In this paper a numerical model with strong discontinuities is presented to address fracture problems in quasi-brittle materials. A non-symmetrical statically and kinematically consistent formulation is implemented. The strong discontinuity in the displacement field is represented using the elemental enrichment finite element method (E-FEM). In other words, the strong discontinuity is introduced into the finite element and the additional degrees of freedom are condensed at the element level, allowing the implementation into existing computational codes. Two constitutive models are used to analyze the behavior of the cracked zone, linear and exponential. The exponential model results are closer to those obtained in experimental data and representative numerical simulations than the linear model.

Keywords: fracture, quasi-brittle material, elemental enrichment finite element method (E-FEM).

Neste artigo, um modelo numérico com descontinuidades fortes é apresentado para abordar problemas de fratura em materiais quase frágeis. É implementada uma formulação não simétrica estaticamente e cinemáticamente consistente. A descontinuidade forte no campo de deslocamentos é representada usando o método do elemento finito com enriquecimento elementar (E-FEM). Em outras palavras, a descontinuidade forte é introduzida no elemento finito e os graus de liberdade adicionais são condensados em nível de elemento, permitindo a implementação em códigos computacionais existentes. Dois modelos constitutivos são utilizados para analisar o comportamento da região fissurada, um linear e outro exponencial. Os resultados do modelo exponencial estão mais próximos dos obtidos em dados experimentais e simulações numéricas representativas do que o modelo linear.

Palavras-chave: fratura, material quase-frágil, método de elementos finitos com enriquecimento elementar (E-FEM).

The current study presents the results of tests conducted in 5 reinforced concrete slabs (415 cm x 415 cm x 7 cm) in order to experimentally check the possibility of reinforcing their upper surface, as well as to assess the adhesion between the old and the reinforcing concrete layers in the slab. The main variables were the concrete and reinforcement strength deficiencies. Reference slab “L1” was tested until reaching the failure load, whereas the others were tested until reaching certain load limit, reinforced and retested until reaching the failure load. All slabs failed under bending. The strengthening increased the failure load by 30% in slabs reinforced at minimum reinforcement rate when they were compared to similar non-reinforced slabs, regardless of the original concrete strength. None of the tests conducted in the reinforced slabs showed detachments or evidence of adhesion loss between the old and reinforcing concretes.

Keywords: slab, reinforced concrete, strengthening, adherence.

Este trabalho apresenta os resultados dos ensaios de 5 lajes de concreto armado (415 cm x 415 cm x 7 cm) com o objetivo de se verificar experimentalmente a possibilidade de reforço pela face superior de lajes de concreto armado e também de se avaliar a aderência entre o concreto antigo da laje e a camada do concreto do reforço. As principais variáveis foram as deficiências da resistência do concreto e de armadura. A laje L1, de referência, foi ensaiada até a ruptura e as demais até um limite de carregamento quando foram reforçadas e reensaiadas até a ruptura. Todas as lajes romperam por flexão e nas lajes armadas com uma taxa mínima de armadura, o reforço elevou em até 30% a carga de ruptura em relação a uma laje similar sem reforço, independentemente da resistência original do concreto. Em todos os ensaios das lajes reforçadas não se detectou descolamentos ou evidências de perda de aderência entre o concreto antigo e o concreto do reforço.

Palavras-chave: laje, concreto armado, reforço, aderência.

