[pt] Nos últimos tempos, vários pesquisadores têm desenvolvido formulações ou proposições geometricamente não-lineares para elementos finitos com a finalidade de se examinar o comportamento de pórticos com ligações semirígidas. Dentre estes trabalhos destaca-se o de Chan e Chui [6], que desenvolveram um elemento de barra híbrido com duas molas, com rigidez a rotação, condensadas nas suas extremidades. Implementado o elemento híbrido proposto por Chan e Chui [6] no solver FEMOOP [28] e testado, pode-se constatar que este elemento apresenta um comportamento inadequado na representação dos momentos fletores, quando submetido a cargas distribuídas. Esta constatação conduziu a implementação de um novo elemento, elemento de ligação, proposto neste trabalho, que se comportasse adequadamente em qualquer situação de carregamento. O uso deste elemento tornou possível modelar mais precisamente o comportamento da estrutura, sem a necessidade de qualquer tipo de discretização do carregamento. Além disso, este elemento de ligação também permite simular análises elasto-plásticas das ligações e até mesmo das barras da estrutura. Assim, este trabalho tem como principal objetivo validar, com base em investigações presentes na literatura, as formulações implementadas relativa à análise linear (elemento híbrido e elemento de ligação) e não-linear (elemento de ligação) de sistemas estruturais semi-rígidos, bem como as implementações computacionais realizadas para essa metodologia. Desta forma, foi desenvolvido um sistema, chamado FTOOL/SRC, que possibilita a geração de análises paramétricas que balizem o uso adequado de ligações semi- rígidas, de forma simples e compacta graças a uma interface gráfica eficiente e ao uso de um resolvedor externo FEMOOP [28]. / [en] Over the past few years various researchers have been developing geometrically non-linear finite elements formulations with the purpose of examining the behaviour of frames with semi-rigid connections. Among these works it is appropriate to mention Chan and Chui, [6], that developed a hybrid finite bar element containing two rotational springs condensed at its extremities. As this hybrid finite element, Chan and Chui [6] was implemented and tested in the solver FEMOOP, [28], it was verified that it presented an inadequate representation of bending moments, when distributed loads were used. This verification led the implementation of a rotational spring finite element that could tackle any loading conditions. The use of this element enables the users to accurate model the structural behaviour, without the need of any additional loading discretization. Additionally, this connection element also allows elasto-plastic simulation analyses of the connections, and even of the structures bars, to be performed. The main objective of the present investigation was to validate, based in updated literature investigations, the finite element formulations implemented. These procedures included linear (hybrid element and connection element) and non-linear (connection element) analysis of semi-rigid structural systems. The implementations were made by the development of a system, called FTOOL/SRC. This system enables parametric analyses of semi-rigid connections to be performed in a simple and compact form due to the use of an efficient graphic interface and a compact external solver FEMOOP [28].

