The 1999 AISC Specification for Structural Steel Buildings establishes two design equations for the web crippling limit state at the supports. However, investigators have suggested that the basis of these equations, which is based on an assumed collapse mechanism, is conservative especially for long bearing lengths. Most of the experimental studies conducted to validate those formulas have considered short span lengths and relatively small bearing-to-depth ratios. Therefore, a further investigation of the web crippling capacity of W-shape steel beams for larger span lengths and larger bearing-to-length ratios was undertaken. The primary objective of this study is to analytically investigate the web crippling strength of W-shape steel beams for large bearing-to-depth ratios on large span beams, and to compare the results with the 1999 AISC LRFD web crippling design equation (K1-5b). The web crippling strength of W-shape steel beams was investigated by means of the finite element technique. The commercial finite element package ANSYS 6.0 was used to model the steel beams. Material nonlinearities, large deformation effects and initial geometric imperfections were taken into account in the finite element models. The validation results shown that the finite element models closely predicted the ultimate load and web crippling failure mode shape of the tested beams. Conclusions based on the predictions of the finite element analyses and the current 1999 AISC end web crippling design equation (K1-5b) are presented in the study. / Master of Science

Im Rahmen des Projektes DRESDYN wird einem mit Fluid gefülltem rotierenden Behälter eine Präzession aufgezwungen. Durch Fertigungsungenauigkeiten und andere Einflusse weicht die Position des Masseschwerpunktes des Behälters von den Rotationsachsen ab, was zu harmonischen Kräften in der Behälterlagerung führt. Die Eigenfrequenzen der Unterkonstruktion liegen relativ niedrig, was eine zeitdiskrete quasistatische Betrachtung nicht mehr erlaubt. Eine transiente Analyse würde dagegen bei der Anzahl an Lastfällen einen viel zu großen Rechenaufwand verursachen. Da die Kräfte in einen statischen und harmonischen Anteil zerlegt werden können, kann die Frequenzganganalyse alternativ zur Lösung des Problems verwendet werden. Die Expansion der harmonischen Lösung liefert die diskreten Zeitschritte der Reaktionskraft- und Spannungsamplituden, welche für einen Ermüdungsfestigkeitsnachweis verwertet werden können.

Dentro do conjunto de aspectos relacionados à elaboração de projetos em estruturas de aço e mistas de aço e concreto, destaca-se como de grande importância e interesse, para fins de dimensionamento, a consideração de elementos estruturais submetidos a temperaturas elevadas. Nesse sentido, o presente trabalho tem como objetivo principal propor a construção de modelos numéricos tridimensionais de pilares de aço pertencentes a sistemas estruturais correntes da construção civil, para análise em situação de incêndio, com vistas a simular numericamente a evolução dos níveis de temperatura ao longo do tempo com posterior acoplamento termoestrutural. Considera-se uma análise paramétrica com vista a variar as restrições axiais totais e parciais da barra, no referente aos deslocamentos axiais, contemplando desde a situação de extremidade livre até a restrição completa em resposta à consideração de apoio do tipo fixo, por exemplo. Os resultados numéricos são comparados a ensaios experimentais de outros autores, bem como com outros trabalhos numéricos já publicados. São obtidas respostas de deslocamentos axiais e laterais do modelo termoestrutural para diversas disposições de paredes em relação ao perfil, bem como gráficos do acréscimo de força axial introduzido no sistema pela restrição axial. Os estudos aqui realizados poderão servir como base para novas pesquisas tanto no campo numérico quanto experimental, assim como para futuras revisões da ABNT NBR 14323:1999, buscando contemplar situações de interesse não abordadas neste documento normativo. Os resultados da pesquisa apontam que a consideração do campo térmico com a inclusão da alvenaria no modelo termoestrutural pode melhorar consideravelmente o desempenho do elemento estrutural em situação de incêndio. / Within the set of aspects related to the development of researches in steel and composite steel and concrete structures, stands out with great importance and interest, aiming to dimension, the consideration of structural elements subjected to high temperatures. In this way, the present work has as main objective to propose the construction of three-dimensional numerical models of steel columns that belong to current structural systems of civil construction, for examination in fire situation, aiming to simulate numerically the evolution of temperature levels throughout of time with later termoestrutural coupling. It will be considered a parametric analysis in order to vary the total and partial axial restraint in respect to the axial displacements, since the free end situation until the complete restriction in response to the consideration of support for the fixed type, for example. The numerical results are compared to experimental tests made by other authors, as well as with others numerical works already published. Answers are obtained from axial and lateral displacements of the thermo structural model to many displacement of wall related to the profile, also charts of adding axial force introduced into the system by the axial restraint. The results of the current research could serve as a basis for further research in both the numerical field or experimental, also for future revisions of ABNT NBR 14323:1999, aiming to see situations of interest not studied in the same normative document. The results of this work show that consideration of thermal field with the inclusion of masonry in the thermo structural model can, significantly, improve the performance of the structural element in a fire situation.