Abstract

The main goal of this research is to determine the mechanical properties of bedding mortar by assessing the mortar damage onset, the stiffness plasticity degradation and the apparent Poisson´s ratio under compression. Two mortar types, 1:0.5:4 and 1:1:6 (cement:lime:sand ratio), were used and tested at 28 days; specimens had diameter-to-height (d/h) ratios of 0.3 and 1.0. These diameter-to-height (d/h) ratios were chosen to evaluate the effect of confinement caused by the friction between the steel plates of the testing machine and the sample. Numerical models were developed, and their response compared with the experimental results. From the experimental results, it was concluded that there are meaningful differences in their responses with weak and strong mortar types and different d/h ratios. The d/h ratio influences the relationship between the stress and strength and the apparent Poisson´s ratio of the specimen, which is defined herein as the ratio of the horizontal to vertical strain, regardless of cracking of the specimen. The mortar damage onset and stiffness plasticity degradation for both mortar types and d/h ratio are different and depend on the stress/ strength ratio level. All samples with a d/h ratio of 0.3 show a constant decrease in the volumetric strain until failure but with negligible expansion on the horizontal deformation. In contrast, samples with a d/h ratio of 1.0 present an increase of stiffness after development of the first crack, which causes the increase of the sample volume. Numerical simulation and experimental results for mortar 1:0.5:4 with a d/h ratio of 0.3 are similar until approximately 10 MPa, after which the numerical results diverge from the experimental results. For the d/h ratio of 1.0, the vertical strain results are also similar, but the horizontal strains results near failure are very different. The model can not represent the nonlinear increase of the horizontal strain near failure probably because the crack propagation and the stiffness plasticity degradation could not be controlled. For mortar 1:1:6, vertical strains from numerical and experimental results are similar, but again the model can not reproduce the nonlinear increase of horizontal strain near failure.

Keywords: bedding mortar, damage onset, vertical strain, horizontal strain, strain difference, confinement effect.

O objetivo principal desta pesquisa é determinar as propriedades mecânicas da argamassa de assentamento à compressão, avaliando o início do dano, perda de rigidez e variação do coeficiente de Poisson aparente. Foram testados dois tipos de argamassa, com traços em volume de 1:0,5:4 e 1:1:6 (cimento, cal e areia), testadas aos 28 dias, com corpos de prova de prova cilíndricos com duas relações diâmetro/altura (d/h), de 0,3 e 1,0. Estas relações diâmetro/altura foram escolhidas de forma a avaliar o efeito do confinamento causado pelo atrito entre os pratos de aplicação de carga da prensa e o corpo de prova. Foram desenvolvidos, também, modelos numéricos de maneira a confrontar os resultados com os experimentais. Dos resultados experimentais conclui-se que há diferenças significativas de comportamento mecânico entre os dois tipos de argamassa e as duas relações diâmetro/altura. A relação d/h influenciou a relação tensão-deformação e o coeficiente de Poisson aparente do material, definido aqui como a relação entre as deformações específicas lateral e axial, independentemente da formação das fissuras. O início da fissuração e a perda de rigidez para os dois tipos de argamassa e relações d/h são diferentes e dependem do nível de tensão aplicado. Todas as amostras com relação d/h igual a 0,3 apresentaram decréscimo de volume específico constante até a ruptura, mas com uma pequena expansão das deformações laterais. Por outro lado, as amostras com relação d/h igual a 1,0 apresentaram um crescimento da rigidez após o aparecimento da primeira fissura, resultando em aumento do volume específico. O comportamento tensão-deformação obtido nas análises numéricas e experimentais das amostras de argamassa 1:0,5:4 com relação d/h igual a 0,3 foram similares até, aproximadamente, 10 MPa, depois disso, houve divergência entre os resultados dos dois conjuntos. Para a relação d/h igual a 1,0, as deformações específicas verticais foram similares, mas as deformações específicas laterais foram muito diferentes próximo à ruptura. O modelo numérico não foi capaz de representar o crescimento não linear das deformações específicas laterais próximo à ruptura porque a propagação de fissuras e a perda de rigidez não puderam ser controladas. Para a argamassa 1:1:6, as deformações específicas verticais dos modelos numéricos e experimentais foram semelhantes, mas mais uma vez não foi possível repetir o crescimento não linear das deformações específicas laterais próximo à ruptura.

Palavras-chave: argamassa de assentamento, ruptura, deformação específica vertical, deformação específica horizontal, incremento de deformações específicas, confinamento.

Abstract

The behavior under fire conditions of composite steel and concrete beams, not subjected to local buckling (compact steel profile), was studied considering the support rotational stiffness provided by the upper longitudinal slab reinforcement, usually present by means of anti-cracking meshes, and restriction of the steel profile’s lower flange, additional procedure required for development of the support bending moment resistance. Usually composite beams at room temperature are designed as simply supported and the semi-rigidity provided by this longitudinal reinforcement, if considered under fire conditions, may lead to a lower cost solution for fire protection of composite beams. The purpose of this study is to verify the viability of this proposal, using simplified design code methods.

