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Strukturoptimierung ist momentan stark auf Diskretisierungsmethoden angewiesen. In einfachen Fällen, wie die Simulation von Rahmen und Stabwerke, wo eine Diskretisierung nicht notwendig ist, werden nur die Dehnung oder die Stauchung der Stäbe betrachtet, und die Verbindungen sind frei, wie Kugelgelenke, um die Biegungen der Stäbe zu vermeiden. In dieser Dissertation wird eine diskretisierungsfreie Methode zur Modellierung und Optimierung eines Rahmens entwickelt, die die Biegung der Balken sowie die Dehnung oder Stauchung zusammen betrachtet, wobei starre Verbindungen angenommen werden. Starre Verbindungen entstehen, wenn die Balken zusammen geschweißt oder mit mehrere Nieten verbunden sind. Die Optimierungsprobleme, sowohl das Zustands- und als auch das Entwurfsproblem, sind durch die gesamte elastische Energie und die Arbeit der äußeren Kräfte gegeben. Für das Problem der optimalen Größeneinteilung wird darüber hinaus eine topologische Sensitivität zur Einführung neuer Balken zwischen zwei beliebigen Punkten auf dem Rahmen diskutiert. / Structural optimisation currently relies heavily on methods based on discretisation. In simpler cases like the simulation of frames and trusses, where discretisation is not necessary, only the elongation or compression is considered and the joints are free, like ball and socket joints, in order to avoid bending the trusses. In this dissertation a discretisation free method for the modelling and optimisation of frames is developed which considers bending of the beams along with compression or elongation with joints between the beams being rigid. Rigid joints are commonly the result of welding two beams together or connecting them using mutiple rivets. The optimisation problems, both state and design optimisation, are formulated via the total elastic energy and the work done by external forces. Moreover, for the optimal sizing problem a topological sensitivity for introduction of new beams between any two arbitrary positions in the frame is discussed.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A comunidade científica tem conhecimento de que uma das etapas mais relevantes no projeto de estruturas de aço e mistas, diz respeito a uma avaliação precisa sobre os modelos estruturais que representam o comportamento real das ligações viga-coluna. Este assunto tem sido objeto de vários trabalhos de pesquisa nas ultimas décadas. Na prática corrente do projeto de estruturas de aço, a grande maioria das ligações viga-coluna é representada por modelos flexíveis (rótulas) ou rígidos (engastes). Contudo, na maior parte dos casos práticos, essas ligações assumem um comportamento intermediário, ou seja, semi-rígido. Um outro ponto importante acerca do assunto diz respeito à avaliação da resposta dinâmica de estruturas de aço com a consideração pertinente do efeito das ligações, especialmente, no que tange as semi-rígidas, já que a maioria dos trabalhos de pesquisa concentra-se apenas no estudo da resposta estática dos modelos. Assim sendo, esta investigação apresenta uma contribuição inicial no que tange ao emprego de elementos que representem mais fielmente os efeitos das ligações estruturais na análise dinâmica de estruturas de aço, evidentemente, com a consideração do efeito de semi-rigidez dessas ligações. Desta forma, este trabalho de pesquisa propõe o uso de um modelo mecânico com elementos de mola rotacionais não-lineares, objetivando simular adequadamente o efeito das ligações viga-coluna especificamente em pórticos de aço. Inicialmente, foi feita uma calibração do modelo computacional desenvolvido, comparando os resultados obtidos mediante o uso do modelo de mola rotacional com os dados obtidos na literatura técnica sobre o assunto. Na seqüência, desenvolve-se uma analise paramétrica extensa, com a inclusão de todos os efeitos mencionados no parágrafo anterior, de forma a avaliar mais detalhadamente a resposta dinâmica dos pórticos de aço, deslocamentos e esforços, com base no estudo de um edifício residencial de quatro pavimentos. / The scientific community has realized that one of the most relevant stages in the design of steel and composite structures concerns to an accurate evaluation about the structural models that represent the actual behaviour of the beam-to-column connections. This issue has been the subject of many studies over the last decade. In the current design of steel structures, most of the beam-to-column connections are represented by pinned or rigid models. However, in most of the current cases, the connections have an intermediate behaviour between these two cases. Another important issue about the correct evaluation of the dynamic response of steel structures its about the consideration of the effects of the joints, especially of the semi-rigid joints, since most of the studies consider only a static analysis of the models. Therefore, this dissertation has proposed the use of a mechanical model of rotational springs with a nonlinear behaviour, objectifying a proper simulation of the beam-to-column effects in steel frames. The numeric results were obtained along the present study, and calibrated based on many computer models available on the literature. On the sequence, a large parametric analysis is developed, including all the effects mentioned before, objectifying evaluate more precisely the dynamic response of the steel frames (displacements and forces), based on the static and dynamic response of a four storey edifice.