No Brasil, a pequena gama disponível de perfis laminados e o custo relativamente elevado dos perfis soldados, têm impulsionado o emprego dos perfis formados a frio nos edifícios de pequeno porte, em associação com as tradicionais lajes de vigotas pré-moldadas, constituindo um sistema misto cujo comportamento estrutural ainda é pouco conhecido. Embora haja similaridades com as clássicas vigas mistas em perfis laminados e soldados e laje maciça, é fundamental investigar o comportamento estrutural das vigas mistas em perfis formados a frio, uma vez que (i) os conectores de cisalhamento devem apresentar compatibilidade estrutural e construtiva com as vigas as quais serão concectados, (ii) pela reduzida capacidade de rotação das vigas de aço, comprometendo os modelos de cálculo que admitem, por hipótese, a plastificação total da seção mista para a determinação do momento fletor resistente e (iii) pela dificuldade de posicionamento da armadura transversal (armadura de costura). Neste trabalho foi desenvolvido um estudo teórico e experimental sobre conectores em perfil U formado a frio e vigas mistas constituídas por perfis formados a frio e laje de vigotas pré-moldadas. O estudo dos conectores, por meio de ensaios de cisalhamento direto, permitiu a avaliação da influência da altura e espessura na resistência e rigidez, e ainda permitiu ajustar a expressão da norma americana AISC:2005, estabelecida para cálculo da resistência de conectores em perfil U laminado, aos perfis formados a frio. Da análise das vigas mistas simplesmente apoiadas, por meio de simulações numéricas e ensaios experimentais, verificou-se a influencia da: armadura de costura, do posicionamento dos conectores em relação às vigotas treliçadas e do deslizamento na interface e suas implicações principalmente na determinação do deslocamento vertical. Os resultados indicaram que se deve adotar um momento fletor resistente inferior ao momento de plastificação total da seção mista, e que a posição e taxa de armadura transversal interferem no panorama de fissuração da laje, mas têm pequena influência na resistência da viga mista. / In Brazil, the lack of hot-rolled members and high cost of welded steel beams have increased the use of composite beams made of cold-formed steel beams and floor system with lattice girder beams, whose structural behavior is not perfectly understood. Although this system is similar to the one composed of hot-rolled steel beams and concrete slabs, it is important to study its structural behavior due to some reasons: (i) the shear connectors must have structural and constructive compatibility with the beams they are connected, (ii) the small rotations of the steel beams jeopardize the concept of total yielding of composite section, which is currently used to evaluate the resistant moment, (iii) the complexity in placing the conventional shear reinforcement. This work presents an experimental and theoretical analysis on channel cold-formed connectors and composite beams made of cold-formed steel beams and concrete slabs with lattice girder beams. The push out tests of shear connectors evaluated the influence of their height and thickness on strength and stiffness of the system, and made possible to adjust the empiric expression of AISC:2005, originally developed for hot-rolled channel connectors, to fit the behavior of cold-formed connectors. Additionally, the influence of transverse reinforcement, relative position of connectors to lattice girder beams and interface slippage on vertical displacements were evaluated through numerical and experimental analysis. The results showed that the resistant moment is smaller than the calculated considering total yielding of the cross section. Besides this, the position and amount of transverse reinforcement amount have strong influence on crack configuration but not on the strength of the system.

