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

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

Com a crescente utilização de vigas mistas de aço e concreto em obras civis e devido à insuficiência de estudos relativos ao seu comportamento estrutural, investigações aprofundadas são necessárias para suprir as carências e aperfeiçoar o tema. Um fenômeno familiar na literatura de estruturas mistas é a distribuição não uniforme de tensões ao longo da largura da laje de concreto, denominado shear lag na literatura inglesa. Na análise e projeto de estruturas compostas, deflexões, tensões e resistência são tipicamente obtidas utilizando-se o conceito de largura efetiva, na qual o efeito shear lag é contabilizado indiretamente, substituindo a largura real da laje, por uma largura apropriadamente reduzida. Sem dispor de análises numéricas exatas para o dimensionamento prático, é necessário que códigos normativos forneçam métodos simplificados para a avaliação da largura efetiva minimizando perdas de precisão. Diante disso, no presente trabalho, procedimentos numéricos para a avaliação da largura efetiva, encontrados na literatura técnica, foram estudados e implementados ao modelo matemático em elementos finitos disponível no CEMACOM/PPGEC/UFRGS, capaz de representar com confiabilidade estruturas mistas. Comprovando-se a eficácia do modelo numérico em captar o efeito do shear lag, a resposta de uma viga mista biengastada, representando um vão intermediário de uma ponte contínua, submetida a um carregamento em longo prazo, e considerando-se os fenômenos reológicos do concreto de fluência e retração, além do comportamento não-linear devido a fissuração, é obtida e comparada à fórmulas estipuladas nas principais normas de projeto e em metodologias desenvolvidas por pesquisadores. Falhas potenciais nos códigos de projeto atuais foram evidenciadas, necessitando-se de adicionais estudos paramétricos experimentais e numéricos para a comprovação dos resultados. / With the increasing use of steel-concrete composite beams in bridges and buildings more investigations related to this topic are necessary to fill the needs and improve the subject. A familiar phenomenon in the literature of composite structures is the non-uniform distribution of stresses along the width of the concrete slab, called shear lag. In the analysis and design of composite beams, deflections, stresses, and strengths are typically obtained by utilizing the concept of effective width, in which shear lag effects are accounted for indirectly, by replacing the actual slab width by an appropriately reduced width. Without having exact numerical analysis for design, it is necessary that the design codes provide simplified methods for evaluating this effective width, minimizing losses of accuracy. In this work, numerical procedures for the evaluation of effective width, found in the specialized literature, were studied and implemented in the mathematical finite element model available in CEMACOM/PPGEC/UFRGS. This computational code is capable of representing the behavior of steel-concrete composite beams and is capable of capturing the shear lag effect. The response of a single span composite beam with fixed ends, representing an intermediate span of a continuous girder bridge, subject to long-term loading, and considering both rheological phenomena of concrete, such as creep and shrinkage, besides the non-linear behavior due to cracking, is obtained and compared to the stipulated formulas in the main code provisions and in the developed methodologies by some researchers. Potential failures in the current design codes were evidenced, requiring additional experimental and numerical parametric studies to prove the results.

