Documento | Doutorado |
Área | Estruturas de Concreto e Alvenaria |
Data da defesa | 21/10/2009 |
Autor | MOTA, Joaquim Eduardo |
Orientador | EL DEBS, Mounir Khalil |
Português | |
Título | Contribuição ao projeto de estruturas multi-piso reticuladas em concreto pré-moldado |
Resumo
Estruturas em concreto pré-moldado vêm sendo utilizadas com freqüência em
sistemas reticulados do tipo multi-piso, destinados às mais variadas atividades
como: estabelecimentos comerciais, estacionamentos, escolas, hospitais e etc. A
utilização de ligações viga-pilar do tipo semi-rígida constitui uma alternativa
interessante para o enrijecimento e para a garantia da estabilidade global deste tipo
de estrutura. Atualmente, a rigidez e a resistência destas ligações têm sido
determinadas por ensaios de modelos em escala real. Estes ensaios, além de
apresentarem um custo elevado, têm aplicação restrita à ligação examinada o que
torna esta metodologia limitada e não adequada à prática de elaboração de projeto.
Apresenta-se, neste trabalho, um modelo mecânico para determinação numérica da
relação força-deslocamento de uma ligação viga-pilar semi-rígida a partir da
contribuição da rigidez individual de cada componente de transferência de força
utilizado na vinculação. A formulação do equilíbrio do modelo é implementada em
planilha eletrônica constituindo-se numa ferramenta de cálculo para o projetista,
permitindo o estudo, de forma rápida e amigável, da influência do posicionamento e
da rigidez individual de cada componente de transferência de força na rigidez e na
resistência da ligação. Este modelo mecânico foi utilizado para o cálculo da rigidez à
rotação para momento fletor positivo de uma ligação viga-pilar ensaiada em
laboratório. Os valores para a rigidez da ligação obtidos em ensaio e pelo modelo
mecânico ficaram muito próximos. Da formulação do equilíbrio do modelo mecânico
pode-se extrair ainda uma matriz de rigidez que é utilizada na representação da
ligação semi-rígida no modelo de barra da estrutura. Um programa computacional foi
desenvolvido para a análise de pórticos planos com ligação viga-pilar semi-rígida
considerando ainda as não linearidades físicas e geométricas do modelo de cálculo.
O programa foi validado pela comparação de resultados de exemplos também
processados no programa ANSYS. A não-linearidade geométrica é considerada
pelo método modal, não incremental-iterativo, e que obtém a parcela não-linear da
resposta estrutural pela combinação dos seus modos de flambagem. A nãolinearidade
física do concreto é considerada pelo método da rigidez secante no qual
a rigidez de cada barra da estrutura é reduzida na análise conforme suas armaduras
e o nível de sua solicitação. Para o cálculo da rigidez secante dos pilares
desenvolveu-se um programa que permite a consideração de armaduras ativas e
passivas na seção. A análise de alguns exemplos revelou que a protensão dos
pilares é também uma alternativa interessante para o enrijecimento da estrutura.
Além de exemplos práticos, outros temas pertinentes ao projeto deste tipo de
estrutura como: estabilidade na fase construtiva, esforços finais após a montagem,
efeitos dependentes do tempo, assimetria de rigidez e plastificação das ligações,
são também abordados no trabalho.
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Palavras-chave | Análise não-linear. Concreto pré-moldado. Efeitos dependentes do tempo. Estruturas multi-piso. Ligações semi-rígidas. Processo de montagem |
English | |
Title | Contribution to the design of precast concrete multi-storey structures |
Abstract
Precast concrete multi-storey structures have been more frequently used to construct
commercial buildings, parking, schools and hospitals. The use of semi-rigid beam-tocolumn
connections is a good strategy to guarantee the global stability of this type of
structure. Actually the rigidity and the strength of this type of connection are obtained
in an experimental program using full scale prototypes. This procedure is not only
expensive but limited and not adequate for design since the results are only valid for
the examined connection. This research presents a mechanical model used to
determine numerically the force-displacement relationship of a beam-to-column semirigid
connection. The procedure uses the contribution of any individual force transfer
component active in the connection. The equilibrium equation of the model is
implemented in an electronic- worksheet where the designer can rapidly and friendly
study the influence of the position and the individual rigidity of each force transfer
component in the global rigidity and strength of the connection. For validation, this
procedure was used to calculate the flexural rigidity for positive bending moment of a
beam-to-column semi-rigid connection that was tested in laboratory. The numerical
values of the connection rigidity obtained by test and by the mechanical model are
very close. The matrix used in the formulation of the mechanical model equilibrium
can also be used to represent the semi-rigid connection in the finite element model of
the structure. A computational program was developed for plane frame analysis
including semi-rigid beam-to-column connections and both physical and geometric
nonlinearities. The program was tested by comparing the results of some examples
that are also analysed in the ANSYS program. The geometric nonlinearity is
considered by a modal method where the nonlinear response of the structure is
obtained by a combination of its buckling modes. The physical nonlinearity of the
concrete is considered by the secant rigidity method. In this method the rigidities of
all concrete bars in the structure are reduced by coefficients that depend of the
reinforcement in the cross section and the level of the efforts. A special
computational program was developed to calculate the secant rigidity for a concrete
cross section with reinforcing bar and prestressing steel. The analysis of some
examples shows that the use of prestressing steel in collums is also an interesting
alternative to sttifen the structure. Beyond of some practical examples, others themes
related to the design of this type of structure like: stability in the erection process,
efforts in the end of the erection process, time-dependent effects, non symmetrical
and plastic behavior of the connections, are also treated in this work.
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Keywords | Erection process. Multi-storey buildings. Nonlinear analysis. Precast concrete. Semi-rigid connection. Time-dependent effects |