In the Middle East region and many countries in the world, older reinforced concrete (RC) columns are deemed to be weak in seismic resistance because of their low amount of reinforcement, low grades of concrete, and large spacing between the transverse reinforcement. The capacity of older RC columns that are also slender is further reduced due to the secondary moments. Appropriate retrofit techniques can improve the capacity and behavior of concrete members. In this study, externally bonded Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) retrofit technique was implemented to improve the behavior of RC columns tested under constant axial load and cyclic lateral load. The study included physical testing of five half-scale slender RC columns, with shear span to depth ratio of 7. Three specimens represented columns in a 2-story, and two specimens represented columns in a 4-story building. All specimens had identical cross sections, reinforcement detail, and concrete strength. Two specimens were control, two specimens were retrofit with CFRP in the lateral direction, and one specimen retrofit in the longitudinal and lateral directions. A computer model was created to predict the lateral load-displacement relations. The experimental results show improvement in the retrofit specimens in strength, ductility, and energy dissipation. The effect of retrofitting technique applied to two full-scale prototype RC buildings, a 2-story and a 4-story building located in two cities in Iraq, Baghdad, and Erbil, was determined using SAP2000.

Cantilevered reinforced concrete columns with a lap splice of the longitudinal reinforcement near the base can induce high moment demands on the splice region when lateral loads are present on the structure. Code design specifications typically require a conservative splice length to account for these high moment demands and their consequences of bond failure. The required splice length is calculated as a function of required development length, which is a function of the bond between the reinforcement and the surrounding concrete, and a factor depending on the section detailing. However, the effects of concrete deterioration due to alkali silica reaction (ASR) and/or delayed ettringite formation (DEF) may weaken the bond of the splice region enough to overcome the conservative splice length, potentially resulting in brittle failure of the column during lateral loading. This thesis presents the following results obtained from an experimental and analytical program. * Fabrication of large-scale specimens of typical column splice regions with concrete that is susceptible to ASR/DEF deterioration * Measurement of the large-scale specimen deterioration due to ASR/DEF accelerated deterioration * Analytical model of the column splice region based on flexure theory as a function of the development length of the reinforcement and a factor to account for deterioration of the bond due to ASR/DEF * Experimental behavior of two large-scale specimens that are not influenced by premature concrete deterioration due to ASR/DEF (control specimens). This experimental data is also used to calibrate the analytical model. The conclusions of the research are that the analytical model correlates well with the experimental behavior of the large-scale control specimens not influenced by ASR/DEF. The lap splice region behaved as expected and an over-strength in the splice region is evident. To account for ASR/DEF damage, the analytical model proposes a reduction factor to decrease the bond strength of the splice region to predict ultimate performance of the region with different levels of premature concrete deterioration.

A ABNT NBR 6118:2014 – Projeto de Estruturas de Concreto apresenta quatro métodos para dimensionamento de pilares, sendo necessário o uso de envoltórias de momentos quando houver flexão composta oblíqua. Devido à complexidade, não se considera de forma adequada a não linearidade física, a verificação de flexão composta oblíqua e as imperfeições geométricas locais. Este trabalho apresenta diretrizes para o dimensionamento de pilares retangulares de concreto com armadura simétrica, submetidos à flexão composta oblíqua, empregando-se as envoltórias mínimas e resistentes para verificação da armadura. São feitas análises de como as não linearidades influem no estado-limite último de instabilidade e como elas devem ser consideradas