Este trabalho trata do projeto e da construção de edifícios de andares múltiplos com estrutura formada por perfis de aço e está ligado a duas áreas distintas da engenharia: a acadêmica e a prática. Para a acadêmica fornece uma quantidade de informações que permitem o desenvolvimento de diversas pesquisas sobre o assunto. Para a área prática fornece parâmetros que permitem discutir a viabilidade desta modalidade construtiva e as informações mínimas para o desenvolvimento do projeto e orientação da construção. Para tanto, o conteúdo foi distribuído em 6 capítulos, onde no primeiro é feita uma análise da evolução destas construções, sob o ponto de vista arquitetônico e apresentadas algumas divergências quanto ao ensino e a aplicação desta modalidade construtiva. No segundo capítulo são discutidos alguns aspectos construtivos ligados aos sistemas estruturais já utilizados, a racionalização por ocasião do projeto e o comportamento frente a incêndios. No terceiro capítulo são analisados alguns aspectos estruturais, como os comportamentos estático, dinâmico, de segunda ordem e a influência da rigidez das ligações na rigidez global da estrutura. No quarto capítulo é abordado o sistema estrutural aporticado e desenvolvido o projeto de um edifício, com vinte pavimentos, que permite analisar o comportamento dos seus elementos constitutivos. No quinto capítulo são analisados diversos sistemas estruturais aplicáveis a estas construções, como os aporticados; os com núcleos resistentes; em \"outrigger\"; e os tubulares. Finalmente, no sexto e último capítulo apresentam-se as recomendações e conclusões consideradas pertinentes e alguns temas para pesquisas posteriores. / The aim of this work is the design and construction of multi-storey buildings with steel structures linked to two different fields of the engineering: theorical and practical. For the formar it gives a great deal of information that allows the development of several researches about the topic. For the later it gives parameters which permit discussing the viability of this kind of system, and the least information for the development of the design and guidance of the construction. For this purpouse the content of this work was divided in six chapters, starting with an analysis of the evolution of these buidings on the architectonic point of view and also shows some disagreements related to teaching and the use of this kind of system. In the second one, some constructive aspects linked to usual structural systems are showed, the rationalization during the projet and the behaviour facing tires are discussed. The third chapter deals with some structural aspects as static and dynamic basis of second order and the influence of the stiffness of conections to determine the global stiffness of the structure. In the fourth chapter the complete analysis of the framed structure analysis in a 20 storey-building was developed. The fifth chapter discusses some alternative proposals to the structural system of the building treated in the late chapter; those with a resistent core system, an outrigger and the tube shaped structure. Finally, in the last chapter the remarks and conclusions are presented and some topics for posterior researches are suggested.

Este trabalho trata do projeto e da construção de edifícios de andares múltiplos com estrutura formada por perfis de aço e está ligado a duas áreas distintas da engenharia: a acadêmica e a prática. Para a acadêmica fornece uma quantidade de informações que permitem o desenvolvimento de diversas pesquisas sobre o assunto. Para a área prática fornece parâmetros que permitem discutir a viabilidade desta modalidade construtiva e as informações mínimas para o desenvolvimento do projeto e orientação da construção. Para tanto, o conteúdo foi distribuído em 6 capítulos, onde no primeiro é feita uma análise da evolução destas construções, sob o ponto de vista arquitetônico e apresentadas algumas divergências quanto ao ensino e a aplicação desta modalidade construtiva. No segundo capítulo são discutidos alguns aspectos construtivos ligados aos sistemas estruturais já utilizados, a racionalização por ocasião do projeto e o comportamento frente a incêndios. No terceiro capítulo são analisados alguns aspectos estruturais, como os comportamentos estático, dinâmico, de segunda ordem e a influência da rigidez das ligações na rigidez global da estrutura. No quarto capítulo é abordado o sistema estrutural aporticado e desenvolvido o projeto de um edifício, com vinte pavimentos, que permite analisar o comportamento dos seus elementos constitutivos. No quinto capítulo são analisados diversos sistemas estruturais aplicáveis a estas construções, como os aporticados; os com núcleos resistentes; em \"outrigger\"; e os tubulares. Finalmente, no sexto e último capítulo apresentam-se as recomendações e conclusões consideradas pertinentes e alguns temas para pesquisas posteriores. / The aim of this work is the design and construction of multi-storey buildings with steel structures linked to two different fields of the engineering: theorical and practical. For the formar it gives a great deal of information that allows the development of several researches about the topic. For the later it gives parameters which permit discussing the viability of this kind of system, and the least information for the development of the design and guidance of the construction. For this purpouse the content of this work was divided in six chapters, starting with an analysis of the evolution of these buidings on the architectonic point of view and also shows some disagreements related to teaching and the use of this kind of system. In the second one, some constructive aspects linked to usual structural systems are showed, the rationalization during the projet and the behaviour facing tires are discussed. The third chapter deals with some structural aspects as static and dynamic basis of second order and the influence of the stiffness of conections to determine the global stiffness of the structure. In the fourth chapter the complete analysis of the framed structure analysis in a 20 storey-building was developed. The fifth chapter discusses some alternative proposals to the structural system of the building treated in the late chapter; those with a resistent core system, an outrigger and the tube shaped structure. Finally, in the last chapter the remarks and conclusions are presented and some topics for posterior researches are suggested.

