Since the development of perforated plate shear connectors, different formulations have been proposed to predict their shear strength. Most of these formulations were derived from standard push-tests on multiple concrete filled holes (CFH) specimens simulating specific steel-concrete composite beam applications. Aiming at a more general application of these connectors in composite structures and the understanding of the physical and geometric parameters that influence their shear strength, the present work evaluated the use of 12 different formulations to predict 92 test results of single-hole specimens extracted from the literature. Such tests were chosen because the single-hole configuration allows better isolation of the connection behavior which facilitates comparative analysis. The predictions were statistically evaluated, and it was considered that the best formulations were those that showed lower scatter of data and a correction factor closer to one. Also, it was investigated if the individual terms that constitute the formulations adequately describe or show relation to the mechanics that govern the connection. It was verified that the best statistically rated formulations were also the ones showing clearer relation to the connector mechanical behavior. Among the evaluated formulations, three were significantly better than the others for strength prediction, however, it was noted that they can be further improved by considering the influence of concrete confinement and plate thickness on the hole’s strength.

Keywords: composite structures; shear connectors; concrete filled circular holes in steel plates; push tests; statistical evaluation

Desde o desenvolvimento de conectores de cisalhamento em chapa contínua com furos circulares, diferentes formulações foram propostas para o cálculo da capacidade resistente dos mesmos. A maior parte dessas formulações foi desenvolvida com base no ensaio push-out padrão de protótipos com múltiplos furos simulando a aplicação desses conectores em vigas mistas de aço e concreto. Visando a aplicação mais geral desses conectores em estruturas mistas e o entendimento dos parâmetros físicos e geométricos que influenciam em sua capacidade resistente, avaliou-se, no presente trabalho, a aplicação de 12 dessas formulações a 92 resultados de ensaio. Esses ensaios extraídos da literatura têm em comum o fato de apresentarem apenas um furo solicitado. Escolheram-se ensaios com essa característica por permitirem isolar melhor o comportamento da conexão, facilitando análises comparativas. Os resultados extraídos foram avaliados estatisticamente, sendo consideradas as melhores formulações aquelas que apresentaram menor dispersão de dados e fator de correção próximo à unidade. Além disso, foi investigado se os termos individuais que constituem as formulações descrevem adequadamente ou mostram relação com a mecânica que rege a conexão. Verificou-se que as formulações mais bem avaliadas estatisticamente foram também as que apresentaram uma relação mais clara com o comportamento mecânico do conector. Dentre as formulações avaliadas, três se mostraram significativamente melhores que as demais para previsão da capacidade resistente, contudo, observou-se que ainda é possível aprimorá-las se levada em consideração a influência do confinamento e espessura da chapa na capacidade resistente do furo.

Palavras-chave: estruturas mistas; conector de cisalhamento; chapa contínua com furos circulares; ensaios de cisalhamento direto; avaliação estatística

Reinforcement corrosion is a concern in the structural engineering domain, since it triggers several pathological manifestations, reducing the structural service life. Chloride diffusion has been considered one of main causes of reinforcements' corrosion in reinforced concrete. Corrosion starts when the chloride concentration at the reinforcements interface reaches the threshold content, leading to depassivation, whose assessment of its time of starts is a major challenge. This study applied the transient Boundary Element Method (BEM) approach for modelling chloride diffusion in concrete pores. The subregion BEM technique effectively represented the cracks inherent to the material domain, and environmental effects were also considered. Because of the inherent randomness of the problem, the service life was evaluated within the probabilistic context; therefore, Monte Carlo Simulation (MCS) assessed the probabilistic corrosion time initiation. Three applications demonstrated the accuracy and robustness of the model, in which the numerical results achieved by BEM were compared against numerical, analytical, and experimental responses from the literature. The probabilistic modelling substantially reduced the structural service life when the cracks length was longer than half of concrete cover thickness in highly aggressive environments.

