This thesis describes the experimental appraisal of a series of 10 'non-sway' steel column subassemblages, each comprising a 6m long column with up to three 1.5m long beams, together with two full-scale 3 storey, 2 bay, single span, non-sway steel frames (typical overall dimensions 9m x 10m x 3.5m). The subassemblages tests were conducted in the Department of Civil and Structural Engineering at the University of Sheffield whilst the much larger frame tests were carried out at the Building Research Establishment. In all cases, the beam and column elements were connected using 'simple' bolted steelwork connections. The aim was to investigate the effect of the inherent rotational stiffness (semi-rigid characteristics) of such connections on the behaviour of steel frames in which the columns were loaded biaxially and were not restricted to in-plane deformation. The appraisal of the results from these experiments clearly shows that the stiffness of even the most modest connection can have a significant influence on the distribution of bending moments, the ultimate column capacity and deflection of frame members. The experimental data were subsequently used to validate the predictions of a sophisticated finite-element computer program which was developed specifically to analyse 3-dimensional column subassemblages employing semi-rigid connections. This thesis documents this validation and reports the findings of an extensive parametric study which was then conducted to investigate the influence of semi-rigid connection behaviour on a wide range of subassemblage configurations. Comparisons with the experimentally observed and analytically predicted ultimate capacities of the subassemblage and frame tests showed that 'commonly used' methods of frame design are unduly conservative. The author has therefore proposed a number of design approaches for both ultimate and serviceability limit state loading conditions which take into account the inherent benefits of semi-rigid joint action.

Soluções estruturais sofisticadas e racionais são exigências crescentes no cotidiano de projetistas de estruturas, como conseqüência da evolução dos projetos arquitetônicos e dos novos conceitos de gerenciamento das construções. As lajes nervuradas se enquadram nesta realidade como uma atraente alternativa, por propiciar economia de materiais e mão-deobra, com redução de perdas e aumento da produtividade, exigindo, porém, uma laboriosa modelagem numérica. Para entender melhor como funciona, na prática, este sistema construtivo, torna-se necessário obter um maior conhecimento sobre seu comportamento estrutural, bem como aperfeiçoar os modelos teóricos empregados para seu projeto e simulação. O objetivo principal desta pesquisa é analisar a adequação de métodos de cálculo empregados na modelagem destas estruturas, verificando se os mesmos representam satisfatoriamente seu comportamento. Para tanto, foram instrumentadas três lajes nervuradas de concreto armado em escala natural e um modelo reduzido de microconcreto armado na escala 1:7,5 representativo de uma laje nervurada real. O estudo mediu deformações no concreto/microconcreto e deslocamentos verticais em seções características das estruturas, submetidas a diferentes tipos de carregamento. A modelagem numérica foi feita empregando-se o programa Sistema Computacional TQS versão 11.9.9, que utiliza a análise matricial de grelhas, e o programa SAP2000 versão 14.2.2, que utiliza o método dos elementos finitos. Os valores medidos de deslocamentos verticais apresentaram-se na mesma ordem de grandeza das previsões teóricas e as deformações específicas indicaram a presença de momentos fletores nas seções instrumentadas coincidentes com os previstos pela análise numérica. Os resultados indicaram que as previsões teóricas, obtidas através de análises lineares e não lineares, bem como os valores medidos experimentalmente, sugeriram comportamentos semelhantes das estruturas, comprovando que as modelagens numéricas foram satisfatórias na simulação do comportamento de lajes nervuradas de concreto armado. / Waffle slabs are, nowadays, a demand for structural designers, as a consequence of architectural design evolution and new building management concepts, in spite of its laborious numerical modeling. Therefore, it becomes necessary to know more about their structural behavior and to improve the theoretical models used for simulating these slabs. The objective of this work is to analyze the adequacy of two methods widely used in the modeling of waffle slabs, verifying if they represent the slab behavior satisfactorily. Three real scale waffle slabs, and also a reduced microconcrete model, were submitted to diffent loads and instrumented with strain and deflection gages. The numerical analysis was made using a grid model program developed by a local software company, specialized in concrete structural design, and a finite element model, developed by an american software company, specialized in concrete structural analysis. Numerically computed deflections presented a good estimate of the measured results and experimental strains defined bending moments coincident with the forecast of the theoretical models, in all structures. Results indicated that theoretical linear and nonlinear analysis and the measured values suggested a similar behavior for all structures, confirming that concrete waffle slabs may be numericaly simulated in a satisfactory way by such models.

