Concreto reforçado com fibra de aço (CRFA) para revestimento de túneis
O comportamento de arrancamento da fibra é estudado experimentalmente, considerando fatores como formato, tamanho e ângulo de inclinação da fibra. Além disso, as seções seguintes apresentam os experimentos e os modelos numéricos correspondentes estabelecidos para descrever completamente o revestimento de fibra de aço e concreto.
1. Comportamento de tração de fibra
Para analisar, projetar e otimizar revestimentos de túneis resistentes a danos feitos de CRFA, é primeiro necessário compreender o comportamento mecânico do material no nível estrutural. É bem conhecido que as propriedades mecânicas do CRFA estão relacionadas ao efeito de ponte através da abertura da fissura. O efeito de ponte é determinado pela contribuição total de todas as fibras fraturadas. Uma vez que a eficiência da ponte de cada fibra individual depende fortemente das propriedades de ligação fibra-matriz de concreto, o comportamento de arrancamento de fibras de aço individuais incorporadas em uma matriz de concreto foi estudado sistematicamente através de experimentos de laboratório e modelos analíticos. Os resultados da pesquisa fornecem base para a simulação numérica do processo mecânico do CRFA. Por outro lado, também fornecem uma base para futuras pesquisas sobre a aplicação do SFRC em segmentos de revestimento, como pesquisas de desempenho sob cargas regionais locais.
(1) Experimento de desenho de fibra de aço único
O mecanismo de ligação das fibras de aço na matriz de concreto foi estudado através da realização de ensaios de arrancamento em fibras de aço individuais. O programa experimental analisa a influência de parâmetros como formato da fibra, tamanho, resistência à tração, ângulo de inclinação e resistência do concreto, alterando os parâmetros relevantes que influenciam o comportamento de arrancamento.
Para a realização dos ensaios de arrancamento foram confeccionados corpos de prova cilíndricos com dimensões de 60mmx60 mm, com fibras de aço fixadas e embutidas no concreto.
A análise do comportamento de arrancamento focou na correlação entre a força de arrancamento e o deslocamento da fibra. Além disso, foram considerados os modos de ruptura das fibras e da matriz de concreto.
(2) Forma e tamanho da fibra
Efeito de diferentes formatos de fibra (reta, corrugada, em forma de gancho, cônica dupla) na resposta ao arrancamento de fibras com comprimento de embutimento=20 mm e ângulo de inclinação=0 em uma matriz de concreto de alta resistência (=84 MPa). Conforme mostrado à esquerda, a resposta ao arrancamento difere significativamente entre fibras de diferentes formatos. Para fibras de granulação reta, a ligação entre as fibras e a matriz é fornecida apenas pelo atrito interfacial. Portanto, com cargas de arrancamento quase muito baixas, ocorre o descolamento completo, acompanhado por uma queda repentina na carga. Em contraste, a carga de arrancamento continuou a aumentar após o descascamento devido às fibras deformadas mecanicamente ancoradas. Portanto, as fibras texturizadas proporcionam uma resistência ao arrancamento significativamente maior em relação às fibras de granulação reta. Devido à sua forte ancoragem na matriz de concreto de alta resistência, as fibras corrugadas e bi-cônicas falham por fratura logo após excederem sua carga máxima. Contudo, para alcançar o comportamento do material dúctil, a fratura da fibra em pequenos deslocamentos de arrancamento deve ser evitada. Comportamento de arrancamento benéfico foi observado para fibras de extremidade de gancho, para as quais as extremidades de gancho tendiam a se deslocar e endireitar gradualmente, o que resultou em uma diminuição na força de arrancamento e em um aumento adicional no deslocamento de arrancamento.
Ao comparar os efeitos das fibras de extremidade em gancho de 60/00,75 (mm/mm) e 35/00,55 (mm/mm) no tamanho da fibra sob o mesmo condições de teste. Pode-se observar que as curvas carga-deslocamento de ambas as fibras são semelhantes e quase paralelas. No entanto, fibras com dimensões maiores exibiram cargas finais de arrancamento significativamente maiores (+77%). À medida que o diâmetro e o tamanho do gancho aumentam, a rigidez à flexão da fibra e a área de contato com a matriz aumentam, o que resulta em um aumento na energia necessária para a deformação plástica do gancho. No entanto, comparando a relação entre a carga final de arrancamento das duas fibras e a resistência da fibra, os resultados mostraram que a eficiência das duas fibras diferia muito pouco (60,1% e 61,0%).
