As vigas mistas configuram uma atrativa solução estrutural para pequenas e grandes obras na engenharia civil. O emprego deste tipo de estruturas proporciona: melhor aproveitamento das características de cada material, maior rapidez na construção e economia. Esta pesquisa da continuidade aos trabalhos de Tamayo (2011) e Dias (2013); apresenta-se um modelo numérico que emprega o método dos elementos finitos para avaliar o comportamento de estruturas do tipo viga mista, com foco na consideração dos efeitos de longa duração do concreto: fluência e retração; e à inclusão da protensão interna do tipo aderente, aplicada sob a laje de concreto. Implementaram-se seis modelos para predição dos fenômenos de longa duração: ACI 209R-92, Bazant-Baweja B3, CEB MC90, CEB MC99, CEB MC10 e GL2000, e disponibilizou-se uma ferramenta estatística que permite sua correta comparação. O cabo de protenssão é modelado de maneira discreta dentro do elemento de concreto e posteriormente são definidas as contribuições que o mesmo faz ao elemento de casca do concreto no qual está inserido. O Software GiD foi empregado nas etapas de pré e pós processamento, customizando sua interface para a atribuição das propriedades do problema. A validação da simulação numérica foi efetuada a partir da modelagem de 14 vigas no total, os espécimenes correspondem a vigas tanto simplesmente apoiadas como contínuas. O programa desenvolvido é capaz de modelar adequadamente estruturas do tipo viga mista, com protensão aderente instalada na laje de concreto; considerando uma análise ao longo do tempo e levando em conta os efeitos da fluência e da retração que afetam o concreto. / The composite beams constitute an attractive structural solution for small and large projects in civil engineering. The use of such structures provides better use of the characteristics of each material, faster construction and economy. This research continues the work of Tamayo (2011) and Dias (2013); it presents a numerical model employing the finite element method to evaluate composite beam structures, focusing on the long-term effects of concrete: creep and shrinkage; and the inclusion of internal adherent prestressing, applied under the concrete slab. Six models were implemented for the prediction of long-term effects: ACI 209R-92, Bazant-Baweja B3, CEB MC90, CEB MC99, CEB MC10 and GL2000, and provided a statistical tool that allows the correct comparison between them. The prestressed cable is modeled discretely within the concrete element and are further defined the contributions that it makes to the concrete shell element in which it is inserted. The GiD Software was used in the stages of pre and post processing, and its interface was customized for assigning the problem properties. The validation of numerical simulation was performed by full modeling 14 beams; the specimens correspond to both simply supported as continuous beams. The developed program is able to adequately model prestressed composite beam structures; considering the long-term effects of creep and shrinkage, that affects the concrete.

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

A utilização do elemento estrutural viga mista aço-concreto, que consiste da associação de vigas de aço (perfil do tipo I) com lajes de concreto (maciça ou com forma de aço incorporada), têm sido considerável nas obras de engenharia civil, tanto no contexto mundial como no Brasil. Parte da eficiência desse elemento estrutural está diretamente relacionada ao trabalho em conjunto de ambos os materiais, ou seja, do tipo de interação entre aço e concreto. Para um comportamento estrutural adequado das vigas mistas, essa interação é garantida por meio de elementos metálicos denominados conectores de cisalhamento, cujas principais funções consistem em transferir forças de cisalhamento longitudinais do concreto para o aço na interface entre laje e viga, bem como impedir a separação vertical entre laje de concreto e perfil metálico, movimento conhecido como uplift. Nesse sentido, o presente trabalho tem como objetivo principal uma pesquisa com base em referências bibliográficas sobre o assunto vigas mistas, bem como é proposta a elaboração de um modelo numérico tridimensional para viga mista, objetivando simular satisfatoriamente seu comportamento estrutural, em temperatura ambiente e em situação de incêndio, cujos resultados serão comparados com valores, obtidos numérica e experimentalmente, extraídos de trabalhos apresentados por outros pesquisadores. Para a modelagem numérica, utilizou-se o código de cálculo ABAQUS 6.3-1, elaborado com base nos métodos dos elementos finitos (MEF) / Composite steel-concrete beam have been commonly considered in steel-framed building used in civil engineering, not only in Brazil but also in the worldwide context. The efficiency of this structural element is directly related with the type of interaction between steel beam and concrete slab, which is assured using metallic elements called shear connectors, with the objective to transfer longitudinal shear forces from concrete slab to steel beam, in the interface, and avoid the vertical separation between concrete slab and steel beam (uplift). In this sense, the aim of the present work is to carry out a bibliographical review about composite steel-concrete beam, as well as propose a three dimensional non-linear procedure for modeling only full shear connection in composite beam. The three-dimensional numerical models constructed must be capable of predicting de response of composite beam, in ambient temperature an also in elevated temperatures (fire conditions). The computer program ABAQUS 6.3-1, based on finite element method, was used to analyze the numerical modeling. The accuracy of the three-dimensional numerical models are demonstrated by analyses of the results obtained with the models which are compared with the experimental results, obtained and presented by others researches