Com a crescente utilização de vigas mistas de aço e concreto em obras civis e devido à insuficiência de estudos relativos ao seu comportamento estrutural, investigações aprofundadas são necessárias para suprir as carências e aperfeiçoar o tema. Um fenômeno familiar na literatura de estruturas mistas é a distribuição não uniforme de tensões ao longo da largura da laje de concreto, denominado shear lag na literatura inglesa. Na análise e projeto de estruturas compostas, deflexões, tensões e resistência são tipicamente obtidas utilizando-se o conceito de largura efetiva, na qual o efeito shear lag é contabilizado indiretamente, substituindo a largura real da laje, por uma largura apropriadamente reduzida. Sem dispor de análises numéricas exatas para o dimensionamento prático, é necessário que códigos normativos forneçam métodos simplificados para a avaliação da largura efetiva minimizando perdas de precisão. Diante disso, no presente trabalho, procedimentos numéricos para a avaliação da largura efetiva, encontrados na literatura técnica, foram estudados e implementados ao modelo matemático em elementos finitos disponível no CEMACOM/PPGEC/UFRGS, capaz de representar com confiabilidade estruturas mistas. Comprovando-se a eficácia do modelo numérico em captar o efeito do shear lag, a resposta de uma viga mista biengastada, representando um vão intermediário de uma ponte contínua, submetida a um carregamento em longo prazo, e considerando-se os fenômenos reológicos do concreto de fluência e retração, além do comportamento não-linear devido a fissuração, é obtida e comparada à fórmulas estipuladas nas principais normas de projeto e em metodologias desenvolvidas por pesquisadores. Falhas potenciais nos códigos de projeto atuais foram evidenciadas, necessitando-se de adicionais estudos paramétricos experimentais e numéricos para a comprovação dos resultados. / With the increasing use of steel-concrete composite beams in bridges and buildings more investigations related to this topic are necessary to fill the needs and improve the subject. A familiar phenomenon in the literature of composite structures is the non-uniform distribution of stresses along the width of the concrete slab, called shear lag. In the analysis and design of composite beams, deflections, stresses, and strengths are typically obtained by utilizing the concept of effective width, in which shear lag effects are accounted for indirectly, by replacing the actual slab width by an appropriately reduced width. Without having exact numerical analysis for design, it is necessary that the design codes provide simplified methods for evaluating this effective width, minimizing losses of accuracy. In this work, numerical procedures for the evaluation of effective width, found in the specialized literature, were studied and implemented in the mathematical finite element model available in CEMACOM/PPGEC/UFRGS. This computational code is capable of representing the behavior of steel-concrete composite beams and is capable of capturing the shear lag effect. The response of a single span composite beam with fixed ends, representing an intermediate span of a continuous girder bridge, subject to long-term loading, and considering both rheological phenomena of concrete, such as creep and shrinkage, besides the non-linear behavior due to cracking, is obtained and compared to the stipulated formulas in the main code provisions and in the developed methodologies by some researchers. Potential failures in the current design codes were evidenced, requiring additional experimental and numerical parametric studies to prove the results.

As vigas mistas de aço e concreto têm sido muito empregadas em obras civis de pequeno e grande porte. O emprego em conjunto de vigas de aço e lajes de concreto armado visa explorar as melhores características de cada um dos elementos, gerando uma solução estrutural econômica e eficiente. Os conectores de cisalhamento, que são os dispositivos de união desses elementos, permitem a transferência do esforço cortante ao longo da estrutura. O presente trabalho trata-se de uma continuação do estudo realizado por Tamayo (2011), o qual desenvolveu um código computacional em linguagem Fortran 90, utilizando o método dos elementos finitos, que é capaz de representar estruturas de vigas mistas em análises de curta duração. A teoria da plasticidade associada com um algoritmo de retorno explícito para o concreto e aço foi empregada em um procedimento incremental iterativo. O presente trabalho visa incluir a análise de serviço no código elasto-plástico, ou seja, a consideração dos efeitos de longa duração que interferem na distribuição de tensões e deformações da estrutura. A teoria da solidificação proposta por Bazant e Prasannan (1988) foi empregada para analisar os efeitos devido à fluência do concreto. Para o cálculo da fluência empregou-se um modelo reológico baseado na cadeia de Kelvin em série. Usando conceitos da série de Dirichlet, os parâmetros desta cadeia foram obtidos através de uma aproximação por mínimos quadrados. Em conjunto com a teoria da solidificação, os modelos de fluência e retração, propostos pelo Comité Euro-International du Béton (1990), foram utilizados. O amolecimento do concreto foi adicionado ao modelo computacional. Para os conectores de cisalhamento foi testada uma nova formulação empregando uma rigidez secante. As tarefas de pré e pós processamento foram realizadas através do software GiD que auxiliou nas etapas de geração da geometria e malha de elementos finitos, confecção de arquivo