energia na fase pós-fendilhada e reduz a largura de fendas. Apesar de todas as vantagens já reconhecidas, a tecnologia do Betão Reforçado com Fibras de Aço continua a ser alvo de alguma rejeição por parte dos engenheiros de estruturas, à hora de a eleger como solução estrutural: não apenas em aplicações de alta responsabilidade do ponto de vista estrutural mas também em aplicações em que as fibras de aço são usadas como reforço secundário. No presente trabalho é feita uma avaliação do comportamento à flexão e ao corte de estruturas laminares de betão de elevado desempenho reforçado com fibras de aço (BEDRFA). Foram realizados dois extensos programas de investigação para avaliar a influência do reforço proporcionado pelas fibras de aço no comportamento destas estruturas. Foram também avaliadas a influência da classe de resistência do betão, fck, na capacidade de carga dos elementos, bem como a sua influência nos mecanismos que as fibras podem desenvolver dentro de uma composição de BEDRFA. Foi avaliado o modelo analítico para a previsão da contribuição das fibras de aço no reforço ao corte de vigas de betão proposto pelo RILEM TC 162 TDF. Foi levada a cabo a simulação numérica dos ensaios realizados com vigas de betão de alta resistência reforçado com fibras de aço (BARRFA), simulação esta realizada através de uma análise não-linear material com o método dos elementos finitos, utilizando uma lei de amolecimento para modelar o desenvolvimento das fendas de corte. No presente trabalho é feita uma descrição dos programas experimentais realizados; os principais resultados serão apresentados e discutidos.
La industria del la prefabricación se depara, muchas veces, con la necesidad de producir elementos estructurales de elevada complejidad geométrica. Esa complejidad dificulta significativamente la introducción de las armaduras de refuerzo en los encofrados, aumentando considerablemente el tiempo de producción de las piezas pudendo, incluso, ser la causa de retrasos en el proceso de fabricación. Además, cuando el porcentaje de armadura es elevado, existe una mayor dificultad en garantizar la calidad del hormigonado, ya que la vibración puede ser una tarea complicada o hasta imposible, a pesar de todos los avances en la tecnología y los equipos de vibración a lo largo de los últimos años. En la mayor parte de las veces, en estas circunstancias y, en la falta de un control de calidad riguroso bien como de mano de obra especializada, los elementos prefabricados presentan defectos que pueden comprometer su comportamiento mecánico y la apariencia de la estructura final. El hormigón auto compactante (HAC) puede definirse como un material con la capacidad de fluir en el interior del encofrado y de pasar a través de las armaduras, únicamente bajo la acción de su peso propio, es decir, sin vibración. Conjugando las ventajas del hormigón auto compactante con las ventajas de la adición de fibras a materiales de matriz cementicia, se obtiene un material con elevado desempeño, que se designa de hormigón auto compactante reforzado con fibras de acero (HACRFA). La utilización de fibras de acero aumenta la ductilidad del hormigón, retrasa el aparecimiento y la propagación de grietas, aumenta de forma significativa la absorción de energía en la fase pos fisurada y reduce el ancho de las grietas. No obstante todas las ventajas ya conocidas, la tecnología del hormigón reforzado con fibras de acero sigue sin gran aceptación por parte de los ingenieros de estructuras, a la hora de elegirla como solución estructural: no solo en aplicaciones de alta responsabilidad del punto de vista estructural sino en aplicaciones en las cuales las fibras de acero se usan como refuerzo secundario. En el presente trabajo se hace una evaluación del comportamiento en flexión y a cortante de estructuras laminares de hormigones de elevado desempeño reforzados con fibras de acero (HEDRFA). Dos extensos programas de investigación se han llevado a cabo para evaluar la influencia del refuerzo proporcionado por las fibras de acero en el comportamiento de estas estructuras. Se ha evaluado también la influencia de la clase de resistencia del hormigón, fck, en la capacidad de carga de los elementos, bien como su influencia en los mecanismos que las fibras pueden desarrollar dentro de una composición de HEDRFA. Se hizo la evaluación del modelo analítico propuesto por el RILEM TC 162 TDF para la previsión de la contribución de las fibras de acero en el refuerzo a cortante de vigas de hormigón. Se ha llevado a cabo la simulación numérica de los ensayos realizados con vigas de hormigón de alta resistencia reforzado con fibras de acero, simulación hecha con recurso a un análisis no-lineal material con el método de los elementos finitos, utilizando una ley de softening para modelizar la propagación de las grietas de cortante. En el presente trabajo se hace una descripción de los programas experimentales realizados; los principales resultados serán presentados y discutidos.
TypeMaster thesis
DescriptionDissertação de mestrado em Engenharia Civil (área de especialização em Estruturas e Geotecnia)
URIhttp://hdl.handle.net/1822/8989
AccessOpen access
Appears in Collections:BUM - Dissertações de Mestrado

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