Os pisos mistos de baixa altura caracterizam um sistema estrutural em que há a incorporação, parcial ou completa, do perfil metálico (viga de aço) na laje de concreto, promovendo a redução da altura da seção e, consequentemente, o aumento da altura útil do pavimento. A incorporação do perfil de aço na laje de concreto garante revestimento ao aço contra o fogo, melhorando o desempenho da viga de aço frente às ações do fogo. Com a finalidade de avaliar o desempenho térmico e estrutural desta solução construtiva, foram desenvolvidos modelos numéricos das vigas parcialmente revestidas presentes nesse sistema estrutural em duas etapas distintas: Na primeira é realizada a análise térmica bidimensional no pacote computacional DIANA para a obtenção dos campos térmicos nas seções transversais das vigas em questão e, a partir daí, considerá-los em um processador de cálculo de momentos plásticos resistentes em todo o intervalo de tempo analisado, sendo então possível avaliar a perda da capacidade portante da seção em função do tempo de exposição ao fogo. A segunda etapa consiste na criação de modelos numéricos tridimensionais em elementos finitos no pacote computacional DIANA, com o qual é possível obter o comportamento estrutural da viga mista de aço e concreto quando exposta ao incêndio padrão, considerando então os efeitos relativos à inclusão do gradiente de temperatura tais como a perda das propriedades mecânicas, a expansão e a interação entre os materiais. Tendo em vista as funcionalidades do código computacional DIANA, diversos modelos foram construídos procurando atingir a melhor aproximação com os resultados experimentais apresentados na literatura associados ao menor custo computacional possível. Dessa forma, foram analisados casos com (1) interação parcial e total entre o aço e o concreto e com (2) diferentes modelos constitutivos para os materiais em questão. Por fim, os resultados obtidos com a análise numérica a partir do DIANA são comparados com os do método dos momentos plásticos, que por sua vez, apresentam um custo computacional bastante reduzido / Slim floor frames consists on structural system in which the steel beam is completely or partially inserted in a concrete slab, that is usually used in profiled steel decks systems. The main goal of the slim floor systems is to obtain a minimum height of the composite beam section and, consequently, achieve a higher height of the floor or a lower total height of the building. The partial encasement of the steel beam in the concrete slab provides a thermal protection, improving the behavior of the beam when subjected to fire. In order to evaluate the thermal and structural behavior of the slim floor system, numerical models considering partially encased beams, which can be found in the slim floor structures, were created. The numerical evaluation procedure was divided in two steps. In the first step, a two-dimensional thermal analysis is carried out using the general finite-element software TNO DIANA to obtain the temperatures gradient in the cross section during the fire exposure time and then, use the data in a computational code developed in FORTRAN which calculates the bearing capacity, over the exposure time, of the slim floor beams by means of the plastic moment capacity method, using the reduction factors associated to the mechanical properties of the materials presented in Eurocode 4. The second step consists in to develop three-dimensional numerical models using the software TNO DIANA and then obtain the complete structural behavior of the beam when subjected to a fire condition. Another aspect related to the loss of mechanical properties was also considered, such as the thermal expansion and the interaction between the steel and the concrete. In view of the DIANA functions, several models were developed in order to achieve a better approximation, a low computational cost, of some tests results presented in wide world literature. The cases of partial and complete interaction between the materials were analyzed, as well as the different constitutive models for them, so that the results obtained at the two steps were compared, and an evaluation of the methods was done

