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Performance of buildings and bridges during past earthquakes has indicated that many of these structures are vulnerable to seismic damage and structural collapse. The deficiencies in pre-1970s design codes have resulted in poor performance of reinforced concrete structures during seismic excitations. The Richter Magnitude 6.6 - 1971 San Fernando Earthquake raised awareness for seismic retrofit needs of existing buildings for the first time. The majority of deficiencies of vulnerable concrete columns can be overcome through seismic retrofits that involve additional transverse reinforcement. This can be done either by providing reinforced concrete, steel, or fibre-reinforced polymer (FRP) jackets around existing columns; or by applying transverse prestressing to columns (RetroBelt System). The research project presented in this thesis involves a seismic retrofit methodology for seismically deficient building and bridge columns, utilizing the use of high-strength packaging straps as external reinforcement for transverse prestressing. The emphasis in the project is placed on experimental research. Three seismically deficient full-size reinforced concrete columns, with a circular, a square and a rectangular cross- section, either critical in shear or flexure, were designed, built and tested under simulated seismic loading. The results indicate that external prestressing of columns in transverse direction with high-strength steel straps improves ductility and energy dissipation capacity of seismically deficient columns. They further indicate that current analytical techniques can be used to predict the force-displacement relationships of columns. A design approach is presented for the retrofit methodology investigated.

Performance of buildings and bridges during past earthquakes has indicated that many of these structures are vulnerable to seismic damage and structural collapse. The deficiencies in pre-1970s design codes have resulted in poor performance of reinforced concrete structures during seismic excitations. The Richter Magnitude 6.6 - 1971 San Fernando Earthquake raised awareness for seismic retrofit needs of existing buildings for the first time. The majority of deficiencies of vulnerable concrete columns can be overcome through seismic retrofits that involve additional transverse reinforcement. This can be done either by providing reinforced concrete, steel, or fibre-reinforced polymer (FRP) jackets around existing columns; or by applying transverse prestressing to columns (RetroBelt System). The research project presented in this thesis involves a seismic retrofit methodology for seismically deficient building and bridge columns, utilizing the use of high-strength packaging straps as external reinforcement for transverse prestressing. The emphasis in the project is placed on experimental research. Three seismically deficient full-size reinforced concrete columns, with a circular, a square and a rectangular cross- section, either critical in shear or flexure, were designed, built and tested under simulated seismic loading. The results indicate that external prestressing of columns in transverse direction with high-strength steel straps improves ductility and energy dissipation capacity of seismically deficient columns. They further indicate that current analytical techniques can be used to predict the force-displacement relationships of columns. A design approach is presented for the retrofit methodology investigated.

Doctor of Philosophy / Department of Civil Engineering / Kyle A. Riding / ASTM recently adopted the Standard Test Method for Evaluating Bond of Seven-Wire Steel Prestressing Strand as ASTM A1081, a pull-out test procedure developed for verifying the ability of steel strands to bond to cementitious materials prior to their use as tensile reinforcement in prestressed concrete sections. The required by ASTM International precision and bias statement has not been developed for this test method. In addition, a minimum threshold value that will ensure only adequately bonding strand sources will be accepted has not yet been applied to ASTM A1081. The test method was developed after findings that prestressing steel strand sources of identical type and grade vary significantly as far as their bonding capacity. Bond is a crucial aspect of the prestressing force being transferred into the concrete, and insufficient bonding action can result in the prestressed concrete section lacking in capacity to sustain the loads that it was designed for. After an initial survey of the pull-out strength of North American Strand in mortar, three strands of differing pull-out strengths were selected for inclusion in further testing. A precision and bias statement for ASTM A1081 was developed by first performing ruggedness testing to determine how the results are affected by allowable variations in methods and materials, and followed by an inter-laboratory study to determine the reproducibility of the test method. Once the precision and bias statement for the standard test method was developed, the same strand sources were tested for their performance in concrete beams. Statistical analysis of the flexural beam testing data and correlation with the prestressing strand sources’ ASTM A1081 test results was performed, and the industry was provided with minimum acceptance criteria for prestressing strand tested by ASTM A1081, along with recommendations regarding the standard test method and aspects of prestressed concrete design.