[pt] Tradicionalmente, o projeto de pórticos em estruturas de aço assume que as ligações viga-coluna são rígidas ou flexíveis. As ligações rígidas, onde não ocorre nenhuma rotação entre os membros conectados, transferem não só momento fletor, mas também força cortante e força normal. Por outro lado, as ligações flexíveis são caracterizadas pela liberdade de rotação entre os membros conectados impedindo a transmissão de momento fletor. Desconsiderando- se estes fatos, sabe-se que a grande maioria das ligações não possuem este comportamento idealizado. De fato, a maioria das ligações transfere algum momento fletor com um nível de rotação associado. Estas ligações são chamadas semi-rígidas e seu dimensionamento deve ser executado de acordo com este comportamento estrutural real. Porém, algumas ligações viga-coluna estão sujeitas a uma combinação de momento fletor e esforço axial. O nível de esforço axial pode ser significativo, principalmente em ligações de pórticos metálicos com vigas inclinadas, em pórticos não-contraventados ou em pórticos com pavimentos incompletos. As normas atuais de dimensionamento de ligações estruturais em aço não consideram a presença de esforço axial (tração e/ou compressão) nas ligações. Uma limitação empírica de 5 por cento da resistência plástica da viga é a única condição imposta no Eurocode 3. O objetivo deste trabalho é descrever alguns resultados experimentais e numéricos para estender a filosofia do método das componentes para ligações com ações combinadas de momento fletor e esforço axial. Para se cumprir este objetivo, quinze ensaios foram realizados e um modelo mecânico é apresentado para ser usado na avaliação das propriedades da ligação: resistência à flexão, rigidez inicial e capacidade de rotação. / [en] Traditionally, the steel portal frame design assumes that beam-to-column joints are rigid or pinned. Rigid joints, where no relative rotations occur between the connected members, transfer not only substantial bending moments, but also shear and axial forces. On the other extreme, pinned joints, are characterised by almost free rotation movement between the connected elements that prevents the transmission of bending moments. Despite these facts, it is largely recognised that the great majority of joints does not exhibit such idealised behaviour. In fact, many joints transfer some bending moments associated with rotations. These joints are called semi-rigid, and their design should be performed according to their real structural behaviour. However, some steel beam-to-column joints are often subjected to a combination of bending and axial forces. The level of axial forces in the joint may be significant, typical of pitched-roof portal frames, sway frames or frames with incomplete floors. Current standard for steel joints do not take into account the presence of axial forces (tension and/or compression) in the joints. A single empirical limitation of 5 percent of the beam s plastic axial capacity is the only enforced provision in Annex J of Eurocode 3. The objective of the present work is to describe some experimental and numerical results to extend the philosophy of the component method to deal with the combined action of bending and axial forces. To fulfil this objective a set of sixteen specimens were performed and a mechanical model was developed to be used in the evaluation of the joint properties: bending moment resistance, initial stiffness and rotation capacity.

[pt] O dimensionamento de estruturas de edifícios de aço com ligações do tipo semi-rígidas ainda enfrenta uma série de resistências por parte dos engenheiros estruturais. Este fato se deve em parte à falta de normas específicas, programas de computadores adequados e informações mais detalhadas sobre as vantagens econômicas das ligações semi- rígidas. Este trabalho apresenta um estudo paramétrico de uma edificação considerando o dimensionamento das ligações no regime semi-rígido. Estas investigações consideram parâmetros como: a rigidez das ligações, sistemas com estruturas em aço ou mistos e estabilidade lateral dos pórticos. A edificação analisada foi uma habitação popular padronizada de quatro pavimentos desenvolvida pela USIMINAS, muito difundida no Brasil. Em uma primeira etapa cada edifício foi estudado com uma rigidez de ligação semi- rígida padrão para todas as ligações da estrutura. Posteriormente ligações semi-rígida individualizadas foram adotadas para os diversos pórticos estudados. Este trabalho a princípio apresenta uma metodologia de análise e dimensionamento de estruturas em aço com ligações semi- rígidas com base no modelo de molas proposto pelo Anexo J Revisado do Eurocode 3. Com base nesta metodologia propõe- se um modelo simplificado de ligações semi-rígidas viga/coluna com o uso do programa ANSYS. Os modelos estruturais foram estudados com a inclusão dos efeitos da não linearidade geométrica dos pórticos e o comportamento elasto-plástico do material de forma a se obter resultados consistentes com os resultados experimentais e sem a introdução de coeficientes de correção. Os resultados obtidos neste trabalho foram apresentados, discutidos e comparados com os desenvolvidos pela USIMINAS de forma a se analisar o comportamento das ligações e sua eficiência. Para os edifícios considerados neste trabalho, onde se fez uso de ligações semi-rígidas padrão, o sistema mais econômico, com relação à peso de aço, foi a estrutura mista com contraventamentos (40 por cento da capacidade rígida) que teve uma economia de até 48 por cento em relação aos outros edifícios e de até 10 por cento aos sistemas da USIMINAS. Quando no uso de ligações otimizadas estas economias aumentam para 53 por cento e 15 por cento. Os resultados apresentados