Thesis (MScEng (Civil Engineering))--University of Stellenbosch, 2006. / The predominately manual, time-consuming and error-prone procedure currently used in engineering offices for the calculation of preliminary column forces in multi-storey buildings constitutes the motive for the research described in this study. Identifying the current procedure as in need of improvement, techniques and prototype software posing a semi-automated alternative, are developed. Influence areas used for load-assignment are established with the use of a Voronoi diagram calculated for a specific floor geometry. The forces transferred to the columns are based solely on the size of the influence areas thus calculated. The definition of the floor geometry, as well as the definition of loads and other necessary input parameters, are performed in a CAD-system, into which the Voronoi functionality is integrated. The accuracy of the forces obtained with the implemented procedure and, consequently, the accuracy of the forces as they are calculated in current practice, is determined through comparison with the results of finite element analyses. The comparative analysis of a sample of typical floor geometries allows an evaluation of the results and the identification of tendencies observed regarding the errors obtained. It is concluded that calculating column forces based on influence areas, i.e. solving a geometrical problem without taking any stiffness properties into account, is unsafe. The implication hereof is twofold. Firstly, it serves as a warning concerning the technique currently used in practice and secondly, it steers the investigation in the direction of a finite element analysis: using the influence areas as a basis for automatic meshing, a semi-automated analysis can be performed relatively inexpensively, using plate elements.

Thesis (M. Hous. M.)--University of Hong Kong, 1998. / Includes bibliographical references (leaves 89-93).

Thesis (M.Hous.M.)--University of Hong Kong, 1998. / Includes bibliographical references (leaves 89-93). Also available in print.

With the advancement in knowledge of inelastic response of structures, the design and construction practices of reinforced concrete buildings have been changing worldwide. Most of the codes are incorporating the near-fault factors and performance based designs in the seismic codes. However, further investigation is needed to identify the physical behaviour of multi-storey buildings to near-fault ground motions. At present, quantitative evaluation of response and its mitigation to near field ground motions is a popular topic in earthquake engineering field. The present study discusses the inelastic response of symmetric and asymmetric multi-storey buildings to near-fault ground motions. The possibility of design approach is based on ‘expendable top storey’ for the multi-storey RC- buildings to near field records. If such behaviour is feasible one can conceive of a structure whose top storey is permitted and designed to undergo large inelastic deformations while reducing damage in the lower storey. The concept was first proposed in an earlier research (RaghuPrasad, 1977). Such a concept juxtaposes the often-mentioned ‘soft first storey’ concept. Further in this report, the performance evaluation of multi-storey buildings near Chiplun fault in Mumbai, India is also discussed. The thesis is organized in the following chapters: Introduction in Chapter-1 contains detailed literature review on inelastic response of symmetric and asymmetric buildings, response of buildings to near-fault records, elastic and inelastic vibration absorber concepts and performance based designs. The literature reveals that considerable amount of research has been carried out on the elastic, inelastic response of structures and vibration absorber concepts to ordinary ground motions. Recently, the effect of near field ground motions on the response of multi-storey buildings is gaining much importance. Most of the research publications are available on response of symmetric buildings subjected to near field ground motions. But many problems are yet to be investigated. They are, identification of important ground motion