Com a crescente evolução tecnológica dos materiais empregados na construção civil, como o concreto estrutural, que hoje atinge resistências características bastante superiores àquelas utilizadas tradicionalmente pelos projetistas, surge a necessidade de atualização da literatura técnica que fundamenta o tema. Em 2014, a norma brasileira que regulamenta os procedimentos para projeto de estruturas de concreto armado, NBR 6118:2014, passou a incluir os concretos de alta resistência, com resistência característica à compressão simples superior a 50 MPa. Isto posto, o presente estudo objetivou analisar a confiabilidade no projeto de pilares de concreto armado conforme a referida norma. Para tal, foi desenvolvido um modelo de elementos finitos para a análise de pilares de concreto armado através do software ANSYS, sendo o comportamento não-linear do concreto representado através da ferramenta de customização UPF (User Programmable Features), que possibilita a introdução de um novo modelo constitutivo de material programado pelo usuário ao sistema. Este modelo foi representado por uma rotina de cálculo externa, estruturada em linguagem FORTRAN, e teve como base as equações constitutivas apresentadas no Código Modelo fib 2010. Para a validação deste modelo numérico, foram reproduzidas as condições de ensaios experimentais envolvendo pilares de concreto armado. Finalmente, foram modelados pilares projetados de acordo com a norma brasileira, submetidos à flexo compressão normal e oblíqua e, a partir da aplicação do Método de Monte Carlo, através da ferramenta Probabilistic Design do ANSYS, foram determinados os índices de confiabilidade de cada caso, bem como a influência dos diversos parâmetros de projeto nestes índices. Em relação aos pilares submetidos a flexo-compressão normal, a grande maioria apresentou resultados satisfatórios em termos de confiabilidade estrutural, entretanto, tratando-se dos pilares em flexo-compressão oblíqua, quase metade dos projetos não atingiram os índices de confiabilidade alvo estabelecidos neste estudo. / With the increasing technological evolution of the materials used in civil construction, such as structural concrete, which nowadays much higher compressive strenghts than tthose traditionally used by structural designers, there is a need to update the technical literature that underlies the theme. In 2014, the Brazilian standard that regulates the procedures for the design of concrete armament structures, NBR 6118: 2014, introduced considerations concerning high strenght concretes, with compressive strenght above 50 MPa. Therefore, the present study aimed to analyze the reliability of the design of reinforced concrete columns according to the guidelines presented in the mentioned standard. For this, a finite element model was developed for the analysis of reinforced concrete columns through the software ANSYS, with the nonlinear behavior of concrete represented by the software customization tool named UPF (User Programmable Features), which allows the introduction of a new material constitutive model programmed by the user to the main system. This model was represented by an external calculation routine, structured in FORTRAN language, and was based on the constitutive equations presented in fib Model Code 2010. For the validation and calibration of this numerical model, the conditions of experimental tests involving reinforced concrete columns have been reproduced. Finally, models have been created to represent columns designed according to the guidelines of the Brazilian Standard NBR 6118:2014, submitted to normal and oblique flexioncompression and, through the application of the Monte Carlo method using the Probabilistic Design tool of ANSYS, the reliability indexes for each design were determined such as the influence of the various design parameters in these indices. Regarding the abutments submitted to normal flexion-compression, the great majority presented satisfactory results in terms of structural reliability, however, in the case of oblique flexion-compression abutments, almost half of the projects didn't achieve the target reliability indices established in this study.

