Carlos Chastre

Analisa-se e caracteriza-se por via experimental a ligação entre elementos de betão armado e materiais compósitos, nomeadamente com base nas fibras de vidro. Fabricaram-se vigas de betão armado que foram exteriormente reforçadas com GFRP. Os resultados obtidos experimentalmente foram comparados com os resultados conseguidos por intermédio de modelação computacional, recorrendo-se ao programa de cálculo ATENA 2D. Para melhor modelação de elementos de interface, foram realizados ensaios de corte tendo-se obtido valores que permitiram caracterizar a lei de rotura de Mohr-Coulomb. Os parâmetros estudados foram a evolução das forças máximas absorvidas pelo reforço; as tensões de aderência máximas; a distribuição das tensões de aderência.

The presented work aims at studying the modelling of long term performance of concrete compositions with different proportions of clinker as regards the diffusion of CO2 in concrete – carbonation. The replacing constituents of clinker that will be part of the binder in each concrete composition are limestone filler and low calcium fly ash (FA). The used percentage of FA by weight of binder was of 50%. Concrete compositions were made following standard prescribed requirements to attain service lives of 50 and 100 years as regards concrete performance against reinforcing steel corrosion. Test results of compressive strength and carbonation depth are reported at different curing ages of 28, 90, 180 and 365 days. Carbonation results were used for the implementation of modelling equations in order to estimate the design service life regarding reinforcing steel corrosion. Two performance-based methods were used: safety factor method and probabilistic method, and their results compared with the traditional prescriptive approach. At the age of 28 days the composition with OPC is the only one that reaches the target periods of 50 or 100 years. For the probabilistic method, different curing age results were analysed. For the tested results at 90, 180 and 365 days of age the reliability of some of the compositions with blended cements is within the minimum required, although still far from the higher performance of concrete with OPC.

Pseudo-cyclic and cyclic loading were applied to CFRP-to-steel bonded joints built with two different CFRP laminates. In this paper, the strength capacity and bond-slip curves are presented and compared. The modes of failure are also described and associated with the types of material used, and the observed performances are correlated. The analysis of the results showed a threshold value for loading and amplitude level, below which the cyclic loading caused no detectable damage. For cycles above that limit, the region of the joints around the loaded end presented degradation reflected on the bond-slip stiffness and on the increase of residual deformation. It was found that the normalized dissipated energies either obtained from the bond-slip relationship or from the load-slip response had the same trend. The experimental data allowed also to establish a relationship between the damage developed within the interface and the normalized slip. A preliminary estimate of fatigue limit based on those data is suggested.

The main goal of the present research work is to characterise a unidirectional fibre reinforced grout (UFRG), developed as an alternative material to strengthen RC structures using small thickness jacketing. A high performance cementitious grout reinforced with continuous and unidirectional non-woven steel fibre mat has been developed for this purpose. It was expected that the optimization of the percentage and alignment of the steel fibres would yield a more efficient fibre grout. In fact, the composite should attain higher tensile strength with continuous fibres since the fibre embedment length is enough to prevent fibre pull-out. An experimental programme was carried out to characterise the UFRG’s mechanical properties. Compressive tests were conducted on small thickness tubular specimens to enable the determination of the compressive strength and the static modulus of elasticity. The tensile strength was obtained from splitting tests performed on cubic specimens (DIN 1048-5). Semi-empirical equations, based on the experimental results, are proposed to estimate UFRG’s modulus of elasticity, compressive strength and tensile strength. Two strengthening solutions for RC structures using small thickness CFRP jacketing are presented.

