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 The industrial development and the advance of the primary sector in Brazil generated an increase in the cases of structures damaged by sulfate attacks. A reduction in material lifetime is one of the most costly factors in the construction field. Therefore, it is necessary to understand the sulfate attack mechanism in order to provide repairs and prevent further attacks. This article aims to understand how the environmental condition and the material properties influence the attack’s severity. Hence, it combined an experimental program and analytical model to measure those parameter effects. Experiments show that cement with a higher amount of tricalcium aluminate (C3A), as the CP V ARI, presented a more pronounced deterioration. Visual changes such as cracking, crystallization of expansive products and a complete disintegration were also observed. In addition, loss of resistance occurred in the specimens with low slag content. Moreover, the model is useful to predict the delamination depth and to identify the most critical factors influencing the attack through sensitive analysis. Its results were compared with real cases based on literature and verifying the model reliability.

A Reação Álcali-Agregado (RAA) é uma das principais causas de danos químicos em estruturas de concreto, especialmente aquelas expostas à umidade, levando à fissuração, às deformações excessivas e ao aparecimento de tensões. Esse trabalho apresenta os resultados de um estudo numérico através do qual o comportamento mecânico de estruturas atingidas pela RAA é simulado sob a hipótese do acoplamento entre as tensões de confinamento e a reação.

Alkali-Aggregate Reaction (AAR) is a major cause of chemical damage in concrete structures, especially those exposed to moisture, leading to cracking, excessive strains and stress formation. This work presents the results of a numerical study where the mechanical behaviour of AAR attained structures is simulated under the assumption of coupling between confinement stresses and the reaction.

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.