A necessidade por aprimorar sistemas e materiais na indústria da construção civil derivou no uso da protensão como uma alternativa de reforço para estruturas de concreto. As vantagens técnicas e econômicas encontradas no projeto e execução de estruturas de concreto fizeram com que este sistema venha ganhando preferência frente ao sistema convencional de concreto armado. Nesse contexto, este trabalho visa contribuir desenvolvendo um modelo computacional no software ANSYS, versão 16.0, por meio da ferramenta de customização UPF (User Performance Features), para o estudo de lajes de concreto armado e protendido, com ou sem aderência. A implementação do modelo computacional, baseado no método dos elementos finitos, tem ênfase na não-linearidade física dos materiais através de um modelo elasto-viscoplástico que inclui dois procedimentos de análise: a resposta instantânea da estrutura considera um comportamento elastoplástico e a resposta diferida da estrutura assume um comportamento viscoelástico. A modelagem das lajes é feita a partir da ideia de elementos reforçados, assim, são utilizados elementos finitos de casca de ordem superior SHELL281 como elementos base de concreto. Enquanto que a armadura passiva é modelada com elementos de reforço REINF264, considerando-as como uma linha de material mais rígido com aderência perfeita no interior dos elementos de casca, ou seja, como armadura incorporada. Por sua vez, para modelar a armadura ativa não-aderente utiliza-se elementos finitos unidimensionais LINK180 que funcionam como armadura discreta, a condição de não-aderência é satisfeita pelo comando CP. Destaca-se que a não-linearidade geométrica é inerente nos elementos finitos utilizados e que os mesmos são compatíveis entre si e com a ferramenta de customização UPF. Para validar a eficiência do modelo computacional, comparam-se resultados numéricos com valores experimentais disponíveis na literatura. A comparação dos resultados mostra que os modelos representam corretamente o comportamento das lajes ensaiadas experimentalmente. O baixo custo computacional de tempo, a boa precisão dos resultados e as ferramentas de processamento do ANSYS tornam-no em uma alternativa eficiente. / The need for improvement of systems and materials of the construction industry resulted in the use of prestressing as an alternative to reinforce concrete structures. The technical and economic advantages found in the design of concrete structures caused that this system has been gaining preference against the conventional system of reinforced concrete. In this sense, this work aims to contribute developing a computational model in ANSYS software, version 16.0, through the customization tool UPF (User Performance Features), to the study of reinforced and, bonded or unbonded, prestressed concrete slabs. The computational model implementation, based on the finite element method, has emphasis on the physical materials nonlinearity with an elasto-viscoplastic model that includes two analysis procedures: the instantaneous response of the structure considers an elastoplastic behavior and the delayed response of the structure assumes a viscoelastic behavior. The slab models are based in reinforcement elements, thus higher order shell finite elements SHELL281 are used as base elements of concrete. The reinforcement is modeled with reinforcing elements REINF264, as a line of more rigid material with perfect bonding inside the concrete elements, it is, as incorporated reinforcement. On the other hand, the finite elements LINK180 that work as discrete reinforcement are used to simulate prestressing tendons, CP command satisfies the absence of non-adherence. It is noteworthy that the geometrical nonlinearity is inherent to the finite element used and that they are compatible between them and with the customization tool UPF. To validate the computational model efficiency, numerical results are compared with experimental values available in the literature. The results comparison shows that the models represent correctly the behavior of experimentally tested slabs. The low computational cost of time, the good precision of results and the ANSYS processing tools make it an efficient alternative.

