Nonlinear analysis for the pre- and post-yield behaviour of a hybrid structure by a higher-order element with the refined plastic hinge approach

Efficient and accurate geometric and material nonlinear analysis of the structures under ultimate loads is a backbone to the success of integrated analysis and design, performance-based design approach and progressive collapse analysis. This paper presents the advanced computational technique of a higher-order element formulation with the refined plastic hinge approach which can evaluate the concrete and steel-concrete structure prone to the nonlinear material effects (i.e. gradual yielding, full plasticity, strain-hardening effect when subjected to the interaction between axial and bending actions, and load redistribution) as well as the nonlinear geometric effects (i.e. second-order P-d effect and P-D effect, its associate strength and stiffness degradation). Further, this paper also presents the cross-section analysis useful to formulate the refined plastic hinge approach.

Behaviour and strength of hollow flange channel sections under torsion and bending

Hollow flange channel section is a cold-formed high-strength and thin-walled steel section with a unique shape including two rectangular hollow flanges and a slender web. Due to its mono-symmetric characteristics, it will also be subjected to torsion when subjected to transverse loads in practical applications. Past research on steel beams subject to torsion has concentrated on open sections while very few steel design standards give suitable design rules for torsion design. Since the hollow flange channel section is different from conventional open sections, its torsional behaviour remains unknown to researchers. Therefore the elastic behaviour of hollow flange channel sections subject to uniform and non-uniform torsion, and combined torsion and bending was investigated using the solutions of appropriate differential equilibrium equations. The section torsion shear flow, warping normal stress distribution, and section constants including torsion constant and warping constant were obtained. The results were compared with those from finite element analyses that verified the accuracy of analytical solutions. Parametric studies were undertaken for simply supported beams subject to a uniformly distributed torque and a uniformly distributed transverse load applied away from the shear centre. This paper presents the details of this research into the elastic behaviour and strength of hollow flange channel sections subject to torsion and bending and the results.

Bending and torsion of hollow flange channel beams

The LiteSteel beam (LSB) is a cold-formed high strength steel channel section made of two torsionally rigid closed flanges and a slender web. Due to its mono-symmetric characteristics, its centroid and shear centre do not coincide. The LSBs can be used in floor systems as joists or bearers and in these applications they are often subjected to transverse loads that are applied away from the shear centre. Hence they are often subjected to combined bending and torsion actions. Previous researches on LSBs have concentrated on their bending or shear behaviour and strengths, and only limited research has been undertaken on their combined bending and torsion behaviour. Therefore in this research a series of nine experiments was first conducted on LSBs subject to combined bending and torsion. Three LSB sections were tested to failure under eccentric loading at mid-span, and appropriate results were obtained from seven tests. A special test rig was used to simulate two different eccentricities and to provide accurate simple boundary conditions at the supports. Finite element models of tested LSBs were developed using ANSYS, and the ultimate strengths, failure modes, and load–displacement curves were obtained and compared with corresponding test results. Finite element analyses agreed well with test results and hence the developed models were used in a parametric study to investigate the effects of load locations, eccentricities, and spans on the combined bending and torsion behaviour of LSBs. The interaction between the ultimate bending and torsional moment capacities was studied and a simple design rule was proposed. This paper presents the details of the tests, finite element analyses, and parametric study of LSBs subject to combined bending and torsion, and the results.

Experimental studies of lipped channel beams subject to web crippling under ETF and ITF load cases

Lipped channel beams (LCBs) are commonly used as floor joists and bearers in buildings. However, they are subjected to specific failure modes such as web crippling. Despite considerable web crippling research, recent studies [1-6] have shown that the current web crippling design rules are unable to predict the test capacities under ETF and ITF load cases. In many instances, the predictions by the available design standards such as AISI S100, AS/NZS 4600 and Eurocode 3 Part 1-3 [7-9] are inconsistent. Hence thirty-six tests were conducted to assess the web crippling behaviour and strengths of LCBs under two flange load cases. Experimental web crippling capacities were then compared with the predictions from the current design rules. These comparisons showed that AS/NZS 4600 and AISI S100 design equations are very unconservative for LCB sections under ETF load case and are conservative for ITF load case. Hence improved equations were proposed to determine the web crippling capacities of LCBs. Suitable design rules were also developed using the direct strength method. This paper presents the details of this study and the results including improved design rules.