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

As vigas mistas de madeira e concreto são formadas pela união de vigas de madeira a lajes de concreto armado por meio de conectores de cisalhamento. Quando os pisos mistos de madeira e concreto são comparados aos pisos construídos unicamente em madeira ou àqueles confeccionados somente em concreto armado é possível destacar algumas vantagens, incluindo o bom desempenho em situações de incêndio. Os elementos estruturais quando submetidos a ações térmicas sofrem redução de resistência e rigidez, sendo, desta forma, necessário conhecer as modificações sofridas por cada um de seus componentes, que para o caso estudado são: a madeira, o concreto e os conectores de cisalhamento. Desta forma, foi elaborada uma estratégia de modelagem numérica para o estudo de vigas mistas de madeira e concreto em situação de incêndio, utilizando o programa computacional ABAQUS, o qual é baseado no método dos elementos finitos. Em uma primeira etapa da pesquisa foram realizadas modelagens numéricas de vigas de madeira e mistas de madeira e concreto em temperatura ambiente, encontrando-se boa correlação entre as curvas força versus deslocamento no meio do vão obtida numericamente e por meio de ensaios disponíveis na literatura. Em seguida procedeu-se a calibração das propriedades térmicas e mecânicas da madeira brasileira, alcançando-se resultados numéricos próximos aos experimentais, seja em relação às temperaturas do elemento analisado seja em relação à curva de deslocamento vertical em função do tempo de incêndio. Por fim, a estratégia de modelagem termoestrutural desenvolvida para a viga mista de madeira e concreto forneceu curva de deslocamento vertical em função do tempo de incêndio semelhante à curva obtida por meio de modelo analítico disponível na literatura. Por meio do modelo elaborado foi possível observar que a elevação do nível de carregamento reduz o tempo de resistência do elemento estrutural e que a proteção térmica do concreto é essencial para aumentar o tempo até a ruptura da viga. / Timber-concrete composite beams are formed by the union of timber beams to reinforced concrete slabs through of shear connectors. When timber-concrete composite floors are compared to timber floors or reinforced concrete floors it is possible to highlight some advantages, including good performance in fire situations. When subjected to thermal actions, structural elements suffer strength and stiffness reductions, being, therefore, necessary to know the modifications suffered by each of its components, which for the case studied are: timber, concrete and shear connectors. Thus, it is developed a numerical modeling strategy using the computational program ABAQUS, which is based on the finite element method, for the study of timber-concrete composite beams in fire situation. In the first stage of the research it was carried out a numerical modeling of timber beam and timber-concrete composite beam at room temperature, finding good correlation between the force versus displacement curves in the middle of the span obtained numerically and through tests available in the literature. Then, it was carried out the calibration of the thermal and mechanical properties of the Brazilian wood, reaching numerical results close to the experimental ones, either in relation to the temperatures of the analyzed element or in relation to the vertical displacement curve as a function of the fire time. Finally, the thermo-structural modeling strategy developed for the timber-concrete composite beam provided a vertical displacement curve as a function of the fire time similar to the curve obtained through an analytical model available in the literature. Through of the elaborated model it was possible to observe that the load level increase reduces the resistance fire time of the structural element and that the thermal protection of the concrete is essential to increase the rupture time of the beam.