Lajes nervuradas modeladas computacionalmente são geralmente analisadas por metodologias simplificadas, tanto para a geometria da seção (convertendo em lajes maciças ou grelhas) como para as propriedades mecânicas dos materiais (regime elástico-linear). Estes estudos teóricos apresentam grandes diferenças quando comparados com ensaios experimentais, mesmo para baixos níveis de carregamento. Isto se deve principalmente pela não consideração da excentricidade entre os eixos da nervura e da capa, como também à simplificação do comportamento mecânico do concreto à tração. Modelos numéricos chamados realísticos consideram o efeito da excentricidade entre os eixos da capa e nervura da seção transversal. Pode-se, ainda, introduzir a não-linearidade física do concreto armado nestes modelos, obtendo resultados mais próximos do real. O objetivo deste trabalho é estabelecer um modelo numérico realístico, para a seção típica de laje nervurada, atendendo às indicações descritas acima. Para a consideração da excentricidade entre os eixos da capa e nervura empregam-se elementos de casca, em posição horizontal para a capa e vertical para a nervura. A não-linearidade física do concreto à tração é representada através do modelo de fissuração distribuída proposto por D’AVILA (2003). Para as análises não-lineares empregou-se o programa computacional de elementos finitos SAP2000 versão 16, onde os elementos de casca permitem discretizar o concreto armado em camadas, ao longo da espessura. Um bom desempenho do modelo numérico proposto foi verificado pela validação deste a partir de modelos experimentais, assim como da análise numérica de outros autores. Realizaram-se, por último, análises de algumas lajes nervuradas com solicitações de carregamentos excessivos, a fim de prever seus desempenhos frente a estados limites de flexão. Os resultados obtidos nestas análises mostraram, também, um bom desempenho do modelo proposto. / Waffle slab structures simulated by computational models are generally analyzed by simplified methods, both for section geometry (converting into solid slabs) and the material mechanical properties (linear elastic regime). The results obtained by such theoretical studies show large differences when compared to experimental tests, even at low loading levels. This is mainly due to non-consideration of the eccentricity between the rib and cover axes and simplification of the concrete tensile strength mechanical behavior. The so called realistic numerical models consider the effect of eccentricity between the axes of hood and ribs of the cross section. One may also introduce physical nonlinearity of reinforced concrete in these models, obtaining results closer to real. The objective of this work is to establish a realistic numerical model for the typical section of a waffle slab, considering the physical nonlinearity of concrete and its collaboration between cracks, by the smeared crack model proposed by D' AVILA (2003). The computational finite element program SAP2000 version 16 is used for the non-linear analysis. The shell element discretization enabled the heterogeneous characteristics of reinforced concrete to be considered through layers along the thickness. The numerical model was validated based on the analysis of experimentally tested slabs. Finally, some waffle slabs were numerically analyzed under a uniformly distributed and incrementally growing load. The proposed model was able to predict their overall behavior and some local aspects could also be observed.

A espessura de cobrimento das armaduras, que se interpõe entre as barras de aço e o ambiente proporcionando proteção contra os agentes agressivos, é fator determinante na durabilidade das estruturas de concreto armado. Embora o emprego do espaçador para assegurar o cobrimento especificado seja normatizado, a regulamentação brasileira não dispõe nenhum método de fixação e distribuição dos dispositivos. Levantamentos in loco efetuados durante esta pesquisa, em obras localizadas em Porto Alegre/RS e Cuiabá/MT, mostraram através de medições em elementos estruturais já executados, que as espessuras de cobrimento estão não conformes com as especificações de projeto. Dentro deste levantamento, os resultados mais preocupantes estão relacionados ao fundo de viga e lajes. Para lajes de concreto armado, notou-se durante a execução, que alguns fatores poderiam influenciar na obtenção deste requisito proposto em norma. Sendo assim, buscou-se testar através de simulação computacional diferentes combinações de variáveis, como por exemplo, a distribuição de espaçadores, as características da armadura e o carregamento acidental presente durante a concretagem. Diante dos resultados apresentados pelo estudo computacional, onde um grande percentual de combinações apresenta a plastificação total das barras de aço, testou-se em laboratório alguns conjuntos de variáveis, a fim de mensurar a deformação permanente na malha de armadura. Foi possível constatar que armaduras compostas com diâmetros de 4,2 mm e 5,0 mm, apresentam resultados críticos na obtenção da espessura de cobrimento, independentemente da distribuição dos espaçadores, deformando permanentemente a armadura chegando a um valor de 17,31 mm, e assim, prejudicando diretamente a durabilidade da estrutura de concreto armado. / The cover to reinforcement ensures durability, it is responsible for protecting the armor front the environment aggressive agents. The use of spacers is a recommendation standard, however the regulation does not provide sufficiente methodology of use subsidies. Thus, cover to reinforcement just barely achieved during the structural element execution as show in this research, through surveys conducted in the cities of Porto Alegre/RS and Cuiabá/MT. With that, by computer and experimental simulation, some variables observed during the solid slabs execution, such as armor characteristics, overlays thickness and spacers distribution were tested in different configurations. The results shows that the smaller diameter reinforcements (4,2 and 5,0 mm) create critical situations in relation to overlays obtainment, independent of the configuration, all the reinforcements suffer permanent deformation, reaching 17,31 mm, affecting the performance of the reinforced concrete structure.

