The purpose of this work is the development and implementation of a numerical procedure for the design of reinforced concrete columns (RC) and composite columns with fully concrete encased steel I-section (SC). For this purpose, a computer program was developed to determine the load capacity of RC columns and SC columns, applying the General Method adopted by ABNT NBR 6118:2014. The program is based on an iterative process from integration of the curvatures along the column, obtained by determining the moment-curvature relationship of the cross section by the Newton-Raphson method. Several experimental and numerical results are compared to the program’s to prove the accuracy of the procedure.

Keywords: reinforced concrete columns, composite steel and concrete columns, general method.

O propósito deste trabalho é o desenvolvimento e implementação de um procedimento numérico voltado para o dimensionamento de pilares de concreto armado e pilares mistos de aço e concreto totalmente revestidos. Assim, foi desenvolvido um procedimento computacional para a determinação da capacidade resistente desses pilares, a partir do Método Geral adotado pela ABNT NBR 6118:2014. O programa emprega um processo iterativo a partir da integração das curvaturas ao longo do pilar, obtidas através da determinação da relação momento-curvatura da seção transversal pelo método de Newton-Raphson, com base em um modelo discreto de fibras. Diversos resultados numéricos e experimentais são utilizados em comparações para comprovação da eficácia do procedimento implementado.

Palavras-chave: pilares de concreto armado, pilares mistos de aço e concreto, método geral.

This paper presents recommendations for security check of precast beams in transitory phases, compare results of parametric analyzes with national and international code recommendations and confront the formulations used for the calculation of critical load of lateral instability. In transport and lifting phases, precast beams are susceptible to loss lateral stability because the established supports provides little restriction to the element rotate on its principal axis and move laterally. To recommend limits of slenderness, parametric analysis are performed using formulations based on bifurcacional instability, including eigenvalue problems with the finite element method. The results show that the safety limits for I beams and rectangular beams are different. For the analyzed cases and with reference to beam slenderness equation used by fib Model Code [13], the limit determined for rectangular beams would be 85 and for I beams 53, which could be taken as 50, as recommended by the code. Within the analyzed cases of I beams, only the fib Model Code [13] recommendation attend the slenderness limit for transitory phases.

Keywords: lateral instability of beams, precast concrete, lifting, transport, slenderness.

Este artigo objetiva apresentar recomendações para a verificação da segurança de vigas pré-moldadas em fases transitórias, comparar resultados de análises paramétricas com recomendações de normas nacionais e internacionais e confrontar as formulações utilizadas para o cálculo da carga crítica de instabilidade lateral. Nas fases transitórias de transporte e içamento, as vigas pré-moldadas são suscetíveis à perda de estabilidade lateral, porque a vinculação estabelecida oferece pequena restrição ao elemento de girar em torno de seu eixo e deslocar-se lateralmente. Para recomendar limites de esbeltez são realizadas análises paramétricas utilizando formulações baseadas em instabilidade bifurcacional, incluindo problemas de autovalor com o método dos elementos finitos. Os resultados mostram que os limites de segurança para vigas I e retangular são diferentes. Para os casos analisados e tomando como referência a equação de esbeltez de viga utilizada pelo Model Code [14], o limite determinado para vigas retangulares seria de 85 e para vigas de seção I seria de 53, o que poderia ser tomado igual a 50, como recomendado pela norma. Dentre os casos analisados de vigas I, somente a recomendação do Model Code [14] atende o limite de esbeltez para fases transitórias.

Palavras-chave: instabilidade lateral de vigas, concreto pré-moldado, içamento, transporte, esbeltez.