de entrada, e visualização dos resultados. Exemplos testados experimentalmente foram empregados para validação do modelo numérico proposto. / Steel-concrete composite beams have been widely applied to both small and large civil works. The combined use of steel beams and reinforced concrete slabs aims to explore the best features of each one, creating an efficient structural solution with low cost. The shear connectors are the device joining the steel beam and concrete slab, allowing the transfer of shear along the structure. This work follows the research of Tamayo (2011) who developed a program in Fortran 90 language, using the finite element method, capable of representing composite beam structures in short time analyzes. The associated theory of plasticity with an explicit return algorithm for concrete and steel was used in an incremental iterative procedure. This study aims to include the service analysis into the code, which means to account for long-term effects that influence the stress and strain distribution in the structure. The solidification theory proposed by Bazant and Prasannan (1988) was used to examine the creep effects of concrete. For the creep calculation, a rheological model based on the Kelvin chain in series was employed. Using concepts of Dirichlet series, the chain parameters were obtained through a least squares approximation. Together with the solidification theory, the creep and shrinkage models proposed by the Comité Euro-International du Béton (1990) were used. The concrete softening was added to the computational model. A new formulation using secant stiffness was tested for the shear connectors modeling. The pre and post processing tasks were performed using the GiD software, which was used for geometry and finite element mesh generation, input file writing, and results viewing. Specimens tested experimentally were used for the validation of the proposed numerical model.

Com a crescente utilização de vigas mistas de aço e concreto em obras civis e devido à insuficiência de estudos relativos ao seu comportamento estrutural, investigações aprofundadas são necessárias para suprir as carências e aperfeiçoar o tema. Um fenômeno familiar na literatura de estruturas mistas é a distribuição não uniforme de tensões ao longo da largura da laje de concreto, denominado shear lag na literatura inglesa. Na análise e projeto de estruturas compostas, deflexões, tensões e resistência são tipicamente obtidas utilizando-se o conceito de largura efetiva, na qual o efeito shear lag é contabilizado indiretamente, substituindo a largura real da laje, por uma largura apropriadamente reduzida. Sem dispor de análises numéricas exatas para o dimensionamento prático, é necessário que códigos normativos forneçam métodos simplificados para a avaliação da largura efetiva minimizando perdas de precisão. Diante disso, no presente trabalho, procedimentos numéricos para a avaliação da largura efetiva, encontrados na literatura técnica, foram estudados e implementados ao modelo matemático em elementos finitos disponível no CEMACOM/PPGEC/UFRGS, capaz de representar com confiabilidade estruturas mistas. Comprovando-se a eficácia do modelo numérico em captar o efeito do shear lag, a resposta de uma viga mista biengastada, representando um vão intermediário de uma ponte contínua, submetida a um carregamento em longo prazo, e considerando-se os fenômenos reológicos do concreto de fluência e retração, além do comportamento não-linear devido a fissuração, é obtida e comparada à fórmulas estipuladas nas principais normas de projeto e em metodologias desenvolvidas por pesquisadores. Falhas potenciais nos códigos de projeto atuais foram evidenciadas, necessitando-se de adicionais estudos paramétricos experimentais e numéricos para a comprovação dos resultados. / With the increasing use of steel-concrete composite beams in bridges and buildings more investigations related to this topic are necessary to fill the needs and improve the subject. A familiar phenomenon in the literature of composite structures is the non-uniform distribution of stresses along the width of the concrete slab, called shear lag. In the analysis and design of composite beams, deflections, stresses, and strengths are typically obtained by utilizing the concept of effective width, in which shear lag effects are accounted for indirectly, by replacing the actual slab width by an appropriately reduced width. Without having exact numerical analysis for design, it is necessary that the design codes provide simplified methods for evaluating this effective width, minimizing losses of accuracy. In this work, numerical procedures for the evaluation of effective width, found in the specialized literature, were studied and implemented in the mathematical finite element model available in CEMACOM/PPGEC/UFRGS. This computational code is capable of representing the behavior of steel-concrete composite beams and is capable of capturing the shear lag effect. The response of a single span composite beam with fixed ends, representing an intermediate span of a continuous girder bridge, subject to long-term loading, and considering both rheological phenomena of concrete, such as creep and shrinkage, besides the non-linear behavior due to cracking, is obtained and compared to the stipulated formulas in the main code provisions and in the developed methodologies by some researchers. Potential failures in the current design codes were evidenced, requiring additional experimental and numerical parametric studies to prove the results.