O emprego de uma estrutura mista de aço – concreto (laje em concreto e vigas em perfis de aço) representa a priori uma solução mais eficiente para estruturas de pontes do que a consideração de uma estrutura toda em concreto ou toda em aço. No entanto para que isto ocorra na prática é necessário um dimensionamento criterioso desta estrutura, o que deve ser feito tendo como apoio softwares de simulação numérica. No CEMACOM tem sido desenvolvidos vários trabalhos nesse tema, os quais resultaram num código computacional com capacidade para simular vigas mistas submetidas a cargas de curta duração ou cargas de longa duração. Em contraponto, nesse trabalho a proposta é customizar um software comercial de elementos finitos (ANSYS) para realizar as mesmas tarefas. Depois do modelo construído tem se vantagens pois se dispõe da plataforma do ANSYS que permite analisar vários problemas associados ao assunto. Fez-se uma proposta de modelo numérico para se analisar vigas mistas no ANSYS. Tendo como ponto de partida os trabalhos de Lazzari (2015) e Lazzari et al. (2016) para a implementação do comportamento do concreto, fez-se algumas implementações numa rotina tipo usermat para fazer análises de cargas de curta duração. Os efeitos de longa duração, fluência e retração, foram implementados na rotina usermat tendo como base os trabalhos de Dias (2013) e Moreno (2016). O código customizado foi comparado contra resultados experimentais e numéricos que demonstraram o adequado funcionamento do mesmo. Finalmente o ANSYS customizado foi aplicado para modelar uma estrutura de ponte que havia sido previamente calculada por Schmitz (2014) empregando procedimentos de projeto normalizados. Os resultados obtidos são comparados contra o processo normalizado e são apresentadas as vantagens deste processo. / The use of composite steel and concrete structures (concrete deck and steel profile beams) represents a priori a more efficient solution for bridges structure than the consideration of a whole structure with concrete or whole with steel. However for this to occur in practice it is necessary a consistent design of this structure, and this should be done with the support of softwares of numerical simulations. In CEMACOM have been developed many works in this theme, which resulted on a computational code with the capacity for simulate composite beams submitted to loads with short duration or loads with long duration. In counterpoint, in this work the proposal was to customize a commercial software of finite elements (ANSYS) to do the same tasks. After the construction of the model it have advantages because it is able to use the ANSYS platform, which permit to analyze various problems associated with this subject. It was done a numerical model for analysis of composite beams in ANSYS. Considering as the start point the works of Lazzari (2015) and Lazzari et al. (2016) for the implementation of concrete behavior, some implementations were done in a routine of the type usermat to make analysis with loads with short duration. The effects of long duration, creep and shrinkage, were implemented on the usermat routine considering the jobs of Dias (2013) and Moreno (2016). The customized code was compared with experimental and numerical results that demonstrated a proper functioning. Finally, the customized ANSYS was applied to modeling a bridge structure, which was previously designed in Schmitz (2014) using standard proceedings. The obtained results are compared with the standard procedure and it is presented the advantages of this more complex proceeding.

Dentro do conjunto de aspectos relacionados à elaboração de projetos em estruturas de aço e mistas de aço e concreto, destaca-se como de grande importância e interesse, para fins de dimensionamento, a consideração de elementos estruturais submetidos a temperaturas elevadas. Nesse sentido, o presente trabalho tem como objetivo principal propor a construção de modelos numéricos tridimensionais de pilares de aço pertencentes a sistemas estruturais correntes da construção civil, para análise em situação de incêndio, com vistas a simular numericamente a evolução dos níveis de temperatura ao longo do tempo com posterior acoplamento termoestrutural. Considera-se uma análise paramétrica com vista a variar as restrições axiais totais e parciais da barra, no referente aos deslocamentos axiais, contemplando desde a situação de extremidade livre até a restrição completa em resposta à consideração de apoio do tipo fixo, por exemplo. Os resultados numéricos são comparados a ensaios experimentais de outros autores, bem como com outros trabalhos numéricos já publicados. São obtidas respostas de deslocamentos axiais e laterais do modelo termoestrutural para diversas disposições de paredes em relação ao perfil, bem como gráficos do acréscimo de força axial introduzido no sistema pela restrição axial. Os estudos aqui realizados poderão servir como base para novas pesquisas tanto no campo numérico quanto experimental, assim como para futuras revisões da ABNT NBR 14323:1999, buscando contemplar situações de interesse não abordadas neste documento normativo. Os resultados da pesquisa apontam que a consideração do campo térmico com a inclusão da alvenaria no modelo termoestrutural pode melhorar consideravelmente o desempenho do elemento estrutural em situação de incêndio. / Within the set of aspects related to the development of researches in steel and composite steel and concrete structures, stands out with great importance and interest, aiming to dimension, the consideration of structural elements subjected to high temperatures. In this way, the present work has as main objective to propose the construction of three-dimensional numerical models of steel columns that belong to current structural systems of civil construction, for examination in fire situation, aiming to simulate numerically the evolution of temperature levels throughout of time with later termoestrutural coupling. It will be considered a parametric analysis in order to vary the total and partial axial restraint in respect to the axial displacements, since the free end situation until the complete restriction in response to the consideration of support for the fixed type, for example. The numerical results are compared to experimental tests made by other authors, as well as with others numerical works already published. Answers are obtained from axial and lateral displacements of the thermo structural model to many displacement of wall related to the profile, also charts of adding axial force introduced into the system by the axial restraint. The results of the current research could serve as a basis for further research in both the numerical field or experimental, also for future revisions of ABNT NBR 14323:1999, aiming to see situations of interest not studied in the same normative document. The results of this work show that consideration of thermal field with the inclusion of masonry in the thermo structural model can, significantly, improve the performance of the structural element in a fire situation.

