Projeto de estabilidade de internato masculino

O presente documento corresponde à realização de um projeto de estruturas em betão armado e estrutura metálica. A escolha deste tema teve como propósito aplicar os conhecimentos adquiridos ao longo do percurso académico, sobretudo em disciplinas do ramo de estruturas. O trabalho desenvolvido é um Projeto de Estabilidade de Betão Armado e Estrutura Metálica de um Internato Masculino para Padres em Onameva, Cunene – Angola. A elaboração deste projeto decorre da realização de um estágio formal de 8 meses na empresa CALCULUS, Miguel Barros – Engenharia, LDA, com o objetivo principal de reunir os requisitos necessários à admissão na Ordem dos Engenheiros. No contexto laboral de um gabinete de projetos de engenharia civil, foi feita a integração de forma gradual e sustentada das competências adquiridas ao longo da formação académica e vivenciadas situações reais de trabalho profissional. De entre as atividades desenvolvidas no estágio, foi escolhido o projeto de estabilidade acima referido pela oportunidade de realizar todas as etapas do seu desenvolvimento, desde a análise da arquitetura até à elaboração das peças escritas e desenhadas, dando assim resposta às exigências necessárias para a conclusão do Mestrado em Engenharia Civil, no ramo de Estruturas, pelo Instituto Superior de Engenharia do Porto.

Escolas do concelho de Matosinhos com estrutura de betão armado

O presente trabalho pretende contribuir para a gestão das intervenções de reparação e de reforço das escolas do concelho de Matosinhos com estrutura de betão armado. Apresenta-se uma síntese sobre a história do edifício escolar e do seu desenvolvimento em território nacional. Desenvolve-se uma pesquisa bibliográfica sobre metodologias de inspeção adotadas em território nacional e internacionalmente. Identificaram-se diferentes tipologias estruturais e arquitetónicas das escolas de Matosinhos, selecionou-se a mais representativa e, aparentemente, a que envolve casos com estados de conservação mais deficientes, definiu-se uma metodologia de inspeção estrutural e desenvolveram-se as respetivas fichas de inspeção. Selecionou-se e inspecionou-se visualmente um corpo da Escola Básica da Portela, de tipologia P3 e realizaram-se diferentes ensaios de diagnóstico. Comparam-se os respetivos resultados com os obtidos na inspeção da Escola da Amieira, do mesmo concelho e com a mesma tipologia. Propõem-se soluções de reparação com base no resultado da inspeção visual, nos ensaios de diagnóstico e na norma NP EN 1504-9. Estima-se o respetivo custo e sugere-se uma metodologia de extrapolação das conclusões e do estabelecimento de uma estimativa orçamental das intervenções de reparação das restantes escolas tipo P3 deste concelho e de outras com idênticas tipologias, localizações e condições ambientais envolventes.

Modelação e dimensionamento de estruturas

O presente relatório refere-se ao trabalho desenvolvido durante o período de estágio curricular enquadrado no ciclo de estudos do Mestrado em Engenharia Civil do ISEP, Instituto Superior de Engenharia do Porto. O estágio desenvolveu-se ao longo de seis meses, desde Fevereiro até Julho de 2015, na empresa FASE S.A., em ambiente de gabinete, para a obtenção do grau de mestre em Engenharia Civil. Durante o período de estágio foram desenvolvidos projetos de estabilidade de estruturas metálicas e de betão armado, desde a fase de conceção, pré-dimensionamento, modelação numérica e análise de resultados, dimensionamento final, até à produção das peças desenhas e escritas constituintes de um projeto de estruturas. Foi possível analisar e dimensionar estruturas através de programas de cálculo automático e ferramentas de cálculo que serão referidas no presente relatório. Neste relatório será descrita pormenorizadamente a elaboração de um projeto em betão armado em todas as suas vertentes. Apresentam-se também as metodologias de cálculo empregues. No culminar, enunciam-se algumas conclusões de carácter geral decorrentes do trabalho desenvolvido.

