In this research, two phases of work were conducted. First, an investigation into the durability concerns for precast prestressed concrete piles exposed to marine environments was conducted. The investigation characterized the durability concerns of chemical, biological, and physical deterioration mechanisms. The results of this study were used to develop potential high performance marine concretes (HPMC) that would be capable of 100+ year service lives in marine environments. Extensive durability testing and service life modeling of the HPMC was performed. Chloride ingress resistance was investigated using accelerated and long-term test procedures and the results used to perform service life modeling to predict the time before corrosion initiation. Sulfate resistance characterization was performed using multiple techniques to characterize the physical and chemical behavior of binder compositions containing binary or ternary mixes containing cement and supplementary cementitious materials (SCM's) subjected to a sulfate-laden environment. Accelerated carbonation testing and material characterization led to the finding of relationships in the chemical composition of mix designs and the observed durability and the results used to perform corrosion initiation service life modeling. An investigation into the influence of self-healing of cracked concrete led to fundamental findings on the behavior of chloride ingress for cracked concrete structures in marine environments. The results of this research led to the development of concrete mix designs capable of providing service lives over 100 years in Georgia's marine environments, as well as the advancement of the current state of knowledge on the durability characteristics of ternary mix designs.

The Texas Department of Transportation (TxDOT) has completed the design of a signature bridge in Fort Worth, TX. The proposed structure is comprised of precast, post-tensioned concrete network arches. The arches will be cast on their sides and then rotated into the vertical orientation. Concerns exist about the durability and stability of the arches during stressing, handling, and transportation. The rotation process in particular represents a critical period in the life of the arches. A monitoring system was proposed to track stresses in the arches throughout the construction operations. The primary goals of the project are to install vibrating wire gages (VWGs) in the arches prior to casting to monitor the performance of the arches until the bridge is completed. The instrumentation will be used to provide real-time feedback to TxDOT and the contractor during stressing, handling, and bridge construction. This thesis focuses on the results of a preliminary laboratory study conducted in support of the instrumentation initiative. The purpose of the study was two-fold: to establish the capabilities and limitations of the VWGs and to study the buckling behavior of slender concrete elements with unbonded post-tensioning. More than sixty axial load tests were performed on two slender concrete specimens instrumented with VWGs. Observations are made on the accuracy and reliability of the VWGs. In general, the VWGs were found to be both accurate and reliable in measuring structural parameters and reporting trends in behavior, even at low loads. Some apparent errors were identified, but these were attributed to testing inconsistencies and scale factors rather than to gage error. Observations were also made on the buckling behavior of the elements under a variety of axial loading configurations. The effects of the engagement of the tensioned strand with the duct had a significant impact on the behavior. Strand engagement was shown to increase the buckling capacity of the members through stiffening action, but did not necessarily eliminate the risk of instability. Both the gage resolution study and the stability tests are expected to significantly enhance the ability of the research team to support the arch construction operations. / text

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de NÃvel Superior / A nÃo linearidade fÃsica e geomÃtrica tem grande influÃncia sobre o comportamento estrutural de edifÃcios de concreto prÃ-moldado com ligaÃÃes semirrÃgidas, principalmente no que diz respeito a sua estabilidade global. Apesar disto, a maioria dos estudos sobre a estabilidade global de edifÃcios com ligaÃÃes semirrÃgidas à baseada no uso de anÃlises lineares, com os efeitos nÃo lineares sendo considerados atravÃs de mÃtodos simplificados. Assim, este trabalho visa estudar a estabilidade depÃrticos planos de concreto prÃ-moldado considerando o efeito das ligaÃÃes semirrÃgidas e a nÃo linearidade geomÃtrica e fÃsica. As ligaÃÃes sÃo modeladas atravÃs de um elemento finito de ligaÃÃo desenvolvido e implementado neste trabalho. A nÃo linearidade geomÃtrica à tratada atravÃs do uso de um elemento de pÃrtico plano baseado na formulaÃÃo corrotacional. A nÃo linearidade fÃsica à considerada utilizando as curvas tensÃo-deformaÃÃo da NBR 6118:2003 para aÃo e o concreto. A integraÃÃo dos esforÃos à realizada atravÃs do MÃtodo das Fatias,implementado neste trabalho. As formulaÃÃes e implementaÃÃes foram validadas utilizando resultados disponÃveis na literatura. A influÃncia da rigidez das ligaÃÃes sobre a estabilidade global, incluindo deslocamentos e esforÃos, foi estudada utilizando anÃlises lineares e nÃo lineares. Verificou-se que o aumento da rigidez das ligaÃÃes reduz sensivelmente os deslocamentos laterais e efeitos de 2 ordem de pÃrticos de concreto prÃ-moldado, mostrando que as ligaÃÃes semirrÃgidas podem ser utilizadas como alternativa para garantir a estabilidade global. Verificou-se ainda que o parÃmetro γz à uma ferramenta satisfatÃria para avaliar deslocamentos e momentos fletores na maioria dos casos, principalmente para ligaÃÃes com maior rigidez. / The material and geometric nonlinearity has a strong influence on the structural stability of precast concrete buildings with semi-rigid connections. However, most studies about the global stability of such buildings are based on linear analyses, with the nonlinear effects being evaluated using approximate methods. Therefore, this work aims to assess the effect of the connection stiffness in the stability of precast concrete plane frames considering the geometric and material nonlinearities. The semi-rigid connections are modeled using a connection element developed and implemented in this work. The geometric nonlinearity due to large displacements is accounted for using plane frame elements based on the co-rotational formulation. The material nonlinearity is considered using the steel and concrete stress-strain curves of the NBR 6118:2003 standard. The stress integration is carried-out using the fiber method, implemented in this work. The formulations and implementations performed in this work were verified and validated using results available in the literature. After that, the influence of the connection stiffness on the global stability was studied using linear and nonlinear analyses. The results showed that the increase of connection stiffness greatly reduced the lateral displacementsand the second-order effects of precast concrete frames, indicating that semi-rigid connections are an alternative to avoid stability problems of precast concrete frames. It was also concluded that the parameter γz generally leads to accurate displacements and bending moments, especially for frames with high stiffness connections.