Os pilares mistos de aço e concreto consistem em um ou mais perfis de aço ligados entre si, trabalhando em conjunto com o concreto, simples ou armado, solicitados à compressão ou à flexocompressão. Os pilares mistos são, basicamente, de dois tipos: revestidos ou preenchidos. O sistema misto apresenta grandes vantagens estruturais, uma vez que herda a capacidade resistente dos pilares de aço e, dos pilares de concreto, sua robustez. Este trabalho estuda o emprego dessa solução de acordo com as principais normas internacionais de dimensionamento à temperatura ambiente, comparando-as entre si e às normas brasileiras. A ABNT NBR 8800:2008, apresenta dois modelos de cálculo simplificados para o dimensionamento de pilares mistos com seções transversais simétricas, com base em duas normas internacionais. O primeiro, o Modelo I, com base no ANSI/AISC 360 (2005) e o segundo, o Modelo II, no Eurocode 4 Part 1-1 (2004). Fica a critério do engenheiro estruturista a escolha do método a ser utilizado. Apresenta-se uma comparação gráfica e tabular da capacidade resistente à temperatura ambiente entre os dois modelos de cálculo da norma brasileira e as normas internacionais. No caso de seções transversais não simétricas, são propostos dois roteiros de dimensionamento inéditos em aplicações de pilares mistos: um com base no Fiber Elemento Method e nas recomendações do Eurocode 4 Part 1-1 (2004), e outro adaptando o primeiro às normas brasileiras. Ambos são avaliados graficamente e por meio de tabelas. Para o auxílio de todos esses estudos, foi utilizado o código CalcPM v1.0, desenvolvido especialmente para esse estudo. / The composite columns have the concrete and the steel profile working together to support loads. The composite columns are basically of two types: encased and filled. The composite system has the advantage to unite the inherent robustness of the concrete columns and high resistance of the steel columns. This work studies the use of this solution according to the main international standards, comparing them with each other and with the Brazilian norms. The Brazilian standard ABNT NBR 8800:2008, presents two simplified models of the composite columns design with symmetrical cross sections, based on two international standards. Model I, based on American standard ANSI/AISC 360 (2005) and Model II, with reference to the European standard Eurocode 4 Part 1-1 (2004). Is up to the engineer to choose the method to be used. It presents a tabular and graphical comparison of the strength between the two calculation models of the Brazilian and international standards. In the case of non-symmetrical cross sections there are two proposed routes unprecedented scale applications of composite columns: one based on \"Fiber Element Method\" and the recommendations of Eurocode 4 Part 1-1 (2004) and another one to adapt the first one to the Brazilian standards. Both are evaluated graphically and by the use of tables. To support all these studies the software CalcPM v1.0 was used and specially developed for this study.

Este trabalho apresenta uma abordagem abrangente das estruturas mistas aço-concreto, com ênfase em edifícios, e dos principais elementos que compõem esse sistema: as vigas mistas, simplesmente apoiadas e contínuas, as lajes mistas e os pilares mistos. São abordados os aspectos construtivos, o comportamento estrutural e os procedimentos para dimensionamento recomendados pelas principais normas aplicáveis, enfatizando a norma norte-americana do AISC e o EUROCODE 4. O projeto em situação de incêndio também é analisado, considerando o comportamento e o dimensionamento de elementos mistos frente à ação do fogo. No final, são desenvolvidos exemplos de dimensionamento, onde procura-se comparar e discutir os resultados obtidos pelas principais normas / This study consists of a broad analysis of composite structures, with particular emphasis on buildings, and the principal elements that make up this system, i.e., continuous and simply supported composite beams, composite slabs and composite columns. Several aspects of construction are broached, as well as structural behavior and the procedures for design recommended by the main codes, mainly the American AISC and the EUROCODE 4 codes. Fire design is also analyzed, considering the behavior and design of composite elements under fire conditions. The study concludes with some examples of design, comparing and discussing the results achieved by the principal codes

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

O presente trabalho teve como objetivo principal estudar, em caráter essencialmente numérico via ANSYS v9.0, a elevação de temperatura em seções transversais de elementos estruturais de aço e mistos de aço e concreto, com vistas a uma avaliação das equações propostas pelo método simplificado de cálculo da NBR 14323:1999, em especial, para situações em que não ocorra aquecimento uniforme por todos os lados do elemento. São apresentados modelos numéricos de seções transversais de elementos estruturais de aço, mistos de aço e concreto e, em caráter complementar, de madeira, em situação de incêndio, para avaliar a evolução dos níveis de temperatura ao longo do tempo. São também construídos e analisados modelos numéricos com vistas à análise do efeito da elevação de temperatura no comportamento mecânico em vigas de aço de um edifício de interesse. A determinação dos níveis de temperatura em seções transversais de elementos estruturais, obtidas com base nas prescrições normativas da NBR 14323:1999, conduzem a resultados satisfatórios, porém, com temperaturas próximas as temperaturas máximas obtidas numericamente. Para os casos usuais não contemplados pela NBR 14323:1999 fica evidente a necessidade do emprego de modelo avançado de cálculo ou de estudos com vistas ao desenvolvimento de ferramentas analíticas para emprego em tais situações. Com relação à análise do efeito da elevação de temperatura no comportamento mecânico, os fatores de redução de resistência para as vigas em situação de incêndio obtidos via ANSYS resultaram inferiores àqueles obtidos via TCD v5.0, com base na análise da seção transversal e procedimentos normativos. / This research presents a study, within the context of numerical analysis with ANSYS v9.0, in which the main goal has been driven to obtain the rise of temperature in steel and composite steel-concrete structural elements cross sections with the purpose of evaluating the temperature determination by normative equations proposed in brazilian standard NBR 14323:1999, considering the simple calculation model, specially in situations with not uniform exposition of the elements cross sections to the fire. Numerical models of steel, composite steel-concrete and wooden structural elements cross sections in fire situation are presented to evaluate the levels of temperature throughout the time. Numerical models to analyze the effect of the rise of temperature in the mechanical behavior of steel beams of a building of interest are also presented. The temperature levels obtained for structural elements by prescriptions of NBR 14323:1999 lead to satisfactory results but with temperatures near to the maximum temperatures obtained numerically. For the usual cases not contemplated by the NBR 14323:1999, is evident the necessity of employing advanced calculation models or studies for the development of analytical methods for such situations. With respect to the analysis of temperature rising effects in the mechanical behavior, the reduction factors for the resistance in fire situation, obtained by ANSYS, resulted smaller than those ones obtained by TCD v5.0, with base on the analysis of elements cross sections and normative procedures.