Aplicação do modelo escoras e tirantes a vigas parede de acordo com o Eurocódigo 2:2010

O Modelo Escoras e Tirantes surgiu no início do Século XX quando Ritter e Mörsch estabeleceram a analogia entre uma treliça clássica e uma viga de betão armado. Desde então pesquisadores têm estudado esse modelo como método de dimensionamento. A partir dos anos 90 várias normas apresentaram a utilização do modelo escoras e tirantes como relevante no dimensionamento de elementos de betão armado. Os critérios de segurança do Modelo Escoras e Tirantes são neste trabalho explicados de acordo com o Eurocódigo 2:2010, e comparadas com as normas NBR 6118:2014 e ACI 318:2011. É unanime dizer que a utilização do método torna-se mais vantajosa para regiões de descontinuidade. Em todos os elementos de betão armado, o Método Escoras e Tirantes são representações dos campos de tensão idealizados por elementos comprimidos e tracionados. Para a definição destes elementos é proposto o processo de “caminho de carga” em que conhecidas as tensões elásticas e suas direções principais utilizando o Método dos Elementos Finitos o modelo das escoras e tirantes é de fácil concepção. É também possível a definição deste a partir de modelos padrão já concebidos para determinados tipos de elementos estruturais de betão armado. Para o elemento descontinuo viga-parede estudado foram apresentados cinco modelos de cálculo até otimizar a solução validando as tensões com o Método dos Elementos Finitos. Em todos os modelos foram analisadas a definição do Modelo Escoras e Tirantes, a resistência das escoras, dos tirantes e dos nós até chegar à solução construtiva da viga-parede. Concluiu-se que a definição do modelo é a chave do dimensionamento.

Ein Beitrag zur realitätsnahen Modellierung und Analyse von stahlfaserverstärkten Stahlbeton- und Stahlbetonflächentragwerken

Das Werkstoffverhalten von stahlfaserfreiem bzw. stahlfaserverstärktem Stahlbeton unter biaxialle Druck- Zugbeanspruchung wurde experimentell und theoretisch untersucht. Die Basis der experimentellen Untersuchungen waren zahlreiche Versuche, die in der Vergangenheit an faserfreiem Stahlbetonscheiben zur Bestimmung des Werkstoffverhaltens von gerissenem Stahlbeton im ebenen Spannungszustand durchgeführt wurden. Bei diesen Untersuchungen wurde festgestellt, dass infolge einer Querzugbeanspruchung eine Abminderung der biaxialen Druckfestigkeit entsteht. Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnisse sind zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften des Betons, Stahlbetonscheiben aus stahlfaserverstärktem Beton hergestellt worden. Die aus der Literatur bekannten Werkstoffmodelle für Beton sowie Stahlbeton, im ungerissenen und gerissenen Zustand wurden hinsichtlich der in der Vergangenheit ermittelten Materialeigenschaften des Betons bzw. Stahlbetons unter proportionalen sowie nichtproportionalen äußeren Belastungen erklärt und kritisch untersucht. In den frischen Beton wurden Stahlfasern hinzugegeben. Dadurch konnte die Festigkeits- und die Materialsteifigkeitsabminderung infolge Rissbildung, die zur Schädigung des Verbundwerkstoffs Beton führt, reduziert werden. Man konnte sehen, dass der Druckfestigkeitsabminderungsfaktor und insbesondere die zur maximal aufnehmbaren Zylinderdruckfestigkeit gehörende Stauchung, durch Zugabe von Stahlfasern besser begrenzt wird. Die experimentelle Untersuchungen wurden an sechs faserfreien und sieben stahlfaserverstärkten Stahlbetonscheiben unter Druck-Zugbelastung zur Bestimmung des Verhaltens des gerissenen faserfreien und stahlfaserverstärkten Stahlbetons durchgeführt. Die aus eigenen Versuchen ermittelten Materialeigenschaften des Betons, des stahlfaserverstärkten Betons und Stahlbetons im gerissenen Zustand wurden dargelegt und diskutiert. Bei der Rissbildung des quasi- spröden Werkstoffs Beton und dem stahlfaserverstärkten Beton wurde neben dem plastischen Fließen, auch die Abnahme des Elastizitätsmoduls festgestellt. Die Abminderung der aufnehmbaren Festigkeit und der zugehörigen Verzerrung lässt sich nicht mit der klassischen Fließtheorie der Plastizität ohne Modifizierung des Verfestigungsgesetzes erfassen. Es wurden auf elasto-plastischen Werkstoffmodellen basierende konstitutive Beziehungen für den faserfreien sowie den stahlfaserverstärkten Beton vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit eine auf dem elasto-plastischen Werkstoffmodell basierende konstitutive Beziehung für Beton und den stahlfaser-verstärkten Beton im gerissenen Zustand formuliert. Die formulierten Werkstoffmodelle wurden mittels dem in einer modularen Form aufgebauten nichtlinearen Finite Elemente Programm DIANA zu numerischen Untersuchungen an ausgewählten experimentell untersuchten Flächentragwerken, wie scheibenartigen-, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem sowie stahlfaserverstärktem Beton verwendet. Das entwickelte elasto-plastische Modell ermöglichte durch eine modifizierte effektive Spannungs-Verzerrungs-Beziehung für das Verfestigungsmodell, nicht nur die Erfassung des plastischen Fließens sondern auch die Berücksichtigung der Schädigung der Elastizitätsmodule infolge Mikrorissen sowie Makrorissen im Hauptzugspannungs-Hauptdruckspannungs-Bereich. Es wurde bei den numerischen Untersuchungen zur Ermittlung des Last-Verformungsverhaltens von scheibenartigen, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem und stahlfaserverstärktem Stahlbeton, im Vergleich mit den aus Versuchen ermittelten Ergebnissen, eine gute Übereinstimmung festgestellt.

