Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil. Especialização em Construções Civis. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Área de Especialização de Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Há algumas décadas a viga de Benkelman vem sendo utilizada como um meio de controlar a qualidade das camadas de pavimento recém executadas, ao aferir as deflexões máximas na superfície dos materiais. Apesar disto, não existe qualquer referência que auxilie na determinação das deflexões admissíveis, uma vez que nenhuma norma técnica trata sobre os valores aceitáveis para a liberação das camadas. Neste contexto, as responsáveis pela definição dos parâmetros de controle passam a ser as projetistas, que muitas vezes não possuem conhecimento suficiente sobre os materiais de pavimentação para cumprir esta tarefa. O resultado disto são valores de controle sem fundamentos e inconsistentes, que são incapazes de representar de forma fidedigna as condições de campo, gerando uma série de dificuldades em obra. Sendo assim, este trabalho tem por objetivo fazer uma reflexão crítica sobre o modo como as deflexões de controle são definidas pelas projetistas, analisando as considerações de projeto que podem levar a resultados incoerentes em campo e propondo diretrizes para o aperfeiçoamento desta prática. Para isto, foi feita uma revisão bibliográfica sobre os principais fatores que podem afetar os valores de módulos de resiliência dos materiais e, consequentemente, as medidas de deflexões. Complementarmente, foram revisados valores de módulos de resiliências obtidos em laboratório e retroanalisados em pista. Em seguida, foi estudado o caso da obra de ampliação do Aeroporto Internacional Tom Jobim no Rio de Janeiro, em que resultados insatisfatórios de deflexões obtidas em campo levaram a uma revisão dos parâmetros de controle, revelando os principais equívocos cometidos pela projetista e os pontos críticos do processo de determinação dos valores de controle. Com base nisto, foi feita uma análise crítica das deflexões revisadas, mostrando como a variação de alguns critérios e parâmetros pode afetar os resultados e o que isto representa em termos práticos para o controle deflectométrico. Por fim, foi realizado um refinamento dos valores de deflexões de controle definidos pela projetista. / For decades, the Benkelman beam has been used to assure the quality of pavement construction by measuring the maximum deflections on top of the materials. Nevertheless, there are neither technical standards nor any references that determine a range of acceptable values for deflection. In this context, the definition of these parameters of control is the responsibility of the designers, who mostly do not have the expertise to complete the task. Consequently, the control values tend to be inconsistent and unable to represent in a reliable way the site conditions, creating a number of constraints/shortcomings. Hence, the objective of this dissertation is to undertake a critical analysis on the way the acceptable deflections are determined by the designers, evaluating the project assumptions that can lead to incoherent results on site and proposing guidelines for the improvement of this practice. For this, the main factors that can affect the elasticity of the materials and its deflections were reviewed, in addition to typical values of resilient modulus obtained in laboratory and from backanalysis. Next, the case of the Rio de Janeiro International Airport expansion project was studied. On that occasion, the deflections measured on site during the construction of the pavements were constantly greater than the control values indicated in the project. A revision of the parameters was undertaken by the designer to identify the reasons for the discrepancies and thus, unveiling the critical points of the process. Based on that, a critical analysis on the revised deflections was carried out, showing how the variation of some criteria and parameters can affect the results and what this represents in practical terms for the deflectometric control. Finally, a refinement of the acceptable deflections defined by the designer was proposed.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-17T06:08:05Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T23:38:24Z : No. of bitstreams: 1 137814.pdf: 67773000 bytes, checksum: 6b53763e1027e73291e7a68e96b35282 (MD5)

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.

