Simulação através do método dos elementos finitos do reforço ao esforço cortante de vigas de concreto armado utilizando polímeros reforçados com fibras de carbono

Abstract

O reforço de estruturas de concreto com a utilização de polímeros reforçados com fibras de carbono (PRFC) tornou-se uma alternativa interessante frente aos métodos convencionais em virtude de características como baixo peso específico, versatilidade, facilidade e rapidez de execução, alto módulo de elasticidade, assim como elevada resistência à tração, à corrosão e à fadiga. Para avaliar e prever o comportamento desse reforço com PRFC, deve-se realizar uma análise mais aprofundada dos elementos estruturais reforçados, através da utilização de métodos numéricos, como é o caso do método dos elementos finitos, o qual possibilita analisar estruturas complexas, assim como realizar análises não lineares de estruturas de concreto armado. Neste contexto, o objetivo deste trabalho é realizar a modelagem computacional de vigas de concreto armado, reforçadas ao cisalhamento com PRFC, através do método dos elementos finitos com o emprego do software ANSYS customizado. Especial atenção foi dada à previsão das tensões de aderência na interface entre o reforço e a viga de concreto, através da utilização de elementos de contato e de modelos de zona coesiva bilineares disponibilizados pelo ANSYS. Dessa forma, durante as simulações computacionais, puderam ser identificados modos de ruptura prematura ocasionados pelo descolamento do reforço, o que resulta em um baixo aproveitamento das propriedades de resistência deste material. Neste estudo foram testadas vinte e uma vigas de concreto armado, doze biapoiadas e nove contínuas, com e sem reforço ao esforço cortante com PRFC, cuja análise experimental foi desenvolvida por Khalifa (1999). Os modelos numéricos desenvolvidos mostraram-se capazes de prever o comportamento das vigas simuladas, tanto em termos de carga-deslocamento e carga-deformação, como a carga e o modo de ruptura.

The strengthening of concrete structures with carbon fiber reinforced polymers (CFRP) has become an exciting alternative to conventional methods. This strengthening technique is attractive due to characteristics such as low specific weight, versatility, ease and speed of execution, high modulus of elasticity, high tensile strength, absence of corrosion, and low fatigue. A more in-depth analysis of the reinforced structural elements must be carried out using numerical methods, such as the finite element method to evaluate and predict the behavior of strengthened elements with CFRP. This method allows the analysis of complex structures, including nonlinear analyses of reinforced concrete elements. In this context, this work aims to perform the computational modeling of reinforced concrete beams, strengthened to shear with CFRP, through the finite element method using custom software ANSYS. Special attention was paid to predicting bond stresses at the interface between the strengthening and the concrete beam through contact elements and bilinear cohesive zone models provided by ANSYS. Thus, during the computer simulations, premature rupture modes caused by the debonding of the strengthening could be identified, which results in low use of the strength properties of this material. In this study, twenty-one reinforced concrete beams were tested, twelve simply supported and nine continuous, with and without shear strengthening with CFRP, experimentally analized by Khalifa (1999). The numerical models developed could predict the beams' behavior, displacements, stresses, strains, and load and rupture mode.