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FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais O concreto é uma mistura hábil de componentes comuns da superfície terrestre, o que, associado ao fato de não requerer mão de obra altamente qualificada para sua produção e ao seu bom desempenho térmico e mecânico, o torna o material construtivo mais utilizado pelo homem. Nesse contexto, o desenvolvimento urbano e a consequente evolução da construção civil proporcionaram uma crescente sofisticação das estruturas de concreto, implicando em solicitações de uso cada vez mais severas, como é o caso da submissão a gradientes térmicos, que pode fazer parte da condição de uso da estrutura, e estar prevista em projeto, ou ocorrer de forma acidental através de incêndios. Sendo assim, é necessário desenvolver modelos realistas, capazes de prever com confiabilidade, o comportamento dessas estruturas. Porém, esse não é um processo simples, uma vez que esse material apresenta uma microestrutura altamente complexa e heterogênea, o que aliado aos mecanismos de fissuração, resulta no seu comportamento não linear. Visando contribuir com este cenário, foi analisado computacionalmente o comportamento termomecânico de estruturas de concreto submetidas a altas temperaturas, empregando um conjunto de dados experimentais fornecidos pela Universidade Cergy-Pontoise, na França. Para isso, foram gerados corpos de prova sintéticos bidimensionais e tridimensionais, a partir dos quais foram feitas simulações utilizando o programa comercial de elementos finitos Abaqus e seu recurso de subrotinas. Através da implementação do modelo de dano de Mazars (1984), foi avaliada a evolução do dano, comparando os resultados das geometrias consideradas, constatando-se a congruência entre as mesmas. Para tal, foram utilizados problemas inversos para obtenção de parâmetros e propriedades desconhecidas, e foram desenvolvidos três modelos, sendo um elástico, um térmico e um termomecânico. Posteriormente, foi realizado o estudo da influência dos parâmetros do modelo de dano de Mazars (1984) na evolução do módulo de Young. Por fim, foi avaliado o impacto da granulometria e do volume relativo dos agregados no processo de danificação do concreto. Os resultados obtidos atestaram a eficácia da metodologia proposta. Concrete is a handy mixture of typical components of the earth’s surface. It is associated with the fact that it does not require highly qualified labor for its production and good thermal and mechanical performance, making it the most used construction material. In this context, urban development and the consequent evolution of civil construction provided an increasing sophistication of concrete structures, implying increasingly severe requests for use, as in the case of submission to thermal gradients, which may be part of the condition of use of the structure, and be planned in design, or occur accidentally through fires. Therefore, it is necessary to develop realistic models capable of reliably predicting these structures’ behavior. However, this is not a simple process. Once the microstructure of this material is highly complex and heterogeneous, what is associated with the cracking mechanisms, results in its non-linear behavior. Aiming to contribute to this scenario, the thermomechanical behavior of concrete structures submitted to high temperatures was analyzed computationally, using a set of experimental data provided by the Cergy-Pontoise University in France. For this, two-dimensional and three-dimensional synthetic specimens were generated, from which simulations were made using the commercial finite element program Abaqus and its subroutine resource. Through the implementation of the Mazars (1984) damage model, the damage evolution was evaluated, comparing the results of the considered geometries, verifying the congruence between them. For this purpose, inverse problems were used to obtain unknown parameters and properties, and three models were developed, one elastic, one thermal and one thermomechanical. Subsequently, the study of the influence of the parameters of the damage model Mazars (1984) on the evolution of Young’s modulus was carried out. Finally, the impact of the granulometry and the relative volume of the aggregates on the concrete damage process was evaluated. The results obtained attest to the effectiveness of the proposed methodology.

