Thesis (Ph. D.), Memorial University of Newfoundland, 1998. / Bibliography: leaves 264-272.

O emprego das vigas mistas na atualidade é uma das opções atrativas para a construção de pontes e das lajes dos andares de prédios. A obtenção das melhores características individuais em resistência e rigidez dos materiais envolvidos é aproveitada neste tipo de estruturas. O presente trabalho visa à formulação de um modelo matemático e sua implementação numérica através de um código computacional capaz de representar com confiabilidade este tipo de estruturas para cargas de curta duração. Assim é utilizada a teoria de plasticidade associada com um algoritmo de retorno explícito para o concreto e o aço estrutural, sendo inserido estes procedimentos dentro de um processo incremental iterativo baseado num critério de convergência de forças ou deslocamentos. Para a modelagem da laje de concreto é desenvolvido o elemento finito quadrilátero de casca degenerada de oito nós, que considera as tensões de corte fora do plano, usando a teoria de Reissner-Mindlin. O fenômeno de travamento por cortante, característico neste tipo de elemento finito, é solucionado usando uma regra de integração reduzida e uma modificação do fator de forma aplicado às tensões de corte. Para a modelagem da viga de aço foi implementado um elemento de casca poliédrica produto do acoplamento das rigidezes do elemento de placa delgada e de membrana proposto por Batoz & Tahar (1982) e Ibrahimbegovic et al. (1990), respectivamente. Os conectores de corte são modelados mediante elementos de barra tridimensional viga-coluna que unem os planos médios da laje de concreto e mesa superior da viga de aço nas posições reais dos conectores de corte de acordo com os relatórios experimentais para os exemplos estudados. A compatibilidade nas rotações e deslocamentos axiais no conector é conseguida mediante a inclusão de valores muito grandes nas rigidezes correspondentes. O trabalho em conjunto dos três elementos desenvolvidos, laje de concreto, viga de aço e conectores, possibilita a abordagem de qualquer estrutura complexa do tipo viga mista. A validação do modelo numérico proposto é demonstrada através dos exemplos de aplicação testados. / Currently, composite sections are one of the more attractive options to be used for bridge and building floors construction. The reason is that the best individual characteristics in strength and stiffness of the involved materials are obtained for these structures. Formulation of a mathematical model and its numerical implementation for a reliable simulation of these structures for short time analysis is the main objective of the present work. An associated theory of plasticity and an explicit return algorithm for concrete and steel materials are used, being these procedures part of the well known incremental iterative procedure based on criteria of unbalanced forces or displacements. The quadrilateral degenerated shell element of eight nodes, which considers out of plane shear stresses in accordance with Reissner-Mindlin theory was developed to modeling the concrete slab. The shear locking phenomena for these elements was avoided with a reduced integration rule and by using a modified shape factor for shear stresses. For modeling the steel beam, a plane shell element, which is originated by the assemble of the plate element and membrane element proposed by Batoz & Tahar (1982) and Ibrahimbegovic et al. (1990) was formulated. The shear stud connectors were modeled trough a three-dimensional bar element, which joint the middle plane of the concrete slab and the middle plane of the top steel flange of the steel beam representing the actual positions of the connectors, according to the experimental works for the examples studied here. These three elements, working simultaneously allow to model any complex structure of composite section. The validation of the numerical model is demonstrated with the aid of several examples.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:25:22Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2004-02-12Bitstream added on 2014-06-13T19:53:03Z : No. of bitstreams: 1 molina_jc_me_ilha.pdf: 1032005 bytes, checksum: ca5a19c94abacf21752f94991dff250b (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Fundação de Ensino Pesquisa e Extensão de Ilha Solteira (FEPISA) / Este trabalho de pesquisa tem a finalidade de analisar o comportamento de edificações de aço. Essas edificações são constituídas de pórticos, espaçados igualmente no sentido longitudinal, considerando o conjunto telha - terça na sua contenção transversal e principalmente longitudinal. As telhas são fixadas nas terças e este conjunto é fixado ao pórtico, de maneira a garantir a sua funcionalidade como um painel rígido, ação diafragma. A análise estrutural é efetuada através do processamento numérico, e são analisadas edificações de aço com dimensões transversais de 10.0, 15.0 e 20.0 metros de vão, tendo o espaçamento longitudinal entre pórticos de 4.0, 5.0, 6.0 e 7.0 metros. Primeiramente são analisados os painéis laterais das edificações, e na seqüência a edificação como um todo com relação ao seu comportamento global. Para finalizar, uma vez definidas