The composite slabs behavior is governed by longitudinal shear at the interface between the steel deck and concrete, which is developed in slabs under simple bending. The m-k method and the partial connection method, that are used in the evaluation of shear strength at the steel-concrete interface of composite slabs, are based on expensive and long-term experimental tests. The main objective of this work is to implement a finite element model for nonlinear numerical analysis of concrete slabs with steel decking. For this, flat shell elements are implemented, considering Reissner-Mindlin and Kirchoff plate theories, bar elements, considering the beam theory of Tymoshenko, and interface elements. In the numerical analyzes presented in the present work, the steel deck and the concrete slab, of thickness given by the total height of the slab less the height of the steel deck, are modeled with flat shell elements. The concrete rib is modeled with bar elements. The contact between steel deck and concrete is modeled through interface elements. The geometric and material nonlinearities are considered in the numerical analysis. The analyzed examples validate the numerical model suggested in this work, presenting the advantage of using a two-dimensional discretization of the problem while in comparative numerical models are uses a three-dimensional discretization of the concrete slab.

Keywords: composite slabs, flat shell elements, partial connection, longitudinal shear.

O comportamento das lajes mistas é governado pelo cisalhamento longitudinal na interface entre o aço e o concreto, que é desenvolvido em lajes sob flexão simples. O método m-k e o método da interação parcial, utilizados no cálculo da resistência ao cisalhamento na interface aço- -concreto de lajes mistas, são baseados em ensaios experimentais caros e de longa duração. O objetivo principal desse trabalho é implementar um modelo de elementos finitos para análise numérica não linear de lajes de concreto com fôrma de aço incorporada, para isso são implementados elementos planos de casca, considerando as teorias de placa de Reissner-Mindlin e Kirchoff, elementos de barra, considerando a teoria de viga de Timoshenko, e elementos de interface. Nas análises numéricas apresentadas nesse trabalho a fôrma de aço e a laje de concreto, de espessura dada pela altura total da laje menos a altura da forma de aço, são modeladas com elementos planos de casca. A nervura de concreto é modelada com elementos de barra. O contato entre a fôrma de aço e o concreto é modelado através de elementos de interface. As não linearidades geométrica e física são consideradas na análise numérica. Os exemplos analisados validam o modelo numérico sugerido neste trabalho apresentando a vantagem de usar uma discretização bidimensional do problema enquanto os modelos numéricos comparativos utilizam uma discretização tridimensional da laje de concreto.

Palavras-chave: lajes mistas, elementos planos de casca, conexão parcial, cisalhamento longitudinal.

The aim of this paper is to carry out a nonlinear static analysis using a case study of a pile-supported wharf in a new oil tankers port. The seismic activity in this area is very intense with the peak ground acceleration of 0.55 g; for this reason, it is very important to analyse the structural behaviour of the nonlinear situation. The analysis of the wharf, modelled in 3D by finite element method, serves to calculate the structure vibration periods (the structure’s first period is 1.68 s) and the capacity curve. The design of the structure follows traditional criteria by international guidelines, and its procedure is in accordance to classic theoretical methods and codes. For the selection of adequate characteristic earthquake input for the pushover analysis European and Venezuelan codes have been used. Besides being important to study the seismic influence on the body of the wharf and on critical elements, as well as and the interaction fluid-structure-soil, it is also important to analyse the consequences of structure failure and to estimate the maximum allowed displacement. The results show that the ultimate displacement is 18,81 cm. A port is an extremely strategic work, which needs to be carefully designed to avoid environmental damage and maintain human safety.

Keywords: nonlinear static analysis, pushover analysis, pile-supported wharf, earthquake engineering.