Elevated temperature mechanical properties of hollow flange channel sections

The fire performance of cold-formed steel members is an important criterion to be verified for their successful use in structural applications. However, lack of clear design guidance on their fire performance has inhibited their usage in buildings. Their elevated temperature mechanical properties, i.e., yield strengths, elastic moduli and stress–strain relationships, are imperative for the fire design. In the past many researchers have proposed elevated temperature mechanical property reduction factors for cold-formed steels, however, large variations exist among them. The LiteSteel Beam (LSB), a hollow flange channel section, is manufactured by a combined cold-forming and electric resistance welding process. Its web, inner and outer flange elements have different yield strengths due to varying levels of cold-working caused by their manufacturing process. Elevated temperature mechanical properties of LSBs are not the same even within their cross-sections. Therefore an experimental study was undertaken to determine the elevated temperature mechanical properties of steel plate elements in LSBs. Elevated temperature tensile tests were performed on web, inner and outer flange specimens taken from LSBs, and their results are presented in this paper including their comparisons with previous studies. Based on the test results and the proposed values from previous studies and fire design standards, suitable predictive equations are proposed for the determination of elevated temperature mechanical properties of LSB web and flange elements. Suitable stress–strain models are also proposed for the plate elements of this cold-formed and welded hollow flange channel section.

Numerical modelling of rivet fastened rectangular hollow flange channel beams subject to shear

The intermittently rivet fastened Rectangular Hollow Flange Channel Beam (RHFCB) is a new cold-formed hollow section proposed as an alternative to welded hollow flange beams. Many experimental and numerical studies have been carried out in the past to investigate the shear behaviour of lipped channel beams. However, no research has been undertaken on the shear behaviour of rivet fastened RHFCBs. Therefore experimental and numerical studies were undertaken to investigate the shear behaviour and strength of rivet fastened RHFCBs. In this research finite element models of rivet fastened RHFCBs were developed to investigate their nonlinear shear behaviour including their buckling characteristics and ultimate shear strength. This paper presents the details of the finite element models of rivet fastened RHFCBs and the results. Both finite element analysis and experimental results showed that the current design rules are very conservative for the shear design of rivet fastened RHFCBs. Appropriate improvements have been proposed for the design rules of shear strength of rivet fastened RHFCBs within the Direct Strength Method format.

Shear tests of rivet fastened rectangular hollow flange channel beams with web openings

The rivet-fastened rectangular hollow flange channel beam (RHFCB) is a new cold-formed hollow section proposed as an alternative to welded hollow flange steel beams. No research has been undertaken on the shear behaviour and strength of rivet fastened RHFCBs with web openings. Hence a detailed experimental study involving 30 shear tests was undertaken to investigate the shear behaviour and strength of rivet fastened RHFCBs with web openings. Experimental results showed that the current design rules are inadequate for the shear design of Rivet fastened RHFCBs with web openings. Improved design equations have been proposed for the shear strength of rivet fastened RHFCBs with web openings.

Web crippling tests of rivet fastened rectangular hollow flange channel beams under two-flange load cases

The rivet-fastened rectangular hollow flange channel beam (RHFCB) is a new cold-formed hollow section proposed as an alternative to welded hollow flange steel beams. To date, no investigation has been conducted on their web crippling behaviour and strengths. Hence an experimental study was conducted to investigate the web crippling behaviour and capacities of rivet fastened RHFCBs under End Two Flange (ETF) and Interior Two Flange (ITF) load cases. Experimental results showed that the current design rules are unconservative for rivet fastened RHFCB sections under ETF and ITF load cases. Hence new equations were proposed to determine the web crippling capacities of rivet fastened RHFCBs.

Evaluation of material crack using acoustic emission technique

Cracks in civil structures can result in premature failure due to material degradation and can result in both financial loss and environmental consequences. This thesis reports an effective technique using Acoustic Emission (AE) technique to assess the severity of the crack propagation in steel structures. The outcome of this work confirms that combination of AE parametric analysis and signal processing techniques can be used to evaluate crack propagation under different loading configurations. The technique has potential application to assess and monitor the condition of civil structures.

Análise dinâmica de plataformas de aço para produção de petróleo com base na consideração do efeito da interação solo-estrutura

Atualmente, as tendências competitivas do mercado mundial, têm forçado os engenheiros estruturais a desenvolver soluções de projeto que acarretem em menor peso e custo de execução. Uma consequência direta desta nova tendência de projeto é o aumento considerável de problemas relacionados a vibrações de piso indesejadas. Por esta razão, os sistemas estruturais de pisos podem tornar-se vulneráveis a vibrações excessivas, como por exemplo, aquelas induzidas por equipamentos mecânicos (máquinas rotativas). Deste modo, este trabalho objetiva investigar o comportamento dinâmico de uma plataforma de aço para produção de petróleo, localizada na bacia de Santos (campo de Merluza), São Paulo, Brasil. Para tal, investiga-se a influência das ações dinâmicas oriundas dos equipamentos mecânicos localizados sobre os decks metálicos da plataforma. A resposta dinâmica do modelo estrutural foi determinada através de um extenso estudo numérico, a partir da análise de suas frequências naturais, deslocamentos, velocidades e acelerações de pico. Nesta investigação, as cargas dinâmicas provenientes dos equipamentos mecânicos (máquinas rotativas) foram aplicadas sobre o piso metálico do sistema estrutural. Com base obtenção da resposta dinâmica da estrutura (deslocamentos, velocidades e acelerações), foi possível avaliar a performance do modelo estrutural em termos de critérios de conforto humano e das tolerâncias máximas referentes aos equipamentos mecânicos, de acordo com normas e recomendações de projeto.