parameters in near fault records, vibration absorber concepts and torsional response of structures subjected to pulse type ground motions. These problems are clearly mentioned in the recently published state-of-the-art review by Shuang and Li-Li (2007). In this report an attempt has been made to solve these problems. Effect of near-fault ground motions on symmetric multi-storey buildings in Chapter-2, describes simplified non-dimensionalized equations of motion to study the response behaviour of multi-storey buildings to near fault records. The non-dimensionalized equations of motion are expressed in terms of near fault ground motion parameters. The objective is to find a relation between ductility demand and near field ground motion parameters through neural network approach. For this a neural network modeling was done to predict the ductility demand in terms of peak ground acceleration, peak ground velocity, epicentral distance and pulse period of the near field ground motion. A thorough sensitive analysis is carried out, to ascertain which parameters are having maximum influence on ductility demand. In this chapter further, a comparative study is made on the inelastic seismic response of multi-storey buildings to pulse type and non pulse type ground motions. The study shows that, it is necessary to consider the effect of near fault ground motions separately and make provisions for the design in the codes of practice accordingly. Vibration absorber effect in multi-storey buildings in chapter-3, discusses the behaviour of top storey as a vibration absorber during near field ground motions. For this purpose, a five storey symmetric building model is considered as an example problem to demonstrate the effectiveness of the proposed concept. Response of the structure is obtained for the various combinations of absorber storey parameters such as mass ratio, frequency ratio and yield displacement ratio. Here mass ratio means mass of the absorber storey to that of the bottom storey and similarly for the frequency and yield displacement ratios. Observing the storey-wise variation of these responses, we can say that for a range of mass ratios, frequency ratios and yield displacement ratios, the inelastic response of top storey is large compared to the lower storeys. This range is termed as ‘effective range’. Further, in this range the top storey absorbs the vibration energy of the structure by keeping the lower storeys in elastic state i.e. acts as a vibration absorber. The top storey can also be termed as ‘expendable top storey’. Effect of near-fault ground motions on asymmetric multi-storey buildings in Chapter-4, discusses the inelastic response of asymmetric buildings to single horizontal component and two horizontal components of near fault ground motions viz., fault normal and fault parallel components. For numerical investigations eight building models are considered. Eccentricity has been created by keeping the stiffness and mass centre separately. The building models are subjected to strong motion records of Imperial Valley Array-5 (1979) and Northridge-Sylmar (1994). A detailed study on the effect of base shear strength, eccentricity and pulse period of near fault ground motions on the response is investigated. Performance of multi-Storey buildings in Chapter-5, reported a detailed procedure for the performance evaluation of structures. The procedure is applied to find the performance evaluation of multi-storeyed buildings located in near fault region. Chiplun fault in Mumbai, India has been chosen for the study because several features of that fault are clearly published (RaghuKanth and Iyengar, 2006). Results of performance evaluation of five and ten storeyed symmetric buildings with and without infill panels are studied. Ground motion records consistent with the hazard spectrum for the design are considered. The performance of the building near the Chiplun fault in Mumbai, India shows operational under UHS-500 (uniform hazard spectrum) event and it collapses when the building is exposed to UHS-2500 record. The thesis is concluded in Chapter-6 with an overall summary of the report and suggestions for further scope of the work.

