Annually billions of tonnes of aggregates are extracted to apply in civil construction generating environmental impacts and energy consumption. So, based on circular economy principles applying residues as aggregates is a good solution to reduce the mining activity and to generate a more efficient destination for the residues. Thus, this research aims to evaluate the technical, economic, and environmental performance of concretes produced entirely with steel slag aggregates. The concretes were characterized through physical properties, as specific gravity, water absorption, compressive and tensile strength. Durability tests (expansibility) were also conducted. The authors analyzed the cost assessment and environmental impact of steel slag concrete production as well. The incorporation of steel slag increases the compressive and tensile strength of concrete, analyzed in different ages. Additionally, the steel slag does not present expansibility when confined in the concrete matrix. The entire replacement of natural aggregates for steel slag allowed to reduce in 31% the cement consumption, a decrease of 140 kg/m3, for the same strength class. The environmental analysis showed that the incorporation of steel slag aggregates reduced the cement intensity of concrete and its impact. Regarding the cost assessment, the mixtures with steel slag presented a lower cost compared to the conventional one. These results indicate that steel slag aggregates could be used in a cleaner production of concrete, replacing natural aggregates with no injury. This research provides the feasibility of using steel slag aggregates in a cleaner and cheaper concrete production and contribute to the promotion of sustainable solutions for the construction sector through the circular economy principles.

Keywords: steel slag aggregate; compressive strength; cement intensity; circular economy

Anualmente bilhões de toneladas de agregados são extraídos para aplicação na construção civil, resultando em impactos ambientais e significativo consumo de energia. Assim, baseando-se nos princípios da economia circular, aplicar resíduos como agregados para construção civil é uma boa alternativa para reduzir a extração de recursos naturais e gerar uma destinação mais eficiente para os resíduos. Assim, essa pesquisa objetiva analisar o desempenho técnico, econômico e ambiental de concretos produzidos inteiramente com agregado de escória de aciaria. Os concretos foram caracterizados quanto suas propriedades físicas, como massa específica, absorção de água e resistência à compressão e tração. Ensaios de durabilidade (expansão) também foram realizados. Também foram analisados os custos do concreto de escória de aciaria e o seu impacto ambiental, através da intensidade de ligantes. Os concretos foram avaliados mecanicamente em diferentes idades, sendo observado que a incorporação de escória de aciaria aumenta a resistência à compressão e tração das matrizes. Além disso, em ensaios acelerados, a escória de aciaria não apresentou expansibilidade. A substituição total dos agregados naturais por escória de aciaria permitiu reduzir em 31% o consumo de concreto e cimento, o que representa um decréscimo de 140 kg/m3 para a mesma classe de resistência. Foi observado também que a incorporação de escória de aciaria reduz a intensidade de cimento das misturas e que essas possuem menor custo de produção comparado ao convencional. Esses resultados indicam que os agregados de escória de aciaria podem ser utilizados substituindo os agregados naturais sem causar danos. Este trabalho avalia a viabilidade de usar agregados de escória de aciaria na produção mais limpa de concretos, podendo contribuir para a promoção de soluções sustentáveis para o setor da construção através dos princípios da economia circular.

Palavras-chave: agregado de escória de aciaria; resistência à compressão; intensidade de ligantes; economia circular

A procedure to estimate the residual bending moment and the shear load capacity after fire in reinforced concrete beams was evaluated. The calculation method is based on the 500ºC Isotherm Method, adopting the reduction coefficients proposed by Van Coile et al. (2014) for the steel yield strength. The proposed method validation was done from experimental results of 62 reinforced concrete beams available in the literature. It was possible to observe a good approximation of the analytical method with the experimental data. For the bending moment an average ratio of 1.04 and standard deviation of 0.15 was found. For the shear force an average ratio of 0.85 and standard deviation of 0.23 was found.

