Tese de Mestrado Integrado. Engenharia Civil (Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2013

Dentro da prática de verificação e projeto de estruturas metálicas, o cálculo de instabilidade exerce papel importante, já que o aço, por sua elevada resistência, incentiva o uso de colunas significativamente esbeltas. É comum na verificação da instabilidade de pórticos metálicos de andares múltiplos a utilização do conhecido fator K, que define, para a coluna, um comprimento efetivo. Tal fator é usualmente obtido em ábacos construídos a partir de duas hipóteses distintas para o mecanismo de instabilidade: a de flambagem por deslocamento lateral do andar e a de flambagem com esse deslocamento impedido. Essa divisão, e os modelos usualmente utilizados para tratá-la, se mostram incompletos para o caso de pórticos que se distanciem das hipóteses simplificadoras adotadas, e podem induzir a confusões e mal-entendido no uso do fator K. Neste trabalho, serão mostrados modelos alternativos para a determinação desse fator, buscando-se maior generalidade, assim como tentativas de esclarecer algumas possíveis ambiguidades no seu uso; além disso, esses modelos serão aplicados a alguns exemplos particulares. Como complemento ao trabalho, foi criado um programa de computador para determinar deslocamentos e esforços em segunda ordem para esse tipo de edificação, assim como ábacos alternativos. Os resultados obtidos nos exemplos serão contrastados com os fornecidos pelo programa e pelos ábacos. / In the practice of analysis and design of steel structures, instability calculations is a very important feature, since steel, for its high strength, motivates the use of significantly slender columns. It is usual in the analysis of multi-storey steel plane frames, the use of the K factor, that defines, for a column, an effective length. Such factor is usually obtained from nomograms, based on two different hypothesis for the instability mode: one with a side-way mode and the other with no lateral displacements. That division, and the models usually used to deal with, are incomplete to treat frames for which behaviour go away from the adopted hypothesis and simplifications, and they can induce to confusions and misunderstanding in the use of the K factor. In this work, alternative models will be shown for the determination of the K factor, looking for a larger generality, as well as attempting to clear ambiguities in its use; a series of examples will be then presented as applications of the models. As a complement, a computer program was created to determine first and second order nodal displacements and member forces, as well alternative nomograms; the results obtained from the models will be contrasted with those obtained from the program and the nomograms.

Neste trabalho são estudados os parâmetros de verificação do estado limite de deformações excessivas (a relação flecha-altura-a/H) e da estabilidade global (o parâmetro &#945 e o coeficiente &#947z) das estruturas de edifícios. Através da utilização de exemplos de estruturas de trinta (30) edifícios usuais de concreto armado, estabelece-se uma relação entre esses parâmetros, objetivando propiciar ao projetista de estruturas condições de avaliar a eficiência e o grau de confiabilidade de cada um deles. São também discutidos e comparados alguns dos procedimentos usuais para realizar uma análise global de segunda ordem das estruturas. Nesta análise deve-se levar em conta tanto a não-linearidade física (NLF) quanto a geométrica (NLG) e, para tanto, são adotados métodos rigorosos e aproximados. Quer-se com isso, principalmente, analisar o processo simplificado como suficiente para se obter os esforços finais de segunda ordem, uma vez que se pretende incluir tal procedimento na norma brasileira NB-1, atualmente em fase de revisão. / In this work, a servicebility pararneter (displacement-height ratio - a/H) is studied, as well as the global stability parameters of building structures (&#945 and &#947z stability coefficients). By analyzing thirty (30) actual reinforced concrete building structures, a relationship among these parameters (&#945, &#947z and a/H) is achieved aiming to demonstrate to the building structure designers their level of efficiency and reliability for practical purposes. Some standard procedures for global second order structure analysis are also discussed with comparison among them. In this analysis, the material and the geometric non-linearities have to be considered and for that one can adopt approximated and accureted methods. Mainly, the interest is to verify the possibility of using the simplified method as a proper tool to compute the final second order efforts of buildings, once this procedure could be included into the Brazilian Code, NB-1, which is being revised.