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A comunidade científica tem conhecimento de que uma das etapas mais relevantes no projeto de estruturas de aço e mistas, diz respeito a uma avaliação precisa sobre os modelos estruturais que representam o comportamento real das ligações viga-coluna. Este assunto tem sido objeto de vários trabalhos de pesquisa nas ultimas décadas. Na prática corrente do projeto de estruturas de aço, a grande maioria das ligações viga-coluna é representada por modelos flexíveis (rótulas) ou rígidos (engastes). Contudo, na maior parte dos casos práticos, essas ligações assumem um comportamento intermediário, ou seja, semi-rígido. Um outro ponto importante acerca do assunto diz respeito à avaliação da resposta dinâmica de estruturas de aço com a consideração pertinente do efeito das ligações, especialmente, no que tange as semi-rígidas, já que a maioria dos trabalhos de pesquisa concentra-se apenas no estudo da resposta estática dos modelos. Assim sendo, esta investigação apresenta uma contribuição inicial no que tange ao emprego de elementos que representem mais fielmente os efeitos das ligações estruturais na análise dinâmica de estruturas de aço, evidentemente, com a consideração do efeito de semi-rigidez dessas ligações. Desta forma, este trabalho de pesquisa propõe o uso de um modelo mecânico com elementos de mola rotacionais não-lineares, objetivando simular adequadamente o efeito das ligações viga-coluna especificamente em pórticos de aço. Inicialmente, foi feita uma calibração do modelo computacional desenvolvido, comparando os resultados obtidos mediante o uso do modelo de mola rotacional com os dados obtidos na literatura técnica sobre o assunto. Na seqüência, desenvolve-se uma analise paramétrica extensa, com a inclusão de todos os efeitos mencionados no parágrafo anterior, de forma a avaliar mais detalhadamente a resposta dinâmica dos pórticos de aço, deslocamentos e esforços, com base no estudo de um edifício residencial de quatro pavimentos. / The scientific community has realized that one of the most relevant stages in the design of steel and composite structures concerns to an accurate evaluation about the structural models that represent the actual behaviour of the beam-to-column connections. This issue has been the subject of many studies over the last decade. In the current design of steel structures, most of the beam-to-column connections are represented by pinned or rigid models. However, in most of the current cases, the connections have an intermediate behaviour between these two cases. Another important issue about the correct evaluation of the dynamic response of steel structures its about the consideration of the effects of the joints, especially of the semi-rigid joints, since most of the studies consider only a static analysis of the models. Therefore, this dissertation has proposed the use of a mechanical model of rotational springs with a nonlinear behaviour, objectifying a proper simulation of the beam-to-column effects in steel frames. The numeric results were obtained along the present study, and calibrated based on many computer models available on the literature. On the sequence, a large parametric analysis is developed, including all the effects mentioned before, objectifying evaluate more precisely the dynamic response of the steel frames (displacements and forces), based on the static and dynamic response of a four storey edifice.

En 1879 nace Eugène Freyssinet, padre reconocido del hormigón pretensado. Cuarenta años antes de su nacimiento, ingenieros americanos ya habían empezado a pretensar perfiles de hierro fundido, para evitar que cuando éstos entrasen en tracción, se quebraran. Ciento setenta años después el hormigón armado pretensado se estudia en centenares de artículos, revistas especializadas y tesis doctorales diversas, mientras que el acero pretensado no ha tenido el mismo desarrollo desde unos cincuenta años atrás. Raras son las ocasiones dónde se llega a justificar que pretensar una estructura metálica es necesario y razonable económicamente. Si nos centramos en estructuras de edificación, aún serán menos estas ocasiones. La presente tesis estudia la historia de las estructuras metálicas pretensadas, la