O objetivo deste artigo é desenvolver uma análise estática não-linear através de um estudo de caso de um cais sobre estacas situado em uma nova área portuária para petroleiras. A atividade sísmica da área é muito intensa com uma aceleração máxima do solo de 0.55 g. Por esta razão, é muito importante analisar o comportamento estrutural na situação não-linear. A análise do cais, modelada em 3D pelo método dos elementos finitos, é usada para calcular os períodos de vibrações da estrutura (o primeiro período da estrutura é de 1.68 s) e a sua curva de capacidade. O projeto da estrutura segue critérios tradicionais preconizado pôr normas internacionais e o seu procedimento está de acordo com os métodos clássicos e as normas. Foram utilizadas as normas europeia e venezuelana para obter a característica adequada do terremoto para ser utilizada na análise de pushover. Além de ser importante estudar a influência sísmica da estrutura do cais e dos seus elementos críticos, bem como a interação fluido-estrutura-solo, também é importante analisar as consequências de falha estrutural e estimar o deslocamento máximo permitido. Os resultados mostram que o deslocamento final é de 18.81 cm. Um porto para petroleiras é uma obra extremamente estratégica, que precisa ser cuidadosamente projetada para evitar danos ambientais e para manter a segurança humana.

Palavras-chave: análise estática não-linear, análise pushover, cais sobre estacas, engenharia sísmica.

Abstract

An experimental program on reinforced concrete masonry beams was conducted aiming to better understand the behavior of reinforced masonry beams. The beams were designed to fail in flexure, assessing cracking patterns, maximum displacement, ultimate bending moment, and maximum flexural and axial compression strain. The experimental program included 12 reinforced masonry beam tested under flexure and built with bond-beam and hollow concrete blocks. Also, two type of prism were built and tested; one type stacked into the block greater dimension allowing testing with compression in the same direction as in the beams; and the second type as standard grouted prisms. Results indicate an average masonry compression strength parallel to bed joint 25% lower than the masonry compression strength in the other direction (perpendicular to bed joints). There was a significant increase on the beam stiffness due to the construction of one more block course. The model used to calculate the ultimate bending moment led to values close to the experimental result (difference of about 15%). Finally, the ultimate average shortening strain of masonry at axial compression was 50% lower than at flexural compression.

Keywords: beam, masonry, reinforced masonry, bending, ultimate strain, compressive strength.

Com objetivo de contribuir com o melhor entendimento do comportamento de vigas de alvenaria estrutural armada, foi realizado o estudo experimental de vigas de alvenaria armada com blocos de concreto. Essas foram projetadas para ruptura à flexão, sendo analisando o modo de fissuração, a flecha, o momento fletor último, a deformação por encurtamento médio último da alvenaria na compressão simples e na flexão. Foi desenvolvido um programa experimental no qual foram ensaiadas, à flexão simples, 12 vigas de alvenaria estrutural armada confeccionadas com canaletas e blocos de concreto. Para comparação entre resistência à compressão da alvenaria paralela e perpendicular às juntas horizontais, foram confeccionados e ensaiados dois tipos de prismas; 4 prismas grauteados, confeccionados com a maior dimensão dos blocos na vertical, simulando a ocorrência das tensões de compressão nas vigas (paralelas às juntas horizontais), e 4 prismas convencionais grauteados. Resultados mostraram que, em média, a resistência à compressão da alvenaria paralela às juntas horizontais foi 25% menor comparada com a outra direção (perpendicular às juntas horizontais). Houve um aumento significativo da rigidez das vigas devido à inserção de mais uma fiada. O modelo utilizado para o cálculo do momento fletor último conduziu a valores próximos dos experimentais (diferença de aproximadamente 15%). E em média, o encurtamento último da alvenaria na compressão simples foi 50% menor do que na flexão.

Palavras-chave: viga, alvenaria, alvenaria estrutural armada, flexão, deformação na ruptura, resistência à compressão

Abstract

This work aims to investigate the floors number influence on the instability parameter limit a1 of reinforced concrete frame-braced buildings; it succeeds another work in this field of knowledge, in which the same question was investigated for wall- and core-braced buildings. Initially, it is showed how the ABNT NBR 6118:2014 (Brazilian code for concrete structures design) defines when a second order analysis is needed. Topics concerning to physical nonlinearity consideration and to the lateral deflection components of frames are also presented. It follows an analytical study that led to the derivation of a method for determining the limit a1 as a function of the floors number and the relation between bending and shear stiffness. Finally, some examples are presented and their results are used for checking the method accuracy.

Keywords: instability, bracing structures, second order analysis.

