Este trabalho apresenta uma análise teórico-experimental da ligação pilar-fundação por meio de cálice em estruturas de concreto pré-moldado, com ênfase no colarinho. No programa experimental, foram ensaiados cinco protótipos sob força normal com grande excentricidade, variando-se o tipo e condição de interface: três com interface lisa, onde em dois foi eliminada a adesão para representar a situação mais adequada de projeto; e dois com interface rugosa, com duas configurações diferentes de chaves de cisalhamento. Foram realizadas simulações numéricas pelo método dos elementos finitos nos modelos lisos sem adesão, com as não-linearidades físicas e de contato, e nos cálices rugosos, considerando-se a não-linearidade física e a aderência perfeita das interfaces. Os resultados experimentais indicaram a necessidade de se reavaliar os principais métodos de projeto para essa ligação. Desta forma, foi proposto, para o cálice liso, um modelo de projeto considerando o atrito entre as interfaces e o cálculo das paredes longitudinais como consolos. Já para o cálice com interface rugosa, como foi verificada a proximidade do comportamento dos modelos físicos rugosos com uma ligação monolítica, recomendou-se o dimensionamento de suas armaduras verticais, admitindo a transferência total dos esforços, e das armaduras horizontais superiores também com o funcionamento das paredes longitudinais como consolos. Os modelos numéricos apresentaram uma boa convergência e semelhanças na fissuração e no caminho de tensões em relação aos protótipos físicos, apesar das deformações terem sido menores que as observadas experimentalmente. / This research presents a theoretical-experimental analysis of column-foundation connection through socket of precast concrete structures, with emphasis in pedestal walls. The experimental program included five models submitted to normal load with large eccentricity, changing the type and the condition of interface: three models had smooth interface and two models had rough interface. In two of smooth models, the bond was eliminated to represent the more appropriate situation of design. Two different configurations of shear keys were used in rough models. Numerical simulations, by finite elements method, were developed on the smooth models without bond, using physical and contact non-linear analyses, and on the rough socket connections, using physical non-linear analyses and perfect adherence of interfaces. The experimental results indicated the need to revalue the principal design methods for this connection. In that way, a design model was proposed for the smooth socket connection, considering friction between the interfaces, and the design of longitudinal walls was suggested as corbels. As it was verified the proximity of rough physical models behavior with a monolithic connection, its vertical reinforcings design was recommended, admitting the total transfer of the efforts. Numerical models had a good convergence and likeness with cracking and tensions field of physical prototypes, in spite of deformations have been smaller than experimental results.

Essa pesquisa apresenta um estudo a respeito de cálices de fundação com colarinho. O trabalho foi elaborado a partir de uma análise crítica e síntese de resultados de estudos experimentais e numéricos desenvolvidos na Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo (EESC-USP) sobre a ligação pilar-fundação por meio de cálice para estruturas de concreto pré-moldado. Esses estudos englobam uma tese de doutorado e três dissertações de mestrado, em que foram abordadas diversas situações de projeto dessa ligação. A partir dos resultados dessas pesquisas são elaboradas recomendações para o projeto do cálice com interface lisa e rugosa e da base do pilar pré-moldado. Incluem-se ainda avaliação da situação de montagem e disposições construtivas gerais a respeito da ligação por meio de cálice. Mediante aplicações, são avaliadas as recomendações de projeto e simulados casos reais de emprego da ligação pilar-fundação por meio de cálice. Com base nesse estudo, as principais conclusões incorporadas às recomendações foram em relação: a) a posição de aplicação da resultante de pressão superior na parede frontal; b) ao comportamento das paredes transversais; c) a força normal com pequena excentricidade; d) a determinação da espessura mínima da parede do colarinho e; e) adaptação do modelo de comportamento da base do pilar pré-moldado com o modelo do cálice. Ao final, são elaborados exemplos de dimensionamento da ligação cálice de fundação com interface lisa e rugosa e da base do pilar pré-moldado, além de um roteiro simplificado com recomendações de projeto desses elementos. / This research presents a study about the socket base with pedestal walls. The paper was drawn from a review and synthesis of results of experimental and numerical studies carried out at the Engineering School of São Carlos University of São Paulo (EESC-USP) about the socket base connection by pedestal walls in precast concrete structures. These studies include a Phd thesis and three MSc dissertations, which addressed several situations of design of that kinf of connection. From the results, recommendations are drawn for the design of socket with smooth and rough interface and precast column base. Included also evaluated at the erection situation and constructive provisions regarding socket base. With some applications are analyzed the design recommendations and simulated real cases of use of column-base connection by socket. Based on this study, the main conclusions that were incorporated into the recommendations were about: a) local of application of the top pression resultant; b) behavior of transversal walls; c) normal force with small eccentricity; d) determination of the thickness of pedestal wall and; e) adaptation of column base model with the socket model. Finally, examples are drawn about socket foundation design with smooth and rough interface and of the precast column base, beyond simplified script with recommendations for the design of these elements.

