Um modelo multifásico para estruturas em concreto armado

Abstract

Determinar o comportamento de materiais reforçados a partir do conhecimento das propriedades individuais de seus componentes é assunto de uma quantidade considerável de pesquisas experimentais e teóricas nas últimas décadas. Nesse trabalho, um modelo multifásico para determinação do comportamento macroscópico de estruturas de concreto armado no contexto da elastoplasticidade e considerando a interação entre o concreto e as armaduras é apresentado e incorporado em um código numérico em elementos finitos. Em uma escala macroscópica o meio multifásico é tomado como a superposição geométrica de meios contínuos em interação mútua, chamados de fase matriz e fase reforço. Cada fase possui cinemáticas distintas oferecendo, desta forma, um arcabouço adequado para levar em conta o deslizamento das barras de aço em relação à matriz de concreto. As equações de movimento são desenvolvidas com a aplicação do método dos trabalhos virtuais. A evolução elastoplástica é obtida a partir da avaliação de um critério próprio para cada constituinte e para interação, computando as tensões parciais correspondentes e obtendo um comportamento desacoplado por fase. A resistência do concreto em um estado de tensões multiaxial é estimada a partir do critério de falha de Ottosen e a fissuração do concreto é representada utilizando um modelo de fissuras distribuídas. Utilizando uma implementação tridimensional em elementos finitos, a ferramenta numérica desenvolvida é aplicada para analisar vigas e lajes sob carregamento prescrito e uma boa concordância entre os resultados numéricos e experimentais é obtida. Ao final é apresentado uma análise de ensaio de arrancamento onde o principal objetivo é a investigação dos parâmetros relevantes que controlam a lei de interação entre o concreto e as barras de aço.

Predicting the behavior of reinforced materials from the knowledge of the individual properties of its components has been a subject of several experimental and theoretical works in recent years. In this work, a multiphase model for assessing the macroscopic behavior of reinforced concrete structures in the context of elastoplasticity and accounting for the interaction between the reinforcing bars and the surrounding concrete is presented and implemented in a finite element numerical code. Considering a macroscopic scale, the multiphase model is regarded as superposition of several continua in mutual interaction, namely matrix phase and reinforcement phase. For each phase different kinematics are attributed providing a suitable framework to consider the slippage between the matrix and the reinforcement. The general equations of motion are derived by means of the virtual work method. The elastoplastic evolution is carried out considering each phase and the interaction separately, computing the corresponding partial stresses and projecting onto the yield domain of the multiphase medium. The strength of concrete under multiaxial states of stress is estimated from the so-called Ottosen failure criterion and the concrete cracking issue is accounted with a smeared crack model. Using a three-dimensional finite element implementation, the numerical tool developed is applied to analyze reinforced concrete beams and slabs under prescribed loading and a good agreement between numerical and experimental results is obtained. Finally, the investigation of the main parameters that govern the interaction law of concrete and reinforcing bars has been the central purpose of the pullout tests simulations.