Este trabalho apresenta um estudo sobre o comportamento de treliças espaciais formadas por elementos tubulares de seção circular, com ênfase no desempenho das tipologias de ligação utilizadas no Brasil. Foram ensaiadas experimentalmente 9 treliças espaciais com vãos de 7,5 x 15,0m e uma de 7,5m x 7,5m com altura de 1,5m, variando-se o tipo de ligação entre barras, com o objetivo de caracterizar e comparar o comportamento dos sistemas de ligações mais comuns (nó típico – extremidade estampada, nó de aço e nó com chapa de ponteira).A análise teórica, via elementos finitos, tem como objetivo aferir a validade dos modelos numéricos normalmente utilizados e refiná-los incluindo as características do comportamento estrutural observadas em ensaio. A análise numérica segue duas abordagens: análise global da estrutura incluindo os efeitos não-lineares, excentricidade na ligação e variação de seção nas extremidades das barras; com isso o comportamento das treliças ensaiadas foi representado de forma satisfatória. A análise do comportamento do nó típico, modelado tridimensionalmente com elementos de casca, possibilitou analisar a interação entre as barras na região nodal por meio de elementos de contato. Com esta modelagem, apesar das simplificações, foi possível reproduzir o modo de colapso observado experimentalmente. / This paper presents a study of the behavior of tubular circular section space trusses with the main emphasis placed on the performance of the various truss typologies used in Brazil. Nine space trusses with plan dimensions of 7.5m x 15.0m and one with plan dimensions of 7.5mx7.5m and height of 1.5m were tested. The joint type was varied with the objective to characterize and compare the behavior of the more common types of connection systems (typical node – stamped end, steel node, and end plate node). The theoretical analysis employing finite elements was adopted mainly to ascertain the validity of various numerical models commonly employed and hence refining them by including the some basic characteristics of the observed structural behavior.The numerical analysis employed was based on two methodologies: a global structural analysis that takes into account the effects of non-linearity, eccentricities at connection, and the variation of the end bars cross section. In this manner the actual behavior of the tested trusses was well represented. The analysis of the behavior of a typical node, modeled using tri-dimensional finite shell elements made it possible to analyze the interaction between bars that converge at the nodal region by applying contact elements. Despite it simplicity, predicted results of the collapse mode obtained by using the proposed model, very well reproduce the experimental observation.

O atrativo estético proporcionado pela forma arredondada é o fator que na maioria das vezes determina a utilização de estruturas tubulares circulares. É crescente a concepção de pórticos formados por colunas tubulares e as tradicionais vigas de seção I. Esse tipo de ligação ainda é pouco estudado no Brasil, e esse trabalho busca avançar no entendimento do comportamento estrutural dessas ligações. Foram realizados estudos analíticos, numéricos e experimentais em quatro configurações de ligação, com diafragmas externos transversais, chapa de alma, soldas, parafusos e enrijecedor. Avaliou-se a relação M-\'fi\' (momento-rotação) das ligações estudadas e os parâmetros envolvidos como resistência, rigidez e ductilidade, evidenciando-se o modo de colapso das ligações. O estudo analítico foi desenvolvido baseado nas recomendações do Eurocode 3 (2005), com a utilização do Método das Componentes. A análise numérica, através do Método dos Elementos Finitos, foi realizada por meio dos programas computacionais TRUEGRID® e ANSYS®. Os modelos numéricos consideram as características mecânicas do aço, como plastificação, encruamento e não-linearidades geométricas e de contato. As formulações do Eurocode 3 (2005), adaptadas para a determinação da resistência das ligações viga-coluna, apresentaram resultados coerentes e a análise numérica foi representativa frente aos resultados experimentais. A utilização de diafragmas externos conectados à viga apresentou boa funcionalidade, ajudando na distribuição das tensões na região da ligação, melhorando o comportamento da coluna. / The aesthetic appeal provided by the round shape is the factor that mostly determines the use of circular tubular structures. There is an increasing conception of structures formed by hollow columns and traditional beams of section I. This type of connection hasn\' t been sufficiently studied in Brazil, and this paper tries to advance the comprehension of the structural behavior of these connections. Analytical, numerical, and experimental study were performed in four connections configurations, with transverse external diaphragms, web plate, welds, bolts and stiffener. The relation M-\'fi\' (moment-rotation) of the studied connections and the parameters involved such as strength, stiffness and ductility were evaluated, evidencing the failure mode of connections. The analytical study was developed based on recommendations of Eurocode 3 (2005) using the Method of Components. The numerical analysis using the Finite Element Method was performed with the computer programs TRUEGRID® and ANSYS®. The numerical models consider the mechanical characteristics of steel, such as yielding and hardening, and also the geometric and contact nonlinearity. The formulations of Eurocode 3 (2005), adapted for determining the strength of beam-column connections, showed coherent results and the numerical analysis was representative compared to experimental results. The use of external diaphragm connected to the beam showed good functionality, helping in the distribution of stress in the region of connection, improving the behavior of the column.