As vigas mistas de aço e concreto têm sido muito empregadas em obras civis de pequeno e grande porte. O emprego em conjunto de vigas de aço e lajes de concreto armado visa explorar as melhores características de cada um dos elementos, gerando uma solução estrutural econômica e eficiente. Os conectores de cisalhamento, que são os dispositivos de união desses elementos, permitem a transferência do esforço cortante ao longo da estrutura. O presente trabalho trata-se de uma continuação do estudo realizado por Tamayo (2011), o qual desenvolveu um código computacional em linguagem Fortran 90, utilizando o método dos elementos finitos, que é capaz de representar estruturas de vigas mistas em análises de curta duração. A teoria da plasticidade associada com um algoritmo de retorno explícito para o concreto e aço foi empregada em um procedimento incremental iterativo. O presente trabalho visa incluir a análise de serviço no código elasto-plástico, ou seja, a consideração dos efeitos de longa duração que interferem na distribuição de tensões e deformações da estrutura. A teoria da solidificação proposta por Bazant e Prasannan (1988) foi empregada para analisar os efeitos devido à fluência do concreto. Para o cálculo da fluência empregou-se um modelo reológico baseado na cadeia de Kelvin em série. Usando conceitos da série de Dirichlet, os parâmetros desta cadeia foram obtidos através de uma aproximação por mínimos quadrados. Em conjunto com a teoria da solidificação, os modelos de fluência e retração, propostos pelo Comité Euro-International du Béton (1990), foram utilizados. O amolecimento do concreto foi adicionado ao modelo computacional. Para os conectores de cisalhamento foi testada uma nova formulação empregando uma rigidez secante. As tarefas de pré e pós processamento foram realizadas através do software GiD que auxiliou nas etapas de geração da geometria e malha de elementos finitos, confecção de arquivo de entrada, e visualização dos resultados. Exemplos testados experimentalmente foram empregados para validação do modelo numérico proposto. / Steel-concrete composite beams have been widely applied to both small and large civil works. The combined use of steel beams and reinforced concrete slabs aims to explore the best features of each one, creating an efficient structural solution with low cost. The shear connectors are the device joining the steel beam and concrete slab, allowing the transfer of shear along the structure. This work follows the research of Tamayo (2011) who developed a program in Fortran 90 language, using the finite element method, capable of representing composite beam structures in short time analyzes. The associated theory of plasticity with an explicit return algorithm for concrete and steel was used in an incremental iterative procedure. This study aims to include the service analysis into the code, which means to account for long-term effects that influence the stress and strain distribution in the structure. The solidification theory proposed by Bazant and Prasannan (1988) was used to examine the creep effects of concrete. For the creep calculation, a rheological model based on the Kelvin chain in series was employed. Using concepts of Dirichlet series, the chain parameters were obtained through a least squares approximation. Together with the solidification theory, the creep and shrinkage models proposed by the Comité Euro-International du Béton (1990) were used. The concrete softening was added to the computational model. A new formulation using secant stiffness was tested for the shear connectors modeling. The pre and post processing tasks were performed using the GiD software, which was used for geometry and finite element mesh generation, input file writing, and results viewing. Specimens tested experimentally were used for the validation of the proposed numerical model.

