Resumo Este trabalho trata da modelagem numérica do comportamento mecânico em materiais quase-frágeis, tal como o concreto. Para este fim, um modelo 2D de escala mesoscópica baseado no conceito de Elemento de Volume Representativo (EVR) é apresentado. O material é considerado como composto por três fases consistindo de zona de interface, matriz e inclusões, onde cada constituinte é modelado independentemente. O EVR consiste de inclusões idealizadas como de forma circular dispostas de maneira simétrica e não simétrica. A zona de interface é modelada por meio de elementos finitos coesivos de contato. A inclusão é modelada como sendo um material elástico linear, já a matriz é considerada como material elastoplástico. Nosso principal objetivo é mostrar que uma formulação baseada na homogeneização computacional é uma alternativa aos modelos constitutivos macroscópicos complexos para o comportamento mecânico de matérias frágeis usando um procedimento baseado no Método dos Elementos Finitos no âmbito de uma teoria multi-escala. Além disso, o trabalho foca na fundamental importância em representar os fenômenos dissipativos na Zona de Transição para obter uma resposta microestrutural de um material complexo como o concreto. Uma série de exemplos envolvendo processos de microfissuração é apresentada de modo a ilustrar o desempenho da modelagem proposta.

Abstract This work deals with numerical modeling of mechanical behavior in quasi-brittle materials, such as concrete. For this propose, a two-dimensional meso-scale model based on RVE existence is presented. The material is considered as a three-phase material consisting of interface zone (ITZ), matrix and inclusions - each constituent modeled by an independent constitutive model. The Representative Volume Element (RVE) consists of inclusions idealized as circular shapes symmetrically and non-symmetrically placed into the specimen. The interface zone is modeled by means of cohesive contact finite elements. The inclusion is modeled as linear elastic and matrix region is considered as elastoplastic material. Our main goal here is to show a computational homogenization-based approach as an alternative to complex macroscopic constitutive models for the mechanical behavior of the brittle materials using a finite element procedure within a purely kinematical multi-scale framework. Besides, the fundamental importance of the representing dissipative phenomena in the interface zone to model the complex microstructural responses of materials like concrete is focused in this work. A set of numerical examples, involving the microcracking processes, is provided in order to illustrate the performance of the proposed modeling.

RESUMO O artigo trata de uma contribuição à modelagem numérica do comportamento mecânico de vigas de concreto armado reforçado com fibras de aço utilizando modelos constitutivos baseados na Mecânica do Dano. O mesmo apresenta a formulação de um modelo de Dano proposto que admite o concreto como material inicialmente isótropo e elástico, mas com a evolução do processo de danificação, exibe deformações plásticas, anisotropia e bimodularidade induzidas pelo dano. A incorporação das fibras na modelagem é efetuada por meio de um procedimento de homogeneização. Por fim, análises numéricas de vigas de concreto armado reforçado com fibras de aço sujeitas à flexão são realizadas com o objetivo de avaliar a aplicabilidade da modelagem proposta.

ABSTRACT This work deals with numerical modeling of the mechanical behavior of steel-fiber-reinforced concrete beams using a constitutive model based on damage mechanics. Initially, the formulation of the damage model is presented. The concrete is assumed to be an initial elastic isotropic medium presenting anisotropy, permanent strains, and bimodularity induced by damage evolution. In order to take into account the contribution of the steel fiber to the mechanical behavior of the media, a homogenization procedure is employed. Finally, numerical analyses of steel-fiber-reinforced concrete beams submitted to bending loading are performed in order to show the good performance of the model and its potential.

Este trabalho trata do aperfeiçoamento de um modelo dano anisótropo de modo a analisar estruturas em concreto armado submetidas à inversão de carregamento. O modelo constitutivo original é baseado nas hipóteses fundamentais de equivalência de energia entre meio real danificado e meio contínuo equivalente segundo os conceitos da Mecânica do Dano no Contínuo. O concreto é assumido como um meio inicialmente elástico e isótropo que passa a apresentar comportamento mecânico anisótropo, plástico e bimodular induzidos pelos processos de danificação. Com o intuito de se levar em conta a bimodularidade do meio, são propostos dois tensores de dano governando a rigidez em regimes de tração e de compressão. Entretanto, o modelo original não é capaz de simular a influência de processos prévios de danificação em regimes de compressão. Objetivando contornar este problema, algumas condições são introduzidas no modelo para simular o efeito unilateral causado pelo dano. Observa-se que o modelo de dano está de acordo com as condições obtidas da Teoria Micromecânica quando tratando do efeito unilateral em materiais frágeis, como o concreto. Finalmente, o modelo de dano proposto é aplicado na análise de estruturas de pórticos de concreto armado submetidas a cargas com inversão de sinal. Os resultados comprovam o bom desempenho do modelo e potencialidades para simular problemas práticos da Engenharia Estrutural.

