This paper is the first part of an extensive work focusing the technological development of steel fiber reinforced concrete pipes (FRCP). Here is presented and discussed the experimental campaign focusing the test procedure and the mechanical behavior obtained for each of the dosages of fiber used. In the second part (“Steel fiber reinforced concrete pipes. Part 2: Numerical model to simulate the crushing test”), the aspects of FRCP numerical modeling are presented and analyzed using the same experimental results in order to be validated. This study was carried out trying to reduce some uncertainties related to FRCP performance and provide a better condition to the use of these components. In this respect, an experimental study was carried out using sewage concrete pipes in full scale as specimens. The diameter of the specimens was 600 mm, and they had a length of 2500 mm. The pipes were reinforced with regular bars and different contents of steel fibers in order to compare their performance through the crushing test. Two test procedures were used in that sense. In the first series, the diameter deformation was monitored by the use of two LVDTs positioned at both extremities of the pipes. In the second series, just one LVDT is positioned at the spigot. The results shown that the enlarged section of the socket gives to the pipe an rigidity increase. The fiber reinforcement is very effective, especially when low level of deformation is imposed to the FRCP. At this condition, the steel fibers showed an equivalent performance to superior class pipes made with regular reinforced. The fiber content of 40 kg/m3 provided a hardening behavior for the FRCP, and could be considered as equivalent to the critical volume in this condition.

Keywords: concrete pipes, steel fibers, crushing test, mechanical behavior, standards.

A primeira parte deste trabalho se concentra no desenvolvimento tecnológico de tubos de concreto reforçado com fibras (TCRF). São apresentados e discutidos os resultados obtidos em um estudo experimental focado no procedimento de ensaio e na resposta mecânica obtida para cada um dos teores de fibras utilizados nos tubos. Na segunda parte do trabalho (“Tubos de concreto reforçado com fibra de aço. Parte 2: Modelo numérico para simular o ensaio de compressão diametral”), se apresentam os aspectos associados à simulação numérica da resposta mecânica destes tubos. Este estudo foi levado a cabo com a finalidade de tentar reduzir algumas das incertezas relacionadas com o desempenho dos TCRF e proporcionar melhores condições para viabilizar o uso das fibras como elemento de reforço em tubos. Neste sentido, se realizou um trabalho experimental utilizando corpos-de-prova em escala real. O diâmetro destes tubos foi de 600 mm e seu comprimento de 2500 mm. Alguns dos tubos foram reforçados com armaduras convencionais e outros apenas com fibras metálicas com a finalidade de comparar as diferentes respostas mecânicas no ensaio de três cutelos. Empregaram-se dois procedimentos: numa 1ª série, o deslocamento diametral foi medido por meio de LVDTs posicionados em ambas as extremidades dos tubos, enquanto que, na 2ª série se mediu o deslocamento apenas na ponta dos tubos. Neste sentido, os resultados obtidos demonstraram que a avaliação da rigidez do sistema depende da forma de medida dos deslocamentos.
Além disso, foi comprovado que o reforço de fibras metálicas era eficiente, especialmente para níveis de carga próximos às cargas de serviço. Para baixas deformações, os TCRF apresentaram um melhor desempenho em termos de resistência em comparação com os tubos de concreto armado convencional. Por último, se concluiu que o consumo de 40 kg/m3 pode ser considerado o volume crítico de fibras, pois pode obter um encruamento para a resposta estrutural do tubo.

Palavras-chave: tubos de concreto, fibras de aço, ensaio de compressão diametral, normas

This paper is part of an extensive work about the technological development, experimental analysis and numerical modelling of steel fiber reinforced concrete pipes. The first part (“Steel fiber reinforced concrete pipes. Part 1: technological analysis of the mechanical behaviour”) dealt with the technological development of the experimental campaign, the test procedure and the discussion of the structural behaviour obtained for each of the dosages of fiber used. This second part deals with the aspects of numerical modelling. In this respect, a numerical model called MAP, which simulates the behaviour of fiber reinforced concrete pipes with medium-low range diameters, is introduced. The bases of the numerical model are also mentioned. Subsequently, the experimental results are contrasted with those produced by the numerical model, obtaining excellent correlations. It was possible to conclud that the numerical model is a useful tool for the design of this type of pipes, which represents an important step forward to establish the structural fibers as reinforcement for concrete pipes. Finally, the design for the optimal amount of fibers for a pipe with a diameter of 400 mm is presented as an illustrating example with strategic interest.