mayoría de edificación, algunas de ellas a fondo, como las recientemente construidas en Catalunya. También se repasan las posibilidades que el pretensado metálico ofrece al consultor de estructuras, completándolo con algunos ejemplos. Se ofrece un análisis pormenorizado de la viga Fink, con especial cuidado en su predimensionado y en el cálculo tanto manual, como matricial. Se incluye un análisis de refuerzo de techos formados por viguetas reforzadas trasnversalmente por una viga que cambia su rigidez según criterio del proyectista. Al final se desarrolla una solución de unión de viga y pilar metálico unidos mediante tendones pretensados, para facilitar el montaje en obra, resolviendo las holguras gracias a la unión mediante nudos semirrígidos. / Eugène Freyssinet, born in 1879, is the acknowledged father of prestressed concrete. Forty years before his birth, American Engineers had begun to prestress cast iron profiles to prevent them from breaking after entering in tension. One hundred and seventy years after prestressed concrete is studied in hundreds of articles, journals and diverse dissertations, while prestressing of steel has not had the same development since about fifty years ago. Rare are the occasions where the technician is able to justify that prestressing steel structures is necessary and economically reasonable. If we are considering building structures, these occasions to presstress the structure will be even less. This thesis studies the history of prestressed steel structures, some of them in depth, as some of thoses recently built in Catalonia. It also reviews the possibilities that metallic prestressed structures offer to the consultant, including some examples. It provides a detailed analysis of the Fink truss beam, with special care in their pre-dimensioning and calculation both manually as matrix. It includes an analysis of strengthening reinforced slabs, with a beam that changes its stiffness at the discretion of the designer. Eventually it develops a joint solution of a beam and a steel column, connected by prestressed tendons, to make assembly easier, meeting the gaps with the connection by means of semi-rigid joints.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / As ligações desempenham um papel fundamental no comportamento global das estruturas de aço. Inúmeros trabalhos de pesquisa têm sido desenvolvidos para entender o comportamento real de uma ligação e sua influência na resistência global dos pórticos. Atualmente, a Norma Brasileira de estruturas de aço de edificações, NBR 8800, considera o comportamento das ligações entre duas situações extremas: rígidas, onde não ocorre nenhuma rotação entre os membros conectados, transferindo momento fletor, força cortante e força normal; ou flexíveis, caracterizadas pela liberdade de rotação entre os membros conectados, impedindo a transmissão de momento fletor. Outras normas de projeto de estruturas de aço, consideram que as ligações apresentam um comportamento intermediário, ou seja, semi-rigídas, que podem estar submetidas a uma combinação de momento fletor e esforço normal. Porém, mesmo com a combinação, estas normas não consideram a presença de esforço normal (tração e/ou compressão). Uma limitação empírica de 5% da resistência plástica da viga é a única condição imposta no Eurocode 3. Para o estudo da ligação semi-rigída será utilizada a filosofia do Método das Componentes, que verifica a resistência da ligação e sua classificação quanto à rigidez rotacional, desenvolvida através de modelos mecânicos (modelos de molas). O objetivo deste trabalho é descrever alguns resultados de caracterização de ligações viga-coluna com placa de extremidade ajustada à altura da viga obtidos através de um modelo de elementos finitos. Para tal, será realizada uma análise não-linear geométrica e de material. Esta análise possibilitará avaliar os principais parâmetros que influenciam no comportamento deste componente no que diz respeito a sua avaliação em termos de distribuição de tensões e deformações no modelo de forma global. / The joints develop a fundamental role in the global behaviour of steel structures. Several researches are being developed to understand the real behaviour of a joint and its influence in the global frame capacity and beam-to-column joints of the steels buildings. Nowadays, the Brazilian Code of the Steel Portal Frame Design, NBR 8800, considers the joint behaviour between two extreme situations: rigid, where any rotations dont occur between the connected members, transfering substantial bending moments, and also shear and axial forces; or pinned, its characterised by almost free rotation movement between the connected elements that prevents the transmission of bending moments. However, some actual codes of the steel structures project, consider that the joints present an intermediate behaviour, in other