Reinforced concrete (RC) moment frame structures make up a notable proportion of buildings in earthquake-prone regions in the United States and throughout the world. The beam-column (BC) joints are the most crucial regions in a RC moment frame structure as any deterioration of strength and/or stiffness in these areas can lead to global collapse of the structure. Thus, accurate simulations of the joint behavior are important for assessment of the local and global performance of both one-way and two-way interior BC joints. Such simulations can be used to study the flexural-shear-bond interaction, the failure modes, and sensitivity of various parameters of structural elements. Most of the existing analytical approaches for interior BC joints have either failed to account for the cyclic bond-slip behavior and the triaxial compressive state of confined concrete in the joint correctly or require so many calibrations on parameters as to render them impractical. The core motivation for this study is the need to develop robust models to test current design recommendations for 3D beam-column-slab subassemblies subjected to large drifts. The present study aims to first evaluate the flexural-shear-bond interactive behavior of two-way beam-column-slab interior connections by both finite element and nonlinear truss methodologies. The local performance such as bond-slip and strain history of reinforcing steel are compared with the experimental results for the first time. The reliability of applied finite element approach is evaluated against a series of one-way interior BC joints and a two-way interior beam-column-slab joint. The accuracy and efficiency of the nonlinear truss methodology is also evaluated by the same series of joints. Results show good agreement for finite element method against both global and local response, including hysteretic curve, local bond-slip development and beam longitudinal bar stress/strain distributions. The nonlinear truss model is also capable in obtaining satisfactory global response, especially in capturing large shear cracks. A parametric study is exhibited for a prototype two-way interior beam-column-slab joint described in an example to ACI 352R-02, to quantify several non-consensus topics in the design of interior BC connections, such as the joint shear force subjected to bidirectional cyclic loading, the development of bond-slip behavior, and the failure modes of two-way interior joints with slab. Results from connections with different levels of joint shear force subjected to unidirectional loading show that meeting the requirements from ACI 352 is essential to maintain the force transfer mechanism and the integrity of the joint. The connections achieved satisfactory performance under unidirectional loading, while the bidirectional monotonic loading decreases the joint shear force calculated by ACI 352 by 10%~26% based on current results. Poorer performance is obtained for wider beams and connections fail by shear in the joint rather than bond-slip behavior when subjected to bidirectional cyclic loading. In general, the study indicates that the ACI352-02 design methodology generally results in satisfactory performance when applied to 2D joints (planar) under monotonic and cyclic loads. Less satisfactory performance was found for cases of 3D joints with slabs. / Doctor of Philosophy / Reinforced concrete (RC) moment frames are one of the most popular structure types because of their economical construction and adaptable spaces. Moment frames consist of grid-like assemblages of vertical columns and horizontal beams joined by cruciform connections commonly labelled as beam-column joints. Because of the regularity of the grid and the ability to have long column spacing, moment frames are easy to form and cast and result in wide open bays that can be adapted and readapted to many uses. In RC structures, steel bars embedded in the concrete are used to take tensile forces, as concrete is relatively weak when loaded in tension. Forces are transferred between the steel and concrete components by so-called “bond” forces at the perimeter of the bars. The proper modeling of the behavior of bond forces inside the beam-column joints of reinforced concrete moment frames is the primary objective of this dissertation. Reinforced concrete moment frames constitute a notable proportion of the existing buildings in earthquake-prone regions in the United States and throughout the world. The beam-column joints are the most crucial elements in a RC moment frame structure as any deterioration of strength and/or stiffness in these areas can lead to global collapse of the structure. Physical experimentation is the most reliable means of studying the performance of beam-column joints. However, experimental tests are expensive and time-consuming. This is why computational simulation must always be used as a supplemental tool. Accurate simulations of the behavior of beam-column joints is important for assessment of the local and global behavior of beam-column joints. However, most of the existing analytical approaches for interior beam-column joints have either failed to account for the bond-slip behavior and the triaxial compressive state of confined