Keywords: residual strength; shear; bending moment; after fire

Um procedimento para estimar a capacidade residual após incêndio para o momento fletor e o cisalhamento em vigas de concreto armado foi avaliado. O método de cálculo é baseado no Método das Isotermas dos 500ºC, adotando os coeficientes de redução propostos por Van Coile et al. (2014) para resistência ao escoamento do aço. A validação foi feita com resultados experimentais de 62 vigas disponíveis na literatura e foi possível observar uma boa aproximação com os dados experimentais, apresentando para o momento fletor uma relação média de 1.04 e desvio padrão médio de 0.15, e para o esforço cortante uma relação média de 0.85 e desvio padrão médio de 0.23.

Palavras-chave: resistência residual; cisalhamento; momento fletor; após incêndio

Abstract

Adequate cover thickness contributes to the correct performance of reinforced concrete structures. Spacers are recommended in standards to maintain a concrete cover; however, many regulations do not provide sufficient guidelines for their use, resulting in poor construction. A research program was developed for solid slabs through computational and experimental simulations to minimize errors in the cover by assessing different reinforcement bar diameters and spacer distribution, considering realistic element construction and standards, combining theory with practice. The results show that the use of spacers does not guarantee the design cover for some reinforcement bar diameters, as 4.2 and 5.0 mm, and regardless of the spacer distribution configuration assessed, these meshes undergo permanent deformation, thereby damaging the cover and consequently impact structural performance. Meshes of 6.3 and 8.0 mm diameters present deformation within the cover tolerance. Therefore, it is preferable to choose bigger diameters and larger mesh spacing to guarantee the projected cover, contributing to the correct performance of the structures, solving one of the major problems in this type of construction.

Keywords: cover thickness; concrete cover; spacers; simulation

A espessura de cobrimento adequada contribui para o desempenho das estruturas de concreto armado. Espaçadores são recomendados por normas para obter o cobrimento de concreto, entretanto, muitas dessas normas não fornecem informações suficientes para o uso destes dispositivos, resultando em falhas de construção. O programa deste trabalho foi desenvolvido para lajes maciças através de simulação computacional e experimental, como forma de minimizar erros de cobrimento avaliando diferentes diâmetros de armadura e distribuições de espaçadores, considerando a construção do elemento e as normas vigentes, combinando teoria e prática. Os resultados mostraram que o uso de espaçadores não garante o cobrimento de armadura para algumas malhas de armadura, como 4,2 e 5,0 mm, independentemente da distribuição de espaçadores avaliada, essas malhas sofrem deformação permanente elevada e, consequentemente, impactam no desempenho estrutural. Malhas com barras de diâmetro 6,3 e 8,0 mm apresentaram deformações dentro da tolerância de execução. Assim, é preferível optar pela utilização de malhas mais abertas com diâmetros maiores apara garantir o cobrimento especificado em projeto, contribuindo para o correto desempenho das estruturas, auxiliando um dos maiores problemas neste tipo de construção.

Palavras-chave: espessura de cobrimento; cobrimento de concreto; espaçadores; simulação

Abstract

This work deals with the evaluation of the design criteria and security check (Ultimate Limit State - ULS) of the American (ACI-440.2R, 2017) and European (FIB Model Code, 2010) standards of reinforced concrete structures strengthened with Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP), by the technique of Externally Bonded Reinforcement (EBR). It is intended to evaluate if, for a given database of 64 experimental tests of beams and slabs, the obtained results respect the safety conditions according to the mentioned standards, to increase the efficiency of this reinforcement technique and to lead to the establishment of regulatory design criteria in Brazil. Results show a conservative match among experimental and theoretical values calculated according to the two guidelines and it is concluded that a future regulation in Brazil on this subject should be based on the FIB Model Code.

