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.

Modelagem numérica de ligações viga-coluna em aço sob momento fletor e força normal.

As ligações desempenham um papel fundamental no comportamento global das estruturas de aço. Inúmeros trabalhos de pesquisa têm sido desenvolvidos para entender o comportamento real de uma ligação e sua influência na resistência global dos pórticos. Atualmente, a Norma Brasileira de estruturas de aço de edificações, NBR 8800, considera o comportamento das ligações entre duas situações extremas: rígidas, onde não ocorre nenhuma rotação entre os membros conectados, transferindo momento fletor, força cortante e força normal; ou flexíveis, caracterizadas pela liberdade de rotação entre os membros conectados, impedindo a transmissão de momento fletor. Outras normas de projeto de estruturas de aço, consideram que as ligações apresentam um comportamento intermediário, ou seja, semi-rigídas, que podem estar submetidas a uma combinação de momento fletor e esforço normal. Porém, mesmo com a combinação, estas normas não consideram a presença de esforço normal (tração e/ou compressão). Uma limitação empírica de 5% da resistência plástica da viga é a única condição imposta no Eurocode 3. Para o estudo da ligação semi-rigída será utilizada a filosofia do Método das Componentes, que verifica a resistência da ligação e sua classificação quanto à rigidez rotacional, desenvolvida através de modelos mecânicos (modelos de molas). O objetivo deste trabalho é descrever alguns resultados de caracterização de ligações viga-coluna com placa de extremidade ajustada à altura da viga obtidos através de um modelo de elementos finitos. Para tal, será realizada uma análise não-linear geométrica e de material. Esta análise possibilitará avaliar os principais parâmetros que influenciam no comportamento deste componente no que diz respeito a sua avaliação em termos de distribuição de tensões e deformações no modelo de forma global.

Avaliação de ligações soldadas de perfis tubulares em estruturas de aço através do método dos elementos finitos.

A necessidade de se obter soluções para os diversos problemas estruturais na engenharia, associado ao amplo crescimento e difusão da construção metálica fez surgir, por volta dos anos 60, os perfis tubulares. As ligações soldadas entre perfis tubulares são as ligações de maior difusão nas construções com este tipo de perfil, sendo necessário portanto, estudos mais detalhados que tornem a utilização de ligações soldadas mais seguras e otimizadas. O Eurocode 3 possui um item específico para as ligações entre perfis tubulares, em especial as ligações soldadas devido a suas particularidades. Infelizmente, a norma brasileira NBR8800 não aborda as ligações envolvendo perfis tubulares. Para a execução da análise numérica no presente trabalho, faz-se necessário uma revisão bibliográfica. Com estes resultados, foram feitas modelagens de ligações tubulares com o método dos elementos finitos de forma a otimizar os modelos a serem utilizados em uma análise paramétrica futura. Desta forma, foram desenvolvidos dois modelos numéricos, um considerando ligação tipo T entre perfis tubulares quadrados e outro para uma ligação tipo K entre perfis circulares. Estes modelos foram caracterizados através de elementos de casca com seis graus de liberdade por nó considerando-se adicionalmente o efeito de membrana. A análise não-linear realizada considerou a não-linearidade do material através do critério de plastificação de Von Mises através de uma lei constitutiva tensão versus deformação bi-linear e a não-linearidade geométrica foi atribuída através da formulação de Lagrange atualizado. Dentre as principais conclusões obtidas no presente trabalho, pode-se citar que os resultados para as ligações tipo T, o Eurocode 3, fornece resultados que precisam ser observados com cautela. Todavia, para as ligações do tipo K, os resultados numéricos mostraram-se sempre inferiores aos valores através do Eurocode 3, representando um dimensionamento a favor da segurança.

Influência do comportamento semi-rígido de placas de base e de ligações viga-coluna na resposta dinâmica de pórticos de aço.

Tradicionalmente, na análise e dimensionamento de estruturas de aço, assume-se que as ligações viga-coluna são rígidas ou flexíveis (rotuladas). Por outro lado, é de conhecimento geral que a grande maioria das ligações viga-coluna apresenta um comportamento intermediário, ou seja, semi-rígido. Inúmeros trabalhos de pesquisa têm sido desenvolvidos nos últimos vinte e cinco anos, de forma a estudar o comportamento desse tipo de ligação. Um dos principais objetivos desta investigação é o de propor uma metodologia de análise que represente de forma apropriada a influência do comportamento semi-rígido de placas de base e de ligações viga-coluna, sobre a resposta dinâmica (linear e não-linear) de estruturas de aço. Outra contribuição desta dissertação diz respeito à investigação do comportamento dinâmico (linear e não-linear) de pórticos de aço, a partir da consideração de ligações viga-coluna simétricas e não-simétricas e especialmente das placas de base. A análise estrutural é desenvolvida com base no emprego do programa de elementos finitos ANSYS [27]. Nos modelos em elementos finitos foram considerados os efeitos de não-linearidade geométrica (efeitos de segunda ordem), o comportamento não-linear das placas de base e das ligações viga-coluna e, bem como, o efeito de histerese que ocorre quando a estrutura é submetida a cargas cíclicas. Os resultados alcançados indicaram que o fenômeno físico da ressonância não ocorre no que se refere à resposta dinâmica dos modelos semi-rígidos não-lineares. A ressonância não ocorre na resposta dos modelos devido ao fato de que, na análise dinâmica não-linear, o efeito de histerese presente nas ligações (placas de base e viga-coluna), essencialmente com comportamento não-linear, provoca um amortecimento na resposta dinâmica da estrutura.