Keywords: concrete pipes, fibres, crushing test, numerical model, optimal design

Este artigo faz parte de um extenso trabalho relacionado ao desenvolvimento tecnológico experimental e modelagem numérica de tubos de concreto reforçados com fibra de aço. Na primeira parte (“Tubos de concreto reforçado com fibras de aço. Parte 1: Análise tecnológica do comportamento mecânico”), foi apresentado o estudo experimental com enfoque tecnológico, abordando o procedimiento de ensaio e a discussão do comportamento estrutural obtido para cada consumo de fibra e tipo de reforço empregado. Nesta segunda parte, são abordados os aspectos de modelagem numérica. Neste sentido, se apresenta um modelo numérico para a simulação do comportamento de tubos de diâmetros inferiores a 1000 mm chamado MAP. São explicitadas as bases do modelo numérico e, posteriormente, seus resultados são confrontados com os obtidos experimentalmente, obtendo-se excelentes níveis de correlacão. Se conclui que a ferramenta numérica é útil para a otimização deste tipo de tubos, o que representa um avanço importante para a implantação das fibras estruturais como refuerço de tubos de concreto. Além disso, com o objetivo de proporcionar um exemplo de interesse estratégico, se apresenta a otimização do consumo de fibras para un tubo de 400 mm de diâmetro.

Palavras-chave: vigas, tubos de concreto, ensaio de compressão diametral, modelo numérico, otimização

This work presents one and two-dimensional numerical analyses using isotropic and anisotropic damage models for the concrete in order to discuss the advantages of these modelling. Initially, it is shortly described the damage model proposed by Mazars. This constitutive model assumes the concrete as isotropic and elastic material, where locally the damage is due to extensions. On the other hand, the damage model proposed by Pituba, the material is assumed as initial elastic isotropic medium presenting anisotropy, plastic strains and bimodular response (distinct elastic responses whether tension or compression stress states prevail) induced by the damage. To take account for bimodularity two damage tensors governing the rigidity in tension and compression regimes, respectively, are introduced. Damage activation is expressed by two criteria indicating the initial and further evolution of damage. Soon after, the models are used in numerical analyses of the mechanical behaviour of reinforced concrete structures. Accordingly with comparison of the obtained responses, considerations about the application of the isotropic and anisotropic damage models are presented for 1D and 2D reinforced concrete structures modeling as well as the potentialities of the simplified versions of damage models applied in situations of structural engineering.

Keywords: damage mechanics, reinforced concrete, constitutive model

Este artigo apresenta análises uni e bidimensionais utilizando modelos de dano isótropo e anisótropo para o concreto com o objetivo de discutir sobre as vantagens deste tipo de modelagem. Inicialmente, o modelo de dano proposto por Mazars é brevemente descrito, onde o mesmo considera o concreto como meio isótropo e elástico, sendo a danificação decorrente de extensões em nível local. Por outro lado, o modelo proposto por Pituba admite o concreto como meio inicialmente isótropo e que passa a apresentar deformações plásticas, bimodularidade e anisotropia induzidas pelo dano. Para levar em conta a bimodularidade, dois tensores de dano governando a rigidez em tração e em compressão são introduzidos. Em seguida, os modelos constitutivos são utilizados em análises numéricas do comportamento mecânico de estruturas em concreto armado. De acordo com as respostas obtidas, discutem-se algumas considerações sobre a aplicabilidade de modelos de dano isótropos e anisótropos na modelagem de estruturas em concreto armado no âmbito de análises uni e bidimensionais, assim como são apresentadas as potencialidades de aplicação de versões simplificadas de modelos de dano em situações da Engenharia Estrutural

Palavras-chave: mecânica do dano, concreto armado, modelo constitutivo.

