Simulação numérica em mesoescala do comportamento à flexão do UHPFRC: influência da razão de aspecto, fração volumétrica e orientação das fibras

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Sepulveda, Deymer Yesid Paez
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: aspect ratio; fiber orientation; fração volumétrica; numerical simulation; orientação das fibras; razão de aspecto; simulação numérica; UHPFRC; volume fraction
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18134/tde-28052025-081713/

A incorporação de fibras de aço no concreto de ultra-alto desempenho reforçado com fibras (UHPFRC) contribui significativamente para o aumento da resistência à flexão, devido ao efeito de ponte que as fibras exercem, restringindo a formação e a propagação de fissuras. No entanto, as propriedades mecânicas do UHPFRC são fortemente influenciadas pela razão de aspecto, fração volumétrica e orientação das fibras. Diante disso, este estudo teve como objetivo investigar a influência desses fatores no comportamento à flexão do UHPFRC por meio de simulações numéricas em mesoescala, considerando-o como um material bifásico heterogêneo composto por fibras e matriz. Para isso, foram realizadas simulações numéricas de vigas entalhadas de UHPFRC, submetidas a ensaios de flexão de três pontos, com diferentes alturas (30 mm, 60 mm, 90 mm, 120 mm e 150 mm). Inicialmente, foi aplicada uma abordagem 3D em mesoescala, que permitiu uma análise mais detalhada. No entanto, devido ao alto custo computacional dessa estratégia, também foi adotada uma abordagem 2D simplificada, que reduziu o número de fibras em 30 vezes, mantendo, porém, a mesma fração volumétrica. Os resultados numéricos, tanto em 3D quanto em 2D, apresentaram boa concordância com os dados experimentais considerados, destacando o modelo 2D como uma alternativa eficiente devido à sua significativa redução no custo computacional, cerca de 75.6% em comparação ao modelo 3D, apesar de uma queda mais acentuada na fase de amolecimento. As análises paramétricas demonstraram que a resistência à flexão do UHPFRC é aprimorada pelo aumento da fração volumétrica de fibras e pelo uso de fibras com maior razão de aspecto, embora esta última tenha influência limitada na resistência inicial à formação de fissuras, dominada pela matriz. Além disso, no estudo sobre a orientação das fibras, a maior contribuição para a resposta à flexão foi observada quando o ângulo médio de orientação foi de 30°, devido ao efeito pino que melhora a interação fibra-matriz. Por fim, verificou-se que o UHPFRC produzido com 1% de fibras mais longas (∫f=20 mm) e uma orientação média favorável (θm=30°) apresentou desempenho superior àquele com 2% de fibras mais curtas (∫f=13 mm) e orientação mais aleatória, evidenciando o potencial de reduzir custos.