A demanda por construções habitacionais vem crescendo de forma considerável nos últimos anos, devido à boa fase da economia brasileira. A busca por processos construtivos que contribuam para melhor qualidade e eficiência no processo de produção é uma meta que tem sido perseguida por aqueles que militam na construção civil. O objetivo deste trabalho consiste em apresentar critérios para projeto de paredes portantes de concreto pré-moldado, como alternativa de sistema construtivo para edifícios. São apresentados conceitos teóricos para distribuição de esforços horizontais e verticais entre as paredes e para dimensionamento dos elementos estruturais desse sistema construtivo (paredes e juntas). O trabalho também considera a análise de um edifício, com o objetivo de avaliar a influência das juntas verticais nos deslocamentos horizontais dos pavimentos, causados pelo vento. É apresentada, ainda, uma comparação entre os resultados de três modelos numéricos, em que cada um considera a junta vertical de forma diferente. Os modelos numéricos foram elaborados no programa SAP2000, admitindo-se uma análise elástica linear, sem considerar a interação solo-estrutura. Por fim são mostrados exemplos para dimensionamento de paredes portantes e de juntas verticais e horizontais. Portanto este trabalho apresenta conceitos teóricos e aplicações de critérios para projeto de estruturas de paredes portantes pré-moldadas, ressaltando a importância de juntas verticais resistentes ao cisalhamento, por conta da contribuição significativa dessas juntas na redução dos deslocamentos horizontais do edifício. / The demand for housing has been growing considerably in recent years due to the good moment of the Brazilian economy. The search for constructive processes that contribute towards better quality and efficiency in a production process is a target that has been pursued by those who militate in civil construction. The purpose of this work is to provide design criteria for loadbearing walls of precast concrete as a construction system alternative for buildings. Theoretical concepts are presented for horizontal and vertical load distribution among the walls and for the structural members design of this construction system (walls and joints). The work also considers the analysis of a building with the aim of evaluating the influence of vertical joints in horizontal displacements of the floors caused by wind. The work also presents a comparison among the results of three numerical models, wherein each one considers the vertical joint differently. The numerical models were developed in SAP2000 software, assuming a linear elastic analysis without considering the soil-structure interaction. Finally examples are shown for design of loadbearing walls and vertical and horizontal joints. Therefore this paper presents theoretical concepts and applications of criteria for the design of loadbearing precast walls structures, emphasizing the importance of vertical joints resistant to shear, due to the significant contribution of these joints in reducing the horizontal displacements of the building.