Comportamento Estrutural de Elementos em Aço Inoxidável

Atualmente, a utilização do aço inoxidável em elementos estruturais ainda é por muitos engenheiros e arquitetos, considerada uma solução extravagante para os problemas da engenharia. Todavia, mudanças de atitudes dentro da construção civil e uma transição global para um desenvolvimento sustentável e redução em impactos ambientais tem seguramente provocado um aumento no uso do aço inoxidável. A maioria das normas de projeto de aço inoxidável atuais ainda são baseadas em analogias assumidas com o comportamento de estruturas de aço carbono. Todavia, o aço inoxidável apresenta quatro curvas tensão versus deformação não-lineares sem patamar de escoamento e região de encruamento claramente definidos (tração e compressão, paralela e perpendicular a direção de laminação), modificando assim, seu o comportamento global. Na presente investigação foram utilizados o aço inoxidável austenítico 304, e o aço carbono USI 300, ambos com tensão de escoamento similares, mas com tensões últimas e ductilidades distintos. Em elementos estruturais submetidos a tensões normais de tração, usualmente 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, este trabalho executou um programa experimental inovador envolvendo ligações aparafusadas defasadas sob tração. O programa experimental foi executado em peças de aço carbono e aço inoxidável de forma a comparar as principais semelhanças e diferenças entre estes dois tipos de aços estruturais. O programa experimental possibilitou que conclusões significativas no comportamento a tração destas ligações pudessem ser observadas. Dentre outras variáveis que controlam estes estados limites últimos foi verificada a influência significativa da espessura da placa de aplicação do carregamento, disposição, configuração e número de parafusos da ligação e propriedades do aço inoxidável como ductilidade e razão entre suas tensões de escoamento e de ruptura.

Artificial Habitats for Fisheries Enhancement in the Australian Region

This paper outlines developments over about 20 years in the construction of and ecological research on artificial reefs, fish aggregation devices (FAD's), and other artificial habitats designed to enhance fish populations and fisheries in the Australian region (including New Zealand and Papua New Guinea). Work was initially carried out on multicomponent reefs using a variety of waste materials, as well as some specially constructed concrete and steel structures. Later studies concentrated on single-component reefs, again mainly using waste materials. Although no definitive conclusions were reached on the relative effectiveness of the different materials used, waste motor vehicle tires and derelict ships were generally judged to be the best all-around materials for single-component reef construction in sheltered estuarine and offshore marine environments, respectively, in this region. FAD's comprising polyvinylchloride pipe sparbuoys (or in some areas polyurethane foam floats) attached to railroad car wheel anchors by polyethylene rope and chain, and supporting attractor drapes of synthetic mesh webbing, also provedtobegenerallysuccessfulin thisarea. Overall conclusions for the Australian region include the predominant use of waste materials in artificial reef construction, which has been primarily aimed at recreational fisheries enhancement; the successful use of FAD's for both recreational and commercial fisheries enhancement; the need for further and better planned research into and monitoring of the effectiveness of both of these enhancement methods; and the need for future research into the effectiveness of unfished "artificial habitat reserves" in enhancing fisheries production from surrounding fished areas.

The potential of offshore windfarms to act as marine protected areas – A systematic review of current evidence

As offshore windfarm (OWF) construction in the UK is progressing rapidly, monitoring of the economic and ecological effects of these developments is urgently needed. This is to enable both spatial planning and where necessary mitigation in an increasingly crowded marine environment. One approach to mitigation is co-location of OWFs and marine protected areas (MPAs). This systematic review has the objective to inform this co-location proposal and identify areas requiring further research. A limited number of studies addressing marine renewable energy structures and related artificial structures in coastal waters were found. The results of these studies display a change in species assemblages at artificial structures in comparison to naturally occurring habitats. An increase in hard substrata associated species, especially benthic bivalves, crustaceans and reef associated fish and a decrease in algae abundance were the dominant trends. Assemblages associated with complex concrete structures revealed greater similarity to natural hard substrata compared to those around steel structures. To consider marine renewable energy sites, especially large scale OWFs as MPAs, the dissimilar nature of assemblages on the structures themselves to natural communities should be considered. However positive effects were recorded on the abundance of commercially important crustacean species. This suggests potential for incorporation of OWFs as no fishing, or restricted activity zones within a wider MPA to aid fisheries augmentation. The limited available evidence highlights a requirement for significant further research involving long term monitoring at a variety of sites to better inform management options.

An experimental and numerical investigation into the seismic performance of a multi-storey concentrically braced plan irregular structure

In this investigation, the seismic torsional response of a multi-storey concentrically braced frame (CBF) plan irregular structure is evaluated numerically and experimentally through a series of hybrid tests. CBF structures have become popular in seismic design because they are one of the most efficient types of steel structures to resist earthquake loading. However, their response under plan irregular conditions has received little focus mostly in part
due to their complex behaviour under seismic loading conditions. The majority of research on the seismic response of plan irregular structures is based purely on numerical investigations. This paper provides much needed experimental investigation of the seismic response of a CBF plan irregular structure with the aim of characterising the response of this class of structure. The effectiveness of the Eurocode 8 torsional effects provision as a method of designing for
low levels of mass eccentricity is evaluated. Results indicate that some of the observations made by purely numerical models are valid in that; torsionally stiff structures perform well and the stiff side of the structure is subjected to a greater ductility demand compared to the flexible side of the structure. The Eurocode 8 torsional effects provision is shown to be adequate in terms of ductility and interstorey drift however the structure performs poorly
in terms of floor rotation. Importantly, stiffness eccentricity occurs when the provision is applied to the structure when no mass eccentricity exists and results in a significant increase in floor rotations.