Numerical simulation of punching shear failure in recycled aggregate concrete slabs with steel fiber reinforcement

Abstract

The use of construction waste as aggregate in the production of concrete is becoming a more frequent alternative due to the advantages associated with the sustainability aspect. Results obtained in experimental tests with recycled aggregate concrete suggest that mechanical properties such as elastic modulus, compressive, tensile and flexural strength tend to reduce with partial or total replacement of natural aggregate by recycled one. On the other hand, the use of steel fiber reinforcement can minimize the reduction of these properties, since the fibers tend to improve the material strength and ductility. This work proposes a numerical approach, seeking to better predict and understand the structural mechanical behaviors and failure patterns of reinforced recycled aggregate concrete slabs with and without steel fiber. Based on the finite element method, an appropriated constitutive damage model is employed to represent the nonlinear behavior of the conventional/recycled concrete, while an elastic-perfectly plastic model is used to describe the mechanical behavior of the reinforcements. To couple the independent FE meshes and incorporate the mutual interaction between the different components, rigid and non-rigid coupling technique is used to represent the perfect adherence or the bond-slip behavior. Seven concrete slabs were numerically analyzed either with different percentages of recycled aggregate replacement (0, 50 and 100%) or steel fibers content (0.0, 0.5 and 1.0%) and the results were compared with the experimental ones. The results showed that the applied methodology is capable of simulating with good accuracy the punching shear failure mechanism of the slabs. It was observed that the punching ultimate load decreased with increase of recycled aggregate content, as well as that the steel fiber addition can minimize the negative effects of recycled aggregate employment.

A utilização de resíduos da construção civil como agregado na produção de concreto vem se tornando uma alternativa cada vez mais frequente devido às vantagens associadas ao aspecto da sustentabilidade. Resultados obtidos em ensaios experimentais com concreto de agregado reciclado sugerem que propriedades mecânicas como módulo de elasticidade, resistência à compressão, tração e flexão tendem a diminuir com a substituição parcial ou total do agregado natural pelo reciclado. Por outro lado, a utilização de reforço de fibras de aço pode minimizar a redução dessas propriedades, uma vez que as fibras tendem a melhorar a resistência e a ductilidade do material. Este trabalho propõe uma abordagem numérica, buscando melhor prever e entender os comportamentos mecânicos estruturais e os modos de falha de lajes de concreto com agregado reciclado armado com e sem fibra de aço. Com base no método dos elementos finitos, um modelo constitutivo de dano apropriado é empregado para representar o comportamento não linear do concreto convencional/reciclado, enquanto que um modelo elástico-perfeitamente plástico é usado para descrever o comportamento mecânico das armaduras. Para acoplar as malhas de EF independentes e incorporar a interação mútua entre os diferentes componentes, a técnica de acoplamento rígido e não rígido é usada para representar a aderência perfeita ou o comportamento de perda de aderência (bond-slip). Sete lajes de concreto foram analisadas numericamente com diferentes porcentagens de substituição de agregado reciclado (0, 50 e 100%) ou teores de fibras de aço (0,0; 0,5 e 1,0%) e os resultados foram comparados com os experimentais. Os resultados mostraram que a metodologia aplicada é capaz de simular com boa precisão o mecanismo de ruptura por punção das lajes. Observou-se que a capacidade de carga à punção diminuiu com o aumento do teor de agregado reciclado, assim como que a adição de fibra de aço pode minimizar os efeitos negativos do emprego de agregado reciclado.