Keywords: fire, composite steel concrete beam, semi-continuous.

Estudou-se o comportamento sob ação do incêndio de vigas mistas de aço e concreto, sem instabilidades locais (ditas compactas), considerando a rigidez à flexão nos apoios fornecida pela armadura negativa longitudinal à viga, usualmente presente por meio de malhas antifissuração, e restrição da mesa inferior do perfil de aço, procedimento adicional necessário para desenvolvimento do momento fletor resistente no apoio. Geralmente as vigas mistas são dimensionadas à temperatura ambiente como biapoiadas e a semicontinuidade proporcionada por essa armadura longitudinal, se considerada em situação de incêndio, pode conduzir a uma solução de menor custo para proteção contra fogo das vigas mistas. O objetivo deste trabalho é verificar a viabilidade dessa proposta, usando métodos normativos simplificados.

Palavras-chave: incêndio, viga mista de aço e concreto, semicontínua.

Abstract

In this work a computational model is presented to evaluate the ultimate bending moment capacity of the cross section of reinforced and prestressed concrete beams. The computational routines follow the requirements of NBR 6118: 2014. This model is validated by comparing the results obtained with forty-one experimental tests found in the international bibliography. It is shown that the model is very simple, fast and reaches results very close to the experimental ones, with percentage difference of the order of 5%. This tool proved to be a great ally in the structural analysis of reinforced and prestressed concrete elements, besides it is a simplified alternative to obtain the cross section ultimate bending moment.

Keywords: reinforced concrete, prestressed concrete, ultimate bending moment, beams

Neste trabalho é apresentado um modelo computacional que calcula o momento resistente último de seções transversais de vigas de concreto armado e protendido. As rotinas computacionais seguem as prescrições da NBR 6118: 2014. Este modelo é validado através da comparação dos resultados obtidos com quarenta e um ensaios experimentais encontrados na bibliografia internacional. É mostrado que o modelo é bastante simples, rápido e atinge resultados muito próximos dos experimentais, com diferença percentual da ordem de 5%. Esta ferramenta se mostrou uma grande aliada na análise de elementos estruturais de concreto armado e protendido, além de uma alternativa simplificada para obtenção do momento de ruína da seção transversal.

Palavras-chave: concreto armado, concreto protendido, momento resistente último, vigas.

Abstract

In the region of negative bending moments of continuous and semi-continuous steel and concrete composite beams, the inferior portion of the steel section is subjected to compression while the top flange is restricted by the slab, which may cause a global instability limit state know as lateral distortional buckling (LDB) characterized by a lateral displacement and rotation of the bottom flange with a distortion of the section’s web when it doesn’t have enough flexural rigidity. The ABNT NBR 8800:2008 provides an approximate procedure for the verification of this limit state, in which the resistant moment to LDB is obtained from the elastic critical moment in the negative moment region. One of the essential parameters for the evaluation of the critical moment is the composite beam’s rotational rigidity. This procedure is restricted only to to steel and concrete composite beams with sections that have plane webs. In this paper, an equation for the calculation of the rotational rigidity of cellular sections was developed in order to determine the LDB elastic critical moment. The formulation was verified by numerical analyses performed in ANSYS and its efficiency was confirmed. Finally, the procedure described in ABNT NBR 8800:2008 for the calculation of the critical LDB moment was expanded to composite beams with cellular sections in a numerical example with the appropriate modifications in geometric properties and rotational rigidity.

Keywords: cellular profile, rotational stiffness, lateral distortional buckling, elastic critical moment.