A hybrid-parallel framework for the nonlinear seismic analysis of very tall buildings

FRAME3D, a program for the nonlinear seismic analysis of steel structures, has previously been used to study the collapse mechanisms of steel buildings up to 20 stories tall. The present thesis is inspired by the need to conduct similar analysis for much taller structures. It improves FRAME3D in two primary ways.

First, FRAME3D is revised to address specific nonlinear situations involving large displacement/rotation increments, the backup-subdivide algorithm, element failure, and extremely narrow joint hysteresis. The revisions result in superior convergence capabilities when modeling earthquake-induced collapse. The material model of a steel fiber is also modified to allow for post-rupture compressive strength.

Second, a parallel FRAME3D (PFRAME3D) is developed. The serial code is optimized and then parallelized. A distributed-memory divide-and-conquer approach is used for both the global direct solver and element-state updates. The result is an implicit finite-element hybrid-parallel program that takes advantage of the narrow-band nature of very tall buildings and uses nearest-neighbor-only communication patterns.

Using three structures of varied sized, PFRAME3D is shown to compute reproducible results that agree with that of the optimized 1-core version (displacement time-history response root-mean-squared errors are ~〖10〗^(-5) m) with much less wall time (e.g., a dynamic time-history collapse simulation of a 60-story building is computed in 5.69 hrs with 128 cores—a speedup of 14.7 vs. the optimized 1-core version). The maximum speedups attained are shown to increase with building height (as the total number of cores used also increases), and the parallel framework can be expected to be suitable for buildings taller than the ones presented here.

PFRAME3D is used to analyze a hypothetical 60-story steel moment-frame tube building (fundamental period of 6.16 sec) designed according to the 1994 Uniform Building Code. Dynamic pushover and time-history analyses are conducted. Multi-story shear-band collapse mechanisms are observed around mid-height of the building. The use of closely-spaced columns and deep beams is found to contribute to the building's “somewhat brittle” behavior (ductility ratio ~2.0). Overall building strength is observed to be sensitive to whether a model is fracture-capable.

Modelagem numérica de elementos tracionados em aço inoxidável com parafusos defasados

Atualmente, a utilização do aço inoxidável em elementos estruturais é considerada uma solução cara para os problemas da engenharia estrutural. Todavia, mudanças de atitudes dentro da construção civil, uma transição global para um desenvolvimento sustentável e redução em impactos ambientais têm seguramente provocado um aumento na utilização do aço inoxidável. As normas de projeto de aço inoxidável atuais são, em grande parte, baseadas em analogias assumidas com o comportamento de estruturas desenvolvidas com aço carbono. Todavia, o aço inoxidável apresenta quatro curvas não-lineares tensão versus deformação (tensão e compressão, paralela e perpendicular a laminação do material), sem patamar de escoamento e região de encruamento claramente definidos, modificando assim, o comportamento global das estruturas que o utilizam. Em elementos estruturais submetidos a forças axiais de tração, a ruptura da seção líquida representa um dos estados limites últimos a serem verificados. Com o objetivo de se avaliar a resistência a tração de elementos estruturais aparafusados em aço inoxidável S304, este trabalho apresenta um modelo numérico baseado no método dos elementos finitos através do programa Ansys (versão 11). A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de Von Mises e curvas tensão versus deformação verdadeira. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange atualizado. O modelo numérico foi calibrado com resultados experimentais obtidos em ensaios de laboratório, a partir de ligações aparafusadas alternadas rígidas, onde não se ocorre nenhuma rotação entre os membros, transferindo nenhum momento fletor, apenas esforço normal e cisalhante.

Modelagem do comportamento estrutural de sistemas treliçados espaciais para escoramentos de estruturas de aço, concreto e mistas (aço-concreto).