confirmam a vantagem da utilização deste tipo de ligação em edifícios residenciais em aço de pequena altura. / [en] Nowadays, despite the substantial increase in structural design knowledge, the semi-rigid connections steel design is still facing resistance from the structural engineers. This fact can be in part explained by few design standards that allows and explains their use, suitable computer programs and the lack of detailed information of the economical advantages of the semi-rigid design philosophy. This work presents a parametric analysis performed on a residential low-rise steel building considering all the steps necessary to a semi-rigid design. This analysis considered parameters like: beam-to-column connection stiffness and strength,structural system (steel or composite) and lateral frame stability (sway and non-sway frame solutions). The analysed structure consisted on a standard four pavements residential building proposed by a Brazilian Steel Mill Usiminas for low-cost popular constructions. Initially all the structure beam-to-column connections adopted a standard connection stiffness. The study continued with optimised connection stiffness for each of the designed structural frames. The first part of the present work is devoted to a full description of the design procedures proposed in the Eurocode 3, revised annex J for semi-rigid connection design. Based on this methodology a simple design model was proposed and implemented with the aid of the finite element program Ansys. The model included geometrical and material non- linearities and considered the connections semi-rigid behaviour avoiding the conventional approximations suggested in several current steel design standards. The results of this investigations are presented, discussed and compared to standard designs like the Usiminas proposal as means to access the economic potential and efficiency of the semi-rigid solutions. The best structural solution for the investigated construction was a non-sway composite semi- rigid (40 percent of the rigid capacity). The economy achieved were: 48 percent and 10 percent when compared to other semi-rigid solutions and the conventional Usiminas solution, respectively. This figures changed to 53 percent and 15 percent when optimised connections were used in each structural frame. The presented results confirm the advantage of the use of this connections kind in residential buildings in steel of low height.

[pt] Ao longo dos anos, a interação aço-concreto tem obtido um lugar de destaque do ponto de vista estrutural, ampliando a gama de soluções em concreto armado e aço, o que permite atender aos novos desafios arquitetônicos e às exigências que o mercado impõe. O objetivo do sistema misto é a combinação desses dois materiais, formando um único sistema estrutural em que a capacidade portante de cada elemento possa ser explorada ao máximo, tirando-se proveito da grande capacidade do concreto resistir a esforços de compressão, e de o aço, à tração. Essas características singulares de sistemas mistos aço-concreto conduzem a frequências naturais mais próximas da faixa de frequência de excitações associada às atividades humanas. Sendo assim, as considerações relacionadas ao projeto estrutural obrigam os engenheiros a fazer verificações quanto à resistência e à estabilidade de sistemas estruturais (estados limites últimos), mas os problemas relacionados ao estado limite de utilização desses sistemas devem ser analisados de forma mais cuidadosa. Embora o assunto de vibrações em lajes de edifícios induzidas por atividades humanas tem sido de continuado interesse a pesquisadores e a engenheiros ao longo dos últimos dois séculos (1828-2009), inexiste na literatura técnica, até onde o autor tem conhecimento, análise de correlações teórico-experimentais de vibrações de estruturas mistas aço-concreto sob ação de atividades humanas, na qual são consideradas a ortotropia, a interação parcial e as ligações semirrígidas. Com o objetivo de contribuir nessa direção, o presente trabalho investiga o efeito da interação aço-concreto sobre a resposta dinâmica de sistemas de pisos mistos. / [en] Over the years the steel-concrete interaction have been achieving excelent results, in terms of structural performance. This fact have enlarged the range of applications of concrete and steel structures enabling the development of efficient solutions that attend the demands claimed by the market and by increasinly daring architectures. The composite action main objective is to combine steel and concrete into single structural system where the optimum performance of the combined elements could be explored. The concrete is used to sustain compressive while the steel is better used when submitted to tension. These singular characteristics of the composite systems, on the other hand, lead to composite structural systems with natural frequencies close to the frequency associated to human induced loads. Usually the design of composite structures is focused on verifications related to ultimate limit states associated to strength and stability, but the problems related to serviceability limit states should also be carefully considered. Despite the fact that floor vibration induced by human activity has been extensively investigated in the past (1828-2009) there is still a lack of published information on theoretical-experimental correlations on the dynamic response of composite structures specially after considering effects releted to partial interaction, orthotropy and semi-rigid connections. The present study has the objective of contributing in the direction of better understand the effect of the steel-concrete interaction on the composite floor system dynamic response.