nos métodos de dimensionamento. São indicadas duas situações que podem ser críticas para o pré-dimensionamento. São elaborados roteiros para determinação das envoltórias solicitantes, para cada método de dimensionamento, e das envoltórias resistentes, por meio do cálculo direto ou com o uso de ábacos para flexão composta normal. Há, também, dois apêndices, um sobre a determinação dos diagramas momento fletor – força normal – curvatura para qualquer tipo de seção, e outro sobre obtenção dos diagramas de interação (Nu, Mu), construção de ábacos para flexão composta normal e definição da taxa mecânica de armadura ω, sem o uso de ábacos para concretos de classe até C50. Concluindo, este trabalho constitui uma bibliografia atualizada para o projeto de pilares seguros e economicamente viáveis, esclarecendo conceitos tais como momento fletor resistente, envoltórias solicitantes e resistentes e utilização das não linearidades nos métodos de dimensionamento. / The Brazilian Code ABNT NBR 6118:2014 – Design of concrete structures presents four methods for columns dimensioning, requiring the use of envelopment of moments when there is biaxial bending. Due to complexity, do not accurately consider physical nonlinearity, biaxial bending and local geometric imperfections. This work presents guidelines for the design of concrete rectangular columns with symmetrical reinforcement, subjected to biaxial bending, employing the minimum and resisting envelopment curves for the verification of the reinforcement. Analysis are made of how nonlinearities influence in the ultimate limit state of instability and how they should be considered in design methods. Two situations are indicated that can be critical for the pre-dimensioning of the reinforcement. Procedures are developed to determine the envelopment of acting moments, for each design method, as well as the envelopment of resisting moments by means of either direct method or use of abacuses for eccentrical compression. There is also two appendixes, one about the determination of the diagrams bending moment – normal force – curvature for any kind of section, and another one about getting interaction diagrams (Nu, Mu), construction of abacuses for eccentrical compression and definition of ω, the reinforcement mechanical rate, without the use of abacuses for C50 concrete class or below. In conclusion, this constitutes an updated bibliography for the safe and economically viable columns project, clarifying concepts such as resistant moment, envelopments of acting and resisting moments, and the use of nonlinearities in the design methods.

Este trabalho tem o objetivo de transmitir aos Engenheiros de Estruturas o conhecimento teórico necessário para o dimensionamento e detalhamento de pilares usuais de edifícios em concreto armado. A definição das posições dos pilares em uma estrutura, bem como uma estimativa da seção transversal dos mesmos são abordadas neste trabalho. O estudo da estabilidade global, realizado no Capítulo 3, nos permite avaliar se os deslocamentos ocorridos na estrutura em função das ações horizontais e verticais, geram esforços de segunda ordem consideráveis ou não. A instabilidade de pilares será comentada no Capítulo 5, bem como os Métodos desenvolvidos para avaliar se um determinado pilar é estável ou instável. O detalhamento de pilares segundo as prescrições do Texto Base para a revisão da NBR - 6118/78, bem como o desenvolvimento de exemplos de dimensionamento de pilares estão contidos neste trabalho nos Capítulos 7 e 8, respectivamente. / The objective of this work is to transrnit to the structural engineers the necessary theoretical knowledge for the design and detail of usual columns in reinforced concrete buildings. The definition of the columns positions in the structure, as well as an estimate of their cross section will be explained in this work. The global stability study, described in chapter 3, allows us to evaluate whether the deformations ocurred in the structure due to horizontal and vertical actions, cause considerable second order strength or not. The columns instability will be commented in chapter 5, as well as the methods developed to evaluate whether a specific column is stable or instable. The columns detail as prescribed in the Basic Text for the Revision of NBR - 6118/78, and also the development of examples for columns design are in chapter 7 and 8, respectively.

