This paper describes the 3-dimensional finite element modelling of composite connection with steel beams and precast hollow core slab. A finite element model to simulate the structural behaviour of the composite beam was described and was used to study the behaviour of a wide range of composite connections to gain a better understanding of the structural behaviour especially the moment¿rotation characteristic of the connections. Parametric studies were carried out to investigate the structural behaviour with variations in: size of the beam, thickness of the endplate, thickness of column web, depth of precast hollow cored slab and stud spacing. Through the parametric study, the structural behaviour of the composite connection has been discussed in detail, and recommendations for the design purpose has been made.

Este trabalho tem como objetivo analisar a influência da laje de concreto armado em uma ligação viga-pilar misto mediante um estudo experimental e uma modelagem numérica. A ligação considerada é constituída por uma viga de aço unida a um pilar misto preenchido através de barras rosqueadas que trabalham como parafusos passantes. Esse tipo de ligação já foi investigado em trabalhos anteriores, mediante análise experimental em modelos que não incluíam a laje, resultando em uma indesejável ruptura dos parafusos. A análise da ligação completa, com a presença da laje de concreto tornando a ligação uma ligação mista, além de ser mais realista, melhora as características de resistência e rigidez do modelo, além de tornar mais dúctil o seu comportamento. Para isso foram analisados três modelos experimentais que se diferenciam pela ausência ou tipo de conector de cisalhamento presente na região interna do pilar misto. Os resultados obtidos mostraram que a ruptura da ligação passou a ser determinada pela laje, associada ao escoamento da armadura longitudinal sem que a ligação viga-pilar fosse comprometida. Para a análise numérica foi utilizado o pacote computacional DIANA®, baseado no método dos elementos finitos. Os modelos numéricos foram desenvolvidos e calibrados pelos resultados experimentais, produzindo resultados bastante satisfatórios. Finalmente foi realizada uma análise numérica paramétrica variando a armadura longitudinal da laje e a resistência do concreto com o objetivo de se entender melhor a influência desses parâmetros no comportamento da ligação investigada. / The main objective of this work was to analyze the contribution of the concrete slab for the behavior of a steel beam-concrete filled composite column connection through an experimental program and also a numerical modeling. The considered connection was constituted of steel beams connected to a concrete filled tubular column of rectangular cross section by means of passing bars. This type of connection was studied before through an experimental analysis of connections that did not include the slab, resulting in failure of the passing bars. In the present study, the presence of the slab is considered, turning the connection a composite one. The studied model is more representative of the real structure, and also improves the resistance and the stiffness of the connection, turning the behavior more ductile. Three specimens were tested, where the studied variable was the type of shear connector, angles or stud-bolts, and one specimen without connectors as a reference. The obtained results showed that the failure was determined by the slab, associated to the yielding of the longitudinal reinforcement, without affecting the beam column connection. The finite element based software DIANA® was used to the numerical analysis. The numerical models were developed and calibrated by the experimental results, producing a good agreement. Finally, a parametric analysis was done, varying the slab longitudinal reinforcement and the concrete strength in order to better understand the influence of these parameters in the behavior of the studied connection.

Uma ligação em estruturas de aço é denominada mista quando considera-se a contribuição da laje no seu comportamento. Assim, além do detalhe da ligação em aço, outros parâmetros interferem no comportamento da ligação mista, como a taxa de armadura e o nível de interação entre a laje e a viga de aço. Os métodos de cálculo de ligações mistas derivam do Método dos Componentes proposto pelo Eurocode 3 para cálculo de ligações em aço. Apresenta-se uma adaptação de um destes métodos para cálculo de ligações mistas que representam a realidade brasileira em termos de perfis e detalhes de ligação. Foi elaborado um programa experimental de caráter exploratório envolvendo ligações mistas com chapa de topo estendida. Foram ensaiados modelos simulando pilares internos e pilares de canto. Um modelo numérico foi desenvolvido utilizando o programa Ansys, que permite a análise destas ligações de maneira simples e satisfatória. Os resultados experimentais foram confrontados com os resultados da análise numérica e com os valores obtidos a partir do modelo analítico. / A composite joint is a joint between a composite beam and a steel or composite column in which reinforced concrete slab is take into account. The moment-rotation relationship of composite joints depends on a significant number of parameters besides the type and configuration of the steel connection, as for example: the amount of steel reinforcement of the slab and the degree of interaction between the slab and the steel beam section. Based on the Eurocode 3 method for bare steel connection (Components Method), some methods have been developed for prediction the moment capacities of composite connections. I this work, an adaptation of one of these methods has been developed in which steel sections and connections details common in Brazil are considered. A short experimental program was planed in order to understand the composite behaviour of extended end-plate composite beam-column connection. The test specimens were configured as cruciform type and cantilever type. Finally, a Finite Element model was built in Ansys software. The numerical modeling was found to have good approach with experimental results. Some analyses are done involving experimental, numerical and analytical results.

