University of Macau / Faculty of Science and Technology / Department of Civil and Environmental Engineering

published_or_final_version / Public Administration / Master / Master of Public Administration

Nas últimas décadas, tem-se observado uma forte tendência de edificações cada vez mais altas, esbeltas e flexíveis, o que exigiu novas considerações no cálculo estrutural de edifícios, tornando a ação do vento um elemento de grande relevância nos projetos. Além disso, o denso agrupamento de edificações nos centros de grandes cidades adicionou uma variável para um fenômeno que já era complexo: devido à proximidade, um edifício passa a influenciar o campo aerodinâmico de outros, podendo provocar grandes alterações nas pressões, além de fenômenos dinâmicos difíceis de determinar por métodos analíticos. Instruções normativas, em geral, limitam-se a prédios altos com padrões arquitetônicos regulares, afastando-se da realidade dos projetos construídos na prática, que vêm exibindo geometrias cada vez mais complexas e não convencionais. Este cenário justifica a realização de extensos estudos dentro do tema em questão, a fim de que se obtenha uma melhor compreensão dos fenômenos dinâmicos envolvidos e uma orientação mais abrangente na etapa de pré-dimensionamento da estrutura. Neste contexto, a proposta desta pesquisa consiste em dois estudos de caso, de edifícios construídos no Brasil e ensaiados em túnel de vento, que possuem uma geometria similar (em formato de “V”), mas com dimensões e detalhes arquitetônicos distintos. O objetivo é o de promover uma caracterização aerodinâmica, avaliando os carregamentos atuando global e localmente, tanto para o modelo considerado isolado quanto incluindo as condições de vizinhança. Além das ações, estudou-se o espectro do vento que se aproxima, e determinou-se as funções de admitância aerodinâmica correspondentes. Em ambos os edifícios, verificou-se que a incidência do vento aproximadamente perpendicular a uma das abas corresponde a uma direção crítica em termos de efeitos dinâmicos: os espectros dos carregamentos globais se mostraram muito similares, apresentando picos pronunciados que indicam a possibilidade de desprendimento cadenciado de vórtices; as funções de admitância aerodinâmica também evidenciaram um formato muito semelhante. O estudo em questão oferece um meio de validação para estudos futuros que utilizem modelos de ensaio simplificados, além de servir de referência para uma possível revisão da norma brasileira NBR 6123/1988 – Forças devidas ao vento em edificações, contribuindo com os avanços do conhecimento relativo a efeitos dinâmicos do vento em edifícios altos e irregulares. / In the last decades we observed a strong trend in constructing buildings increasingly tall, slender and flexible, which has asked for new consideration in the structural calculus of buildings, making the wind a relevant element in the design procedures. The grouping of buildings downtown in big cities has added another variable to an already complex phenomenon: due to the proximity, a building influences in the aerodynamic field of others, leading to pressure modifications and dynamic effects hard to determine by analytical methods. Instruction codes, in general, are limited to regular tall buildings, in contrast to the reality of projects built in practice, which have been exhibiting architectonic patterns increasingly complex and unconventional. This scenario justifies extensive studies among aerodynamic of irregular tall buildings, with the purpose of acquiring a better comprehension regarding the dynamic phenomena involved and a more accurate direction on the pre-design phase. In this context, the proposal of this research consists of two case studies about buildings constructed in Brazil and tested in wind tunnel, which have a similar geometry (V-shaped) but different dimensions and architectonic details. The objective is to promote a complete aerodynamic characterization, assessing the loads acting as a whole and also locally, with both isolated and interference conditions. Besides the action, the velocity spectrum of the approaching wind and the corresponding aerodynamic admittance were studied. Either case, it was verified that the wind incidence nearly perpendicular to one of the frontal facades is a critical direction from the perspective of dynamic effects: the spectra of global loads were very similar, with a peak emerging on the graphs, which indicate the possibility of vortex shedding; the admittance function also showed a very close format. This study offers an instrument of validation for future researches that use simplified test models, besides to fit as a reference to a possible revision of the Brazilian code NBR 6123/1988 – Wind load on building structures, contributing to the knowledge advances regarding dynamic effects on irregular tall buildings.