Made available in DSpace on 2016-08-29T15:10:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_6406_Diogo Folador Rossi.pdf: 4810471 bytes, checksum: 66e25cca30abc5edb906bd77241af671 (MD5) Previous issue date: 2013-03-22 / Esse trabalho apresenta o uso de métodos de adaptação automática dos incrementos de tempo utilizados na integração numérica passo-a-passo das análises dinâmicas de sistemas estruturais, no domínio do tempo, em estruturas de um e de múltiplos graus de liberdade. Buscou-se comparar as performances das diferentes estratégias adaptativas estudadas. Inicialmente, foi feita uma revisão dos principais processos adotados na solução numérica das equações de equilíbrio dinâmico de sistemas de um grau de liberdade, se concentrando na família de métodos de Newmark, discutindo seus mais amplos aspectos. Posteriormente foi tratado o problema de estruturas de múltiplos graus de liberdade, descrevendo a formação das matrizes estruturais envolvidas através do conceito do método dos elementos finitos e da análise matricial de estruturas, considerando o amortecimento estrutural do tipo viscoso e proporcional, e generalizando os processos de solução numérica das equações dinâmicas. Em seguida foi descrito o escopo de um programa computacional que aplicasse a teoria desenvolvida em análise de estruturas de pórticos planos, o qual foi construído no ambiente de programação do software Matlab. As estratégias de adaptação do incremento de tempo são analisadas na sequência, escolhendo-se três algoritmos principais a serem abordados na implementação, dentre os vários disponíveis, por se basearem em conceitos distintos uns dos outros. Por fim, são apresentados exemplos numéricos resolvidos, onde se comparam as performances das diferentes estratégias adaptativas e se propõem melhorias e diretrizes de aplicação das mesmas.

Nowadays, the pedestrian footbridges present greater slenderness and have been constructed with increasingly daring structures. This fact have generated very slender footbridges and consequently changed the serviceability and ultimate limit states associated to their design. Therefore, in this investigation, the walking loading was modelled based on a probabilistic approach, in order to describe the walking force in a given pedestrian population, aiming a human comfort analysis. The pedestrian walking dynamic action is modelled considering the random nature of the following parameters: pedestrian weight, step frequency and dynamic coefficients. The mathematical model is then applied to calculate the probability of having the structure dynamic response in a particular acceleration range. The investigated structural model is associated to a steel-concrete composite footbridge, built in the campus of the Institute of Traumatology and Orthopaedics (INTO), at the city of Rio de Janeiro, Brazil. Based on the use of probabilistic methods, it was possible to determine whether the footbridge peak accelerations exceed or not the human comfort criteria established in the design standards and recommendations. The results have indicated that the peak accelerations calculated based on the deterministic methods may be overestimated in some design situations / Passarelas de pedestres com arquitetura moderna, esbeltas e leves são uma constante nos dias atuais, apresentando grandes vãos e novos materiais. Este arrojo arquitetônico tem gerado inúmeros problemas de vibrações excessivas, especialmente sobre passarelas mistas (aço-concreto). As normas e recomendações de projeto consideram, ainda, que as forças induzidas pelo caminhar humano são determinísticas. Todavia, o caminhar humano e as respectivas forças dinâmicas geradas apresentam comportamento randômico. Deste modo, o presente trabalho de pesquisa objetiva contribuir com os projetistas estruturais, a partir do emprego de uma abordagem probabilística para avaliação do estado limite de utilização deste tipo de estrutura, associado a vibrações excessivas que podem vir a causar desconforto humano. Para tal, utiliza-se como modelo estrutural uma passarela de pedestres mista (aço-concreto) construída no campus do Instituto de Traumatologia e Ortopedia (INTO), na cidade do Rio de Janeiro. Com base na utilização dos métodos probabilísticos, torna-se possível determinar a probabilidade dos valores das acelerações de pico da estrutura ultrapassarem ou não os critérios de conforto humano estabelecidos em normas e recomendações de projeto. Os resultados apontam para o fato de que os valores das acelerações de pico calculadas com base exclusivamente nos métodos determinísticos podem ser superestimados em algumas situações de projeto.