concrete in the joint correctly or require so many calibration parameters as to render them impractical. The present study aims to provide reliable numerical methods for evaluating the behavior of two-way beam-column-slab interior joints. Two methods are developed. The v first method is a complex finite element model in which the beam-column joint is subdivided into many small 3D parts with the geometrical and material characteristics of each part carefully defined. Since the number of parts may be in the hundreds of thousands and the geometry and material behavior highly non-linear, setting up the problem and its solution of this problem requires large effort on the part of the structural engineer and long computation times in supercomputers. Finite element models of this type are generally accurate and are used to calibrate simpler models. The second method developed herein is a nonlinear truss analogy model. In this case the structure is modelled as nonlinear truss elements, or elements carrying only axial forces. When properly calibrated, this method can produce excellent results especially in capturing large shear cracks. To evaluate the accuracy and to quantify the current seismic design procedure for beam-column joints, a prototype two-way interior beam-column-slab joint described in an example to ACI 352R-02, the current design guide used for these elements in the USA, is analytically studied by the finite element methodology. The study indicates that the ACI352-02 design methodology generally results in satisfactory performance when applied to one-way (planar) joints under monotonic and cyclic loads. Less satisfactory performance was found for cases of three-dimensional (3D) joints with slabs.

This study involved a comparative investigation of chloride-induced corrosion detection techniques on loaded reinforced concrete slabs which were exposed to deicing salts and wetting-drying cycles to simulate typical aggressive environments in cold climates. The studied techniques involved linear polarization technique, galvanostatic pulse technique, electrochemical impedance spectroscopy, half-cell potential and concrete electrical resistivity mapping. The results showed that concrete quality and moisture content have a direct effect on corrosion activity, and these properties are represented well with concrete electrical resistivity. The galvanostatic pulse technique was shown to correlate well with electrochemical impedance spectroscopy, which was used as a benchmark for corrosion rate measurements in this study; however, the galvanostatic pulse technique was not capable of detecting corrosion activity in saturated concrete accurately. The results of this research do not support the criteria provided by the ASTM C876-09 standard for using half-cell potentials to estimate the probability of reinforcing steel corrosion in reinforced concrete structures.

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O presente trabalho trata do estudo do comportamento de chumbadores grauteados inseridos em concreto com fibras de aço em ligações viga-pilar de estruturas de concreto pré-moldado. Este estudo é importante para se entender e poder quantificar a influência da rigidez deste componente no comportamento de ligações semirrígidas de estruturas de concreto pré-moldado. O objetivo do trabalho é estudar o mecanismo do chumbador no concreto com fibras de aço em ensaios específicos e avaliar também o comportamento de uma ligação viga-pilar de concreto pré-moldado utilizando estas fibras no consolo e no dente da viga. Nesta pesquisa foi realizado um programa experimental no Laboratório de Estruturas da EESC, uma análise numérica com o emprego do software DIANA® e uma comparação com formulações analíticas existentes para o cálculo da força última destes componentes. Foram ensaiados nove modelos experimentais para avaliar especificamente o mecanismo resistente do chumbador, variando-se os diâmetros das barras, sua inclinação e a porcentagem de fibras de aço no concreto. Além destes modelos, foi realizado ensaio de uma ligação viga-pilar de concreto pré-moldado para avaliar a rigidez da ligação com chumbador inserido em concreto com fibras de aço. Nos ensaios experimentais dos chumbadores observou-se que modelos com concreto com fibras de aço apresentam rigidez até 25% maior se comparado ao modelo com concreto convencional. Verificou-se que o graute utilizado para solidarizar os chumbadores exerce significativa influência na capacidade última do modelo, podendo diminuir em cerca de 30% a capacidade de carga. A ligação viga-pilar de concreto pré-moldado utilizando concreto com fibras de aço no consolo e no dente da viga se comportou de maneira satisfatória, não apresentando fissuração na interface dos diferentes concretos. Na comparação dos modelos ensaiados com as formulações teóricas extraídas de trabalhos de referência verificou-se que, para os modelos específicos de chumbador, a formulação existente é representativa. Para a ligação viga-pilar, alguns ajustes na formulação analítica se fizeram necessários para considerações de efeitos de grupo e de borda observados e decorrentes da utilização de dois chumbadores na ligação proposta neste trabalho. / This