todas as características da estrutura, é avaliado o comportamento da edificação quanto ao seu estado limite de utilização, ou seja, a rigidez proporcionada pelo sistema convencional e a ação diafragma formada pelo conjunto telha - terça. / This research work has the purpose to analyze the behavior of buildings in steel. Those buildings have been made by frames, with the same distance in the longitudinal direction, and used the purlin-sheeting system it your transverse restrain and mainly longitudinal. The sheetings are fastened on purlins and this system conected in the frame, in way to guarantee the functionality as a rigid panel, diaphragm action. The structural analysis is made through the numeric processing, and the steel buildings are analyzed with traverse dimensions of 10.0, 15.0 and 20.0 meters, and longitudinal dimension to the each other with 4.0, 5.0, 6.0 and 7.0 meters. Initially the lateral panels purlinsheeting system, are analyzed isolated, and in the sequence this system is connected to the building and analyzed with relationship the global behavior. Finally, once defined all the characteristics of the structure, the building behavior is evaluated with the limit state used, in other words, the proportionate rigidity for the braced system and the action diaphragm formed by the purlin-sheeting system.

O emprego das vigas mistas na atualidade é uma das opções atrativas para a construção de pontes e das lajes dos andares de prédios. A obtenção das melhores características individuais em resistência e rigidez dos materiais envolvidos é aproveitada neste tipo de estruturas. O presente trabalho visa à formulação de um modelo matemático e sua implementação numérica através de um código computacional capaz de representar com confiabilidade este tipo de estruturas para cargas de curta duração. Assim é utilizada a teoria de plasticidade associada com um algoritmo de retorno explícito para o concreto e o aço estrutural, sendo inserido estes procedimentos dentro de um processo incremental iterativo baseado num critério de convergência de forças ou deslocamentos. Para a modelagem da laje de concreto é desenvolvido o elemento finito quadrilátero de casca degenerada de oito nós, que considera as tensões de corte fora do plano, usando a teoria de Reissner-Mindlin. O fenômeno de travamento por cortante, característico neste tipo de elemento finito, é solucionado usando uma regra de integração reduzida e uma modificação do fator de forma aplicado às tensões de corte. Para a modelagem da viga de aço foi implementado um elemento de casca poliédrica produto do acoplamento das rigidezes do elemento de placa delgada e de membrana proposto por Batoz & Tahar (1982) e Ibrahimbegovic et al. (1990), respectivamente. Os conectores de corte são modelados mediante elementos de barra tridimensional viga-coluna que unem os planos médios da laje de concreto e mesa superior da viga de aço nas posições reais dos conectores de corte de acordo com os relatórios experimentais para os exemplos estudados. A compatibilidade nas rotações e deslocamentos axiais no conector é conseguida mediante a inclusão de valores muito grandes nas rigidezes correspondentes. O trabalho em conjunto dos três elementos desenvolvidos, laje de concreto, viga de aço e conectores, possibilita a abordagem de qualquer estrutura complexa do tipo viga mista. A validação do modelo numérico proposto é demonstrada através dos exemplos de aplicação testados. / Currently, composite sections are one of the more attractive options to be used for bridge and building floors construction. The reason is that the best individual characteristics in strength and stiffness of the involved materials are obtained for these structures. Formulation of a mathematical model and its numerical implementation for a reliable simulation of these structures for short time analysis is the main objective of the present work. An associated theory of plasticity and an explicit return algorithm for concrete and steel materials are used, being these procedures part of the well known incremental iterative procedure based on criteria of unbalanced forces or displacements. The quadrilateral degenerated shell element of eight nodes, which considers out of plane shear stresses in accordance with Reissner-Mindlin theory was developed to modeling the concrete slab. The shear locking phenomena for these elements was avoided with a reduced integration rule and by using a modified shape factor for shear stresses. For modeling the steel beam, a plane shell element, which is originated by the assemble of the plate element and membrane element proposed by Batoz & Tahar (1982) and Ibrahimbegovic et al. (1990) was formulated. The shear stud connectors were modeled trough a three-dimensional bar element, which joint the middle plane of the concrete slab and the middle plane of the top steel flange of the steel beam representing the actual positions of the connectors, according to the experimental works for the examples studied here. These three elements, working simultaneously allow to model any complex structure of composite section. The validation of the numerical model is demonstrated with the aid of several examples.