Keywords: carbon fiber reinforced polymers (CFRP); bending strengthening; ACI-440 (2017); FIB Model Code (2010); regulation in Brazil

Este trabalho trata da avaliação dos critérios de dimensionamento e verificação de segurança ao Estado Limite Último (ELU) da norma americana (ACI-440.2R, 2017) e europeia (FIB Model Code, 2010) de estruturas de concreto armado reforçadas à flexão com Polímeros Reforçados com Fibras de Carbono (CFRP), pela técnica de colagem externa (EBR). Considerando uma dada base de 64 dados de ensaios experimentais de vigas e lajes, avaliou-se se os resultados obtidos respeitam as condições de segurança segundo as normas referidas, com o propósito de aumentar a eficiência dessa técnica de reforço e conduzir ao estabelecimento de critérios regulamentares de dimensionamento no Brasil. Os resultados obtidos mostram uma proximidade conservadora entre valores experimentais e teóricos calculadas de acordo com as duas recomendações e conclui-se que uma futura regulamentação no Brasil sobre esse tema deve-se ter como premissa o modelo do FIB Model Code.

Palavras-chave: polímeros reforçados com fibras de carbono (CFRP); reforço à flexão; ACI-440 (2017); FIB Model Code (2010); regulamentação no Brasil

Abstract

The partial replacement of clinker by complementary cementitious materials can significantly contribute to the reduction of carbon emissions in the production of concrete. Another alternative to reduce these emissions is to increase the efficiency of the concrete, achieving higher compressive strength with lower consumption of cement. Particle packing models are efficient tools to optimize the composition of the matrix and contribute to the production of more eco-efficient concretes. In this context, the objective of the present study is evaluating the production of concretes with partial replacement of cement by stone powder, optimized by Alfred’s particle packing model, seeking to reduce cement consumption and CO2 emissions per MPa of compressive strength. The replacement content of cement by stone powder was 20% by mass (equivalent to 22.4% by volume). Concretes were produced with different distribution factor (q) - 0.37; 0.21; 0.45 - to verify the influence of fines on the flow between particles and on the efficiency of the produced concrete. The analyses were carried out in terms of properties in the fresh state, hardened state, and sustainability parameters (cement consumptions and CO2 emissions). The application of the proposed method resulted in a higher compressive strength than the expected for the water/cement ratio used (0.5). The most efficient concrete reached the compressive strength of 68 MPa with 240 kg/m3 of cement, which represents 3.5 kg of cement/m3/MPa and 3.1 kg of CO2/m3/MPa, a value below the references found in the literature for conventional concretes. Therefore, the proposed method allows to produce more eco-efficient concrete, contributing to the use of waste and reducing CO2 emissions.

Keywords: particle packing; Alfred model; stone powder; eco-efficient concrete

A substituição parcial do clínquer por adições pode contribuir de maneira significativa na mitigação da pegada do carbono dentro da cadeia produtiva do concreto. Outra alternativa para reduzir essas emissões é o aumento da eficiência do concreto, atingindo maiores resistências com menores consumos de cimento. Modelos de empacotamento de partículas são ferramentas eficientes para otimizar a composição da matriz e contribuir para a produção de concretos mais ecoeficientes. Nesse contexto, o objetivo do presente estudo é avaliar a produção de concretos com substituição parcial do cimento por pó de pedra, otimizados pelo modelo de empacotamento de partículas de Alfred, buscando reduzir o consumo de cimento e as emissões de CO2 por MPa de resistência à compressão. O teor de substituição do cimento Portland por pó de pedra foi de 20% em massa (equivalente a 22.4% em volume). Foram produzidos traços com diferentes módulos de distribuição (q) - 0,37; 0,21; 0,45 – a fim de verificar a influência dos finos no escoamento entre as partículas e na eficiência dos concretos produzidos. A análise foi realizada em termos de propriedades no estado fresco, estado endurecido e parâmetros de sustentabilidade (consumo de cimento e emissões de CO2). A aplicação do método proposto permitiu obter resistências superiores às esperadas para a relação água/cimento utilizada (0,5). O traço mais eficiente atingiu a resistência à compressão de 68 MPa com 240 kg/m3 de consumo de cimento, o que representa 3,5 kg de cimento/m3/MPa e 3,1 kg de CO2/m3/MPa, valores abaixo das referências encontradas na literatura para concretos convencionais. Portanto, o método proposto permite produzir concretos mais ecoeficientes, contribuindo para a utilização de um resíduo e reduzindo as emissões de CO2.