O emprego de uma estrutura mista de aço – concreto (laje em concreto e vigas em perfis de aço) representa a priori uma solução mais eficiente para estruturas de pontes do que a consideração de uma estrutura toda em concreto ou toda em aço. No entanto para que isto ocorra na prática é necessário um dimensionamento criterioso desta estrutura, o que deve ser feito tendo como apoio softwares de simulação numérica. No CEMACOM tem sido desenvolvidos vários trabalhos nesse tema, os quais resultaram num código computacional com capacidade para simular vigas mistas submetidas a cargas de curta duração ou cargas de longa duração. Em contraponto, nesse trabalho a proposta é customizar um software comercial de elementos finitos (ANSYS) para realizar as mesmas tarefas. Depois do modelo construído tem se vantagens pois se dispõe da plataforma do ANSYS que permite analisar vários problemas associados ao assunto. Fez-se uma proposta de modelo numérico para se analisar vigas mistas no ANSYS. Tendo como ponto de partida os trabalhos de Lazzari (2015) e Lazzari et al. (2016) para a implementação do comportamento do concreto, fez-se algumas implementações numa rotina tipo usermat para fazer análises de cargas de curta duração. Os efeitos de longa duração, fluência e retração, foram implementados na rotina usermat tendo como base os trabalhos de Dias (2013) e Moreno (2016). O código customizado foi comparado contra resultados experimentais e numéricos que demonstraram o adequado funcionamento do mesmo. Finalmente o ANSYS customizado foi aplicado para modelar uma estrutura de ponte que havia sido previamente calculada por Schmitz (2014) empregando procedimentos de projeto normalizados. Os resultados obtidos são comparados contra o processo normalizado e são apresentadas as vantagens deste processo. / The use of composite steel and concrete structures (concrete deck and steel profile beams) represents a priori a more efficient solution for bridges structure than the consideration of a whole structure with concrete or whole with steel. However for this to occur in practice it is necessary a consistent design of this structure, and this should be done with the support of softwares of numerical simulations. In CEMACOM have been developed many works in this theme, which resulted on a computational code with the capacity for simulate composite beams submitted to loads with short duration or loads with long duration. In counterpoint, in this work the proposal was to customize a commercial software of finite elements (ANSYS) to do the same tasks. After the construction of the model it have advantages because it is able to use the ANSYS platform, which permit to analyze various problems associated with this subject. It was done a numerical model for analysis of composite beams in ANSYS. Considering as the start point the works of Lazzari (2015) and Lazzari et al. (2016) for the implementation of concrete behavior, some implementations were done in a routine of the type usermat to make analysis with loads with short duration. The effects of long duration, creep and shrinkage, were implemented on the usermat routine considering the jobs of Dias (2013) and Moreno (2016). The customized code was compared with experimental and numerical results that demonstrated a proper functioning. Finally, the customized ANSYS was applied to modeling a bridge structure, which was previously designed in Schmitz (2014) using standard proceedings. The obtained results are compared with the standard procedure and it is presented the advantages of this more complex proceeding.

As exigências do mercado da construção civil fazem com que não haja espaço para a passagem de tubulações sob as vigas que sustentam as lajes de concreto. Então, uma solução cada vez mais frequente é a realização de furos na alma das vigas para a passagem de dutos. A presença destes furos altera o comportamento das vigas gerando concentração de tensões, fissuras e possibilidade de esmagamento do concreto. O dimensionamento de vigas de concreto armado com furos tem sido baseado em métodos empíricos ou no método das bielas e tirantes. Contudo, nas vigas de concreto protendido, surgem novos fatores como forças de compressão de grande intensidade e a possibilidade de reversão de esforços no processo de fabricação, transporte e carregamento. Então, o objetivo desta dissertação é realizar uma análise não-linear de vigas de concreto protendido pré-tensionado com furos através do método dos elementos finitos, para avaliar o seu comportamento estrutural. Nas análises foi utilizado o programa de elementos finitos ANSYS, que permite a modelagem do comportamento não-linear de materiais como aço e concreto, bem como a introdução da protensão como uma deformação inicial da armadura. O modelo numérico foi validado através da comparação de seus resultados com dados de ensaios experimentais de estruturas de concreto armado, protendido e armado com furo. Uma vez confirmada a eficácia do modelo, o mesmo foi utilizado no estudo de vigas de concreto armado e protendido com furos. Foi feito um estudo paramétrico das dimensões e posição do furo em vigas de concreto armado e protendido, avaliando as tensões e deformações específicas no concreto e nas armaduras. Com a análise concluída foi possível perceber notável influencia da posição do furo na altura da seção da viga quando avaliada a distribuição dos esforços cortantes acima e abaixo da abertura. Outro fator conclusivo foi de que as vigas de concreto protendido que sofrem fissuração no bordo superior no ato da protensão apresentaram menor capacidade de resistir a esforço cortante na região acima do furo. / Nowadays, as a consequence of the demands of the construction market, there is no space for the passage of pipes under the beams that support the concrete slabs. Then, an increasingly common solution is the introduction of holes in the beam web for the passage of pipes and ducts. These openings change the behavior of internal stresses and create a possibility of concrete cracking or crushing. The designs of reinforced concrete beams have been based on empiric methods for over four decades. However, on prestressed concrete beams new factors appear and must be considered such as higher compression stresses, the possibility of inversion of the bending moment diagram due to the initial prestress of the beam, transportation and higher loadings. The objective of this work is to perform a non-linear analysis of prestressed beams with openings in the web using the finite element method to evaluate its structural behavior. On the analysis it was used the finite element method software ANSYS, that allows the modeling of the non-linear behavior of materials as concrete and steel, as well the use of prestress of the tendons by adding an initial strain to the element. The numeric model was validated comparing its results with experimental tests of reinforced concrete beams, prestressed concrete beams and a reinforced concrete beams with openings. Once the model was validated, it was used on a study of reinforced and prestressed concrete beams with openings. A parametric study was carried out varying the position and dimensions of the openings and the beam cross section. In each case the stresses in the concrete and in the reinforcement were evaluated. After the end of the analysis, it was possible to perceive a noticeable change of distribution of shear forces above and under the opening. The stress distribution in the reinforcement determined by the numerical analyses was found very different from that prescribed in the usual empirical methods of design.

