Tese de doutoramento Estruturas /Engenharia CivilIn recent years concrete technology has been improved significantly due, mainly, to the
development of self-compacting concrete, ultra-fluid cement based materials, high
performance fiber reinforced concrete and engineered cement composites. These
developments have their main applicability in the pre-casting industry, where the earliest
demoulding of the pre-cast elements is an important aim for economic reasons. Due to the
relatively high cost of these advanced cement based materials, optimization of the behavior
of structural elements made with these materials is a fundamental issue for their
competitiveness. As a consequence, these materials are, in general, applied to relatively
thin elements that require special attention in terms of shear and punching resistance. With
the aim of studying these types of structures, a multi-directional fixed smeared crack model
for plane shells has been developed. This model implements an innovative approach for
capturing the behavior of laminar structures failing in punching, which is based on the
adoption of a softening diagram to simulate the behavior of the out-of-plane shear stress
components. Since most advanced cement based materials have relatively high binder content, the risk
of cracking at an early age should be evaluated using models that can estimate the heat
generated by the hydration of pozolanic components and the induced stress fields. For this
purpose, a FEM-based heat transfer model has been developed and integrated into a
mechanical model that can simulate the crack initiation and propagation in structures
discretized with solid finite elements. The mechanical model is a 3D multi-directional
smeared crack model with the capability of simulating the behavior of structures failing in
punching and shear. Shrinkage and creep are also a concern mainly for service limit states
due to crack opening limits. In the last two decades fiber reinforced polymer composite materials have also been used
for the structural rehabilitation of concrete structures, mainly for the flexural and shear
strengthening of reinforced concrete beams. The prediction of the behavior of the shear
viii Abstract
strengthened beams requires the use of crack constitutive models to simulate the decrease
of the shear stress degradation with the crack opening evolution, in agreement. Two
numerical approaches are proposed to simulate this phenomenon. One is based on the use
of a softening crack shear stress versus crack shear strain diagram to model the fracture
mode II, while in the other the total crack shear stress is obtained from the total crack shear
strain adopting a crack shear modulus that decreases with the crack normal strain. Fiber reinforcement mechanisms are more effectively mobilized when support redundancy
of a structure is high, since the stress redistribution capacity provides to this type of
structure an ultimate load that is much higher than the load at crack initiation. However,
the supporting conditions of a structure can change during the loading process, and even a
loss of contact can occur. To simulate accurately these situations, linear, nonlinear and
unilateral support conditions are numerically implemented.
To increase the robustness of the developed numerical models, innovative numerical
strategies are implemented in the stress update phase of the nonlinear finite element
analysis process. Furthermore, to improve the convergence performance of the finite
element nonlinear analyses an arc-length algorithm is implemented.
All the numerical models are implemented in the FEMIX 4.0 FEM package, using the
ANSI-C computer language.Fiber reinforcement mechanisms are more effectively mobilized when support redundancy
of a structure is high, since the stress redistribution capacity provides to this type of
structure an ultimate load that is much higher than the load at crack initiation. However,
the supporting conditions of a structure can change during the loading process, and even a
loss of contact can occur. To simulate accurately these situations, linear, nonlinear and
unilateral support conditions are numerically implemented.
To increase the robustness of the developed numerical models, innovative numerical
strategies are implemented in the stress update phase of the nonlinear finite element
analysis process. Furthermore, to improve the convergence performance of the finite
element nonlinear analyses an arc-length algorithm is implemented.
All the numerical models are implemented in the FEMIX 4.0 FEM package, using the
ANSI-C computer language. Estes materiais avançados de matriz cimentícia têm uma quantidade de ligante
relativamente elevado, pelo que a possibilidade de ocorrência de fendilhação nas primeiras
idades deve ser avaliada usando modelos que permitam estimar o calor gerado pela
hidratação do ligante durante o seu processo de cura, bem como a determinação das
correspondentes tensões. Para o efeito, no presente trabalho é desenvolvido um modelo de
transferência de calor baseado no método dos elementos finitos, o qual é integrado num
modelo mecânico que permite simular o início de fendilhação e a sua propagação em
estruturas discretizadas por elementos finitos de volume. Este modelo de fendilhação 3D
tem a possibilidade de simular a ocorrência de múltiplas fendas fixas distribuídas, bem
como o comportamento de estruturas cujo modo de ruptura é condicionado pelas
componentes de corte. A retracção e a fluência também são fenómenos de relevância em
estruturas constituídas por estes tipos de materiais, principalmente em estados limites de serviço por abertura de fenda, pelo que a sua modelação foi também integrada no modelo
termo-mecânico.
Nas últimas duas décadas, materiais de matriz polimérica reforçados com fibras contínuas
têm sido utilizados na reabilitação estrutural de estruturas de betão, principalmente para o
reforço à flexão e ao corte de vigas de betão armado. A previsão do comportamento das
vigas reforçadas ao corte requer o uso de modelos constitutivos capazes de simular a
diminuição da capacidade de transferência de tensão de corte com a evolução da abertura
de fenda. Duas abordagens numéricas são propostas para este fim. Uma delas baseia-se na
utilização de um diagrama de amolecimento para a modelação do modo II de fractura. A
outra suporta-se numa formulação total para a relação entre a tensão e a extensão de corte
na fenda, adoptando um módulo de rigidez correspondente ao modo II de fractura que
diminui com a extensão normal à fenda. De forma a aumentar a robustez dos modelos numéricos desenvolvidos, foram
implementadas algumas estratégias de actualização do estado de tensão no material durante
o processo de análise não linear. Com o objectivo de melhorar as características de
convergência dos métodos numéricos utilizados foram introduzidos algoritmos baseados
na técnica arc-length. Condições de apoio com comportamento linear, não linear e
unilateral também foram numericamente implementadas.
Todos os modelos numéricos foram implementados no software de elementos finitos
FEMIX usando a linguagem de programação ANSI-C