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico O concreto é um material difundido e utilizado mundialmente sobretudo devido ao seu custo relativamente baixo, a não exigência de mão de obra com alto nível de qualificação para a sua obtenção, a possibilidade de ser moldado em fôrmas quando em estado fresco e a sua relativa resistência ao fogo. Contudo, a previsão do comportamento deste material, mormente quando submetido a determinadas condições de carregamento e temperatura é bastante complexa, uma vez que nesses casos ocorrem alterações microestruturais que refletem em sua estrutura macroscópica. Nesse contexto, surge a necessidade da utilização de ferramentas computacionais que possibilitem a simulação de estruturas com suas solicitações impostas. Buscando contribuir com este cenário, pretende-se neste trabalho simular o comportamento termomecânico do concreto quando o mesmo é exposto a gradientes de temperatura elevados, e entender de que forma o processo de degradação do material ocorre nesses casos, utilizando dados experimentais fornecidos pela Universidade Cergy-Pontoise, na França. Pretende-se ainda verificar de que forma a granulometria dos agregados influencia em tal processo. Para isso, será utilizado o programa comercial de elementos finitos Abaqus que permite ao usuário, através do recurso das subrotinas, descrever modelos constitutivos específicos de materiais, incorporando ao mesmo requisitos de um problema particular. Concrete is a diffused material used worldwide mainly because of its relatively low cost, not requiring labor with a high level of qualification for its obtaining, the possibility of being mol-ded in forms when in fresh state and their relative fire resistance. However, the prediction of the behavior of this material, especially when subjected to certain conditions of loading and tem-perature is quite complex, since in these cases microstructural changes occur that reflect in its macroscopic structure. In this context, it is necessary to use computational tools that allow the simulation of structures with their imposed requests. In order to contribute to this scenario, this work intends to simulate the thermomechanical behavior of the concrete when it is exposed to high temperature gradients, and to understand how the degradation process of the material oc-curs in these cases, using experimental data provided by Cergy-Pontoise University, in France. It is also intended to verify how the granulometry of the aggregates influences this process. For this, we will use the Abaqus finite element commercial program, which allows the user, through the use of the subroutines, to describe specific constitutive models of materials, incorporating the requirements of a particular problem.

O concreto é um dos materiais mais utilizados na construção civil. As três razões principais que justificam tamanha utilização são: a ótima resistência à água, a plasticidade do material quando fresco que facilita a sua moldagem e o preço e acessibilidade na maioria dos canteiros de obras. O concreto é um material heterogêneo e poroso cujo comportamento é extremamente complexo e cujas características não são totalmente compreendidas. Quando sujeito a condições ambientais extremas, como é o caso da exposição a temperaturas elevadas, esse material está suscetível a alterações físicas e químicas que podem influenciar no seu desempenho estrutural. Portanto, a previsão do comportamento deste material é complicada, pois o concreto, quando submetido a carregamentos térmicos, sofre alterações na sua estrutura porosa e nas propriedades do meio que podem influenciar seu desempenho macroestrutural térmico e mecânico. Dada a relevância do tema em estudo, o objetivo do presente trabalho é aprimorar o modelo em estudo, através da realização de análises paramétricas e da comparação entre os resultados obtidos e informações disponíveis na literatura. Especial atenção será dada aos resultados da saturação, uma vez que trabalhos anteriores denotaram a ocorrência de alguma discrepância relacionada a esta grandeza. O modelo estudado é um modelo termohídrico que descreve o comportamento do concreto submetido a carregamentos térmicos. Sua formulação matemática foi desenvolvida a partir do estudo acoplado das transferências de calor e massa no interior do concreto, quando exposto a altas temperaturas. O concreto é descrito como um sistema multifásico cujos vazios do esqueleto sólido são preenchidos com água no estado líquido e vapor de água. Quando exposto a temperaturas mais elevadas que a ambiente, diversos fenômenos, tais como condução de calor, difusão de vapor e fluxo de água no estado líquido, desidratação e evaporação são considerados. Esse modelo é discretizado utilizando o método das diferenças finitas e o método dos elementos finitos, e em seguida implementado no programa livre de cálculo por elementos finitos, o Cast3M – programa desenvolvido pelo DMT-CEA (Département de Mécanique et Technologie du Commissariat à l’ Énergie Atomique). A sua aplicação gera resultados numéricos de temperatura, saturação e pressão de vapor, os quais são utilizados para avaliar o desempenho do modelo. Concrete is one of the most used material in construction. The three main reasons for such are: its excellent water resistance; its plastic consistency when fresh, which facilitates molding; its price and accessibility at most