Soluções estruturais sofisticadas e racionais são exigências crescentes no cotidiano de projetistas de estruturas, como conseqüência da evolução dos projetos arquitetônicos e dos novos conceitos de gerenciamento das construções. As lajes nervuradas se enquadram nesta realidade como uma atraente alternativa, por propiciar economia de materiais e mão-deobra, com redução de perdas e aumento da produtividade, exigindo, porém, uma laboriosa modelagem numérica. Para entender melhor como funciona, na prática, este sistema construtivo, torna-se necessário obter um maior conhecimento sobre seu comportamento estrutural, bem como aperfeiçoar os modelos teóricos empregados para seu projeto e simulação. O objetivo principal desta pesquisa é analisar a adequação de métodos de cálculo empregados na modelagem destas estruturas, verificando se os mesmos representam satisfatoriamente seu comportamento. Para tanto, foram instrumentadas três lajes nervuradas de concreto armado em escala natural e um modelo reduzido de microconcreto armado na escala 1:7,5 representativo de uma laje nervurada real. O estudo mediu deformações no concreto/microconcreto e deslocamentos verticais em seções características das estruturas, submetidas a diferentes tipos de carregamento. A modelagem numérica foi feita empregando-se o programa Sistema Computacional TQS versão 11.9.9, que utiliza a análise matricial de grelhas, e o programa SAP2000 versão 14.2.2, que utiliza o método dos elementos finitos. Os valores medidos de deslocamentos verticais apresentaram-se na mesma ordem de grandeza das previsões teóricas e as deformações específicas indicaram a presença de momentos fletores nas seções instrumentadas coincidentes com os previstos pela análise numérica. Os resultados indicaram que as previsões teóricas, obtidas através de análises lineares e não lineares, bem como os valores medidos experimentalmente, sugeriram comportamentos semelhantes das estruturas, comprovando que as modelagens numéricas foram satisfatórias na simulação do comportamento de lajes nervuradas de concreto armado. / Waffle slabs are, nowadays, a demand for structural designers, as a consequence of architectural design evolution and new building management concepts, in spite of its laborious numerical modeling. Therefore, it becomes necessary to know more about their structural behavior and to improve the theoretical models used for simulating these slabs. The objective of this work is to analyze the adequacy of two methods widely used in the modeling of waffle slabs, verifying if they represent the slab behavior satisfactorily. Three real scale waffle slabs, and also a reduced microconcrete model, were submitted to diffent loads and instrumented with strain and deflection gages. The numerical analysis was made using a grid model program developed by a local software company, specialized in concrete structural design, and a finite element model, developed by an american software company, specialized in concrete structural analysis. Numerically computed deflections presented a good estimate of the measured results and experimental strains defined bending moments coincident with the forecast of the theoretical models, in all structures. Results indicated that theoretical linear and nonlinear analysis and the measured values suggested a similar behavior for all structures, confirming that concrete waffle slabs may be numericaly simulated in a satisfactory way by such models.