The modeling of reinforced concrete structures has taken advantage of the increasing progress on Computational Mechanics, in such way that complex phenomena, such as cracking and crushing, creep, reinforcement yielding, steel-concrete bond loss, can be modeled in a reasonable realistic way, using the proper set of numerical and computational resources. Among several options, the ones based on the Finite Element Method (FEM) allow complex analysis simulations of reinforced concrete structures, including the interaction of different nonlinear effects. This paper deals with the nonlinear finite element analysis of the bond-slip between reinforcing steel and concrete, taking into account an experimental study previously performed. The FEM analysis presented uses a combination of resources where the behavior of the concrete is described by the Microplane Constitutive Model, and an embedded reinforcement model is used to represent steel inside the concrete and take into account the effect of bond-slip. The FEM models were created using the INSANE (INteractive Structural ANalysis Environment) computational system, open source software that has a set of FEM tools for nonlinear analysis of reinforced concrete structures. The correlations between numerical-experimental results and several parameters validate the proposed combination of resources and identify the significance of various effects on response.

Keywords: reinforced concrete structures, microplane constitutive models, embedded reinforcement, bond-slip.

A modelagem de estruturas de concreto armado tem tido um crescente progresso na Mecânica Computacional, de modo que os fenômenos complexos, tais como fissuração e esmagamento, fluência, escoamento da armadura, perda da aderência aço-concreto, podem ser modelados de forma razoavelmente realista, usando um conjunto apropriado de recursos numéricos e computacionais. Entre as diversas opções, os baseados no Método dos Elementos Finitos (MEF) permitem simulações complexas de análises de estruturas de concreto armado, incluindo a interação de diferentes efeitos não lineares. Este artigo lida com a análise não linear em elementos finitos, da perda de aderência entre a armadura de aço e o concreto, levando em consideração um estudo experimental anteriormente realizado. A análise via MEF apresentada usa uma combinação de recursos onde o comportamento do concreto é descrito pelo Modelo Constitutivo de Microplanos, e um Modelo de Armadura Embutida é usado para representar o aço inserido no concreto e levar em conta o efeito da perda de aderência. Os modelos do MEF foram criados usando o sistema computacional INSANE (Interactive Structural Analysis Environment), software de código aberto que possui um conjunto de ferramentas para análise não linear de estruturas em concreto armado. As correlações entre os resultados numérico-experimentais e os vários parâmetros validam a combinação de recursos proposta e identificam o significado de vários efeitos sobre a resposta.

Palavras-chave: estruturas de concreto armado, modelos constitutivos de microplanos, armadura embutida, perda de aderência.

The recent increase in seismic records in Brazil boosted the publication of NBR 15421 (ABNT, 2006) - Design of Earthquake-Resistant Structureswhich requires the seismic loads to be considered in the design due to the dissipation of energy in the inelastic regime structures and seismicity of the Brazilian territory. Many buildings built before the publication of this code were not designed to withstand seismic activity, increasing its fragility and vulnerability to earthquakes of any intensity. Some of these buildings were designed and built with irregular distributions of mass, stiffness or resistance over its height, which can lead to insufficient seismic performance. Therefore, it is essential for engineers to understand the seismic response of structures with irregular distributions of mass, stiffness or resistance along its height, which are referred to in this paper as structures with irregularities. In this sense, the aim of this work is to evaluate the seismic behavior of a reinforced concrete structure with horizontal structural irregularities by observing their influence in the loss of the ability to resist lateral loads and energy dissipation. For this purpose, were used the Equivalent Lateral Force (ELF) Method, Modal Response Spectrum (RSA) Method and Pushover Analysis, described in NBR15421: 2006 [1] standard and the American Standard FEMA 356 [2]. Similarly, the seismic behavior of models using the capacity spectrum method defined in the ATC-40 [3] was calculated. All results were compared with those obtained from a regular structure classified as the reference model or base case, in order to view the various changes caused by irregularities. The proposed study was carried out numerically and the simulations were performed using CSI ETABS Nonlinear ® v9.5 program. The results show that the ability of the structure to withstand collapse depends on the plasticity of its elements and of the adequate details to permit response without critical loss of strength of the structural system.

Keywords: seismic analysis, seismic resistant structures, irregular structures.