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nos últimos anos, a indústria da construção civil experimentou um forte crescimento na demanda por edifícios de múltiplos pavimentos de concreto armado. Este comportamento do mercado impulsionou construtores a acelerar todas as etapas do processo de construção, a fim de entregar a edificação em um tempo cada vez mais curto. Como decorrência deste fato, as estruturas são carregadas mais precocemente, ocasião em que as suas propriedades de resistência e deformação ainda não se encontram suficientemente maduras para suportar o carregamento construtivo que a solicita. Com a finalidade de compreender quais consequências são provocadas por esse carregamento prematuro da estrutura e analisar a importância dos efeitos construtivos no projeto de edificações de concreto armado, o trabalho traz o resultado de análises não-lineares realizadas com o Método dos Elementos Finitos adotando uma abordagem usualmente referida como staged construction construção em estágios aplicada a uma edificação real, situada na Cidade do Recife, Estado de Pernambuco, Brasil. Nestas análises foram levados em consideração os efeitos da retração, fluência e envelhecimento do concreto. Os resultados obtidos demonstram que os deslocamentos verticais nos pilares, decorrentes dos efeitos construtivos, são fortemente alterados quando comparados com os deslocamentos verticais resultantes da análise sem a consideração dos estágios de construção. A não consideração desses efeitos construtivos podem, em alguns casos, conduzir a manifestações patológicas importantes na edificação. / The building industry has experienced in recent years a strong growth in demand in general and in the case of reinforced concrete buildings this increase has been more marked. This fact has also contributed to accelerate all stages of the production process of these constructions with more pronounced effects on the methodologies used in the constructive steps that influence directly the structural design of the building. Structures loaded at ever earlier ages, in which the strength and deformation properties of materials are not yet sufficiently mature, it is a variable that needs to be taken into account already in the design phase so that the concrete structure behaves within acceptable level of reliability taking into account design code recommendations for service life. To understand the importance of constructive effects and to assess its magnitude in the execution of reinforced concrete buildings, this paper present result from nonlinear analyses using Finite Element Method adopting an approach commonly referred as staged construction applied to a typical building found in the practice. The effects of creep and shrinkage were considered and the results obtained demonstrate that the strains due to constructive effects can, in certain cases, assume representative values which, if ignored, can lead to important pathologies in the building.

O emprego de pilares mistos formados por tubos de aço preenchidos com concreto de alta resistência, sobretudo em edifícios altos, é uma tendência em diversos países europeus, americanos e asiáticos. A tais elementos são atribuídas vantagens como: alta resistência e ductilidade, economia de materiais e mão-de-obra, redução das dimensões da seção transversal e melhoria no comportamento dos materiais aço e concreto, devido ao efeito de confinamento. Buscando suprir algumas carências de conhecimento, procura-se obter dados experimentais sobre o comportamento de pilares mistos axialmente comprimidos, possibilitando desta forma avaliar parâmetros como influência da forma da seção transversal e da espessura do perfil tubular no seu comportamento. Foram analisadas seções quadradas, circulares e retangulares, preenchidas por concreto com resistência média de 50MPa. A ruína destes elementos caracterizou-se pelo esmagamento do concreto, ocorrendo posteriormente a flambagem local do perfil em diversos pontos. A capacidade resistente prevista por diversas normas resultou em valores muito próximos dos experimentais, embora várias destas normas não considerem o efeito de confinamento. Os ensaios mostraram que o efeito de confinamento contribui de forma decisiva na melhoria do comportamento dos materiais, sobretudo ductilizando o concreto de alta resistência, entretanto seus efeitos não são significativos no aumento da capacidade resistente da seção mista. Alguns critérios para avaliação da ductilidade à compressão foram adaptados e mostraram bons resultados, possibilitando o cálculo do índice de ductilidade. / The use of concrete filled steel tubes especially in tall buildings is a tendency in several european, american and asian countries. The use of these members has several advantages: high resistance and ductility, saving of materials and labour, reduction of cross section dimensions and improvement in behaviour of the materials steel and concrete due the confinement. The main purpose of this study is provide some experimental results of the behaviour of concrete filled steel tubes concentrically loaded. The main experimental parameters