Os pisos mistos de baixa altura caracterizam um sistema estrutural em que há a incorporação, parcial ou completa, do perfil metálico (viga de aço) na laje de concreto, promovendo a redução da altura da seção e, consequentemente, o aumento da altura útil do pavimento. A incorporação do perfil de aço na laje de concreto garante revestimento ao aço contra o fogo, melhorando o desempenho da viga de aço frente às ações do fogo. Com a finalidade de avaliar o desempenho térmico e estrutural desta solução construtiva, foram desenvolvidos modelos numéricos das vigas parcialmente revestidas presentes nesse sistema estrutural em duas etapas distintas: Na primeira é realizada a análise térmica bidimensional no pacote computacional DIANA para a obtenção dos campos térmicos nas seções transversais das vigas em questão e, a partir daí, considerá-los em um processador de cálculo de momentos plásticos resistentes em todo o intervalo de tempo analisado, sendo então possível avaliar a perda da capacidade portante da seção em função do tempo de exposição ao fogo. A segunda etapa consiste na criação de modelos numéricos tridimensionais em elementos finitos no pacote computacional DIANA, com o qual é possível obter o comportamento estrutural da viga mista de aço e concreto quando exposta ao incêndio padrão, considerando então os efeitos relativos à inclusão do gradiente de temperatura tais como a perda das propriedades mecânicas, a expansão e a interação entre os materiais. Tendo em vista as funcionalidades do código computacional DIANA, diversos modelos foram construídos procurando atingir a melhor aproximação com os resultados experimentais apresentados na literatura associados ao menor custo computacional possível. Dessa forma, foram analisados casos com (1) interação parcial e total entre o aço e o concreto e com (2) diferentes modelos constitutivos para os materiais em questão. Por fim, os resultados obtidos com a análise numérica a partir do DIANA são comparados com os do método dos momentos plásticos, que por sua vez, apresentam um custo computacional bastante reduzido / Slim floor frames consists on structural system in which the steel beam is completely or partially inserted in a concrete slab, that is usually used in profiled steel decks systems. The main goal of the slim floor systems is to obtain a minimum height of the composite beam section and, consequently, achieve a higher height of the floor or a lower total height of the building. The partial encasement of the steel beam in the concrete slab provides a thermal protection, improving the behavior of the beam when subjected to fire. In order to evaluate the thermal and structural behavior of the slim floor system, numerical models considering partially encased beams, which can be found in the slim floor structures, were created. The numerical evaluation procedure was divided in two steps. In the first step, a two-dimensional thermal analysis is carried out using the general finite-element software TNO DIANA to obtain the temperatures gradient in the cross section during the fire exposure time and then, use the data in a computational code developed in FORTRAN which calculates the bearing capacity, over the exposure time, of the slim floor beams by means of the plastic moment capacity method, using the reduction factors associated to the mechanical properties of the materials presented in Eurocode 4. The second step consists in to develop three-dimensional numerical models using the software TNO DIANA and then obtain the complete structural behavior of the beam when subjected to a fire condition. Another aspect related to the loss of mechanical properties was also considered, such as the thermal expansion and the interaction between the steel and the concrete. In view of the DIANA functions, several models were developed in order to achieve a better approximation, a low computational cost, of some tests results presented in wide world literature. The cases of partial and complete interaction between the materials were analyzed, as well as the different constitutive models for them, so that the results obtained at the two steps were compared, and an evaluation of the methods was done

O presente estudo traz uma revisão bibliográfica dos sistemas estruturais, da estabilidade e análise estrutural de edifícios de múltiplos andares com estrutura de aço e, ainda, do emprego de elementos mistos aço e concreto nesses sistemas, com ênfase às vigas mistas. É aplicável a duas áreas, a saber: acadêmica e prática. Na área acadêmica, contribui com informações que permitem iniciar linhas de pesquisas para diversos assuntos. Na área prática, através de exemplos, contribui com a análise da viabilidade do processo construtivo e estrutural. E por meio de instruções mínimas, contribui para o desenvolvimento de projetos de estruturas metálicas. A referida pesquisa é embasada na ABNT NBR 8800:2008 e, quando indispensável, nas normas ANSI/AISC 360-10 e EN 1994-1-1:2004. / The concerned study brings a literature review of structural systems, stability and structural analysis of multistory buildings with steel structures and also the use of steel-concrete composite elements in those systems, with emphasis on composite beams. It applies to two subjects, namely: academic and practical. In academics, it contributes with informations that allows you to start several lines of research. In the practice, through examples, it contributes with the assessment of the viability of the construction and structural process. And using minimal instructions, it contributes to the development of steel structure projects. The related research is based on the ABNT NBR 8800:2008 and, when necessary, on ANSI/AISC 360-10 and EN 1994-1-1:2004.