Bearing pads are used in precast concrete connections to avoid concentrated stresses in the contact area between the precast elements. In the present research, the bearing pads are Portland cement mortar with styrene-butadiene latex (SB), lightweight aggregate (expanded vermiculiteterm) and short fibers (polypropylene, glass and PVA), in order to obtain a material with low modulus of elasticity and high tenacity, compared with normal Portland cement mortar. The objective of this paper is to analyze the influence of surface roughness on the pads and test other types of polypropylene fibers. Tests were carried out to characterize the composite and test on bearing pads. Characterization tests show compressive strength of 41MPa and modulus of elasticity of 12.8GPa. The bearing pads tests present 30% reduction of stiffness in relation to a reference mortar. The bearing pads with roughness on both sides present a reduction up to 30% in stiffness and an increase in accumulated deformation of more than 120%, regarding bearing pads with both sides smooth.

Keywords: bearing pads; connections; precast concrete structures

Almofadas de apoio são usadas nas ligações de concreto pré-moldado para evitar concentração de tensões na área de contato entre os elementos. No presente trabalho, são confeccionadas almofadas em argamassa de cimento Portland e areia, que recebem ainda látex estirenobutadieno (SB), agregado leve (vermiculita termo-expandida) e fibras curtas (polipropileno, vidro e PVA), buscando tornar o material com baixo módulo de elasticidade e elevada tenacidade, comparado com a argamassa de referência, contendo apenas cimento Portland e areia. O objetivo deste trabalho é analisar a influência da rugosidade superficial nas almofadas e testar um novo tipo de fibras de polipropileno. Foram realizados ensaios de caracterização do compósito e ensaios em almofadas. Os resultados de caracterização indicam resistência à compressão de 41 MPa e módulo de elasticidade de 12,8 GPa. Os ensaios de almofadas revelam uma redução de 30% da rigidez em relação à argamassa de referência. Nas almofadas com rugosidade em ambos os lados houve uma redução de até 30% na rigidez e um aumento do afundamento acumulado de mais de 120%, em relação às almofadas com ambos os lados lisos.

Palavras-chave: almofadas de apoio. ligações. estruturas de concreto pré-moldado.

The mechanical strength of concrete can be affected by many conditions, among them the proportion of the mixture and the influence of external agents, such as external temperatures. Thus, the objective of the paper is to analyze the influence of low temperature on the evolution of concrete strength, from the molding of tests specimens cured at various temperatures. The specimens were submitted in the first 7 days, as curing temperatures ranging from 0°C to 25°C, simulating the lowest possible value for the start of the cement hydrations reactions to the considered ideal for development resistances. The results of the experimental program demonstrated at lower cure temperatures the strength of the mixture develops more slowly, as might be expected, but also found after 14 days, the strength of the mixtures was reversed, i.e., concretes cured at higher temperatures lower values. Thus, it was concluded the concrete in cold weather can be beneficial to its mechanical performance to over time, at the expense constructive steps in normal temperature

Keywords: external agents, low temperatures cure, evolution of resistance, hydration heat of Portland cement paste.

As resistências mecânicas do concreto podem ser afetadas por inúmeros condicionantes, como a proporção entre os seus constituintes e a influência de agentes externos, como a temperatura ambiente. Com isso, o objetivo deste artigo é analisar a influência das baixas temperaturas na evolução das resistências do concreto a base de cimento Portland, a partir da moldagem de corpos-de-prova curados em temperaturas variadas. Os corpos-de-prova foram submetidos, nos primeiros 7 dias, a temperaturas de cura que variaram de 0°C até 25°C, simulando as temperaturas mais baixas possíveis para o início das reações de hidratação do cimento até os valores considerados ideais para o desenvolvimento das resistências. Os resultados do programa experimental demonstraram que em temperaturas de cura inferiores a resistência à compressão da mistura se desenvolve mais lentamente, como era de se esperar, porém também verificou-se que a partir dos 14 dias, as resistências das misturas se inverteram, ou seja, os concretos curados a temperaturas superiores apresentaram valores menores. Com isso, concluiu-se que a concretagem em dias frios pode ser vantajosa para o seu desempenho mecânico ao longo do tempo, apesar de prejudicar etapas construtivas em situações normais de temperatura.