considered were the influence of the cross-section shape and thickness of steel tube. Square, circular and rectangular cross-section shapes infilling with concrete of the 50MPa of strength were analyzed. The failure was characterized for crushing of the concrete and later local buckling of the steel section in several points. The strength capacity predicted for several standards showed good agreement with the experimental failure values although this does not consider the confinement of the concrete. The results of tests showed that the confinement effect contributes for improvement behaviour of materials, especially increasing the ductility of the high strength concrete. However the results showed that the triaxial confinement does not increase the axial capacity of the concrete filled steel tubes. Some methods to estimate the ductility of axially compressed concrete columns were adapted and showed good results permitting the calculation of the ductility index of short columns.

Assessing tall building oscillation is a multidisciplinary area involving knowledge from different fields of study: structural engineering, wind engineering, reliability, and even human physiology, to name a few. With the modern high strength structural materials and the latest tendencies in tall buildings construction, new structural systems have become slender and new buildings have reached greater heights as time passes. This context leads to a situation where these slender structures are sensitive to dynamic effects from wind loads and where human comfort is often the prevailing criterion for the structural design. This multidisciplinary area with slender structural systems allied to economic and environmental aspects from building construction demands a better integration between the abovementioned fields in order to achieve both human comfort and sustainable buildings (from environmental and economic points of view). This thesis aims at connecting the \"weak links\" of the Davenport\'s chain of wind loading, discussing criteria from each field involved in the oscillation assessment of a tall building: dynamic analysis, finite element modelling, wind climate modelling and comfort assessment. The axis of investigation intends to bring precision to the procedure, whilst creating a reliable set of criteria to perform a dynamic response assessment from the wind tunnel testing of tall buildings. This thesis also aims at connecting these fields of study by bringing understanding from each one of them to all the others, and at validating multidisciplinary interactions in the Davenport\'s chain. Finally, a wide dispersion of results is obtained for two different tall buildings in São Paulo. This dispersion serves to corroborate the deficient integration between these fields of study and to present a set of criteria that brings precision to the procedure, whilst allowing more economic and sustainable designs. / O estudo das oscilações de edifícios altos sob ação do vento é uma área multidisciplinar que envolve conhecimentos de diferentes campos de estudo: engenharia estrutural, engenharia de vento, confiabilidade e até fisiologia humana, para citar apenas alguns. Em paralelo, a criação de novos materiais de construção de alta resistência, aliados às últimas tendências na construção de edifícios altos, permite sistemas estruturais cada vez mais esbeltos aplicados a edifícios cada vez mais altos. Este contexto leva a uma situação em que estes sistemas estruturais são sensíveis aos efeitos dinâmicos das cargas de vento e onde o conforto humano é frequentemente o critério preponderante para o projeto estrutural. Esta área multidisciplinar, com seus sistemas estruturais esbeltos, aliada aos aspectos econômicos e ambientais da construção de edifícios altos, exige uma melhor integração entre os campos acima referidos para se alcançar conforto humano em edifícios sustentáveis (tanto do ponto de vista ambiental quanto do econômico). Esta tese tem como eixo de investigação os \"elos fracos\" da corrente de cargas de vento de Davenport e discute os critérios de cada campo envolvido na avaliação das oscilações de um edifício alto: análise dinâmica, modelagem de elementos finitos, modelagem probabilística de vento e avaliação de conforto. O eixo de investigação proposto visa a trazer precisão ao procedimento, criando um conjunto de critérios confiáveis para a avaliação da resposta dinâmica a partir de ensaios em túnel de vento de edifícios altos. Esta tese também visa a conectar estes campos de estudo, trazendo a compreensão de cada um deles para todos os outros e para validar as interações multidisciplinares na corrente de Davenport. Finalmente, uma grande dispersão de resultados é obtida para dois edifícios altos em São Paulo. Esta dispersão serve para corroborar a deficiência da integração entre estes campos de estudo e para apresentar um conjunto de critérios que traga precisão ao procedimento, permitindo, concomitantemente, projetos mais econômicos e sustentáveis.