Na região de momento negativo das vigas mistas de aço e concreto contínuas e semicontínuas, a parte inferior do perfil de aço está sujeita à compressão, enquanto a mesa superior está travada pela laje, o que pode ocasionar um estado limite de instabilidade global denominado flambagem lateral com distorção (FLD) caracterizado por deslocamento lateral e giro da mesa inferior mediante a distorção ocorrida na alma do perfil de aço caso esta não possua rigidez flexional suficiente. A ABNT NBR 8800:2008 fornece um procedimento aproximado para verificação desse estado limite pelo qual se obtém o momento fletor resistente à FLD a partir do momento crítico elástico da região de momento negativo. Uma grandeza fundamental para se chegar ao valor do momento crítico elástico é a rigidez rotacional da viga mista. O procedimento da ABNT NBR 8800:2008 se restringe somente às vigas mistas de aço e concreto com perfis de aço de alma cheia. Nesse trabalho, uma formulação analítica para o cálculo da rigidez rotacional da alma de um perfil celular foi desenvolvida com vistas à determinação do momento crítico elástico à FLD. A formulação foi verificada por análises numéricas desenvolvidas no ANSYS que comprovaram a sua eficiência. Por fim, o procedimento descrito na ABNT NBR 8800:2008 para cálculo do momento crítico à FLD é estendido a vigas mistas com perfil de aço celular em um exemplo numérico com as devidas modificações nas propriedades geométricas e na rigidez rotacional.

Palavras-chave: perfil celular, rigidez rotacional, flambagem lateral com distorção, momento crítico elástico.

Abstract

This paper describes the scene of the Real Class building collapse, a residential building with reinforced concrete structural system and located in the urban area of the city of Belem / PA, occurred in 2011. The unconformities found in the building are displayed using data extracted from reports and verification of structural and architectural designs. The data was compared with the Brazilian code for reinforced concrete structures, NBR 6118 (2007), valid at the time of the accident. The security of the building was evaluated through a computer model with linear analysis with the software used by the designer. The conditions of the structural system designed and as built was evaluated with parameters of global stability and load capacities of columns and foundations. The results showed that the structure of the building was subject to large displacements and the sections of columns were unable to resist the stresses produced by regional wind actions.

Keywords: reinforced concrete structures, strctural safety, global stability, collumns

Neste texto são descritos o cenário do colapso do edifício Real Class, edifício residencial com sistema estrutural de concreto armado, situado na zona urbana da cidade de Belém/PA, ocorrido em 2011. As inconformidades encontradas no edifício são exibidas através de dados extraídos dos laudos e da verificação dos projetos estrutural e arquitetônico perante a norma de estruturas de concreto armado, NBR 6118 (2007), vigente na época do acidente. A segurança do edifício foi avaliada através da modelagem computacional com análise linear do edifício pelo software utilizado pelo projetista. Foram analisadas as condições do projeto e da estrutura executada diante da estabilidade global, capacidade de carga das fundações e resistência dos pilares. Os resultados obtidos demonstraram que a estrutura do edifício estava sujeita a grandes deslocamentos e as seções dos pilares projetadas eram incapazes de resistir às solicitações das ações de vento incidentes na região da edificação.

Palavras-chave: estruturas de concreto armado, segurança estrutural, estabilidade global, pilares.

Abstract

This article proposes a standardized solution for the application of Tuned-Mass Dampers to the control of floor vibrations based on the characteristics of the acting loads associated to human usage and the characteristics of the most common structures of the contemporary engineering practice. In order to simplify its usage by the technical community, the tuning is proposed through the selection of pre-determined components for the assembly of the TMD and the choice of disposition and spacing of the mechanisms. The system efficacy is then verified through the computational case study of a floor before and after the application of the mechanisms.

Keywords: tuned-mass damper, TMD, vibrations, floor, comfort

Este artigo propõe uma solução padronizada de aplicação de Tuned-Mass Dampers (TMD) para controle de vibrações em lajes baseada na análise das características de carregamentos associados à utilização humana e nas características estruturais mais comuns à engenharia contemporânea. De modo a simplificar sua aplicação técnica, a sintonização é proposta por meio da escolha de componentes pré-determinados para a montagem do TMD e pela distribuição e posicionamento dos mecanismos. A eficácia do sistema é então verificada por meio de um estudo computacional de caso de uma laje antes e depois da aplicação dos mecanismos.