Largamente utilizadas nas obras de engenharia civil, as vigas mistas aço-concreto surgem como conseqüência natural da utilização de vigas de aço sob lajes de concreto, proporcionando um melhor aproveitamento das características de cada material constituinte. Para que se comporte como um elemento misto, é necessário haver um trabalho conjunto entre laje e viga, razão pela qual são utilizados elementos metálicos denominados conectores de cisalhamento, que visam restringir o escorregamento longitudinal e o descolamento vertical na interface. Tendo em vista os aspectos mencionados, são apresentados neste trabalho modelos numéricos tridimensionais de vigas mistas com vistas a simular o seu comportamento estrutural, principalmente no referente à interface entre viga de aço e laje de concreto. Os modelos são constituídos por vigas mistas simplesmente apoiadas com laje de faces planas e conectores de cisalhamento do tipo pino com cabeça. As simulações foram realizadas por meio do código de cálculo ANSYS versão 8.0, que tem como base o método dos elementos finitos. Os resultados obtidos foram comparados com valores experimentais, extraídos de trabalhos apresentados por outros pesquisadores / Widely used in civil engineering frameworks, steel-concrete composite beams appear as consequence of the use of steel beams with concrete slab, providing better management of each constituent material properties. To act as a composite element, it is necessary that the slab and the beam work together, aspect obtained by using metallic elements called shear connectors, that restrict the longitudinal slipping and the uplifting between steel beam and concrete slab. In this sense, this work presents three-dimensional numerical models of steel-concrete composite beams in order to simulate its structural behavior with emphasis, in particular, at the interface between steel beam and concrete slab. The numerical models are constituted of simply supported composite beams with plain faces slab and stud bolt shear connectors. The simulations had been carried out by means of the code ANSYS version 8.0, based on finite elements method. The results had been compared with experimental values, extracted of works presented by others researchers

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:03:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Juliano Geraldo Ribeiro Neto.pdf: 2086855 bytes, checksum: 3b65b93d36838091f2c1204a03908f1c (MD5) Previous issue date: 2010-03-19 / Among the many structural and building systems, it could be highlighted a system that is a mix of steel-concrete that allows the application of their structural and building advantages as whole. When dealing with metal structures, it was noticed some changes regarding the standards of the involved material due to its lack of availability; such measures do not always follow satisfactory structural procedures. This research aims to develop a comparative study about the technical behavior of mixed steel-concrete from three different types of shear connectors (U, U and L cold formed laminated), analyzing their connectors structural behavior when associated with steel beams (Type I rolled and concrete slab). There were three direct shear tests for each type of connector, resulting in a total of nine pieces, and six trials (simply supported composite beams) to evaluate the positive bending moment region. The results indicated that the direct shear behavior between the types of connectors had important and different outcomes; however, they didn t affect significantly the average resistance of the bending mixed beams. Such beams showed considerable results regarding their deflection and deformation performance due to their connectors stiffness. / Dentre os diversos sistemas estruturais e construtivos existentes, destacam-se os sistemas formados por elementos mistos aço-concreto, cuja combinação de perfis de aço e concreto visa aproveitar as vantagens de cada material, tanto em termos estruturais como construtivos. Um fato corriqueiro que pode ser observado na execução de obras metálicas é a substituição de perfis especificados em projeto por outros equivalentes. Essa substituição, muitas vezes motivada pela falta do material especificado, nem sempre atende a uma equivalência de comportamento estrutural satisfatória. Neste trabalho é abordado um estudo comparativo do comportamento estrutural de vigas com seção mista aço-concreto, para três diferentes tipos de conectores de cisalhamento em perfil U laminado, U e L formados a frio. O objetivo é estudar o comportamento estrutural desses conectores associados a vigas metálicas em perfil I laminado e laje de concreto. Para cada tipo de conector foram realizados três ensaios de cisalhamento direto, resultando num total de nove peças, além de seis ensaios em vigas mistas simplesmente apoiadas para avaliação da região de momento fletor positivo. Os resultados obtidos indicaram que o comportamento ao cisalhamento direto entre os diferentes tipos de conectores apresentam significativa diferença, entretanto não influenciaram significativamente na resistência média das vigas mistas à flexão. Estas porém, apresentaram diferenças consideráveis de deflexões e deformações em virtude das diferenças de rigidez dos conectores.