research deals with the study of the behavior of grouted dowels embedded in concrete with steel fibers. This study is important to understand and quantify the stiffness transmitted by this component in a semi-rigid connection of precast concrete structures. The objective is to study the mechanism of the dowel in the concrete with steel fibers and evaluate the mechanical behavior of a precast beam-column connection using this type of concrete on the corbels and in the dapped-end beam. In this research, an experimental program in the EESC Structures Laboratory was carried out, as well as a numerical analysis with the use of DIANA® software and a comparison with existing formulations to calculate these components. Nine models were experimentally tested to specifically evaluate the dowel resistant mechanism by varying the diameters of the bars, the declination and the percentage of steel fibers in concrete. Furthermore, an experimental test was performed in order to evaluate the behavior of the connector. The results indicate that for the dowels with concrete and steel fibers, the ultimate capacity of the connection occurs by failure of the connector (excessive deformation of the bars), while in conventional concrete this capability is associated with the rupture of the concrete and that the concrete with steel fibers decreases by 25% the deformability of the models. The grout has a significant impact on the ultimate capacity of the model, which may increase in less than 30%. In the analysis of the beam-column connection, it is possible to observe that the proposed connection exceeds by more than 20% the ultimate capacity compared to traditional beam-column connections. In comparing the theoretical models tested with the formulations shown by previous studies, it was found that for specific models dowels, the existing formulation is representative. For the beam-column connection, adjustment was performed in the previous formulation considerations group and edge effects that occur due to the use of two dowels on the tested connection.

Este trabalho é iniciado apresentando os conceitos teóricos necessários para o bom entendimento do tema tratado, incluindo corrosão de armaduras, passivação, despassivação, vida útil e também conceitos de análise de riscos e teoria da confiabilidade. No terceiro capítulo é feita a revisão bibliográfica das variáveis que influem na carbonatação do concreto, apresentando um panorama do conhecimento atual sobre o tema, tanto no Brasil como no exterior. No quarto capítulo são apresentados e discutidos os modelos de previsão da carbonatação sendo também feitas comparações entre os resultados obtidos pelos modelos principais. No capítulo cinco é apresentado o trabalho experimental que objetiva contribuir com o conhecimento sobre a variabilidade da carbonatação e dos cobrimentos por meio de um estudo de caso real. A estrutura estudada foi o subsolo de um edifício residencial na zona central da cidade de São Paulo, no qual foram feitas diversas medidas de profundidade de carbonatação, cobrimentos de armaduras, concentração de CO2 ambiente e umidade relativa do ar. Os resultados foram tratados por meio de análise de variância e os valores de profundidade de carbonatação foram comparados com os valores previstos empregando modelos de previsão. Foi realizado o cálculo teórico da probabilidade de despassivação que foi comparada com a incidência real de despassivação observada. Os coeficientes de variação encontrados também foram comparados com os resultados de outras pesquisas atuais. É apresentado o desenvolvimento de um programa computacional para previsão do período de iniciação por métodos deterministas e probabilistas. / This work starts presenting the theoretical concepts needed for a good understanding of it’s contents, including corrosion of steel in concrete, passivation, despassivation, service life and concepts of risk analysis and reliability theory. In chapter three it’s discussed the several variables that have influence in concrete carbonation, presenting a general view of the knowledge concerning the topic in Brasil and other countries. Chapter four presents and discuss the prediction models of carbonation and comparisons are made between the results of the main models. In chapter five it is presented the experimental work that intends to contribute with the knowledge about the carbonation and concrete covers variability by means of a case study. The studied structure was the parking garage of a 30 years residential building, located in the central zone of São Paulo city in Brasil, in witch were made a several number of measurements of carbonation depth, concrete cover, CO2 concentration and air relative humidity. The collected data was analyzed using variance analysis and the values of carbonation depth were compared with that estimated using prediction models. The theoretical calculation of the despassivation probability was compared with the real despassivation incidence. The variation coefficients obtained were almost compared with the results of other recent investigations. It is still presented the development of a computer program for predicting the initiation period using deterministic and probabilistic methods.

