Análise do comportamento à força cortante do concreto reforçado com fibras de aço
Resumo
Resumo: A compreensão da transferência de força cortante através da fissura crítica de cisalhamento é um dos desafios no estudo do comportamento de vigas esbeltas de concreto reforçado com fibras de aço (CRFA). Uma vez que a fissura diagonal crítica se forma, a resistência nessas vigas é governada pelos mecanismos de transferência de força cortante: engrenamento dos agregados, zona comprimida não fissurada do concreto, tensão residual, efeito de pino, e as fibras de aço. É crucial, portanto, compreender a evolução desses mecanismos e sua interação até a falha, a fim de adotar uma abordagem racional na previsão da resistência do CRFA. Portanto, o objetivo principal desta tese é contribuir para o avanço do conhecimento sobre o comportamento à força cortante em vigas de concreto reforçado com fibras de aço, sem a presença de armadura transversal. Para alcançar esse objetivo, são utilizadas três abordagens complementares: experimental-teórica, analítica e numérica. Na abordagem experimental-teórica, é dada ênfase aos mecanismos de transferência de força cortante e à forma como eles se comportam durante o desenvolvimento da fissuração de vigas sem armadura transversal. Para isso, a técnica de Correlação por Imagem Digital (Digital Image Correlation - DIC) é utilizada para monitorar a propagação de fissuras nos espécimes ensaiados e fornecer informações para a aplicação dos modelos dos mecanismos de transferência de força cortante. Destaca-se as contribuições no que se refere à representação das fibras de aço como mecanismo, avaliando modelos existentes e também por meio de uma proposta de modelo. Na abordagem analítica, um banco de dados é utilizado para avaliar expressões existentes na literatura e propor um modelo simples, com análise paramétrica da contribuição de cada variável. Foi constatada a dependência dos mecanismos de transferência de força cortante da cinemática da fissura, onde vigas semelhantes podem apresentar comportamentos distintos. Na abordagem numérica, a modelagem computacional engloba um modelo 2D do ensaio de tração na flexão e 3D das vigas armadas de CRFA em comparação com os valores experimentais de resistência, flecha, padrão de fissuração e ângulo da fissura. A metodologia apresentada para uma simulação consistente tem potencial para expandir as análises feitas aqui para diferentes geometrias e condições estruturais, ampliando o conhecimento do comportamento à força cortante do CRFA. No geral, os resultados mostram que as fibras de aço incorporadas proporcionam maior ductilidade para as vigas, possibilitando o desenvolvimento dos mecanismos ao longo da propagação da fissura, onde as fibras são preponderantes na ruptura, enquanto o engrenamento dos agregados e dos demais mecanismos perdem importância. Além disso, a variação nos resultados dos modelos existentes confirma as divergências entre as hipóteses para representar o comportamento do CRFA, onde as características das fibras de aço incorporadas possuem mais influência no ganho de resistência do que a relação a/d, por exemplo. Abstract: Understanding the transfer of shear force through the critical shear crack is one of the challenges in studying the behavior of slender steel fiber reinforced concrete (SFRC) beams. Once the critical diagonal crack forms, the strength in these beams is governed by shear force transfer mechanisms: aggregate interlock, uncracked compressed zone, residual stress, dowel action and steel fibers. It is crucial, therefore, to understand the evolution of these mechanisms and their interaction until failure, in order to adopt a rational approach in predicting SFRC resistance. Therefore, the main objective of this thesis is to contribute to the advancement of knowledge about the shear behavior of concrete beams reinforced with steel fibers, without the presence of transverse reinforcement. To achieve this objective, three complementary approaches are used: experimental-theoretical, analytical and numerical. In the experimental-theoretical approach, emphasis is given to the shear force transfer mechanisms and the way they behave during the cracking development of beams without transverse reinforcement. For this, the digital image correlation technique (DIC) is used to monitor the propagation of cracks in the specimens tested and provide information for the application of models of shear force transfer mechanisms. It highlights the contributions with regard to the representation of steel fibers as a mechanism, evaluating existing models and also through a proposed model. In the analytical approach, a database is used to evaluate existing expressions in the literature and propose a simple model, with parametric analysis of the contribution of each variable. The dependence of the shear force transfer mechanisms on the crack kinematics was verified, where similar beams can present different behaviors. In the numerical approach, the computational modeling encompasses a 2D model of the flexural tensile test and a 3D model of the SFRC reinforced beams in comparison with the experimental values of resistance, deflection, cracking pattern and crack angle. The methodology presented for a consistent simulation has the potential to expand the analyzes made here for different geometries and structural conditions, expanding the knowledge of the shear behavior of the SFRC. In general, the results show that the incorporated steel fibers provide greater ductility for the beams, enabling the development of mechanisms along the crack propagation, where the fibers are preponderant in failure, while the aggregate interlock and other mechanisms lose importance. In addition, the variation in the results of the existing models confirms the divergences between the hypotheses to represent the SFRC behavior, where the characteristics of the incorporated steel fibers have more influence on the strength gain than the a/d ratio, for example.
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