O presente estudo traz uma revisão bibliográfica dos sistemas estruturais, da estabilidade e análise estrutural de edifícios de múltiplos andares com estrutura de aço e, ainda, do emprego de elementos mistos aço e concreto nesses sistemas, com ênfase às vigas mistas. É aplicável a duas áreas, a saber: acadêmica e prática. Na área acadêmica, contribui com informações que permitem iniciar linhas de pesquisas para diversos assuntos. Na área prática, através de exemplos, contribui com a análise da viabilidade do processo construtivo e estrutural. E por meio de instruções mínimas, contribui para o desenvolvimento de projetos de estruturas metálicas. A referida pesquisa é embasada na ABNT NBR 8800:2008 e, quando indispensável, nas normas ANSI/AISC 360-10 e EN 1994-1-1:2004. / The concerned study brings a literature review of structural systems, stability and structural analysis of multistory buildings with steel structures and also the use of steel-concrete composite elements in those systems, with emphasis on composite beams. It applies to two subjects, namely: academic and practical. In academics, it contributes with informations that allows you to start several lines of research. In the practice, through examples, it contributes with the assessment of the viability of the construction and structural process. And using minimal instructions, it contributes to the development of steel structure projects. The related research is based on the ABNT NBR 8800:2008 and, when necessary, on ANSI/AISC 360-10 and EN 1994-1-1:2004.

[pt] Nesta dissertação, foi desenvolvido um estudo teórico-experimental de um sistema pré-fabricado de vigamentos mistos de pisos de edificações. O modelo estrutural consiste em vigas mistas do tipo duplo T, onde as nervuras são constituídas por uma viga celular formada a partir de um perfil I laminado, parcialmente embutido na laje de concreto. Após a montagem das vigas-mistas na obra, é feito um capeamento de concreto armado para solidarização do conjunto. Uma grande vantagem deste sistema é proporcionar a integração do piso com o sistema de instalações prediais, por meio da passagem de dutos pelas aberturas do perfil metálico. São apresentados os detalhes do sistema construtivo, bem como as recomendações de projeto. Foi executada uma análise paramétrica para avaliação do comportamento estrutural em termos de eficiência estrutural, visando-se principalmente a redução de custos de fabricação e velocidade de montagem. Com base neste estudo, foi desenvolvido um programa experimental no Laboratório de Estruturas e Materiais da PUC-Rio, para análise do comportamento carga/deformação e da resistência última à flexão dos protótipos submetidos a um carregamento estático. Com os dados obtidos, fez-se uma comparação com os resultados previstos. Os resultados experimentais confirmaram as previsões de resistência fornecidas pelas recomendações de projeto. / [en] In this research, is present a theoretical and experimental study of the prefabricated composite beams system. The structural model consists of composite beams of double T type where the ribs are constituted by an asymmetric I-section cellular beam, partially embedded in the concrete slab. After installation of the beams in the work, it is made a reinforced concrete capping for solidarity assembly. A great advantage of this system is integrate the floor with the building installations system, by passing ducts through the openings of the metal profile. This dissertation presents the system with the general details of construction and design. A parametric analysis was performed to assess the structural behavior in terms of structural efficiency. It is mainly aimed at reducing manufacturing costs and speed of assembly. Based on this study, was developed an experimental program in the Structure and Materials Laboratory at PUC-Rio, to analyze the behavior load / deformation and ultimate flexural strength of prototypes subjected to a static loading. With the obtained data, a comparison is made with the expected results analytically. The experimental results confirmed the estimated strength given by the design recommendations.

Este trabalho apresenta uma análise comparativa de diferentes sistemas estruturais para um edifício de 20 pavimentos. Cada um dos modelos foi dimensionado através dos princípios do método da análise direta, presente na ABNT NBR 8800:2008. O método da amplificação dos esforços solicitantes (MAES) foi usado para se obter de forma simplificada os esforços atuantes nos elementos do edifício considerando os efeitos locais e globais de segunda ordem. A incidência do vento foi simulada de duas formas diferentes. Na primeira, chamada de uniforme, o vento foi aplicado sem excentricidade, gerando apenas o efeito de tombamento nas estruturas. Na segunda hipótese, considerou-se uma excentricidade devida aos efeitos de vizinhança, prescrita pela ABNT NBR 6123:1988, responsável por ocasionar o tombamento e a torção dos edifícios. Todas as análises numéricas foram repetidas fazendo o uso de outro método simplificado de segunda ordem, conhecido como P-Delta. Por meio dos resultados obtidos, constatou-se que a possibilidade de se reduzir