Na construção civil atual, existe uma tendência de crescimento da automatização do projeto, visando o desenvolvimento de soluções personalizadas a fim de fugir das indesejadas repetições arquitetônicas. Dentro desta tendência, as lajes planas protendidas proporcionam grande flexibilidade de layout, maior rapidez na execução da estrutura e diminuição do número de pilares, proporcionando ganhos de área útil. Um dos principais esquemas estruturais adotados para representar lajes planas protendidas é a laje lisa, com ou sem engrossamento na região dos pilares. As lajes lisas apresentam vantagens em relação às demais (nervuradas e outras), sobretudo do ponto de vista da facilidade de execução. Esta dissertação apresenta um modelo numérico para o cálculo de lajes planas lisas protendidas via Método dos Elementos Finitos.O elemento finito empregado, isoparamétrico com 8 nós, possui 5 graus de liberdade por nó: os 3 graus de liberdade referentes a teoria de Flexão de Placas de Reissner-Mindlin e os 2 graus de liberdade relativo ao Estado Plano de Tensões. A protensão é considerada através do Método de Equilíbrio de Cargas (criado por T. Y. Lin e utilizado por AALAMI (1990)), que consiste na transformação dos esforços devido aos cabos protendidos em um conjunto de cargas equivalentes. Também é proposto um modelo de cálculo para determinação da posição do cabo de protensão em elevação e das perdas imediatas da força de protensão (perdas por atrito e recuo das ancoragens). São analisadas as tensões de serviço, para verificação da deformação, e as tensões últimas a que a laje protendida pode estar submetida, para o dimensionamento das armaduras ativa e passiva. / There is a recent trend, in Civil Engineering, toward automatized projects, aiming at the development of personal solutions, avoiding undesirable design repetitions. As an example, pre-tensioned plane plates give great layout flexibility, faster structural execution and reduction of the number and cross section of pillars, resulting in gains in the net area of the construction. One of the most common structures used as pre-tensioned plates is the flat slab, with or without enlargements near the pillars. The flat slab have advantages related to others (ribbed and others) mainly regarding its easier execution. These work presents a numerical model to calculate pre-tensioned flat slab by the Finite Element Method. The finite element used, isoparametric with 8 nodes, has 5 degrees of freedom per node: 3 degree of freedom regarding the Reissner-Mindlin´s plate bending theory and the 2 remaining regarding the plane stress state. The pre-tension is considered through the Load Equilibrium Method (created by T. Y. Lin and used AALAMI (1990)). The method consists in the transformation of loads due to pre-tensioned cables in one assemble of equivalent loads. Also, it is proposed a calculus model to determine the pre-tensioned cable elevation and the instantaneous losses of the pre-tensioned forces (losses by friction and partial retreat of the anchorage). The stress and deformation in service are analyzed as well as the ultimate stresses of the pre-tensioned plate can be subjected are verified, in order to design active and passive reinforcements.