As vigas mistas de aço e concreto têm sido amplamente empregadas em edifícios e pontes, havendo ampla investigação teórica e experimental a respeito da utilização de perfis laminados e soldados e conectores de cisalhamento compatíveis com esses perfis, como por exemplo, o conector tipo pino com cabeça (stud bolt) e perfil U laminado. No âmbito dos perfis formados a frio, a utilização do sistema misto ainda é incipiente, necessitando de investigações mais aprofundadas a respeito do comportamento estrutural e a adequação dos modelos de cálculo adotados para vigas mistas em perfis laminados e soldados. No Brasil, a ampla disponibilidade de aços planos tem impulsionado o emprego do sistema misto constituído por perfis formados a frio em edifícios de pequeno porte, porém, mediante concepções clássicas, o que não conduz a um aproveitamento mais racional do sistema. Neste trabalho foi investigado um sistema não-convencional de vigas mistas em perfil cartola leve preenchido com concreto, cuja conexão com a laje foi feita mediante duas soluções: conectores do tipo alça em barra chata soldados ao perfil e conectores do tipo alça em barra redonda soldados ao perfil. Foi feita avaliação do comportamento estrutural da conexão aço-concreto, via ensaios de cisalhamento direto (push-out tests), e ensaios em vigas mistas simplesmente apoiadas para avaliação da região de momento fletor positivo. Os conectores de cisalhamento apresentaram ductilidade e resistência compatíveis com as vigas mistas analisadas, e as respostas de rigidez e resistência à flexão para uma condição de interação completa comprovam que a hipótese de plastificação total da seção descreve com precisão o comportamento estrutural do sistema proposto. / The composite steel and concrete beams have been largely applied in buildings and bridges constructions, having also a large amount of theoretical and experimental investigations about the use of hot-rolled and welded shapes and shear connectors that are compatible with these members, as for an example, the stud bolt and channel connectors. In the cold-formed steel sections scope, the use of a composite steel and concrete solution is still premature, what makes necessary a higher degree of a structural behavior investigation and the adequacy of the theoretical solutions proposed, also for the composite steel and concrete hot-rolled and welded shapes. In Brazil, the high availability of steel sheets has pushed the employee of the composite system of cold-formed steel in small and mid-height buildings, however, because of classical conceptions, it doesn\'t lead too a more rational use of the system. It was investigated in this work a non-conventional lightweight composite system formed by hat-shaped beams filled with concrete, witch connection with the slab was done by means of two solutions: arc-shaped connectors in at bars welded too the section and arc-shaped connectors in round bars welded too the section. An analysis was conducted for evaluation of the structural behavior in the steel and concrete interface by push-out tests, and tests in simple two points supported beams for evaluation of the bending strength. The shear connectors showed ductility and resistance compatible with the analyzed composite beams and the stiffness and bending resistance responses for the given condition of full interaction showed that the full section plastification consideration describes with precision the structural behavior of the proposed system.

As vigas mistas de madeira e concreto são formadas pela união de vigas de madeira a lajes de concreto armado por meio de conectores de cisalhamento. Quando os pisos mistos de madeira e concreto são comparados aos pisos construídos unicamente em madeira ou àqueles confeccionados somente em concreto armado é possível destacar algumas vantagens, incluindo o bom desempenho em situações de incêndio. Os elementos estruturais quando submetidos a ações térmicas sofrem redução de resistência e rigidez, sendo, desta forma, necessário conhecer as modificações sofridas por cada um de seus componentes, que para o caso estudado são: a madeira, o concreto e os conectores de cisalhamento. Desta forma, foi elaborada uma estratégia de modelagem numérica para o estudo de vigas mistas de madeira e concreto em situação de incêndio, utilizando o programa computacional ABAQUS, o qual é baseado no método dos elementos finitos. Em uma primeira etapa da pesquisa foram realizadas modelagens numéricas de vigas de madeira e mistas de madeira e concreto em temperatura ambiente, encontrando-se boa correlação entre as curvas força versus deslocamento no meio do vão obtida numericamente e por meio de ensaios disponíveis na literatura. Em seguida procedeu-se a calibração das propriedades térmicas e mecânicas da madeira brasileira, alcançando-se resultados numéricos próximos aos experimentais, seja em relação às temperaturas do elemento analisado seja em relação à curva de deslocamento vertical em função do tempo de incêndio. Por fim, a estratégia de modelagem termoestrutural desenvolvida para a viga mista de madeira e concreto forneceu curva de deslocamento vertical em função do tempo de incêndio semelhante à curva obtida por meio de modelo analítico disponível na literatura. Por meio do modelo elaborado foi possível observar que a elevação do nível de carregamento reduz o tempo de resistência do elemento estrutural e que a proteção térmica do concreto é essencial para aumentar o tempo até a ruptura da viga. / Timber-concrete composite beams are formed by the union of timber beams to reinforced concrete slabs through of shear connectors. When timber-concrete composite floors are compared to timber floors or reinforced concrete floors it is possible to highlight some advantages, including good performance in fire situations. When subjected to thermal actions, structural elements suffer strength and stiffness reductions, being, therefore, necessary to know the modifications suffered by each of its components, which for the case studied are: timber, concrete and shear connectors. Thus, it is developed a numerical modeling strategy using the computational program ABAQUS, which is based on the finite element method, for the study of timber-concrete composite beams in fire situation. In the first stage of the research it was carried out a numerical modeling of timber beam and timber-concrete composite beam at room temperature, finding good correlation between the force versus displacement curves in the middle of the span obtained numerically and through tests available in the literature. Then, it was carried out the calibration of the thermal and mechanical properties of the Brazilian wood, reaching numerical results close to the experimental ones, either in relation to the temperatures of the analyzed element or in relation to the vertical displacement curve as a function of the fire time. Finally, the thermo-structural modeling strategy developed for the timber-concrete composite beam provided a vertical displacement curve as a function of the fire time similar to the curve obtained through an analytical model available in the literature. Through of the elaborated model it was possible to observe that the load level increase reduces the resistance fire time of the structural element and that the thermal protection of the concrete is essential to increase the rupture time of the beam.