Este trabalho investiga a influência do número de pavimentos no limite a1 do parâmetro de instabilidade de edifícios contraventados por pórticos de concreto armado; trata-se da seqüência de uma linha de estudos, na qual esta mesma questão foi investigada em edifícios contraventados por paredes e/ou núcleos. Inicialmente, mostra-se como a ABNT NBR 6118:2014 (norma de projeto de estruturas de concreto) define a necessidade ou não de se realizar uma análise de segunda ordem. Apresentam-se também tópicos relativos à consideração da não linearidade física e às componentes da deformação lateral dos pórticos. Segue-se um estudo analítico que resultou num método de determinação do limite a1 em função do número de andares e da relação entre as rigidezes à flexão e ao corte. Na seqüência, são apresentados exemplos cujos resultados servem para aferir o grau de precisão do método investigado.

Palavras-chave: instabilidade, estruturas de contraventamento, análise segunda ordem.

Abstract

The behavior of single-storey, single-bay reinforced concrete infilled frame with masonry panel subjected to static horizontal load was studied using two structural models: i) equivalent strut model (ESM) and ii) model with two-dimensional finite elements for state stress plane (MEF). In the first model, an equivalent diagonal strut replaces masonry. The axial stiffness of this element is defined by evaluation of the equivalent diagonal width. In the second model, the infilled frame is modeling by two-dimensional finite elements, requiring the simulation of the sliding and separation between the wall surfaces and the reinforced concrete frame. Although equivalent strut models are more attractive for design, the formulas found in the literature to determine equivalent strut width provide very different values. In addition, most of these formulas ignore some parameters that may be important, such as beam flexural stiffness. For this reason, several numerical analysis were be carried out. The models simulated usual geometric and mechanical characteristics observed in reinforced concrete buildings. The results of the two-dimensional finite element modeling (by software ANSYS) were used as reference for the evaluation of the results provided by the equivalent strut model. The comparison of results allowed the assessment of the analytical expressions for evaluation of the equivalent diagonal width. Based on this assessment, a new expression is proposed for buildings with similar characteristics as analyzed in this paper. The results of numerical simulations with MEF models also allowed for an evaluation of stresses and the probable cracking pattern in infill walls.

Keywords: infilled frames, reinforced concrete frames, diagonal strut model, element finite method, structural analysis.

Este trabalho tem como objetivo o estudo do comportamento de pórticos de edifícios de concreto armado preenchidos com alvenaria frente às ações horizontais, empregando-se dois modelos estruturais: i) modelo de diagonal equivalente (MDE) e ii) modelo com elementos finitos bidimensionais para estado plano de tensões (MEF). No primeiro modelo, a alvenaria é substituída por uma barra diagonal equivalente articulada. A rigidez axial dessa barra é definida com o cálculo da largura da diagonal equivalente. No segundo modelo, a alvenaria é modelada por elementos finitos bidimensionais, havendo a necessidade da simulação do deslizamento e da separação entre as superfícies da parede e do pórtico de concreto armado. Embora os modelos de diagonais equivalentes sejam mais atrativos para o projeto, as expressões analíticas da bibliografia internacional para o cálculo da largura da diagonal fornecem valores muito diferentes entre si. Além disso, a maioria dessas expressões desconsidera alguns parâmetros que podem ser importantes, tais como a rigidez à flexão da viga. Por essa razão, foram realizadas diversas simulações numéricas de pórticos isolados de concreto armado preenchidos com blocos cerâmicos com características geométricas e mecânicas usuais em edifícios de concreto armado. Os resultados da modelagem com elementos finitos bidimensionais (via programa ANSYS) foram utilizados como referência para a avaliação dos resultados fornecidos pelo modelo de diagonal equivalente. A comparação de resultados permitiu a aferição das expressões analíticas da bibliografia para o cálculo da largura diagonal equivalente e possibilitou a proposta de uma nova expressão aplicável a edifícios com geometrias similares aos modelos analisados. Os resultados das simulações numéricas com os modelos MEF também permitiram a avaliação das tensões solicitantes e do provável tipo de fissuração nas alvenarias.