Esta dissertação propõe uma solução padronizada de aplicação de Tuned-Mass Damper (TMD) para controle de vibrações em lajes baseada na análise das características de carregamentos associados à utilização humana e nas características estruturais mais comuns à engenharia contemporânea. De modo a simplificar sua aplicação técnica, a sintonização é proposta por meio da escolha de componentes pré-determinados para a montagem do TMD e pela distribuição e posicionamento dos mecanismos. A eficácia do sistema é então verificada em um estudo de caso, usando um modelo de elementos finitos de uma laje, antes e depois da aplicação dos mecanismos. / This thesis proposes a standardized solution for the application of Tuned-Mass Dampers to the control of floor vibrations based on the characteristics of the acting loads associated to human usage and the characteristics of the most common structures of the contemporary engineering practice. In order to simplify its usage by the technical community, the tuning is proposed through the selection of pre-determined components for the assembly of the TMD and the choice of disposition and spacing of the mechanisms. The system efficacy is then verified in a computational case study, by means of a finite-element model of a floor, before and after the application of the mechanisms.

As vigas mistas de aço-concreto vêm ganhando espaço no mundo e no Brasil. Sua grande vantagem é o aproveitamento das melhores propriedades que cada material apresenta. O aço possui excelente resposta para esforços tanto de tração como os de compressão e o concreto para esforços de compressão. As vigas mistas envolvem basicamente o perfil de aço, a laje de concreto, os conectores e as armaduras. Na interface destes materiais ocorrem fenômenos que merecem destaque, como grau de interação, cisalhamento na superfície de contato e separação vertical. Os procedimentos normalmente empregados em projetos de estruturas convencionais de concreto armado e de aço fornecem muitas respostas para questões semelhantes nas estruturas mistas, porém, no geral, não abordam a questão mais relevante que é a ligação entre o aço e o concreto. Na vizinhança dos conectores de cisalhamento, a laje da viga mista de aço e concreto está sujeita a uma combinação de cisalhamento longitudinal e momento fletor transversal, por isso a interface é a região que necessita de uma análise cuidadosa. Esses aspectos são os objetos principais da pesquisa. Adicionalmente são discutidos os procedimentos de projetos adotados pelas normas brasileira (NBR 8800-86), americana (AISC) e européia (EUROCODE 4): nas regiões de ligações entre os materiais por meio de conectores em perfis de aço sob lajes de concreto, no controle da fissuração em seções solicitadas por momentos negativos e nas armaduras transversais de costura. / The use of composite steel-concrete beams is increasing in Brazil and in the world, because this is to take advantage of the best properties of each material. Steel has an excellent response to compression and tension and concrete has to compression. Composite beams include basically the steel beam, concrete slab, connectors and reinforcement. Some phenomena in the interface of these materials must be considered, like the degree of interaction, shear in contact surface and uplift. The procedures normally taken in design of conventional structures of reinforced concrete and steel structures supply many answers to similar questions in composite structures, but, in general, they do not approach the most relevant question which is the bond between steel and concrete. The slab of composite steel-concrete beam is affected by a combination of longitudinal shear and transverse flexure, in the neighborhood of the shear connector. The analysis of the behavior of the slab and the reinforcement are main aspect of the work. In addition, some design procedures adopted by Brazilian Standard (NBR 8800-86), American Standard (AISC-2005) and European standard (EUROCODE 4) are discussed, in especial the related to connects, the crack control in sections with hogging moment and in transverse reinforcement.