Keywords: boundary element method; chloride diffusion; corrosion; structural durability; probabilistic analysis

A corrosão das armaduras é uma preocupação no domínio da engenharia estrutural, uma vez que este fenômeno desencadeia diversas manifestações patológicas, reduzindo a vida útil estrutural. A difusão do cloreto tem sido considerada uma das principais causas da corrosão das armaduras em concreto armado. A corrosão começa quando a concentração de cloreto na interface das armaduras atinge o teor limite, levando à despassivação, cuja avaliação do seu tempo de início é um grande desafio. Este estudo aplicou a abordagem transiente do Método dos Elementos de Contorno (MEC) para modelar a difusão de cloretos em poros do concreto. A técnica de sub-região do MEC possibilitou a representação de fissuras no domínio de forma eficaz, sendo também considerados efeitos ambientais. Por causa da inerente aleatoriedade do problema, a vida útil foi avaliada dentro do contexto probabilístico; portanto, a Simulação de Monte Carlo (SMC) avaliou o tempo de iniciação da corrosão probabilisticamente. Três aplicações demonstraram a precisão e robustez do modelo, no qual os resultados numéricos obtidos pelo MEC foram comparados com respostas numéricas, analíticas e experimentais da literatura. A modelagem probabilística reduziu substancialmente a vida útil estrutural quando o comprimento das fissuras superou a metade da espessura do cobrimento de concreto em ambientes altamente agressivos.

Palavras-chave: método dos elementos de contorno; difusão de cloreto; corrosão; durabilidade estrutural; análise probabilística

Abstract

This work aims to present a methodology for the elaboration of a deformation map in a Portland cement concrete specimen to predict fractures caused by axial compression stresses, using the technique of Digital Image Correlation - DIC 2D. For this purpose, 5 concrete specimens with compressive strength expected at 28 days fck of 40 MPa were analyzed, which were tested in the ABNT NBR 5739/2018 standard - compression test of cylindrical concrete specimens. During the test, the necessary digital images were acquired in the DIC-2D array. These images were subsequently processed, and the results interpreted statistically. According to the result of the correlation of images obtained, it was found that 67% of the specimens had regions of accumulation of stresses that indicated in advance the location of the rupture, which enabled the development of a fracture prediction map. The results obtained in the research showed that the methodology used by means of the DIC-2D arrangement was able to predict the place where the rupture in the specimens occurred.

Keywords: fracture; deformation; concrete; image

Este trabalho tem como objetivo apresentar uma metodologia para elaboração de um mapa de deformação em um corpo de prova de concreto de cimento Portland de modo a prever fraturas provocadas por tensão de compressão axial, utilizando técnica de Correlação Digital de Imagem - CID 2D. Para alcançar este objetivo, foram analisados 5 corpos de prova de concreto com resistência à compressão esperada aos 28 dias fck de 40 MPa que foram ensaiados por meio da norma da ABNT NBR 5739/2018 - ensaio de compressão de corpos de prova cilíndricos de concreto. Durante o ensaio foram adquiridas as imagens digitais necessárias no arranjo CID-2D. Posteriormente essas imagens foram processadas e os resultados interpretados estatisticamente. De acordo com o resultado de correlação de imagens obtido, constatou-se que 67% dos corpos de prova possuíam regiões acumuladoras de tensão que indicaram antecipadamente o local da ruptura, o que permitiu a elaboração de um mapa de previsão de fratura. Os resultados obtidos na pesquisa mostraram que a metodologia utilizada por meio do arranjo CID-2D conseguiu prever o local onde houve ruptura no corpo de prova.

Palavras-chave: fratura; deformação; concreto; imagem

Abstract

Bacterial solutions have been studied to promote self-healing of cementitious matrices, however, the concentration of this solutions varied between studies. Consequently, the objective of this study was to evaluate the self-healing potential of different concentrations of Bacillus subtilis AP91 encapsulated in expanded perlite (EP). Visual examination and capillary absorption of water was measured over time. Test samples were also subjected to strength resistance tests. The physiochemical properties of EP and his distribution on the matrix was evaluated. There was no observable trend in the effect of solution concentration on the width of crack healed. However, concentration affected the quantity and length of the fissures healed. Capillary absorption decreased as fissures were healed while no significant changes were measured in strength resistance regardless of the concentration. Results indicated that EP provided suitable encapsulation to the bacterial solution and there is an adequate distribution of the capsules in the cementitious matrix.