As vigas mistas de aço e concreto têm sido amplamente empregadas em edifícios e pontes, havendo ampla investigação teórica e experimental a respeito da utilização de perfis laminados e soldados e conectores de cisalhamento compatíveis com esses perfis, como por exemplo, o conector tipo pino com cabeça (stud bolt) e perfil U laminado. No âmbito dos perfis formados a frio, a utilização do sistema misto ainda é incipiente, necessitando de investigações mais aprofundadas a respeito do comportamento estrutural e a adequação dos modelos de cálculo adotados para vigas mistas em perfis laminados e soldados. No Brasil, a ampla disponibilidade de aços planos tem impulsionado o emprego do sistema misto constituído por perfis formados a frio em edifícios de pequeno porte, porém, mediante concepções clássicas, o que não conduz a um aproveitamento mais racional do sistema. Neste trabalho foi investigado um sistema não-convencional de vigas mistas em perfil cartola leve preenchido com concreto, cuja conexão com a laje foi feita mediante duas soluções: conectores do tipo alça em barra chata soldados ao perfil e conectores do tipo alça em barra redonda soldados ao perfil. Foi feita avaliação do comportamento estrutural da conexão aço-concreto, via ensaios de cisalhamento direto (push-out tests), e ensaios em vigas mistas simplesmente apoiadas para avaliação da região de momento fletor positivo. Os conectores de cisalhamento apresentaram ductilidade e resistência compatíveis com as vigas mistas analisadas, e as respostas de rigidez e resistência à flexão para uma condição de interação completa comprovam que a hipótese de plastificação total da seção descreve com precisão o comportamento estrutural do sistema proposto. / The composite steel and concrete beams have been largely applied in buildings and bridges constructions, having also a large amount of theoretical and experimental investigations about the use of hot-rolled and welded shapes and shear connectors that are compatible with these members, as for an example, the stud bolt and channel connectors. In the cold-formed steel sections scope, the use of a composite steel and concrete solution is still premature, what makes necessary a higher degree of a structural behavior investigation and the adequacy of the theoretical solutions proposed, also for the composite steel and concrete hot-rolled and welded shapes. In Brazil, the high availability of steel sheets has pushed the employee of the composite system of cold-formed steel in small and mid-height buildings, however, because of classical conceptions, it doesn\'t lead too a more rational use of the system. It was investigated in this work a non-conventional lightweight composite system formed by hat-shaped beams filled with concrete, witch connection with the slab was done by means of two solutions: arc-shaped connectors in at bars welded too the section and arc-shaped connectors in round bars welded too the section. An analysis was conducted for evaluation of the structural behavior in the steel and concrete interface by push-out tests, and tests in simple two points supported beams for evaluation of the bending strength. The shear connectors showed ductility and resistance compatible with the analyzed composite beams and the stiffness and bending resistance responses for the given condition of full interaction showed that the full section plastification consideration describes with precision the structural behavior of the proposed system.