Uma ligação em estruturas de aço é denominada mista quando considera-se a contribuição da laje no seu comportamento. Assim, além do detalhe da ligação em aço, outros parâmetros interferem no comportamento da ligação mista, como a taxa de armadura e o nível de interação entre a laje e a viga de aço. Os métodos de cálculo de ligações mistas derivam do Método dos Componentes proposto pelo Eurocode 3 para cálculo de ligações em aço. Apresenta-se uma adaptação de um destes métodos para cálculo de ligações mistas que representam a realidade brasileira em termos de perfis e detalhes de ligação. Foi elaborado um programa experimental de caráter exploratório envolvendo ligações mistas com chapa de topo estendida. Foram ensaiados modelos simulando pilares internos e pilares de canto. Um modelo numérico foi desenvolvido utilizando o programa Ansys, que permite a análise destas ligações de maneira simples e satisfatória. Os resultados experimentais foram confrontados com os resultados da análise numérica e com os valores obtidos a partir do modelo analítico. / A composite joint is a joint between a composite beam and a steel or composite column in which reinforced concrete slab is take into account. The moment-rotation relationship of composite joints depends on a significant number of parameters besides the type and configuration of the steel connection, as for example: the amount of steel reinforcement of the slab and the degree of interaction between the slab and the steel beam section. Based on the Eurocode 3 method for bare steel connection (Components Method), some methods have been developed for prediction the moment capacities of composite connections. I this work, an adaptation of one of these methods has been developed in which steel sections and connections details common in Brazil are considered. A short experimental program was planed in order to understand the composite behaviour of extended end-plate composite beam-column connection. The test specimens were configured as cruciform type and cantilever type. Finally, a Finite Element model was built in Ansys software. The numerical modeling was found to have good approach with experimental results. Some analyses are done involving experimental, numerical and analytical results.

Este trabalho tem como objetivo analisar a influência da laje de concreto armado em uma ligação viga-pilar misto mediante um estudo experimental e uma modelagem numérica. A ligação considerada é constituída por uma viga de aço unida a um pilar misto preenchido através de barras rosqueadas que trabalham como parafusos passantes. Esse tipo de ligação já foi investigado em trabalhos anteriores, mediante análise experimental em modelos que não incluíam a laje, resultando em uma indesejável ruptura dos parafusos. A análise da ligação completa, com a presença da laje de concreto tornando a ligação uma ligação mista, além de ser mais realista, melhora as características de resistência e rigidez do modelo, além de tornar mais dúctil o seu comportamento. Para isso foram analisados três modelos experimentais que se diferenciam pela ausência ou tipo de conector de cisalhamento presente na região interna do pilar misto. Os resultados obtidos mostraram que a ruptura da ligação passou a ser determinada pela laje, associada ao escoamento da armadura longitudinal sem que a ligação viga-pilar fosse comprometida. Para a análise numérica foi utilizado o pacote computacional DIANA®, baseado no método dos elementos finitos. Os modelos numéricos foram desenvolvidos e calibrados pelos resultados experimentais, produzindo resultados bastante satisfatórios. Finalmente foi realizada uma análise numérica paramétrica variando a armadura longitudinal da laje e a resistência do concreto com o objetivo de se entender melhor a influência desses parâmetros no comportamento da ligação investigada. / The main objective of this work was to analyze the contribution of the concrete slab for the behavior of a steel beam-concrete filled composite column connection through an experimental program and also a numerical modeling. The considered connection was constituted of steel beams connected to a concrete filled tubular column of rectangular cross section by means of passing bars. This type of connection was studied before through an experimental analysis of connections that did not include the slab, resulting in failure of the passing bars. In the present study, the presence of the slab is considered, turning the connection a composite one. The studied model is more representative of the real structure, and also improves