Keywords: bacteria; concrete; durability; cracking; mortar; self-healing

Soluções bacterianas têm sido estudadas para promover a autocura de matrizes cimentícias, entretanto, a concentração dessas soluções variou entre os estudos. Consequentemente, o objetivo deste estudo foi avaliar o potencial de autocura de diferentes concentrações de Bacillus subtilis AP91 encapsulado em perlita expandida (PE). O exame visual e a absorção capilar de água foram medidos ao longo do tempo. As amostras de teste também foram submetidas a testes de resistência de força. Foram avaliadas as propriedades físico-químicas do EP e sua distribuição na matriz. Não houve tendência observada no efeito da concentração da solução na largura da fissura cicatrizada. No entanto, a concentração afetou a quantidade e o comprimento das fissuras cicatrizadas. A absorção capilar diminuiu conforme as fissuras foram curadas, enquanto nenhuma mudança significativa foi medida na resistência da força, independentemente da concentração. Os resultados indicaram que a EP proporcionou encapsulamento adequado à solução bacteriana e que há uma distribuição adequada das cápsulas na matriz cimentícia.

Palavras-chave: bactéria; concreto; durabilidade; fissura; argamassas; autorregenerantes

Abstract

Portland cement remains the main material of choice in construction due to its thermal, mechanical and durability properties. However, there is growing concern about the large amount of energy consumed and the environmental pollution generated during its production. The objective of this study, therefore, was to evaluate the potential of the fine residual material produced by crushing basalt rocks to form a supplementary cementitious matrix through alkaline activation. Basalt powder with a particle size of less than 53µm was prepared and activated with a sodium hydroxide solution, with a sodium silicate solution as an adjuvant. The curing process of the material was also carried out at 5 temperature levels, 75, 85, 100, 115, 125°C, according to the experimental design. The paste was dry curing at a standard digital laboratory oven for 24 hours. After curing, the compressive strength of the material was evaluated, reaching a mean value of 10.21 MPa for the H5S15T125 mixture at 28 days. The microstructure analysis was performed by X-ray microtomography, presenting the reconstruction of the internal pores and cracks, leading to the conclusion that higher curing temperatures formed more porous matrices, although with more strength. Based on the collected data, the statistical analysis of the design was performed showing that sodium hydroxide and temperature have a statistically significant effect on the response variable compressive strength. As such, the alkali-activation of basalt powder can potentially produce a cementitious material of moderate strength, giving purpose to the residue and reducing the emission of harmful particles into the atmosphere.

Keywords: basalt; geopolymer; alkali-activated materials; cement

O cimento Portland continua sendo o principal material de escolha na construção civil, devido às suas propriedades térmicas, mecânicas e de durabilidade. No entanto, há uma crescente preocupação com a grande quantidade de energia consumida e a poluição ambiental gerada durante sua produção. Dessa forma, a presente pesquisa buscou avaliar o potencial do material residual fino produzido pela britagem de rochas basálticas através da ativação alcalina, para formar uma matriz cimentícia suplementar. O pó do basalto com tamanho de partículas menor que 53μm foi preparado e ativado com solução de hidróxido de sódio, tendo como coadjuvante a solução silicato de sódio. O material também teve o processo de cura realizado em 5 níveis de temperatura, 74,8, 85, 100, 115, 125,2°C conforme o delineamento experimental. Depois de curado o material teve a resistência à compressão avaliada, atingindo valor médio de 10,21 MPa para a mistura H5S15T125. A análise da microestrutura foi realizada através da microtomografia de raios X, apresentando a reconstrução dos poros e fissuras presentes internamente, concluindo que temperaturas de cura mais altas formaram matrizes mais porosas, embora com mais resistência. A partir dos dados coletados foi realizada a análise estatística do planejamento apresentando que hidróxido de sódio e a temperatura apresentam efeito estatisticamente significativo na variável resposta resistência à compressão. Portanto, é possível através da álcali-ativação do pó de basalto produzir um material cimentício de resistência moderada, dando finalidade ao resíduo e diminuído a emissão de partículas nocivas à atmosfera.