published_or_final_version / Housing Management / Master / Master of Housing Management

Estruturas em concreto pré-moldado vêm sendo utilizadas com freqüência em sistemas reticulados do tipo multi-piso, destinados às mais variadas atividades como: estabelecimentos comerciais, estacionamentos, escolas, hospitais e etc. A utilização de ligações viga-pilar do tipo semi-rígida constitui uma alternativa interessante para o enrijecimento e para a garantia da estabilidade global deste tipo de estrutura. Atualmente, a rigidez e a resistência destas ligações têm sido determinadas por ensaios de modelos em escala real. Estes ensaios, além de apresentarem um custo elevado, têm aplicação restrita à ligação examinada o que torna esta metodologia limitada e não adequada à prática de elaboração de projeto. Apresenta-se, neste trabalho, um modelo mecânico para determinação numérica da relação força-deslocamento de uma ligação viga-pilar semi-rígida a partir da contribuição da rigidez individual de cada componente de transferência de força utilizado na vinculação. A formulação do equilíbrio do modelo é implementada em planilha eletrônica constituindo-se numa ferramenta de cálculo para o projetista, permitindo o estudo, de forma rápida e amigável, da influência do posicionamento e da rigidez individual de cada componente de transferência de força na rigidez e na resistência da ligação. Este modelo mecânico foi utilizado para o cálculo da rigidez à rotação para momento fletor positivo de uma ligação viga-pilar ensaiada em laboratório. Os valores para a rigidez da ligação obtidos em ensaio e pelo modelo mecânico ficaram muito próximos. Da formulação do equilíbrio do modelo mecânico pode-se extrair ainda uma matriz de rigidez que é utilizada na representação da ligação semi-rígida no modelo de barra da estrutura. Um programa computacional foi desenvolvido para a análise de pórticos planos com ligação viga-pilar semi-rígida considerando ainda as não linearidades físicas e geométricas do modelo de cálculo. O programa foi validado pela comparação de resultados de exemplos também processados no programa ANSYS. A não-linearidade geométrica é considerada pelo método modal, não incremental-iterativo, e que obtém a parcela não-linear da resposta estrutural pela combinação dos seus modos de flambagem. A não-linearidade física do concreto é considerada pelo método da rigidez secante no qual a rigidez de cada barra da estrutura é reduzida na análise conforme suas armaduras e o nível de sua solicitação. Para o cálculo da rigidez secante dos pilares desenvolveu-se um programa que permite a consideração de armaduras ativas e passivas na seção. A análise de alguns exemplos revelou que a protensão dos pilares é também uma alternativa interessante para o enrijecimento da estrutura. Além de exemplos práticos, outros temas pertinentes ao projeto deste tipo de estrutura como: estabilidade na fase construtiva, esforços finais após a montagem, efeitos dependentes do tempo, assimetria de rigidez e plastificação das ligações, são também abordados no trabalho. / Precast concrete multi-storey structures have been more frequently used to construct commercial buildings, parking, schools and hospitals. The use of semi-rigid beam-tocolumn connections is a good strategy to guarantee the global stability of this type of structure. Actually the rigidity and the strength of this type of connection are obtained in an experimental program using full scale prototypes. This procedure is not only expensive but limited and not adequate for design since the results are only valid for the examined connection. This research presents a mechanical model used to determine numerically the force-displacement relationship of a beam-to-column semirigid connection. The procedure uses the contribution of any individual force transfer component active in the connection. The equilibrium equation of the model is implemented in an electronic-worksheet where the designer can rapidly and friendly study the influence of the position and the individual rigidity of each force transfer component in the global rigidity and strength of the connection. For validation, this procedure was used to calculate the flexural rigidity for positive bending moment of a beam-to-column semi-rigid connection that was tested in laboratory. The numerical values of the connection rigidity obtained by test and by the mechanical model are very close. The matrix used in the formulation of the mechanical model equilibrium can also be used to represent the semi-rigid connection in the finite element model of the structure. A computational program was developed for plane frame analysis including semi-rigid beam-to-column connections and both physical and geometric nonlinearities. The program was tested by comparing the results of some examples that are also analysed in the ANSYS program. The geometric nonlinearity is considered by a modal method where the nonlinear response of the structure is obtained by a combination of its buckling modes. The physical nonlinearity of the concrete is considered by the secant rigidity method. In this method the rigidities of all concrete bars in the structure are reduced by coefficients that depend of the reinforcement in the cross section and the level of the efforts. A special computational program was developed to calculate the secant rigidity for a concrete cross section with reinforcing bar and prestressing steel. The analysis of some examples shows that the use of prestressing steel in collums is also an interesting alternative to sttifen the structure. Beyond of some practical examples, others themes related to the design of this type of structure like: stability in the erection process, efforts in the end of the erection process, time-dependent effects, non symmetrical and plastic behavior of the connections, are also treated in this work.