Neste trabalho são abordados os aspectos inerentes à análise não linear física e geométrica de núcleos rígidos pertencentes a estruturas de contraventamento de edifícios altos em concreto armado. O trabalho foca a análise estrutural dos núcleos através do uso de uma ferramenta computacional capaz de realizar uma análise não linear rigorosa, estudando modelos usuais com o emprego do método dos elementos finitos. São avaliadas as reduções de inércia que ocorrem nas paredes que compõem os núcleos, dimensionados de forma a apresentarem três taxas de armadura, uma próxima à mínima, uma média e uma próxima à máquina permitida pela NBR 6118. São estabelecidas estimativas simplificadas para os efeitos da não linearidade física sobre esses elementos, que possam ser utilizadas em projetos usuais de maneira simples e prática. / This work deals with nonlinear geometrical and physical analysis of structural cores that take part in the bracing system of multistory reinforced concrete buildings. The study depicts the structural behavior of concrete cores by using a computational tool that performs a strict non-linear analysis, coping with usual models based on the Finite Element Method. The work evaluates the inertia reduction of concrete core\'s walls, considering minimum, medium and maximum geometrical reinforcement ratio prescribed by NBR 6118. Estimations of the physical nonlinearity of those elements are provided aiming at the practical use in actual structural design.

Neste trabalho são discutidos os procedimentos simplificados para a consideração da não linearidade física (NLF) e da não linearidade geométrica (NLG) na análise de edifícios de concreto armado. Deste modo, pretende-se estabelecer o grau de confiabilidade desses processos. Algumas prescrições para redução na inércia dos elementos estruturais são comparadas com os resultados obtidos através de modelos em elementos finitos, permitindo, assim, a avaliação destas prescrições. Um estudo detalhado do parâmetro &#947z, como majorador dos esforços em primeira ordem para a obtenção dos esforços finais em segunda ordem, é efetuada, de modo que se possa estabelecer, de forma mais clara, as vantagens e as limitações deste parâmetro. / This work shows some simplified procedures to consider physical non-linearity (FNL) and geometrical non-linearity (GNL), for reinforced concrete buildings, and discusses its reliability. For FNL, prescriptions for stiffness reduction of structural elements are compared with the results obtained from finite elements analysis, in order to verify its assessment. For GNL, a detailed study of the accuracy of &#947z parameter to evaluate final second order effects is made. The behavior of the parameter along the height of the building and for each effort considered is shown.

