Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica (Especialização Automação). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Este trabalho aborda o estudo da aderência aço-concreto em pilares mistos preenchidos através de revisão bibliográfica e de investigação experimental. De modo esquemático, a aderência é dividida em três parcelas: adesão, aderência mecânica e atrito, que em conjunto compõem a aderência natural. Adicionalmente, podem ser empregados conectores de cisalhamento, que são dispositivos mecânicos fixados nas superfícies internas dos tubos, como meio de ampliar a resistência ao escorregamento. Foram realizados ensaios do tipo pushout em alguns tipos de modelos de pilar preenchido: modelos simples, com adição de conectores tipo pino com cabeça, com cantoneiras na interface aço-concreto e semelhantes aos anteriores mais elementos de ligação. Com os resultados obtidos traçaram-se comportamentos força x escorregamento do concreto, força x deformações axiais nos materiais e curvas de distribuição de força ao longo do comprimento dos modelos. Concluiu-se que conectores tipo pino com cabeça e cantoneiras são uma excelente alternativa como dispositivos auxiliares na transferência de tensões de cisalhamento na interface aço-concreto. Entretanto, é necessário garantir resistência à ligação para que esses mecanismos sejam mobilizados / This research presents a study of influence of bond on concrete-filled steel tubes by means of a bibliography review and an experimental investigation. The bond strength counts on three mechanisms: adhesion of the concrete to the steel surface, friction and wedging of the concrete core. In order to improve the shear resistance of the steel-concrete interface, shear connectors can be used. A series of push-out tests of rectangular concrete-filled steel tubes was conducted in the specimens without mechanical shear connectors, specimens with stud bolt shear connectors and specimens with angles. They were also tested the corresponding beam-column connections. The results are shown in curves force x slip of concrete, force x axial strain of materials and distribution of axial load to the steel and to the concrete. The results of the tests permitted identify the mechanisms of natural bond and indicated that the stud bolts and the angles are excellent alternatives as auxiliary mechanisms to transfer shear between the concrete and steel in the concrete filled composite column. However, it is necessary to guarantee the connection enough strength in order to permit these resistance be developed

O escoamento ao redor de cilindros inclinados, ou escoamento oblíquo, é um problema bastante comum em diversas áreas da engenharia. Embora o escoamento ao redor de um cilindro não inclinado consista em um tópico clássico e bastante estudado no contexto da mecânica dos fluídos, os estudos investigativos do escoamento oblíquo existem em menor número. O procedimento mais adotado para o estudo do escoamento ao redor de um cilindro inclinado é o Princípio da Independência, que atesta que todas as características da esteira dependem unicamente da componente da correnteza incidente que é ortogonal ao eixo do cilindro. Visando um melhor entendimento do escoamento ao redor de cilindros rígidos e inclinados, três grupos de experimentos foram conduzidos com cilindros inclinados tanto à montante como à jusante. Cinco ângulos de inclinação, definidos entre o eixo do cilindro e a direção ortogonal à da correnteza foram ensaiados, a saber: teta = 0°, 10°, 20°, 30° e 45°. No primeiro grupo de experimentos, os resultados obtidos com os cilindros estacionários inclinados à montante mostraram que o coeficiente de arrasto médio concorda com os resultados da configuração de referência, desde que a componente da correnteza incidente ortogonal ao eixo do cilindro seja utilizada na normalização da força. No tocante aos experimentos dos cilindros sujeitos ao fenômeno de vibrações induzidas pela emissão de vórtices com um ou dois graus de liberdade, existe um decréscimo da amplitude de oscilação dos cilindros com o aumento do ângulo de inclinação. Em todas as campanhas experimentais, foram verificadas diferenças entre os resultados obtidos com os cilindros inclinados à montante ou à jusante. Essa diferença é tão maior quanto maior for o ângulo de inclinação, e está associada à assimetria nas condições de extremidade do cilindro. / The flow around yawed cylinders, or oblique flow, is a common subject in several engineering applications. Despite the flow around a non-yawed cylinder consists on a classical and extensively investigated problem, there is a considerable lower number of investigation concerning the oblique flow. The most employed approach aiming at investigating the oblique flow is the so called Independence Principle, which states that the flow characteristics depend only on the component of the free-stream that is normal to the cylinder axis. Three groups of experiments were carried out aiming at a better understanding of the flow around yawed cylinders. Five yaw angles defined between the cylinder axis and the direction orthogonal to the free-steam were tested, namely: theta = 0°, 10°, 20°, 30° e 45°. From the first group of experiments, the results obtained with stationary cylinders yawed in the upstream orientation shown that the mean drag coeficient matches the classical results from the non-yawed cylinder, if the component of the free-stream that is orthogonal to the cylinder axis is employed in the normalization of the hydrodynamic force. Concerning vortex-induced vibrations experiments with one and two degrees-of-freedom, a decrease was observed in the maximum oscillation amplitude. For all the experiments, it was observed that the results obtained from the upstream orientation tests can be different from those obtained for the downstream orientation ones. The larger the yaw angle, the larger are the differences, which are associated to the asymmetric end conditions.