words, semi-rigid, that may be subjected to a combination of bending moment and axial force. But, these codes dont consider the presence of axial force (tension and/ or compression). A single empirical limitation of 5% of the beams plastic axial capacity is the only enforced provision in Eurocode 3. This filosofy design is based on components method, for joint capacity evaluation and its classification concerning the joint rotation stiffness. This component method is based on mechanical models (spring model) created by an association of rigids and flexible joints components represented by a translacional spring. The objective of this present work is describing some results of flush endplate semi-rigids beam-to-column joints obtained across finite elements method and geometric and material non-linear analises. These consider the main parameters that influence the components behaviour about the stress and deformation distribution.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / As ligações desempenham um papel fundamental no comportamento global das estruturas de aço. Inúmeros trabalhos de pesquisa têm sido desenvolvidos para entender o comportamento real de uma ligação e sua influência na resistência global dos pórticos. Atualmente, a Norma Brasileira de estruturas de aço de edificações, NBR 8800, considera o comportamento das ligações entre duas situações extremas: rígidas, onde não ocorre nenhuma rotação entre os membros conectados, transferindo momento fletor, força cortante e força normal; ou flexíveis, caracterizadas pela liberdade de rotação entre os membros conectados, impedindo a transmissão de momento fletor. Outras normas de projeto de estruturas de aço, consideram que as ligações apresentam um comportamento intermediário, ou seja, semi-rigídas, que podem estar submetidas a uma combinação de momento fletor e esforço normal. Porém, mesmo com a combinação, estas normas não consideram a presença de esforço normal (tração e/ou compressão). Uma limitação empírica de 5% da resistência plástica da viga é a única condição imposta no Eurocode 3. Para o estudo da ligação semi-rigída será utilizada a filosofia do Método das Componentes, que verifica a resistência da ligação e sua classificação quanto à rigidez rotacional, desenvolvida através de modelos mecânicos (modelos de molas). O objetivo deste trabalho é descrever alguns resultados de caracterização de ligações viga-coluna com placa de extremidade ajustada à altura da viga obtidos através de um modelo de elementos finitos. Para tal, será realizada uma análise não-linear geométrica e de material. Esta análise possibilitará avaliar os principais parâmetros que influenciam no comportamento deste componente no que diz respeito a sua avaliação em termos de distribuição de tensões e deformações no modelo de forma global. / The joints develop a fundamental role in the global behaviour of steel structures. Several researches are being developed to understand the real behaviour of a joint and its influence in the global frame capacity and beam-to-column joints of the steels buildings. Nowadays, the Brazilian Code of the Steel Portal Frame Design, NBR 8800, considers the joint behaviour between two extreme situations: rigid, where any rotations dont occur between the connected members, transfering substantial bending moments, and also shear and axial forces; or pinned, its characterised by almost free rotation movement between the connected elements that prevents the transmission of bending moments. However, some actual codes of the steel structures project, consider that the joints present an intermediate behaviour, in other words, semi-rigid, that may be subjected to a combination of bending moment and axial force. But, these codes dont consider the presence of axial force (tension and/ or compression). A single empirical limitation of 5% of the beams plastic axial capacity is the only enforced provision in Eurocode 3. This filosofy design is based on components method, for joint capacity evaluation and its classification concerning the joint rotation stiffness. This component method is based on mechanical models (spring model) created by an association of rigids and flexible joints components represented by a translacional spring. The objective of this present work is describing some results of flush endplate semi-rigids beam-to-column joints obtained across finite elements method and geometric and material non-linear analises. These consider the main parameters that influence the components behaviour about the stress and deformation distribution.