[pt] O principal objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um programa computacional para a analise não-linear estática e dinâmica de pórticos planos com ligações flexíveis (semi-rígidas). Inicialmente é apresentada a metodologia de solução não-linear e as formulações dos elementos finitos adotados na base computacional implementada. Em seguida, são estudados vários exemplos de sistemas estruturais estáticos com caminhos de equilíbrio fortemente não-lineares com a finalidade de testar os programas implementados. Então é apresentada a formulação do problema dinâmico com a definição das equações diferenciais ordinárias de movimento e as expressões das matrizes de massa e amortecimento. A solução desse sistema de equações diferenciais ordinárias é obtida por métodos de integração numérica implícitos ou explícitos. Alguns destes métodos são apresentados neste trabalho e incorporados ao programa computacional em conjunto com estratégias adaptativas de incremento automático do intervalo de tempo de integração (delta)t. Por fim, o sistema computacional desenvolvido é utilizado na modelagem e obtenção da resposta estrutural estática e dinâmica de alguns sistemas estruturais planos com comportamento eminentemente não-linear. Através destes resultados são analisados alguns fenômenos importantes de instabilidade estática e dinâmica, bem como possíveis mecanismos de colapso e a influência de parâmetros físicos e geométricos no comportamento estrutural. / [en] The main objective of this thesis is to develop a numerical methodology for the nonlinear static and dynamics analysis of plane frames with semi-rigid connections. Initially, the formulations of the adopted finite elements are presented and implemented together with numerical methodologies for the solution of the non-linear equilibrium equations. Then, some examples of strongly nonlinear structural systems under static loads are studied to check the methodology. Subsequently, the ordinary differential equations of motion are derived and the corresponding damping and mass matrices are presented. The solution of this system of ordinary differential equations is obtained by implicit or explicit numerical integration methods. Some of these methods are presented in this work and incorporated into the computational program together with adaptive strategies for the automatic increment of the time step (delta)t. Finally, the computational system here developed is used to study the static and dynamic response of some plain structural systems with an inherent nonlinear behavior. A detailed parametric study is carried out to identify the influence of physical and geometric parameters on the structural behavior. This enables the analysis of some important static and dynamic instability phenomena and identification of possible mechanisms of collapse.

[pt] As ligações viga-pilar desempenham uma função fundamental para a determinação do comportamento real de estruturas de aço. Portanto torna-se necessária uma avaliação muito criteriosa das reais características geométricas e mecânicas destas ligações, substituindo as tradicionais considerações idealizadas, rígida e flexível, pela modelagem semi-rígida.Atualmente um dos métodos mais utilizados para caracterização de ligações semi-rígidas se fundamenta no método das componentes, descrito pelo Eurocode 3, que consiste na determinação da resistência e rigidez dos elementos de maior influência no comportamento de uma ligação. Com a intenção de se desenvolver um estudo sobre as ligações semi-rígidas, inicialmente foi implementado computacionalmente um sistema de análise e dimensionamento capaz de avaliar o comportamento estrutural destas ligações a partir da informação das propriedades geométricas de ligações viga- pilar executadas com placa de extremidade, produzindo uma base de dados para um projeto estrutural mais seguro. Adicionalmente também foi executado um estudo sobre a otimização do dimensionamento de ligações semi-rígidas, através da criação de um sistema para determinação do modelo ótimo, utilizando-se algoritmos genéticos. Neste sistema, através da variação de parâmetros geométricos, determinados de acordo com a necessidade do usuário, obtém- se o modelo ideal de comportamento dentro de uma gama de soluções possíveis. Finalizando o presente estudo sobre ligações semi-rígidas, apresenta-se uma nova metodologia para consideração de ligações aparafusadas com placa de extremidade de altura variável, (header plate), que tradicionalmente são consideradas como flexíveis. Estas ligações foram analisadas através do método das componentes, determinando suas limitações de resistência à