As estruturas tubulares, muitas vezes, têm sua aplicação restrita a construções onde a concepção arquitetônica determina o seu uso, no entanto há algumas vantagens do ponto de vista estrutural que podem justificar a sua aplicação. A reduzida área exposta ao fogo e aos ambientes agressivos, boa resistência a compressão axial com baixa tendência ao desenvolvimento de instabilidades localizadas, são algumas das vantagens da utilização destas estruturas. O objetivo principal deste trabalho é analisar numericamente o comportamento da ligação entre viga de seção I com coluna tubular circular, para tanto são consideradas configurações usuais de ligação com anéis externos transversais e chapa de alma. É ainda objetivo trazer um panorama das estruturas tubulares em geral, com o desenvolvimento histórico das pesquisas, e principalmente estabelecer uma compilação dos procedimentos analíticos de cálculo e classificação apresentados pelas normas Eurocode 3 e ANSI/AISC. A análise numérica foi realizada por meio dos pacotes comerciais TRUEGRID® e ANSYS®, os quais aplicam o método dos elementos finitos. Foram empregados modelos que consideram as características mecânicas do aço, como plastificação e encruamento, e ainda as não-linearidades geométricas e de contato. Os resultados numéricos apresentaram coerência razoável com os modelos analíticos normativos. Foi possível o conhecimento do comportamento M-\'fi\' (momento-rotação) das ligações, bem como a determinação dos parâmetros que caracterizam tal relação, como resistência, rigidez inicial e ductilidade. Os estudos comprovaram a eficácia dos anéis externos na distribuição dos esforços oriundos do engastamento parcial da viga, fazendo com que a coluna não seja comprometida. / The application of tubular structures is usually restricted to constructions on which the architectural conception demands them. However, there are also several structural advantages which justify their usage, such as a) reduced exposed area concerning fire and agressive environments; b) high axial compression resistance; c) high local buckling resistance. The aim of this work is the numerical analysis on the behavior of the I beam-circular hollow column connection, usually constituted by an external ring with single plate. It is presented a general view about the researchers development over the years on tubular structures focusing the compilation of the analytical design procedures and Eurocode 3 and ANSI/AISC classification as well. Finite element method softwares TRUEGRID and ANSYS are used for the numerical analysis in order to consider steel mechanical properties such as yielding, hardening and also geometric and contact nonlinearities. Numerical results present good agreement to codes\' analytical models. Analysis lead to understanding the connection\'s moment-rotation behavior and some of its parameters such as resistance, initial stiffness and ductility. It is shown external rings significantlly improve the semi-rigid connections stress distribution at the columns face.