n/a

n/a

This thesis deals with the analysis of the behaviour of retrofitting reinforced concrete circular columns with FRP materials which were subjected either to axial cyclic compression or axial compression and alternated cyclic horizontal loads. The choice of this topic derived from the need to investigate the behaviour of the strengthening of reinforced concrete columns to seismic actions, especially with new materials such as carbon and glass fibres or polymeric mortars. Another reason for such choice is linked to the strong seismicity of the Portuguese territory.
It has been verified that confined concrete columns with FRP jackets have their resistance and ductility highly increased as these considerably reduce the columns transversal deformation, thus preventing the buckling of longitudinal reinforcement. There has been an increasing use of FRP composites in the strengthening of structures, mainly with GFRP (Glass Fibre Reinforced Plastics) or CFRP (Carbon Fibre Reinforced Plastics). This is due to their attractive characteristics such as high resistance to corrosion, lowratio for weight/strength, moldability, easy application and the fact that there is no need of support structures.
Forty-five experimental tests were carried out, dealing with retrofitting reinforced concrete columns with axial monotonic or cyclic compression reinforced with FRP composites. The column height of 750 mm was maintained in order to evaluate the influence of several parameters in its behaviour: the column geometry (change in its diameter), the type of column (plain or reinforced concrete), transversal reinforcement ratio of concrete columns, the type of external confinement with FRP (C or GFRP), the number of FRP layers and the type of axial loading (monotonic or cyclic).
Twelve additional experimental tests were conducted in order to analyse the behaviour of reinforced concrete columns jacketed with FRP composites and subjected to axial cyclic compression and alternated cyclic horizontal loads. The columns’ dimension was maintained (1500 mm height by 250 mm diameter) and the models were subjected to a series of cyclic and alternated loadings. This enabled the study of the various parameters’ influence in their behaviour such as the type of FRP confinement, the number of FRP layers, the level of axial loading, the jacket’s height or the strengthening of the plastic hinge by replacing the cover concrete with polymeric mortar.
Based on the numerical models presented and experimental analysis carried out, models were proposed and developed to simulate the behaviour of columns jacketed with FRP composites.

The present work studies the behaviour of bonded steel plates to reinforced concrete elements, which can be used in the strengthening of concrete structural elements. Metallic expansion bolts can be added.The objective of this dissertation is to investigate the behaviour to monotonic actions and particularly to cyclic loading of steel-epoxy-concrete connection with expansion bolts. This cyclic action is of particular interest due to the strong seismicity of the Portuguese territory.The research is mainly based in experimental analysis. The caracterization of the materials was carried out. Six models of the steel-epoxy connection were tested with monotonic loading. Twenty six models of steel-epoxy-concrete bond were submitted either to monotonic or to cyclic actions.Besides the type of action, other parameters were studied in the steel-epoxy-concrete connection models.These were the bond geometry area, the type of concrete, the type of epoxy and connection - with or without metallic expansion bolts.A parametric study with a numerical model of finite elements, as well as a global analysis of the experimental tests of the steel-epoxy-concrete connection was carried out.

n/a

n/a

n/a

A demanda de energia, faz com que o homem esteja sempre a procura de novas soluções para a sua produção. Uma opção é a energia eólica, por se tratar de uma energia limpa, renovável e inesgotável. Para se evitar a ocupação das terras férteis, é natural a busca de soluções no mar. Portanto, neste trabalho é estudado o comportamento estrutural dinâmico de uma torre treliçada em concreto armado pós-tensionado por tirantes externos idealizada para uso offshore com a finalidade de suporte para turbinas eólicas de eixo horizontal. A torre está sujeita às ações gravitacionais, aerodinâmicas e hidrodinâmicas. Para considerar estas ações desenvolveu-se um código computacional específico usando a linguagem MATLAB. É proposto um modelo simplificado para análise bi-dimensional, utilizando-se elementos de pórtico plano com a finalidade de contornar as dificuldades de uma análise tridimensional. Embora específico para este tipo de torre, o codigo permite variar geometrias, carregamentos e alterações do nível do mar. Nas cargas aerodinâmicas élevado em conta o espectro de Von Karman. As cargas hidrodinâmicas são avaliadas pela equação de Morison. As cargas nodais equivalentes são determinadas por integração ao longo do elemento estrutural de acordo com o proposto por Souza. Os tirantes pós-tensionados são monitorados para não sofrerem esforços de compressão. A análise é realizada no domínio do tempo utilizando-se o algoritmo de integração de Newmark.. Através dos procedimentos adotados foi possível obter resultados para as freqüências, deslocamentose esforços, que se mostraram coerentes com os obtidos por modelos tri dimensionais mais complexos. O código desenvolvido permitiu a análise de forma simples, eficiente e confiável de torres treliçadas de concreto armado.