Neste trabalho são estudados os parâmetros de verificação do estado limite de deformações excessivas (a relação flecha-altura-a/H) e da estabilidade global (o parâmetro &#945 e o coeficiente &#947z) das estruturas de edifícios. Através da utilização de exemplos de estruturas de trinta (30) edifícios usuais de concreto armado, estabelece-se uma relação entre esses parâmetros, objetivando propiciar ao projetista de estruturas condições de avaliar a eficiência e o grau de confiabilidade de cada um deles. São também discutidos e comparados alguns dos procedimentos usuais para realizar uma análise global de segunda ordem das estruturas. Nesta análise deve-se levar em conta tanto a não-linearidade física (NLF) quanto a geométrica (NLG) e, para tanto, são adotados métodos rigorosos e aproximados. Quer-se com isso, principalmente, analisar o processo simplificado como suficiente para se obter os esforços finais de segunda ordem, uma vez que se pretende incluir tal procedimento na norma brasileira NB-1, atualmente em fase de revisão. / In this work, a servicebility pararneter (displacement-height ratio - a/H) is studied, as well as the global stability parameters of building structures (&#945 and &#947z stability coefficients). By analyzing thirty (30) actual reinforced concrete building structures, a relationship among these parameters (&#945, &#947z and a/H) is achieved aiming to demonstrate to the building structure designers their level of efficiency and reliability for practical purposes. Some standard procedures for global second order structure analysis are also discussed with comparison among them. In this analysis, the material and the geometric non-linearities have to be considered and for that one can adopt approximated and accureted methods. Mainly, the interest is to verify the possibility of using the simplified method as a proper tool to compute the final second order efforts of buildings, once this procedure could be included into the Brazilian Code, NB-1, which is being revised.

Dentro da prática de verificação e projeto de estruturas metálicas, o cálculo de instabilidade exerce papel importante, já que o aço, por sua elevada resistência, incentiva o uso de colunas significativamente esbeltas. É comum na verificação da instabilidade de pórticos metálicos de andares múltiplos a utilização do conhecido fator K, que define, para a coluna, um comprimento efetivo. Tal fator é usualmente obtido em ábacos construídos a partir de duas hipóteses distintas para o mecanismo de instabilidade: a de flambagem por deslocamento lateral do andar e a de flambagem com esse deslocamento impedido. Essa divisão, e os modelos usualmente utilizados para tratá-la, se mostram incompletos para o caso de pórticos que se distanciem das hipóteses simplificadoras adotadas, e podem induzir a confusões e mal-entendido no uso do fator K. Neste trabalho, serão mostrados modelos alternativos para a determinação desse fator, buscando-se maior generalidade, assim como tentativas de esclarecer algumas possíveis ambiguidades no seu uso; além disso, esses modelos serão aplicados a alguns exemplos particulares. Como complemento ao trabalho, foi criado um programa de computador para determinar deslocamentos e esforços em segunda ordem para esse tipo de edificação, assim como ábacos alternativos. Os resultados obtidos nos exemplos serão contrastados com os fornecidos pelo programa e pelos ábacos. / In the practice of analysis and design of steel structures, instability calculations is a very important feature, since steel, for its high strength, motivates the use of significantly slender columns. It is usual in the analysis of multi-storey steel plane frames, the use of the K factor, that defines, for a column, an effective length. Such factor is usually obtained from nomograms, based on two different hypothesis for the instability mode: one with a side-way mode and the other with no lateral displacements. That division, and the models usually used to deal with, are incomplete to treat frames for which behaviour go away from the adopted hypothesis and simplifications, and they can induce to confusions and misunderstanding in the use of the K factor. In this work, alternative models will be shown for the determination of the K factor, looking for a larger generality, as well as attempting to clear ambiguities in its use; a series of examples will be then presented as applications of the models. As a complement, a computer program was created to determine first and second order nodal displacements and member forces, as well alternative nomograms; the results obtained from the models will be contrasted with those obtained from the program and the nomograms.