Dissertação apresentada para obtenção parcial do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação dos Profs. Doutores Pedro M.P.R.C. Camacho e Marcelo F.S.F. de Moura

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Área de Especialização de Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

As estruturas tubulares, muitas vezes, têm sua aplicação restrita a construções onde a concepção arquitetônica determina o seu uso, no entanto há algumas vantagens do ponto de vista estrutural que podem justificar a sua aplicação. A reduzida área exposta ao fogo e aos ambientes agressivos, boa resistência a compressão axial com baixa tendência ao desenvolvimento de instabilidades localizadas, são algumas das vantagens da utilização destas estruturas. O objetivo principal deste trabalho é analisar numericamente o comportamento da ligação entre viga de seção I com coluna tubular circular, para tanto são consideradas configurações usuais de ligação com anéis externos transversais e chapa de alma. É ainda objetivo trazer um panorama das estruturas tubulares em geral, com o desenvolvimento histórico das pesquisas, e principalmente estabelecer uma compilação dos procedimentos analíticos de cálculo e classificação apresentados pelas normas Eurocode 3 e ANSI/AISC. A análise numérica foi realizada por meio dos pacotes comerciais TRUEGRID® e ANSYS®, os quais aplicam o método dos elementos finitos. Foram empregados modelos que consideram as características mecânicas do aço, como plastificação e encruamento, e ainda as não-linearidades geométricas e de contato. Os resultados numéricos apresentaram coerência razoável com os modelos analíticos normativos. Foi possível o conhecimento do comportamento M-\'fi\' (momento-rotação) das ligações, bem como a determinação dos parâmetros que caracterizam tal relação, como resistência, rigidez inicial e ductilidade. Os estudos comprovaram a eficácia dos anéis externos na distribuição dos esforços oriundos do engastamento parcial da viga, fazendo com que a coluna não seja comprometida. / The application of tubular structures is usually restricted to constructions on which the architectural conception demands them. However, there are also several structural advantages which justify their usage, such as a) reduced exposed area concerning fire and agressive environments; b) high axial compression resistance; c) high local buckling resistance. The aim of this work is the numerical analysis on the behavior of the I beam-circular hollow column connection, usually constituted by an external ring with single plate. It is presented a general view about the researchers development over the years on tubular structures focusing the compilation of the analytical design procedures and Eurocode 3 and ANSI/AISC classification as well. Finite element method softwares TRUEGRID and ANSYS are used for the numerical analysis in order to consider steel mechanical properties such as yielding, hardening and also geometric and contact nonlinearities. Numerical results present good agreement to codes\' analytical models. Analysis lead to understanding the connection\'s moment-rotation behavior and some of its parameters such as resistance, initial stiffness and ductility. It is shown external rings significantlly improve the semi-rigid connections stress distribution at the columns face.

O atrativo estético proporcionado pela forma arredondada é o fator que na maioria das vezes determina a utilização de estruturas tubulares circulares. É crescente a concepção de pórticos formados por colunas tubulares e as tradicionais vigas de seção I. Esse tipo de ligação ainda é pouco estudado no Brasil, e esse trabalho busca avançar no entendimento do comportamento estrutural dessas ligações. Foram realizados estudos analíticos, numéricos e experimentais em quatro configurações de ligação, com diafragmas externos transversais, chapa de alma, soldas, parafusos e enrijecedor. Avaliou-se a relação M-\'fi\' (momento-rotação) das ligações estudadas e os parâmetros envolvidos como resistência, rigidez e ductilidade, evidenciando-se o modo de colapso das ligações. O estudo analítico foi desenvolvido baseado nas recomendações do Eurocode 3 (2005), com a utilização do Método das Componentes. A análise numérica, através do Método dos Elementos Finitos, foi realizada por meio dos programas computacionais TRUEGRID® e ANSYS®. Os modelos numéricos consideram as características mecânicas do aço, como plastificação, encruamento e não-linearidades geométricas e de contato. As formulações do Eurocode 3 (2005), adaptadas para a determinação da resistência das ligações viga-coluna, apresentaram resultados coerentes e a análise numérica foi representativa frente aos resultados experimentais. A utilização de diafragmas externos conectados à viga apresentou boa funcionalidade, ajudando na distribuição das tensões na região da ligação, melhorando o comportamento da coluna. / The aesthetic appeal provided by the round shape is the factor that mostly determines the use of circular tubular structures. There is an increasing conception of structures formed by hollow columns and traditional beams of section I. This type of connection hasn\' t been sufficiently studied in Brazil, and this paper tries to advance the comprehension of the structural behavior of these connections. Analytical, numerical, and experimental study were performed in four connections configurations, with transverse external diaphragms, web plate, welds, bolts and stiffener. The relation M-\'fi\' (moment-rotation) of the studied connections and the parameters involved such as strength, stiffness and ductility were evaluated, evidencing the failure mode of connections. The analytical study was developed based on recommendations of Eurocode 3 (2005) using the Method of Components. The numerical analysis using the Finite Element Method was performed with the computer programs TRUEGRID® and ANSYS®. The numerical models consider the mechanical characteristics of steel, such as yielding and hardening, and also the geometric and contact nonlinearity. The formulations of Eurocode 3 (2005), adapted for determining the strength of beam-column connections, showed coherent results and the numerical analysis was representative compared to experimental results. The use of external diaphragm connected to the beam showed good functionality, helping in the distribution of stress in the region of connection, improving the behavior of the column.