Nowadays, the pedestrian footbridges present greater slenderness and have been constructed with increasingly daring structures. This fact have generated very slender footbridges and consequently changed the serviceability and ultimate limit states associated to their design. Therefore, in this investigation, the walking loading was modelled based on a probabilistic approach, in order to describe the walking force in a given pedestrian population, aiming a human comfort analysis. The pedestrian walking dynamic action is modelled considering the random nature of the following parameters: pedestrian weight, step frequency and dynamic coefficients. The mathematical model is then applied to calculate the probability of having the structure dynamic response in a particular acceleration range. The investigated structural model is associated to a steel-concrete composite footbridge, built in the campus of the Institute of Traumatology and Orthopaedics (INTO), at the city of Rio de Janeiro, Brazil. Based on the use of probabilistic methods, it was possible to determine whether the footbridge peak accelerations exceed or not the human comfort criteria established in the design standards and recommendations. The results have indicated that the peak accelerations calculated based on the deterministic methods may be overestimated in some design situations / Passarelas de pedestres com arquitetura moderna, esbeltas e leves são uma constante nos dias atuais, apresentando grandes vãos e novos materiais. Este arrojo arquitetônico tem gerado inúmeros problemas de vibrações excessivas, especialmente sobre passarelas mistas (aço-concreto). As normas e recomendações de projeto consideram, ainda, que as forças induzidas pelo caminhar humano são determinísticas. Todavia, o caminhar humano e as respectivas forças dinâmicas geradas apresentam comportamento randômico. Deste modo, o presente trabalho de pesquisa objetiva contribuir com os projetistas estruturais, a partir do emprego de uma abordagem probabilística para avaliação do estado limite de utilização deste tipo de estrutura, associado a vibrações excessivas que podem vir a causar desconforto humano. Para tal, utiliza-se como modelo estrutural uma passarela de pedestres mista (aço-concreto) construída no campus do Instituto de Traumatologia e Ortopedia (INTO), na cidade do Rio de Janeiro. Com base na utilização dos métodos probabilísticos, torna-se possível determinar a probabilidade dos valores das acelerações de pico da estrutura ultrapassarem ou não os critérios de conforto humano estabelecidos em normas e recomendações de projeto. Os resultados apontam para o fato de que os valores das acelerações de pico calculadas com base exclusivamente nos métodos determinísticos podem ser superestimados em algumas situações de projeto.

Made available in DSpace on 2016-12-23T14:05:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Diogo Folador Rossi.pdf: 4782694 bytes, checksum: c76f1cce52a07536be399c535f2db153 (MD5) Previous issue date: 2013-03-22 / Esse trabalho apresenta o uso de métodos de adaptação automática dos incrementos de tempo utilizados na integração numérica passo-a-passo das análises dinâmicas de sistemas estruturais, no domínio do tempo, em estruturas de um e de múltiplos graus de liberdade. Buscou-se comparar as performances das diferentes estratégias adaptativas estudadas. Inicialmente, foi feita uma revisão dos principais processos adotados na solução numérica das equações de equilíbrio dinâmico de sistemas de um grau de liberdade, se concentrando na família de métodos de Newmark, discutindo seus mais amplos aspectos. Posteriormente foi tratado o problema de estruturas de múltiplos graus de liberdade, descrevendo a formação das matrizes estruturais envolvidas através do conceito do método dos elementos finitos e da análise matricial de estruturas, considerando o amortecimento estrutural do tipo viscoso e proporcional, e generalizando os processos de solução numérica das equações dinâmicas. Em seguida foi descrito o escopo de um programa computacional que aplicasse a teoria desenvolvida em análise de estruturas de pórticos planos, o qual foi construído no ambiente de programação do software Matlab. As estratégias de adaptação do incremento de tempo são analisadas na sequência, escolhendo-se três algoritmos principais a serem abordados na implementação, dentre os vários disponíveis, por se basearem em conceitos distintos uns dos outros. Por fim, são apresentados exemplos numéricos resolvidos, onde se comparam as performances das diferentes estratégias adaptativas e se propõem melhorias e diretrizes de aplicação das mesmas / This work presents methods of automatic adaptive time increment used in numerical step-by-step integration analyses of