As vigas casteladas são fabricadas a partir do corte em zigue-zague da alma de perfis I, após são deslocados e soldados, fazendo com que a viga tenha uma expansão na altura, porém sem aumentar a massa do perfil. As mesmas voltaram a ser uma opção competitiva devido aos avanços tecnológicos, que possibilitam a automação do corte e solda da alma do perfil e com o inicio das produções de perfis I laminados no Brasil em 2002. Apresenta grandes vantagens proporcionando a passagem de dutos e tubulações, aumento na rigidez no plano de flexão e boa estética. O presente trabalho apresenta um estudo analítico-numérico realizado com objetivo de verificar o comportamento de vigas casteladas e vigas casteladas mistas, a fim de apresentar e/ou propor dimensionamentos conforme a norma brasileira para as mesmas. Os trabalhos apresentados por Cimadevila (2000) e Veríssimo (2012) foram utilizados para formulação da análise de vigas casteladas. O trabalho de Lawson (2011) que aborda vigas casteladas mistas com aberturas (circulares e retangulares), que é baseado no EUROCODE 3 (2005), foi utilizado para formulação da metodologia de análise de vigas casteladas mistas. Foram realizadas planilhas para análise de vigas casteladas e vigas mistas com aberturas utilizando as metodologias estudadas, e planilhas de análise de vigas casteladas mistas com a metodologia proposta. Utilizando-se o software ANSYS as planilhas e metodologias puderam ser testadas e validadas. Foram selecionados alguns projetos de dimensionamento para comparar vigas de alma cheia, vigas casteladas, vigas mistas, vigas mistas com aberturas e vigas mistas casteladas. / Castellated beams are made of metal I-beams, in which the webs are first divided by a lengthwise zigzag cut, then these parts are welded together in order to join the peaks of both parts, thus increasing its depth and strength, without mass increasing. Castellated beams are again competitive due to technological advances, which enabled automatic cut and welding the web of the I-beams, and with the beginning of the production of rolled metal I-beams in Brazil in 2002. They exhibit great advantages, such as passing of ducts and pipes, increasing bending stiffness, and having good aesthetics. This work presents analytical and numerical studies looking for analysis the behavior of castellated beams and composite castellated beams in order to develop design methods satisfying the corresponding Brazilian code. The castellated beams analysis were based in the works of Cimadevila (2000) and Veríssimo (2012). The work of Lawson (2011), which concerns composite castellated beams and is based on EUROCODE 3 (2005), was used for the formulation of the methodology of the analysis of composite castellated and cellular beams. Spreadsheets were developed for analysis of castellated beams and composite beams with web openings, using both, the studied methodologies and the suggested methodologies for the composite beams. Using ANSYS software, it was possible to test and validate the developed spreadsheets. Design projects of full web beams, castellated beams, composite beams, composite castellated beams and composite beams with web openings were selected for comparison.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:25:21Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-08-04Bitstream added on 2014-06-13T18:26:20Z : No. of bitstreams: 1 altran_da_me_ilha.pdf: 3414191 bytes, checksum: eda1a2ec606d4bee16816ab4eda2a4a3 (MD5) / Universidade Estadual Paulista (UNESP) / A Engenharia de Estruturas é uma área de grande importância na construção civil, uma vez que sua essência é a otimização de projetos. Para atender essa necessidade, os métodos numéricos são excelentes ferramentas, que auxiliam os profissionais a obterem, com maior agilidade, projetos de alta qualidade, diminuindo custos e prazos. Além disso, a alvenaria estrutural é um sistema que satisfaz essa procura por projetos otimizados, devido à agilidade na construção, com projetos modulados, equipe e equipamentos especializados, que garantem rapidez e diminuição de custos. Nesse cenário, o presente trabalho aborda um procedimento numérico para análise do comportamento não-linear de dois modelos de vigas de alvenaria estrutural submetidos à flexão simples. Um formado somente por blocos canaleta de concreto, sobrepostos em duas fiadas; e outro, composto pela fiada inferior de blocos-canaleta e a superior, por blocos vazados, ambos os modelos grauteados. As vigas foram discretizadas com o elemento finito prismático regular linear, sendo que, para o bloco, a argamassa e o graute, se utilizou o Critério Mohr-Coulomb, para prever a ruptura e os redutores de rigidez baseados na diminuição do módulo de elasticidade. Ao final, foram comparados os resultados numéricos, obtidos com presença e ausência dos redutores de rigidez, com os observados em modelos experimentais desenvolvidos no Núcleo de Ensino e Pesquisa da Alvenaria Estrutural (NEPAE) da Faculdade de Engenharia, Campus de Ilha Solteira, UNESP. As análises numéricas realizadas produziram resultados satisfatórios para os dois modelos de vigas abordados, sendo também possível observar o aumento de rigidez da viga com blocos-canaleta e blocos vazados. / The Structural Engineering is a