Rissbildung und Zugtragverhalten von mit Stabstahl und Fasern bewehrtem Ultrahochfesten Beton (UHPC)

Ultrahochfester Beton (UHPC) ist ein sehr gefügedichter zementgebundener Werkstoff, der sich nicht nur durch eine hohe Druckfestigkeit, sondern auch durch einen hohen Widerstand gegen jede Form physikalischen oder chemischen Angriffs auszeichnet. Duktiles Nachbruchverhalten bei Druckversagen wird meist durch die Zugabe dünner kurzer Fasern erreicht. In Kombination mit konventioneller Betonstahl- oder Spannbewehrung ermöglicht UHPC die Ausführung sehr schlanker, weitgespannter Konstruktionen und eröffnet zugleich neue Anwendungsgebiete, wie zum Beispiel die flächenhafte Beschichtung von Brückendecks. Durch das Zusammenwirken kontinuierlicher Bewehrungselemente und diskontinuierlich verteilter kurzer Fasern ergeben sich unter Zugbeanspruchung Unterschiede gegenüber dem bekannten Stahl- und Spannbeton. In der vorliegenden Arbeit wird hierzu ein Modell entwickelt und durch eine umfangreiche Versuchsreihe abgesichert. Ausgangspunkt sind experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Verbundverhalten von Stabstählen in einer UHPC-Matrix und zum Einfluss einer Faserzugabe auf das Reiß- und Zugtragverhalten von UHPC. Die Modellbildung für UHPC-Zugelemente mit gemischter Bewehrung aus Stabstahl und Fasern erfolgt auf der Grundlage der Vorgänge am diskreten Riss, die daher sehr ausführlich behandelt werden. Für den elastischen Verformungsbereich der Stabbewehrung (Gebrauchslastbereich) kann damit das Last-Verformungs-Verhalten für kombiniert bewehrte Bauteile mechanisch konsistent unter Berücksichtigung des bei UHPC bedeutsamen hohen Schwindmaßes abgebildet werden. Für die praktische Anwendung wird durch Vereinfachungen ein Näherungsverfahren abgeleitet. Sowohl die theoretischen als auch die experimentellen Untersuchungen bestätigen, dass der faserbewehrte UHPC bei Kombination mit kontinuierlichen Bewehrungselementen selbst kein verfestigendes Verhalten aufweisen muss, um insgesamt verfestigendes Verhalten und damit eine verteilte Rissbildung mit sehr keinen Rissbreiten und Rissabständen zu erzielen. Diese Beobachtungen können mit Hilfe der bisher zur Verfügung stehenden Modelle, die im Wesentlichen eine Superposition isoliert ermittelter Spannungs-Dehnungs-Beziehungen des Faserbetons und des reinen Stahls vorsehen, nicht nachvollzogen werden. Wie die eigenen Untersuchungen zeigen, kann durch ausreichend dimensionierte Stabstahlbewehrung zielgerichtet und ohne unwirtschaftlich hohe Fasergehalte ein gutmütiges Verhalten von UHPC auf Zug erreicht werden. Die sichere Begrenzung der Rissbreiten auf deutlich unter 0,1 mm gewährleistet zugleich die Dauerhaftigkeit auch bei ungünstigen Umgebungsbedingungen. Durch die Minimierung des Material- und Energieeinsatzes und die zu erwartende lange Nutzungsdauer lassen sich so im Sinne der Nachhaltigkeit optimierte Bauteile realisieren.