structural systems, in time domain, for single and multi-degree-of-freedom structures. The main purpose was to compare the different strategies performances. Initially, the major processes formulations adopted in the numerical solution of dynamic equilibrium equations were shown for single-degree-of-freedom systems, focusing on the Newmark family of integration methods, discussing about its various aspects. Later, the problem of multi-degree-of-freedom systems was discussed, by describing the structural matrix formulations, considering viscous and proportional structural damping, and generalizing the numerical solution of dynamic equations. Then, it is described a computational program that apply the developed theory on plane frame structures analysis, which was built in the programing software Matlab. The adaptive strategies of time increment are then analyzed, having three major algorithms been chosen to be addressed in the implementation, among the various others available, because they are based on three different concepts. Finally, several numerical examples are presented, on which the performances of the different adaptive strategies are compared, and improvements and guidelines for application are suggested

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Atualmente, as novas tendências arquitetônicas e as exigências de mercado, vêm conduzindo a engenharia estrutural na busca por soluções cada vez mais arrojadas, as quais exigem grande experiência e conhecimento dos projetistas estruturais aliados a utilização de novos materiais e tecnologias. Esta filosofia de concepção estrutural está inserida em uma das mais importantes tendências de projeto dos últimos anos, ou seja: a busca por sistemas estruturais de rápida execução, dotados de peças de menor peso próprio e que possam vencer grandes vãos com um mínimo de elementos verticais, permitindo assim uma maior flexibilidade na adequação de ambientes. Por outro lado, esta filosofia de projeto tem conduzido a elementos estruturais cada vez mais esbeltos e com freqüências naturais cada vez mais baixas e, por conseguinte, mais próximas das faixas de freqüência das excitações dinâmicas associadas às atividades humanas, tais como: andar, correr, pular, etc. Devido as razões expostas no parágrafo anterior, os sistemas estruturais de engenharia tornaram-se bastante vulneráveis aos efeitos de vibrações induzidas por pequenos impactos como é o caso do caminhar de pessoas sobre pisos, resultando em desconforto para as pessoas. Deve-se destacar, ainda, que tais considerações de projeto têm atendido aos estados limites últimos. Todavia, os estados limites de utilização desses sistemas estruturais precisam ser analisados, sem sombra de dúvida, de maneira mais criteriosa. Deste modo, no sentido de contribuir para fornecer subsídios aos engenheiros estruturais, no que tange a análise dinâmica de estruturas submetidas a excitações induzidas pelos seres humanos, são desenvolvidos diversos modelos de carregamento representativos do caminhar das pessoas. A variação espacial e temporal da carga dinâmica é considerada ao longo da análise e, bem como, o efeito transiente do impacto do calcanhar humano nos pisos é levado em conta. Assim sendo, são considerados nesta dissertação diversos modelos estruturais associados a pisos mistos (aço-concreto). Técnicas usuais de discretização, com base no emprego do Método dos Elementos Finitos (MEF), via utilização do programa computacional Ansys, são consideradas neste estudo. Uma análise extensa acerca da resposta dinâmica dos pisos é feita, mediante o emprego dos modelos de carregamento desenvolvidos, principalmente, em termos dos valores das acelerações. Na seqüência, os resultados encontrados são comparados com aqueles fornecidos pela literatura técnica disponível sobre o assunto sob o ponto de vista associado ao conforto humano. Investiga-se, também, a influencia da variação de parâmetros estruturais sobre a resposta dinâmica dos modelos, tais como: comprimento vão, taxa de amortecimento, espessura das lajes e, ainda, rigidez das ligações viga coluna. Os resultados obtidos ao longo do estudo indicam, claramente, que os projetistas estruturais devem ser alertados para distorções importantes que ocorrem quando as normas de projeto são utilizadas sem o devido cuidado. Um outro importante diz respeito ao fato de que em diversos pisos analisados observa-se que os critérios de conforto humano não são satisfeitos, demonstrando a importância da consideração dos efeitos dinâmicos provenientes dos seres humanos na análise desse tipo de problema. / Nowadays, the new architectural tendency and the market requirements, are leading structural engineering in the search for bolder solutions, which demands great experience