O trabalho apresenta a análise do comportamento da base de pilares de concreto pré-moldado na ligação com cálice de fundação, dando-se continuidade a estudos anteriores sobre este tipo de ligação. A pesquisa visa preencher a falta de informações sobre o comportamento da base de pilares na região de embutimento, já que praticamente não existem recomendações sobre o assunto. É realizada uma investigação experimental, com a construção de dois modelos, em que os cálices de fundação foram aproveitados de pesquisas anteriores. Os modelos possuem interface de contato lisa, com comprimento de embutimento diferente e foram submetidos a força normal com grande excentricidade. São apresentadas simulações numéricas pelo Método dos Elementos Finitos, com a consideração das não linearidades físicas, geométricas e de contato. É feita uma análise comparativa entre os modelos físicos e numéricos, sendo observados os deslocamentos, deformações na armadura longitudinal e transversal, fissuração e fluxo de tensões. Os resultados apresentados mostram que a ruína dos modelos ocorreu pela plastificação da armadura longitudinal tracionada, localizada fora da região de embutimento e que a armadura transversal foi pouco solicitada. São feitas recomendações sobre a ancoragem da armadura longitudinal e ao final do trabalho é sugerido um modelo de bielas e tirantes que represente o comportamento da base de pilares na região de embutimento / The study presents the analysis of precast concrete column base in the connection socket. This research follows previous studies on this connection type. The research aim to fill out the lack of information about column base in the embedded length, because almost do not exist recommendations about this subject. An experimental investigation was developed with the construction of two models, which connection sockets were reused from previous researches. The models have smooth contact interface with different embedded lengths and the axial load with great eccentricity was applied in the models. Numeric simulations are presented by using the Finite Element Method adopting non-linear physical, geometric, and contact. A comparative analysis was done between the tests and numeric models that were observed the displacements, longitudinal and transversal reinforcement strain, cracking, and stress flow. The results show that the ruin of the models occurred for large strain in longitudinal tensioned reinforcement located out of embedded length. The transversal reinforcement presents little strain. Recommendations are made for anchorage of longitudinal reinforcement and at the end of the research an analytical model for column base behavior is suggested for connecting foundation by socket

Este trabalho apresenta uma análise teórico-experimental da ligação pilar-fundação por meio de cálice em estruturas de concreto pré-moldado, com ênfase no colarinho. No programa experimental, foram ensaiados cinco protótipos sob força normal com grande excentricidade, variando-se o tipo e condição de interface: três com interface lisa, onde em dois foi eliminada a adesão para representar a situação mais adequada de projeto; e dois com interface rugosa, com duas configurações diferentes de chaves de cisalhamento. Foram realizadas simulações numéricas pelo método dos elementos finitos nos modelos lisos sem adesão, com as não-linearidades físicas e de contato, e nos cálices rugosos, considerando-se a não-linearidade física e a aderência perfeita das interfaces. Os resultados experimentais indicaram a necessidade de se reavaliar os principais métodos de projeto para essa ligação. Desta forma, foi proposto, para o cálice liso, um modelo de projeto considerando o atrito entre as interfaces e o cálculo das paredes longitudinais como consolos. Já para o cálice com interface rugosa, como foi verificada a proximidade do comportamento dos modelos físicos rugosos com uma ligação monolítica, recomendou-se o dimensionamento de suas armaduras verticais, admitindo a transferência total dos esforços, e das armaduras horizontais superiores também com o funcionamento das paredes longitudinais como consolos. Os modelos numéricos apresentaram uma boa convergência e semelhanças na fissuração e no caminho de tensões em relação aos protótipos físicos, apesar das deformações terem sido menores que as observadas experimentalmente. / This research presents a theoretical-experimental analysis of column-foundation connection through socket of precast concrete structures, with emphasis in pedestal walls. The experimental program included five models submitted to normal load with large eccentricity, changing the type and the condition of interface: three models had smooth interface and two models had rough interface. In two of smooth models, the bond was eliminated to represent the more appropriate situation of design. Two different configurations of shear keys were used in rough models. Numerical simulations, by finite elements method, were developed on the smooth models without bond, using physical and contact non-linear analyses, and on the rough socket connections, using physical non-linear analyses and perfect adherence of interfaces. The experimental results indicated the need to revalue the principal design methods for this connection. In that way, a design model was proposed for the smooth socket connection, considering friction between the interfaces, and the design of longitudinal walls was suggested as corbels. As it was verified the proximity of rough physical models behavior with a monolithic connection, its vertical reinforcings design was recommended, admitting the total transfer of the efforts. Numerical models had a good convergence and likeness with cracking and tensions field of physical prototypes, in spite of deformations have been smaller than experimental results.