Este trabalho apresenta um estudo sobre o comportamento de treliças espaciais formadas por elementos tubulares de seção circular, com ênfase no desempenho das tipologias de ligação utilizadas no Brasil. Foram ensaiadas experimentalmente 9 treliças espaciais com vãos de 7,5 x 15,0m e uma de 7,5m x 7,5m com altura de 1,5m, variando-se o tipo de ligação entre barras, com o objetivo de caracterizar e comparar o comportamento dos sistemas de ligações mais comuns (nó típico – extremidade estampada, nó de aço e nó com chapa de ponteira).A análise teórica, via elementos finitos, tem como objetivo aferir a validade dos modelos numéricos normalmente utilizados e refiná-los incluindo as características do comportamento estrutural observadas em ensaio. A análise numérica segue duas abordagens: análise global da estrutura incluindo os efeitos não-lineares, excentricidade na ligação e variação de seção nas extremidades das barras; com isso o comportamento das treliças ensaiadas foi representado de forma satisfatória. A análise do comportamento do nó típico, modelado tridimensionalmente com elementos de casca, possibilitou analisar a interação entre as barras na região nodal por meio de elementos de contato. Com esta modelagem, apesar das simplificações, foi possível reproduzir o modo de colapso observado experimentalmente. / This paper presents a study of the behavior of tubular circular section space trusses with the main emphasis placed on the performance of the various truss typologies used in Brazil. Nine space trusses with plan dimensions of 7.5m x 15.0m and one with plan dimensions of 7.5mx7.5m and height of 1.5m were tested. The joint type was varied with the objective to characterize and compare the behavior of the more common types of connection systems (typical node – stamped end, steel node, and end plate node). The theoretical analysis employing finite elements was adopted mainly to ascertain the validity of various numerical models commonly employed and hence refining them by including the some basic characteristics of the observed structural behavior.The numerical analysis employed was based on two methodologies: a global structural analysis that takes into account the effects of non-linearity, eccentricities at connection, and the variation of the end bars cross section. In this manner the actual behavior of the tested trusses was well represented. The analysis of the behavior of a typical node, modeled using tri-dimensional finite shell elements made it possible to analyze the interaction between bars that converge at the nodal region by applying contact elements. Despite it simplicity, predicted results of the collapse mode obtained by using the proposed model, very well reproduce the experimental observation.