Cement bonded particle board (CBPB) is a composite material produced in plates consisting mainly of wood and cement, and may contain additives. This material is currently used in cladding, raised floors, dropped ceilings, prefabricated houses, office containers and various supplies to the building industry such as kitchens, bathrooms and furniture. It is composed of a type of wood Pinus pinaster and/or Pinus pinea, Portland cement type II, sodium silicate and aluminium sulphate. CBPB has been the subject of several studies with the purpose of enabling the use of other types of wood or even vegetable biomass, as the chemical compounds from wood (extractives and sugars) tend to inhibit of cement hydration. A study on the behaviour of short CBPB elements under compression was carried out in the Department of Civil Engineering of Universidade NOVA de Lisboa with the aim of enabling its use in structural elements. The study was supported by VIROC, the company which produces CBPB in Portugal. This paper presents and analyses the most significant results of a campaign of axial compression tests performed on 111 specimens of different heights and cross sections. The behaviour of CBPB specimens of varying slenderness was subjected to a more detailed analysis.

Sandstones are very important in the building elements of world’s historical and cultural heritage. The façades of St. Leonard’s church in Atouguia da Baleia village in western region of Portugal are an outstanding example of the effect of alveolization on going for several centuries. In Middle ages there was an harbour and a sodium chloride rich environment near this church was responsible for this significant stone degradation pattern.
A new approach of consolidating products application on stone walls façades based on Karsten pipe using total head to allow full absorption of stone was followed.
Experimental research, based on physical and mechanical tests, was carried out on selected representative samples of a variety of sandstones on monuments treated with ethyl silicates in order to assess the effectiveness and harmfulness of these treatments.
The comparison of results between traditional immersion applications and Karsten pipe’s based procedure on stone monument indicate the potential viability of this new approach when difficult conditions of consolidating products’ absorption occurs on stone monuments.

Abstract Sandstones are widely used in the building elements of the world’s stone monuments. Alveolization due to salt crystallization-dissolution is the most important degradation pattern found on the Middle Ages’ sandstone façades of St. Leonardo’s Church in Portugal. An outstanding case of widespread distribution of deep and large alveolization patterns found mainly on portals and vaults of its sandstone façades appeared as a result of the past and present proximity of the seashore. On stonewall façades, a new approach of consolidating products’ treatments using the total head was followed in order to allow full absorption of stone. Physical and mechanical tests were carried out on selected representative specimens of varieties of sandstones on the monument. Treatments with ethyl silicates were assessed by means of its effectiveness, harmfulness, and durability. The comparison of results between the application of this new procedure on this stone monument and the traditional intervention treatments highlighted the potential viability of the former to overcome difficult conditions of absorption of consolidating products.

