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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2022.tde-25042022-101719
Document
Author
Full name
Maria Luísa Ribeiro Mineiro
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2022
Supervisor
Committee
Júnior, Luís Antônio Guimarães Bitencourt (President)
Armelin, Hugo Sogayar
Cardoso, Daniel Carlos Taissum
Title in Portuguese
Comportamento ao arrancamento de fibras de aço: ensaios experimentais, previsões analíticas e modelagem numérica.
Keywords in Portuguese
Concreto reforçado com fibras
Ensaio de arrancamento
Fibras de aço
Interação fibra/matriz
Mecanismo de ancoragem
Modelagem multiescala
Abstract in Portuguese
O concreto reforçado com fibras de aço (CRFA) é caracterizado pela alta capacidade resistente pós-fissuração, melhorando as características de tenacidade e ductilidade do concreto convencional. Seu comportamento é influenciado principalmente por seus materiais constituintes, por sua dosagem e pela interface fibra/matriz. O ensaio de arrancamento (pullout test) é de grande importância na caracterização da resposta dessa interação, revelando a influência da geometria da fibra no atrito fibra/ matriz e na ancoragem mecânica, e fornecendo resultados que podem ser extrapolados para se estimar o comportamento do compósito como um todo. Dessa forma, o objetivo dessa pesquisa é estudar a interação fibra/matriz cimentícia através de ensaios experimentais, previsões analíticas e análises numéricas do comportamento ao arrancamento das fibras de aço, com o intuito de aprimorar sua utilização em modelos multiescala com representação discreta e explícita da fibra, por meio da adoção de efeitos de ancoragem separados e da consideração do efeito da inclinação da fibra em relação ao plano de fissura. Para isso, foram realizados ensaios laboratoriais com fibras retas e com ganchos alinhadas à carga aplicada, de forma a se obter parâmetros de entrada para a parcela relativa à contribuição dos ganchos dada pela diferença das respostas. Nos corpos de prova no formato dog-bone, duas configurações foram assumidas: uma e quatro fibras, visando reduzir a variabilidade do ensaio. Inicialmente, os resultados experimentais foram comparados aos resultados previstos pelo modelo analítico Diverse Embedment Model (DEM) e pelas simulações numéricas dos ensaios de arrancamento assumindo-se leis de aderência de três estágios ou baseadas no modelo de Laranjeira et al. (2010b), para diferentes inclinações da fibra. Verificou-se a importância da representação explícita dos efeitos de ancoragem nas extremidades das fibras no que diz respeito a diferentes comprimentos incorporados e à maior contribuição desse fator nos mecanismos de arrancamento. Também notaram-se resultados mais compatíveis com os encontrados na literatura ao se prever respostas para diferentes inclinações em relação ao modelo anteriormente adotado. Por fim, os modelos numéricos para a interface foram aplicados em modelos multiescala, incluindo ensaios de flexão em três pontos, conforme EN 14651 (2005), utilizados para obtenção de parâmetros pós-fissuração do CRFA. Os resultados demonstram que a metodologia experimental e multiescala integrada pode ser muito útil para unir as respostas físicas e numéricas de CRFA considerando fibras de aço com ganchos nas extremidades, e que a ferramenta numérica obtida pode contribuir para melhor compreensão dos processos de falha deste tipo de composto.
Title in English
Pullout behavior of steel fibers: experimental tests, analytical predictions and numerical modeling.
Keywords in English
Anchorage mechanisms
Fiber/matrix interaction
Multiscale modeling
Pullout test
Steel fibers
Abstract in English
Steel Fiber Reinforced Concrete (SFRC) is characterized by its enhanced postcracking behavior, which improves the toughness and ductility attributes of conventional plain concrete. The main factors that influence the composite performance are the constituent materials, the dosage, and the fiber/matrix interface. pullout tests have utmost importance in characterizing the response of this interaction, revealing the influence of fiber geometry on fiber/matrix friction and mechanical anchoring, and providing results that can be extrapolated to estimate composite behavior as a whole. Thus, this research studies the fiber/cementitious matrix interaction through experimental tests, analytical predictions, and numerical analysis on the pullout behavior of steel fibers, in order to improve its use in multiscale models with discrete and explicit representation of fibers, by assuming anchorage effects separately and considering the implications of different fibers inclination in the fracture section. Laboratory tests were carried out with straight and hooked-end fibers aligned to the applied load, to assess the difference between responses and to obtain input parameters for the portion related to the hooks contribution. In the dog-bone-shaped specimens, two configurations were assumed: with one and four fibers, aiming to reduce the variability of results. Initially, the experimental curves obtained were compared to the results predicted by the analytical model, Diverse Embedment Model (DEM), and by the numerical simulations of the pullout tests, assuming adherence laws of three-stages or based on the model proposed by Laranjeira et al. (2010b), for different fiber inclinations. It was verified the importance of explicit representation of anchorage effects at the fibers ends with regard to different incorporated lengths and the greater contribution provided by this mechanism in the pullout process. Responses predictions for different inclinations were also more compatible with those presented in literature when compared to the model previously adopted. Finally, the numerical models for the interface were applied in multiscale models, including three-point bending tests according to EN 14651 (2005), which are largely used to obtain post-cracking parameters of SFRC. The results demonstrate that the integrated experimental and multiscale methodology can be very useful to unite the physical and numerical responses of and that the numerical tool obtained can contribute to a better comprehension of the failure processes for this type of composite.
 
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Publishing Date
2022-04-25
 
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