very important area in civil construction, since its essence is the optimization of designs. To attend the actual necessities, the numerical methods come to be excellent tools, which help professionals to obtain, with more agility, high quality designs, reducing the costs and deadlines. Besides, that structural masonry is a system that satisfies the searching for optimized projects, due to its agility in constructions, with modulated designs, specialized staff and equipments that warrant fast and low costs. In this scenario, this paper deals with numerical proceeding for analyzing the nonlinear behavior of two models of structural masonry beams subjected to bending. One, formed only for “U” blocks of concrete overlapping in two rows; and another, composed of channel blocks in the bottom row and the upper row made of hollow blocks, both models entirely grouted. The beams were discretized with linear regular prismatic finite element, and for the block, mortar and grout it was used the Mohr- Coulomb Criteria, to expect the rupture and reducers of rigidity based on the decreasing of strain modulus. In the end, the obtained numerical results with the presence and absence of reducers of rigidity were compared, with those observed in experimental models developed at the Structural Masonry Study and Research Center, Faculty of Engineering Ilha Solteira Campus, UNESP. The accomplished numerical analys produced satisfactory results for the two beam models, and it has been also possible to observe the increase of rigidity in the beam with channel and hollow blocks.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:25:22Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2003-01-31Bitstream added on 2014-06-13T19:47:23Z : No. of bitstreams: 1 gamino_al_me_ilha.pdf: 1439799 bytes, checksum: f5276e70048212940034e70e154a258f (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Apresenta-se como objeto desta pesquisa o estudo numérico não-linear da ductilidade de vigas de concreto armado convencional e de alto desempenho. Toda a análise numérica é efetuada no código de cálculo baseado no método dos elementos finitos CASTEM 2000, que utiliza o modelo reológico elastoplástico perfeito para o aço, o modelo de Drucker-Prager para o concreto e o método de Newton-Raphson para a solução de sistemas não-lineares. O núcleo deste trabalho concentra-se na obtenção de curvas força - deslocamento e momento - curvatura com a finalidade de quantificar respectivamente os índices de ductilidade global e local das vigas analisadas. De início, confrontam-se as respostas numéricas obtidas com resultados experimentais fornecidos pela literatura a fim de garantir confiabilidade à análise numérica realizada. Posteriormente, efetua-se a determinação da capacidade de deformação inelástica do elemento estrutural em questão, variando-se a resistência à compressão do concreto, a taxa geométrica de armadura longitudinal de tração, a tensão de escoamento das armaduras, o espaçamento entre estribos, a base da seção transversal do elemento estrutural e o efeito escala. Estes parâmetros foram avaliados para dois casos de solicitação: flexão simples tipo I e flexão simples tipo II. O primeiro caso caracteriza-se pela ação de forças simétricas aplicadas à 1/3 e 2/3 do vão e a segunda por uma força centrada no meio do vão. A linha de tendência geral observada foi de uma maior ductilização das vigas sujeitas à flexão simples tipo II, em detrimento às solicitadas por flexão simples tipo I. Quanto ao efeito escala observa-se que a ductilização das vigas é inversamente proporcional à esbeltez das mesmas. / The objective of this thesis is the study of the ductility of high and conventional strength reinforced concrete beams by non-linear numerical simulations. The numerical analysis is based on the finite element method implemented in CASTEM 2000. This program uses the constitutive elastoplastic perfect model for the steel, the Drucker-Prager model for the concrete and the Newton-Raphson for the solution of non-linear systems. This work concentrates on the determination of force - displacement and moment - curvature curves with the purpose of quantifying the global and local ductility indexes of the beams. First, the numeric responses are confronted with experimental results found in the literature in order to check the reliability of the numerical analyses. Later, a parametric study is carried on. The inelastic deformation capacity of the structural element is investigated by varying the concrete compressive strength, the longitudinal reinforcement ratio, the yield stress of the reinforcement, the spacing between stirrups, the member section dimensions and the element size. These parameters have been analyzed for two cases: simple type I and simple type II bending. The first case is characterized by the action of applied symmetrical forces to the 1/3 and 2/3 of the beam size and second for a force centered in the middle of the beam size. The general tendency observed points to a high ductilization of the beams subjected to simple type II bending in comparison to the ones subjected to simple type I bending. With respect to the element size, it is noticed that the ductility of the beams is inversely proportional to their slendernesses.