As vigas mistas configuram uma atrativa solução estrutural para pequenas e grandes obras na engenharia civil. O emprego deste tipo de estruturas proporciona: melhor aproveitamento das características de cada material, maior rapidez na construção e economia. Esta pesquisa da continuidade aos trabalhos de Tamayo (2011) e Dias (2013); apresenta-se um modelo numérico que emprega o método dos elementos finitos para avaliar o comportamento de estruturas do tipo viga mista, com foco na consideração dos efeitos de longa duração do concreto: fluência e retração; e à inclusão da protensão interna do tipo aderente, aplicada sob a laje de concreto. Implementaram-se seis modelos para predição dos fenômenos de longa duração: ACI 209R-92, Bazant-Baweja B3, CEB MC90, CEB MC99, CEB MC10 e GL2000, e disponibilizou-se uma ferramenta estatística que permite sua correta comparação. O cabo de protenssão é modelado de maneira discreta dentro do elemento de concreto e posteriormente são definidas as contribuições que o mesmo faz ao elemento de casca do concreto no qual está inserido. O Software GiD foi empregado nas etapas de pré e pós processamento, customizando sua interface para a atribuição das propriedades do problema. A validação da simulação numérica foi efetuada a partir da modelagem de 14 vigas no total, os espécimenes correspondem a vigas tanto simplesmente apoiadas como contínuas. O programa desenvolvido é capaz de modelar adequadamente estruturas do tipo viga mista, com protensão aderente instalada na laje de concreto; considerando uma análise ao longo do tempo e levando em conta os efeitos da fluência e da retração que afetam o concreto. / The composite beams constitute an attractive structural solution for small and large projects in civil engineering. The use of such structures provides better use of the characteristics of each material, faster construction and economy. This research continues the work of Tamayo (2011) and Dias (2013); it presents a numerical model employing the finite element method to evaluate composite beam structures, focusing on the long-term effects of concrete: creep and shrinkage; and the inclusion of internal adherent prestressing, applied under the concrete slab. Six models were implemented for the prediction of long-term effects: ACI 209R-92, Bazant-Baweja B3, CEB MC90, CEB MC99, CEB MC10 and GL2000, and provided a statistical tool that allows the correct comparison between them. The prestressed cable is modeled discretely within the concrete element and are further defined the contributions that it makes to the concrete shell element in which it is inserted. The GiD Software was used in the stages of pre and post processing, and its interface was customized for assigning the problem properties. The validation of numerical simulation was performed by full modeling 14 beams; the specimens correspond to both simply supported as continuous beams. The developed program is able to adequately model prestressed composite beam structures; considering the long-term effects of creep and shrinkage, that affects the concrete.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Com base em um cenário econômico favorável combinado aos avanços tecnológicos das ciências dos materiais e processos de construção, nas últimas três décadas, as cidades brasileiras têm apresentado um crescimento substancial, no que diz respeito à construção de edifícios residenciais e comerciais de múltiplos andares. Atualmente, estes edifícios apresentam níveis de esbeltez elevados e têm sido construídos com estruturas cada vez mais ousadas e que englobam a experiência e o conhecimento dos engenheiros de estruturas. Como o principal objetivo dos projetistas está associado à concepção de estruturas mais leves, o projeto estrutural requer um conhecimento teórico substancial a fim de tornar compatíveis os requisitos arquitetônicos com as condições necessárias para a estabilidade. Assim sendo, o objetivo desta dissertação de mestrado é o de investigar o comportamento estrutural estático e dinâmico (linear e não linear) de um edifício misto (aço-concreto) de 20 pavimentos. Para tal, o estudo apresenta os resultados de análises estáticas e dinâmicas lineares e não lineares para ações de serviço. O comportamento estrutural do edifício, quando submetido às ações dinâmicas induzidas pelo vento, também foi investigado. Os resultados revelam que edifícios esbeltos merecem atenção especial, no que diz respeito à concepção do projeto estrutural, sendo que seu comportamento deve ser verificado através de metodologias completas que incluam análises do tipo estática e dinâmica (lineares e não lineares). / Based on a favorable economic scenario and technological advances of material sciences and construction processes, in the last three decades, the Brazilian cities have presented a substantial growth, with respect to construction of residential and commercial multi-storey buildings. Nowadays, these buildings present greater slenderness and have