Este trabalho apresenta uma análise teórico-experimental da ligação pilar-fundação por meio de cálice em estruturas de concreto pré-moldado, com ênfase no colarinho. No programa experimental, foram ensaiados cinco protótipos sob força normal com grande excentricidade, variando-se o tipo e condição de interface: três com interface lisa, onde em dois foi eliminada a adesão para representar a situação mais adequada de projeto; e dois com interface rugosa, com duas configurações diferentes de chaves de cisalhamento. Foram realizadas simulações numéricas pelo método dos elementos finitos nos modelos lisos sem adesão, com as não-linearidades físicas e de contato, e nos cálices rugosos, considerando-se a não-linearidade física e a aderência perfeita das interfaces. Os resultados experimentais indicaram a necessidade de se reavaliar os principais métodos de projeto para essa ligação. Desta forma, foi proposto, para o cálice liso, um modelo de projeto considerando o atrito entre as interfaces e o cálculo das paredes longitudinais como consolos. Já para o cálice com interface rugosa, como foi verificada a proximidade do comportamento dos modelos físicos rugosos com uma ligação monolítica, recomendou-se o dimensionamento de suas armaduras verticais, admitindo a transferência total dos esforços, e das armaduras horizontais superiores também com o funcionamento das paredes longitudinais como consolos. Os modelos numéricos apresentaram uma boa convergência e semelhanças na fissuração e no caminho de tensões em relação aos protótipos físicos, apesar das deformações terem sido menores que as observadas experimentalmente. / This research presents a theoretical-experimental analysis of column-foundation connection through socket of precast concrete structures, with emphasis in pedestal walls. The experimental program included five models submitted to normal load with large eccentricity, changing the type and the condition of interface: three models had smooth interface and two models had rough interface. In two of smooth models, the bond was eliminated to represent the more appropriate situation of design. Two different configurations of shear keys were used in rough models. Numerical simulations, by finite elements method, were developed on the smooth models without bond, using physical and contact non-linear analyses, and on the rough socket connections, using physical non-linear analyses and perfect adherence of interfaces. The experimental results indicated the need to revalue the principal design methods for this connection. In that way, a design model was proposed for the smooth socket connection, considering friction between the interfaces, and the design of longitudinal walls was suggested as corbels. As it was verified the proximity of rough physical models behavior with a monolithic connection, its vertical reinforcings design was recommended, admitting the total transfer of the efforts. Numerical models had a good convergence and likeness with cracking and tensions field of physical prototypes, in spite of deformations have been smaller than experimental results.