A utilização de treliças para o escoramento de elementos estruturais de concreto armado e aço é considerada uma solução eficaz para o atual sistema de construção de engenharia civil. Uma mudança de atitude no processo de construção, associado com a redução dos custos causou um aumento considerável na utilização de treliças tridimensionais em aço com maior capacidade de carga. Infelizmente, o desenho destes sistemas estruturais baseia-se em cálculos muito simplificados relacionadas com vigas de uma dimensão, com propriedades de inércia constantes. Tal modelagem, muito simplificada, não pode representar adequadamente a resposta real dos modelos estruturais e pode levar a inviabilidade econômica ou mesmo inseguro desenho estrutural. Por outro lado, estas estruturas treliçadas estão relacionadas com modelos de geometria complexa e são desenhados para suportar níveis de cargas muito elevadas. Portanto, este trabalho de investigação propôs modelos de elementos finitos que representam o caráter tridimensional real do sistema de escoramento, avaliando o comportamento estático e dinâmico estrutural com mais confiabilidade e segurança. O modelo computacional proposto, desenvolvido para o sistema estrutural não linear de análise estática e dinâmica, aprovou as habituais técnicas de refinamento de malha presentes em simulações do método de elementos finitos, com base no programa ANSYS [1]. O presente estudo analisou os resultados de análises linear-elástica e não linear geométrica para ações de serviço, físicos e geométricos para as ações finais. Os resultados do presente estudo foram obtidas, com base na análise linear-elástica e não linearidade geométrica e física, e comparados com os fornecidos pela metodologia simplificada tradicional de cálculo e com os limites recomendadas por normas de concepção.

Avaliação do comportamento estrutural de subestações de energia elétrica com o uso do aço inoxidável.

A crescente utilização do aço inoxidável como elemento estrutural despertou o interesse de clientes, arquitetos e engenheiros nos últimos anos. Apesar do custo ainda elevado, a sua aplicação na construção civil vem substituindo outros elementos estruturais. Seja por sua alta resistência à corrosão, aumentando a relação custo benefício; sua estética, proporcionando formas cada vez mais ousadas ou; seu apelo ambiental, gerando menos resíduos no meio ambiente. As subestações representam um papel importante no fornecimento de energia. Como possuem grande complexidade para manutenção, foi escolhida a estrutura suporte de seu barramento, para o dimensionamento em aço inoxidável. Desta forma, minimizando as paradas para realização de manutenções das estruturas, possibilitando maior qualidade no fornecimento de energia elétrica. Para fins comparativos foi escolhido o projeto de uma SE existente, cuja estrutura de suporte do barramento, foi construída por treliças formadas por cantoneiras de aço carbono galvanizado. Inicialmente, o dimensionamento foi desenvolvido utilizando perfis H e I funcionando como viga-coluna para os dois tipos de aço. Num segundo momento, a estrutura foi dimensionada como treliças planas. Todos os dimensionamentos foram realizados de acordo com as prescrições normativas do EUROCODE 3. Após realização dos dimensionamentos, foram apresentadas as análises comparativas dos custos envolvidos para os tipos de aço. Abordando o investimento inicial, os gastos com manutenção ao longo da vida e os custos elétricos agregados à redução das paradas para manutenção.

Planejamento de atividades da construção predial visando a redução de perdas de processo na ótica da construção enxuta.

Adaptada dos conceitos da produção enxuta, a construção enxuta é uma filosofia de gestão da produção voltada à construção civil. Dos cinco princípios enxutos em que se baseia, o que mais tem se estudado desde a publicação do Relatório Técnico n72 Aplicação da Nova Filosofia de Produção à Construção (publicado pelo CIFE Center for Integrated Facility Engineering, ligado à Universidade de Stanford, EUA) é o Fluxo Contínuo. A idéia de manter o fluxo contínuo está diretamente ligada à continuidade da produtividade, ou seja, manter a produtividade em uma taxa constante. Aplicar o conceito enxuto de fluxo contínuo através da manutenção das taxas de produtividade significa gerenciar o empreendimento de modo que a execução das atividades se mantenha de acordo com os parâmetros estabelecidos durante a fase de planejamento. Por meio de ferramentas enxutas de gerenciamento é feita a simulação em Excel de três atividades pertencentes ao processo de execução de lajes prediais de edifícios construídos em estruturas metálicas: steel deck, armação e concretagem. A elaboração da planilha possibilita a avaliação das perdas ocorridas durante a execução das atividades sob a ótica do conceito de atrasos e esperas. A soma destas perdas resulta ainda em dois efeitos distintos considerados como perdas acumuladas e perdas compensadas, proporcionando ao gerente do empreendimento dados consistentes para traçar estratégicas para eliminação do desperdício ou uma antevisão dos desperdícios que podem estar associados à execução das atividades se estas forem mal planejadas.