been constructed with increasingly daring structures that encompass the experience and knowledge of structural designers by using newly developed materials and technologies boosted by the ever-growing investigations on this field. As the structural designer main objective is related to produce increasingly lighter structures its conception requires a substantial amount of theoretical knowledge associated to structural design and construction processes, in order to make compatible the requirements of architecture with the necessary conditions to the stability. Considering all aspects mentioned before, the objective of this master dissertation is to investigate the structural behavior of a 20 floors steel-concrete composite building, based on static and dynamic analyses (linear and nonlinear). The present study has considered the results of a linear-elastic and non-linear geometric analysis for serviceability actions. The structural behavior of a 20 floors steel-concrete composite building under dynamic actions induced by the wind was also investigated. As a result, it must be emphasized that these buildings deserve special attention from the architectural and structural design and its behavior should be verified by methods including a full static and dynamic analysis (linear and non-linear).

Resumo: O bom comportamento das estruturas de concreto armado é assegurado pelo fenômeno da aderência existente entre o aço e o concreto, garantindo que os materiais trabalhem em conjunto formando, assim, um conjunto solidário. Esse trabalho apresenta os resultados dos ensaios de tração direta, segundo a ABNT/NBR 7477 e de arrancamento normalizado pela CEB RC6 e referido também na ASTM C-234, realizados com concreto convencional e com concreto contendo 10% de resíduo de borracha em substituição a areia, em volume, nas idades de 28 e 90 dias. As barras de aço utilizadas neste trabalho foram do tipo nervuradas e com os diâmetros variando entre 10, 12,5 e 16 mm. Com a introdução dos resíduos de borracha no concreto, foi avaliado o comportamento das mesmas em sua composição e a viabilidade da utilização estrutural desse tipo de concreto como material de construção, em substituição ao concreto convencional. Os resultados obtidos através dos ensaios de aderência confirmam ma viabilidade da utilização do resíduo de borracha em substituição ao agregado miúdo em concreto, segundo a composição adotada. / Abstract: The good behavior of the structures of concrete reinforced is assured by the phenomenon of the existing bond between the steel and the concrete, guaranteeing that the materials work in set forming, thus, a solidary set. This work presents the results of the assays of direct traction, according to ABNT/NBR 7477 and of pulling up normalized for CEB RC6 and also related in the ASTM C-234, carried through with conventional concrete and concrete I contend 10% of rubber residue in substitution the sand, volume, the ages of 28 and 90 days. The used bars of steel in this work had been of the type with rib and with the diameter varying between 10, 12,5 and 16 mm. With the introduction of the rubber residues in the concrete, it was evaluated the behavior of same in its composition and viability of the structural use of this type of concrete as material of construction, in substitution to the conventional concrete. The results gotten through the bond assays confirm me the viability of the use of the rubber residue in substitution to the small aggregate in concrete, following the adopted composition. / Orientador: Mônica Pinto Barbosa / Coorientador: Jorge Luis Akasaki / Banca: Vitor Antonio Ducatti / Banca: Haroldo de Mayo Bernardes / Mestre

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Com base em um cenário econômico favorável combinado aos avanços tecnológicos das ciências dos materiais e processos de construção, nas últimas três décadas, as cidades brasileiras têm apresentado um crescimento substancial, no que diz respeito à construção de edifícios residenciais e comerciais de múltiplos andares. Atualmente, estes edifícios apresentam níveis de esbeltez elevados e têm sido construídos com estruturas cada vez mais ousadas e que englobam a experiência e o conhecimento dos engenheiros de estruturas. Como o principal objetivo dos projetistas está associado à concepção de estruturas mais leves, o projeto estrutural requer um conhecimento teórico substancial a fim de tornar compatíveis os requisitos arquitetônicos com as condições necessárias para a estabilidade. Assim sendo, o objetivo desta dissertação de mestrado é o de investigar o comportamento estrutural estático e dinâmico (linear e não linear) de um edifício misto (aço-concreto) de 20 pavimentos. Para tal, o estudo apresenta os resultados de análises estáticas e dinâmicas lineares e não lineares para ações de serviço. O comportamento estrutural do edifício, quando submetido às ações dinâmicas induzidas pelo vento, também foi investigado. Os resultados revelam que edifícios