Essa pesquisa apresenta um estudo a respeito de cálices de fundação com colarinho. O trabalho foi elaborado a partir de uma análise crítica e síntese de resultados de estudos experimentais e numéricos desenvolvidos na Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo (EESC-USP) sobre a ligação pilar-fundação por meio de cálice para estruturas de concreto pré-moldado. Esses estudos englobam uma tese de doutorado e três dissertações de mestrado, em que foram abordadas diversas situações de projeto dessa ligação. A partir dos resultados dessas pesquisas são elaboradas recomendações para o projeto do cálice com interface lisa e rugosa e da base do pilar pré-moldado. Incluem-se ainda avaliação da situação de montagem e disposições construtivas gerais a respeito da ligação por meio de cálice. Mediante aplicações, são avaliadas as recomendações de projeto e simulados casos reais de emprego da ligação pilar-fundação por meio de cálice. Com base nesse estudo, as principais conclusões incorporadas às recomendações foram em relação: a) a posição de aplicação da resultante de pressão superior na parede frontal; b) ao comportamento das paredes transversais; c) a força normal com pequena excentricidade; d) a determinação da espessura mínima da parede do colarinho e; e) adaptação do modelo de comportamento da base do pilar pré-moldado com o modelo do cálice. Ao final, são elaborados exemplos de dimensionamento da ligação cálice de fundação com interface lisa e rugosa e da base do pilar pré-moldado, além de um roteiro simplificado com recomendações de projeto desses elementos. / This research presents a study about the socket base with pedestal walls. The paper was drawn from a review and synthesis of results of experimental and numerical studies carried out at the Engineering School of São Carlos University of São Paulo (EESC-USP) about the socket base connection by pedestal walls in precast concrete structures. These studies include a Phd thesis and three MSc dissertations, which addressed several situations of design of that kinf of connection. From the results, recommendations are drawn for the design of socket with smooth and rough interface and precast column base. Included also evaluated at the erection situation and constructive provisions regarding socket base. With some applications are analyzed the design recommendations and simulated real cases of use of column-base connection by socket. Based on this study, the main conclusions that were incorporated into the recommendations were about: a) local of application of the top pression resultant; b) behavior of transversal walls; c) normal force with small eccentricity; d) determination of the thickness of pedestal wall and; e) adaptation of column base model with the socket model. Finally, examples are drawn about socket foundation design with smooth and rough interface and of the precast column base, beyond simplified script with recommendations for the design of these elements.

The finite element method is a powerful analysis tool which has facilitated a better understanding of the behaviour of reinforced concrete structures. Its use in the research field is widespread and complements experimental tests and the development of new analytical models. Its application in practice engineering has permitted to deal with complex elements. However, the general structural engineer is still reluctant to consider finite element modelling for his work as he finds most of these models excessively sophisticated for his needs and knowledge. In particular, complexity of many finite element tools usually derives from the adoption of advanced concrete constitutive models. Implementation of more simple models based on engineering practice could facilitate its use by less experienced finite element users. In structural engineering practice finite element analysis can be of great usefulness to deal with those more problematic elements and/or where the application of traditional analysis methods presents limitations. This includes the so-called D-regions with a 3D behaviour. The strut-and-tie method and the stress field method are consistent and rational tools for the analysis and design of D-regions, but while their application to 2D elements is well covered in literature, its extension to 3D is problematic. This generally explains why excessively conservative assumptions are still common in the design of these elements. Refinement of current analytical and design approaches or the use of finite element analysis could lead to more rational solutions which in turn will reduce material requirements and costs. A 3D nonlinear finite element-based tool was developed in this thesis oriented towards the analysis and design of 3D D-regions by less experienced finite element users. Regarding material modelling, an orthotropic concrete model was adopted to permit the use of uniaxial stress-strain relationships. Only one single parameter, the uniaxial compressive strength of concrete, needs to