Os pilares mistos de aço e concreto consistem em um ou mais perfis de aço ligados entre si, trabalhando em conjunto com o concreto, simples ou armado, solicitados à compressão ou à flexocompressão. Os pilares mistos são, basicamente, de dois tipos: revestidos ou preenchidos. O sistema misto apresenta grandes vantagens estruturais, uma vez que herda a capacidade resistente dos pilares de aço e, dos pilares de concreto, sua robustez. Este trabalho estuda o emprego dessa solução de acordo com as principais normas internacionais de dimensionamento à temperatura ambiente, comparando-as entre si e às normas brasileiras. A ABNT NBR 8800:2008, apresenta dois modelos de cálculo simplificados para o dimensionamento de pilares mistos com seções transversais simétricas, com base em duas normas internacionais. O primeiro, o Modelo I, com base no ANSI/AISC 360 (2005) e o segundo, o Modelo II, no Eurocode 4 Part 1-1 (2004). Fica a critério do engenheiro estruturista a escolha do método a ser utilizado. Apresenta-se uma comparação gráfica e tabular da capacidade resistente à temperatura ambiente entre os dois modelos de cálculo da norma brasileira e as normas internacionais. No caso de seções transversais não simétricas, são propostos dois roteiros de dimensionamento inéditos em aplicações de pilares mistos: um com base no Fiber Elemento Method e nas recomendações do Eurocode 4 Part 1-1 (2004), e outro adaptando o primeiro às normas brasileiras. Ambos são avaliados graficamente e por meio de tabelas. Para o auxílio de todos esses estudos, foi utilizado o código CalcPM v1.0, desenvolvido especialmente para esse estudo. / The composite columns have the concrete and the steel profile working together to support loads. The composite columns are basically of two types: encased and filled. The composite system has the advantage to unite the inherent robustness of the concrete columns and high resistance of the steel columns. This work studies the use of this solution according to the main international standards, comparing them with each other and with the Brazilian norms. The Brazilian standard ABNT NBR 8800:2008, presents two simplified models of the composite columns design with symmetrical cross sections, based on two international standards. Model I, based on American standard ANSI/AISC 360 (2005) and Model II, with reference to the European standard Eurocode 4 Part 1-1 (2004). Is up to the engineer to choose the method to be used. It presents a tabular and graphical comparison of the strength between the two calculation models of the Brazilian and international standards. In the case of non-symmetrical cross sections there are two proposed routes unprecedented scale applications of composite columns: one based on \"Fiber Element Method\" and the recommendations of Eurocode 4 Part 1-1 (2004) and another one to adapt the first one to the Brazilian standards. Both are evaluated graphically and by the use of tables. To support all these studies the software CalcPM v1.0 was used and specially developed for this study.

Os pisos mistos aço-concreto de pequena altura caracterizam-se pelo embutimento da laje de concreto na altura da viga de aço, sendo a laje apoiada na mesa inferior do perfil. A principal vantagem deste sistema em relação à viga mista convencional é a redução da altura total do composto. Este trabalho tem como objetivo a criação de um modelo numérico construído no software de elementos finitos TNO DIANA®. O modelo proposto nesta pesquisa buscou subsídios para sua validação em resultados experimentais e numéricos realizados em outras pesquisas. Na fase de validação foram alterados diversos fatores a fim de avaliar a influência de cada um deles, calibrando o modelo até que os resultados se aproximassem dos experimentais. Depois que o modelo foi validado, foi analisada a influência de alguns parâmetros no comportamento global da estrutura, entre eles: a resistência do concreto (fck), a consideração de uma tela de armadura passiva colocada na capa de concreto com diferentes taxas de armadura e a variação da espessura da capa de concreto. Os resultados mostraram que o modelo consegue representar de maneira adequada o comportamento da estrutura apesar das simplificações consideradas para a modelagem. / Composite steel-concrete slim floors are characterized by the inlay of the concrete slab on the same plane of the steel beam, with the slab supported by the bottom flange of the profile. The main advantage of this system compared to the conventional mixed beam is the reduction of the overall height of the compound. This study aims to establish a numerical model built in finite element software TNO DIANA®. The model proposed in this research sought subsidies for its validation in experimental and numerical results achieved in others researches. In the validation phase were changed several factors to evaluate the influence of each of them, calibrating the model until the results come closer to the experimental. After the model has been calibrated, were analyzed the influence of some parameters on the overall behavior of the structure, among them: the strength of concrete (fck), the consideration of reinforcement bars placed on the slab with different rates and the variation of the thickness of the concrete slab. The results showed that the model can adequately represent the structural behavior despite the simplifications considered for modeling.