Este trabalho consiste na análise experimental da ligação pilar-fundação por meio de cálice em estruturas de concreto pré-moldado, com profundidade de embutimento reduzida em relação a recomendada pela NBR 9062:(1985). No programa experimental, foram ensaiados dois protótipos sob ação de força com grande excentricidade, variando-se o tipo e condição de interface: um com interface lisa e outro com interface rugosa. Em ambos os modelos, procurou-se eliminar a adesão na interface da ligação para representar a situação mais adequada de projeto. Com os resultados experimentais, foi possível analisar o comportamento da cada modelo no que diz respeito as deformações nas armaduras, os deslocamentos no cálice, a configuração das fissuras ocorridas durante o ensaio e a resistência última alcançada por cada modelo. Foi apresentada também uma análise comparativa entre estes modelos e os analisados em trabalho anterior sobre o mesmo tema, sendo que nestes os cálices possuíam profundidades de embutimento recomendados pela norma brasileira. Aplicou-se também os principais modelos de projeto encontrados na literatura com o objetivo de verificar a eficácia de cada um no que diz respeito a capacidade resistente da ligação, comparando-a aos obtidos experimentalmente. Com base em todas estas análises, pôde-se concluir que com a redução da profundidade de embutimento a capacidade resistente do protótipo também diminuiu e os modelos de projeto que melhor representaram os protótipos com comprimento de embutimento maior, não forneceram bons resultados para os cálices com profundidade reduzida / This research is an experimental analysis of column-foundation connection through socket of precast concrete structures, with the reduced depth of the socket comparing to that recommended by the NBR 9062:(1985). The experimental program included two models submitted to normal load with large eccentricity, changing the type and the condition interface: one model had smooth interface and other had rough interface. At both models, it was tried to eliminate the bond on the interface to represent the more appropriate situation of design. With the experimental results, it was possible to analyze each model behavior concerning reinforcements deformation, the socket displacement, cracks configuration during the tests and the maximum strength reached by each model. A comparative analysis was made of these models with those studied at a previous research, that had a depth of the socket recommended by the brazilian normalization. The main design models found at the technical literature were also applied to verify the efficiency of each one for strength capacity of the connection, comparing the results with those obtained experimentally. Based on all analysis, it was possible to conclude that with the depth reduction of the socket, the strength capacity also reduced and the design models that better represented the sockets with the recommended depth no more represented the reduced one

O escoamento ao redor de cilindros inclinados, ou escoamento oblíquo, é um problema bastante comum em diversas áreas da engenharia. Embora o escoamento ao redor de um cilindro não inclinado consista em um tópico clássico e bastante estudado no contexto da mecânica dos fluídos, os estudos investigativos do escoamento oblíquo existem em menor número. O procedimento mais adotado para o estudo do escoamento ao redor de um cilindro inclinado é o Princípio da Independência, que atesta que todas as características da esteira dependem unicamente da componente da correnteza incidente que é ortogonal ao eixo do cilindro. Visando um melhor entendimento do escoamento ao redor de cilindros rígidos e inclinados, três grupos de experimentos foram conduzidos com cilindros inclinados tanto à montante como à jusante. Cinco ângulos de inclinação, definidos entre o eixo do cilindro e a direção ortogonal à da correnteza foram ensaiados, a saber: teta = 0°, 10°, 20°, 30° e 45°. No primeiro grupo de experimentos, os resultados obtidos com os cilindros estacionários inclinados à montante mostraram que o coeficiente de arrasto médio concorda com os resultados da configuração de referência, desde que a componente da correnteza incidente ortogonal ao eixo do cilindro seja utilizada na normalização da força. No tocante aos experimentos dos cilindros sujeitos ao fenômeno de vibrações induzidas pela emissão de vórtices com um ou dois graus de liberdade, existe um decréscimo da amplitude de oscilação dos cilindros com o aumento do ângulo de inclinação. Em todas as campanhas experimentais, foram verificadas diferenças entre os resultados obtidos com os cilindros inclinados à montante ou à jusante. Essa diferença é tão maior quanto maior for o ângulo de inclinação, e está associada à assimetria nas condições de extremidade do cilindro. / The flow around yawed cylinders, or oblique flow, is a common subject in several engineering applications. Despite the flow around a non-yawed cylinder consists on a classical and extensively investigated problem, there is a considerable lower number of