Os sistemas construtivos vêm surgindo e evoluindo de acordo com a necessidade e a demanda de obras. Recentemente, a utilização de paredes portantes pré-moldadas vem sendo explorada como alternativa para construir edifícios com rapidez e eficácia. Outra tecnologia mais recente é o Concreto Ultraleve® Estrutural, ou concreto leve com EPS (CLE), em que o agregado graúdo e parte do miúdo são substituídos por pérolas de poliestireno expandido (EPS), contribuindo para reduzir o peso total do edifício, consequentemente diminuindo os esforços na estrutura e promovendo a redução nos custos com transporte e montagem dos elementos pré-moldados. Este trabalho apresenta como deve ser feito o dimensionamento de paredes portantes pré-moldadas, utilizando normas nacionais e internacionais. O principal objetivo do trabalho é apresentar um programa computacional desenvolvido para facilitar a análise e o dimensionamento de edifícios com paredes de concreto pré-moldado. Além disso, mostra-se o uso do programa para comparar o comportamento de edifício constituído por concreto com EPS e por concreto armado comum, e para avaliar a influência das juntas verticais na rigidez global. Portanto, além da importância acadêmica, este trabalho poderá ser de grande utilidade para o projeto de edifícios com paredes portantes pré-moldadas. / The construction systems have emerged and improved according to need and demand of works. Recently, the use of precast concrete walls has been explored as an alternative to construct buildings quickly and effectively. Another more recent technology is the lightweight concrete with polystyrene, wherein polystyrene beads replace the coarse aggregate and a part of the fine ones, contributing to reduce the weight of the building, thus decreasing the efforts in the structure and promoting a reduction in the cost of transport and erection of precast elements. This work shows how should be done the design of precast concrete walls using national and international standards. The main objective of the work is to present a computer program developed to facilitate the analysis and design of buildings with precast concrete walls. Moreover, the use of the program is shown to compare the behavior of building made with EPS concrete and ordinary concrete, and to evaluate the influence of vertical joints in the global stiffness. Therefore, besides the academic importance, this work can be useful for the design of buildings with precast loadbearing walls.

No presente trabalho trata-se de um estudo da contribuição de painéis pré-moldados de fechamento no enrijecimento da estrutura principal, com relação às ações laterais. Inicialmente são apontados os critérios correntes de dimensionamento dos painéis pré-moldados de fechamento sem a consideração da interação destes com a estrutura principal. Em seguida, são desenvolvidas simulações numéricas em três exemplos com o objetivo de avaliar tal efeito. Estes exemplos englobam as seguintes situações: painel isolado, estrutura de um pavimento e uma estrutura de vários pavimentos. Os principias parâmetros analisados são os deslocamentos na estrutura principal, os esforços nas ligações e as tensões nos painéis. Os resultados obtidos mostram a importância da contribuição dos painéis no enrijecimento da estrutura principal. Na estrutura de um único pavimento analisada, a consideração de interação possibilita a passagem de situação em que os efeitos globais de segunda ordem são relevantes para aquela em que tais efeitos são desprezíveis. Para a estrutura analisada de vários pavimentos, a consideração de interação resulta em significativas economias de materiais apontando para economia da ordem de 20% na estrutura principal. Com base nos resultados, conclui-se que os painéis de fechamento pode ser incorporados numa estratégia de projeto, possibilitando economia na estrutura principal. / This work presents a study of the precast panels contribution in the main frame stiffness, subjected to lateral loads. At first, currents criteria of panels design are analyzed, without considering the interaction with the main frame. After that, three examples are calculated using numerical simulation to evaluate this effect. These examples include the following situations: a single panel, an one-story frame and a multi-story frame. The parameters are: the frame displacements, the connections efforts and the panels tensions. The results show the magnitude of the panels contribution. In fact, to the one-story frame, it was possible to pass from a flexible structure where the second-order effects must be taken into account to an other one where this effects could be neglected. For the multi-story frame analysis, the panels contribution produced an effective material economy of about 20% (and consequent cost reduction). Basing on these results, one can conclude that the infill panels can be included in the design strategy with economy for the structural system.

Este trabalho aborda um tipo de passarela que está ganhando bastante notoriedade internacionalmente. Inúmeras obras vêm sendo construídas em diversos países, embora no Brasil ainda seja quase desconhecida. Basicamente, a estrutura é composta por cabos livremente suspensos, sobre os quais se apóia o tabuleiro formado por elementos pré-moldados de concreto. A protensão é utilizada como forma de enrijecer o conjunto. Dentre suas principais características, estão a rapidez e a facilidade de execução, a estética bastante agradável e o custo competitivo. Inicialmente, apresenta-se uma conceituação básica e um estado da arte. Em seguida, é estudado o comportamento estrutural da passarela. Alguns tópicos relativos à análise dinâmica e às fundações são brevemente comentados. Finalizando a dissertação, é feita uma aplicação numérica, enfatizando os aspectos que a diferenciam das estruturas convencionais / This work treats a kind of pedestrian bridge that is standing out internationally. Several structures have been built in different countries, although they are almost unknown in Brazil. Basically, the deck is formed by precast concrete elements over free suspended cables. Prestressing is applied behind the abutments to provide rigidity to the structure. Quick and easy to assemble, aesthetically beautiful and the competitive cost are some of their main features. First, the basic concepts and a state of art are presented. Then, the structural behavior is studied. Some questions related to dynamic analysis and foundations are briefly commented. Ending the dissertation, an example is done, with emphasis to the aspects that make the stress-ribbon a non-conventional structure

