Numerical analysis of steel fiber reinforced concrete beams via finite element method

O concreto se caracteriza como material de maior aplicabilidade na construção civil devido a sua versatilidade e facilidade de manuseio. Com isso, a constate busca do aperfeiçoamento das propriedades deste material tem sido o foco de diversos estudos e motivação para desenvolvimento de novas tecnologias. Neste contexto, surge o concreto reforçado com fibras de aço (CRFA) que comprovadamente aumenta a resistência à tração e a compressão biaxial do compósito, além de contribuir para redistribuição de esforços, diminuição da retração e controle da fissuração no concreto. Visando uma análise mais aprofundada deste material, este trabalho tem como finalidade a reprodução numérica do comportamento de vigas em CRFA, por meio do Método dos Elementos Finitos, em combinação com as previsões de resistência de Dutra (2012) e o modelo de dano plástico Concrete Damaged Plasticity (CDP). Utiliza-se o estudo apresentado por Dutra (2012) para previsão de resistências do CRFA com base nas características da matriz cimentícia e o no tipo de fibra adotada para a mistura. O modelo da autora toma como base uma abordagem micromecânica do CRFA, empregando-se técnicas de homogeneização e tendo como resultado a formulação para o comportamento constitutivo do material. As previsões são calculadas através de uma rotina em MATLAB e aplicadas à análise numérica de elementos estruturais como forma de verificar a aplicabilidade destes resultados na análise numérica em um estado multiaxial de tensões. A representação do CRFA é feita através do modelo CDP, um modelo que é capaz de reproduzir o comportamento não-linear do compósito através de parâmetros de controle relacionados ao estado de tensões biaxiais e triaxiais de tensão. Esses parâmetros são calculados para melhor aproximação com a superfície proposta por Dutra (2012) e com a aplicação de modelos constitutivos para uma caracterização mais adequada do comportamento do CRFA. Toda análise é desenvolvida através do Método dos Elementos Finitos, no Abaqus SE. Faz-se então uma investigação das respostas mecânicas do CRFA em seus estados uniaxial, biaxial e multiaxial de tensões com variações de parâmetros. Resultados experimentais encontrados na literatura são utilizados para fins de comparação com as respostas analíticas e numéricas. Observou-se que o conjunto composto pelo modelo CDP, com suas devidas modificações, e as previsões de resistência e superfície de ruptura biaxial de acordo com Dutra (2012) forneceram resultados bem próximos aos experimentais, validando então a modelagem do CRFA através de entradas totalmente analíticas por meio de alterações nas propriedades do concreto devido a presença das fibras de aço.Concrete is characterized as the material with the most applicability in civil construction due to its versatility and ease of manipulation. The constant search for the improvement of the properties of this material has been the focus of several studies and motivation for the development of new technologies. In this context, steel fiber reinforced concrete (SFRC) appears, which has been proven to increase the tensile strength and biaxial compression of the composite, in addition to contributing to the redistribution of forces, reduction of shrinkage, and crack control in the concrete. Aiming at a more in-depth analysis of this material, this work aims at the numerical reproduction of the behavior of beams of SFRC, through the Finite Element Method, in combination with the resistance predictions of Dutra (2012) and the Concrete Damaged Plasticity (CDP). The study presented by Dutra (2012) is used to predict the resistance of the SFRC based on the characteristics of the cement matrix and the type of fiber adopted for the mixture. The author’s model is based on a micromechanical approach to the SFRC, using homogenization techniques, resulting in a formulation for the constitutive behavior of the material. The predictions are calculated through a routine in MATLAB and applied to the numerical analysis of structural elements as a way of verifying the applicability of these results in the numerical analysis in a multiaxial state of stresses. The SFRC is represented through the CDP model, a model that is capable of reproducing the nonlinear behavior of the composite through control parameters related to the state of biaxial and triaxial stress. These parameters are calculated for a better approximation with the surface proposed by Dutra (2012) and with the application of constitutive models for a more adequate characterization of the behavior of the CRFA. All analysis is performed using the Finite Element Method, in Abaqus SE. An investigation then is proceeded of the mechanical responses of the CRFA in its uniaxial, biaxial, and multiaxial states of stresses with variations in parameters. Experimental results found in the literature are used for a comparative study along with analytical responses. It was observed that the set composed by the CDP model, with its due modifications, and the predictions of resistance and biaxial rupture surface according to Dutra (2012) provided results very close to the experimental ones, then validating the SFRC modeling through analytical input and modifying the concrete properties due to the presence of steel fibers