Palavras-chave: basalto; geopolímero; materiais álcali-ativados; cimento

Abstract

A smeared crack model to represent cyclic concrete behavior is presented in this work. The model is based on analytical and experimental studies from the literature and proposes a numerical approach using a new concept, the generalized secant modulus. The monotonic formulation is described, followed by the changes to include the cyclic response, and the stress-strain laws to reproduce the hysteresis. Simulations adopting the proposed model were compared with experimental tests of cyclic tension and compression available in the literature, resulting in consistent load cycles. Three-point bending was simulated to display the structural response under non-elementary load. Finally, a reinforced concrete beam was studied to evaluate the model performance under usual loadings. The results show the model capacity to reproduce cyclic analyses and its potential to be extended to general loadings.

Keywords: concrete; cyclic load; constitutive model; generalized secant modulus; stress-strain law

Um modelo de fissuração distribuída para representar o comportamento cíclico do concreto é apresentado neste trabalho. O modelo é baseado em estudos analíticos e experimentais presentes na literatura e propõe uma abordagem numérica utilizando um conceito novo, o módulo secante generalizado. A formulação monotônica é descrita, seguida pelas alterações para inclusão da resposta cíclica e pelas leis tensão-deformação para reproduzir a histerese. Simulações adotando o modelo proposto foram comparadas com ensaios experimentais de tração e compressão cíclicas disponíveis na literatura, resultando em uma representação consistente dos ciclos de carga. Uma flexão em três pontos foi simulada para exibir a resposta estrutural sob cargas não elementares. Por fim, uma viga de concreto armado foi estudada para avaliar o desempenho do modelo sob carregamentos usuais. Os resultados mostram a capacidade do modelo em reproduzir análises cíclicas e seu potencial de extensão a casos gerais de carregamento.

Palavras-chave: concreto; carga cíclica; modelo constitutivo; módulo secante generalizado; lei tensão-deformação

Abstract

This paper presents the development of a nonlinear finite element analysis program for reinforced concrete structures, subject to monotonic loading, using thin flat shell finite elements. The element thickness is discretized in concrete and steel layers. It is adopted the Newton-Raphson method, considering a secant stiffness approach for the Material Nonlinear Analysis, based on the Modified Compression Field Model (MCFT), unlike the usual tangent stiffness approach. The original formulation was expanded to also consider the Geometric Nonlinear Analysis, through a Total Lagrangian Formulation. The program was validated through comparison with experimental results, for different structures. It was observed good agreement, besides adequate computational cost.

Keywords: reinforced concrete; finite elements; nonlinear analysis; shells; plates

Palavras-chave: concreto armado; elementos finitos; análise não-linear; cascas; placas

Abstract

Numerical analysis of the behavior of piled rafts seated on uniform soil with low bearing capacity has been important to support the project design. The calibration of the numerical model with instrumented load test allows usage of the results, in given conditions, in the foundation design of small and medium-sized buildings built on soils with the same mechanical properties analyzed in this paper. In this context, this paper evaluates numerical models, which allow to consider the influence of short bored piles connected to the raft. The models are also assessed using piled rafts concepts. From the results obtained, the load supported by the total shaft resistance is significant for the case of bored piles, and this load is from 14% to 30% higher in the case more flexible or thinner raft. Inserting piles in the rafts reduces settlement and increases overall stiffness. Such effects are amplified in piles with higher slenderness ratios (L/d).

Keywords: piled raft; numerical modeling; bored piles; load sharing; settlement reduction

A análise numérica do comportamento de radiers estaqueados assentes em solo uniforme e de baixa capacidade de suporte tem se mostrado importante para subsidiar a concepção do projeto. A calibração do modelo numérico com uma prova de carga instrumentada permite que os resultados possam ser aplicados, dentro das condições estabelecidas, ao projeto de fundações para edificações de pequeno e médio porte assentes em solos com as mesmas propriedades mecânicas analisadas neste artigo. Nesse sentido, o artigo avalia modelos numéricos, que permitam estudar a influência de estaca curta executada por escavação acoplada ao radier. Os modelos também são avaliados a partir dos conceitos de radier estaqueado. A partir dos resultados obtidos, verifica-se que a carga suportada pela resistência lateral, significativa para o caso de estacas escavadas, é de 14% a 30% maior para radiers mais flexíveis ou com menores espessuras. A introdução de estacas nos radiers promove a redução de recalques e o aumento da rigidez do sistema, tendo seus efeitos ampliados para estacas com esbeltezes (L/d) mais elevadas.

