Modelagem de modos de falha em vigas de concreto armado usando técnica de fragmentação de malha

Abstract

O comportamento estrutural e os modos de falha em vigas de concreto armado (CA) são de difícil predição devido à interação complexa entre aço e concreto. A modelagem numérica desses materiais, tanto individualmente quanto em interação, é essencial para prever modos de falha, como flexão, cisalhamento, esmagamento e cisalhamento-compressão, além de identificar padrões de fissuras ao longo da história de carregamento. Neste contexto, este trabalho propõe uma nova estratégia numérica em escala macroscópica e bidimensional para analisar esses modos de falha em vigas de CA. Elementos de interface condensados com elevada razão de aspecto de quatro nós são inseridos via Técnica de Fragmentação de Malha entre elementos regulares de concreto, agrupados em pares triangulares de três nós para análise não linear, governados por modelos de dano independentes: tração e cisalhamento. Para modelar a interação aço-concreto, Elementos Finitos de Acoplamento são utilizados para compatibilizar os campos de deslocamento do concreto e do aço, baseados em leis que relacionam tensão de aderência e deslizamento. A metodologia foi inicialmente aplicada a ensaios numéricos de compressão uniaxial para calibrar parâmetros essenciais dos modelos de dano do concreto e, em seguida, testada em vigas de CA com diferentes geometrias e taxas de armadura, mostrando boa concordância com dados experimentais na predição de modos de falha, padrões de fissuras e cargas de pico. A abordagem mostrou-se eficiente, com baixo custo computacional, representando de forma realista os modos de falha, os fatores que os influenciam e suas transições, contribuindo para o conhecimento existente na literatura e podendo estabelecer uma base sólida para futuras investigações na modelagem estrutural de CA.

The structural behavior and failure modes of reinforced concrete (RC) beams are difficult to predict due to the complex interaction between steel and concrete. Numerical modeling of these materials, both independently and in interaction, is essential for predicting failure modes such as flexural, shear, crushing, and shear-compression, as well as identifying crack patterns throughout the loading history. In this context, this work proposes a new numerical strategy at the macroscopic and bidimensional scale to analyze these failure modes in RC beams. Condensed high aspect ratio interface elements with four nodes are inserted via the Mesh Fragmentation Technique between regular concrete elements, grouped into triangular pairs of three nodes for nonlinear analysis, governed by independent damage models: tensile and shear. To model the steel-concrete interaction, Coupling Finite Elements are used to to compatibilize the displacement fields of concrete and steel, based on laws that describe the bond-slip relationship. The methodology was initially applied to uniaxial compression numerical tests to calibrate essential parameters of the concrete damage models, and subsequently tested on RC beams with different geometries and reinforcement ratios, showing good agreement with experimental data in predicting failure modes, crack patterns, and peak loads. The approach proved efficient, with low computational cost, realistically representing failure modes, the factors influencing them, and their transitions, contributing to the existing knowledge in the literature and being able to establish a solid foundation for future investigations in RC structural modeling.