Zur Druck-Querzug-Festigkeit von Stahlbeton und stahlfaserverstärktem Stahlbeton in scheibenförmigen Bauteilen

Am Fachgebiet Massivbau (Institut für Konstruktiven Ingenieurbau – IKI) des Fachbereichs Bauingenieurwesen der Universität Kassel wurden Bauteilversuche an zweiaxial auf Druck-Zug belasteten, faserfreien und faserverstärkten Stahlbetonscheiben durchgeführt. Dabei wurden die Auswirkungen der Querzugbeanspruchung und der Rissbildung auf die Druckfestigkeit, auf die Stauchung bei Erreichen der Höchstlast sowie auf die Drucksteifigkeit des stabstahl- und faserbewehrten Betons an insgesamt 56 faserfreien und faserverstärkten Beton- und Stahlbetonscheiben untersucht. Auf der Grundlage der experimentell erhaltenen Ergebnisse wird ein Vorschlag zur Abminderung der Druckfestigkeit des gerissenen faserfreien und faserbewehrten Stahlbetons in Abhängigkeit der aufgebrachten Zugdehnung formuliert. Die Ergebnisse werden den in DIN 1045-1 [D4], Eurocode 2 [E3, E4], CEB-FIP Model Code 1990 [C1] und ACI Standard 318-05 [A1] angegebenen Bemessungsregeln für die Druckstrebenfestigkeit des gerissenen Stahlbetons gegenübergestellt und mit den Untersuchungen anderer Wissenschaftler verglichen. Die bekannten Widersprüche zwischen den Versuchsergebnissen, den vorgeschlagenen Modellen und den Regelwerken aus U.S.A., Kanada und Europa können dabei weitgehend aufgeklärt werden. Für nichtlineare Verfahren der Schnittgrößenermittlung und für Verformungsberechnungen wird ein Materialmodell des gerissenen faserfreien und faserbewehrten Stahlbetons abgeleitet. Hierzu wird die für einaxiale Beanspruchungszustände gültige Spannungs-Dehnungs-Linie nach Bild 22 der DIN 1045-1 auf den Fall der zweiaxialen Druck-Zug-Beanspruchung erweitert.

Verbesserung der seismischen Kapazität von Mauerwerkswänden durch Verwendung von Elastomerlagern