Num mundo em constante mutação, as próximas décadas na indústria da construção serão, certamente, muito influenciadas pelos desenvolvimentos nas áreas dos materiais, da informática, do processamento de dados, da industrialização e da automação. A pré-fabricação em betão é, hoje em dia, uma forma de construção segura, económica, durável, sustentável e arquitetonicamente versátil. Trata-se de uma forma industrializada de construção com diversas vantagens, pois permite incorporar, de forma mais rápida, económica, adequada e sustentável, a inovação em materiais, sistemas e processos.A produção em fábrica significa processos de fabrico racionais e eficientes, controlo de qualidade, trabalhadores qualificados, repetição de tarefas, e menor custo de mão-de-obra por m² devido à automação do processo de produção. Deste modo, a industrialização da construção transfere a maioria dos trabalhos do local da obra para a fábrica. As distâncias máximas de transporte por camião deverão variar entre 150 e 350 km, dependendo do tipo de produtos e da rede viária, podendo, em algumas situações, o transporte ser feito por comboio ou por navio, caso em que as distâncias máximas podem aumentar até 2.000 km [3]. Dependendo da acessibilidade do local e da capacidade do sistema de elevação, o processo de montagem em obra deverá ser discutido no início do projeto. Em termos de sustentabilidade, a indústria de pré-fabricação a nível europeu está apostada na redução de 45% de matérias-primas e de 30% do consumo energético. Várias fábricas já reciclam o betão não utilizado e em breve funcionarão num sistema de produção fechado, em que todo os resíduos serão processados e reutilizados [3]. No futuro, o betão pré-fabricado será por excelência o veículo preferido para a introdução dos agregados reciclados na indústria de construção, dado o controlo de qualidade a que é sujeito. O controlo de qualidade na pré-fabricação começa no estudo e preparação do projeto, e continua com a produção das peças de betão e com a entrega e montagem a tempo e horas. O controlo de qualidade durante o processo de fabrico é baseado em quatro pilares fundamentais: pessoas, instalações e equipamentos, matérias-primas e processos de execução, e controlo de qualidade da execução. A maioria das empresas de pré-fabricação possui a certificação ISO-9000.As caraterísticas das estruturas pré-fabricadas permitem adaptá-las, na maioria das situações, às exigências do arquiteto ou do dono de obra, não existindo antagonismo entre a elegância arquitetónica e o aumento da eficiência estrutural (Figura 1). Atualmente, industrialização já não significa um número elevado de peças de betão idênticas, pelo contrário, um processo de produção eficiente pode ser combinado com a mão-de-obra qualificada existente na fábrica, o que permite desenvolver um projeto de arquitetura moderno e sem custos adicionais. A utilização de vãos grandes, sem restrições a possíveis subdivisões com paredes divisórias, permite a flexibilidade do espaço, adaptando-o às necessidades do utilizador, tal como é exigido nos edifícios de escritórios. Quer no passado quer atualmente, a maioria dos edifícios tradicionais são concebidos para uma utilização específica, sem atender a futuras alterações de uso e consequentes remodelações ou demolições. Para obviar a esta desvantagem, a solução passa por fazer uma distinção clara entre a parte estrutural dos edifícios e os acabamentos, possibilitando, desta forma, futuras remodelações sem demolição da estrutura do edifício. Hoje as estruturas pré-fabricadas em betão já são concebidas de acordo com este conceito, dada a capacidade existente nas vigas e pavimentos para vencerem grandes vãos, o que facilita a criação de grandes espaços abertos no interior do edifício. As caraterísticas das lajes alveoladas permitem que as redes de instalações sejam aí incorporadas, e, além disso, pode-se tirar partido da massa térmica do betão da laje para armazenar energia térmica. Os elementos pré-fabricados de betão possibilitam uma ampla variedade de acabamentos, desde superfícies cuidadosamente moldadas até ao betão à vista. Deste modo, o arquiteto dispõe de painéis de fachada, vigas e pilares com formas especiais e com acabamentos de alta qualidade (Figura 2). Além disso, o projetista pode inspecionar e aceitar as peças pré-fabricadas antes de serem transportadas e fixadas no local. Os painéis em betão arquitetónico oferecem uma ampla gama de acabamentos, numa grande variedade de cores e texturas, por exemplo em calcário ou granito, ou através de acabamentos mais complexos em tijoleiras cerâmicas ou em alvenaria de pedra natural ou artificial que seriam extremamente caros se aplicados in situ pelos métodos tradicionais. A pré-fabricação, comparativamente à construção in situ, tem um maior potencial para apresentar estruturas mais económicas, melhor desempenho estrutural e maior durabilidade por causa da otimização dos materiais utilizados, a qual é obtida tendo por base as matérias-primas, os equipamentos de fabricação utilizados e os procedimentos de trabalho cuidadosamente estudados. Os trabalhos de pré-fabricação utilizam equipamento de dosagem e mistura controlados por computador, bem como aditivos e adjuvantes na mistura para obter os desempenhos mecânicos pretendidos. A betonagem e a vibração do betão são realizadas com condições de trabalho e equipamentos ideais. O teor de água pode ser reduzido ao mínimo e a cura também ocorre em circunstâncias controladas. A classe do betão utilizada pode ser adequada às exigências de cada tipo de elemento, de forma a otimizar o uso de materiais mais caros. O betão pré-fabricado oferece uma liberdade de ação considerável para a melhoria da eficiência estrutural, permitindo produtos mais esbeltos e um uso otimizado dos materiais. Maiores vãos e menores alturas úteis podem ser obtidos através da utilização do pré-esforço em vigas e pavimentos. O pré-esforço é frequentemente utilizado na pré-fabricação devido às pistas de pré-tensão existentes e aos fios de pré-esforço serem ancorados por aderência. O betão pré-fabricado pré-esforçado proporciona todas as vantagens construtivas do betão pré-esforçado, mas também a economia na fabricação, devido à reduzida mão-de-obra e à ausência de dispositivos de ancoragem dispendiosos. Outra vantagem do betão pré-fabricado é a melhoria da durabilidade. Contudo, os melhores benefícios são obtidos para os elementos verticais, especialmente para os pilares, onde a capacidade de carga pode aumentar entre 100% a 150% quando a resistência do betão passa de 30 para 90 MPa [3]. As estruturas pré-fabricadas em betão armado e pré-esforçado apresentam, normalmente, uma resistência ao fogo de 60 a 120 minutos ou mais [3]. Atualmente os betões de alto desempenho já são utilizados em algumas estruturas pré-fabricadas e no futuro próximo, em especial em zonas com alguma agressividade ambiental, o betão pré-fabricado verá as armaduras de aço substituídas por armaduras de matérias compósitos. O desempenho das estruturas pré-fabricadas tem sido analisado face a sismos de diferentes intensidades, tendo a maioria registado um bom desempenho, enquanto outras, em especial as mais antigas, mostraram algumas deficiências. A investigação a nível internacional dai resultante, tem sido particularmente útil para melhorar a pormenorização das ligações das estruturas pré-fabricadas, bem como para avaliar a ductilidade geral destas estruturas (que mostrou ser bastante comparável à das estruturas construídas in situ), ajudando assim a definir fatores de comportamento adequados [4].Na última década a Comissão 6 da pré-fabricação, da Federação Internacional do Betão (fib) publicou um conjunto de relatórios técnicos [1-5] sobre edifícios pré-fabricados, dedicados em especial às ligações estruturais [1], às ações acidentais [2], aos painéis sandwich [5], ao projeto de estruturas pré-fabricadas em geral [3] e ao projeto de edifícios em zonas sísmicas [4], onde estes temas são abordados em detalhe e que podem ser uma mais-valia para todos os que se queiram dedicar a esta temática.

