Análise da confiabilidade de vigas em concreto armado reforçado com fibras de aço em relação aos esforços transversais

Abstract

Esta dissertação tem por objetivo analisar a confiabilidade de vigas em concreto armado reforçado com fibras de aço em relação aos esforços transversais, verificando a possibilidade de substituição das armaduras transversais por fibras de aço, mediante manutenção da confiabilidade estrutural. Para realização da modelagem numérica é empregado o método dos elementos finitos (MEF) através do software ANSYS. Para avaliação da confiabilidade estrutural é desenvolvida uma ferramenta na forma de uma biblioteca em Python. Nessa ferramenta são implementados o método de confiabilidade de primeira ordem (FORM) e o método de Monte Carlo. A ferramenta é construída de forma a aceitar funções de estado limite explícitas e implícitas. É ainda implementado nessa um módulo que permite o acoplamento da linguagem Python ao software ANSYS, permitindo a avaliação da confiabilidade estrutural de estruturas modeladas através do MEF. A fim de melhor representar os elementos estruturais, são implementados no software ANSYS, através da subrotina usermat, novos modelos constitutivos para representação do concreto e do concreto reforçado com fibras de aço (CRFA). Para o concreto é adotada a superfície de ruptura de Ottosen, enquanto para o CRFA é adotada uma variante da superfície de Willam-Warnke. Na modelagem de ambos materiais é empregado o modelo de fissuras distribuídas e é considerado o efeito de tension-stiffening, no qual é introduzido um novo critério para melhor representar vigas sem reforços transversais. Dados experimentais disponíveis na literatura são empregados para validação dos modelos numéricos. São dimensionadas vigas conforme as prescrições da NBR-6118:2014, reforçadas transversalmente por estribos, empregando diferentes resistências de concreto e taxas de armadura longitudinal. Essas são modeladas numericamente adotando como reforço transversal: a armadura dimensionada, taxas usuais de fibras (0,5%, 1,0% e 2,0%), ou nenhum reforço; determinando as cargas de ruptura, modos de falha e diagramas carga-deslocamento. Os índices de confiabilidade para as vigas modeladas são obtidos exclusivamente através do método FORM, considerando como variáveis aleatórias a resistência do concreto, as tensões de escoamento das armaduras, o volume de fibras e os carregamentos permanente e acidental. Conclui-se que a substituição dos estribos por fibras de aço é viável, produzindo vigas de maior rigidez e carga última. Todavia, é necessária maior atenção ao nível de confiabilidade obtido, visto que o comportamento das fibras de aço apresenta maior dependência da matriz cimentícia, que apresenta maior variabilidade em suas propriedades.

This essay aims to analyze the reliability of steel fiber reinforced concrete beams in relation to transversal stresses, testing the replacement of transverse reinforcement by steel fibers, aiming the maintenance of structural reliability. To perform numerical modeling, the finite element method (FEM) is used through the ANSYS software. To evaluate structural reliability, a tool in the form of a Python library is developed. In this tool, the First Order Reliability Method (FORM) and the Monte Carlo method are implemented. The construction of the tool admits explicit and implicit limit state functions. It is also implemented in this tool a module that allows the coupling of the Python language and the ANSYS software, this allows the structural reliability evaluation of structures modeled using the FEM. To have a better mechanical representation of the structures, using the subroutine usermat, new constitutive models are implemented in the ANSYS software for concrete and steel fiber reinforced concrete (SFRC). The Ottosen’s failure surface is adopted for the concrete, while a variation of Willam-Warnke’s failure surface is used for SFRC. The smeared crack model is used for both materials, taking account of the tension-stiffening effect, where a new criterion is introduced aiming to have a better representation of beams without transverse reinforcement. The numerical models are validated with experimental data obtained from other authors. Concrete beams are designed as set in NBR-6118:2014, using stirrups as transverse reinforcement, matching different concretes and longitudinal reinforcement rates. These beams are numerically simulated adopting as transverse reinforcement: the designed stirrups, usual fiber rates (0,5%, 1,0%, and 2,0%), or without any reinforcement; so that the ultimate load, failure modes and, load-displacement diagrams are obtained. Reliability indexes are evaluated using FORM, by having as random variables the concrete strength, the yield of the reinforcement steels, the fiber volume, and the dead and live load. This study concludes that stirrups could be replaced by steel fibers, producing beams with greater ultimate load and stiffness. Although, more attention to the reliability indexes is necessary, as SFRC has more dependency on the cementitious matrix, which has a bigger variation on its properties.