Palavras-chave:empacotamento de partículas; modelo de Alfred; pó de pedra; concreto ecoeficiente

Abstract

The continuous development of smartphones has garnered considered research attention owing to the possibility of its use in different engineering applications. MEMS accelerometers available on smartphones are useful for structural health monitoring. This study is aimed at determining the use of smartphones in the calibration and correction of the sampling rate for natural frequency and damping identification. Three concrete bridges were used in the case studies. The results indicate that smartphones can be used to understand some dynamic parameters.

Keywords: accelerometers; smartphones; calibration; MEMS; modal

a contínua evolução dos smartphones despertou o interesse da comunidade científica para aplicações deste aparelho em situações ligadas à engenharia estrutural. Em um caso mais específico, os acelerômetros MEMS que equipam aparelhos de telefonia móvel tem se mostrado úteis para a realização de monitoramentos da saúde estrutural SHM. O objetivo deste trabalho é apresentar o uso de MEMS do celular junto à calibração e correção da taxa de amostragem, as quais são necessárias para a identificação dos parâmetros modais de frequência natural e amortecimento. Os estudos de caso são três estruturas – dois viadutos em concreto armado e uma passarela em concreto protendido. Os resultados indicam que é possível utilizar este aparelho em casos onde é necessário o conhecimento de algumas propriedades dinâmicas ao alcance da mão.

Palavras-chave: acelerômetros; celular; calibração; MEMS; modal

Abstract

The design of reinforced concrete (RC) frames is made on a member-by-member basis. Similarly, in the literature, the reliability of RC beams and columns is often studied in isolation from the rest of the structure. Yet, in the construction of regular frames, symmetry and regularity are often exploited, resulting in the same design for each element type. This is despite of different load effects on different parts of the structure, which leads to significant variations in the failure probability of the elements. Hence, in this paper, we investigate the reliability of members and the distribution of load effects in regular RC frame buildings, considering intact and column loss cases, where symmetry is lost. Results show that the ratios of normal-to-bending loads change significantly along building height, and this has a significant impact on reliability of individual columns.

Keywords: structural reliability; regular frame structures; reinforced concrete structures; discretionary column removal

O projeto de estruturas aporticadas de concreto armado é feito elemento a elemento. Da mesma forma, a confiabilidade de vigas e pilares de concreto armado é frequentemente estudada, na literatura, considerando elementos isolados do restante da estrutura. Entretanto, na construção de pórticos regulares, é usual explorar a simetria e regularidade, resultando no mesmo dimensionamento para cada tipo de elemento. Porém, com esforços solicitantes diferentes atuando em diferentes partes da estrutura, variações significativas podem ocorrer na probabilidade de falha dos membros. Neste trabalho, é investigada a confiabilidade dos elementos e a distribuição de esforços em estruturas aporticadas de concreto armado, considerando casos intactos e com remoção de colunas, nos quais a simetria é perdida. Os resultados mostram que as razões normal – momento fletor variam significativamente ao longo da altura do edifício, exercendo um impacto considerável na confiabilidade dos pilares de cada lance.

Palavras-chave: confiabilidade estrutural; estruturas aporticadas regulares; estruturas de concreto armado; remoção discricionária de coluna

Abstract

The present study focuses on comparative parametric analysis of curved precast concrete bridges using straight and curved I-girders. The live load bending moment distribution for girders was studied using the bridge curvature and its relationship with the results obtained for a straight bridge. FEM 3D models were developed with restrictions on the transverse live load positions and with two different load models types: HL-93 (AASHTO) and TB-450 (NBR 7188, 2013). The parametric analysis results were calculated using the Modification Factor (MF) and the Bending Moment Distribution Factor (BMDF), calculated from the structural analysis of each model at the midspan. Globally, an increase was found in the total bending moment for the curved bridge models in relation to the straight bridge. In the examples herein studied, the larger the bending radius, the larger the maximal bending moment in the bridge center. For the external girders, the MF increases with the increase of the L/R. For the internal ones, the MF decreases with the increase of the L/R. In addition, the occurrence of “Load Shift” was different from the rigid body behavior, for there was demonstrated a different bending moment variation between external girder (G1) in relation to its adjacent (G2). Therefore, the structural behavior of straight (SG) and curved girders (CG) was analyzed, revealing that, in the SG, a significant gap occurred in the BMDF between G1 and G2 girders for all curvatures. For L/R = 0.6, it caused a difference of 17.8% in the BMDF between the G1 and G2 girders, while on the curved girders, a difference of only 6.6% was found.