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Conventional structural analysis of buildings in reinforced concrete is performed considering beam-column connections as rigid. However, experimental results prove the existence of relative rotations in beam-column connections of reinforced concrete structures, showing the partial transfer of bending moment. In this study the influence of the stiffness of beam-column connections on the structural behavior of multi-storey buildings in reinforced concrete was investigated. On a first stage, the value of the rotation restriction of connections was varied, observing the impact on horizontal displaceability of the structure, on the γz coefficient, on the negative and positive moments of the beams and on the longitudinal reinforcement of the pillars. This analysis was performed for buildings with 05, 10, 15 and 19 floors. The results show that the reduction of the rotation restriction of connections increases the values of the horizontal displacements, of the γz coefficient, of the positive moments and of the reinforcement of the pillars. The increases that occur on the values of the analyzed parameters become larger as the number of floors of buildings increases. On a second stage, the same building was calculated with rigid connections and deformable connections. In order to determine the factor αR of deformable connections, two analytical models available in literature were used, and a comparison between the results obtained by each analytical model was also performed. Based on the results, it is concluded that neglecting the influence of the stiffness of the beam-column connections on the analysis of monolithic reinforced concrete structures may result in different solutions compared to the real behavior of the structure. The stiffness values obtained with the analytical models that were used differ considerably from the condition of rigid connections, suggesting an adjustment on the standard consideration of rigid connections adopted by the computer programs of structural calculation. / A análise estrutural convencional de edificações em concreto armado é realizada considerando as ligações viga-pilar como rígidas. Entretanto, resultados experimentais comprovam a existência de rotações relativas nas ligações viga-pilar de estruturas de concreto armado, evidenciando a transmissão parcial de momento fletor. Neste trabalho foi investigada a influência da rigidez das ligações viga-pilar no comportamento estrutural de edificações de múltiplos pavimentos em concreto armado. Em uma primeira etapa, variou-se o valor de restrição à rotação das ligações observando os impactos na deslocabilidade horizontal da estrutura, no coeficiente γz, nos momentos negativos e positivos das vigas e nas armaduras longitudinais dos pilares. Esta análise foi realizada para edificações com 05, 10, 15 e 19 pavimentos. Observou-se por meio dos resultados que a redução da rigidez à rotação das ligações provoca aumento nos valores dos deslocamentos horizontais, do coeficiente γz, dos momentos positivos das vigas e das armaduras dos pilares. Os acréscimos ocorridos nos valores dos parâmetros analisados são maiores à medida em que se aumentam o número de pavimentos das edificações. Em uma segunda etapa, calculou-se uma mesma edificação com ligações rígidas e com ligações deformáveis. Para determinação da restrição à rotação das ligações deformáveis, utilizaram-se dois modelos analíticos disponíveis na literatura, realizando-se, também, uma comparação entre os resultados obtidos pelos modelos. Com base nos resultados, conclui-se que negligenciar a influência da rigidez das ligações viga-pilar na análise de estruturas monolíticas em concreto armado pode gerar soluções muito diferentes do comportamento real da estrutura na prática. Os valores de rigidez obtidos pelos modelos analíticos utilizados divergem consideravelmente da condição de ligações rígidas, sugerindose a adequação na consideração padrão de ligações rígidas adotada pelos programas computacionais de cálculo estrutural. / Mestre em Engenharia Civil