investigation concerning the oblique flow. The most employed approach aiming at investigating the oblique flow is the so called Independence Principle, which states that the flow characteristics depend only on the component of the free-stream that is normal to the cylinder axis. Three groups of experiments were carried out aiming at a better understanding of the flow around yawed cylinders. Five yaw angles defined between the cylinder axis and the direction orthogonal to the free-steam were tested, namely: theta = 0°, 10°, 20°, 30° e 45°. From the first group of experiments, the results obtained with stationary cylinders yawed in the upstream orientation shown that the mean drag coeficient matches the classical results from the non-yawed cylinder, if the component of the free-stream that is orthogonal to the cylinder axis is employed in the normalization of the hydrodynamic force. Concerning vortex-induced vibrations experiments with one and two degrees-of-freedom, a decrease was observed in the maximum oscillation amplitude. For all the experiments, it was observed that the results obtained from the upstream orientation tests can be different from those obtained for the downstream orientation ones. The larger the yaw angle, the larger are the differences, which are associated to the asymmetric end conditions.

Este trabalho consiste na análise experimental da ligação pilar-fundação por meio de cálice em estruturas de concreto pré-moldado, com profundidade de embutimento reduzida em relação a recomendada pela NBR 9062:(1985). No programa experimental, foram ensaiados dois protótipos sob ação de força com grande excentricidade, variando-se o tipo e condição de interface: um com interface lisa e outro com interface rugosa. Em ambos os modelos, procurou-se eliminar a adesão na interface da ligação para representar a situação mais adequada de projeto. Com os resultados experimentais, foi possível analisar o comportamento da cada modelo no que diz respeito as deformações nas armaduras, os deslocamentos no cálice, a configuração das fissuras ocorridas durante o ensaio e a resistência última alcançada por cada modelo. Foi apresentada também uma análise comparativa entre estes modelos e os analisados em trabalho anterior sobre o mesmo tema, sendo que nestes os cálices possuíam profundidades de embutimento recomendados pela norma brasileira. Aplicou-se também os principais modelos de projeto encontrados na literatura com o objetivo de verificar a eficácia de cada um no que diz respeito a capacidade resistente da ligação, comparando-a aos obtidos experimentalmente. Com base em todas estas análises, pôde-se concluir que com a redução da profundidade de embutimento a capacidade resistente do protótipo também diminuiu e os modelos de projeto que melhor representaram os protótipos com comprimento de embutimento maior, não forneceram bons resultados para os cálices com profundidade reduzida / This research is an experimental analysis of column-foundation connection through socket of precast concrete structures, with the reduced depth of the socket comparing to that recommended by the NBR 9062:(1985). The experimental program included two models submitted to normal load with large eccentricity, changing the type and the condition interface: one model had smooth interface and other had rough interface. At both models, it was tried to eliminate the bond on the interface to represent the more appropriate situation of design. With the experimental results, it was possible to analyze each model behavior concerning reinforcements deformation, the socket displacement, cracks configuration during the tests and the maximum strength reached by each model. A comparative analysis was made of these models with those studied at a previous research, that had a depth of the socket recommended by the brazilian normalization. The main design models found at the technical literature were also applied to verify the efficiency of each one for strength capacity of the connection, comparing the results with those obtained experimentally. Based on all analysis, it was possible to conclude that with the depth reduction of the socket, the strength capacity also reduced and the design models that better represented the sockets with the recommended depth no more represented the reduced one