[pt] Os galpões industriais constituem um dos segmentos da construção em aço mais comuns no mercado brasileiro. As características na construção são rapidez de execução, menor volume de material e a esbeltez dos elementos. Nesta dissertação avalia-se o desempenho e a necessidade da consideração das imperfeições iniciais e dos efeitos de segunda ordem nas estruturas treliçadas usuais nos galpões. Através da modelagem de um conjunto de pórticos treliçados realiza-se um estudo paramétrico das diferentes tipologias e busca-se oferecer uma solução prática de pré-dimensionamento. Realiza-se a comparação entre as metodologias de análises de segunda ordem: o método simplificado MAES da ABNT NBR 8800:2008 e a análise avançada efetuada no programa Autodesk Robot Structural Analysis Professional. Os resultados obtidos mostraram a consistência entre as metodologias de análises de segunda ordem. A partir estudo comparativo entre a análise de primeira ordem e a análise de segunda ordem conclui-se sobre a pequena influência dos efeitos de segunda ordem neste tipo de sistemas treliçados. Comprova-se a pouca sensibilidade à incorporação das imperfeições geométricas iniciais. Obtêm-se os gráficos de consumo aproximado de aço e de deslocamentos máximos. Para as diferentes soluções estruturais observa-se a incidência das tipologias das treliças no desempenho estrutural em relação aos deslocamentos máximos. Apresenta-se um procedimento simplificado de pré-dimensionamento mediante tabelas e ábacos produzidos para as diversas treliças. / [en] The industrials buildings are one of the segments of construction in most common steel in Brazil. The features in construction are rapidity of execution, a smaller volume of material and slenderness of de elements. In this dissertation evaluates the performance and the need consideration of initial imperfections and second order effects in the usual trusses structures in the sheds. Through modeling a set of trusses frames is carried out a parametric study of various types and seeks to provide a practical solution of pre-design. It carried out a comparison between the methodologies of second-order analysis: The simplified method MAES of the ABNT NBR 8800:2008 and the advanced analysis made in Autodesk Robot Structural Analysis Professional program. The result showed consistency between the methodologies of and order analysis. From a comparative study of the analysis of 1st order and 2nd order analysis is concluded on the small influence of 2nd order effects in this type of trusses systems. Proves to little sensitivity to the incorporation of initial geometric imperfections. They obtain the graphs of estimated consumption of steel and maximum displacements. For different structural solutions observes the incidence of types of trusses in the structural performance of maximum displacement. It presents a simplified procedure for preliminary design through tables and abacuses produced for different trusses.

Neste trabalho, são estudas as verificações da punção global segundo a revisão da NBR 6118. A partir da análise dos fenômenos físicos e com base nos estudos teóricos realizados, são feitas sugestões para serem contornadas algumas omissões da Norma. Também são propostas complementação que facilitem o entendimento das novas recomendações e, ainda, modificações que melhorem seus resultados. Sugerem-se métodos simplificados relacionados à punção excêntrica, e propõem-se algumas alterações quanto ao uso do &#947z como coeficiente majorador na avaliação da estabilidade global. Observa-se que as verificações, apesar de mais trabalhosas, apresentam melhorias significativas em relação à NBR 6118 (1978), mostrando-se mais detalhadas e eficientes. Ainda assim, considera-se importante a introdução de algumas complementações, como aquelas sugeridas neste trabalho. / This work presents an overview of the requirements for punching shear and global stability of buildings in the draft Brazilian Code for concrete structures. Suggestions are made for fulfilling some omissions of the Code, based on theoretical studies and physical phenomena analysis. Some complements and changes are also proposed to facilitate the understanding of the new recommendations and to improve their results. Simplified methods related to the eccentric punching and modifications in the use of &#947z as a first order effects magnifier are suggested. It is concluded that the new provisions are more detailed and efficient, presenting significant improvements on both topics, especially when compared to NBR 6118 (1978). Nevertheless, it is considered important the introduction of some complements, as those suggested in this work.