Soluções estruturais sofisticadas e racionais são exigências crescentes no cotidiano de projetistas de estruturas, como conseqüência da evolução dos projetos arquitetônicos e dos novos conceitos de gerenciamento das construções. As lajes nervuradas se enquadram nesta realidade como uma atraente alternativa, por propiciar economia de materiais e mão-deobra, com redução de perdas e aumento da produtividade, exigindo, porém, uma laboriosa modelagem numérica. Para entender melhor como funciona, na prática, este sistema construtivo, torna-se necessário obter um maior conhecimento sobre seu comportamento estrutural, bem como aperfeiçoar os modelos teóricos empregados para seu projeto e simulação. O objetivo principal desta pesquisa é analisar a adequação de métodos de cálculo empregados na modelagem destas estruturas, verificando se os mesmos representam satisfatoriamente seu comportamento. Para tanto, foram instrumentadas três lajes nervuradas de concreto armado em escala natural e um modelo reduzido de microconcreto armado na escala 1:7,5 representativo de uma laje nervurada real. O estudo mediu deformações no concreto/microconcreto e deslocamentos verticais em seções características das estruturas, submetidas a diferentes tipos de carregamento. A modelagem numérica foi feita empregando-se o programa Sistema Computacional TQS versão 11.9.9, que utiliza a análise matricial de grelhas, e o programa SAP2000 versão 14.2.2, que utiliza o método dos elementos finitos. Os valores medidos de deslocamentos verticais apresentaram-se na mesma ordem de grandeza das previsões teóricas e as deformações específicas indicaram a presença de momentos fletores nas seções instrumentadas coincidentes com os previstos pela análise numérica. Os resultados indicaram que as previsões teóricas, obtidas através de análises lineares e não lineares, bem como os valores medidos experimentalmente, sugeriram comportamentos semelhantes das estruturas, comprovando que as modelagens numéricas foram satisfatórias na simulação do comportamento de lajes nervuradas de concreto armado. / Waffle slabs are, nowadays, a demand for structural designers, as a consequence of architectural design evolution and new building management concepts, in spite of its laborious numerical modeling. Therefore, it becomes necessary to know more about their structural behavior and to improve the theoretical models used for simulating these slabs. The objective of this work is to analyze the adequacy of two methods widely used in the modeling of waffle slabs, verifying if they represent the slab behavior satisfactorily. Three real scale waffle slabs, and also a reduced microconcrete model, were submitted to diffent loads and instrumented with strain and deflection gages. The numerical analysis was made using a grid model program developed by a local software company, specialized in concrete structural design, and a finite element model, developed by an american software company, specialized in concrete structural analysis. Numerically computed deflections presented a good estimate of the measured results and experimental strains defined bending moments coincident with the forecast of the theoretical models, in all structures. Results indicated that theoretical linear and nonlinear analysis and the measured values suggested a similar behavior for all structures, confirming that concrete waffle slabs may be numericaly simulated in a satisfactory way by such models.

[pt] Este trabalho discute experimentalmente a utilização de fibras naturais em compósitos cimentícios para o reforço de elementos estruturais de concreto. Para tal, foram analisadas a morfologia e a durabilidade de fibras de curauá, cânhamo e sisal, bem como suas propriedades mecânicas. Dentre as fibras estudadas, o curauá apresentou o melhor desempenho, o que justificou sua implementação como reforço nos compósitos cimentícios. Para o projeto do compósito, foi decidido que o volume de fibras seria aplicado dividido em três camadas paralelas, em um arranjo alinhado longitudinalmente, como um tecido unidirecional. Os compósitos cimentícios reforçados com tecido de curauá foram mecanicamente caracterizados por testes de tração, flexão, compressão e cisalhamento. Após a investigação no nível material, o compósito desenvolvido foi aplicado sobre a superfície das vigas estruturais como um laminado afim de aumentar a capacidade portante sob duas condições de carregamento: flexão e cisalhamento. Os resultados experimentais dos ensaios estruturais foram confrontados com modelos analíticos para comparação. Os compósitos apresentaram um comportamento mecânico de alta performance, tendo alcançado o comportamento strain-hardening em todos os casos. Como reforço estrutural, o compósito proporcionou às vigas aumentos de resistência e ductilidade. Foi observado também um atraso no escoamento dos vergalhões de aço. / [en] This work experimentally discusses the use of natural fibers in cement-based composites for the strengthening of concrete structural elements. For such, the morphology and durability of curauá, hemp, and sisal fibers were analyzed, as well as their mechanical properties. Among the studied fibers, the curauá presented the best performance, which justified its implementation as reinforcement for cement-based composites. For the composite design, it was decided that the volume of fibers would be applied splitted into three parallel layers, in a longitudinally aligned arrangement, like a unidirectional fabric. A layer of this fabric was performed under a tensile test aiming to better understand its mechanical behavior. The cement-based composites reinforced with curauá fabric were mechanically characterized by tensile, bending, combined load compression, and shear tests. After the investigation at the material level, the developed composite was applied over the surface of structural beams as laminates, seeking to provide its strengthening under two distinct loading conditions: bending and shear. The experimental results of the structural tests were confronted with analytical models for comparison. The composites showed a high mechanical performance, achieving the strain-hardening behavior in all cases. When used as a structural reinforcement, the composite provided to the beams increases of strength and ductility. It was also observed a yielding delay in the steel reabars.