O trabalho apresenta a análise do comportamento da base de pilares de concreto pré-moldado na ligação com cálice de fundação, dando-se continuidade a estudos anteriores sobre este tipo de ligação. A pesquisa visa preencher a falta de informações sobre o comportamento da base de pilares na região de embutimento, já que praticamente não existem recomendações sobre o assunto. É realizada uma investigação experimental, com a construção de dois modelos, em que os cálices de fundação foram aproveitados de pesquisas anteriores. Os modelos possuem interface de contato lisa, com comprimento de embutimento diferente e foram submetidos a força normal com grande excentricidade. São apresentadas simulações numéricas pelo Método dos Elementos Finitos, com a consideração das não linearidades físicas, geométricas e de contato. É feita uma análise comparativa entre os modelos físicos e numéricos, sendo observados os deslocamentos, deformações na armadura longitudinal e transversal, fissuração e fluxo de tensões. Os resultados apresentados mostram que a ruína dos modelos ocorreu pela plastificação da armadura longitudinal tracionada, localizada fora da região de embutimento e que a armadura transversal foi pouco solicitada. São feitas recomendações sobre a ancoragem da armadura longitudinal e ao final do trabalho é sugerido um modelo de bielas e tirantes que represente o comportamento da base de pilares na região de embutimento / The study presents the analysis of precast concrete column base in the connection socket. This research follows previous studies on this connection type. The research aim to fill out the lack of information about column base in the embedded length, because almost do not exist recommendations about this subject. An experimental investigation was developed with the construction of two models, which connection sockets were reused from previous researches. The models have smooth contact interface with different embedded lengths and the axial load with great eccentricity was applied in the models. Numeric simulations are presented by using the Finite Element Method adopting non-linear physical, geometric, and contact. A comparative analysis was done between the tests and numeric models that were observed the displacements, longitudinal and transversal reinforcement strain, cracking, and stress flow. The results show that the ruin of the models occurred for large strain in longitudinal tensioned reinforcement located out of embedded length. The transversal reinforcement presents little strain. Recommendations are made for anchorage of longitudinal reinforcement and at the end of the research an analytical model for column base behavior is suggested for connecting foundation by socket

Este trabalho apresenta uma análise teórico-experimental da ligação pilar-fundação por meio de cálice em estruturas de concreto pré-moldado, com ênfase no colarinho. No programa experimental, foram ensaiados cinco protótipos sob força normal com grande excentricidade, variando-se o tipo e condição de interface: três com interface lisa, onde em dois foi eliminada a adesão para representar a situação mais adequada de projeto; e dois com interface rugosa, com duas configurações diferentes de chaves de cisalhamento. Foram realizadas simulações numéricas pelo método dos elementos finitos nos modelos lisos sem adesão, com as não-linearidades físicas e de contato, e nos cálices rugosos, considerando-se a não-linearidade física e a aderência perfeita das interfaces. Os resultados experimentais indicaram a necessidade de se reavaliar os principais métodos de projeto para essa ligação. Desta forma, foi proposto, para o cálice liso, um modelo de projeto considerando o atrito entre as interfaces e o cálculo das paredes longitudinais como consolos. Já para o cálice com interface rugosa, como foi verificada a proximidade do comportamento dos modelos físicos rugosos com uma ligação monolítica, recomendou-se o dimensionamento de suas armaduras verticais, admitindo a transferência total dos esforços, e das armaduras horizontais superiores também com o funcionamento das paredes longitudinais como consolos. Os modelos numéricos apresentaram uma boa convergência e semelhanças na fissuração e no caminho de tensões em relação aos protótipos físicos, apesar das deformações terem sido menores que as observadas experimentalmente. / This research presents a theoretical-experimental analysis of column-foundation connection through socket of precast concrete structures, with emphasis in pedestal walls. The experimental program included five models submitted to normal load with large eccentricity, changing the type and the condition of interface: three models had smooth interface and two models had rough interface. In two of smooth models, the bond was eliminated to represent the more appropriate situation of design. Two different configurations of shear keys were used in rough models. Numerical simulations, by finite elements method, were developed on the smooth models without bond, using physical and contact non-linear analyses, and on the rough socket connections, using physical non-linear analyses and perfect adherence of interfaces. The experimental results indicated the need to revalue the principal design methods for this connection. In that way, a design model was proposed for the smooth socket connection, considering friction between the interfaces, and the design of longitudinal walls was suggested as corbels. As it was verified the proximity of rough physical models behavior with a monolithic connection, its vertical reinforcings design was recommended, admitting the total transfer of the efforts. Numerical models had a good convergence and likeness with cracking and tensions field of physical prototypes, in spite of deformations have been smaller than experimental results.