the resistance and the stiffness of the connection, turning the behavior more ductile. Three specimens were tested, where the studied variable was the type of shear connector, angles or stud-bolts, and one specimen without connectors as a reference. The obtained results showed that the failure was determined by the slab, associated to the yielding of the longitudinal reinforcement, without affecting the beam column connection. The finite element based software DIANA® was used to the numerical analysis. The numerical models were developed and calibrated by the experimental results, producing a good agreement. Finally, a parametric analysis was done, varying the slab longitudinal reinforcement and the concrete strength in order to better understand the influence of these parameters in the behavior of the studied connection.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:09:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5921.pdf: 11584429 bytes, checksum: 4d7bb957789e3b6f82534465e38a31d4 (MD5) Previous issue date: 2014-04-14 / Among all of the existing structural systems, the steel-concrete composite elements outstands because it takes advantage of the properties of both materials in the same element. Unlike the system in reinforced concrete cast in situ, the steel-concrete composite system is not monolithic, and therefore the global behavior of the structure is mainly linked to the behavior of the connections. Currently, the beam-column connections have been the subject of theoretical and experimental studies to better understand their structural behavior. This concern has become even bigger with the introduction of requirements on steel-concrete composite connections in the Brazilian standard ABNT NBR 8800:2008. In order to contribute to this subject, in this work is studied by numerical modeling, a detail of a composite beam-column connection with shear plate using numerical models. The numerical analysis performed in the computer package ANSYS® was divided in two phases: validation of the numerical model from experimental results and subsequent parametric analysis. Despite of the simplifications adopted in the numerical simulation, the results were satisfactory and representative of the experimental behavior, especially for Force vs. Displacement at the end of the beam. Once validated the numerical model, a parametric study was conducted in order to evaluate the influence of some parameters on the bearing capacity of connections, such as the concrete slab reinforcement ratio, the slab thickness and the steel beam depth. The results of the parametric analysis showed that the variation of the slab thickness was the parameter with more influence on the bearing capacity of the composite connection with shear plate. / Dentre os sistemas estruturais existentes destaca-se aquele formado por elementos mistos de aço e concreto. Este sistema utiliza as vantagens dos materiais estruturais mais utilizados na construção civil, o aço e o concreto, agrupando-os em um único elemento estrutural. Diferentemente do sistema em concreto armado moldado in loco, o sistema misto de aço e concreto não é monolítico e, portanto, o comportamento global da estrutura está principalmente atrelado ao comportamento das ligações. Atualmente as ligações viga-pilar têm sido alvo de estudos teórico-experimentais visando melhor compreender seu comportamento estrutural. No Brasil esta preocupação tornou-se ainda maior com a introdução de prescrições sobre ligações mistas de aço e concreto na norma brasileira ABNT NBR 8800:2008. Visando contribuir neste sentido, no presente trabalho é estudado, via modelagem numérica, um detalhe de ligação mista viga-pilar com chapa passante. A análise numérica realizada no pacote computacional ANSYS® foi dividida em duas etapas: validação do modelo numérico a partir de resultados experimentais com posterior análises paramétricas. Apesar das simplificações adotadas na simulação numérica, os resultados foram considerados satisfatórios e representativos do comportamento experimental, sobretudo da curva Força vs. Deslocamento na extremidade da viga. Uma vez validado o modelo numérico, o estudo paramétrico foi realizado com vistas a avaliar a influência de alguns parâmetros na capacidade resistente da ligação. Os parâmetros avaliados foram: taxa de armadura da laje de concreto, altura da laje e altura do perfil de aço da viga mista. Os resultados da análise paramétrica mostraram que a variação da altura da laje foi o parâmetro que mais influenciou na capacidade resistente da ligação mista com chapa passante.