A procura de soluções de reforço mais duráveis e de fácil aplicação tem levado à utilização crescente dos compósitos de FRP (Fiber Reinforced Polymer) no reforço de estruturas, dada a sua resistência à corrosão, o baixo quociente peso/resistência mecânica, a sua moldabilidade, a facilidade de aplicação e a eliminação de estruturas de suporte. No reforço estrutural de vigas de betão armado com compósitos de FRP, são tradicionalmente utilizados dois tipos de técnicas: os sistemas em que o laminado é colado pelo exterior (EBR - Externally-Bonded Reinforcement) ou aqueles em que o laminado é inserido em rasgos previamente abertos na camada de recobrimento (NSM - Near Surface Mounted). No entanto, as técnicas utilizadas, o comportamento elástico-linear destes materiais e as roturas tendencialmente frágeis das soluções condicionam a sua utilização em estruturas onde se pretende alguma ductilidade. A técnica de reforço NSM apresenta algumas vantagens em relação à técnica EBR, nomeadamente ao nível da proteção das armaduras [1]. Além disso, o desempenho em termos de ductilidade do sistema e resistência final excede a técnica EBR. Contudo, diversos ensaios experimentais [2-5] têm mostrado que roturas prematuras [6] da ligação na interface ou o destacamento do betão na zona do recobrimento entre a face inferior das armaduras ordinárias e as armaduras de reforço podem limitar significativamente a eficiência do sistema, originando modos de rotura frágeis e desperdício de material por falta de otimização da quantidade de material aplicado [1]. A fim de evitar a rotura prematura das soluções de reforço tradicionais (EBR e NSM), foi concebido na Universidade NOVA um sistema inovador de reforço intitulado CREatE (Continuous Reinforcement Embedded at Ends). O sistema CREatE foi idealizado para ser utilizado com diversos materiais [1, 5] e diferentes elementos estruturais, tais como vigas [1, 3], pilares [7], pavimentos [8], lajes ou paredes, em que é necessário aumentar a sua capacidade resistente através de armaduras pós-instaladas. A solução de reforço CREatE caracteriza-se pela utilização de armaduras contínuas embutidas nas extremidades do elemento estrutural sem o uso de dispositivos mecânicos para as fixar. Antes da ancoragem da armadura de reforço no interior do elemento, é necessário utilizar uma curva de transição suave para al terar a forma da armadura de reforço e evitar a concentração de tensões no la minado de CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) ou na interface e, desta forma, ter um fluxo gradual de tensões transmitidas à zona de ancoragem existente no interior do elemento. Para validar a solução CREatE foi realizada uma campanha de ensaios à flexão de vigas de betão armado com seção em T, uma altura total de 0,3m, um vão livre de 3,0m e reforçadas com laminados de CFRP recorrendo a diferentes técnicas (EBR, NSM e CREatE). As vigas foram testadas à flexão em 4 pontos, tendo-se obtido resultados promissores (Figura 1), com a eliminação na técnica CREatE dos modos de rotura prematuros. Na Figura 2 é possível observar uma viga ensaiada com a técnica CREatE em que se detetam aberturas de fendas significativas sem que se verifique qualquer rotura prematura do sistema. Além da eliminação dos modos de rotura prematuros, os ensaios comprovam que a técnica CREatE permite o incremento da ductilidade (Figura 1) e a exploração total da capacidade do CFRP [1, 3, 5].