O crescente uso de lajes sem vigas (lisa com ou sem capitel) como solução estrutural de edificações, justificado por questões econômicas e construtivas, têm destacado a importância do estudo desses elementos estruturais. Já as desvantagens desse sistema estrutural estão associadas às altas tensões geradas na região próxima dos pilares, originando o fenômeno de punção. As normas atuais especificam uma seção íntegra resistente para dimensionamento à punção, entretanto, devido principalmente à passagem de instalações hidráulicas e elétricas através dos pavimentos, é necessária a execução de furações, em alguns casos muito próximas ao contorno dos pilares, o que implica diretamente na redução dessa seção e da resistência das lajes. Portanto, são necessários modelos de cálculo específicos para isso. A NBR 6118 tem critérios para esse problema, mas são antigos e precisam ser modernizados. Assim, comparando os dados experimentais de algumas pesquisas com as cargas últimas estimadas para normas vigentes (fib MC2010:2013, EC2:2004, ACI-318:2014 e NBR 6118:2014), este trabalho teve como objetivo identificar limitações das normas estudadas e verificar a eventual possibilidade de melhorias. Com base nos resultados observados foi proposta uma alteração para a NBR 6118: 2014 no cálculo da punção para lajes lisas com furo(s) na região do pilar, de modo que seja considerado no dimensionamento o momento gerado pela excentricidade do perímetro crítico devido à presença de furo(s) na laje. / The increasing use of flat slabs (slabs without beams with or without drop panel) as a structural solution of buildings, justified by economic and constructive issues, has highlighted the importance of the study of these structural elements. The disadvantages of this structural system are associated with high stresses generated in the region near of the columns, causing the punching shear phenomenon. The current standards specify a resistant section for punching shear design, however, due mainly to the passage of hydraulic and electric installations through the floors, it is necessary to execute holes, in some cases very close to the boundaries of the columns, which reduces this section and the slab strength. Therefore, it is necessary to specify calculation models for that. The NBR 6118 has criteria for this problem, nonetheless it is old and needs to be modernized. Comparing experimental data from some researches, with the estimated ultimate loads for current standards (fib MC2010: 2013, EC2: 2004, ACI-318: 2014 and NBR 6118: 2014), this work had as objective to identify limitations of the standards studied and verify possible improvements. Based on the observed results, it was proposed a modification for NBR 6118: 2014 in the design of the punching shear of flat slabs with hole(s) near of the column, considering the moment caused by the eccentricity of the critical perimeter due to the presence of hole(s) in the slab.

Na área de análise de pavimentos, muitos trabalhos já foram realizados, levando-se em conta diferentes considerações sempre com o objetivo de aprimorar os modelos que representam o comportamento estrutural. O método dos elementos finitos tem se mostrado um dos principais métodos na resolução deste problema, onde as lajes podem ser discretizadas por elementos finitos de placa e as vigas por elementos finitos de barra. Dentre os diversos tipos de elementos finitos de placa, o elemento finito DKT (discrete Kirchhoff triangle), tem sido largamente utilizado na consideração da rigidez à flexão das lajes. O objetivo deste trabalho é apresentar o recém-formulado elemento finito de placa P15N na análise de pavimentos, bem como apresentar as diferenças e semelhanças na utilização deste elemento com o elemento finito DKT, na discretização das lajes, na determinação dos deslocamentos e esforços em pavimentos. Para a realização das análises descritas, desenvolveu-se um programa computacional em linguagem de programação FORTRAN 90. Vários exemplos numéricos são apresentados / In the area of floor analysis, many studies have already been carried out taking into account different considerations and always aiming to improve the models which represent the structural behavior. The finite element method has shown to be one of the principal methods for the resolution of this problem, where the slabs and the beams may be meshed by plate finite elements and bar finite elements, respectively. Among the various kinds of plate finite elements, the DKT (discrete Kirchhoff triangle) finite element has been largely used in the consideration of slabs bending stiffness. The objective of this work is to present the P15N as a plate finite element in the analysis of floors, as well as to point out the differences in the utilization of this element with the DKT finite element in slab discretization and in the determination of displacements and stresses in floors. For such analysis, a computational program was developed in FORTRAN 90 programming language. Several numerical examples are presented