Ein großer Teil der Schäden wie auch der Verluste an Gesundheit und Leben im Erdbebenfall hat mit dem frühzeitigen Versagen von Mauerwerksbauten zu tun. Unbewehrtes Mauerwerk, wie es in vielen Ländern üblich ist, weist naturgemäß einen begrenzten Erdbebenwiderstand auf, da Zugspannungen und Zugkräfte nicht wie bei Stahlbeton- oder Stahlbauten aufgenommen werden können. Aus diesem Grund wurde bereits mit verschiedenen Methoden versucht, die Tragfähigkeit von Mauerwerk im Erdbebenfall zu verbessern. Modernes Mauerwerk kann auch als bewehrtes oder eingefasstes Mauerwerk hergestellt werden. Bei bewehrtem Mauerwerk kann durch die Bewehrung der Widerstand bei Beanspruchung als Scheibe wie als Platte verbessert werden, während durch Einfassung mit Stahlbetonelementen in erster Linie die Scheibentragfähigkeit sowie die Verbindung zu angrenzenden Bauteilen verbessert wird. Eine andere interessante Möglichkeit ist das Aufbringen textiler Mauerwerksverstärkungen oder von hochfesten Lamellen. In dieser Arbeit wird ein ganz anderer Weg beschritten, indem weiche Fugen Spannungsspitzen reduzieren sowie eine höhere Verformbarkeit gewährleiten. Dies ist im Erdbebenfall sehr hilfreich, da die Widerstandfähigkeit eines Bauwerks oder Bauteils letztlich von der Energieaufnahmefähigkeit, also dem Produkt aus Tragfähigkeit und Verformbarkeit bestimmt wird. Wenn also gleichzeitig durch die weichen Fugen keine Schwächung oder sogar eine Tragfähigkeitserhöhung stattfindet, kann der Erdbebenwiderstand gesteigert werden. Im Kern der Dissertation steht die Entwicklung der Baukonstruktion einer Mauerwerkstruktur mit einer neuartigen Ausbildung der Mauerwerksfugen, nämlich Elastomerlager und Epoxydharzkleber anstatt üblichem Dünnbettmörtel. Das Elastomerlager wird zwischen die Steinschichten einer Mauerwerkswand eingefügt und damit verklebt. Die Auswirkung dieses Ansatzes auf das Verhalten der Mauerwerkstruktur wird unter dynamischer und quasi-statischer Last numerisch und experimentell untersucht und dargestellt.

Instrumentació i anàlisi de dades d'assaigs de bigues de formigó armades amb barres de FRP

Estudi experimental del comportament de bigues de formigó armades amb barres de materials compostos de matriu polimèrica (FRP)

Disseny d’un banc d’assaig d’efectes diferits en elements de formigó armat amb barres FRP

L'objectiu d'aquest projecte és el disseny dels bancs d'assaig necessaris per poder realitzar tres assajos de fisuració i deformació diferida al laboratori de resistència de materials de la UdG sobre provetes i bigues de formigó armat amb FRP i estudiar- ne el comportament. El primer assaig és el de fluència del formigó, on es sotmet una proveta a una compressió mantinguda en el temps. El segon assaig és un de tracció directa, on s'aplica una càrrega a tracció mantinguda en el temps en una proveta de formigó armat amb una barra FRP de reforç intern. El tercer és un assaig a flexió, on es carregarà una biga a flexió durant un període llarg de temps

Reforç d’un element estructural mitjançant l’adhesió de làmines de compòsits reforçats amb fibres (FRP)

Aquest treball final de carrera és un estudi del reforç d’un element estructural de formigó per mitjà de fibres FRP. Podem assimilar-lo a una guia pràctica per tal que un enginyer amb coneixements de construcció, pugui reforçar un membre que ha sofert danys produïts per aguantar càrregues, oscil·lacions, etc.per les que no havia estat dissenyat. El projecte conté teoria del FRP per tal de conèixer el material que utilitzarem pel nostre reforç, les normatives i prenormatives que s’utilitzen per fer el disseny, i un exemple pràctic de càlcul del reforç d’una biga sotmesa a flexió i el confinament d’un pilar, que són les dues opcions més utilitzades per reforçar amb FRP. El reforç d’estructures de formigó és el camp de la construcció on més ràpidament i amb major èxit s’estan aplicant els reforços amb FRP, degut a les propietats tant avantatjoses que presenten, entre altres, resistència a la corrosió i lleugeresa, que es tradueix en estalvi de transport i posada en obra

Actors and objects: A socio-technical networks approach for construction management research