Nesta dissertação é tratado o emprego de elementos pré-moldados em tabuleiros de pontes com até 30 metros de vão. São apresentadas recomendações para elaboração de projeto com ênfase para dois pontos: a) apresentação dos diversos tipos de elementos pré-moldados, seus vãos econômicos e as ligações entre os mesmos e b) apresentação do método da grelha e as considerações que se fazem necessárias para o seu emprego adequado em tabuleiros de pontes formados por elementos pré-moldados. São apresentados dois exemplos de aplicação e os resultados obtidos nestes modelos teóricos foram comparados com valores experimentais obtidos em prova de carga por outros autores. No trabalho é mostrado que o método da grelha possibilita modelar de forma muito prática tabuleiros de pontes formada por elementos pré-moldados e a comparação dos resultados, nos dois exemplos apresentados, indica uma boa precisão. / This work deals with precast concrete elements for bridge decks spanning up to 30 meters span. Design guidances are presented emphasizing two points: a) showing the several types of beam cross-sections and feasible and efficient ways to transversally connected them. b) Presentation of the grillage analysis method and the necessary considerations its use for the modeling of a bridge deck built using precast concrete elements. Two application examples are presented and theoretical model results are compared with experimental results of load tests performed by other authors. The conclusion is that the grillage analysis method allows a very practicable and accurate modeling of a bridge deck built with precast concrete elements.

A utilização de concreto leve decorre especialmente dos benefícios promovidos pela redução da massa específica do material, tais como menores esforços nas estruturas, economia com fôrmas e cimbramento, além de diminuição dos custos com transporte e montagem de construções pré-fabricadas. Atualmente, além das questões técnicas e econômicas, a escolha dos materiais de construção deve levar em conta os aspectos ambientais. Portanto, o uso de poliestireno expandido (EPS) na produção de concreto pode abrir portas para o emprego de resíduos de materiais dessa natureza, e ainda usufruir de sua baixa massa específica nas aplicações estruturais. Este trabalho teve como objetivo determinar as principais características do concreto leve com pérolas (esferas) de EPS, também conhecido como Concreto Ultraleve® ou Concreflex®, características essas necessárias para projetar elementos estruturais, e analisar o comportamento de lajes produzidas com esse novo material. Mais especificamente, foram determinadas características mecânicas, tais como: resistência à compressão, módulo de elasticidade e resistência à tração, na compressão diametral e na flexão, além de características de deformação de longo prazo, como retração e fluência. Também foi determinada a massa específica e avaliada sua relação com as características mecânicas, além dos ensaios de modelos de lajes unidirecionais produzidas com esse concreto. Para analisar a possibilidade de aplicação prática do concreto leve com EPS em lajes, foram elaboradas tabelas para pré-dimensionamento de lajes unidirecionais e bidirecionais com o novo material, nas quais essas lajes foram comparadas com as de concreto comum. Com base no procedimento experimental e nos resultados dos ensaios, o objetivo de determinar as características necessárias para projetar elementos estruturais de Concreto Leve com EPS foi alcançado. Pode-se ainda afirmar que o concreto estudado, com aproximadamente metade da massa específica dos concretos convencionais, apresenta características compatíveis com a produção e o uso comercial de lajes maciças, principalmente pré-moldadas, o que pode ser estendido a outros elementos que não necessitem de concretos com resistência muito alta. Também foi avaliado o comportamento de modelos de lajes de concreto leve com poliuretano (PU), de maneira semelhante ao estudo realizado com EPS, incluindo a caracterização do concreto de cada modelo. Para complementar a análise de desempenho do concreto leve com EPS, apresentou-se um estudo de carbonatação, que comprovou a excelente condição desse novo material com relação à durabilidade. / The use of lightweight concrete is mainly due to the benefits provided by reducing the density of the material such as smaller efforts on structures, economy of molds and scaffolding, as well as lower costs of transportation and erection of precast constructions. Currently, besides the technical and economic issues, the choice of building materials should take into account environmental aspects. Therefore, the use of expanded polystyrene (EPS) in the concrete production can open doors for the use of waste materials of this nature, and still to take advantage of its low density in structural applications. This study aimed to determine the main characteristics of the lightweight concrete with EPS beads (spheres), also named Ultra Lightweight Concrete, characteristics which are necessary to design structural members, and analyze the behavior of slabs produced with this new material. More specifically mechanical properties were determined, such as compressive strength, modulus of elasticity, and splitting and flexural tensile strength, as well as long term deformation properties such as shrinkage and creep. The density was also determined and evaluated its association with the mechanical characteristics, besides the tests of unidirectional slab models produced with this concrete. To analyze the possibility of use of the lightweight concrete with EPS in slabs, tables were compiled for pre-design of unidirectional and bidirectional slabs with this new material, in which these slabs were compared with those of common concrete. Based on the experimental procedure and results of tests, the aim of determine the characteristics necessary to design structural elements of lightweight concrete with EPS has been achieved. Can be also said that the studied concrete, with about half the density of conventional concrete, presents mechanical characteristics compatible with commercial production and use of slabs, mainly precast, conclusion which can be extended to other components that do not require concretes with very high strength. It was also assessed the behavior of slab models of lightweight concrete with polyurethane (PU) in a similar way to the study carried out with EPS, including the characterization of concrete for each model. To complement the performance analysis of the lightweight concrete with EPS a study of carbonation was presented, which proved the excellent condition of this new material with respect to durability.