Para calcularem-se lajes de concreto armado considerando todos os esforços resistentes, incluindo o momento volvente, é necessário o conhecimento de procedimentos para determinar momentos normais a duas direções escolhidas, segundo as quais serão dispostas as armaduras, que cubram o terno de esforços Mx, My e Mxy. No presente trabalho são estudados e comparados dois métodos para armaduras ortogonais e um método para o caso de armaduras oblíquas entre si. Com a finalidade de se considerar a resistência do concreto ao momento volvente no detalhamento das armaduras, são estudadas as resistências do concreto às tensões cisalhantes devidas à força cortante e ao momento torçor e as maneiras de se combinarem essas tensões. Outra finalidade do trabalho foi a de desenvolver pré-processadores para facilitar a modelagem de pavimentos por elementos finitos e um pós-processador que permitisse a análise dos resultados utilizando os conceitos estudados. Utilizando estes \"softwares\" fez-se um pequeno estudo de lajes retangulares apoiadas nos quatro lados, procurando avaliar as recomendações existentes na bibliografia especializada, sobre as armaduras de canto necessárias a esse tipo de laje. Fez-se, também uma comparação de detalhamentos das lajes de um pavimento tipo calculadas pelo método das charneiras plásticas, pelo método dos elementos finitos sem a consideração da rigidez à torção e pelo método dos elementos finitos considerando a rigidez à torção. / In order to design reinforced concrete slabs considering all the resisting moments, including the torsional moment, it is necessary to know procedures to determine normal moments, in two chosen reinforcement directions, that are equivalent to the field of moments Mx, My and Mxy. In this work, two methods for orthogonal reinforcement are studied and compared and one for skew reinforcement is studied. In an attempt to consider the resistance of concrete to the torsional moment, the shear stress due to shear carried by concrete and the shear stress due to torsion carried by concrete and the ways of combining them are studied. Another aim of this work was to develop pre-processors to facilitate the process of modeling building floors in finite elements and one post-processor that permits the analysis of the results, using the concepts of this work. Using these softwares, a short study of simply supported rectangular slabs was made, in an attempt to evaluate the recommendations, found in the specialized bibliography, about the corner reinforcement necessary in these kinds of slabs. A comparison of the slabs design of one building floor, calculated using the yield line theory, using the finite element method without the torsional strength and using the finite element method with the torsional strength was also made.

Este trabalho apresenta uma associação dos cálculos elástico e plástico, para lajes retangulares com carga uniforme e uma borda livre. O cálculo elástico é usado para pré-dimensionamento, na determinação dos momentos negativos e da razão dos momentos positivos nas duas direções. Esses momentos fletores são obtidos através de funções aproximadoras, determinadas a partir de tabelas. Após compatibilização dos momentos elásticos, são adotados os momentos de plastificação negativos, sendo os positivos obtidos através da teoria das chameiras plásticas, que é utilizada também no cálculo do comprimento das barras sobre os apoios. Conhecidas as armaduras, os momentos elásticos são novamente utilizados na verificação das flechas. Nos exemplos são comparadas as armaduras do cálculo elástico com as obtidas através do cálculo plástico, no qual se pôde constatar a economia deste último em relação ao primeiro. / This work presents an association of elastic and plastic analysis, for rectangular slabs with uniform load and a free edge. The elatic theory is used to estimate the negative moments and the relation between positive moments in the two directions. These bending moments are obtained from approached functions, based on tables. After compatibilization of elastic moments, the negative plastic moments are adopted and the positive moments are obtained from yield line theory, which will be used again in the calculation of the lenght of the bars over the supports. Once the reinforcements are known, the elastic moments are used again for checking the deflexions. In the examples, the results of elastic plate theory are compared with those obtained by plastic analysis, where it is possible to evidence the economy of the later over the former.