be defined. Additionally, several aid functions were implemented, among which the following can be highlighted: a comprehensive, embedded reinforcement model to facilitate the introduction of complex rebar geometries; special support and load elements permitting an integrated and simple treatment of the boundary conditions imposed by them; and a simple design algorithm for the automatic determination of the required rebar areas. Three examples of applications to representative 3D D-regions are presented to show the capabilities of the tool. In particular, the analyses of fourteen four-pile caps, three socket base column-to-foundations connections and one anchorage block are described in the third part of the thesis. Results prove that realistic response predictions can be obtained considering relatively simple constitutive models. The capacity of the tool to configure consistent stress field models depending on the reinforcement arrangement is also demonstrated. The generation of rational reinforcement configurations by applying the implemented design algorithm is also shown. A strut-and-tie-based method for the analysis and design of four-pile caps with rectangular geometries is proposed in the fourth part. The method is based on a refined 3D strut-and-tie model and the consideration of three potential modes of failure: exceeding the reinforcement strength, crushing of the diagonal strut at the base of the column with narrowing of the strut and splitting of the diagonal strut due to transverse cracking. The main innovation is that the strut inclination is not fixed as in current strut-and-tie-based design procedures, but determined by maximizing the pile cap strength. The method accounts for strength softening of cracked concrete, compatibility constraints and reinforcement details. Its application to 162 specimens of literature led to very good predictions of the ultimate strength and, to a lesser extent, of the mode of failure. / El método de los elementos finitos es una potente herramienta de análisis que ha facilitado un mejor conocimiento del comportamiento de las estructuras de hormigón armado. Su uso en el ámbito de la investigación está ampliamente extendido. Su aplicación en la práctica ingenieril ha permitido la resolución de elementos complejos. Sin embargo, el ingeniero estructural común todavía es reticente a usar la modelización por elementos finitos ya que considera que la mayoría de estos modelos son excesivamente sofisticados para sus necesidades. La complejidad de muchas herramientas de elementos finitos suele derivarse de la adopción de modelos constitutivos de hormigón avanzados. La implementación de modelos más sencillos podría facilitar su uso por usuarios menos experimentados. En la práctica ingenieril el análisis con elementos finitos puede ser de gran utilidad para tratar aquellos elementos más problemáticos y/o donde la aplicación de los métodos de análisis tradicionales presenta limitaciones. Esto incluye las llamadas regiones D con comportamiento 3D. El método de bielas y tirantes y el método de campos de tensiones son herramientas racionales para el análisis y dimensionamiento de regiones D, pero su extensión a 3D es problemática. Este hecho explica por qué se adoptan todavía hipótesis excesivamente conservadoras en el dimensionamiento de estos elementos. La propuesta de métodos analíticos y de diseño más adecuados o la modelización con elementos finitos podría conducir a soluciones más racionales, lo que a su vez reduciría las necesidades de material y los costes. Como parte de esta tesis se ha desarrollado una herramienta de cálculo no lineal basada en el método de los elementos finitos orientada al análisis y dimensionamiento de regiones D tridimensionales por usuarios con menos experiencia en la modelización con elementos finitos. Se ha adoptado un modelo ortotrópico para el hormigón para permitir el uso de relaciones uniaxiales de tensión-deformación. Sólo es necesario definir un único parámetro, la resistencia a compresión uniaxial del hormigón. Adicionalmente, se han implementado varias funciones de ayuda, entre las que destacan: un modelo de armadura embebida para facilitar la introducción de geometrías de armado complejas; elementos especiales de apoyo y de carga que permiten un tratamiento integral de las condiciones de contorno; y un algoritmo de diseño para la determinación automática del área de armado necesaria. Se presentan tres ejemplos de aplicación a regiones D 3D representativas para mostrar las capacidades de la herramienta. En concreto, en la tercera parte del documento se describen los análisis de catorce encepados, tres cálices de cimentación y un bloque de anclaje. Los resultados muestran que se pueden obtener predicciones bastante realistas considerando modelos constitutivos relativamente sencillos. También se demuestra la capacidad de la herramienta para configurar modelos de campo de tensiones consistentes dependiendo de la configuración de armado. Además se