This paper presents the experimental data of the behavior of reinforced concrete beams strengthened to shear with carbon fiber composites. The tests were composed of eight T beams, bw =15 cm, h=40 cm, flange width 40 cm, flange height 8 cm, and length 300 cm, divided into two series with the same longitudinal steel reinforcement and a reference beam without strengthening in each series. The beams had two types of arrangement of internal steel stirrups. The test variables were the internal and external geometric ratio of the transverse reinforcement and the mechanical ratio of carbon fiber composites stirrups. All the beams were loaded at two points. The strengthened beams were submitted to a preloading and the strengthening was applied to the cracked beam. All the beams were designed in order to guarantee shear failure, and the ultimate load of the strengthened beams was 36% to 54% greater than the reference beams. The Cracking Sliding Model applied to the strengthened beams was evaluated and showed good agreement with the experimental results.

Keywords: shear strengthening; reinforced concrete; external strengthening; carbon fiber composites.

Este artigo apresenta os dados de ensaios de vigas de concreto armado reforçadas à força cortante com compósito de fibras de carbono. Os ensaios de oito vigas T, bw =15 cm, h=40 cm, largura da mesa igual a 40 cm, altura da mesa 8 cm, comprimento de 300 cm, divididos em duas séries com a mesma armadura longitudinal e uma viga de referência sem reforço externo para cada série. As vigas tinham dois tipos de arranjos de estribos internos de aço. As variáveis dos ensaios foram as taxas geométricas das armaduras transversais internas e externas, e a taxa mecânica da armadura em estribos de compósito de fibras de carbono. Todas as vigas foram carregadas em dois pontos. As vigas reforçadas foram submetidas a um carregamento prévio e reforçadas após a fissuração. Todas as vigas foram projetadas para garantir a ruptura por força cortante, e as forças últimas das vigas reforçadas foram de 36% a 54% superiores às das vigas de referência. O Modelo da Fissura Deslizante foi avaliado e mostrou boa concordância com os resultados experimentais.

Palavras-chave: reforço à força cortante; concreto armado; reforço externo; compósito de fibras de carbono.

This paper presents a suggestion for the automation of the design procedures of bonded and unbonded prestressed concrete flexural members, according to the Brazilian (NBR 6118:2007) and French (Règles BPEL 91) norm specifications. Prestressing of concrete structures has been increasingly used, mainly due to its building advantages, as well as allowing reducing crack incidence and element dimensions by the use of more resistant materials. Structure is analyzed by a numerical model that employs a hybrid type finite element for planar frames, considering geometric nonlinearity, cyclic loading and composite construction. The computational algorithm implemented considers full, partial and limited prestressing situations, evaluating in each case decompression limit state, limit state of cracking, ultimate limit state and final prestressing state. Finally, two examples comparing design situations according to the Brazilian and French norms are presented.

Keywords: prestressed concrete, structural design, hybrid type finite element.

Este artigo apresenta uma proposta para a automatização dos procedimentos de projeto de peças fletidas de concreto com protensão aderente e não aderente, conforme recomendações das normas brasileira (NBR 6118:2007) e francesa (Règles BPEL 91). É crescente a utilização da protensão em estruturas de concreto, devido principalmente às suas vantagens construtivas, à redução na incidência de fissuras e à diminuição das dimensões das peças com o emprego mais eficiente dos materiais de maior resistência. A análise estrutural é feita através de um modelo numérico que utiliza elementos finitos do tipo híbrido para pórticos planos, considerando a não-linearidade geométrica, carregamentos cíclicos e construção composta. Nas rotinas computacionais implementadas são consideradas as situações de protensão completa, limitada e parcial e verificados conforme cada caso, os estados limites de descompressão, de formação e de abertura das fissuras, além dos estados limites últimos finais e no ato da protensão. Por fim, são apresentados dois exemplos que comparam situações de projeto, segundo as normas brasileira e francesa.