No presente trabalho foram estudadas duas ligações viga-pilar de estruturas de concreto pré-moldado com ênfase na deformabilidade ao momento fletor. A primeira é muito utilizada em galpões com sistema estrutural de pórticos para telhado com duas águas. A segunda é utilizada em estruturas de edifícios com múltiplos pavimentos. Foram realizados ensaios físicos em dois modelos de cada tipo de ligação. Com base nos resultados experimentais, foram propostos modelos analíticos, baseados no Método dos Componentes, e realizadas simulações numéricas, baseadas no Método dos Elementos Finitos, através dos quais determinou-se a curva momento-rotação das ligações em estudo. As curvas momento rotação teóricas, para as duas ligações estudadas, ficaram bastante próximas das experimentais. De acordo com os resultados, pode-se dizer que a primeira ligação teve um comportamento próximo ao de uma ligação perfeitamente rígida. Isso porque, para uma estrutura típica, ela transmitiu mais de 90% do momento equivalente ao de uma estrutura monolítica. A segunda ligação também garantiu uma boa transferência de momento fletor. Observou-se que, ao considerar a semi-rigidez dessa ligação na análise estrutural, há uma redução significativa no momento na base dos pilares mais solicitados, o que permite uma redução na armadura dos pilares e nas dimensões da fundação / The present research deals with the study of two types of precast beam-to-column connections with emphasis on the deformability analysis. The first one is extensively used in precast concrete portal frames with sloping beams. The second one is used in multi-storey framed structures. Experimental tests on two models of each type of beam-to-column connections were done. Based on the experimental results, analytical models, based on the Component Method, were proposed and numerical simulations, based on the Finite Element Method, were developed, which provide the moment-rotation curves of the studied connections. The theoretical moment-rotation curves, for both studied connections, are in good agreement with the experimental ones. According to the results, the first connection had almost the same behaviour of a rigid one. It transmitted about 90% of the bending moment of an equivalent monolithic structure. The second connection also transmitted a good portion of bending moment. It was observed that when its semi-rigidity is considered on the structural analysis there was a significant reduction on the column base bending moment and on the foundation dimensions

No presente trabalho, utiliza-se concreto com fibras de aço, traspasse de armaduras e chaves de cisalhamento para desenvolver uma ligação viga-pilar capaz de resistir a ações cíclicas e dinâmicas e que possa ser empregada na pré-moldagem de estruturas de casas de força de usinas hidrelétricas. Para atingir este objetivo, inicialmente foram realizados ensaios de caracterização dos materiais, cujos resultados mostraram aumentos de 34% na resistência à tração na flexão, 16% na resistência à compressão e 33% na tenacidade, comprovando os efeitos benéficos das fibras de aço nas propriedades mecânicas do concreto. Em seguida, foram realizados ensaios de tração em tirantes, cujos resultados sugeriram que um comprimento de 15Ø é suficiente para que a emenda desenvolva as tensões de aderência de modo adequado; e ensaios de cisalhamento, cujos resultados mostraram que a ligação viga-pilar resiste a tensões de cisalhamento direto de até 0,77 MPa. Na sequencia, foram realizados ensaios cíclicos em dois modelos cruciformes para caracterização da ligação (um monolítico e outro de concreto pré-moldado, o qual empregava concreto com 1% de fibras na região da ligação), sendo o carregamento aplicado em cinco níveis de força, cada um com dez ciclos de carregamento e descarregamento. Os resultados desses ensaios mostraram que a ligação do modelo em concreto pré-moldado apresentou 85% da resistência do modelo monolítico e ruptura governada por flexão. Por fim, os ensaios dinâmicos foram realizados nos modelos cruciformes em três diferentes situações (íntegros, fraturados e após ruptura da ligação) para estimar o coeficiente de amortecimento, o qual sofreu uma redução de 31% após o ensaio cíclico. Simulações computacionais foram realizadas para complementar a investigação realizada neste trabalho. Elas mostraram representação aceitável da rigidez, mas não da resistência do modelo. / In the present work, steel fiber reinforced concrete, splicing bars and shear keys are used in