Os Polímeros Reforçados com Fibras (PRF) são materiais compósitos constituídos por fibras unidas por uma matriz polimérica. São leves, não corrosivos, possuem alta resistência à tração e são de simples execução. O PRF em forma de tecido é utilizado para envolver o pilar de concreto armado promovendo a restrição das deformações laterais pelo efeito de membrana. Nos pilares com seção transversal circular, esse efeito de membrana é desenvolvido ao longo de todo o seu perímetro. Já para seções quadradas ou retangulares, esse efeito de membrana se desenvolve apenas nos cantos arredondados, reduzindo, assim, a eficiência do confinamento. Por conta dessa limitação, esta pesquisa propõe a utilização de um mecanismo auxiliar constituído por tirantes transversais de aço ancorados por perfis longitudinais, que juntamente com o PRF vão promover o confinamento nos maiores lados de seções de pilares retangulares. Foram realizados ensaios experimentais de dez pilares de concreto, cujos resultados confirmaram o maior incremento de força e ductilidade nos pilares devido à presença dos tirantes, verificando também que os perfis longitudinais contribuem diretamente com a força axial no pilar. Por meio da análise numérica em elementos finitos foi possível observar o acréscimo de regiões de concreto efetivamente confinado devido à presença dos tirantes. Com a análise paramétrica realizada foram identificados os parâmetros e como eles influenciam no comportamento dos pilares reforçados com a técnica: a relação entre os lados da seção transversal, a taxa de PRF; a taxa de tirantes de aço e a rigidez do perfil de ancoragem. Por fim, foi desenvolvido um modelo analítico que possibilita calcular a parcela de força resistida pelo concreto confinado e pelos perfis de ancoragem de modo independente, indicando boas correlações com os resultados experimentais e numéricos. / Fiber Reinforced Polymers (FRP) are composite materials consisting of fibers bonded by a polymer matrix. They are lightweight, non-corrosive, have high tensile strength and simple to apply. The FRP jacket is used to wrap the concrete column and restrict the lateral expansion by the membrane effect. In columns with circular cross section, the membrane effect is developed along its entire perimeter. However, in square or rectangular sections this effect is only developed at the rounded corners, resulting in a decrease of the confinement efficiency. Due this limitation, this research proposes the use of an auxiliary mechanism made up of transverse steel ties anchored by longitudinal bars, which together with the FRP, promote confinement on the biggest sides of rectangular sections of columns. Experimental tests were carried out on ten concrete columns, whose results confirmed the greatest force increase and ductility due to the presence of the steel ties and that the anchor bars contribute directly with the axial force. Through the numerical analysis in finite elements methods it was possible to observe the effective confined concrete regions due to the presence of the ties. With the parametric analysis performed some parameters were identified and how they influence in behavior of columns reinforced with this technique: the relationship between the sides of the cross section; the PRF rate; the steel ties rate and the stiffness of the anchor bar. Finally, an analytical model was developed allowing calculate the force resisted by the confined concrete and the anchor bars forces independently, indicating good correlations with the experimental and numerical results.

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Aujourd’hui, la technologie du béton ayant fortement évolué, il est, sous certaines conditions, réaliste de construire des éléments structuraux en béton ayant à la compression une résistance de 90N/mm² voire nettement plus. En conséquence, l’ingénieur concepteur peut être amené dans le cadre du dimensionnement des colonnes à en diminuer les dimensions transversales pour des raisons esthétiques ou d’encombrement. Inévitablement, cette diminution de la section transversale induit une augmentation de l’élancement et augmente ainsi les risques des instabilités de flambement. A cette question de flambement, il faut adjoindre l’influence d’une préconception qui veut qu’une structure en béton à haute résistance soit moins ductile qu’une structure construite avec un béton normal ! De ceci résulte la question à la base de ce travail : « Peut-on arriver à diminuer la section transversale d’une colonne en utilisant des résistances de béton plus élevées tout en imposant la même valeur de capacité portante et en ne réduisant pas leur ductilité ? » Afin de répondre à cette question, le travail s’est articulé autour de deux axes essentiels qui sont d’une part une campagne d’essais (afin d’obtenir des résultats fiables) sur 12 colonnes en béton armé à haute résistance (90N/mm²) d’élancement 74 et 82 dont l’excentricité de la charge est une variable, et d’autre part l’implémen- tation de deux programmes informa- tiques utilisant le principe de l’analyse au second ordre en vue de réaliser une étude paramétrique dont l’excentricité, la hauteur des colonnes, la proportion d’acier, la résistance du béton sont les variables. Trop souvent encore, les ingénieurs de bureau d’études hésitent à effectuer un calcul au second ordre et placés devant la question des dimensions de section à donner à une colonne de hauteur et de capacité portante imposées, déterminent celles-ci pour se satisfaire d’un calcul au 1er ordre. Au terme de notre étude, nous avons montré que cette approche est loin d’être optimale, qu’il est possible, au prix d’un calcul au second ordre (mais il est fait à l’ordinateur), de tirer profit d’une augmentation de la résistance du béton pour réduire les dimensions des sections et aboutir en toute sécurité à un dimensionnement plus économique en consommation de matériaux (acier, béton, ciment).