esbeltos merecem atenção especial, no que diz respeito à concepção do projeto estrutural, sendo que seu comportamento deve ser verificado através de metodologias completas que incluam análises do tipo estática e dinâmica (lineares e não lineares). / Based on a favorable economic scenario and technological advances of material sciences and construction processes, in the last three decades, the Brazilian cities have presented a substantial growth, with respect to construction of residential and commercial multi-storey buildings. Nowadays, these buildings present greater slenderness and have been constructed with increasingly daring structures that encompass the experience and knowledge of structural designers by using newly developed materials and technologies boosted by the ever-growing investigations on this field. As the structural designer main objective is related to produce increasingly lighter structures its conception requires a substantial amount of theoretical knowledge associated to structural design and construction processes, in order to make compatible the requirements of architecture with the necessary conditions to the stability. Considering all aspects mentioned before, the objective of this master dissertation is to investigate the structural behavior of a 20 floors steel-concrete composite building, based on static and dynamic analyses (linear and nonlinear). The present study has considered the results of a linear-elastic and non-linear geometric analysis for serviceability actions. The structural behavior of a 20 floors steel-concrete composite building under dynamic actions induced by the wind was also investigated. As a result, it must be emphasized that these buildings deserve special attention from the architectural and structural design and its behavior should be verified by methods including a full static and dynamic analysis (linear and non-linear).

As vigas mistas configuram uma atrativa solução estrutural para pequenas e grandes obras na engenharia civil. O emprego deste tipo de estruturas proporciona: melhor aproveitamento das características de cada material, maior rapidez na construção e economia. Esta pesquisa da continuidade aos trabalhos de Tamayo (2011) e Dias (2013); apresenta-se um modelo numérico que emprega o método dos elementos finitos para avaliar o comportamento de estruturas do tipo viga mista, com foco na consideração dos efeitos de longa duração do concreto: fluência e retração; e à inclusão da protensão interna do tipo aderente, aplicada sob a laje de concreto. Implementaram-se seis modelos para predição dos fenômenos de longa duração: ACI 209R-92, Bazant-Baweja B3, CEB MC90, CEB MC99, CEB MC10 e GL2000, e disponibilizou-se uma ferramenta estatística que permite sua correta comparação. O cabo de protenssão é modelado de maneira discreta dentro do elemento de concreto e posteriormente são definidas as contribuições que o mesmo faz ao elemento de casca do concreto no qual está inserido. O Software GiD foi empregado nas etapas de pré e pós processamento, customizando sua interface para a atribuição das propriedades do problema. A validação da simulação numérica foi efetuada a partir da modelagem de 14 vigas no total, os espécimenes correspondem a vigas tanto simplesmente apoiadas como contínuas. O programa desenvolvido é capaz de modelar adequadamente estruturas do tipo viga mista, com protensão aderente instalada na laje de concreto; considerando uma análise ao longo do tempo e levando em conta os efeitos da fluência e da retração que afetam o concreto. / The composite beams constitute an attractive structural solution for small and large projects in civil engineering. The use of such structures provides better use of the characteristics of each material, faster construction and economy. This research continues the work of Tamayo (2011) and Dias (2013); it presents a numerical model employing the finite element method to evaluate composite beam structures, focusing on the long-term effects of concrete: creep and shrinkage; and the inclusion of internal adherent prestressing, applied under the concrete slab. Six models were implemented for the prediction of long-term effects: ACI 209R-92, Bazant-Baweja B3, CEB MC90, CEB MC99, CEB MC10 and GL2000, and provided a statistical tool that allows the correct comparison between them. The prestressed cable is modeled discretely within the concrete element and are further defined the contributions that it makes to the concrete shell element in which it is inserted. The GiD Software was used in the stages of pre and post processing, and its interface was customized for assigning the problem properties. The validation of numerical simulation was performed by full modeling 14 beams; the specimens correspond to both simply supported as continuous beams. The developed program is able to adequately model prestressed composite beam structures; considering the long-term effects of creep and shrinkage, that affects the concrete.