Zur Verringerung von Schadstoffemissionen werden in Kaminöfen oft Keramikfilter integriert, die Staub und Ruß aus dem Abgas entfernen sollen. Die Filter beeinflussen jedoch die strömungsmechanischen, energetischen und chemischen Vorgänge im Feuerraum. Für die Auslegung und die praktische Anwendung der Filter ist die Kenntnis der Einflussgrößen und deren Umfang nötig. Mit Hilfe von experimentellen und numerischen Untersuchungen wurden die Stoff- und Energietransportvorgänge von zwei Kaminöfen charakterisiert. Zur Bestimmung der Massenabnahme von Holzscheiten kam eine neue, praktisch leicht umsetzbare Methode, basierend auf einer Schockkühlung mit flüssigem Stickstoff, zum Einsatz. Parallel dazu wurde die Massenabnahme der Holzscheite mit Hilfe einer Online-Massenbestimmung mittels Waage aufgezeichnet und ein Verfahren zur Bestimmung der Abbrandkinetik entwickelt. Die Schwierigkeiten der messtechnischen Erfassung und Auswertung der instationären Vorgänge wurden dargestellt und diskutiert. Für die zwei Kaminöfen sind numerische Simulationen mit der Software ANSYS CFX erstellt worden, die weitgehend auf realen Geometrien beruhen. Vergleichende null- und eindimensionale Simulationen mit unterschiedlichen Reaktionsmechanismen und gasförmigen Brennstoffen wurden realisiert und hinsichtlich ihrer Eignung für die Berechnung von Kaminöfen untersucht. Nach erfolgter Validierung wurde ein parametrisches Simulationsmodell eines Kaminofens erstellt. Mit diesem wurde eine Parameterstudie zur Untersuchung der Veränderung der Zielgrößen Heizleistung, Kohlenmonoxid- und Rußkonzentration sowie Gesamt- und Sekundärluftmassenstrom in Abhängigkeit der Parameter durchgeführt.

Thèse (M.Eng.) -- Université du Québec à Chicoutimi, programme extensionné à l'Université du Québec à Rimouski, 2003. / Bibliogr.: f. 107-112. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Com a crescente evolução tecnológica dos materiais empregados na construção civil, como o concreto estrutural, que hoje atinge resistências características bastante superiores àquelas utilizadas tradicionalmente pelos projetistas, surge a necessidade de atualização da literatura técnica que fundamenta o tema. Em 2014, a norma brasileira que regulamenta os procedimentos para projeto de estruturas de concreto armado, NBR 6118:2014, passou a incluir os concretos de alta resistência, com resistência característica à compressão simples superior a 50 MPa. Isto posto, o presente estudo objetivou analisar a confiabilidade no projeto de pilares de concreto armado conforme a referida norma. Para tal, foi desenvolvido um modelo de elementos finitos para a análise de pilares de concreto armado através do software ANSYS, sendo o comportamento não-linear do concreto representado através da ferramenta de customização UPF (User Programmable Features), que possibilita a introdução de um novo modelo constitutivo de material programado pelo usuário ao sistema. Este modelo foi representado por uma rotina de cálculo externa, estruturada em linguagem FORTRAN, e teve como base as equações constitutivas apresentadas no Código Modelo fib 2010. Para a validação deste modelo numérico, foram reproduzidas as condições de ensaios experimentais envolvendo pilares de concreto armado. Finalmente, foram modelados pilares projetados de acordo com a norma brasileira, submetidos à flexo compressão normal e oblíqua e, a partir da aplicação do Método de Monte Carlo, através da ferramenta Probabilistic Design do ANSYS, foram determinados os índices de confiabilidade de cada caso, bem como a influência dos diversos parâmetros de projeto nestes índices. Em relação aos pilares submetidos a flexo-compressão normal, a grande maioria apresentou resultados satisfatórios em termos de confiabilidade estrutural, entretanto, tratando-se dos pilares em flexo-compressão oblíqua, quase metade dos projetos não atingiram os índices de confiabilidade alvo estabelecidos neste estudo. / With the increasing technological evolution of the materials used in civil construction, such as structural concrete, which nowadays much higher compressive strenghts than tthose traditionally used by structural designers, there is a need to update the technical literature that underlies the theme. In 2014, the Brazilian standard that regulates the procedures for the design of concrete armament structures, NBR 6118: 2014, introduced considerations concerning high strenght concretes, with compressive strenght above 50 MPa. Therefore, the present study aimed to analyze the reliability of the design of reinforced concrete columns according to the guidelines presented in the mentioned standard. For this, a finite element model was developed for the analysis of reinforced concrete columns through the software ANSYS, with the nonlinear behavior of concrete represented by the software customization tool named UPF (User Programmable Features), which allows the introduction of a new material constitutive model programmed by the user to the main system. This model was represented by an external calculation routine, structured in FORTRAN language, and was based on the constitutive equations presented in fib Model Code 2010. For the validation and calibration of this numerical model, the conditions of experimental tests involving reinforced concrete columns have been reproduced. Finally, models have been created to represent columns designed according to the guidelines of the Brazilian Standard NBR 6118:2014, submitted to normal and oblique flexioncompression and, through the application of the Monte Carlo method using the Probabilistic Design tool of ANSYS, the reliability indexes for each design were determined such as the influence of the various design parameters in these indices. Regarding the abutments submitted to normal flexion-compression, the great majority presented satisfactory results in terms of structural reliability, however, in the case of oblique flexion-compression abutments, almost half of the projects didn't achieve the target reliability indices established in this study.