Polymeric mortars or concrete are special building materials which can be used to repair or strengthen localized areas of structural elements. Following research on the behaviour of retrofitting reinforced concrete circular columns with FRP composite materials and bearing in mind the high strength of polymer concretes, it was decided to develop a solution to seismic retrofit of reinforced concrete columns with polymer concrete. The mechanical characteristics of different polymer concretes and especially their performance when subjected to cyclic axial compression, several bending tests, and monotonic and cyclic axial compression tests were studied, namely the compressive strength, the tensile strength on bending and the Young's modulus. Columns were also tested under axial compression and cyclic horizontal loads. The results of these tests are shown and interpreted. It is concluded that the improved behaviour in monotonic compression of polymer concrete is essentially associated with better strength characteristics of resin, whereas its superior behaviour under cyclic loading is linked to a smoother aggregate grading curve.

The adhesively bonded joints behaviour under cyclic loading is not yet well understood due to its inherent complexity. Numerical approaches appear, therefore, as the easiest way to simulate such mechanical behaviour. In this work, double strap bonded joints with Carbon Fibres Reinforced Polymers (CFRP) and aluminium are numerically simulated and subjected to a cyclic loading history. In the numerical simulation, the Distinct Element Method (DEM) is used and it is assumed cohesive bi-linear bond-slip models with local damage of the interface. The evaluation of the bonded joints under cyclic loading is made by comparing the results with those simulated with a monotonic loading.