Palavras-chave: concreto protendido, projeto estrutural, elemento finito tipo híbrido

This paper is about the design and construction of a platform for dynamic tests especially with people jumping, walking, etc. Initially it was tried to find out projects already implemented in platforms and dynamic tests and to study the loads produced by movement of people on slabs and the structural response to these loads. The limits established by different standards have been also studied for these dynamic responses, taking into account the ultimate limit state, as well as the structure in service, since the human body is very sensitive to structural vibrations. Parametric studies were performed considering various configurations of slabs (different spans, thicknesses and conditions of support) have been done, looking for a configuration that could have natural frequency close to the frequencies of the human loads. The slab should have dimensions compatible with the available physical space, fundamental frequency below 5 Hz and maximum immediate deflection compatible with the indications of the Brazilian standard NBR6118: 2007. Based on these criteria was chosen a rectangular structure consists of a solid reinforced concrete rectangular slab studded in two opposite edges of steel beams with shear connectors type U. The other two edges are free. The steel beams supporting the slab, in turn, are supported on eight metal profiles (two in each corner of the slab) that are supported on two to two short columns of steel profile H. Profiles U in steel are welded to four columns, forming a horizontal frame. Numerical analysis of the dynamic test platform have been performed for free and forced vibration, for obtaining the natural frequencies and corresponding vibration modes, considering the self-weight of the structure and the load that simulates people’s weight. After obtaining a structural configuration that fulfilled the stipulated requirements, the design of the slab taking into account the recommendations of the Brazilian standard NBR6118: 2007. The platform was built and has been done a preliminary experimental study to obtain the first natural frequencies.

Keywords: dynamic tests, natural frequency, slabs, induced vibrations.

Este trabalho trata do projeto e construção de uma plataforma para a realização de ensaios dinâmicos especialmente com pessoas pulando, caminhando, etc. Procurou-se inicialmente localizar projetos já executados de plataformas de ensaios dinâmicos e estudar os carregamentos produzidos pelo movimento de pessoas em lajes e a resposta das estruturas a esses carregamentos. Foram estudados também os limites estabelecidos por diferentes normas para essas respostas dinâmicas, tendo em vista tanto o estado limite último como a estrutura em serviço, já que o corpo humano é bastante sensível às vibrações estruturais. Realizaram-se estudos paramétricos considerando várias configurações de lajes (diferentes vãos, espessuras e condições de apoio), buscando uma configuração que possuísse frequência natural próxima das frequências dos carregamentos humanos. A laje deveria ter dimensões apropriadas ao espaço físico disponível, frequência fundamental inferior a 5 Hz e flecha máxima instantânea compatível com as indicações da norma brasileira NBR6118:2007. Com base em esses critérios foi escolhida uma laje retangular maciça de concreto armado engastada em duas bordas opostas em vigas metálicas com conectores de cisalhamento tipo U. As outras duas bordas são livres. As vigas metálicas de apoio da laje, por sua vez, apóiam-se sobre 8 perfis metálicos (dois em cada canto da laje) que se apóiam dois a dois sobre colunas curtas de aço de perfil H. Perfis U de aço são soldados às quatro colunas, formando um quadro horizontal. Foram realizadas análises numéricas da plataforma de ensaios dinâmicos em vibração livre e forçada para obter as frequências naturais e os modos de vibração correspondentes, considerando o peso próprio da estrutura e o carregamento que simula o peso das pessoas. Obtida uma configuração de estrutura que cumprisse com os requisitos estipulados, foi feito o dimensionamento da laje levando-se em conta as recomendações da norma brasileira NBR6118:2007. A plataforma foi construída e já foi feito um estudo preliminar experimental para obtenção das primeiras frequências naturais.

Palavras-chave: ensaios dinâmicos, frequência natural, lajes, vibrações induzidas.

In this work, the g z coefficient, used to evaluate final second order effects in reinforced concrete structures, is studied. At the start, the influence of the structural model in determination of g z coefficient is evaluated. Next, a comparative analysis of g z and B2 coefficient, usually employed to evaluate second order effects in steel structures, is performed. In order to develop the study, several reinforced concrete buildings of medium height are analysed using ANSYS-9.0 [1] software. The results show that simplified analysis provide more conservative values of g z . It means that, for structures analysed by simplified models, large values of g z don’t imply, necessarily, in significant second order effects. Furthermore, it was checked that g z can be determinated from B2 coefficients of each storey of the structures and that, for all the analysed buildings, the average values of the B2 coefficients are similar to g z .

Keywords: reinforced concrete, structural model, g z Coefficient, B2 Coefficient.

