Numerical Simulation of Reinforcement and Rehabilitation of Beams in Reinforced Concrete

Apesar do concreto ser um dos materiais mais utilizados na construção civil, muitos estudos sobre o comportamento desse material ainda vêm sendo desenvolvidos devido à complexidade de sua estrutura interna, podendo ser caracterizado como isotrópico ou até anisotrópico, a depender da escala de análise utilizada. Um problema recorrente em elementos estruturais compostos por esse material é o aparecimento de fissuras provocadas principalmente devido à sua baixa resistência à tração. Dessa forma, técnicas para o reforço de estruturas em concreto armado vêm sendo estudadas e aplicadas pelos profissionais da área. Modelos numéricos representativos dos procedimentos para recuperação de estruturas têm sido desenvolvidos, resultando em ferramentas computacionais para simulação dessas estratégias. Nesse contexto, o objetivo principal deste trabalho é a elaboração de um código computacional para simulação numérica de uma viga em concreto armado com reforço (por meio de uma manta polimérica) e recuperação (através da substituição do concreto). Para a consideração da não linearidade física do material, utilizou-se o modelo de dano de Mazars. A modelagem ocorreu desde a geração da situação em que foi verificada a necessidade de intervenção na estrutura até a aplicação do reforço e análise posterior à execução do processo. Foram combinados diferentes elementos finitos na representação do conjunto, descrevendo separadamente a armadura e a matriz cimentícia. A análise foi realizada através da implementação do método dos elementos finitos com formulação posicional, ou seja, considerando as posições nodais ao invés dos deslocamentos como variáveis e considerando a não linearidade geométrica. A formulação utilizada permitiu a representação da armadura e da matriz cimentícia sem a necessidade de coincidência das malhas. O sistema de referência para a formulação posicional é o Lagrangiano total e a formulação foi feita a partir da minimização do funcional de energia potencial total do sistema. Para a solução do problema não linear foi utilizado o método incremental iterativo de Newton-Raphson. As implementações foram realizadas na linguagem computacional FORTRAN.Although concrete is one of the materials most used in construction, many studies on the behavior of this material have been conducted due to the complexity of its internal structure, which can be characterized as isotropic or even anisotropic depending on the scale of analysis used. A recurring problem in structural elements composed of this material is the appearance of cracks caused mainly due to its low tensile strength. Thus, techniques for reinforcement of concrete structures have been studied and used by the professionals of the field. Numerical models representative of these procedures for the recovery of structures have been developed, resulting in computational tools to simulate these strategies. In this context, the main objective of this project is the development of a computational code for the numerical simulation of a reinforced concrete beam (by polymeric blanket) and its recovery (by substitution of the concrete). For the physical non-linearity of the material, the Mazars damage model was used. The modeling occurred from the generation of the situation in which the need for intervention in the structure was verified until the application of the reinforcement and analysis after the execution of the process. Different finite elements were combined in the representation of the set, separately describing the reinforcement and the cementitious matrix. The analysis was performed through the implementation of the finite element method with positional formulation, that is, considering nodal positions instead of displacements as variables and considering geometric non-linearity. The formulation used allowed the representation of the reinforcement and cementitious matrix without the need to match the meshes. The reference system for the positional formulation is the total Lagrangian and the formulation is made from the minimization of the total potential energy functional of the system. Newton-Raphson\'s iterative incremental method was used to solve the non-linear problem. The implementations were performed in FORTRAN computational language