We explore the contribution of socio-technical networks approaches to construction management research. These approaches are distinctive for their analysis of actors and objects as mutually constituted within socio-technical networks. They raise questions about the ways in which the content, meaning and use of technology is negotiated in practice, how particular technical configurations are elaborated in response to specific problems and why certain paths or solutions are adopted rather than others. We illustrate this general approach with three case studies: a historical study of the development of reinforced concrete in France, the UK and the US, the recent introduction of 3D-CAD software into four firms and an analysis of the uptake of environmental assessment technologies in the UK since 1990. In each we draw out the ways in which various technologies shaped and were shaped by different socio-technical networks. We conclude with a reflection on the contributions of socio-technical network analysis for more general issues including the study of innovation and analyses of context and power.

Exploiting a hybrid environmental design strategy in the continental climate of Beijing

The built environment in China is required to achieve a 50% reduction in carbon emissions by 2020 against the 1980 design standard. A particular challenge is how to maintain acceptable comfort conditions through the hot humid summers and cold desiccating winters of its continental climate regions. Fully air-conditioned sealed envelopes, often fully glazed, are becoming increasingly common in these regions. Remedial strategies involve technical refinements to the air-handling equipment and a contribution from renewable energy sources in an attempt to achieve the prescribed net reduction in energy use. However an alternative hybrid environmental design strategy is developed in this research project. It exploits observed temperate periods of weeks, days, even hours in duration to free-run an office and exhibition building configured to promote natural stack ventilation when ambient conditions permit and mechanical ventilation when conditions require it, the two modes delivered through the same physical infrastructure. The proposal is modelled in proprietary software and the methodology adopted is described. The challenge is compounded by its first practical application to an existing reinforced concrete frame originally designed to receive a highly glazed envelope. This original scheme is reviewed in comparison. Furthermore the practical delivery of the proposal value engineered out a proportion of the ventilation stacks. The likely consequence of this for the environmental performance of the building is investigated through a sensitivity study.

A case study to investigate the life cycle carbon emissions and carbon storage capacity of a cross laminated timber, multi-storey residential building

Forests are a store of carbon and an eco-system that continually removes carbon dioxide from the atmosphere. If they are sustainably managed, the carbon store can be maintained at a constant level, while the trees removed and converted to timber products can form an additional long term carbon store. The total carbon store in the forest and associated ‘wood chain’ therefore increases over time, given appropriate management. This increasing carbon store can be further enhanced with afforestation. The UK’s forest area has increased continually since the early 1900s, although the rate of increase has declined since its peak in the late 1980s, and it is a similar picture in the rest of Europe. The increased sustainable use of timber in construction is a key market incentive for afforestation, which can make a significant contribution to reducing carbon emissions. The case study presented in this paper demonstrates the carbon benefits of a Cross Laminated Timber (CLT) solution for a multi-storey residential building in comparison with a more conventional reinforced concrete solution. The embodied carbon of the building up to completion of construction is considered, together with the stored carbon during the life of the building and the impact of different end of life scenarios. The results of the study show that the total stored carbon in the CLT structural frame is 1215tCO2 (30tCO2 per housing unit). The choice of treatment at end of life has a significant effect on the whole life embodied carbon of the CLT frame, which ranges from -1017 tCO2e for re-use to +153tCO2e for incinerate without energy recovery. All end of life scenarios considered result in lower total CO2e emissions for the CLT frame building compared with the reinforced concrete frame solution.

Guided wave propagation and spectral element method for debonding damage assessment in RC structures

A concrete–steel interface spectral element is developed to study the guided wave propagation along the steel rebar in the concrete. Scalar damage parameters characterizing changes in the interface (debonding damage) are incorporated into the formulation of the spectral finite element that is used for damage detection of reinforced concrete structures. Experimental tests are carried out on a reinforced concrete beam with embedded piezoelectric elements to verify the performance of the proposed model and algorithm. Parametric studies are performed to evaluate the effect of different damage scenarios on wave propagation in the reinforced concrete structures. Numerical simulations and experimental results show that the method is effective to model wave propagation along the steel rebar in concrete and promising to detect damage in the concrete–steel interface.