Neste trabalho apresenta-se um estudo do coeficiente g z , empregado para indicar a necessidade ou não de se considerar os efeitos de segunda ordem globais na análise das estruturas de concreto armado. Inicialmente, procura-se avaliar a influência do modelo estrutural adotado no cálculo de g z . Em seguida, realiza-se uma análise comparativa do coeficiente g z e do coeficiente B2 , comumente empregado para avaliar os efeitos de segunda ordem em estruturas de aço. Para conduzir o estudo, diversos edifícios de médio porte de concreto armado são processados utilizando o programa computacional ANSYS-9.0 [1]. Os resultados obtidos permitem verificar que análises menos refinadas tendem a fornecer valores de g z mais conservadores. Isto significa que, para estruturas analisadas por meio de modelos simplificados, a obtenção de altos coeficientes g z não implica necessariamente em efeitos de segunda ordem significativos. Além disso, mostra-se que o g z pode ser calculado a partir dos coeficientes B2 determinados para cada pavimento das estruturas, e que, para todos os edifícios analisados, os valores médios dos coeficientes B2 apresentam boa proximidade em relação ao g z .

Palavras-chave: concreto armado, modelo estrutural, coeficiente g z , coeficiente B2 .

The experimental results of testing structures or structural parts are limited and, sometimes, difficult to interpret. Thus, the development of mathematical-numerical models is needed to complement the experimental analysis and allow the generalization of results for different structures and types of loading. This article makes two computational studies of reinforced concrete structures problems found in the literature, using the Finite Element Method. In these analyses, the concrete is simulated with the damage classical model proposed by Mazars and the steel by a bilinear elastoplastic constitutive model. Numerical results show the validity of the application of constitutive models which consider the coupling of theories with the technique of finite element discretization in the simulation of linear and two-dimensional reinforced concrete structures.

Keywords: damage mechanics, line interface element, fracture, softening, failure criterion.

Os resultados obtidos a partir de ensaios de estruturas ou de peças estruturais em laboratório são limitados e, às vezes, de difícil interpretação. Dessa forma, o desenvolvimento de modelos numérico-matemáticos se faz necessário para complementar a análise experimental e possibilitar a generalização dos resultados para diferentes estruturas e tipos de carregamento. Este artigo faz dois estudos computacionais de problemas de estruturas de concreto armado encontrados na literatura, utilizando o Método dos Elementos Finitos. Nas análises, o concreto é simulado com o modelo clássico de dano proposto por Mazars e o aço por um modelo constitutivo elastoplástico bilinear. Os resultados numéricos mostram a validade da aplicação de modelos constitutivos que consideram o acoplamento de teorias com a técnica de discretização por elementos finitos na simulação do comportamento de estruturas lineares e bi-dimensionais em concreto armado.

Palavras-chave: mecânica do dano, elemento de interface de linha, fratura, amolecimento, critério de falha

The last four decades were important for the Brazilian highway system. Financial investments were made so it could expand and many structural solutions for bridges and viaducts were developed. In parallel, there was a significant raise of pathologies in these structures, due to lack of maintenance procedures. Thus, this paper main purpose is to create a short-term monitoring plan in order to check the structural behavior of a curved highway concrete bridge in current use. A bridge was chosen as a case study. A hierarchy of six numerical models is shown, so it can validate the bridge’s structural behaviour. The acquired data from the monitoring was compared with the finest models so a calibration could be made.

Keywords: short-term monitoring, SAP2000, Midas FX+, DIANA, numerical modelling.

As últimas quatro décadas foram importates para o desenvolvimento da malha rodoviária brasileira. O país recebeu incentivos financeiros à sua expansão e diversas soluções estruturais para pontes e viadutos foram criadas. Em paralelo a este desenvolvimento, houve nos últimos anos um crescimento significativo dessas estruturas em estágio avançado de deterioração devido à ausência de programas de manutenção preventiva. Dessa maneira, este trabalho propõe um plano de monitoramento de curta duração para acompanhar o comportamento estrutural de uma ponte rodoviária curva de concreto armado já em serviço. Uma ponte situada na divisa SP-MG foi escolhida para a implantação do plano proposto. Uma hierarquia de seis modelos numéricos foi apresentada, a fim de avaliar estruturalmente o comportamento da ponte. Por fim, os dados obtidos no monitoramento foram avaliados e confrontados com os resultados do modelo numérico mais refinado a título de calibração.