construction sites. Concrete is a heterogeneous and porous material whose behavior is extremely complex and whose characteristics are not fully understood. When subjected to extreme environmental conditions, such as exposure to high temperatures, this material is susceptible to physical and chemical changes that may influence its structural performance. Therefore, the prediction of this material behavior is complicated, since the concrete, when submitted to thermal loads, undergoes changes in its porous structure and in the properties of the medium, which may influence its macro-structural thermal and mechanical performance. Given the relevance of the subject under study, the objective of the present research is to improve the studied model by performing parametric analyzes and comparations with the results obtained with the information available in the literature. Special attention will be given to the saturation results, since previous work has indicated the occurrence of some discrepancy related to its magnitude. The model studied, is a thermohydric model that describes the behavior of the concrete submitted to thermal loads. Its mathematical formulation was developed applying the coupled study of heat and mass transfers in the interior of the concrete when exposed to high temperatures. The concrete is described as a multiphase system whose voids of the solid skeleton are filled with liquid water and water vapor. When exposed to higher temperatures than the environmental ones, several phenomena, such as heat, vapor diffusion and water flow in the liquid state, dehydration and evaporation are considered. The model is discretized using the finite difference method and the finite element method, and then implemented in the free finite element calculation program, Cast3M - a program developed by DMT-CEA (Département de Mécanique et Technologie du Commissariat à l’Energy Atomique). Its application generates numerical results of temperature, saturation and vapor pressure, which are used to evaluate the performance of the material.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior O concreto é um meio extremamente complexo, cujas propriedades ainda não são totalmente compreendidas. As dificuldades encontradas na descrição e previsão do comportamento de estruturas de concreto devem-se a aspectos relacionados à heterogeneidade do meio - que é poroso e multifásico - podendo conter em seu interior fluidos na forma líquida e gasosa. Quando exposto a condições de temperatura elevada, tais dificuldades são ainda maiores, devido à ocorrência de fenômenos físicos e químicos, que alteram a estrutura porosa e as propriedades do meio. Como a reação de hidratação do cimento é reversível e termoativada, a exposição do concreto a temperaturas elevadas pode ter efeitos deletérios, com a ocorrência de desidratação da matriz a base de cimento, fissuração devido a pressões internas geradas pela evaporação da àgua de amassamento remanescente da mistura e ao desplacamento superficial (\spalling"). Este trabalho consiste no estudo do comportamento termo-hídrico de estruturas compostas por bicamadas rocha-concreto - comumente encontradas em túneis e repositórios subterrâneos. Foi desenvolvido um programa experimental consistindo em análises térmicas no qual corpos-de-prova bicamada feitos com dois tipos de concreto - convencional e de alto desempenho - foram submetidos a temperaturas de até 750ºC. Tais ensaios forneceram dados para a implementação de um modelo termo-hídrico desenvolvido no código Cast3m - que foi empregado para simular os mesmos experimentos desenvolvidos em laboratório. Os resultados numéricos permitem avaliar a qualidade do modelo proposto, e servem de base para futuros desenvolvimentos que levem em conta o acoplamento termo-hidro-mecânico na descrição do comportamento do material. Concrete is an extremely complex material, whose properties are not yet fully understood. The difficulties in describing and predicting the behavior of concrete structures are due to aspects related to the heterogeneity of medium - which is porous and multiphase - presenting fluids in liquid and gas forms. When exposed to high temperature conditions, such difficulties are even increased because of the occurrence of physical and chemical phenomena, which alters the porous structure and properties of the material. As the cement hydration reaction is reversible and thermo-activated, exposure of concrete to elevated temperatures causes deleterious effects, such as dehydration of the cement-based matrix, cracking due to internal pressures generated by evaporation of free water and spalling. This work aims the study of the hygro-thermal behavior of structures composed of bilayers rock-concrete - commonly found in tunnels and underground repositories. It was developed an experimental program consisting of thermal analysis in which bilayer samples made of two types of concrete - conventional and high performance - were submitted to temperatures up to 750ºC. These tests provided data for the implementation of a hygrothermal model on the Cast3m code - which was used to simulate the same experiments developed in the laboratory. The numerical results allowed the evaluation of the quality of the proposed model, and serve as a basis for future developments that take into account the thermo-hydro-mechanical coupling to describe the material behavior.