order to develop a beam-column connection able to support cyclic and dynamic loadings and which can be used in precasting power houses structures of power plants. To achieve this goal, tests were carried out to characterize the materials, which showed increases of 34% in flexural tensile strength, 16% in compressive strength and 33% in toughness factor, confirming the beneficial effects of steel fibers in mechanical properties of the concrete. Then, tensile tests were carried out on rods, whose results suggested that a length of 15Ø can assure appropriate development of bond stresses through the splice; and shear tests, whose results showed that the beam-column connection resists to shear stresses of up to 0,77 MPa on shear key. After, cyclic tests were performed in two cruciform models in order to characterize the beam-column connection (one monolithic and the other precast concrete, which employed 1% steel fiber reinforced concrete in connection region, being the loading applied in five loading levels, each one in 10 cycles of loading and unloading. Results of these tests showed that precast beam-column connection presented 85% of the strength presented by the monolithic model and bending failure. Finally, dynamic tests were performed in cruciform models in three different situations (uncracked, cracked and after failure) for estimating the damping ratio, which was reduced by 31% after cycles. Computer simulations were performed to complement the research developed in this work. They showed acceptable representation of stiffness, but the strength of the model.

Esta pesquisa apresenta um estudo de uma argamassa modificada para uso como elemento de ligação entre elementos de concreto pré-moldado. A argamassa utilizada nesta pesquisa é obtida pela introdução de látex estireno-butadieno (SB) e fibras de polipropileno a uma argamassa de cimento e areia. Estas adições modificam suas propriedades mecânicas, proporcionando o aumento da deformabilidade por diminuição do módulo de elasticidade do compósito, conferindo-lhe características favoráveis ao uso como elemento de apoio para elementos pré-moldados de concreto. Foram realizados ensaios de caracterização do compósito por meio da obtenção das resistências à compressão e à tração e, do módulo de elasticidade para corpos-de-prova cilíndricos com 50 mm de diâmetro com 100 mm de altura. Ensaios de capacidade de deformação, capacidade de rotação e capacidade de acomodação de imperfeições e distribuição das tensões foram realizados em almofadas de 150 mm x 150 mm com espessura de 10 mm. Os resultados mostraram que o material possui boa capacidade de se deformar em níveis de tensão da ordem de 10 a 20 MPa mantendo sua resiliência. Valores de rotações entre 0,01 e 0,02 rad foram obtidos nos ensaios, sendo estas maiores que os valores necessários para a maioria dos casos convencionais de projeto. Na acomodação e distribuição das tensões, a presença das almofadas promoveu uma melhora de 25% no desempenho de ligações submetidas à compressão uniforme, com rugosidades de 1,0 mm. / This research presents a study of a mortar modified to use as bearing pad between precast concrete elements. The mortar used in this research is achieved by the introduction of styrene-butadiene latex (SB) and polypropylene fibers into a cement mortar and sand, modifying their mechanical properties, as increase of the potential deformation by decrease of the composite modulus of elasticity, providing favorable characteristics to the use as bearing pad for precast concrete elements. Cylindrical samples of 50 mm of diameter with height of 100 mm were molded and tested to determination the compressive and the tensile strength and also the modulus of elasticity of the composite. Compression tests with cushions of 150 mm x 150 mm of base with thickness of 10 mm were done to determinate the deformation capacity, rotation capacity and capacity of accommodation of imperfections and distribution of the stresses between precast elements. The results showed that the material has a capacity to deform in levels of tension from 10 to 20 MPa maintaining his resilience. Values of rotations among 0,01 and 0,02 rad were obtained, being these larger ones than the necessary values for most of the conventional cases of project. In the accommodation and distribution of the stresses, the presence of the bearing pad promoted an improvement of 25% in the strength of connections subject to uniform compressive stresses, with surface irregularities of 1,0 mm.