Keywords: bridges; live loads; curvature; bending moment distribution; FEM

o presente estudo foca na análise paramétrica comparativa de pontes curvas utilizando utilizando longarinas retas e curvas pré-moldadas. As análises foram baseadas na distribuição transversal de momento fletor para a longarinas, na variação da curvatura da ponte e na relação desses parâmetros com os resultados obtidos em uma ponte reta. Foram desenvolvidos FEM 3D models com restrições nas posições transversais da carga-móvel e com dois tipos diferentes de modelos de carga: HL-93 e NBR 7187. Os resultados da análise paramétrica foram determinados utilizando o Fator de Modificação (FM) e o Fator de Distribuição de Momento Fletor (FDMF), calculadas a partir da análise estrutural de cada modelo na posição longitudinal do meio do vão. No âmbito global, contatou-se um aumento do momento fletor total nos modelos de ponte curva em relação à reta. Nos exemplos estudados, quanto maior o raio de curvatura, maior foi o momento fletor máximo no meio do vão da ponte. O valor de FM varia linearmente. Para as longarinas externas o FM aumenta com o aumento do L/R, já para as internas, o FM diminui com o aumento do L/R. Além disso, foi comprovada a ocorrência de “Load Shift” diferente do comportamento de corpo rígido, tendo em vista a variação diferenciada de momento fletor para a longarina externa G1 em relação a sua adjacente G2. Constatou-se uma diferença considerável de comportamento estrutural entre as longarinas retas e curvas, tendo em vista que nas SG ocorreu uma diferença significativa de FDMF entre a longarina G1 e a G2 para todas as curvaturas, o que não ocorreu para as CG. Para L/R=0.6, observou-se uma diferença de 17.8% no FDMF entre as longarinas G1 e G2 retas, já nas longarinas curvas, a diferença foi de apenas 6.6%.

Palavras-chave: pontes; cargas móveis; curvatura; distribuição de momento fletor; Método dos Elementos Finitos

Abstract

The main purpose of this paper is to study analytically the behavior of slender reinforced concrete columns existing in sway and non-sway structures. The studied variables were the stiffness of the beam connected to the slender columns, the stiffness of the bracing columns, and the number of bays and stories in the structure model. The stability of slender columns was studied and the required limits for the lateral bracing were determined using a finite element program to perform buckling analysis, linear analysis, and geometric nonlinear analysis for the different frame structural models. All the results obtained in this study were compared to the available methods included in the different building codes and the methods suggested by other researchers. The results indicated that the minimum value of the bracing limit, required to restrain the slender column against the side-sway, depends on the stiffness of the connecting beams, number of stories, and number of bays. The required bracing limit decreases with increasing the beam stiffness and with increasing the number of bays. However, the required bracing limit increases with the increase of the number of stories in the structure.

Keywords: slender columns; reinforced concrete; beam stiffness; buckling analysis; geometric nonlinearity

O objetivo principal deste artigo é estudar analiticamente o comportamento de pilares esbeltos de concreto armado em estruturas deslocáveis e não deslocáveis. As variáveis estudadas foram a rigidez da viga conectada aos pilares esbeltos, a rigidez dos pilares de contraventamento e o número de vãos e andares no modelo de estrutura. A estabilidade de pilares esbeltos foi estudada e os limites exigidos para o contraventamento lateral foram determinados usando um programa de elementos finitos para realizar análise limite de flambagem, análise linear, e análise não linear geométrica para os diferentes modelos estruturais de pórticos. Todos os resultados obtidos neste estudo foram comparados com os métodos disponíveis incluídos nas diferentes normas de construção civil e os métodos sugeridos por outros pesquisadores. Os resultados indicaram que o valor mínimo do limite de contraventamento, necessário para restringir o pilar esbelto contra a deslocabilidade lateral, depende da rigidez das vigas de conexão, número de andares e número de vãos. O limite de contraventamento necessário diminui com o aumento da rigidez da viga e com o aumento do número de vãos. No entanto, o limite de contraventamento necessário aumenta com o aumento do número de andares na estrutura.