As capas carbonáticas neoproterozóicas revestem-se de grande importância, uma vez que se formaram no meio a mudanças paleoclimáticas e evolutivas singulares, cujas origens e influências na história subsequente do planeta e da vida ainda não foram devidamente esclarecidas. Este trabalho procurou compreender parte desta história através do estudo da sedimentação estromatolítica associada à capa carbonática representada pela Formação Mirassol DOeste (base do Grupo Araras), que se formou há cerca de 635 Ma, imediatemente após a glaciação Marinoana, representada pela Formação Puga. A pesquisa foi realizada na região de Mirassol DOeste, Mato Grosso, na borda sudoeste do Cráton Amazônico junto a Faixa Paraguai. Foram estudadas características meso e microscópicas dos estromatólitos, bem como das feições sedimentológicas associadas (estruturas tubulares, megamarcas onduladas, megapeloides), em afloramento, amostras cortadas e lâminas petrográficas. A dois metros da base da formação, inicia-se uma sucessão de 10 metros de espessura de boundstones microbianos, caracterizados, petrograficamente, por lâminas alternadamente delgadas e espessas, compostas de peloides (restos micritizados de colônias microbianas) com micrita subordinada e fenestras. Constituem estromatólitos lateralmente contínuos e de morfologia simples. Estromatólitos estratiformes ocorrem ao longo de toda a sucessão, com formas dômicas, de dimensões métricas irregularmente espalhadas lateral e verticalmente, até dois ou três metros do topo da sucessão. Estromatólitos muito irregularmente ondulados, comumente assimétricos, com dimensões decímetros predominam a parte superior e estes estão recobertos por grainstones-packstones peloidais dolomíticos, com megapeloides milimétricos, em estratos marcados por megamarcas onduladas formadas por ondas. A sedimentação microbiana cessou na Formação Mirassol DOeste quando o ambiente de plataforma de baixa energia onde se desenvolvia começou a ser assolado pela ação de ondas de hipertempestades, que penetraram a região com o aumento do nível do mar. Estruturas tubulares verticais, de comprimento até decimétrico e diâmetro estreito (<3 cm), preenchidos, via de regra, por doloesparito maciço, perpassam a laminação estromatolítica principalmente das porções mais altas dos domos. Sugere-se que gênese dessas estruturas tenha sido pela percolação de gases e/ou líquidos derivados da decomposição de matéria orgânica nas esteiras microbianas. / Neoproterozoic cap carbonates are of great importance because they formed during a period of singular paleoclimatic and evolutionary changes, whose origin and influences upon subsequent geological and evolutionary history have yet to be unraveled. This dissertation sought to comprehend part of this story through the study of stromatolitic sedimentation associated with the cap carbonate represented by the Mirassol DOeste Formation (base of the Araras Group), deposited about 635 Ma ago, immediately following the Marinoan glaciation, represented by the Puga Formation. This research was carried out at Mirassol DOeste, Mato Grosso, on the southwest border of the Amazon craton next to the Paraguai fold belt. Meso and macroscopic characteristics of stromatolites and associated sedimentological features (tubular structures, megaripples, megapeloids) were studied in outcrop, cut specimens and petrographic thin sections. Two meters above the base of the formation a 10 m-thick succession of dolomitic microbial boundstones begins, characterized throughout by alternating thin and thick laminae made up of peloids (interpreted as the micritized remains of colonial microorganisms), subordinate dolomicrite, and fenestrae. They make up laterally continuous and morphologically simple stromatolites. Stratiform stromatolites occur throughout the succession, with irregularly scattered meter-sized domes till about two to three meters from the top. Above this point, very irregularly undulated, commonly asymmetric, decimeter-sized stromatolites predominate, and these, in turn, are covered by megaripple-marked dolomitic peloidal grainstones-packstones with millimetric megapeloids. Stromatolitic sedimentation ceased in the previously calm platform environment of the Mirassol DOeste Formation when wave action began to rework bottom sediments as extremely intense storms reached the locale with the rise in sea level. Narrow (<3 cm), vertical tubular structures of decimetric length and filled by massive dolosparite cut stromatolitic sediments, principally in the central portions of domal forms. These structures appear to have formed by the percolation of gas and/or liquids derived from the decomposition of organic material in the microbial mats.