Esta tese de doutorado defende a hipótese de que a arquitetura moderna do Centro de São Paulo estabeleceu novas funções para seus pavimentos térreos e garantiu uma relação intensa entre o edifício e o espaço urbano. A produção analisada - construída entre as décadas de 1930 e 1960 vinculava-se diretamente ao novo traçado urbano e à legislação referente ao Plano de Avenidas. Na primeira metade do século XX, iniciou-se a construção de uma nova estrutura urbana nos lotes urbanos próximos à Praça da República, a partir de investimentos governamentais e particulares. A iniciativa privada foi estimulada a construir a paisagem urbana seguindo uma legislação que vinculava a permissão de maiores alturas ao desenho arquitetônico desejado pelo poder público. Nestes termos e considerando os diversos aspectos de transformação urbana da cidade, entre eles um novo traçado urbano e a verticalização do Centro da cidade, é possível afirmar que a escala das novas intervenções influenciou de modo determinante a relação do edifício com a rua e influenciou o aparecimento de novos partidos arquitetônicos. A pesquisa, então, parte da análise dos novos programas urbanos, da legislação existente, dos aspectos culturais da metrópole e dos projetos arquitetônicos de um período de grande relevância na história da cidade de São Paulo, a fim de constatar a relação dos edifícios estudados com o contexto urbano em que se inseriram. / This dissertation reveals how the modern architecture of downtown São Paulo developed new functions for ground floors, setting up an intense relationship between the building and the urban space. The analyzed structures built between the 1930s and 1960s were linked closely with the implementation of the Avenues Plan, with its specific legal provisions and urban plan. The construction of a new urban landscape took place during the first half of the twentieth century in the lots adjacent to the Republic Square, as a result of both public and private investments. Private enterprise was given incentives to respect the urban plan by linking building permits for taller structures with the intended architectural design. The scale of the resulting urban transformation, including the opening and expansion of new roads and the vertical growth of the downtown, influenced decisively the relationship between the street and the edifice and lead to the emergence of new currents in architecture. This dissertation discusses the urban plan, legal provisions, cultural aspects, and architectural projects associated with a period of great importance in the history of São Paulo in order to reveal the essential relationships between individual structures and the broader urban context in which they appeared.

Made available in DSpace on 2017-06-01T17:57:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ana_cecilia_ferreira_leite.pdf: 2039908 bytes, checksum: 6d86ed0d28b48ab3130af3cf03bae779 (MD5) Previous issue date: 2015-12-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The building industry has experienced in recent years a strong growth in demand in general and in the case of reinforced concrete buildings this increase has been more marked. This fact has also contributed to accelerate all stages of the production process of these constructions with more pronounced effects on the methodologies used in the constructive steps that influence directly the structural design of the building. Structures loaded at ever earlier ages, in which the strength and deformation properties of materials are not yet sufficiently mature, it is a variable that needs to be taken into account already in the design phase so that the concrete structure behaves within acceptable level of reliability taking into account design code recommendations for service life. To understand the importance of constructive effects and to assess its magnitude in the execution of reinforced concrete buildings, this paper present result from nonlinear analyses using Finite Element Method adopting an approach commonly referred as staged construction applied to a typical building found in the practice. The effects of creep and shrinkage were considered and the results obtained demonstrate that the strains due to constructive effects can, in certain cases, assume representative values which, if ignored, can lead to important pathologies in the building. / Nos últimos anos, a indústria da construção civil experimentou um forte crescimento na demanda por edifícios de múltiplos pavimentos de concreto armado. Este comportamento do mercado impulsionou construtores a acelerar todas as etapas do processo de construção, a fim de entregar a edificação em um tempo cada vez mais curto. Como decorrência deste fato, as estruturas são carregadas mais precocemente, ocasião em que as suas propriedades de resistência e deformação ainda não se encontram suficientemente maduras para suportar o carregamento construtivo que a solicita. Com a finalidade de compreender quais consequências são provocadas por esse carregamento prematuro da estrutura e analisar a importância dos efeitos construtivos no projeto de edificações de concreto armado, o trabalho traz o resultado de análises não-lineares realizadas com o Método dos Elementos Finitos adotando uma abordagem usualmente referida como staged construction construção em estágios aplicada a uma edificação real, situada na Cidade do Recife, Estado de Pernambuco, Brasil. Nestas análises foram levados em consideração os efeitos da retração, fluência e envelhecimento do concreto. Os resultados obtidos demonstram que os deslocamentos verticais nos pilares, decorrentes dos efeitos construtivos, são fortemente alterados quando comparados com os deslocamentos verticais resultantes da análise sem a consideração dos estágios de construção. A não consideração desses efeitos construtivos podem, em alguns casos, conduzir a manifestações patológicas importantes na edificação.