Abstract The influence of aggregate size on the degradation process of material exposed to high temperatures is not a consensus among the scientific community because changes in the microstructure impact the macrostructural performance. To contribute to this investigation this work presents a thermomechanical model to evaluate aggregate size influence on the concrete mechanical damage under high temperatures. The material is considered as two-phase - aggregate and matrix - and three-phase - in which the interfacial transition zone is added. Concerning geometries, models in 2D and 3D are simulated. A finite element software is used with a weak coupling strategy that reduces the computational cost, and a user subroutine is implemented to define the constitutive model. The results show that the aggregate size influences both the average damage and the damage distribution along the synthetic specimen.

Resumo A influência do tamanho do agregado no processo de danificação do material exposto a altas temperaturas não é um consenso entre a comunidade científica, pois alterações na microestrutura impactam no desempenho macroestrutural. Para contribuir com esta investigação, este trabalho apresenta um modelo termomecânico para avaliar a influência do tamanho do agregado no dano mecânico do concreto sob altas temperaturas. O material é considerado como bifásico - agregado e matriz - e trifásico - no qual é adicionada zona de transição na interface. No que diz respeito às geometrias, são simulados modelos em 2D e 3D. Um software de elementos finitos é utilizado com uma estratégia de acoplamento fraco que reduz o custo computacional, e uma sub-rotina de usuário é implementada para definir o modelo constitutivo. Os resultados mostram que o tamanho do agregado influencia tanto o dano médio quanto a distribuição do dano ao longo do corpo de prova sintético.

Resumo O concreto é um material difundido e utilizado mundialmente. Devido à heterogeneidade e complexidade estrutural desse material, prever o comportamento de estruturas de concreto sob condições ambientais extremas é uma tarefa bastante difícil. Altas temperaturas provocam alterações microestruturais que afetam o desempenho macroestrutural. Nesse contexto, ferramentas computacionais que permitem a simulação de estruturas podem ser de grande ajuda, reproduzindo diversas situações de carregamento térmico e mecânico e condições de contorno. Visando contribuir com este cenário, este estudo propõe uma metodologia numérica para simular o comportamento termomecânico do concreto sob gradientes de temperatura, através de análises inversas e de uma subrotina de usuário implementada no software Abaqus. Os efeitos do carregamento térmico foram considerados como dados de carregamento para um modelo de dano. Dados experimentais disponíveis na literatura foram adotados para fins de ajuste e validação. Os resultados preliminares aqui apresentados encorajam melhorias adicionais, de modo a permitir simulações realistas de um aspecto tão importante do comportamento do concreto.

Abstract Concrete is a widespread material all over the world. Due to this material’s heterogeneity and structural complexity, predicting the behavior of concrete structures under extreme environmental conditions is a very challenging task. High temperatures lead to microstructural changes which affect the macrostructural performance. In this context, computational tools that allow the simulation of structures may assist the analysis, by reproducing varied situations of thermal and mechanical loading and boundary conditions. In order to contribute to this scenario, this study proposes a numerical methodology to simulate the thermomechanical behavior of concrete under temperature gradients, through inverse analyses and a user subroutine implemented in Abaqus software. Thermal loading effects were considered as loading data for a damage model. Experimental data available in the literature was adopted for adjustment and validation purposes. The preliminary results presented herein encourage further improvements so as to allow realistic simulations of such an important aspect of concrete’s behavior.

Resumo A resistência à compressão (fc) e o módulo de elasticidade (Ec) de concretos são propriedades de grande importância em problemas de engenharia civil. Até o presente momento, apesar da relevância do tema, o traço de concretos ainda é projetado com base em métodos gráficos e fórmulas empíricas. Esse cenário é ainda mais impreciso para concretos leves estruturais de agregados leves (LWAC), que possuem ainda menos metodologias de traço e estudos de caso disponíveis na literatura. Dessa forma, este trabalho apresenta uma simulação numérica para prever as propriedades de corpos de prova de LWAC usando o Método dos Elementos Finitos. O material foi considerado bifásico, incluindo os agregados leves e a argamassa envolvente. Cada fase foi modelada com sua própria resistência à compressão, resistência à tração e módulo de elasticidade. Os resultados numéricos obtidos para fc e Ec foram comparados com seus equivalentes experimentais, obtidos da literatura. No total 48 traços de concreto foram investigados. Os resultados numéricos mostraram uma correlação satisfatória com os dados experimentais. Em geral, o erro médio percentual absoluto (MAPE) foi menor nos agregados de xisto para o módulo de elasticidade (1,75% contra 4,21% da argila expandida) e resistência à compressão (4,19% contra 9,89% da argila expandida). Não foi identificada uma tendência clara de erro em relação à proporção de agregado ou aos tipos de argamassa, nos quais o MAPE variou de 2,36% a 8,13%. Concluindo, a simplificação para agregados esféricos mostrou resultados satisfatórios, assim como a adoção de um modelo 2D, que requer menos recursos computacionais. Os resultados encorajam outras aplicações com aspectos geométricos mais complexos para melhorar o design e a segurança de estruturas de LWAC.