Orientador : Renato Bertolino Júnior / Banca: Maximiliano Malite / Banca: José Antônio Matthiesen / Resumo: Este trabalho de pesquisa tem a finalidade de analisar o comportamento de edificações de aço. Essas edificações são constituídas de pórticos, espaçados igualmente no sentido longitudinal, considerando o conjunto telha - terça na sua contenção transversal e principalmente longitudinal. As telhas são fixadas nas terças e este conjunto é fixado ao pórtico, de maneira a garantir a sua funcionalidade como um painel rígido, ação diafragma. A análise estrutural é efetuada através do processamento numérico, e são analisadas edificações de aço com dimensões transversais de 10.0, 15.0 e 20.0 metros de vão, tendo o espaçamento longitudinal entre pórticos de 4.0, 5.0, 6.0 e 7.0 metros. Primeiramente são analisados os painéis laterais das edificações, e na seqüência a edificação como um todo com relação ao seu comportamento global. Para finalizar, uma vez definidas todas as características da estrutura, é avaliado o comportamento da edificação quanto ao seu estado limite de utilização, ou seja, a rigidez proporcionada pelo sistema convencional e a ação diafragma formada pelo conjunto telha - terça. / Abstract: This research work has the purpose to analyze the behavior of buildings in steel. Those buildings have been made by frames, with the same distance in the longitudinal direction, and used the purlin-sheeting system it your transverse restrain and mainly longitudinal. The sheetings are fastened on purlins and this system conected in the frame, in way to guarantee the functionality as a rigid panel, diaphragm action. The structural analysis is made through the numeric processing, and the steel buildings are analyzed with traverse dimensions of 10.0, 15.0 and 20.0 meters, and longitudinal dimension to the each other with 4.0, 5.0, 6.0 and 7.0 meters. Initially the lateral panels purlinsheeting system, are analyzed isolated, and in the sequence this system is connected to the building and analyzed with relationship the global behavior. Finally, once defined all the characteristics of the structure, the building behavior is evaluated with the limit state used, in other words, the proportionate rigidity for the braced system and the action diaphragm formed by the purlin-sheeting system. / Mestre

Nesta dissertação de mestrado se discorreu sobre o dimensionamento de vigas e pilares de aço em situação de incêndio. Foi apresentada a formulação para o dimensionamento em incêndio, esclarecendo sua origem. Tem-se como objetivo principal a elaboração de uma ferramenta computacional, que foi chamada de AçoInc, capaz de calcular os esforços resistentes de perfis de aço à temperatura ambiente, segundo a ABNT NBR 8800:2008, e em situação de incêndio, segundo a ABNT NBR 14323:2013. Por meio de AçoInc, é possível se determinar a temperatura do perfil de aço em situação de incêndio, seguindo o modelo de transferência de calor ABNT NBR 14323:2013, com base na curva de incêndio-padrão associada ao tempo requerido de resistência ao fogo (TRRF) e no modelo do incêndio natural, empregando-se as curvas paramétricas do Eurocode 1 (2002). Por meio dos recursos acoplados a ferramenta, foram realizados alguns estudos. O primeiro é estudo probabilístico de ruínas de pilar e de viga de aço em situação de incêndio considerando o incêndio paramétrico por meio do método de Monte Carlo. Outro estudo é a realização de análises de sensibilidade paramétrica para verificar a influência das dimensões do perfil, das variáveis que compõem o incêndio natural e das propriedades associadas à transferência de calor nos esforços resistentes. Para esse estudo, além das planilhas, empregou-se o programa de computador Statgraphics Centurion XV (2007), que contém recursos de análises estatísticas. Empregando a ferramenta, também foi verificada a equivalência entre curvas paramétricas e curva de incêndio-padrão na obtenção da temperatura do aço em situação de incêndio. Para o uso do incêndio paramétrico, propuseram-se coeficientes de ponderação com base no método do tempo equivalente detalhado na ABNT NBR 14323:2013. Por último, com o auxílio das planilhas de AçoInc, foram criadas ferramentas simples não computacionais para a determinação das temperaturas críticas para pilares e vigas em algumas situações construtivas de interesse prático. Desses estudos concluiu-se que a temperatura do aço é o parâmetro mais importante na determinação dos esforços resistentes das estruturas de aço em situação de incêndio, que a formulação atual para a modelagem do incêndio paramétrico conduz a uma variação da temperatura do incêndio com o grau de ventilação com indesejável descontinuidade e que os dados encontrados na literatura internacional sobre probabilidade de ocorrência de incêndio e flashover levam a valores de probabilidade de ruína estrutural muito diferentes entre si. / The issue of