As vigas mistas de aço e concreto têm sido muito empregadas em obras civis de pequeno e grande porte. O emprego em conjunto de vigas de aço e lajes de concreto armado visa explorar as melhores características de cada um dos elementos, gerando uma solução estrutural econômica e eficiente. Os conectores de cisalhamento, que são os dispositivos de união desses elementos, permitem a transferência do esforço cortante ao longo da estrutura. O presente trabalho trata-se de uma continuação do estudo realizado por Tamayo (2011), o qual desenvolveu um código computacional em linguagem Fortran 90, utilizando o método dos elementos finitos, que é capaz de representar estruturas de vigas mistas em análises de curta duração. A teoria da plasticidade associada com um algoritmo de retorno explícito para o concreto e aço foi empregada em um procedimento incremental iterativo. O presente trabalho visa incluir a análise de serviço no código elasto-plástico, ou seja, a consideração dos efeitos de longa duração que interferem na distribuição de tensões e deformações da estrutura. A teoria da solidificação proposta por Bazant e Prasannan (1988) foi empregada para analisar os efeitos devido à fluência do concreto. Para o cálculo da fluência empregou-se um modelo reológico baseado na cadeia de Kelvin em série. Usando conceitos da série de Dirichlet, os parâmetros desta cadeia foram obtidos através de uma aproximação por mínimos quadrados. Em conjunto com a teoria da solidificação, os modelos de fluência e retração, propostos pelo Comité Euro-International du Béton (1990), foram utilizados. O amolecimento do concreto foi adicionado ao modelo computacional. Para os conectores de cisalhamento foi testada uma nova formulação empregando uma rigidez secante. As tarefas de pré e pós processamento foram realizadas através do software GiD que auxiliou nas etapas de geração da geometria e malha de elementos finitos, confecção de arquivo de entrada, e visualização dos resultados. Exemplos testados experimentalmente foram empregados para validação do modelo numérico proposto. / Steel-concrete composite beams have been widely applied to both small and large civil works. The combined use of steel beams and reinforced concrete slabs aims to explore the best features of each one, creating an efficient structural solution with low cost. The shear connectors are the device joining the steel beam and concrete slab, allowing the transfer of shear along the structure. This work follows the research of Tamayo (2011) who developed a program in Fortran 90 language, using the finite element method, capable of representing composite beam structures in short time analyzes. The associated theory of plasticity with an explicit return algorithm for concrete and steel was used in an incremental iterative procedure. This study aims to include the service analysis into the code, which means to account for long-term effects that influence the stress and strain distribution in the structure. The solidification theory proposed by Bazant and Prasannan (1988) was used to examine the creep effects of concrete. For the creep calculation, a rheological model based on the Kelvin chain in series was employed. Using concepts of Dirichlet series, the chain parameters were obtained through a least squares approximation. Together with the solidification theory, the creep and shrinkage models proposed by the Comité Euro-International du Béton (1990) were used. The concrete softening was added to the computational model. A new formulation using secant stiffness was tested for the shear connectors modeling. The pre and post processing tasks were performed using the GiD software, which was used for geometry and finite element mesh generation, input file writing, and results viewing. Specimens tested experimentally were used for the validation of the proposed numerical model.

In steel-concrete composite construction, headed stud shear connectors are commonly used to transfer longitudinal shear forces across the steel-concrete interface. Present knowledge of the load-slip behavior of the shear stud in composite beam is limited to data obtained from the experimental push-off tests. A finite element model to simulate the structural behavior of headed stud shear connector in steel-concrete composite beam is described in the chapter. The model is based on finite element method and takes into account linear and nonlinear behavior of the materials. The model has been validated against test results and compared with data given in the current Code of Practices, for which both demonstrate the accuracy of the model used. Parametric studies using the model to investigate variations in concrete strength and shear stud diameter are also discussed in the chapter. The model takes into account the linear and nonlinear material properties of the concrete and shear stud. The FE results compare well with the experimental push-off test results and specified data from the codes. The FE model accurately predicts the mode of failure.