Neste trabalho, são estudas as verificações da punção global segundo a revisão da NBR 6118. A partir da análise dos fenômenos físicos e com base nos estudos teóricos realizados, são feitas sugestões para serem contornadas algumas omissões da Norma. Também são propostas complementação que facilitem o entendimento das novas recomendações e, ainda, modificações que melhorem seus resultados. Sugerem-se métodos simplificados relacionados à punção excêntrica, e propõem-se algumas alterações quanto ao uso do &#947z como coeficiente majorador na avaliação da estabilidade global. Observa-se que as verificações, apesar de mais trabalhosas, apresentam melhorias significativas em relação à NBR 6118 (1978), mostrando-se mais detalhadas e eficientes. Ainda assim, considera-se importante a introdução de algumas complementações, como aquelas sugeridas neste trabalho. / This work presents an overview of the requirements for punching shear and global stability of buildings in the draft Brazilian Code for concrete structures. Suggestions are made for fulfilling some omissions of the Code, based on theoretical studies and physical phenomena analysis. Some complements and changes are also proposed to facilitate the understanding of the new recommendations and to improve their results. Simplified methods related to the eccentric punching and modifications in the use of &#947z as a first order effects magnifier are suggested. It is concluded that the new provisions are more detailed and efficient, presenting significant improvements on both topics, especially when compared to NBR 6118 (1978). Nevertheless, it is considered important the introduction of some complements, as those suggested in this work.

A análise de segunda ordem global de edifícios é indispensável nos dias atuais, em que as estruturas são cada vez mais esbeltas. No mercado, há diversos sistemas computacionais que realizam essa análise, e alguns dos novos engenheiros estruturais podem não saber os conceitos em que ela se baseia. Portanto, este trabalho pretende: avaliar os efeitos de segunda ordem em edifícios por meio dos coeficientes \'gama\'z e FAVt, este desenvolvido pela TQS, e por meio do processo P-Delta; mostrar como este processo P-Delta funciona e como o sistema computacional CAD/TQS o considera; e analisar também os esforços de segunda ordem calculados a partir dos de primeira ordem multiplicados por O,95 \'gama\'z. Em relação à avaliação da estabilidade global, serão comparados os resultados obtidos com os parâmetros \'alfa\', \'gama\'z, FAVt e RM2M1, este último gerado a partir do processo P-Delta. Pretende-se, assim, fornecer subsídios para que os novos engenheiros tenham condições de atuar com base conceitual bem fundamentada, tanto na escolha do método quanto na análise dos resultados. / The overall second-order analysis of buildings is essential nowadays, in which the structures are each time more slender. In the market, there are several computer systems that perform this analysis, and some new structural engineers can not know the concepts on which it rests. Therefore, this study aims: to evaluate the second-order effects in buildings making use of the coefficients \'gama\'z and FAVt, this developed by TQS, and using P-Delta process; to show how this P-Delta process works and how the computer system CAD/TQS considers it; and also analyze the second order efforts obtained from the first-order ones multiplied by O,95 \'gama\'z. Regarding the evaluation of overall stability, will be compared the results obtained with the parameters \'alfa\', \'gama\'z, FAVt, and RM2M1, the latter generated from the P-Delta process. It is intended, therefore, to provide subsidies for new engineers to be able to work with well-founded conceptual base, both in the choice of method and analysis of results.

Neste trabalho são discutidos os procedimentos simplificados para a consideração da não linearidade física (NLF) e da não linearidade geométrica (NLG) na análise de edifícios de concreto armado. Deste modo, pretende-se estabelecer o grau de confiabilidade desses processos. Algumas prescrições para redução na inércia dos elementos estruturais são comparadas com os resultados obtidos através de modelos em elementos finitos, permitindo, assim, a avaliação destas prescrições. Um estudo detalhado do parâmetro &#947z, como majorador dos esforços em primeira ordem para a obtenção dos esforços finais em segunda ordem, é efetuada, de modo que se possa estabelecer, de forma mais clara, as vantagens e as limitações deste parâmetro. / This work shows some simplified procedures to consider physical non-linearity (FNL) and geometrical non-linearity (GNL), for reinforced concrete buildings, and discusses its reliability. For FNL, prescriptions for stiffness reduction of structural elements are compared with the results obtained from finite elements analysis, in order to verify its assessment. For GNL, a detailed study of the accuracy of &#947z parameter to evaluate final second order effects is made. The behavior of the parameter along the height of the building and for each effort considered is shown.