flexão e ao corte, juntamente com sua rigidez rotacional, efetuando-se modificações nas componentes apresentadas no Eurocode 3. / [en] The beam-to-column connections play fundamental role in the determination of the real behavior of steel structures. Therefore it is imperative to proper evaluate and consider the real geometric and mechanical properties of these connections, substituting the traditional idealized considerations, rigid and flexible, for the semi-rigid modelling approach. Nowadays one of the most used methods in the semi-rigid connection design is named the components method, described in the Eurocode 3. This method is based on the determination of the connection bending capacity and initial stiffness from the most relevant structural element parts. The main objective of this investigation was to evaluate the semi-rigid connection structural response. This was made by the development of a computer system capable to properly evaluate the behaviour of these connections. This program used the end plate beam-to-column connection material and geometric properties to fulfil this objective, producing a comprehensive database later to be used for more reliable structural project. Additionally an optimisation module was also implemented on the semi-rigid connection program, using genetic algorithms, where through the variation of certain geometric parameters, chosen in accordance to the user's requirements, the ideal connection structural behaviour could be determined from a range of pertinent solutions. Concluding the present study an alternative procedure is proposed for header plate connections where traditionally only shear was assumed to be transmitted. These connections were analysed according to the component method, to determine their bending and shear resistance, initial stiffness and rotation capacity, through modifications made on the relevant structural components presented in Eurocode 3 standard.

[pt] As ligações viga-pilar desempenham uma função fundamental para a determinação do comportamento real de estruturas de aço e mistas. Portanto torna-se necessária uma avaliação muito criteriosa das reais características geométricas e mecânicas destas ligações, substituindo as tradicionais considerações idealizadas, rígida e flexível, pela modelagem semi-rígida em aço ou mista. Com a intenção de dar continuidade do estudo sobre ligações semirígidas em aço e desenvolver um estudo sobre as ligações semi-rígidas mistas, inicialmente foi realizada uma revisão bibliográfica destes assuntos apresentando os parâmetros a serem desenvolvidos nesta pesquisa. Foi implementado computacionalmente um sistema de análise e dimensionamento capaz de avaliar o comportamento estrutural destas ligações a partir da informação das propriedades geométricas de ligações viga-pilar executadas com placa de extremidade em aço e mistas, produzindo uma base de dados para um projeto estrutural mais seguro. Um projeto experimental foi desenvolvido para avaliar o caminho de transmissão de esforços, através de modelos experimentais de laboratório, na forma de ensaios pull-out modificados, adaptando-se este ensaio para regiões de momento negativo, onde a laje de concreto se encontra fissurada, obtendo um ensaio capaz de produzir resultados que contribuam com o desenvolvimento da pesquisa de ligações semi-rígidas em aço e mistas. / [en] The beam-column connections play a key role in determining the actual behavior of steel and composite structures. Therefore it is necessary a very careful assessment of the real geometrical and mechanical characteristics of these joints, replacing the traditional idealized considerations, rigid and flexible for modeling semi-rigid steel or composite. With the intention of continuing the study of semirigid connections in steel and develop a study on the semi-rigid composite connections, was initially performed a revision of startled presenting the parameters to be developed in this research. We have implemented a computational system analysis and design capable of evaluating the structural behavior of these joints from the information of the geometric properties of beamcolumn connection with end plate executed in steel and composited, producing a database for a structural design safer. An experimental project was designed to evaluate the path transmittance of efforts, through experimental models of laboratory tests in the form of modified pull-out, adapting this test for regions of negative moment, where the concrete slab is cracked, obtaining a test that can produce results that contribute for the development of research of semi-rigid connections in steel and composite.