Palavras-chave: pórticos preenchidos com alvenaria, pórticos de concreto armado, modelo de diagonal equivalente, método dos elementos finitos, análise estrutural.

Abstract

This paper aims to evaluate the reliability indexes of reinforced concrete beams designed in accordance with brazilian code NBR-6118:2014 in relation to the ultimate limit state of flexure. The main statistics of the resistance model are obtained through Monte Carlo simulation using ANSYS software and its probabilistic design tool. The reliability indexes are evaluated by FORM, being performed a parametric study in order to assess the influence of the main design variables on the safety level reached. It can be noticed that the reliability indexes are shown unsatisfactory in the combinations which the live loads are predominant.

Keywords: structural reliability, reinforced concrete, finite element method, Monte Carlo Method, FORM.

O presente trabalho busca avaliar o índice de confiabilidade atingido pelas vigas de concreto armado dimensionadas de acordo com a norma brasileira NBR-6118:2014 em relação ao estado limite último de flexão. As principais estatísticas das resistências são obtidas por simulações de Monte Carlo utilizando o software ANSYS e a ferramenta probabilistic design. Os índices de confiabilidade são calculados pelo FORM, sendo realizado um estudo paramétrico para avaliar a influência das principais variáveis de projeto nos níveis de segurança atingidos. É observado que os índices de confiabilidade se mostram insatisfatórios para combinações de carga nas quais as cargas acidentais são predominantes.

Palavras-chave: confiabilidade estrutural, concreto armado, método dos elementos finitos, Método de Monte Carlo, FORM.

Abstract

This work aims to analyze the influence of the compressive strength of concrete columns in the design of a multi-floor building using the CAD/TQS computational tool. The strengths of the columns varied in increments of 5 MPa, from 35 MPa to 90 MPa, with a 35 MPa resistance in the remaining structural elements. Analyses of the horizontal deformability, stability parameters, and optimized sections, as well as quantities and cost of the main materials used (concrete, steel, and formwork), were performed. As a result, a 32% reduction to the total area of the columns was achieved; consequently, a reduction in material quantities and the total cost of the building was also achieved. Thus, greater durability was provided without major costs or loss in structural safety.

Keywords: structural optimization, columns, high-strength concrete.

Este trabalho tem como objetivo analisar a influência da resistência à compressão do concreto em pilares no dimensionamento de um edifício de múltiplos pavimentos, utilizando a ferramenta computacional CAD/TQS. As resistências dos pilares foram variadas em uma razão de 5 MPa, de 35 MPa até 90 MPa, sendo que os demais elementos estruturais permaneceram com resistências de 35 MPa. Foram feitas análises de deformabilidade horizontal, parâmetros de estabilidade, seções otimizadas, além de quantitativos e custos dos principais materiais empregados (concreto, aço e fôrmas). Como resultados, foi possível reduzir em 32% a área total dos pilares, bem como reduzir quantitativos de materiais e, principalmente, os custos totais do edifício, conferindo maior durabilidade sem maiores custos e, principalmente, sem prejuízo à segurança estrutural.

Palavras-chave: otimização estrutural, pilares, concreto de alta resistência.

Abstract

In reinforced concrete structural analysis and design it is normally assumed that the material is globally isotropic and homogeneous. Local departures from this model generally exert a minor influence on observed response and are therefore disregarded. There is overwhelming evidence, however, that in normal concrete there is some degree of meso-scale orthotropic behavior, which results from gravitational effects during concrete casting and hardening. In the present paper, results of compression tests, as well as indirect tensile tests using cylindrical samples, are reported. These tests confirm that both the unconfined compressive strength as well as the indirect tensile strength determined on cylindrical samples are perceptibly influenced by the angle between the sample axis and the vertical orientation during casting. It was determined that the ratio between the unconfined compressive strength of a C50 concrete mix measured in cylindrical samples cast in horizontal position and the strength of samples cast in horizontal position is on average 0.85. Similarly, the tensile strength of concrete in the vertical direction is, on average, also about 15% smaller than the strength determined employing standard laboratory tests.

Keywords: concrete anisotropy, compressive strength, brazilian test, nonhomogeneous quasi-fragile materials, fracture.