São descritas as recomendações da Norma Brasileira NBR-6118/1978 e do Código Modelo do Comité Euro-internacional du Béton CEB-1990 para a verificação da estabilidade de pilares esbeltos de concreto armado com seção variável submetidos à flexão normal composta, empregando-se a teoria do método geral. Para a obtenção dos momentos de segunda ordem são descritos os métodos de Engesser-Vianello e da integração numérica das curvaturas das seções transversais ao longo do pilar. Para a determinação do momento fletor absorvido pelas seções em função da curvatura proveniente da flexão do pilar sob a ação de uma força normal, desenvolvem-se as expressões para seções retangulares e circulares (cheias e vazadas) com base nas relações de tensão-deformação dos materiais segundo a norma e o código supracitados. Apresenta-se também um programa para microcomputador, elaborado em linguagem PASCAL, destinado à verificação da estabilidade de pilares com opção de adoção dos critérios da NBR-6118/1978 ou do CEB-1190. Não foram abordados os efeitos decorrentes de vibrações, fazendo-se apenas a descrição dos métodos de consideração dos efeitos decorrentes da deformação lenta. / The recommendations of Brazilian Code NBR-6118/1978 and Comité Euro-Internacional du Béton Model Code CEB-1990 are described, for stability verification of concrete slender columns with variable cross sections, subjected to axial load and bending moment, using the exact method. To obtain the second order bending moments, the Engesser-Vianello method and the numeric integration of the cross section curvatures along the longitudinal axial of column method are described. To obtain of bending moment supported by the cross sections due to curvature resultant of the column flexure under axialload, expressions for rectangular and circular (full and hollow) cross sections are developed, using stress-strain relations for materials proposed by model codes above mentioned. It\'s also presented a software written in PASCAL language for microcomputer and destined to column stability verification, with option to adopt the NBR-6118/1978 or CEB-1990 model code recommendations. Effects due to vibrations were nor included. Methods to take in account creep effects were described.

Os pilares mistos de aço preenchidos com concreto, quando submetidos a elevadas temperaturas, apresentam comportamento estrutural bastante satisfatório e reduzem no concreto o fenômeno denominado spalling, devido ao confinamento imposto pelo tubo de aço, mais pronunciado em seções tubulares circulares. Destaca-se ainda a reduzida taxa de aquecimento desse mesmo elemento misto em razão da baixa condutividade térmica do concreto, aspecto de grande interesse para fins de dimensionamento. O presente trabalho tem como principal objetivo modelar numericamente, em campo tridimensional, pilares mistos curtos com seções tubulares circulares de aço, preenchidos com concreto e submetidos ao incêndio-padrão prescrito pela ISO 834:1999. A modelagem se faz com vistas a simular o comportamento estrutural desse elemento em situação de incêndio, buscando avaliar a influência da elevação de temperatura na resistência do elemento e indicar para qual tempo e em que níveis de temperatura o acréscimo de resistência devido ao efeito do confinamento deixa de ser pronunciado. Para a modelagem numérica em campos térmico, estrutural e termo-estrutural, se utiliza o pacote comercial ANSYS ® V9.0, elaborado com base no método dos elementos finitos, o qual permite a análise transiente dos efeitos do gradiente térmico nos elementos estruturais. Os resultados das análises térmica, estrutural e acoplada são previamente comparados com valores obtidos com o código computacional TCD 5.5. A análise acoplada foi realizada para três diâmetros de pilares mistos, e as variações do diâmetro e da resistência à compressão do concreto foram consideradas, possibilitando uma análise paramétrica. Por fim, é apresentada uma análise inversa dos modelos, considerando carregamentos crescentes para campos de temperatura fixos. / Concrete-filled steel columns when subjected to high temperatures present satisfactory structural behavior and the reduction of the spalling phenomenon in the concrete due to confinement action of the steel tube, more notable in circular cross sections. Another advantage is the reduced heating rate of this element due to concrete low thermal conductivity, which is an interesting characteristic in designing procedures. The aim of this work is to develop 3D numerical models of circular concrete-filled steel short columns under fire exposure according to the ISO-834:1999 standard. The numerical models are developed to simulate the structural behavior of those composite short columns under fire condition, in order to evaluate the influence of increasing temperature in the strength of the structural element. This makes possible define the time and the temperature level in which the resistant increment due to the confinement effect is no more appreciable. To perform the numerical model of thermal, structural and thermal-structural fields, a commercial finite element analysis package ANSYS ® V9.0 is used, which allows transient analysis of the thermal gradient effects in the structural elements. The results from thermal, structural and coupled analyses are previously compared with the ones obtained with TCD 5.5 package. The coupled analysis is performed for three different columns, changing the diameter and concrete compression strength to be used in a parametric analysis. Finally, it is shown another analysis type, called reverse analysis, which considers increasing structural loads for fixed temperature fields.