<p>Composite structures can lower the weight of an airliner significantly. The increased production cost, however, requires the application of cost-effective design strategies. Hence, a comparative value is required which is used for the evaluation of a design solution in terms of cost and weight. The direct operating cost (DOC) can be used as this comparative value; it captures all costs that arise when the aircraft is flown. In this work, a cost/weight optimization framework for composite structures is proposed. It takes into account manufacturing cost, non-destructive testing cost and the lifetime fuel consumption based on the weight of the aircraft, thus using a simplified version of the DOC as the objective function.</p><p>First, the different phases in the design of an aircraft are explained. It is then focused on the advantages and drawbacks of composite structures, the design constraints and allowables, and non-destructive inspection. Further, the topics of multiobjective optimization and the combined optimization of cost and weight are addressed. Manufacturing cost can be estimated by means of different techniques; here, feature-based cost estimations and parametric cost estimations proved to be most suitable for the proposed framework. Finally, a short summary of the appended papers is given.</p><p>The first paper contains a parametric study in which a skin/stringer panel is optimized for a series of cost/weight ratios (weight penalties) and material configurations. The weight penalty, defined as the specific lifetime fuel burn, is dependent on the fuel consumption of the aircraft, the fuel price and the viewpoint of the optimizer. It is concluded that the ideal choice of the design solution is neither low-cost nor low-weight but rather a combination thereof.</p><p>The second paper proposes the inclusion of non-destructive testing cost in the design process of the component, and the adjustment of the design strength of each laminate according to the inspection parameters. Hence, the scan pitch of the ultrasonic testing is regarded as a variable, representing an index for the (guaranteed) laminate quality. It is shown that the direct operating cost can be lowered when the quality level of the laminate is assigned and adjusted in an early design stage.</p>

Estruturas Mistas de Aço-Concreto têm sido usadas extensivamente na construção de pontes e viadutos urbanos, especialmente a partir da segunda metade do século XX. A popularidade desse tipo de solução, com seções caixão, cresceu devido a sua alta capacidade à flexão, rigidez à torção e uma seção transversal fechada que reduz a superfície exposta a corrosão. Este trabalho discorre sobre o comportamento estrutural, procedimentos de análise e verificação em Estado Limite Último (ELU) de pontes mistas de seção caixão com aplicação de protensão externa. Em vista da escassez de literatura sobre o assunto e inexistência de norma brasileira, o trabalho objetiva produzir um roteiro de análise para a determinação da capacidade à flexão em ELU de estruturas mistas de seção caixão protendidas. Embasado na norma americana AASHTO-LRFD:2012 e na revisão bibliográfica, propôs-se um estudo de caso para verificação/dimensionamento analíticos da estrutura, tratando de Momentos Fletores Resistentes (positivos e negativos), Esforço Cortante Resistente e conectores de cisalhamento. Após esta etapa inicial, aplicou-se protensão à estrutura e, por meio de métodos analíticos, e auxílio do método dos trabalhos virtuais, obtiveram-se as perdas de protensão e a relação entre a deformação adicional do cabo de protensão em função do momento externo aplicado à estrutura. Deste modo pôde-se fazer o equilíbrio de forças horizontais, através do método da Bissecção, e obter-se o valor de incremento de Momentos Fletores Positivos e Negativos Resistentes da estrutura. Observou-se, com a protensão, um aumento de resistência importante na região de Momentos Fletores Negativos em ELU (~40%); para a região de flexão positiva esse incremento foi pouco superior a 7%, em relação à estrutura nãoprotendida. Por fim, modelou-se a estrutura em elementos finitos de casca com o software SAP2000, a fim de confrontar a análise inicial, feita em modelo de barras de pórtico espacial, preconizada pela norma AASHTO-LRFD:2012. Os resultados mostram que o modelo em barras de pórtico espacial, em termos de deslocamentos e tensões, é adequado à análise deste tipo de estrutura. / Steel-Concrete Composite Strutures have been used extensively in the construction of bridges and urban viaducts, especially from the second half of the twentieth century. The popularity of this type of solution, with box sections, has increased due to its high flexural capacity and torsion stiffness combined with a closed cross section that reduces the exposed surface to corrosion. This paper discusses the structural behavior, analysis and verification procedures in the Ultimate Limite State (ULS) of Composite Box Girder Bridges with application of external prestressing. In view of the paucity of literature on the subject and the absence of Brazilian standard, this work aims to produce a analysis script to determine the flexural capacity of prestressed composite box girder structures in ULS. Grounded in the American Standard AASHTO-LRFD:2012 and the literature review, we propose a case study for analytical verification/dimensioning of the structure, concerning positive and negative bending moments, shear and shear connectors. After this initial stage, prestressing was applied to the structure, and with de aid of analytical methods, and the virtual work method, the prestress losses and the relation between the additional strain of the tendons and the external applied moment were obtained. Thus, it was possible to make the horizontal forces balance through the Bisection Method and obtain the increment of positive and negative flexion strength. It was observed, with prestressing, an important increase of capacity in the negative bending region for ULS (~40%); for the positive bending region, the increase was somewhat higher than 7%, compared with the non-prestressed structure. Finally, a finite element model with shell elements was held with aid of the software SAP2000 to confront the initial analysis, made in space frame bars model, recommended by AASHTO-LRFD:2012 standard. The results show that the space frame bars model, in terms of displacements and stresses, is appropriate to analyze this type of structure.