A utilização do elemento estrutural viga mista aço-concreto, que consiste da associação de vigas de aço (perfil do tipo I) com lajes de concreto (maciça ou com forma de aço incorporada), têm sido considerável nas obras de engenharia civil, tanto no contexto mundial como no Brasil. Parte da eficiência desse elemento estrutural está diretamente relacionada ao trabalho em conjunto de ambos os materiais, ou seja, do tipo de interação entre aço e concreto. Para um comportamento estrutural adequado das vigas mistas, essa interação é garantida por meio de elementos metálicos denominados conectores de cisalhamento, cujas principais funções consistem em transferir forças de cisalhamento longitudinais do concreto para o aço na interface entre laje e viga, bem como impedir a separação vertical entre laje de concreto e perfil metálico, movimento conhecido como uplift. Nesse sentido, o presente trabalho tem como objetivo principal uma pesquisa com base em referências bibliográficas sobre o assunto vigas mistas, bem como é proposta a elaboração de um modelo numérico tridimensional para viga mista, objetivando simular satisfatoriamente seu comportamento estrutural, em temperatura ambiente e em situação de incêndio, cujos resultados serão comparados com valores, obtidos numérica e experimentalmente, extraídos de trabalhos apresentados por outros pesquisadores. Para a modelagem numérica, utilizou-se o código de cálculo ABAQUS 6.3-1, elaborado com base nos métodos dos elementos finitos (MEF) / Composite steel-concrete beam have been commonly considered in steel-framed building used in civil engineering, not only in Brazil but also in the worldwide context. The efficiency of this structural element is directly related with the type of interaction between steel beam and concrete slab, which is assured using metallic elements called shear connectors, with the objective to transfer longitudinal shear forces from concrete slab to steel beam, in the interface, and avoid the vertical separation between concrete slab and steel beam (uplift). In this sense, the aim of the present work is to carry out a bibliographical review about composite steel-concrete beam, as well as propose a three dimensional non-linear procedure for modeling only full shear connection in composite beam. The three-dimensional numerical models constructed must be capable of predicting de response of composite beam, in ambient temperature an also in elevated temperatures (fire conditions). The computer program ABAQUS 6.3-1, based on finite element method, was used to analyze the numerical modeling. The accuracy of the three-dimensional numerical models are demonstrated by analyses of the results obtained with the models which are compared with the experimental results, obtained and presented by others researches

Environmental awareness has strongly increased these last years, especially in the developed countries where societies have become increasingly preoccupied by the natural resource depletion and environmental degradation. At the same time, the increasing mass transportation demand throughout the European Union requires the development of new infrastructures. Life Cycle Assessment is increasingly used to provide environmental information for decision-makers, when a choice is to be made about the transportation mode to be implemented on a given route. In a life-cycle perspective, not only the environmental pressure of the operation of vehicles but also the burden from the infrastructure, in particular bridges as key links of the road and railway networks, has to be assessed when comparing transportation modes. Based on an extensive literature review, a simplified quantitative LCA is implemented in order to compare the environmental performance of two railway bridge designs. It is meant to be useful at an early stage in the design process, when no detailed information about the bridge is available, and when rough environmental estimations are needed. The Excel based model covers the entire life-cycle of the bridge, from raw material extraction to construction materials recycling and disposal. Various assumptions and omissions are made to narrow the scope of the analysis. For instance, processes that are found insignificant in the literature are omitted, and only a limited set of relevant emissions and impacts to the environment is considered. The model provides fully transparent results at the inventory and impact assessment level. The streamlined approach is tested by comparing the environmental burden throughout the life-cycle of a steel-concrete composite railway bridge on a single span, equipped with either a ballasted or a fixed concrete single track. The results show that the environmental impacts of the fixed track alternative are lower than that of the ballasted track alternative, for every impact categories. In a sustainable development perspective, it would thus have been preferable to install a fixed track over the bridge to reduce its overall impact on the environment by about 77%. The raw material phase is found decisive in the life-cycle of both alternatives. The frequency of the replacement of the track is identified as a key environmental parameter, since the road traffic emissions during bridge closure nearly overwhelmed the other life-cycle stages.