Na análise e projeto estrutural de concreto armado, normalmente se assume que o material é isotrópico e homogêneo. As caraterísticas pontuais das estrutura, geralmente exercem pouca influência no comportamento das mesmas, portanto normalmente são desconsideradas. No entanto, existem muitas evidencias de que, na mesoescala, o concreto convencional apresenta algum grau de comportamento ortotrópico, que resulta do efeito gravitacional durante o lançamento o endurecimento do concreto. No presente trabalho são apresentados os resultados de ensaios de compressão axial e de tração por compressão diametral em corpos de prova cilíndricos. Os resultados destes ensaios confirmam que ambas, as resistências à compressão axial e à tração indireta, são perceptivelmente influenciadas pelo ângulo entre o eixo do corpo de prova e a direção de lançamento do concreto. Foi observado que a relação entre a resistência à compressão axial de um concreto de classe C50 obtida em cilindros moldados na posição horizontal e moldados na posição vertical é, em média, 0,85. Da mesma forma, a resistência à tração do concreto na direção vertical é, em média, cerca de 15% menor do que a resistência determinada empregando testes laboratoriais padrão.

Palavras-chave: anisotropia do concreto, resistencia à compressão, ensaio brasileiro, materiais quase frágeis não homogêneos, fratura

Abstract

The composite structures have great advantages in terms of structural and constructive aspects, with the shear connectors being decisive for obtaining the interaction between the structural elements and for the distribution of the stresses in the structure, taking advantage of the potentiality of each constituent material of the composite structure (steel and concrete). This work, through experimental studies, presents the development of a shear connector (Truss connector) proposed for use in a concrete-steel composite beam. The proposed connector is easy to implement and can serve as a viable alternative to the use of stud or U connectors. It was idealized a connector geometry that would provide low production cost, ease of execution, higher values of resistant load, efficiency as regards the relative sliding resistance between the metal profile and the concrete slab, as well as the efficiency regarding the resistance to the spacing of the slabs in relation to the metal profile (uplift). In order to evaluate the behavior of Truss connectors, 6 experimental models were constructed for push-out tests, 3 with 12.5 mm diameter Truss connectors and 3 with 19.0 mm diameter stud bolt connectors. The behavior of the models was investigated with respect to the loads of rupture, the transversal displacements between the concrete slabs and the relative vertical slide between the reinforced concrete slabs and the metallic profiles of the models. The results of the experimental analyzes provided an overview of the operation of the Truss and stud bolt connectors, with significant results that showed advantages of the Truss connector in relation to the stud connector considering the parameters analyzed in this work.

Keywords: composite structures, steel, concrete, shear connectors.

As estruturas mistas apresentam grandes vantagens quanto a aspectos estruturais e construtivos, sendo os conectores de cisalhamento determinantes para a obtenção da interação entre os elementos estruturais e para a distribuição dos esforços na estrutura, aproveitando-se de forma efetiva da potencialidade de cada material constituinte da estrutura mista (aço e concreto). Este trabalho, por meio de estudos experimentais, apresenta o desenvolvimento de um conector de cisalhamento (conector Treliçado) proposto para uso em viga mista de aço e concreto. O conector proposto é de fácil execução e pode servir como alternativa viável ao uso dos conectores stud ou U. Foi idealizada uma geometria para o conector que propiciasse baixo custo de produção, facilidade de execução, maiores valores de carga resistente, eficiência quanto a resistência aos deslizamentos relativos entre o perfil metálico e a laje de concreto, bem como a eficiência quanto a resistência ao afastamento das lajes em relação ao perfil metálico (uplift). A fim de avaliar o comportamento dos conectores Treliçados foram construídos 6 modelos experimentais, para ensaios de push-out, 3 com conectores Treliçados de 12,5 mm de diâmetro e 3 com conectores stud bolt de 19,0 mm de diâmetro. Investigou- -se o comportamento dos modelos quanto às cargas de ruptura, os afastamentos transversais entre as lajes de concreto armado (uplift) e os deslizamentos verticais relativos entre as lajes de concreto armado e os perfis metálicos dos modelos. Os resultados das análises experimentais proporcionaram uma visão global do funcionamento dos conectores Treliçados e stud bolt, com resultados significativos que evidenciaram vantagens do conector Treliçado em relação ao conector stud considerando os parâmetros analisados neste trabalho.