Palavras-chave: pilares esbeltos; concreto armado; rigidez de viga; análise de flambagem; não linearidade geométrica

Abstract

For the dimensioning of structural elements in fire situation, simplified equations and parameters are commonly used in analytical equations or numerical models. More complex equations or simplified values can be chosen by the designer for determine materials properties in high temperature in numerical models, however, numerical modeling can be quite sensitive to the variation of some of the physical and mechanical properties. In this paper, the sensitivity of the numerical model in relation to the values according to the level of simplification chosen was evaluated, presenting an analysis in relation to the results found to contribute to the choice of these parameters and presenting the indications found in the literature. In this sense, this work presents a study of sensitivity to the variation of the values of steel and concrete properties, presented in the Eurocode and Brazilian standards, in addition to the moisture content and emissivity of the surface exposed to fire, for the dimensioning, in a fire situation, of steel tube columns, of circular and square section, filled with concrete. The studies were carried out via numerical modeling developed in the software ABAQUS. It was verified that the resulting emissivity values equal to 0.7 or 0.8, recommended in the literature, are conservative, and the choice of either does not bring significant changes in the temperature field obtained for the structural elements under analysis. It was also verified that the concrete moisture content is a relevant aspect for the formation of its temperature field, also affecting, but to a lesser extent, the steel temperature. Regarding the physical and mechanical properties of the materials, this sensitivity study suggests the adoption of the values from the equations presented in Eurocodes, without simplifications, and with the specific heat and thermal conductivity of the concrete, adopted in accordance with the Eurocode 4.

Keywords: fire situation; column; steel; concrete; numerical models

Na verificação de elementos estruturais em situação de incêndio por meio de equações analíticas, e mesmo via modelagem numérica, normalmente são empregados parâmetros e propriedades dos materiais simplificados. Entretanto, os resultados obtidos podem ser bastante sensíveis ao grau de simplificação adotado pelo projetista ou mesmo conforme à escolha de uma ou outra opção de propriedade dos materiais envolvidos. No presente artigo foi apresentado um estudo de sensibilidade considerando a variação das propriedades dos materiais; visando auxiliar a escolha desses parâmetros dentre as diversas opções descritas na literatura. O estudo de sensibilidade foi elaborado para pilares compostos por tubos de aço de seção circular e quadrada, vazio e preenchidos com concreto, e com as propriedades do aço e concreto indicadas pelo Eurocode ou por normas brasileiras para o dimensionamento de estruturas em situação de incêndio. Também foi analisado o comportamento do modelo conforme variações no teor de umidade do concreto e variações da emissividade da superfície de aço exposta ao fogo. O estudo foi realizado em modelo numérico desenvolvido no software ABAQUS e os resultados obtidos demonstram que os valores de 0,7 e 0,8, recomendados na literatura para a emissividade resultante, são conservadores e a alternância entre esses dois valores não altera, significativamente, o campo de temperaturas na seção transversal do elemento estrutural. Já com relação ao teor de umidade do concreto foram verificadas alterações significativas no campo de temperaturas, inclusive na temperatura do tubo de aço, com a alternância deste parâmetro. Com relação às propriedades físicas e mecânicas dos materiais, o estudo de sensibilidade sugere a adoção dos valores obtidos a partir das equações sem simplificações apresentadas no Eurocode e com o valor do calor específico do concreto determinado conforme Eurocode 4.

Palavras-chave: situação de incêndio; pilares; aço; concreto; modelos numéricos