a sobrecarga para o dimensionamento de pilares proporciona uma economia de material, mas, por outro lado, tem como consequência o aumento do tempo de análise, pois exige a utilização de diferentes combinações de cálculo para o dimensionamento de vigas e pilares. A estratégia utilizada para simular os efeitos de vizinhança mostrou-se satisfatória, pois permitiu introduzir de maneira fácil e prática a torção ocasionada pela incidência excêntrica do vento. Observou-se também que esses efeitos ocasionaram o aumento dos momentos fletores e dos deslocamentos das estruturas analisadas. Em relação à avaliação dos efeitos de segunda ordem, comprovou-se que, para a classificação da deslocabilidade, a combinação de cálculo crítica é aquela que possui o maior carregamento gravitacional. Entretanto, para o dimensionamento dos elementos, foi constatado que outras hipóteses de cálculo, principalmente aquelas em que o vento é a ação variável principal, podem ser determinantes. Por fim, foi observado que os resultados obtidos pelo método P-Delta ficaram bastante semelhantes àqueles calculados pelo MAES, com desvios desprezíveis. O MAES, por sua vez, mostrou-se bastante trabalhoso, pois exige a modelagem de diferentes tipos de estruturas para a determinação dos esforços. / This work presents a comparative analysis of different structural systems for a 20-storey building. Each model has been designed using the principles of the direct analysis method (DAM), present in the ABNT NBR 8800:2008. The first-order amplification method (FOAM) was used to obtain, in a simplified manner, the forces acting on the building elements, including local and global second-order effects. The incidence of the wind was simulated in two different ways. In the first case, named uniform, the wind was applied without eccentricity, generating only structure overturning. In the second case, it was considered an eccentricity due to vicinity effects, prescribed by the ABNT NBR 6123:1988, responsible for causing twisting and building overturning. All numerical analysis were carried out a simplified second-order method known as P-Delta. From the results obtained it was found that the reduction of live loads in the design of columns provides material economy, but on the other hand, increases analysis time, since it requires different combinations for beams and columns. The strategy used to simulate the vicinity effects was satisfactory, because it allowed, in an easy and practical way, the consideration of the torsion produced by the wind eccentric impact. It was also observed that these effects increased the bending moments and the displacements of the structures. About the second-order effects, it was shown that, for sway or non-sway classification, the critical combination is one with greatest gravitational loading. However, for the design of the elements, it was observed that other loading conditions can be critical, especially those in which the wind is the main live load. Finally, the results obtained by the P-Delta method were very similar to those calculated by the first-order amplification method. The FOAM was, in turn, very laborious, because it requires the modeling of different types of structures for the determination of the forces.

Este trabalho apresenta uma análise comparativa de diferentes sistemas estruturais para um edifício de 20 pavimentos. Cada um dos modelos foi dimensionado através dos princípios do método da análise direta, presente na ABNT NBR 8800:2008. O método da amplificação dos esforços solicitantes (MAES) foi usado para se obter de forma simplificada os esforços atuantes nos elementos do edifício considerando os efeitos locais e globais de segunda ordem. A incidência do vento foi simulada de duas formas diferentes. Na primeira, chamada de uniforme, o vento foi aplicado sem excentricidade, gerando apenas o efeito de tombamento nas estruturas. Na segunda hipótese, considerou-se uma excentricidade devida aos efeitos de vizinhança, prescrita pela ABNT NBR 6123:1988, responsável por ocasionar o tombamento e a torção dos edifícios. Todas as análises numéricas foram repetidas fazendo o uso de outro método simplificado de segunda ordem, conhecido como P-Delta. Por meio dos resultados obtidos, constatou-se que a possibilidade de se reduzir a sobrecarga para o dimensionamento de pilares proporciona uma economia de material, mas, por outro lado, tem como consequência o aumento do tempo de análise, pois exige a utilização de diferentes combinações de cálculo para o dimensionamento de vigas e pilares. A estratégia utilizada para simular os efeitos de vizinhança mostrou-se satisfatória, pois permitiu introduzir de maneira fácil e prática a torção ocasionada pela incidência excêntrica do vento. Observou-se também que esses efeitos ocasionaram o aumento dos momentos fletores e dos deslocamentos das estruturas analisadas. Em relação à avaliação dos efeitos de segunda ordem, comprovou-se que, para a classificação da deslocabilidade, a combinação de cálculo crítica é aquela que possui o maior carregamento gravitacional. Entretanto, para o dimensionamento dos elementos, foi constatado que outras hipóteses de cálculo, principalmente