Palavras-chave: radier estaqueado; modelagem numérica; estacas escavadas; distribuição de carga; redução de recalques

Abstract

In the present research, the reliability of optimized reinforced concrete beams was evaluated in different design situations. Simply supported beams were optimized to find the dimensions and reinforcements of the cross-section that minimize costs, meeting the criteria of technical codes, through genetic algorithms. For each optimized beam, the reliability index was obtained in relation to the ultimate limit state of flexure with the iHLRF algorithm, considering the uncertainties of the resistance and load models, loads and resistances. It wa s verified that the reliability indexes, in general, were higher than the minimum value of 3.8, recommended by technical codes, in design situations with little live load. Through a parametric study, trends were identified for the reliability index according to the design parameters and characteristics of the beams.

Keywords: beams; reinforced concrete; structural optimization; structural reliability

Na presente pesquisa foi realizada a avaliação da confiabilidade de vigas otimizadas de concreto armado em diferentes situações de projeto. Vigas simplesmente apoiadas foram otimizadas para encontrar as dimensões e armaduras da seção transversal que minimizam os custos, atendendo aos critérios das normas técnicas, por meio dos Algoritmos Genéticos. Para cada viga otimizada, foi obtido o índice de confiabilidade em relação ao estado-limite último de flexão com o algoritmo iHLRF, considerando as incertezas dos modelos da resistência e da solicitação, das cargas e das resistências. Foi verificado que os índices de confiabilidade, de modo geral, foram maiores que o valor mínimo de 3,8, recomendado por códigos normativos, nas situações de projeto com pouca carga variável. Através de um estudo paramétrico, foram identificadas tendências para o índice de confiabilidade em função dos parâmetros de projeto e das características das vigas.

Palavras-chave: vigas; concreto armado; otimização estrutural; confiabilidade estrutural

Abstract

Composite elements are structures of concrete, or other materials, constructed in different casting stages that act jointly under external loads. These elements are used when it is intended to combine the constructive advantages of precast structures with the monolithic behavior of cast-in-place structures. In regular civil engineering applications, such as the construction of a bridge or viaduct, the precast section is used as shoring before casting the slab in place. This process leads to imposed deformations prior to the ultimate limit state and a discontinuity in the specific strain of the composite cross section. This work proposes a methodology to design composite cross sections, built in two casting stages, evaluating the specific strain provided the construction process that can be easily implemented in precise computational routines. From applying the methodology on study-case numerical example, it is observed that the beam casted in two stages presents a factored moment resistance smaller than an identical beam casted in a single stage. However, further investigations should be conducted to assess the extent of this difference.

Keywords: composite sections; construction process; precast; bending; structural design

Elementos compostos são estruturas de concreto, ou outros materiais, executados em moldagens distintas que atuam de maneira conjunta sob ações externas. Esses elementos são utilizados quando se pretende aliar as vantagens construtivas de estruturas pré-moldadas ao comportamento monolítico de estruturas moldadas no local. Em situações comuns na engenharia civil, como a construção de uma ponte ou viaduto, a seção pré-moldada é utilizada como cimbramento para a moldagem no local da laje. Esse processo proporciona deformações prévias ao estado-limite último e descontínuas na seção transversal composta. Este trabalho propõem uma metodologia para dimensionamento de seções compostas, em duas etapas de concretagem, avaliando as deformações proporcionadas pelo processo construtivo que pode ser facilmente implementada em rotinas computacionais precisas. Aplicando a metodologia em um exemplo numérico, é observado que a seção concretada em duas etapas apresenta um momento resistente menor que uma seção idêntica concretada em etapa única. Porém são necessárias mais investigações para avaliar a amplitude desta divergência em outros elementos.

Palavras-chave: seções compostas; processo construtivo; pré-moldado; flexão; dimensionamento