Os sistemas pré-fabricados vêm conquistando espaço em todo o Brasil. Dentre eles, os pórticos planos de elementos pré-fabricados de concreto com sistema estrutural para telhado de duas águas, comumente denominados de galpões, tem sido amplamente aplicados. Os galpões, como a matona das estruturas pré-moldadas de concreto, apresentam suas ligações, em maior ou menor grau, deformáveis. Portanto, este trabalho refere-se ao estudo da deformabilidade de uma de suas ligações: a ligação viga-pilar executada através de consolo e chumbador, e da sua influência na distribuição dos esforços solicitantes destas estruturas. Neste sentido, foram realizadas simulações numéricas, com o emprego do Método dos Elementos Finitos e ensaios físicos. Através do ensaio físico realizado no modelo da ligação viga-pilar foi possível determinar sua deformabilidade à flexão e observar seu modo de ruptura. As simulações numéricas foram realizadas tanto para obter teoricamente o valor da deformabilidade à flexão da ligação em análise, como para avaliar sua influência no comportamento estrutural dos galpões pré-moldados. Com base nos resultados obtidos, foram elaboradas algumas recomendações de projeto para os galpões pré-moldados. / The use of precast concrete structures has increased in Brazil. Among them, the precast concrete portal frames with sloping beams have been extensively used in storehouses and commercial and industrial buildings. This type of portal frame, as the most precast concrete structures, has semirigid connections. So, this work deals with the study of the semi-rigid behavior of one beam-column connection type frequently used in these structures. In this kind of connection the beam rests on a corbel which has two projecting bolts connecting it. The aim of this thesis is also to determine the influence of the flexibility connection on the structure behavior. Numerical modeling applying the Finite Element Method and experimental tests were done to analyse these aspects. The test results of a beam-column model allowed the construction of the moment-rotation diagram and the failure mode observation. The numerical modeling was done to get the value of the connection flexibility and to study its influence on the precast concrete portal frame behavior. Based on the results some design recommendations were established.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de sistemas computacionais de apoio à aquisição, visualização e tratamento de dados provenientes de monitoração de estruturas de Engenharia Civil. Por meio dos sistemas construídos, torna-se possível adquirir, visualizar e filtrar informações com facilidade, ao mesmo tempo em que se permite avaliar a influência da temperatura, da retração e da fluência nos elementos estruturais monitorados. Buscando desenvolver as ferramentas computacionais em uma perspectiva alinhada com necessidades reais do setor, foram monitoradas duas pontes rodoviárias e uma estação metroviária, sendo utilizada instrumentação avançada baseada em sensores e equipamentos ópticos e elétricos, permitindo a medição de grandezas como deformação, temperatura, deslocamento e rotações. A experiência adquirida em campo encontra-se descrita, apresentando-se a estrutura e componentes dos modernos sistemas de monitoração e os principais resultados decorrentes da sua aplicação nas obras monitoradas. Nesse contexto, os sistemas computacionais construídos demonstraram ser úteis ferramentas, auxiliando nas diversas fases da monitoração estrutural, desde a aquisição até a interpretação dos resultados. / This work presents the development of computational systems to support acquisition, visualization, and treatment of data from health monitoring systems of civil structures. With these systems, it is possible to acquire, to visualize, and to filter monitored data. It is also possible to evaluate the influence of temperature, shrinkage and creep in structural elements. The goal is the development of tools to fulfill real needs. For that, two bridges and a subway station were monitored using advanced instrumentation based on optical and electrical sensors. The acquired experience in field is described, presenting the structure and the various components of modern structural health monitoring systems, as well as the main results of application in the monitored structures. In that context, the built computational systems demonstrated to be very useful, aiding in the several phases of the structural monitoring from the acquisition to the interpretation of the results.