Nous avons donc proposé dans cette thèse une stratégie pour suivre l’évolution des fissures dans une structure en béton précontraint. L'objectif principal est de définir des briques de modélisation permettant d'étudier le comportement des fissures dans les enceintes de confinement des centrales nucléaires. Chaque brique de modélisation permet ainsi de représenter un phénomène non-linéaire présent dans ces structures : la fissuration du béton, les grilles d'armatures, les cables de précontrainte, la décohésion de l'acier dans le béton ainsi que le vieillissement du béton. Elles ont été validées grâce à plusieurs essais expérimentaux et appliquées à différentes zones. de l'enceinte de confinement pour simuler l'amorçage et la propagation des fissures. Enfin, une stratégie pour définir un état initialement fissuré a été développé à l'aide de ces différentes briques ainsi qu'une méthode de zoom pour reproduire les conditions limites de la précontrainte et la montée en pression sur une partie de l'enceinte. / The difficulty of predicting cracks on reinforced concrete structures is due to the heterogeneity of the concrete and the dependence on environmental boundary conditions. To overcome this problem, we introduce directly a potential crack at the initial time, using cohesive zone models. A major difficulty will be to juggle the cohesive zone models describing cracking and the phenomena of creep and drying, and thus to consider three types of nonlinearities appearing in the calculation : cracking, decohesion of steelconcrete and creep. We also propose a strategy to represent an initially cracked structure. In this thesis, the crack behavior in different parts of the confinement building are modeled using the above described method.

Um pilar misto aço-concreto consiste basicamente de um elemento de aço, simples ou composto, predominantemente comprimido, que trabalhe em conjunto com o concreto simples ou armado. Há basicamente dois tipos de pilar misto: os revestidos e os preenchidos. Os revestidos são formados por um perfil de aço embutido em uma seção de concreto, garantindo a proteção ao fogo (havendo necessidade de armaduras). Os pilares preenchidos são tubos de aço, circulares ou retangulares, preenchidos com concreto, dispensando qualquer tipo de armadura e a necessidade do uso de formas; porém para proteger do fogo e da corrosão exige-se um tratamento \"extra\" do tubo de aço. A norma brasileira NBR 8800/86 - \"Projeto e execução de estruturas de aço de edifícios\" quanto as estruturas mistas se dedica apenas àquelas submetidas à flexão simples (vigas mistas), não abordando as estruturas basicamente comprimidas (pilares mistos). Já as normas LRFD-AISC/86 - \"Load and resistance factor design\", Eurocode 4, BS 5400 apresentam considerações específicas sobre o dimensionamento de barras axialmente comprimidas e flexo-comprimidas, tratando tanto dos elementos revestidos quanto dos preenchidos. Do ponto de vista estrutural, são analisadas e discutidas as prescrições das principais normas estrangeiras aplicáveis. Quanto aos aspectos construtivos, apresentam-se técnicas de execução e de acabamento, dando especial atenção a questão da resistência ao fogo. / A composite column may be defined as a member made of a structural steel section, basicaly under compression, working with simple or reinforced concrete. There are basically two kinds of steel-concrete composite columns: structural steel section encased in concrete which has fire protection and it is necessary to use reinforcement and tubes filled with concrete which it is not necessary to use reinforcement and formwork but it require an extra protection to fire. Steel Brazilian code NBR 8800/86 - \"Projeto e execução de estruturas de aço de edifícios\" give specifications only for steel-concrete member under bending (composite beams). This code neglegence composite members under compression (composite columns). LRFD-AISC/86 - \"Load and resistance factor design\", Eurocode 4, BS 5400 give specifications about steel-concrete composite columns under compression and bending combined to concrete encased composite columns and steel tubes filled with concret. Codes requirements, constructional aspects and fire behaviour of composite columns are presented and discussed.