this Master Dissertation is the design of steel beams and columns in fire situation. The formulation for the design in fire was presented, explaining its origin. The main objective is the development of a computational tool, which was called AçoInc, able to calculate the resistances of steel elements at room temperature according to ABNT NBR 8800:2008 and in case of fire according to ABNT NBR 14323:2013. The temperature of the steel element in fire is also obtained through the AçoInc, following the heat transfer model of ABNT NBR 14323:2013 and basing on fire curves. These curves are the standard fire curve associated with the required fire resistance time and parametric curves for natural fire model of Eurocode 1 (2002). With the support of spreadsheets, some studies were performed. The first one is probabilistic study of failure of column and beam in fire situation considering the parametric fire and by means of the Monte Carlo method. Other study is parametric sensitivity analyses, which were performed to verify how the resistances are influenced by the dimensions of cross section, the variables of the natural fire and the properties associated with heat transfer. For this study, in addition to spreadsheets, we used the Software Statgraphics Centurion XV (2007), which contains resources of statistical analysis. Applying the spreadsheets, the equivalence between parametric curves and fire standard curve in the obtention of the steel temperature in the fire situation was verified. For the use of parametric fire, partial factors, based on the equivalent time method detailed on ABNT NBR 14323:2013 were proposed. At last, with the assistance of spreadsheets, simple non-computational tools were created for determining the critical temperatures for columns and beams in some constructive situations of practical interest. Some conclusions from these studies are that the steel temperature is the most important parameter in determining the resistance of steel structures in a fire situation, that the current formulation for parametric fire modeling leads to a variation of the fire temperature in function of the opening factor with undesirable discontinuity and that the data found in the international literature about probability of fire and flashover lead to divergent values of structural failure probability.

Estudam-se, nesta Tese, procedimentos e aplicações práticas de técnicas de otimização no projeto de estruturas civis submetidas a carregamento dinâmico. Ênfase especial é colocada em soluções integradas para sistemas estruturais compostos por fundações, pórticos e placas, destinados ao suporte de máquinas vibratórias. Problemas de minimizar o custo de estruturas e fundações são definidos como problemas de otimização. As dimensões dos elementos estruturais, bem como as armadura utilizadas, no caso do concreto armado, são as variáveis de projeto. Para se calcular a função custo, são considerados os custos de construção, incluindo os custos do concreto, do aço, da forma e do escoramento, quando aplicáveis. São consideradas, entre outras, restrições devidas à ruptura dos materiais e do solo, deslocamentos excessivos, bem como as relacionadas com a percepção pelo ser humano de níveis de vibração inconfortáveis. Um critério de ruína para barras de concreto armado submetidas à flexão obliqua composta é desenvolvido, com o objetivo de minimizar o tempo computacional Um programa de computador foi implementado, com base no Método dos Elementos Finitos e no algoritmo do Lagrangiano Aumentado, e utilizado para resolver diversos problemas práticos de otimização. Também a sensibilidade das soluções é abordada. / In this Thesis, procedures and practical applications of optimization techniques to the project of Civil Engineering structures subjected to dynamic loading are studied. Special emphasis is placed on integrated solutions for structural systems composed by beams, columns, plates and footings designed to support vibrating machines. Problems of minimizing structures and foundations cost are defined as optimization problems. The dimensions of the structural parts and their reinforcements, when reinforced concrete is used, are the design variables. In order to evaluate the cost function, the cost of the concrete, the steel, the form and the propping form, whenever proper, are considered. Constraints are considered, among others, due to material and soil failure, excessive displacements, as well as those related to the perception of uncomfortable vibration levels by human beings. A failure criterion for reinforced concrete members subjected to asymmetric bending and axial loading is presented in order to minimize computer time. A computer code was implemented, based on the Finite Element Method and the Augmented Lagrangian algorithm, and used to solve several practical optimization problems. The sensitivity of the solutions is also assessed.

