Experimental analysis of load capacity in beams with steel fiber reinforcement on the compression face

Abstract

Abstract The use of steel fibers in the concrete is mainly aimed at increasing the post-peak toughness, due to the adhesion of the fibers to the cementitious matrix. However, there are several typologies of steel fibers, and the main differences are in the form (relation between length and diameter), fiber geometry, and the characterization between macrofibers and microfibers, which generally serve to reduce macrocracking and microcracking, respectively. In this context, this work evaluated the use of microfibers (20 kg/m³ or volume equal to 0.26% (Vf) of concrete volume), macrofibers (20 kg/m³ or Vf = 0.26%) and hybridization (10 kg/m³) + macrofibers (10 kg/m³) inserted in a high strength concrete (fc = 80 MPa). Two types of steel fibers were used: macrofibers with a diameter of 0.75 mm and a length of 60 mm (a form factor of 80); and microfibers with a diameter of 200 μm and a length of 13 mm (a form factor of 65). The fibers were used in concrete to act as a reinforcement on the compression face of reinforced beams (12×20×160cm), and the mechanical characteristics of the concretes were analyzed: (i) flexural strength in prismatic specimens (10×10×35 cm), (ii) compressive strength in cylindrical specimens (20×Ø10 cm) and (iii) modulus of elasticity in cylindrical specimens (20×Ø10 cm). Analysis of the results showed that compressive strength increased by approximately 8% for all the compositions with fibers compared with concrete without fibers. Similar behavior was verified for the modulus of elasticity. In the prismatic specimens (10×10×35 cm) an increase in toughness was observed, with the macrofibers performing better. In beams measuring 12×20×160 cm, an increase in bearing capacity was verified regarding cracking time and plastic rotation, with the best result also obtained using macrofibers. Overall, it can be concluded that the application of reinforcement with steel fibers in the compression face of beams was efficient, even though it did not present a significant increase in compressive strength, a fact that could be correlated with the reduced volume of fibers used.Resumo A utilização de fibras de aço no concreto visa aumentar principalmente a tenacidade, em função da aderência das fibras à matriz cimentícia. Entretanto como existem diversas tipologias de fibras de aço, as principais diferenças estão no fator de forma (relação entre comprimento e diâmetro), na geometria das fibras, e, na caracterização entre macrofibras e microfibras, que de modo geral servem para reduzir a macrofissuração e microfissuração, respectivamente. Dentro deste contexto, este trabalho avaliou a utilização de microfibras (20 kg/m³ ou volume igual a 0,26% (Vf) do volume de concreto), macrofibras (20 kg/m³ ou Vf = 0,26%) e a hibridização entre os dois tipos (microfibras (10 kg/m³) + macrofibras (10 kg/m³)) inseridas em um concreto de alta resistência (fc = 80 MPa). Foram utilizados dois tipos de fibras de aço: as macrofibras com diâmetro de 0,75 mm e comprimento de 60 mm (fator de forma igual a 80, com gancho na extremidade); e microfibras com diâmetro de 200 µm e comprimento de 13 mm (fator de forma igual a 65). As fibras foram utilizadas no concreto para atuar como reforço na face tracionada de vigas armadas (12×20×160cm), e foram analisadas as características mecânicas dos concretos: (i) resistência à flexão em corpos de prova prismáticos (10×10×35 cm), (ii) resistência à compressão em corpos de prova cilíndricos (20×Ø10 cm) e (iii) módulo de elasticidade em corpos de prova cilíndricos (20×Ø10 cm). Análise dos resultados mostraram que na resistência à compressão houve um acréscimo de aproximadamente 8% para todas as composições com fibras em relação ao concreto sem fibras. Quanto ao módulo de elasticidade foi verificado comportamento semelhante. Nos corpos de prova prismáticos (10×10×35 cm) ocorreu aumento na tenacidade, sendo que as macrofibras tiveram melhor desempenho. Nas vigas de 12×20×160cm, ocorreu aumento da capacidade portante, quanto ao momento de fissuração e rotação plástica, sendo que o melhor resultado também foi obtido com as macrofibras. De modo geral, pode-se concluir que a aplicação do reforço com fibras de aço na face tracionada das vigas foi eficiente, embora não apresentou aumento significativo na resistência à compressão, fato que pode estar correlacionado ao reduzido volume de fibras utilizado.