Os pilares mistos são elementos estruturais compostos por um perfil metálico e concreto trabalhando em conjunto. Entre estes destaca-se o pilar parcialmente revestido que apresenta vantagens como a possibilidade de pré-fabricação, redução no uso de formas e eficiência estrutural, porém seu processo executivo envolve uma trabalhosa tarefa que é a ancoragem das armaduras ao perfil metálico. Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo estudar o comportamento estrutural de pilares mistos parcialmente revestidos submetidos a compressão simples e flexo-compressão e avaliar a possibilidade de substituição da armadura convencional por alternativas que possibilitem uma execução mais simples. Para isto foi desenvolvido um programa experimental envolvendo 23 exemplares de pilares mistos fabricados com o perfil W 150 x 22,5 e três configurações de armadura: armadura convencional, telas de aço soldadas entre as mesas do perfil e concreto com adição de fibras. Além disso, foram realizadas simulações numéricas e um estudo paramétrico utilizando o pacote computacional FX + DIANA a fim de extrapolar os resultados experimentais. Observou-se que o comportamento estrutural de pilares submetidos a forças excêntricas depende do eixo de flexão, de modo que a ruptura ocorre de modo mais gradual quando o pilar é submetido a flexão em torno do eixo de maior inércia. Além disso, respostas similares foram obtidas para as três configurações de armadura avaliadas, sendo o valor de força máxima obtido para os exemplares com concreto com fibras ligeiramente inferior aos demais. A substituição da armadura convencional por telas de aço ou concreto com fibras de aço não altera significativamente os valores de força máxima nem o comportamento pós-pico, mostrando a viabilidade da solução proposta. / Composite columns are structural elements made with steel profiles and concrete working together. Among these, there is the partially encased composite columns that presents advantages, such as, the possibility of pre-fabrication, reduction in the use of formwork and structural efficiency, but its fabrication process involves a laborious task that is the anchoring of the reinforcements to the steel profiles. In this context, the present work has the objective of studying the structural behavior of partially encased composite columns subjected to axial compression and eccentric compression and to evaluate the possibility of replacing conventional reinforcement with alternatives that allow a simpler execution. For this, an experimental program was developed involving 23 specimens of composite columns made with W 150 x 22.5 shape and three reinforcement configurations: welded steel mesh and fiber-added concrete. In addition, numerical simulations and a parametric study were performed using the FX + DIANA computational package in order to extrapolate the experimental results. The results show the structural behavior of columns subjected to eccentric forces depends on the axis of flexure, so that the rupture occurs more gradually when subjected to bending about the major inertia axis. In addition, similar responses were obtained for the three reinforcement configurations evaluated, and the peak load obtained for the specimens with fiber concrete was slightly lower than the others. Therefore, it can be observed that the replacement of conventional reinforcement by steel meshes or fiber concrete does not significantly alter the peak load or post-peak behavior, showing potential to be considered as a new alternative.