and knowledge of the structural designers associated to the use of new materials and technologies. This philosophy of structural conception is inserted in one of the most important trends of project of the last years that means: the search for structural systems of fast execution, endowed with parts of lower weight and that can be successfully large with a minimum of vertical elements, thus allowing a higher flexibility in the ambients adequacy. On the other hand, this project philosophy has lead to structural elements more and more slender and with natural frequencies much and much lower and, therefore, closer to the frequency of the dynamic excitation associated to the human beings activities, such as: walking, running, jumping, etc. Due to the reasons described in the previous paragraph, the structural engineering systems became sufficiently vulnerable to the effects of vibrations induced by small impacts as it is the case of walking of people on floors, resulting in discomfort to the people. It must be highlighted, also, that such project considerations have fulfilled the required limit states. However, the limit states of use for these structural systems need to be analysed, with no doubt, in a more sensible way. In this way, willing to contribute to supply subsidies to the structural engineers, in the dynamic analysis of structures subject to excitation induced by human beings, several loads models are developed to represent the act of walking. The space and time variation of the dynamic load is considered through the analysis and the transient effect of the impact of the human heel on the floor is taken into consideration, as well. In this way, It is considered in this dissertation, several structural models associated to composite floors (steel-concrete). In this study, it was considered the usual techniques of discretization, based on the Finite Element Method (FEM) using the computer program Ansys. An extensive analysis concerning the dynamic response of the floors is made, by means of the application of the developed load models, mainly, in terms of the values of the accelerations. The results obtained are compared to those supplied by the techinical literature available about the subject with the point of view associated to the human comfort. It is also investigated, the influence of the structural parameter variation on the dynamic response of the models, such as: span length, damping ratio, thickness of the slab and, also, rigidity of the beam columns. The results obtained along the study clearly indicate that the structural designers must be alerted to important distortions that may occur when the project rules are used without the necessary caution. Another important remark is regarded to the fact that in several analysed floors it is observed that the criteria of human comfort are not satisfied which demonstrate the importance of the consideration of the dynamic effect caused by human beings in the analysis of this type of problem.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Atualmente, as novas tendências arquitetônicas e as exigências de mercado, vêm conduzindo a engenharia estrutural na busca por soluções cada vez mais arrojadas, as quais exigem grande experiência e conhecimento dos projetistas estruturais aliados a utilização de novos materiais e tecnologias. Esta filosofia de concepção estrutural está inserida em uma das mais importantes tendências de projeto dos últimos anos, ou seja: a busca por sistemas estruturais de rápida execução, dotados de peças de menor peso próprio e que possam vencer grandes vãos com um mínimo de elementos verticais, permitindo assim uma maior flexibilidade na adequação de ambientes. Por outro lado, esta filosofia de projeto tem conduzido a elementos estruturais cada vez mais esbeltos e com freqüências naturais cada vez mais baixas e, por conseguinte, mais próximas das faixas de freqüência das excitações dinâmicas associadas às atividades humanas, tais como: andar, correr, pular, etc. Devido as razões expostas no parágrafo anterior, os sistemas estruturais de engenharia tornaram-se bastante vulneráveis aos efeitos de vibrações induzidas por pequenos impactos como é o caso do caminhar de pessoas sobre pisos, resultando em desconforto para as pessoas. Deve-se destacar, ainda, que tais considerações de projeto têm atendido aos estados limites últimos. Todavia, os estados limites de utilização desses sistemas estruturais precisam ser analisados, sem sombra de dúvida, de maneira mais criteriosa. Deste modo, no sentido de contribuir para fornecer subsídios aos engenheiros estruturais, no que tange a análise dinâmica de estruturas submetidas a excitações induzidas pelos seres humanos, são desenvolvidos diversos modelos de carregamento