Estudo numérico e experimental da distribuição das fibras de aço em vigas de UHPFRC

Abstract

O concreto de ultra-alto desempenho (UHPC, sigla em inglês) é um material que apresenta alta resistência à compressão e durabilidade. Quando reforçado com fibras de aço (UHPFRC, sigla em inglês), passa a exibir um comportamento dúctil, alta resistência à tração e à flexão. A distribuição das fibras influencia significativamente o comportamento mecânico e estrutural desse material, sendo fundamental considerá-la nos estudos experimentais e numéricos.Entretanto, experimentalmente, há poucas investigações sobre a distribuição das fibras em elementos estruturais de UHPFRC, e, numericamente, a maioria dos modelos consideram-no homogêneo, o que impossibilita representar adequadamente tal distribuição. Nesse sentido, esta pesquisa objetiva investigar experimentalmente a influência das fibras e propor um modelo numérico em elementos finitos para o UHPFRC com fibras discretizadas e embutidas na matriz. Na etapa experimental, foram realizados ensaios de caracterização do UHPC e UHPFRC (1% e 2% de fibras) e de flexão em cinco vigas produzidas a partir desses concretos, cujos resultados confirmaram melhor desempenho ao UHPFRC (tanto no âmbito material quanto no estrutural).Além disso, foi realizada a análise de imagem por fotografia de alta resolução nas vigas de UHPFRC, que revelaram uma orientação preferencial das fibras. Numericamente, para possibilitar a representação da distribuição das fibras, visando a um menor custo computacional, elas foram discretizadas como elementos de treliça embutidos nos elementos que modelam a matriz (aderência perfeita). Assim, o deslizamento relativo da interface fibra/matriz foi representado no modelo constitutivo das fibras, por meio de uma lei tensão-deformação equivalente baseada no comportamento de arrancamento da fibra. A validação dessa estratégia numérica foi realizada modelando e simulando no ABAQUS os ensaios de caracterização (tração uniaxial e flexão a três pontos) e de flexão das vigas realizados experimentalmente. De modo geral, os resultados numéricos indicaram uma boa correlação com os resultados experimentais. Contudo, algumas sugestões foram propostas a fim de aprimorar o modelo numérico proposto. Palavras-chave: UHPFRC. Fibras. Vigas. Análise de imagem. Método dos elementos finitos. Elementos discretos embutidos.Ultra-high performance concrete (UHPC) is a material with high compressive strength and durability. When reinforced with steel fibers (UHPFRC) it becomes to exhibit a ductile behaviour and high tensile and flexural strength. Distribution of fibers significatively influences mechanical and structural behaviour of this material, and hence it has to be considered both in experimental and numerical studies. However, there are few experimental investigations on the fibers distribution in UHPFRC structural elements and, additionally, most of the numerical models consider this material as homogeneous, which makes it impossible to adequately represent such distribution. In this context, this research aims to experimentally investigate the influence of fibers distribution ...

The Influence of Materials on the Mechanical Properties of Ultra-High-Performance Concrete (UHPC): A Literature Review

“…Figure 17 shows a comparative analysis between three mixtures used to determine the compressive strength of UHPC. One of these mixtures represents the theoretical results obtained in this research, while the others correspond to experimental studies carried out by Oliveira [16] and Zhang [34]. UHPC mixtures for compressive strength based on Oliveira [16] and Zhang [34].…”

“…Ultra-high-performance concrete is distinct from conventional concrete due to the inclusion of ultrafine granular components with a maximum diameter of less than 2 mm. These materials include Portland cement, fine sand, silica fume, and quartz powder [7,16]. If the concrete contains granular materials with particles larger than 2 mm, such as coarse aggregate, it can cause heterogeneity.…”

“…Quartz powder and silica fume stand out among the mineral additions used in mixing ultra-high-performance concrete as fundamental components for gaining strength and fluidity. Quartz powder addition aims to optimize the UHPC particle size, providing a uniform distribution between the grains of fine sand and cement [16]. Furthermore, studies have indicated the possibility of replacing up to 30% of the cement volume with quartz powder without reducing compressive strength [18].…”

“…This set of specifications results in a cementitious composite whose compressive strength is higher than 130 MPa [16,[21][22][23][24][25][26][27][28][29][30][31], the flexural strength is higher than 20 MPa [23][24][25][26][27][28][30][31][32][33][34], and the elastic modulus is higher than 30 GPa [16,21,24,29,32,[34][35][36][37][38].…”

“…The information collected corresponded to the mechanical properties comprising compressive strength, flexural tensile strength, and elastic modulus (Table 2). [21] 162.00 10.15 45.00 Jiang et al [56] 121.20 --Kang et al [22] 167.00 --159.00 --160.00 --158.00 --155.00 --Li et al [32] 128.90 30.00 51.50 Li and Rangaraju [23] 158.20 32.10 -Máca et al [24] 151.70 29.70 47.50 Meng and Khayat [25] 153.00 21.30 -Oliveira [16] 145.70 15.60 46.22 Poncetti et al [36] 102.00 -41.85 Prado [7] 128.60 --Ren et al [37] 119.20 17.00 42.00 Tafraoui et al [26] 155.00 29.00 -146.00 30.00 -Valikhani et al [38] 126.00 -52.00 Wu et al [27] 149.84 27.80 -Wu et al [33] -37.90 -Wu et al [28] 142.20 39.70 -You et al [29] 130.13 17.69 43.13 Yu et al [30] 150.00 [31] 176.00 32.00 -Khaled et al [57] 160.00 57.00 Guo et al [58] 135.00 24.00…”