Nos últimos anos, a protensão externa aplicada a estruturas de pontes tem evoluído de forma excepcional, o que permite maior liberdade de projeto e, consequentemente, possibilita o surgimento de novas tipologias estruturais. Um exemplo desse desenvolvimento é a ponte com protensão no extradorso, que começa a se difundir no meio técnico como uma transição econômica entre as pontes de concreto protendido e as estaiadas. A idéia, atribuída ao engenheiro francês Jacques Mathivat, consiste em utilizar protensão externa sobre os apoios intermediários, com o auxílio de pequenas torres. Neste trabalho é apresentada uma revisão bibliográfica ampla sobre os diversos tipos de pontes com emprego de protensão, visando focar nos aspectos importantes e que auxiliam no entendimento do comportamento estrutural das pontes com protensão no extradorso. É realizado, também, um estudo da flutuação de tensão nos cabos de protensão, com vistas à fadiga dos mesmos, que é um fator de extrema importância. Além disso, é realizado um vasto estudo paramétrico de diversos tipos de modelos estruturais, que têm por objetivo um aprofundamento da compreensão do comportamento estrutural das pontes com protensão no extradorso, sendo que, a partir da análise dos resultados obtidos, foram sugeridos alguns critérios de projeto. / In recent years, external prestressing applied to structures of bridges has experienced exceptional development, permitting a greater freedom in design and, consequently, the appearance of new structural typologies. An exemple of such development is the extradosed bridge, a concept that begins to spread in technical media as a low cost transition between prestressed concrete bridges and cable-stayed bridges. The idea, which should be attributed to French engineer Jacques Mathivat, consists of using external prestressing at intermediate supports, with the help of small towers. In this work, a comprehensive review of the literature about different types of bridges using prestressing is presented, aiming at the important aspects that help us understand the structural behavior of extradosed bridges. A study of stress fluctuation in prestressing cables is also presented, having in mind fatigue, an extremely important factor. Besides, an ample parametric study of different types of structural arrangements is performed, with the purpose of having a deeper understanding of the structural behavior of extradosed bridges. Analysis of the results led to suggesting some desing criteria.

O presente trabalho faz uma comparação entre resultados obtidos por um método prático e simplificado e o Método dos Elementos Finitos na determinação de esforços solicitantes em pontes celulares curvas em planta, submetidas à protensão. Na primeira parte, teórica, apresenta-se os conceitos fundamentais das vigas celulares curvas, mostrando-se principalmente as diferenças de seu comportamento em relação ao das vigas retas. Em seguida discute-se a protensão de peças de concreto com ênfase no seu efeito em vigas curvas. Finalmente, são apresentados os métodos a serem utilizados no cálculo, percorrendo as diversas situações de carregamento, mas sempre enfatizando o carregamento de protensão. Na segunda parte, prática, é elaborado um estudo comparativo, tomando-se como exemplo duas pontes rodoviárias em viga unicelular, sendo uma biapoiada e outra contínua, submetidas a protensão. Após a construção de modelos, tais vigas são processadas através de um programa comercial de elementos finitos. Alguns resultados são então comparados com aqueles obtidos através do método simplificado, elaborando-se assim observações práticas e que possam ser utilizadas nos projetos corriqueiros de engenharia. / This work compares the results from a practical and simplified method and the Finite Element Method to determinate section efforts in prestressed box-girder curved bridges. The first part, theoretical, introduces the basic principles of the cellular curved beams, showing the differences of its behavior comparing with straight beams. Next, prestressing of concrete members is discussed, emphasizing its effects in curved beams. Finally, calculation methods are presented, covering many loading situations, but always emphasizing the prestressing load. In the second part, practical, a comparative study is elaborated, taking two road unicellular bridges, one simply supported and another continuum, submitted to prestressing load. After models construction, such beams are calculated using a commercial software of Finite Element Method. Then, some results are compared with those calculated by simplified method, thus elaborating practical comments that can be used in the current designs of engineering.