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Usualmente, o projeto de pórticos em estruturas de aço assume que as ligações viga-coluna são rígidas ou flexíveis. As ligações rígidas, onde não ocorre nenhuma rotação entre os membros conectados, transferem não só momento fletor, mas também força cortante e força normal. Por outro lado, as ligações flexíveis são caracterizadas pela liberdade de rotação entre os membros conectados impedindo a transmissão de momento fletor. Sabe-se que a grande maioria das ligações não possuem este comportamento idealizado. Na realidade, a maioria das ligações transfere algum momento fletor com um nível de rotação associado. Estas ligações são denominadas semi-rígidas e seu dimensionamento deve ser executado de acordo com este comportamento estrutural. Contudo, algumas ligações viga-coluna estão sujeitas a uma combinação de momento fletor (M) e força axial (N). O nível de esforço normal pode ser significativo, principalmente em ligações de pórticos metálicos com vigas inclinadas, em pórticos não- contraventados ou em pórticos com pavimentos incompletos. As normas atuais de dimensionamento de ligações estruturais em aço não consideram a presença de esforço normal (tração e/ou compressão) nas ligações. Uma limitação empírica de 5% da resistência plástica da viga é a única condição imposta no Eurocode 3. O objetivo deste trabalho é realizar uma análise paramétrica de dois tipos de ligações aparafusadas para se avaliar a influência de combinações M/N no comportamento global destas ligações. Para se cumprir este objetivo, os resultados experimentais de quinze ensaios realizados por Lima [1] são comparados com os resultados obtidos através de um modelo analítico proposto por Cerfontaine [2], [3]. / Traditionally, the steel portal frame design assumes that beam-to-column joints are rigidor pinned. Rigid joints, where no relative rotations occur between the connected members, transfer not only substantial bending moments, but also shear and axial forces. On the other extreme, pinned joints, are characterised by almost free rotation movement between the connected elements that prevents the transmission of bending moments. Despite these facts, it is largely recognised that the great majority of joints does not exhibit such idealised behaviour. In fact, many joints transfer some bending moments with associated rotations. These joints are called semi-rigid, and their design should be performed according to their real structural behaviour. However, some steel beam-to-column joints are often subjected to a combination of bending (M) and axial forces (N). The level of axial forces in the joint may be significant, typical of pitched-roof portal frames, sway frames or frames with incomplete floors. Current standard for steel joints do not take into account the presence of axial forces (tension and/or compression) in the joints. A single empirical limitation of 5% of the beams plastic axial capacity is the only enforced provision in Eurocode 3. The objective of the present work is to perform a parametrical analysis of two bolted joints types in order to evaluate the influence of M/N combinations in the joints global response. To fulfil this objective, the experimental results obtained by Lima [1] are compared to the analytical results using the Cerfontaine analytical model [2], [3].

Tradicionalmente, na análise e dimensionamento de estruturas de aço, assume-se que as ligações viga-coluna são rígidas ou flexíveis (rotuladas). Por outro lado, é de conhecimento geral que a grande maioria das ligações viga-coluna apresenta um comportamento intermediário, ou seja, semi-rígido. Inúmeros trabalhos de pesquisa têm sido desenvolvidos nos últimos vinte e cinco anos, de forma a estudar o comportamento desse tipo de ligação. Um dos principais objetivos desta investigação é o de propor uma metodologia de análise que represente de forma apropriada a influência do comportamento semi-rígido de placas de base e de ligações viga-coluna, sobre a resposta dinâmica (linear e não-linear) de estruturas de aço. Outra contribuição desta dissertação diz respeito à investigação do comportamento dinâmico (linear e não-linear) de pórticos de aço, a partir da consideração de ligações viga-coluna simétricas e não-simétricas e especialmente das placas de base. A análise estrutural é desenvolvida com base no emprego do programa de elementos finitos ANSYS [27]. Nos modelos em elementos finitos foram considerados os efeitos de não-linearidade geométrica (efeitos de segunda ordem), o comportamento não-linear das placas de base e das ligações viga-coluna e, bem como, o efeito de histerese que ocorre quando a estrutura é submetida a cargas cíclicas. Os resultados alcançados indicaram que o fenômeno físico da ressonância não ocorre no que se refere à resposta dinâmica dos modelos semi-rígidos não-lineares. A ressonância não ocorre na resposta dos modelos devido ao fato de que, na análise dinâmica não-linear, o efeito de histerese presente nas ligações (placas de base e viga-coluna), essencialmente com comportamento não-linear, provoca um amortecimento na resposta dinâmica da estrutura. / Traditionally, the steel portal frame design assumes that