This work deals with an improvement of an anisotropic damage model in order to analyze reinforced concrete structures submitted to reversal loading. The original constitutive model is based on the fundamental hypothesis of energy equivalence between real and continuous media following the concepts of the Continuum Damage Mechanics. The concrete is assumed as an initial elastic isotropic medium presenting anisotropy, permanent strains and bimodularity induced by damage evolution. In order to take into account the bimodularity, two damage tensors governing the rigidity in tension or compression regimes are introduced. However, the original model is not capable to simulate the influence of the previous damage processes in compression regimes. In order to avoid this problem, some conditions are introduced to simulate the damage unilateral effect. It has noted that the damage model is agreement with to micromechanical theory conditions when dealing to unilateral effect in concrete material. Finally, the proposed model is applied in the analyses of reinforced concrete framed structures submitted to reversal loading. These numerical applications show the good performance of the model and its potentialities to simulate practical problems in structural engineering.

Este trabalho visa apresentar uma contribuição sobre uma proposta de abordagem para o cálculo de deslocamentos em estruturas de concreto armado em regime de serviço, sendo restrito o estudo ao caso de concretos C20 a C35. A abordagem utilizada leva em conta a penalizaçãodos módulos elásticos dos elementos fissurados através de um modelo de dano. O modelo em questão leva em conta a anisotropia, deformações plásticas e resposta bimodular induzidas pelo processo de danificação, sendo uma versão mais simplificada usada para simular o comportamento do concreto fissurado, enquanto que um comportamento elastoplástico é admitido para a armadura. Inicialmente, são analisadasséries de vigas com variação de diversos parâmetros relacionados ao problema, tais como: resistência à compressão, arranjo das barras deaço da armadura, dimensões da seção transversal, vão e condições de apoio. As respostas numéricas são confrontadas com aquelas obtidascom o emprego do procedimento sugerido pela NBR 6118:2007. As análises numéricas são complementadas por análises estatísticas dosresultados empregando-se a metodologia ANOVA. Por fim, baseadas nas análises realizadas discutem-se algumas proposições possíveispara o cálculo do momento de fissuração e de deslocamentos em estruturas de concreto armado, como forma a contribuir no aperfeiçoamentodo procedimento sugerido pela Norma Brasileira.

This work intends to present a contribution about a proposed approach for the estimative of displacements in reinforced concrete structures submitted to service loads. This work is restrictive to C20 up to C35 classes of strength. The approach used in this work consists in the decreasing of cracking element elastic moduli by damage model. That constitutive model takes into account induced anisotropy, plastic deformations and bimodular elastic response and a simplified version is used in order to simulate the concrete behavior, while an elastoplastic behavior is admitted for the reinforcement. Initially, a set of beams are analyzed and some parameters related to the problem are modified, such as: compression strength, span length, cross section, reinforcement rates and support conditions. The numerical responses are compared with the ones obtained by NBR 6118:2007 Procedure. Statistical analyses are carried on in order to identify the major variables in the problem. Finally, some possible proposals to obtain cracking moment and displacement values in RC structures are discussed based on numerical and statistical analyses performed in this work in order to contribute in the improvement to Brazilian Technical Code procedure.

Este artigo apresenta análises uni e bidimensionais utilizando modelos de dano isótropo e anisótropo para o concreto com o objetivo de discutir sobre as vantagens deste tipo de modelagem. Inicialmente, o modelo de dano proposto por Mazars é brevemente descrito, onde o mesmo considera o concreto como meio isótropo e elástico, sendo a danificação decorrente de extensões em nível local. Por outro lado, o modelo proposto por Pituba admite o concreto como meio inicialmente isótropo e que passa a apresentar deformações plásticas, bimodularidade e anisotropia induzidas pelo dano. Para levar em conta a bimodularidade, dois tensores de dano governando a rigidez em tração e em compressão são introduzidos. Em seguida, os modelos constitutivos são utilizados em análises numéricas do comportamento mecânico de estruturas em concreto armado. De acordo com as respostas obtidas, discutem-se algumas considerações sobre a aplicabilidade de modelos de dano isótropos e anisótropos na modelagem de estruturas em concreto armado no âmbito de análises uni e bidimensionais, assim como são apresentadas as potencialidades de aplicação de versões simplificadas de modelos de dano em situações da Engenharia Estrutural.

This work presents one and two-dimensional numerical analyses using isotropic and anisotropic damage models for the concrete in order to discuss the advantages of these modeling. Initially, it is shortly described the damage model proposed by Mazars. This constitutive model assumes the concrete as isotropic and elastic material, where locally the damage is due to extensions. On the other hand, the damage model proposed by Pituba, the material is assumed as initial elastic isotropic medium presenting anisotropy, plastic strains and bimodular response (distinct elastic responses whether tension or compression stress states prevail) induced by the damage. To take into account for bimodularity two damage tensors governing the rigidity in tension and compression regimes, respectively, are introduced. Damage activation is expressed by two criteria indicating the initial and further evolution of damage. Soon after, the models are used in numerical analyses of the mechanical behavior of reinforced concrete structures. Accordingly with comparison of the obtained responses, considerations about the application of the isotropic and anisotropic damage models are presented for 1D and 2D reinforced concrete structures modeling as well as the potentialities of the simplified versions of damage models applied in situations of structural engineering.