Modelagem numérica do concreto reforçado com fibras de aço utilizando elementos coesivos e elementos de contato aço-concreto

Abstract

O comportamento quase-frágil do concreto pode resultar na formação de fissuras em estruturas construídas com esse material. No entanto, a adição de fibras de aço tem se mostrado altamente eficaz na melhoria do comportamento pós-fissuração do concreto, aumentando sua capacidade de absorção de energia e reduzindo a probabilidade de danos estruturais. Como resultado, o concreto reforçado com fibras de aço (CRFA) pode suportar cargas mais altas, resistir melhor às condições climáticas e à agressão química, e ter uma vida útil mais longa em comparação com o concreto convencional. Nesse contexto, esta pesquisa apresenta uma abordagem numérica para simular o comportamento do CRFA. A simulação do comportamento do concreto (incluindo a fratura) é realizada utilizando elementos finitos volumétricos combinados com elementos coesivos. Um modelo elástico linear é usado para os elementos volumétricos, enquanto o modelo para os elementos coesivos é baseado na teoria da plasticidade e na mecânica da fratura, permitindo a previsão do desenvolvimento e propagação de fissuras. As fibras de aço são modeladas usando elementos finitos de dois nós (elementos treliça) com um modelo constitutivo elasto-plástico unidimensional perfeito. Elas são posicionadas usando uma distribuição aleatória isotrópica, considerando o efeito da parede do molde. Elementos de contato especiais são usados para modelar o comportamento complexo e não linear da interface entre a fibra e a matriz, capazes de prever os deslocamentos relativos entre o concreto e as fibras de aço. A validação do método é realizada por meio de exemplos numéricos envolvendo conjuntos de fibras, com as curvas carga-deslocamento coincidindo com experimentos na literatura e os padrões de fratura alinhados com os modos de falha. A comparação com resultados experimentais reafirma que a aplicação dessa estratégia numérica na modelagem do comportamento do CRFA é altamente promissora, constituindo-se como uma ferramenta significativa para aprofundar a compreensão dos diferentes aspectos que regem o processo de falha desse material.