beam-to-column connections are rigid or pinned. Despite these facts, it is largely recognized that the great majority of joints does not exhibit such idealized behaviour. These connections are called semi-rigid, and their design should be performed according to their actual structural behaviour. Extensive research has been performed over the past twenty-five years to estimate the actual behaviour of such joints. One of the main objectives of this work is to propose an analysis methodology to properly represent the influence of the semi-rigid behaviour of base plates and beam-to-column joints on the dynamical response of steel structures (linear and non-linear). Another important investigated issue concerned the assessment of the steel frames dynamical behaviour (linear and non-linear) due to the presence of symmetrical and non-symmetrical beam-to-column semi-rigid joints and, especially, the column base plates. The structural analysis was made with the aid of the ANSYS [27] finite element program. The finite element model included geometric non-linearity, column base plates and beam-to-column non-linear behaviour and considered the influence of non-linear and hysteretic moment versus rotation curve of the joints. The results indicated that the resonance physical phenomenon was not reached in the nonlinear semi-rigid frames dynamic response. The resonance did not occurred in these systems due to the hysteretic damping induced by the energy dissipation of the non-linear hysteretic loops at the non-linear joints.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Usualmente, o projeto de pórticos em estruturas de aço assume que as ligações viga-coluna são rígidas ou flexíveis. As ligações rígidas, onde não ocorre nenhuma rotação entre os membros conectados, transferem não só momento fletor, mas também força cortante e força normal. Por outro lado, as ligações flexíveis são caracterizadas pela liberdade de rotação entre os membros conectados impedindo a transmissão de momento fletor. Sabe-se que a grande maioria das ligações não possuem este comportamento idealizado. Na realidade, a maioria das ligações transfere algum momento fletor com um nível de rotação associado. Estas ligações são denominadas semi-rígidas e seu dimensionamento deve ser executado de acordo com este comportamento estrutural. Contudo, algumas ligações viga-coluna estão sujeitas a uma combinação de momento fletor (M) e força axial (N). O nível de esforço normal pode ser significativo, principalmente em ligações de pórticos metálicos com vigas inclinadas, em pórticos não- contraventados ou em pórticos com pavimentos incompletos. As normas atuais de dimensionamento de ligações estruturais em aço não consideram a presença de esforço normal (tração e/ou compressão) nas ligações. Uma limitação empírica de 5% da resistência plástica da viga é a única condição imposta no Eurocode 3. O objetivo deste trabalho é realizar uma análise paramétrica de dois tipos de ligações aparafusadas para se avaliar a influência de combinações M/N no comportamento global destas ligações. Para se cumprir este objetivo, os resultados experimentais de quinze ensaios realizados por Lima [1] são comparados com os resultados obtidos através de um modelo analítico proposto por Cerfontaine [2], [3]. / Traditionally, the steel portal frame design assumes that beam-to-column joints are rigidor pinned. Rigid joints, where no relative rotations occur between the connected members, transfer not only substantial bending moments, but also shear and axial forces. On the other extreme, pinned joints, are characterised by almost free rotation movement between the connected elements that prevents the transmission of bending moments. Despite these facts, it is largely recognised that the great majority of joints does not exhibit such idealised behaviour. In fact, many joints transfer some bending moments with associated rotations. These joints are called semi-rigid, and their design should be performed according to their real structural behaviour. However, some steel beam-to-column joints are often subjected to a combination of bending (M) and axial forces (N). The level of axial forces in the joint may be significant, typical of pitched-roof portal frames, sway frames or frames with incomplete floors. Current standard for steel joints do not take into account the presence of axial forces (tension and/or compression) in the joints. A single empirical limitation of 5% of the beams plastic axial capacity is the only enforced provision in Eurocode 3. The objective of the present work is to perform a parametrical analysis of two bolted joints types in order to evaluate the influence of M/N combinations in the joints global response. To fulfil this objective, the experimental results obtained by Lima [1] are compared to the analytical results using the Cerfontaine analytical model [2], [3].