O valor do momento crítico à flambagem lateral de vigas em regime elástico-linear é geralmente obtido na literatura técnica por meio de teorias aproximadas e definido apenas para alguns casos usuais. Entretanto, a utilização de modernas técnicas computacionais permite que o estudo da flambagem lateral não fique restrito apenas a esses casos. O objetivo deste trabalho é determinar o valor do momento crítico de vigas de aço em regime elástico-linear para diversos casos de carregamento e de vinculação, por meio de uma Teoria Não-Linear Geometricamente Exata. Estes resultados são comparados aos obtidos com o emprego de expressões baseadas em teorias aproximadas, em particular as normas de projeto NBR8800:1986, prAISC-LRFD:2003, prEN1993-1-1:2002 Stage 54 e prEN1999-1-1:2004 Stage 54. Com o emprego do programa de elementos finitos PEFSYS, realiza-se, para vigas tipo I bissimétricas, uma análise paramétrica que incorpora a faixa usual de utilização destas vigas em projetos usuais de edifícios. Estuda-se a influência da restrição ao empenamento e à rotação no plano ortogonal ao da flexão para quatro condições de vinculo nas extremidades da viga. Consideram-se ainda alguns casos adicionais, como carga aplicada fora do centro de torção e vínculos ao longo do vão, para mostrar o potencial do método de análise utilizado. / The elastic lateral buckling moment is generally obtained in technical literature by means of approximated theories, and defined just for some common cases. However, the use of recent computational techniques allows that lateral-torsional buckling’s study doesn’t remain restricted to this few cases. The intend of this work is to establish accurate values for the elastic critical moment of steel beams in several cases of loading and end-restraint, using a Geometrically Exact Nonlinear Theory. This results are compared with the ones derived from approximate theories, in particular, Brazilian code NBR8800:1986, American Specification prAISC-LRFD:2003, and European Prestandards prEN1993-1-1:2002 Stage 54 and prEN1999-1-1:2004 Stage 54. A parametrical analysis is performed for doubly-symmetric I-beams using the finite element program PEFSYS for usual range in conventional structures. The influence of warping and lateral rotation restraints is studied for four idealized support conditions. Some other cases, like transverse load applied above and below shear center and presence of bracings along the span, are accounted of to corroborate the validity and the powerful of this procedure.

Neste trabalho o comportamento sísmico das partes internas de um equipamento de proteção ambiental é estudado. O equipamento, um precipitador eletrostático, é composto basicamente de uma grande caixa de metal elevada, que contem eletrodos positivos e negativos responsáveis pela coleta de material particulado no fluxo de gases industriais. Esses componentes se comportam como pêndulos. No modelo foram considerados os deslocamentos sísmicos horizontais em duas direções ortogonais. De especial interesse está o fato de os eletrodos terem a liberdade de oscilar no plano de uma direção, mas não no seu plano perpendicular. Serão analisados quatro modelos com um, dois, três graus de liberdade, e um com três graus de liberdade linearizado. O modelo mais completo considera como graus de liberdade e coordenadas generalizadas os dois deslocamentos horizontais, e o deslocamento angular do pendulo. Foi adotada a formulação Lagrangeana para derivar as equações de movimento do modelo. As equações diferenciais do movimento de segunda ordem obtidas apresentam um comportamento não linear. Os movimentos sísmicos, que são estocásticos por natureza, serão simulados por meio de um registro sísmico existente, arbitrariamente escolhido. A obtenção dos parâmetros do modelo a ser estudado é de especial interesse para a melhor previsão do comportamento do equipamento quando solicitado a esforços sísmicos. A integração numérica do modelo matemático é efetuada, sendo posteriormente realizados comparativos entre as respostas dos modelos, quando submetidos tanto a vibração livre, como a um sismo real já registrado, arbitrário. / In this work, the seismic behavior of the internal parts of an environmental control equipment is studied. The equipment, an electrostatic precipitator, is basic composed of an elevated large steel box, containing positive and