Em concreto com o mesmo teor de fibra, o número de fibras curtas/finas é várias vezes maior que o de fibras longas/grossas e, consequentemente, o número de fibras que interceptam fissuras potenciais é relativamente maior para fibras menores/finas. Assim, embora os resultados mostrem que as fibras longas/grossas têm maior resistência ao arrancamento em comparação com as fibras mais pequenas/finas, não se deve geralmente presumir que as fibras mais pequenas/finas têm um comportamento de suporte de carga pior, pelo contrário, pode-se concluir a partir de os resultados Sinergia positiva. Nas misturas de fibras é possível combinar as vantagens da utilização de fibras com diferentes tamanhos (fibras mais longas/grossas e fibras mais curtas/mais finas). Em particular, a utilização de tais misturas de fibras nas áreas das bordas dos segmentos de tubo pode ter um efeito positivo na prevenção de fissuras e lascas.
(3) Resistência da fibra e do concreto
A influência da resistência da fibra (ft=1225 MPa, 2600 MPa) e da resistência do concreto (fc=44 MPa, 84 MPa). Para ambas as resistências do concreto, a resistência ao arrancamento das fibras de alta resistência antes da fase de deslizamento por atrito foi quase duas vezes maior que a das fibras de resistência normal. Como esperado, as fibras embutidas no concreto de alta resistência apresentaram maior resistência ao arrancamento do que as fibras embutidas no concreto de resistência normal. No entanto, este efeito é mais pronunciado para fibras de alta resistência.
Embora existam diferenças significativas nas curvas carga-deslocamento das fibras de alta resistência nos dois concretos, o comportamento carga-deslocamento das fibras de resistência normal é semelhante, independentemente da resistência do concreto. As curvas para fibras de alta resistência testadas em concreto de resistência normal diminuem de forma relativamente lenta após atingir a carga final de arrancamento. Isto mostra que devido à baixa resistência do concreto, o efeito mecânico de ancoragem do gancho (extremidade do gancho) não é exercido de forma eficaz. Portanto, a eficiência das fibras de alta resistência testadas em concreto de resistência normal foi relativamente baixa (42,7%). Contudo, é importante notar que estas fibras são significativamente mais eficientes (61,6%) em concretos de alta resistência. Portanto, para alcançar a eficiência ideal das fibras, a resistência à tração das fibras de aço deve ser ajustada à resistência do concreto.
(4) Ângulo de inclinação da fibra
Testes de arrancamento de fibras de extremidade de gancho normais e de alta resistência embutidas em concreto de alta resistência em diferentes ângulos de inclinação (0 graus, 15 graus, 30 graus, 45 graus e 60 graus). Como esperado, a carga final de arrancamento das fibras de alta resistência é significativamente maior do que a das fibras de resistência normal para todos os ângulos de inclinação considerados. Quando fibras de resistência comuns são arrancadas sem falhas, as cargas finais de arrancamento são muito semelhantes, independentemente do ângulo de inclinação. Em contraste, as fibras de alta resistência mostraram um aumento significativo na carga final de arrancamento entre ângulos de inclinação de 30 graus e 45 graus.
De modo geral, à medida que o ângulo de inclinação aumenta, o deslocamento de arrancamento sob carga máxima aumenta e a inclinação do ramo de pico frontal diminui, especialmente para ângulos de inclinação superiores a 30 graus. Um aumento no esmagamento da matriz e no lascamento na saída da fibra também foi observado com o aumento do ângulo de inclinação. Este fenômeno é mais evidente no caso de fibras de alta resistência. Além disso, à medida que o ângulo de inclinação aumenta, a quebra das fibras ocorre com mais frequência, especialmente para fibras de resistência normal.