Em estruturas de concreto pré-moldado, as ligações usualmente apresentam comportamento semi-rígido, apesar desse tipo de vinculação não ser sempre considerado no projeto e análise das estruturas. Ensaios dinâmicos para a determinação da rigidez da ligação apresentam a vantagem de serem não-destrutivos e a possibilidade de serem utilizados na verificação das condições reais de vínculo ou para a avaliação da necessidade de um eventual reforço estrutural. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um método para a análise da deformabilidade de estruturas de concreto baseado em ensaios dinâmicos, focalizando a semi-rigidez das ligações de elementos pré-moldados. Os objetos de estudo específicos são as ligações viga-pilar com capacidade de transmissão de forças e momentos. Em uma etapa preliminar desta pesquisa, realizaram-se ensaios-piloto em diferentes modelos de estruturas de concreto e de aço, em tamanho real e reduzido, com diferentes condições de contorno, para avaliar os instrumentos, equipamentos e sensores disponíveis. A partir da verificação da metodologia experimental proposta, realizou-se um estudo comparativo dos resultados obtidos com ensaios estáticos e dinâmicos em um modelo reduzido de pórtico de concreto pré-moldado, utilizando métodos diretos na obtenção da rigidez da ligação entre os elementos. Na confecção das ligações viga-pilar, foram empregados dispositivos usuais, tais como: dente e consolo, chumbador, almofada de apoio e preenchimento com graute e, posteriormente, aplicados reforços por inserção de laminado de PRFC inseridos no concreto de cobrimento, que permitiu o incremento da resistência e da rigidez à flexão das ligações. A metodologia experimental para determinar a rigidez da ligação viga-pilar envolveu procedimentos diretos, com ensaios dinâmicos de vibração forçada e sinais medidos por acelerômetros, e ensaios estáticos usuais em que se utilizam transdutores de deslocamento e clinômetros. Os resultados dos ensaios com os modelos de concreto, corroborados pelos resultados dos modelos metálicos, demonstram a validade da utilização da metodologia experimental dinâmica para determinação direta da rigidez de ligações. As conclusões obtidas aplicam-se diretamente ao projeto das estruturas e à prática da investigação estrutural, dentro do ambiente acadêmico e da indústria. / Usually precast concrete connections are considered as perfect joints (pinned or rigid), however the real behavior can be intermediate what is called semi-rigid. The use of dynamic tests is an advantage to obtain stiffness values without damaging the structure and can be used to assess the real boundary conditions or verify the need for structural strengthening. This research aims to develop a dynamic experimental procedure to determine the beam-to-column connection stiffness of precast concrete structures directly from accelerometer measured data. The preliminary tests were carried on specimens of real size or reduced scale, as well as concrete or steel connection specimens with different boundary conditions. The experimental tests were conducted in a reduced scale concrete frame composed of precast columns and beam. The frame was tested through dynamic and static methods in order to obtain the beam-to-column stiffness value directly. The beam was connected to the columns by pinned connections, formed by support cushions and dowels. In addition, the connections were strengthened by embedding CFRP strips in the lateral concrete cover, according to NSM technique (Near-Surface Mounted). Experimental static and dynamic tests were done at different loading steps. The results obtained with concrete and steel models show good agreement between static and dynamic tests.