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Tesis Doctoral
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2021.tde-25102021-114027
Documento
Autor
Nombre completo
Ramoel Serafini
Dirección Electrónica
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
São Paulo, 2021
Director
Tribunal
Figueiredo, Antonio Domingues de (Presidente)
Assis, André Pacheco de
Plizzari, Giovanni Angelo
Silva Filho, Luiz Carlos Pinto da
Silva, Flávio de Andrade
Título en inglés
The effect of fire on pre-cast steel fiber reinforced concrete for tunnel linings: from microstructure to structural simulation.
Palabras clave en inglés
Elevated temperature
Fire exposure
Numerical modeling
Post-crack behavior
Steel fiber reinforced concrete
Structural simulation
Tunnel structures
Resumen en inglés
The occurrence of fire in fiber reinforced concrete structures is one of the main concerns regarding the use of this material. Although fire is a deleterious event, limitations are found in studies focused on evaluating the effect of elevated temperatures on the mechanical properties of the composite, as well as in terms of extrapolating the results to design. In this context, this thesis aims to understand the tendencies in the mesoscale behavior of steel fiber reinforced concretes (SFRC) after temperature exposure and simulate the fire-related stability condition of tunnel sections built with this material. The changes in the microstructure of steel fibers, cementitious matrix, and fiber-matrix interfacial transition zone were evaluated as a function of temperature. Later, the effect of elevated temperatures on the tensile strength of fibers; bond-slip behavior of fibers embedded in the cementitious matrix; and the compressive, tensile, and post-crack parameters were evaluated. Furthermore, the composite was exposed to a large-scale fire test to experimentally determine the distribution of temperatures and the post-fire tensile properties of the material. At last, a numerical model was developed to compute the effect of a fire and thermal spalling on the bending capacity of reinforced concrete, fiber reinforced concrete, and hybrid solutions. The thermal spalling model was based on a simplified approach that shutdown the layers spalled. The results show that the the post-crack parameters ffts and fftu were more considerably influenced by the properties of the fiber-matrix ITZ than the bulk matrix properties. In terms of fftu, no statistically significant change was observed for T <= 300 °C, which as explained based on the mineralogical changes in the fiber-matrix ITZ and the changes in the pull-out kinetics due to the expansion of iron oxides and shrinkage of the cement paste. Moreover, the bond-slip mechanism have shown to prevail, without fiber rupture, up to ~600 °C. Considering the 11 numerical simulation without thermal spalling, FRC and RC-FRC solutions have shown to be less sensitive than the RC30 solution, while the increase in concrete cover in RC50 solution considerably mitigated the reductions in terms of bending capacity. Nevertheless, the increase in concrete cover has negligible influence on mitigating the reductions caused by thermal spalling, being the FRC and RC-FRC the least sensitive solutions due to the diffuse reinforcing capacity of fibers in the cross-section. In this sense, the advances acquired in this thesis supported a tool for assessing the bearing capacity of tunnel sections exposed to fire with and without thermal spalling and contributed to improving the safety conditions for this type of structure.
Título en portugués
O efeito do fogo em concretos pré-moldados reforçados com fibras de aço para túneis: da microestrutura à simulação numérica.
Palabras clave en portugués
Comportamento pós-fissuração
Concreto reforçado com fibras
Elevadas temperaturas
Estrutura de túneis
Exposição ao fogo
Modelagem numérica
Simulação estrutural
Resumen en portugués
A ocorrência de incêndio em estruturas feitas com esse compósito é uma das principais preocupações relacionadas ao uso deste material. Embora incêndios sejam eventos deletérios, limitações são encontradas no estudo das elevadas temperaturas nas propriedades mecânicas do compósito, bem como em termos de extrapolação destes resultados para o projeto estrutural. Nesse contexto, esta tese tem por objetivo compreender as tendências comportamentais do concreto reforçado com fibras de aço (CRFA) após a exposição a elevadas temperaturas e simular numericamente as condições de estabilidade durante incêndios em túneis constuídos com esse material. As alterações microestruturais das fibras de aço, da matriz cimentícia, e da interface fibra-matriz foram avaliadas em função da temperatura. Posteriormente, o efeito das elevadas temperaturas foi avaliado por meio de ensaios de mesoescala na resistência à tração das fibras de aço; aderência e deslizamento das fibras embutidas na matriz cimentícia; na resistência à compressão e tração da matriz; e nas propriedades pósfissuração do concreto com fibras de aço. Além disso, o compósito foi exposto a um ensaio de incêndio de larga escala a fim de verificar a distribuição interna de temperaturas gerada e o efeito do incêndio nas propriedades mecânicas de pós-fissuração do material, o que foi posteriormente utilizado para validação do modelo numérico. Por fim, um modelo numérico foi desenvolvido a fim de prever os efeitos do incêndio e da ocorrência de fragmentação térmica na capacidade resistente de seções de concreto armado, concreto com fibras, e híbridos de concreto armado com fibras. O modelo de fragmentação térmica foi concebido de forma simplificada através do desligamento das camadas afetadas. Os resultados mostram que os parâmetros ffts e fftu foram mais influenciados pelas propriedades da interface fibra-matriz do que pelas propriedades da matriz cimentícia. Em termos de fftu, não houve alteração significativa para T <= 300 °C, o que foi explicado pelas alterações mineralógicas na zona de transição fibra-pasta e nas mudanças na cinética de arrancamento devido ao processo expansivo do óxido de ferro e retração da pasta de cimento. Considerando a simulação numérica, soluções de CRF e RC-CRF se mostraram menos sensíveis que a solução RC30, enquanto o aumento de cobrimento mitigou as reduções em termos de capacidade à flexão. Entretanto, o aumento do cobrimento não favoreceu a mitigação das reduções causadas pela fragmentação explosiva, sendo as soluções de CRF e RCFRC as opções menos sensíveis devido a capacidade de reforço difuso das fibras. Nesse sentido, os avanços gerados nesta tese subsidiam uma ferramenta de verificação da capacidade à flexão de seções de túneis expostas ao fogo com e sem fragmentação explosiva, contribuindo para aprimorar as condições de segurança deste tipo de estrutura.
 
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Fecha de Publicación
2021-10-26
 
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