Palavras-chave: estruturas mistas, aço, concreto, conectores de cisalhamento.

Abstract

Previous studies of the behavior under fire conditions of composite steel and concrete beams, not subjected to local buckling (compact steel profile), showed that it’s not possible to justify, by design code methods, the absence of fire coating for 30 minutes standard-fire resistance requirement, even when considering the support rotational stiffness provided by the upper longitudinal slab reinforcement (semi-continuity). The purpose of this work is to verify the viability of this proposal for lower standard-fire resistance time, which, although rare, may occur with the use of the equivalent time method.

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

Estudos anteriores do 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 (semicontinuidade), mostraram que não é possível justificar a ausência de revestimento contra fogo para tempos requeridos de resistência ao fogo (TRRF) de 30 minutos utilizando métodos normatizados. O objetivo deste trabalho é verificar a viabilidade dessa proposta para tempos inferiores, que, embora raros, podem ocorrer com o uso do método do tempo equivalente.

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

Abstract

This work presents a comparative analysis between two model hierarchies commonly applied in tunnel structural design: continuum ground models and bedded-beam models. Firstly, the main characteristics of each model and the interfaces between them are discussed. Based on those evaluations a simple procedure is proposed for determining the bedded-beam model imposed loads which lead to results compatible to those of a given continuum model. Said procedure is then explored to estimate simplified compatibilization loads for basic and illustrative cases, where a reasonable compatibilization was achieved for a relatively simple applied load.

Keywords: tunnels, hierarchical modelling, numerical modeling.

Esse trabalho apresenta uma análise comparativa entre duas hierarquias de modelos comumente aplicadas no projeto estrutural de túneis: modelos de maciço contínuo e de anel sobre apoios. Primeiramente, as principais características de cada modelo e as interfaces entre ambos são discutidas. Baseado em tais avaliações um procedimento simples é proposto para determinar as cargas impostas ao modelo de anel sobre apoios que levam a resultados compatíveis àqueles de um dado modelo de maciço contínuo. Tal procedimento é então explorado para estimar carregamentos de compatibilização simplificados para casos básicos e ilustrativos, onde uma compatibilização razoável foi atingida para um carregamento relativamente simples.

Palavras-chave: túneis, modelagem hierárquica, modelagem numérica

Abstract

The main objective of this work is to carry out a comparative analysis between the methods and provisions of the Brazilian code ABNT NBR 15421:2006 and those of the ASCE/SEI 7 and the Eurocode 8, on the seismic design of structures. The similarities and differences between these standards, as far as the application of the Equivalent Lateral Forces method (ELFM) and the Response Spectrum method (RSM) are concerned, will be addressed. The responses will be evaluated for a case study that will be modelled by the SCIA Engineer 17 software. This paper also presents some comments on the detailing of reinforced concrete structures to ensure a good performance under seismic loading, allowing for a more favourable interpretation of the seismic analysis results.

Keywords: seismic analysis, response spectrum, ABNT NBR 15421:2006, Eurocode 8, ASCE/SEI 7.

O objetivo principal deste trabalho é fazer uma análise comparativa entre os métodos e considerações da norma brasileira ABNT NBR 15421:2006 e as provisões do ASCE/SEI 7 e do Eurocódigo 8, quanto ao dimensionamento sísmico de estruturas. São verificadas as similaridades e as diferenças entre as instruções normativas, quanto à aplicação do Método das Forças Equivalentes (MFE) e do Espectro de Resposta (MER). Os resultados serão avaliados por meio de um estudo de caso que será processado com auxílio do programa computacional SCIA Engineer 17. O artigo também apresenta alguns comentários sobre o detalhamento de estruturas de concreto armado que visam a garantir um bom desempenho sísmico, possibilitando uma interpretação mais favorável dos resultados sísmicos analisados.

Palavras-chave: análise sísmica, espectro de resposta, ABNT NBR 15421:2006, Eurocódigo 8, ASCE/SEI 7