Simulação Numérica de Vigas de Concreto Reforçado com Fibras

Resumo

O concreto é um dos materiais mais importantes na construção civil, devido à fatores como resistência, durabilidade, e alta trabalhabilidade. Particularmente, o concreto autoadensável (CAA), devido à sua fluidez, tem a capacidade de se espalhar sem uma maior necessidade de vibração e compactação externa. A simulação numérica de estruturas de CAA reforçado com fibras tem como principal objetivo a redução de custos na hora de analisar e projetar estruturas realizadas com este material. Para que as simulações sejam confiáveis, deve-se primeiro comparar as simulações a resultados experimentais realizados em condições controladas. Por este motivo foram construídas duas geometrias de vigas de seção T, sendo no primeiro modelo nervuras planas com altura constante de 60mm, e no segundo, as nervuras possuem uma inclinação ao longo do comprimento, resultando numa altura de 100mm no centro da viga. A análise de cada uma das geometrias foi realizada com e sem reforço de barras de aço ao longo da viga. Desta forma, se tem quatro configurações estudadas no ensaio de tração na flexão em três pontos realizado na máquina universal de ensaios Instron. Os resultados experimentais mostram que para as vigas T planas sem barra, a carga máxima média suportada foi de 2,85KN, e para as vigas T inclinadas sem barra, o valor encontrado foi de 9,73KN. No caso das vigas T planas com barra, a carga máxima média foi 14,49KN, enquanto para as vigas T inclinadas com barra o valor é de 13,15KN. Foram então realizados quatro modelos de simulações, um para cada modelo ensaiado: viga T inclinada com barra de aço; viga T inclinada sem barra de aço; viga T plana com barra de aço e viga T plana sem barra de aço. As simulações numéricas destas vigas foram realizadas com o método dos elementos discretos composto por barras (do Inglês LDEM) implementado no ambiente Abaqus/Explicit. Neste método o sólido é representado por intermédio de uma treliça espacial e quando cada elemento esgota sua capacidade portante é eliminado, simulando a ruptura do material. As propriedades do material utilizadas na simulação foram obtidas diretamente dos resultados experimentais ou indiretamente utilizando fórmulas normatizadas que correlacionam as propriedades medidas e as necessárias. Assim, foi definido o módulo de elasticidade de 32780 MPa; resistência a compressão igual a 102,38Mpa, resistência a tração igual a 15,66Mpa, energia específica de fratura (Gf) de 167,94 N/m; densidade de 2400 kg/m³. Estas propriedades junto com as dimensões do tamanho do módulo básico do LDEM e a malha de elementos adotada são colocadas em uma sub-rotina programada no Matlab que ajuda a montar o script a ser lido posteriormente pelo Abaqus. No Abaqus é finalizada a geometria do problema e são colocadas as condições de contorno e carregamento. Inicialmente foram analisadas quatro condições de contorno e carregamento para ver qual era a mais adequada e representava melhores resultados. Para o primeiro caso, a carga distribuída foi aplicada diretamente sob a viga e as condições de contorno foram aplicadas também diretamente na mesma servindo de apoio, fixando a estrutura nas duas extremidades inferiores. Para os casos a seguir o carregamento foi realizado por intermédio de um cilindro de diâmetro 250mm, de modo que a carga distribuída fosse aplicada sob esta primeira estrutura e então esse material viesse a deformar a viga, de modo mais semelhante ao que ocorre no laboratório. No segundo caso as condições de contorno foram aplicadas diretamente sob as extremidades inferiores da viga, enquanto no terceiro, as condições foram aplicadas em bases de elementos finitos utilizados de apoio, permitindo assim que ao deformar, as extremidades longitudinais da viga pudessem levantar-se levemente, fenômeno esse que se aproxima mais do observado nos ensaios realizados em laboratório. No quarto caso, diferente do terceiro, temos que parte da viga é simulada com elementos finitos para evitar falhas nas extremidades, coisa não observada nos experimentos. Em cada modelo analisado foram registradas as curvas de balance energético (energia de dissipação de danos, energia cinética e energia de deformação ao longo do tempo) e também as configurações de ruptura. Os resultados encontrados com as simulações representam os mesmos mecanismos de falha encontrados experimentalmente. Quando agregadas barras de aço, a forma da falha é alterada, aumentado a resistência em forma proporcional. É importante salientar que os lugares onde ocorreram a ruptura, nas extremidades onde encontram os apoios e no meio da peça, são semelhantes tanto na viga simulada quanto na ensaiada. Os valores de carga máxima encontrados numericamente diferem dos encontrados experimentalmente, o que poderá ser ajustado alterando as propriedades. Fator esse que será prioridade em simulações futuras.