No contexto da modernização da construção civil, a aplicação de elementos estruturais de concreto pré-moldado nas construções oferece comprovados benefícios à estratégia de execução das obras, dentre os quais se destacam o atendimento a vãos relativamente grandes, rapidez de montagem, leveza e excelente qualidade dos elementos que compõem a estrutura. Tratando-se especialmente do comportamento dinâmico das estruturas de concreto, os elementos pré-moldados, por apresentarem diversas situações transitórias de solicitação, devem ser avaliados quanto aos efeitos dinâmicos decorrentes da sua produção, transporte, montagem, execução das ligações, finalização da obra e uso. Considerando, nesse contexto, que a protensão é um recurso frequentemente utilizado nos elementos, evidencia-se a necessidade de estudos sobre a sua influência nos parâmetros dinâmicos. Em particular, elementos pré-fabricados protendidos, tais como painéis tipo duplo-T e lajes alveolares, têm sido muito utilizados em pisos de edifícios, todavia e não raras vezes sem uma prévia análise dinâmica quanto à vibração e ao atendimento aos limites de vibração em serviço. O presente trabalho apresenta uma síntese dos procedimentos de cálculo e verificação indicados por normas técnicas do Brasil e do Exterior para a avaliação do conforto humano quanto a vibrações excessivas, assim como os métodos analíticos empregados na determinação da frequência natural de um elemento estrutural, seja ele protendido ou não. Efetuou-se um estudo comparativo dos resultados analíticos com os de uma simulação numérica de painéis duplo-T e lajes alveolares, feita com programa computacional ANSYS, baseado no Método dos Elementos Finitos, sendo eles discutidos quanto ao Estado Limite de Vibrações Excessivas (ELS-VE). Este trabalho apresenta também um estudo experimental sobre um modelo físico de viga de concreto protendido com cabos externos, com o objetivo de demonstrar a aplicação de técnicas de caracterização dos parâmetros dinâmicos e discutir eventuais soluções para o controle ou atenuação de vibrações excessivas. Essa viga foi também analisada numericamente com o programa computacional ANSYS e feita a comparação dos resultados experimentais e numéricos. Conclui-se que, do ponto de vista do ELS-VE, os painéis duplo-T e lajes alveolares particularmente analisados são passíveis de restrições a partir de certos vãos e que, sob determinadas condições ora discutidas, o emprego de tirantes externos, protendidos ou não, podem ser aplicados no controle de vibrações, seja por aumento da rigidez do sistema viga-tirante, seja pelo controle da fissuração do concreto. / In the context of construction modernization, the application of precast concrete elements offers a good and reliable alternative in the construction strategy, among them large spans, fast assembly, lightweightness and excellent structural members quality. Dealing about dynamic behavior of concrete structures, precast elements are subjected to several loading conditions, from their manufacturing, transport, assembly, connection and finally to service. Prestressing technique is often applied in precast elements, so the influence of prestressing forces on dynamic parameters must be considered. Precast prestressed concrete elements, such as double-T panels and hollow core slabs are commonly used in building floors, but not always a previous dynamic evaluation is accomplished, so vibration problems are likely to occur. This work presents a synthesis of design procedures as recommended by the brazilian and foreign codes regarding to human comfort under vibration conditions. Analytical methods allow the determination of natural frequency of structural elements, being them prestressed or not. Also typical double-T panels and hollow core slabs were analyzed by Finite Element Method (ANSYS software) and analytical and numerical results were compared. A discussion of the results about the Service Vibration Limit State is made. This work also presents an experimental study on a reinforced concrete beam provided with external prestressing tendons. The goal of this study was to demonstrate dynamic tests to characterize dynamic parameters and to discuss vibration control. The tested beam was also simulated on ANSYS to compare theoretical and experimental results. Some conclusions has been drawn, such as typical double-T panels and hollow core slabs may suffer restrictions above certain span dimensions. Also the application of external tendons, with or without prestressing forces may be applied to reduce vibration levels, either by increasing stiffness of the structure or controlling cracking of the concrete beam.

As vigas mistas de aço e concreto têm sido empregadas cada vez mais como uma solução em problemas de engenharia, o que pode ser verificado em estruturas de pontes e viadutos. Também em estruturas de edifícios onde se procure maior leveza ou vencer maiores vãos, esse tipo de solução é empregada. Efetivamente uma viga mista permite empregar os materiais que a compõe de modo ótimo. Quando se fala em vigas mistas a protensão externa é uma solução que pode ser empregada como reforço estrutural, ou para aumentar a capacidade de carga da estrutura. A mesma também pode ser considerada desde a etapa de projeto com o objetivo de se obter uma estrutura mais leve. Verifica-se uma carência de material de referência quanto ao dimensionamento de vigas mistas submetidas à protensão externa. Nesse contexto, o trabalho proposto busca estudar esse assunto através da implementação de um algoritmo para consideração da protensão externa num código computacional existente. Esse trabalho segue a linha dos trabalhos que têm sido desenvolvidos no CEMACOM associados com esse tema. Basicamente foram implementados dois tipos de elementos para simulação dos cabos de protensão e um elemento de contato para simular o escorregamento entre os cabos de protensão e os desviadores intermediários. Vários exemplos são apresentados e os resultados obtidos comprovam o funcionamento adequado do código implementado. / Nowadays the composite steel and concrete beams have been increasingly used as a solution in engineering problems; this fact can be verified on bridges and viaducts structures. Also in building structures where the engineers look for greater lightness or gain larger spans, this type of solution is employed. Effectively a composite beam allows you to use the materials that compose in the optimal mode. When a composite beam externally prestressed is used as a structural solution could be for reinforcement, or to increase the load capacity of the structure. The same can also be seen from the design step in order to obtain a lighter structure. There is a lack of reference material in the design of composite beams subjected to external prestressing. In this context, the proposed work aims to study this issue by implementing an algorithm for consideration of external prestressing in an existing computational code. This dissertation follows the line of works that has been developed in the CEMACOM associated with this theme. Basically were implemented two types of elements for simulation of prestressing tendons and a contact element to simulate the slip between the prestressing tendons and intermediate deviators. Several examples are presented and the results demonstrate the proper functioning of the implemented code.