Submitted by Bruna Rodrigues (bruna92rodrigues@yahoo.com.br) on 2016-10-21T11:19:33Z No. of bitstreams: 1 DissRPT.pdf: 4811322 bytes, checksum: 5b9ef88d0970029bb522b0d047896637 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-11-08T18:45:00Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissRPT.pdf: 4811322 bytes, checksum: 5b9ef88d0970029bb522b0d047896637 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-11-08T18:45:06Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissRPT.pdf: 4811322 bytes, checksum: 5b9ef88d0970029bb522b0d047896637 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-11-08T18:45:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissRPT.pdf: 4811322 bytes, checksum: 5b9ef88d0970029bb522b0d047896637 (MD5) Previous issue date: 2016-06-10 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / This work presents the development of a numerical model of a composite connection connecting a composite beam to a concrete filled steel tube column using a through plate. The software Ansys® and finite elements methods were used in the numerical analyses and the model was validated by comparison with experimental results. The main guidelines adopted in the choice of finite elements, material properties and constitutive relationships, boundary conditions and restrains and other aspects of numerical modeling are presented and discussed in this work. The validated numerical model was then used in parametric analysis in which was analyzed the influence of geometric and physical parameters as reinforcement ratio of slab, height of I-steel beam, web thickness of I-steel beam, diameter of the bolts, slab thickness, height of the through plate, concrete compressive strength and steel yield strength. The parameters analyzed revealed direct influence on behavior, especially in terms of moment an initial stiffness. Comparative analysis between all parameters allowed comments on the most influential variables and those that present similar behaviors. / Apresenta-se neste trabalho o desenvolvimento de um modelo numérico de ligação mista vigapilar preenchido com chapa passante. Para tanto, utilizou-se o método dos elementos finitos via pacote computacional Ansys®. O modelo numérico foi então validado com base em resultados encontrados na literatura. No presente estudo são apresentadas as principais diretrizes adotadas na escolha dos elementos finitos, propriedades dos materiais e relações constitutivas, condições de contorno e vinculações, carregamentos e outros aspectos referentes à modelagem numérica. O modelo numérico validado foi então utilizado na realização de análises paramétricas nas quais foi analisada a influência de parâmetros geométricos e físicos, como taxa de armadura da laje, altura dos perfis de aço da viga mista, espessura da alma do perfil da viga mista, diâmetro dos parafusos, altura da laje, altura da chapa passante, resistência do concreto e resistência ao escoamento do aço. Os parâmetros analisados revelaram influência direta no comportamento da ligação, principalmente em termos de momento resistente e rigidez inicial. Análises comparativas entre todos os parâmetros permitiram observações sobre as variáveis mais influentes e aquelas que apresentam comportamentos semelhantes.