Palavras-chave: monitoramento de curta-duração, SAP2000, Midas FX+, DIANA, modelagem numérica

The strut-and-tie models are appropriate to design and to detail certain types of structural elements in reinforced concrete and in regions of stress concentrations, called “D” regions. This is a good model representation of the structural behavior and mechanism. The numerical techniques presented herein are used to identify stress regions which represent the strut-and-tie elements and to quantify their respective efforts. Elastic linear plane problems are analyzed using strut-and-tie models by coupling the classical evolutionary structural optimization, ESO, and a new variant called SESO - Smoothing ESO, for finite element formulation. The SESO method is based on the procedure of gradual reduction of stiffness contribution of the inefficient elements at lower stress until it no longer has any influence. Optimal topologies of strut-and-tie models are presented in several instances with good settings comparing with other pioneer works allowing the design of reinforcement for structural elements.

Keywords: strut and tie models, topology optimization, reinforced concrete structures

Os modelos de bielas e tirantes são procedimentos de análise apropriados para projetar elementos de concreto armado em casos de regiões onde há alterações geométricas ou concentrações de tensões, denominadas regiões “D”. Trata-se de bons modelos de representação da estrutura para avaliar melhor o seu comportamento estrutural e seu mecanismo resistente. O presente artigo aplica a técnica da otimização topológica para identificar o fluxo de tensões nas estruturas, definindo a configuração dos membros de bielas e tirantes, e quantifica seus valores para dimensionamento. Utilizam-se o método ESO, e uma variante desse, o SESO (Smoothing ESO) com o método dos elementos finitos em elasticidade plana. A filosofia do SESO baseia-se na observação de que se o elemento não for necessário à estrutura, sua contribuição de rigidez vai diminuindo progressivamente. Isto é, sua remoção é atenuada nos valores da matriz constitutiva, como se este estivesse em processo de danificação. Para validar a presente formulação, apresentam-se alguns exemplos numéricos onde se comparam suas respostas com as advindas de trabalhos científicos pioneiros sobre o assunto.

Palavras-chave: modelo de bielas e tirantes, otimização topológica, concreto armado.

In this paper a numerical analysis of three-pile caps is developed to study the influence of concrete compressive characteristic strength in pile caps resistance capacity. A three-pile cap model derived from Miguel’s [1] work was adopted. From this model, variations on the compressive characteristic strength were made in order to observe modifications in its structural behavior. The numerical analysis was developed with finite element software ATENA 3D [2]. The results demonstrated that an increase in the compressive characteristic strength was not followed by a significant increment in pile cap’s strength, since models’ ruin were due to concrete splitting (opening cracks parallel to principal compressive stresses as a result of perpendicular tension stresses within the structure) and ties steel bars yielding. In the models analyzed high-tension stresses were developed along the struts and at the bottom of the pile cap’s section, demonstrating that pile cap’s ultimate resistance is not influenced by the compressive strength.

Keywords: pile caps, finite elements, reinforced concrete, foundation

Este trabalho tem por objetivo realizar uma análise numérica da influência da resistência característica à compressão do concreto (fck) em blocos sobre três estacas. Para tanto, foi utilizado um modelo-padrão de bloco sobre três estacas originalmente desenvolvido por Miguel [1]. A partir deste modelo foram realizadas variações na resistência à compressão do concreto de modo a se observar modificações no comportamento estrutural do elemento. A análise numérica é desenvolvida por meio de programa de computador baseado no MEF. Os resultados demonstraram que o aumento do fck não provocou um aumento significativo da resistência do bloco, visto que a ruína dos modelos ocorreu devido ao fendilhamento (desenvolvimento de tensões de tração perpendiculares às bielas comprimidas) e escoamento da armadura dos tirantes. Nos modelos analisados desenvolveram-se tensões de tração elevadas ao longo das bielas e na seção inferior do bloco, demonstrando que a resistência última dos blocos não é função da resistência à compressão.

Palavras-chave: blocos de concreto, elementos finitos, concreto armado, fundação