Palavras-chave: agentes externos, curas a baixas temperaturas, evolução de resistência, calor de hidratação da pasta de cimento Portland

Brazilian design code ABNT NBR6118:2003 - Design of Concrete Structures - Procedures - [1] proposes the use of simplified models for the consideration of non-linear material behavior in the evaluation of horizontal displacements in buildings. These models penalize stiffness of columns and beams, representing the effects of concrete cracking and avoiding costly physical non-linear analyses. The objectives of the present paper are to investigate the accuracy and uncertainty of these simplified models, as well as to evaluate the reliabilities of structures designed following ABNT NBR6118:2003 [1] in the service limit state for horizontal displacements. Model error statistics are obtained from 42 representative plane frames. The reliabilities of three typical (4, 8 and 12 floor) buildings are evaluated, using the simplified models and a rigorous, physical and geometrical non-linear analysis. Results show that the 70/70 (column/beam stiffness reduction) model is more accurate and less conservative than the 80/40 model. Results also show that ABNT NBR6118:2003 [1] design criteria for horizontal displacement limit states (masonry damage according to ACI 435.3R-68(1984) [10]) are conservative, and result in reliability indexes which are larger than those recommended in EUROCODE [2] for irreversible service limit states.

Keywords: reinforced concrete, physical nonlinearity, structural reliability, plane frame structures, service limit state

A norma ABNT NBR6118:2003 - Projeto de Estruturas de Concreto - Procedimento - [1] propõe o uso de modelos simplificados para a considera- ção da não-linearidade física na avaliação de deslocamentos em estruturas de concreto armado. Estes modelos penalizam a rigidez de pilares e vigas, representando efeitos de fissuração do concreto e dispensando a realização de análises não-lineares físicas de material. O presente trabalho tem por objetivos investigar a incerteza dos modelos simplificados propostos nesta norma, bem como determinar a confiabilidade de estruturas de edifícios projetadas segundo esta norma nos estados limites de serviço para deslocamentos horizontais. Estatísticas de erro de modelo são obtidas através da análise de 42 pórticos planos representativos. A confiabilidade de três edifícios típicos (de 4, 8 e 12 andares) é analisada, utilizando-se os modelos simplificados e a análise não-linear física dita rigorosa. Os resultados mostram que o modelo 70/70 (penalização de rigidez pilar/viga) é menos conservador e mais preciso do que o modelo 80/40. Os resultados mostram ainda que os critérios de verificação da norma ABNT NBR6118:2003 [1] para estado limite de serviço de deslocamentos horizontais (tendo em vista fissuração da alvenaria pelas prescrições da ACI 435.3R-68(1984) [10]) são conservadores, e resultam em índices de confiabilidade superiores aqueles sugeridos no EUROCODE [2] para estados limites de serviço irreversíveis.

Palavras-chave: concreto armado, não-linearidade física, confiabilidade estrutural, pórtico plano, estado limite de serviço

This work aims to investigate the viability and convenience of adopting a variable limit a1 for the instability parameter of buildings with reinforced concrete wall-frame or core-frame structures. Initially, the evolution of tall buildings global stability theory is summarized, giving emphasis to define when a second order analysis is needed. The treatment given to this subject by the present Brazilian code for concrete structures design (NBR 6118:2007) is also showed. It follows a detailed analytical study that led to the derivation of an equation for the variable limit a1; a series of examples is presented to check its accuracy. Results are analyzed, showing the validity bounds of the equation and research directions are suggested, in order to improve it.

Keywords: instability, bracing structures, second order

O presente trabalho tem por objetivo investigar a viabilidade e a conveniência de se adotar um limite variável a 1 para o parâmetro de instabilidade de edifícios com estruturas de concreto armado, constituídas por associações de pórticos com paredes ou núcleos. Inicialmente, é feito um resumo da evolução da teoria sobre a análise da estabilidade global de edifícios altos, especialmente sobre a definição da necessidade ou não de se realizar uma análise de segunda ordem; mostra-se também como esta questão é tratada pela atual norma de projeto de estruturas de concreto (NBR 6118:2007). Na seqüência, apresenta-se um detalhado estudo analítico que levou ao estabelecimento de uma fórmula para o limite variável a 1 , seguido de uma série de exemplos para testar a validade da mesma. Os resultados são analisados, mostrando-se os limites de validade da fórmula e indicando-se linhas de investigação no sentido de aperfeiçoá-la.

Palavras-chave: instabilidade, estruturas de contraventamento, segunda ordem