No cálculo das perdas progressivas de protensão, decorrentes da retração e da fluência do concreto e da relaxação do aço de protensão, a norma NBR 6118 prescreve dois procedimentos simplificados, indicados para fase única de operação, ou seja, quando se consideram fases únicas de concretagem, de carregamento permanente e de protensão; e o método geral de cálculo, que permite considerar ações permanentes aplicadas em idades diferentes, e tratar a seção transversal constituída de diversas camadas discretas. Neste trabalho será desenvolvido o método dos prismas equivalentes, baseado no conceito das fibras conjugadas, e com a proposta de Trost-Bazant para consideração de fluência e retração dos materiais. Possibilita-se, assim, o cálculo da redistribuição de tensões em qualquer seção, como também da redistribuição de esforços em estruturas hiperestáticas devido a deformações diferidas. Será feita a sistematização do cálculo para o caso usual da seção resultante de laje concretada sobre viga pré-moldada protendida, permitindo considerar as idades diversas de concreto como também as várias camadas de cabos de protensão, e de armaduras passivas. A análise de redistribuição de esforços em estruturas hiperestáticas será baseada nas mudanças de curvatura das seções provocadas pelos efeitos progressivos. Será feita uma aplicação a uma ponte em viga protendida contínua de seção caixão, construída pela anexação de cinco vãos sucessivos. / When calculating prestress time-dependent losses, resulting from concrete shrinkage and creep, as well as from the relaxation of prestress steel, the standard NBR 6118 establishes two simple procedures. They are prescribed when operating in single phase, i.e., when considering single steps for concrete pouring, permanent load and prestress. The general method used in calculations allows that permanent actions be applied to different ages, and that the cross-section constituted by several discrete layers be handled. This work will develop the method of equivalent prisms, based on the concept of creep fibers, using the Trost-Bazant proposal when considering material creep and shrinkage. This method allows calculating the redistribution of tensions in any section, as well as the redistribution of straining in statically indeterminate structures, due to time-dependent deformations. The systematic calculation will be developed for a normal case of the resulting section in cast-inplace slab over precast girder. This allows considering the different ages of the concrete, as well as the multiple layers of cables, and non-prestressed reinforcement. An analysis of the strain redistribution in statically indeterminate structures will be based on the curvature changes in sections, which are provoked by time-dependent effects. An application will be made to a bridge of prestressed continuous box girder, formed by the attachment of five successive spans.

Neste trabalho apresenta-se um estudo do comportamento estrutural de cestas protendidas, tendo em vista a sua utilização em coberturas pênseis de grandes áreas livres. A partir da Técnica do Meio Contínuo obtêm-se as equações que permitem analisar as cestas protendidas quanto a esforços e deslocamentos. Fazem-se considerações sobre o sistema de equações encontrado visando a sua resolução mediante o emprego de programa computacional como instrumento de cálculo. Apresentam-se exemplos numéricos e os resultados são comparados com os obtidos em outros trabalhos. Fazem-se algumas considerações a respeito do projeto e do cálculo de cestas protendidas, além de algumas indicações sobre a continuidade da pesquisa. / This work presents a continuous medium method analysis of cable nets and their applications as suspended roofs for large free spans. lnitially the theory of the method is presented and later applied to get the system of differential equation that represents the problem. Finally this system is numerically solved with computational procedures. Some examples are presented and the results compared with those obtained with others methods and numerical procedures. Some analysis and design considerations and further developments in this subject are also included.