Abstract The compressive strength (fc) and Young’s modulus (Ec) of concretes are properties of great importance in civil engineering problems. To this day, despite the relevance of the subject, concretes are still designed based on charts and empirical formulae. This scenario is even more imprecise for lightweight aggregate concretes (LWAC), which contain less design methodologies and case studies available in the literature. In this sense, the present work presents a numerical simulation for predicting the properties of LWAC’s specimens using the Finite Element Method. The material was considered as biphasic, comprising lightweight aggregates and the enveloping mortar. Each phase was modelled with its own compressive strength, tensile strength and Young’s modulus. The achieved numerical results for fc and Ec were compared with their experimental counterparts, obtained from the literature. In total, 48 concrete formulations were assessed. Numerical results showed fair agreement with the experimental data. In general, the Mean Absolute Percentage Error (MAPE) was lower for the shale aggregates for both Young's modulus (1.75% versus 4.21% of expanded clay) and compressive strength (4.19% versus 9.89% of expanded clay). No clear trend of error was identified in relation to the aggregate proportion or to the mortar types, in which the MAPE varied from 2.36% to 8.13%. In conclusion, the simplification to spherical aggregates has shown satisfactory results, as has the adoption of a 2D model, which require less computational resources. Results encourage further applications with more complex geometrical aspects to improve the mix design and safety of LWAC.

Abstract Compressive strength and Young’s modulus are the main properties used in the design of concrete structures. They are responsible for the cost, safety and dimensioning of the structure, and are generally measured in expensive and time-demanding tests. This fact encourages researches for fast and cost-effective methods to investigate the concrete’s properties. Among the concrete types, structural Lightweight Aggregate Concrete (LWAC) is one of the most employed worldwide, but it presents limited studies and mix design techniques. Thus, this work evaluates and compares the performances of two methods to predict the compressive strength of LWAC samples: Support Vector Machine and Finite Element Method. To this end, both strategies use the LWAC’s mix proportions and the Young’s modulus, and the compressive strength of mortars and aggregates obtained from an experimental program from the literature. The results encourage further researches towards the development of a numerical tool that may assist engineers for practical purposes, since both methods show good agreement with the validation data.

Este trabajo propone una metodología para evaluar el módulo elástico de los hormigones de agregados livianos. Para ello una fórmula analítica se logra mediante el ajuste de la curva de los resultados experimentales de 135 muestras de hormigón hechas de 45 mezclas diferentes. La validación de la metodología propuesta se lleva a cabo mediante la aplicación de la fórmula analítica obtenida a otro conjunto de 90 muestras de hormigón hecha de 30 mezclas diferentes. Las comparaciones con otros métodos utilizados para predecir el módulo de elasticidad de hormigones de agregados livianos muestran que los resultados sean justos y sugieren que la metodología propuesta podría aplicarse en situaciones prácticas.

This work proposes a methodology to predict the elastic modulus of lightweight aggregate concretes. To this end an analytical formula is achieved by curve fitting experimental results from 135 concrete samples made of 45 different mixes. The validation of the proposed methodology is carried out by applying the obtained analytical formula to a set of 90 concrete samples made of 30 different mixes. Comparisons with other methods applied to predicting the elastic modulus of lightweight aggregate concretes indicate that the results show good agreement and suggest that the proposed methodology could be applied in practical situations.

Esse trabalho trata da simulação numérica do módulo de elasticidade efetivo de concretos leves através da técnica multiescala Homogeneização por Expansão Assintótica. A partir das propriedades elásticas do agregado e da argamassa empregados na composição do concreto, é possível calcular o tensor elástico homogeneizado do material resultante. O presente trabalho descreve o estudo numérico feito com concretos leves fabricados com a mesma argamassa e cinco tipos de agregados leves, com frações volumétricas variadas. O modelo adotado para representar as propriedades geométricas e mecânicas do concreto é caracterizado pela simplicidade. Comparações dos resultados numéricos com medições experimentais indicam a potencialidade da técnica multiescala empregada para a simulação do módulo de elasticidade de concretos.

This study concerns the numerical simulation of effective elasticity modulus of lightweight concrete by means of Asymptotic Expansion Homogenization. Taking as input data the elastic properties of the aggregate and mortar employed in the concrete composition, it is possible to evaluate a homogenized elastic tensor for the resulting material. The present work deals with lightweight concretes made of the same mortar and five families of low density aggregates, with varying aggregate volumetric fractions. The multiscale model employed to represent the geometric and mechanical properties of the concrete is characterized by a great deal of simplicity. The validation of the adopted procedure consisted of comparisons of the numerical results with experimental measurements, showing good agreement.