muestra la capacidad del algoritmo de diseño para configurar disposiciones de armado racionales. En la cuarta parte se propone un método para el análisis y dimensionamiento de encepados sobre cuatro pilotes con geometría rectangular. El método se basa en un modelo 3D de bielas y tirantes refinado y la consideración de tres modos de fallo posibles: rotura del acero, aplastamiento de la biela diagonal en la base de la columna con estrechamiento de la misma y splitting de la biela diagonal debido a la fisuración transversal. La principal novedad es que el ángulo de la biela no se fija como en otros modelos, sino que se determina mediante la maximización de la resistencia del encepado. El método considera el debilitamiento de la resistencia del hormigón fisurado, condiciones de compatibilidad de deformaciones y detalles de armado. Su aplicación a 162 especímenes dio luga / El mètode dels elements finits és una potent eina d'anàlisi que ha facilitat un millor coneixement del comportament de les estructures de formigó armat. El seu ús en l'àmbit de la investigació està àmpliament estès. La seua aplicació en la pràctica enginyeril ha permès la resolució d'elements més complexos. No obstant això, l'enginyer estructural comú encara és reticent a fer servir la modelització per elements finits ja que considera que la majoria d'aquests models són excessivament sofisticats per a les seues necessitats i el seu conèixement. En concret, la complexitat de moltes eines d'elements finits sol derivar-se de l'adopció de models constitutius avançats de formigó. La implementació de models més senzills basats en la pràctica enginyeril podria facilitar el seu ús per a usuaris menys experimentats en la modelització amb elements finits. A la pràctica enginyeril l'anàlisi amb elements finits pot ser de gran utilitat per a tractar aquells elements més problemàtics i/o on l'aplicació dels mètodes d'anàlisi tradicionals presenta limitacions. Això inclou les anomenades regions D amb comportament 3D. El mètode de bieles i tirants i el mètode de camps de tensions són eines racionals per a l'anàlisi i dimensionament de regions D, però la seua extensió a 3D és problemàtica. Aquest fet explica per què s'adopten encara hipòtesis excessivament conservadores en el dimensionament d'aquests elements. La proposta de mètodes analítics i de disseny més adequats o la modelització amb elements finits podria conduir a solucions més racionals, amb el que també es reduirien les necessitats de material i els costos. Com a part d'aquesta tesi s'ha desenvolupat una eina de càlcul no lineal basada en el mètode dels elements finits orientada a l'anàlisi i dimensionament de regions D tridimensionals per a usuaris amb menys experiència en la modelització amb elements finits. S'ha adoptat un model ortotròpic per al formigó per permetre l'ús de relacions uniaxials de tensió-deformació. Només cal definir un únic paràmetre, la resistència a compressió uniaxial del formigó. Addicionalment, s'han implementat diverses funcions d'ajuda, entre les quals destaquen: un model d'armadura embeguda per facilitar la introducció de geometries d'armat complexes; elements especials de suport i de càrrega que permeten un tractament integral i senzill de les condicions de contorn; i un algoritme de disseny per a la determinació automàtica de l'àrea d'armat necessari. Es presenten tres exemples d'aplicació a regions D 3D representatives per mostrar les capacitats de l'eina. En particular, en la tercera part del document es descriuen les anàlisis de catorze enceps sobre quatre pilons, 3 calzes de fonamentació i un bloc d'ancoratge. Els resultats mostren que es poden obtenir prediccions prou realistes considerant models constitutius relativament senzills. També es demostra la capacitat de l'eina per configurar models de camp de tensions consistents depenent de la configuració d'armat. A més es mostra la capacitat de l'algoritme de disseny per configurar disposicions d'armat racionals. En la quarta part es proposa un mètode per a l'anàlisi i dimensionament d'enceps sobre quatre pilons amb geometria rectangular. El mètode es basa en un model 3D de bieles i tirants refinat i la consideració de tres modes de fallada possibles: trencament de l'acer, aixafament de la biela diagonal a la base de la columna amb estrenyiment de la mateixa i splitting de la biela diagonal per causa de la fissuració transversal. La principal novetat és que l'angle de la biela no es fixa com en els models actuals de bieles i tirants, sinó que es determina mitjan\c{c}ant la maximització de la resistència de l'encep. El mètode proposat considera el debilitament de la resistència del formigó fissurat, condicions de compatibilitat de deformacions i detalls d'armat. La seua aplicació a 162 espècimens de la liter / Meléndez Gimeno, C. (2017). A finite element-based approach for the analysis and design of 3D reinforced concrete elements and its applications to D-regions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86193