As capas carbonáticas neoproterozóicas revestem-se de grande importância, uma vez que se formaram no meio a mudanças paleoclimáticas e evolutivas singulares, cujas origens e influências na história subsequente do planeta e da vida ainda não foram devidamente esclarecidas. Este trabalho procurou compreender parte desta história através do estudo da sedimentação estromatolítica associada à capa carbonática representada pela Formação Mirassol DOeste (base do Grupo Araras), que se formou há cerca de 635 Ma, imediatemente após a glaciação Marinoana, representada pela Formação Puga. A pesquisa foi realizada na região de Mirassol DOeste, Mato Grosso, na borda sudoeste do Cráton Amazônico junto a Faixa Paraguai. Foram estudadas características meso e microscópicas dos estromatólitos, bem como das feições sedimentológicas associadas (estruturas tubulares, megamarcas onduladas, megapeloides), em afloramento, amostras cortadas e lâminas petrográficas. A dois metros da base da formação, inicia-se uma sucessão de 10 metros de espessura de boundstones microbianos, caracterizados, petrograficamente, por lâminas alternadamente delgadas e espessas, compostas de peloides (restos micritizados de colônias microbianas) com micrita subordinada e fenestras. Constituem estromatólitos lateralmente contínuos e de morfologia simples. Estromatólitos estratiformes ocorrem ao longo de toda a sucessão, com formas dômicas, de dimensões métricas irregularmente espalhadas lateral e verticalmente, até dois ou três metros do topo da sucessão. Estromatólitos muito irregularmente ondulados, comumente assimétricos, com dimensões decímetros predominam a parte superior e estes estão recobertos por grainstones-packstones peloidais dolomíticos, com megapeloides milimétricos, em estratos marcados por megamarcas onduladas formadas por ondas. A sedimentação microbiana cessou na Formação Mirassol DOeste quando o ambiente de plataforma de baixa energia onde se desenvolvia começou a ser assolado pela ação de ondas de hipertempestades, que penetraram a região com o aumento do nível do mar. Estruturas tubulares verticais, de comprimento até decimétrico e diâmetro estreito (<3 cm), preenchidos, via de regra, por doloesparito maciço, perpassam a laminação estromatolítica principalmente das porções mais altas dos domos. Sugere-se que gênese dessas estruturas tenha sido pela percolação de gases e/ou líquidos derivados da decomposição de matéria orgânica nas esteiras microbianas. / Neoproterozoic cap carbonates are of great importance because they formed during a period of singular paleoclimatic and evolutionary changes, whose origin and influences upon subsequent geological and evolutionary history have yet to be unraveled. This dissertation sought to comprehend part of this story through the study of stromatolitic sedimentation associated with the cap carbonate represented by the Mirassol DOeste Formation (base of the Araras Group), deposited about 635 Ma ago, immediately following the Marinoan glaciation, represented by the Puga Formation. This research was carried out at Mirassol DOeste, Mato Grosso, on the southwest border of the Amazon craton next to the Paraguai fold belt. Meso and macroscopic characteristics of stromatolites and associated sedimentological features (tubular structures, megaripples, megapeloids) were studied in outcrop, cut specimens and petrographic thin sections. Two meters above the base of the formation a 10 m-thick succession of dolomitic microbial boundstones begins, characterized throughout by alternating thin and thick laminae made up of peloids (interpreted as the micritized remains of colonial microorganisms), subordinate dolomicrite, and fenestrae. They make up laterally continuous and morphologically simple stromatolites. Stratiform stromatolites occur throughout the succession, with irregularly scattered meter-sized domes till about two to three meters from the top. Above this point, very irregularly undulated, commonly asymmetric, decimeter-sized stromatolites predominate, and these, in turn, are covered by megaripple-marked dolomitic peloidal grainstones-packstones with millimetric megapeloids. Stromatolitic sedimentation ceased in the previously calm platform environment of the Mirassol DOeste Formation when wave action began to rework bottom sediments as extremely intense storms reached the locale with the rise in sea level. Narrow (<3 cm), vertical tubular structures of decimetric length and filled by massive dolosparite cut stromatolitic sediments, principally in the central portions of domal forms. These structures appear to have formed by the percolation of gas and/or liquids derived from the decomposition of organic material in the microbial mats.