Palavras-chave: tuned-mass damper, TMD, vibrações, lajes, conforto

Abstract

The current compressive strength test for cement classification is performed under a fixed water to cement ratio according to the Brazilian and European standards, regardless the consistency obtained. However, under practical conditions the amount of water required is related to the rheological need to obtain and maintain a desired workability. Intrinsic cement characteristics influence the water demand such as the cement particle’s granulometry, specific surface area, density, the presence or not of water reducing admixtures, chemical and mineralogical nature of raw materials, etc., influence particles agglomeration state. Because water demand influences the mechanical properties of cement based products, the compressive strength class under a fixed water to solids ratio specified by the standards may not be representative for the user. The present work investigates the influence of mixing conditions on mini-slump spread results, a test that has been used for many years but never standardized. Cement paste samples were produced with varied mixing conditions (time and rotation speed) using a conventional stirrer and subjected to mini-slump spread test immediately after mixing and at fixed hydration times. Results show that mixing and hydration time do influence on minislump spread. At lower rotation speeds, results variability increases. Under fixed time after first contact with water, increasing rotation speed leads in a reduction of results variability and increase the test’s repeatability on cement pastes.

Keywords: Portland cement, mini-slump spread, mixing.

O ensaio de resistência do cimento, segundo às normas brasileiras e europeia atuais, é realizado com uma relação água/cimento fixa em massa, independente da consistência obtida. No entanto em condições normais de uso, a quantidade de água é uma variável definida com a finalidade de manutenção da consistência dos materiais cimentícios para obter trabalhabilidade adequada. Características intrínsecas dos ligantes, como distribuição de tamanho de partículas, área superficial especifica, densidade e natureza química ou mineralógica, ou extrínsecas, como presença de aditivos, temperatura ambiente e da água, tempo e energia de processamento, etc., podem afetar de forma distinta o estado de aglomeração e, consequentemente, a necessidade de líquido para a mistura. Como a demanda de água influencia a resistência mecânica dos produtos, a utilização da relação água/cimento fixa torna, em termos práticos, a classificação do cimento pela resistência pouco significativa para o usuário. Neste trabalho foi investigada a influência das condições de mistura na repetibilidade do ensaio de mini-slump, bastante usado para avaliação da quantidade de água nas composições, mas não normatizado. Pastas de uma mesma amostra de cimento foram misturadas por diferentes tempos e/ou rotações, usando um agitador mecânico convencional, e submetidas ao ensaio de mini-slump imediatamente após o ensaio ou após o mesmo tempo de contato com a água. Observou-se influência significativa nos resultados: quanto maior a rotação ou a manutenção do tempo de mistura, menor a variabilidade do espalhamento mini-slump sendo que a influência é mais sensível para diferenças de rotação.

Palavras-chave: cimento Portland, mini-slump, mistura.

Abstract

Punching is a possible failure mode for slender footings and it may lead a structure to ruin through progressive collapse. Although footing present different geometric characteristics, their punching shear design is based on the empirical methods used for flat slabs. This paper uses experimental results from 216 tests to evaluate the performance of design code recommendations presented by ACI 318 (2014), ABNT NBR 6118 (2014) and Eurocode 2 (2010) to estimate the punching shear resistance of reinforced concrete footings. Great dispersion between theoretical and experimental results was observed, being evident that the test system affects the punching shear capacity of footings. The more complex method proposed by Eurocode 2 resulted in a better correlation with experimental results.

Keywords: punching shear, footings, reinforced concrete.

A punção é um possível modo de ruptura para sapatas esbeltas e pode levar uma estrutura à ruína através do colapso progressivo. Apesar das sapatas apresentarem características geométricas diferenciadas, seu dimensionamento à punção é feito com base em métodos empíricos similares aos usados para ligações laje-pilar. Este artigo utiliza resultados experimentais de 216 ensaios para avaliar o desempenho das recomendações apresentadas pelas normas ACI 318 (2014), ABNT NBR 6118 (2014) e Eurocode 2 (2010) para a estimativa da resistência à punção de sapatas de concreto armado. Foi observada grande dispersão entre os resultados teóricos e experimentais, ficando evidente que o tipo de sistema de ensaio afeta a resistência à punção de sapatas. O método mais complexo proposto pelo Eurocode 2 resultou em uma melhor correlação com os resultados experimentais.

Palavras-chave: punção, sapatas, concreto armado.