Estruturas em concreto pré-moldado vêm sendo utilizadas com freqüência em sistemas reticulados do tipo multi-piso, destinados às mais variadas atividades como: estabelecimentos comerciais, estacionamentos, escolas, hospitais e etc. A utilização de ligações viga-pilar do tipo semi-rígida constitui uma alternativa interessante para o enrijecimento e para a garantia da estabilidade global deste tipo de estrutura. Atualmente, a rigidez e a resistência destas ligações têm sido determinadas por ensaios de modelos em escala real. Estes ensaios, além de apresentarem um custo elevado, têm aplicação restrita à ligação examinada o que torna esta metodologia limitada e não adequada à prática de elaboração de projeto. Apresenta-se, neste trabalho, um modelo mecânico para determinação numérica da relação força-deslocamento de uma ligação viga-pilar semi-rígida a partir da contribuição da rigidez individual de cada componente de transferência de força utilizado na vinculação. A formulação do equilíbrio do modelo é implementada em planilha eletrônica constituindo-se numa ferramenta de cálculo para o projetista, permitindo o estudo, de forma rápida e amigável, da influência do posicionamento e da rigidez individual de cada componente de transferência de força na rigidez e na resistência da ligação. Este modelo mecânico foi utilizado para o cálculo da rigidez à rotação para momento fletor positivo de uma ligação viga-pilar ensaiada em laboratório. Os valores para a rigidez da ligação obtidos em ensaio e pelo modelo mecânico ficaram muito próximos. Da formulação do equilíbrio do modelo mecânico pode-se extrair ainda uma matriz de rigidez que é utilizada na representação da ligação semi-rígida no modelo de barra da estrutura. Um programa computacional foi desenvolvido para a análise de pórticos planos com ligação viga-pilar semi-rígida considerando ainda as não linearidades físicas e geométricas do modelo de cálculo. O programa foi validado pela comparação de resultados de exemplos também processados no programa ANSYS. A não-linearidade geométrica é considerada pelo método modal, não incremental-iterativo, e que obtém a parcela não-linear da resposta estrutural pela combinação dos seus modos de flambagem. A não-linearidade física do concreto é considerada pelo método da rigidez secante no qual a rigidez de cada barra da estrutura é reduzida na análise conforme suas armaduras e o nível de sua solicitação. Para o cálculo da rigidez secante dos pilares desenvolveu-se um programa que permite a consideração de armaduras ativas e passivas na seção. A análise de alguns exemplos revelou que a protensão dos pilares é também uma alternativa interessante para o enrijecimento da estrutura. Além de exemplos práticos, outros temas pertinentes ao projeto deste tipo de estrutura como: estabilidade na fase construtiva, esforços finais após a montagem, efeitos dependentes do tempo, assimetria de rigidez e plastificação das ligações, são também abordados no trabalho. / Precast concrete multi-storey structures have been more frequently used to construct commercial buildings, parking, schools and hospitals. The use of semi-rigid beam-tocolumn connections is a good strategy to guarantee the global stability of this type of structure. Actually the rigidity and the strength of this type of connection are obtained in an experimental program using full scale prototypes. This procedure is not only expensive but limited and not adequate for design since the results are only valid for the examined connection. This research presents a mechanical model used to determine numerically the force-displacement relationship of a beam-to-column semirigid connection. The procedure uses the contribution of any individual force transfer component active in the connection. The equilibrium equation of the model is implemented in an electronic-worksheet where the designer can rapidly and friendly study the influence of the position and the individual rigidity of each force transfer component in the global rigidity and strength of the connection. For validation, this procedure was used to calculate the flexural rigidity for positive bending moment of a beam-to-column semi-rigid connection that was tested in laboratory. The numerical values of the connection rigidity obtained by test and by the mechanical model are very close. The matrix used in the formulation of the mechanical model equilibrium can also be used to represent the semi-rigid connection in the finite element model of the structure. A computational program was developed for plane frame analysis including semi-rigid beam-to-column connections and both physical and geometric nonlinearities. The program was tested by comparing the results of some examples that are also analysed in the ANSYS program. The geometric nonlinearity is considered by a modal method where the nonlinear response of the structure is obtained by a combination of its buckling modes. The physical nonlinearity of the concrete is considered by the secant rigidity method. In this method the rigidities of all concrete bars in the structure are reduced by coefficients that depend of the reinforcement in the cross section and the level of the efforts. A special computational program was developed to calculate the secant rigidity for a concrete cross section with reinforcing bar and prestressing steel. The analysis of some examples shows that the use of prestressing steel in collums is also an interesting alternative to sttifen the structure. Beyond of some practical examples, others themes related to the design of this type of structure like: stability in the erection process, efforts in the end of the erection process, time-dependent effects, non symmetrical and plastic behavior of the connections, are also treated in this work.