Made available in DSpace on 2016-12-23T14:05:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Danielli Cristina Borelli Cintra.pdf: 4222911 bytes, checksum: 0db55771987e1317b678d8aff9ba3ab7 (MD5) Previous issue date: 2013-11-28 / The lap splice of the longitudinal reinforcement of columns positioned at the base, widely used in the execution of multiple floors structures in reinforced concrete floors, is the most vulnerable point in the pathological manifestations columns of buildings, compromising the structural performance and durability of the building. This region suffers from the stage of concrete, the high concentration of bars and high altitude release of concrete that promote segregation of the aggregate, and hinder access to the consolidation. During the life of the structure, is a region of high concentration of efforts, especially in columns bracing and often exposed to aggressive agents, such as the accumulation of waste chemicals, cleaning and humidity. The present work is an experimental and statistical study of the behavior at break of 31 short columns reinforced concrete subjected to concentric compression. All columns possessed cross section of 19cm x 19cm, height 170cm, concrete strength around 30MPa and longitudinal geometric rate of 0.88%. Varied only the position and the length of the lap splice to analyze the influence of these two factors and the interaction between them in the capacity of the columns. Are analyzed qualitatively manufacturing procedures samples of columns, which were close to the conditions of execution of the columns in the works. We used a factorial design to statistically analyze the experimental results, which confirmed the hypothesis that none of the factors applied, even the interaction between them, would be significant for the load capacity of the columns / A emenda por traspasse de armadura longitudinal posicionada na base de pilares, largamente utilizada na execução de estruturas de múltiplos pavimentos em concreto armado, consiste num dos pontos mais vulneráveis às manifestações patológicas em pilares de edifícios, comprometendo o desempenho estrutural e durabilidade da edificação. Tal região é prejudicada, desde a etapa de concretagem, pela alta concentração de armadura e pela altura elevada de lançamento do concreto, que promovem a segregação do agregado, além de dificultarem o acesso para o adensamento. Durante a vida útil da estrutura, é uma região de alta concentração de esforços e geralmente exposta a agentes agressivos, como o acúmulo de resíduos de produtos químicos, de limpeza e umidade. O presente trabalho trata-se de um estudo experimental e estatístico do comportamento até a ruptura de 31 pilares curtos de concreto armado, submetidos à compressão centrada. Todos os pilares possuíam seção transversal de 19cm x 19cm, altura de 170cm, resistência do concreto em torno de 30MPa e taxa geométrica de armadura longitudinal de 0,88%. Variou-se apenas a posição da emenda e o comprimento de traspasse da armadura longitudinal para analisar a influência desses dois fatores e da interação entre eles na capacidade de carga dos pilares. São analisados qualitativamente os procedimentos de fabricação das amostras de pilares, que foram próximos às condições de execução de pilares em obras. Utilizou-se um planejamento fatorial para analisar estatisticamente os resultados experimentais, que confirmou as hipóteses de que nenhum dos fatores adotados, nem mesmo a interação entre eles, seriam significativos para a capacidade de carga dos pilares