The development in additive manufacturing methods has cleared the path for topology optimizationby making it possible to produce complex geometries, which would not be possible to produce bytraditional manufacturing methods. Topology optimization uses iterative structural computations tond an optimal material distribution given a maximum optimization domain, load cases and/or otherstructural criteria. The relation between retained mass and structural performance of a swing armfor the vehicle BvS10 was examined for two different materials. The first material was an estimate of an additive manufactured material and the other for a high structural steel. Given the extreme load cases, the geometrical limits of the swing arm and by specifying how much mass was to be retained the stiffness was to be maximized. The optimization was performed using an elastic material model in thecommercial software ANSYS. This elastic material models was based on standard material parameters of steel. Three geometries were generated, namely OG100, OG90 and OG80, which corresponded to 101 %, 87 % and 81 % of the mass of the original swing arm, respectively. The optimization procedurewas combined with geometry modications in SpaceClaim to simplify the obtained geometries. All these geometries consisted of a hollow geometry with a greater width compared to the original geometry. The geometries were then evaluated using multilinear plastic material models based on respective material. Using the additive manufactured material model no generated geometry could perform structurally better than the original swing arm. This indicates that greater material properties must be obtainedin order to be able to reduce the weight of the swing arm. By using the material properties of the highstructural steel, it was found that at least 31.3 kg per vehicle could be reduced by using the optimizedgeometry OG80, and still not perform structurally worse than of the original swing arm. / Utvecklingen inom additiv tillverkning har öppnat vägen för topologioptimering genom att kunna producera komplexa geometrier, som inte skulle vara möjliga att tillverka med hjälp av traditionella tillverkningsmetoder. Topologioptimering använder iterativa hållfasthetsberäkningar för att finna den optimala materialfördelning givet en maximal optimeringsdomän, lastfall och/eller andra strukturella kriterier. Relationen mellan bibehållen massa och strukturella prestationer hos en pendelarm till fordonet BvS10 har undersökts för två olika material. Det ena materialet var en uppskattning av ett additivt tillverkat material och det andra materialet var ett höghållfasthetsstål. Givet dem extrema lastfall, geometriska begränsningar hos pendelarmen och genom specficera hur mycket massa som skulle behållas så skulle styvheten maximeras. Optimeringarna utfördes med en elastisk materialmodell i den kommersiellamjukvaran ANSYS. Denna elastiska materialmodell var baserad på klassiska materialparametrarfor stål. Tre geometrier genererades. Optimeringsproceduren användes i kombination med geometriska modikationer i SpaceClaim för att förenkla de optimierade geometrierna. Dessa var OG100, OG90 och OG80, vilka motsvarade 101 %, 87 % och 81 % av pendelarmens originalvikt. Alla geometrier bestod av en ihålig geometri med större bredd än originalarmens. Geometrierna utvärderades sedan med hjälp av multilinjära plastiska materialmodeller baserat på respektive material. Ingen av dessa geometrier kunde prestera bättre än originalarmen när det additivt tillverkade materialet användes. Detta indikerar att bättre materialegenskaper måste uppnås för att kunna reducera vikten hos pendelarmen. Genom attanvända höghållfasthetsstålet upptäcktes att åtminstone 31.3 kg per fordon kunde reduceras genom attanvända OG80, och fortfarande inte prestera sämre än originalarmen.