Advanced tools for design and analysis of fiber reinforced concrete structures

Abstract

A presente tese foca-se no desenvolvimento de ferramentas numéricas para a análise e dimensionamento de elementos estruturais em betão reforçado com fibras (BRF). Neste trabalho são abordadas as mais recentes regras e recomendações de projeto expostas nos regulamentos em vigor sendo, quando necessário, complementadas com modelos mais avançados resultantes de trabalhos de investigação sobre estruturas de BRF. Com base nas atuais regras de projeto foi desenvolvido um programa de cálculo automático dedicado à análise da secção transversal de elementos estruturais de BRF, com e sem armaduras convencionais de reforço, sujeitos a esforços axial, corte e flexão, de forma a realizar as verificações de segurança relativamente aos estados limite últimos e de serviço. Foi realizada, também, uma avaliação do desempenho dos modelos de resistência ao corte propostos no fib Model Code 2010 para elementos em BRF, através da comparação da capacidade preditiva dos modelos com os resultados experimentais de uma base de dados de ensaios de corte. A presente tese abrange, do mesmo modo, o desenvolvimento de uma ferramenta numérica para a análise de elementos estruturais de BRF que conjuga o efeito da orientação e segregação das fibras nos elementos estruturais de BRF, e a resistência ao arranque das fibras. A capacidade preditiva do novo modelo foi verificada através da simulação de vigas entalhadas de betão reforçado com fibras de aço submetidas ao ensaio de flexão de 3-pontos. Adicionalmente, foram abordados alguns aspetos particulares de elementos estruturais em BRF. Neste âmbito, um novo modelo de simulação da resposta viscoelástica em fluência de materiais de matriz cimentícia, desde as idades jovens, foi desenvolvido e implementado num programa baseado no método de elementos finitos – FEMIX – tendo sido acoplado aos modelos termo-mecânicos já aí implementados. Adicionalmente, foi desenvolvido um novo modelo constitutivo especialmente dedicado à simulação da interface entre lajes de BRF apoiadas no solo e as camadas granulares da fundação da laje, com o intuito de captar os mecanismos relevantes que induzem dano neste tipo de estruturas de BRF.

This thesis is devoted to the development of numerical tools for the analysis and design of fiber reinforced concrete (FRC) structural elements. This work focuses on the description of the most recent design guidelines and recommendations obtained from design codes, being complemented with more advanced models published in academic works on FRC structures. Based on these guidelines a software was developed for the analysis of FRC cross-sections with and without conventional reinforcements, submitted to bending and shear with or without axial force, to assess the ultimate and serviceability limit state safety verifications of structural members. An assessment of the shear resistance models for FRC members proposed in the fib Model Code 2010 was conducted, by evaluating its predictive performance with the results of shear tests collected in a database. It was developed an innovative numerical tool for the analysis of FRC structures that couples the effects of fiber orientation and segregation in the FRC members, and fiber pullout resistance. The performance of the new model was assessed by simulating steel fiber reinforced concrete notched beams submitted to 3-point bending tests. Moreover, particular topics regarding some structural application of FRC were explored. In this scope, a new model capable of predicting the aging creep response of cement-based materials, since early ages, was proposed and implemented in a finite element method software – FEMIX – and was coupled with the already available thermo-mechanical models. Flooring is still the main application of FRC, and the simulation of the interface between the FRC slab and the soil supporting system is a relevant aspect for controlling crack formation and propagation, mainly due to shrinkage and thermal effects coupled with restriction to the membrane deformability of the FRC slab. A new constitutive model was developed and implemented in FEMIX, especially aimed to simulate the interface between FRC slabs supported on ground and the granular layers of the slab’s foundation, in attempt to capture relevant mechanisms that promote damage in this type of FRC structures.