negative electrodes that capture powdered material of industrial effluent gases. These internal components behave essentially as pendula. In the mathematical model seismic motions in two orthogonal directions are considered. It is interesting to realize that the pendular electrodes are free to swing in one plane but not in the other plane. Four increasingly complex nonlinear models are analyzed, with one, two and three degrees of freedom, as well as one 3-degree-of-freedom linearized model. The generalized coordinates of the most complete model are the two horizontal displacements of the top mass and the angular motion of the pendulum. Lagranges formulation is used to derive the equations of motion of the models. These are second order nonlinear ordinary differential equations. The base seismic motions, that are stochastic in nature, are replaced by a arbitrarily chosen existing seismic record. The models parameters are carefully chosen to a good prediction of the equipment under seismic support excitation. Numerical integration of the mathematical model is performed, and comparisons are made of the several models response submitted to free vibrations and to an existing seismic record.

Os elementos estruturais de aço externos a edificações em situação de incêndio são expostos à radiação, proveniente das janelas na fachada e das chamas, e à convecção dos gases quentes. A absorção de calor pelo elemento varia de acordo com a sua posição em relação às aberturas. Margaret Law, com apoio de vasta quantidade de dados experimentais sobre incêndio em edifícios, estimou a transferência de calor externa para elementos de aço e o valor máximo da temperatura alcançada por eles. O Eurocode 1, part 1.2 (2002) e o Eurocode 3, part 1.2 (2003) adotaram o método proposto, com pequenas modificações. A norma brasileira ABNT NBR 14323:1999 - Dimensionamento de estruturas de aço de edifícios em situação de incêndio Procedimento permite empregar o procedimento proposto pelos Eurocodes 1 e 3, porém, sem detalhá-lo. Neste trabalho, elaborou-se um programa de computador, o ExteelFire, para determinar a máxima temperatura dos elementos estruturais de aço externos a edificações em situação de incêndio, com base no método de Margaret Law. Compararam-se os resultados obtidos via ExteelFire a valores determinados por meio de análise numérica, com auxílio dos programas de computador CFD (Computational Fluid Dynamics) Smartfire e de análise térmica, Super Tempcalc; compararam-se os resultados obtidos via ExteelFire a valores determinados em ensaios de incêndio compartimentado em escala natural (ensaio de Dalmarnock e ensaio da Siderúrgica Mittal Steel Ostrava). No presente trabalho, também se aplicou o ExteelFire a casos correntes na construção civil, indicando situações em que o revestimento contra fogo pode ser dispensado. / Steelworks outside a building in fire situation are exposed to radiation that come from the windows in the façade and from flames, as well as the convection of hot gases. The absorption of the heat for the element depends on its placement in relation to the openings. Margaret Law, based on many experimental data about fire in buildings, estimated the external heat transfer to steel elements and the maximum temperature value reached by them. The Eurocode 1, part 1.2 (2002) and Eurocode 3, part 1.2 (2003) have adopted the method previously mentioned with small modifications. The Brazilian standard ABNT NBR 14323:1999 - Dimensionamento de estruturas de aço de edifícios em situação de incêndio Procedimento (Steel structures fire design Procedure) allows employment proposed by Eurocodes 1 and 3 without detailing it. A software, ExteelFire, to determine the maximum temperature on external steel structures of buildings in fire, based on Margaret Laws method was elaborated in this work. Results from ExteelFire and the values determined by numerical analysis, with software CFD (CFD - Computational Fluid Dynamics) Smartfire and Super Tempcalc (thermal analysis) have been compared. Furthermore, results from ExteelFire and values determined in tests in fire compartment, in natural scale (Dalmarnock experiment and Mittal Steel Ostrava experiment) have also been contrasted. In this work it was also applied ExteelFire to commonly used situations in civil construction, showing conditions where the thermal protection can be excluded.