Behaviour analysis of steel fiber reinforced concrete structures using the finite element method

O concreto é um material que possui grande versatilidade de aplicação em construções e, desde a sua criação, vem sofrendo significativas modificações tanto na sua forma de produção e aplicação, quanto na sua composição. A razão para estas constantes modificações é a busca permanente do aperfeiçoamento das propriedades do concreto, ampliando ainda mais o seu espectro de utilização. Neste contexto e, visando principalmente melhorar o seu comportamento frágil perante esforços de tração, a adição de diferentes tipos de fibras surgiu como uma alternativa bastante promissora. Assim, fibras dispersas e concreto passam a formar, juntos, um material compósito, o qual, segundo verificações experimentais, pode trazer benefícios significativos às construções sob o ponto de vista estrutural. Este é o caso do concreto reforçado com fibras de aço (CRFA), em cujos ensaios foram observados aumentos importantes de resistência à tração e à compressão biaxial com o incremento da quantidade de fibras adicionadas. Visando uma análise mais profunda deste material, o presente trabalho tem por objetivo o estudo de peças de CRFA através da análise numérica tridimensional via Método dos Elementos Finitos. Para tanto, foi desenvolvido um programa computacional, em linguagem FORTRAN 90/95, com o intuito de modelar o comportamento de estruturas executadas com este material. Com base em estudos anteriores, foi implementado no programa um modelo constitutivo capaz de simular o comportamento do concreto com a presença das fibras. A representação do comportamento dos materiais foi feita através de um modelo elastoplástico, sendo analisadas estruturas sob condições de carregamento estático de curta duração. Especificamente para a determinação do comportamento do concreto com fibras, utilizou-se uma variante da superfície de ruptura de Willam-Warnke que considera a presença das fibras através da alteração do seu meridiano de tração. Além disso, a fissuração do concreto foi representada pelo modelo de fissuras distribuídas, que leva em consideração a contribuição da matriz entre fissuras. Dados experimentais disponíveis na literatura são apresentados para efeito de comparação com os resultados obtidos através do programa computacional desenvolvido. Observou-se que o modelo matemático e a metodologia numérica empregados forneceram resultados bastante próximos aos experimentais, validando, desta forma, a modelagem do CRFA realizada neste estudo através de alterações nas propriedades do concreto em função da presença das fibras.Concrete is a material of great versatility of application in constructions and, since its invention, it has been experimenting significant changes in its form of production and application as well as on its composition. The reason for these continued changes is a permanent search for improvement in concrete’s properties, to widen even more its spectrum of use. In this context, and targeting mainly the improvement of its fragile behavior under tension, the addition of different types of fibers came up as a promising alternative. In this way, disperse fibers and concrete form, together, a composite material that, according to experimental investigations, can bring significant contributions to constructions under a structural standpoint. This is the case of the steel fiber reinforced concrete (SFRC), in whose tests important tensile and biaxial compression strength increases were observed with the increment of the fiber quantity added. Aiming a deeper analysis of this material, the present work has the objective of studying SFRC elements through numerical analyses based on the Finite Element Method. For in such a way, a computational program has been developed in FORTRAN 90/95 language aiming the modeling of the behavior of structures made with this material. On the basis of previous studies, a constitutive model, capable of adequately simulate the behavior of SFRC, was implemented. The representation of the behavior of the materials was carried out through an elastoplastic model and structures under short duration loading conditions were analyzed. Specifically for the determination of the behavior of the concrete with fibers, a variant of the Willam-Warnke rupture surface has been used, which considers the fibers presence through modifications of its tension meridian. Additionally, the concrete cracking was represented in the program by the smeared cracking model, which takes into consideration the contribution of the matrix between cracks. Experimental data available in the literature are compared to the results obtained with the developed computational program. It is observed that the used mathematical model and numerical methodology give results that are quite close to the available experimental data, validating, in this way, the SFRC modeling implemented