representativos do caminhar das pessoas. A variação espacial e temporal da carga dinâmica é considerada ao longo da análise e, bem como, o efeito transiente do impacto do calcanhar humano nos pisos é levado em conta. Assim sendo, são considerados nesta dissertação diversos modelos estruturais associados a pisos mistos (aço-concreto). Técnicas usuais de discretização, com base no emprego do Método dos Elementos Finitos (MEF), via utilização do programa computacional Ansys, são consideradas neste estudo. Uma análise extensa acerca da resposta dinâmica dos pisos é feita, mediante o emprego dos modelos de carregamento desenvolvidos, principalmente, em termos dos valores das acelerações. Na seqüência, os resultados encontrados são comparados com aqueles fornecidos pela literatura técnica disponível sobre o assunto sob o ponto de vista associado ao conforto humano. Investiga-se, também, a influencia da variação de parâmetros estruturais sobre a resposta dinâmica dos modelos, tais como: comprimento vão, taxa de amortecimento, espessura das lajes e, ainda, rigidez das ligações viga coluna. Os resultados obtidos ao longo do estudo indicam, claramente, que os projetistas estruturais devem ser alertados para distorções importantes que ocorrem quando as normas de projeto são utilizadas sem o devido cuidado. Um outro importante diz respeito ao fato de que em diversos pisos analisados observa-se que os critérios de conforto humano não são satisfeitos, demonstrando a importância da consideração dos efeitos dinâmicos provenientes dos seres humanos na análise desse tipo de problema. / Nowadays, the new architectural tendency and the market requirements, are leading structural engineering in the search for bolder solutions, which demands great experience and knowledge of the structural designers associated to the use of new materials and technologies. This philosophy of structural conception is inserted in one of the most important trends of project of the last years that means: the search for structural systems of fast execution, endowed with parts of lower weight and that can be successfully large with a minimum of vertical elements, thus allowing a higher flexibility in the ambients adequacy. On the other hand, this project philosophy has lead to structural elements more and more slender and with natural frequencies much and much lower and, therefore, closer to the frequency of the dynamic excitation associated to the human beings activities, such as: walking, running, jumping, etc. Due to the reasons described in the previous paragraph, the structural engineering systems became sufficiently vulnerable to the effects of vibrations induced by small impacts as it is the case of walking of people on floors, resulting in discomfort to the people. It must be highlighted, also, that such project considerations have fulfilled the required limit states. However, the limit states of use for these structural systems need to be analysed, with no doubt, in a more sensible way. In this way, willing to contribute to supply subsidies to the structural engineers, in the dynamic analysis of structures subject to excitation induced by human beings, several loads models are developed to represent the act of walking. The space and time variation of the dynamic load is considered through the analysis and the transient effect of the impact of the human heel on the floor is taken into consideration, as well. In this way, It is considered in this dissertation, several structural models associated to composite floors (steel-concrete). In this study, it was considered the usual techniques of discretization, based on the Finite Element Method (FEM) using the computer program Ansys. An extensive analysis concerning the dynamic response of the floors is made, by means of the application of the developed load models, mainly, in terms of the values of the accelerations. The results obtained are compared to those supplied by the techinical literature available about the subject with the point of view associated to the human comfort. It is also investigated, the influence of the structural parameter variation on the dynamic response of the models, such as: span length, damping ratio, thickness of the slab and, also, rigidity of the beam columns. The results obtained along the study clearly indicate that the structural designers must be alerted to important distortions that may occur when the project rules are used without the necessary caution. Another important remark is regarded to the fact that in several analysed floors it is observed that the criteria of human comfort are not satisfied which demonstrate the importance of the consideration of the dynamic effect caused by human beings in the analysis of this type of problem.