Os recentes aumentos dos registros de abalos sísmicos no Brasil impulsionaram a publicação da NBR 15421:2006 [1] – Projeto de Estruturas Resistentes a Sismos – na qual são definidas as cargas sísmicas a serem consideradas no projeto em função da capacidade de dissipação de energia no regime inelástico das estruturas e da sismicidade do território brasileiro. Algumas edificações construídas antes da publicação dessa norma não foram projetadas para resistir a ações sísmicas aumentando a sua fragilidade e vulnerabilidade para terremotos de qualquer intensidade. Observa-se ainda que alguns desses edifícios foram projetados e construídos com distribuições irregulares de massa, rigidez ou resistência ao longo da sua altura que podem levar a um desempenho sísmico inadequado. Assim, torna-se essencial para os engenheiros e projetistas uma melhor compreensão dos efeitos dos abalos sísmicos no comportamento sísmico de edificações, especialmente aquelas com diversas irregularidades. Por simplicidade, utiliza-se neste trabalho o termo “estruturas irregulares” para referenciar estruturas como as descritas. Nesse sentido, o objetivo deste trabalho é avaliar o comportamento sísmico de uma estrutura de concreto armado de oito pavimentos e com diversas irregularidades introduzidas na planta da mesma, a fim de verificar a influência dessas irregularidades na perda da capacidade de resistir cargas laterais e dissipação de energia, as quais são calculadas utilizando o método dinâmico espectral e uma análise pushover, procedimentos descritos nas normas NBR15421:2006 [1] e na norma americana FEMA 356 [2]. Do mesmo modo, calcula-se o desempenho sísmico dos modelos usando o método do espectro de capacidade definido na norma ATC-40 [3]. Todos os resultados são comparados com os obtidos para uma estrutura totalmente regular chamada de caso base ou de referência, com o intuito de visualizar as diversas mudanças provocadas pelas irregularidades. O estudo proposto é realizado de forma numérica e as simulações são feitas no programa CSI ETABS® Nonlinear v9.5 [4]. Os resultados mostram que a capacidade da estrutura dependerá da plasticidade de seus elementos para não colapsar e do detalhamento adequado para garantir o bom funcionamento do sistema resistente

Palavras-chave: cobrimento, espaçador, amarração, concreto armado.

Abstract

Currently, with the advancement of welding and cutting technology, steel profiles with circular openings, called cellular profiles, have become widely used as beams. The ABNT NBR 8800:2008 and international standards do not address cellular steel beams and cellular composite steel and concrete beams, which contributes to their limited use. A computer program was developed and validated for the design of cellular composite steel and concrete simply supported beams based on two different methods from the literature. The use of this computational tool made possible a parametric study comprising cellular composite beams obtained from two different rolled steel I sections. In this study, the influence of the geometric parameters of the cellular profile and the influence of beam span in the strength and in the failure mode was analyzed. It was concluded that in many situations the use of composite cellular beams is advantageous in relation to original composite beams

Keywords: cellular composite steel and concrete beams, cellular beams, design.

Atualmente, com o avanço da tecnologia de corte e solda, perfis de aço com aberturas sequenciais na forma circular, denominados perfis celulares, vêm sendo bastante utilizadas como vigas de edificações. A NBR 8800:2008 e as normas internacionais não abordam vigas de aço e vigas mistas de aço e concreto com perfil celular, o que contribui para que o seu uso seja limitado. Foi desenvolvido e aferido um programa computacional para o dimensionamento de vigas mistas de aço e concreto com perfil celular biapoiadas de acordo com duas metodologias distintas da literatura. Um estudo paramétrico abordando vigas mistas com perfis celulares obtidos de dois perfis I de aço laminados comerciais foi realizado. Nesse estudo, a influência dos parâmetros geométricos do perfil celular e do comprimento do vão da viga na resistência e na forma de colapso foi analisada. Foi possível concluir que em muitas situações o uso de vigas mistas com perfil celular é vantajoso em relação às vigas mistas de alma cheia.

Palavras-chave: vigas mistas de aço e concreto com perfis celulares, vigas alveolares, dimensionamento.