aquelas em que o vento é a ação variável principal, podem ser determinantes. Por fim, foi observado que os resultados obtidos pelo método P-Delta ficaram bastante semelhantes àqueles calculados pelo MAES, com desvios desprezíveis. O MAES, por sua vez, mostrou-se bastante trabalhoso, pois exige a modelagem de diferentes tipos de estruturas para a determinação dos esforços. / This work presents a comparative analysis of different structural systems for a 20-storey building. Each model has been designed using the principles of the direct analysis method (DAM), present in the ABNT NBR 8800:2008. The first-order amplification method (FOAM) was used to obtain, in a simplified manner, the forces acting on the building elements, including local and global second-order effects. The incidence of the wind was simulated in two different ways. In the first case, named uniform, the wind was applied without eccentricity, generating only structure overturning. In the second case, it was considered an eccentricity due to vicinity effects, prescribed by the ABNT NBR 6123:1988, responsible for causing twisting and building overturning. All numerical analysis were carried out a simplified second-order method known as P-Delta. From the results obtained it was found that the reduction of live loads in the design of columns provides material economy, but on the other hand, increases analysis time, since it requires different combinations for beams and columns. The strategy used to simulate the vicinity effects was satisfactory, because it allowed, in an easy and practical way, the consideration of the torsion produced by the wind eccentric impact. It was also observed that these effects increased the bending moments and the displacements of the structures. About the second-order effects, it was shown that, for sway or non-sway classification, the critical combination is one with greatest gravitational loading. However, for the design of the elements, it was observed that other loading conditions can be critical, especially those in which the wind is the main live load. Finally, the results obtained by the P-Delta method were very similar to those calculated by the first-order amplification method. The FOAM was, in turn, very laborious, because it requires the modeling of different types of structures for the determination of the forces.

Este trabalho objetivou o estudo dos edifícios de múltiplos andares constituídos por elementos mistos aço-concreto, com enfoque acadêmico, porém abordando aspectos e recomendações normativas diretamente aplicadas na prática corrente da engenharia estrutural. A revisão bibliográfica foi realizada com base em estudos acadêmicos e normativos além do estudo de um edifício exemplo constituído por elementos mistos. Os elementos mistos lajes, vigas e pilares foram abordados inicialmente de forma isolada, com base nas recomendações normativas, sendo que ao final os elementos foram interligados, apresentando ao leitor os principais aspectos teóricos e normativos para o dimensionamento de um edifício completo constituído de elementos estruturais mistos. / This study aims the multiple storey buildings formed by composite elements steel-concrete, with academic emphasis, however approaching standard recommendations and aspects directly applied to the structural engineering. A bibliographic review based on academic and standard studies was made, besides the design of an example building formed by composite elements. The composite elements: slabs, beams and columns were firstly approached based on standard aspects, and in the end, the elements were interconnected and presented to the reader the main theoretical and standard aspects to the design of a complete building formed by composite structural elements.

Este trabalho objetivou o estudo dos edifícios de múltiplos andares constituídos por elementos mistos aço-concreto, com enfoque acadêmico, porém abordando aspectos e recomendações normativas diretamente aplicadas na prática corrente da engenharia estrutural. A revisão bibliográfica foi realizada com base em estudos acadêmicos e normativos além do estudo de um edifício exemplo constituído por elementos mistos. Os elementos mistos lajes, vigas e pilares foram abordados inicialmente de forma isolada, com base nas recomendações normativas, sendo que ao final os elementos foram interligados, apresentando ao leitor os principais aspectos teóricos e normativos para o dimensionamento de um edifício completo constituído de elementos estruturais mistos. / This study aims the multiple storey buildings formed by composite elements steel-concrete, with academic emphasis, however approaching standard recommendations and aspects directly applied to the structural engineering. A bibliographic review based on academic and standard studies was made, besides the design of an example building formed by composite elements. The composite elements: slabs, beams and columns were firstly approached based on standard aspects, and in the end, the elements were interconnected and presented to the reader the main theoretical and standard aspects to the design of a complete building formed by composite structural elements.