Análise da resposta dinâmica experimental de uma passarela tubular mista, aço-concreto, submetida ao caminhar humano.

Este trabalho de pesquisa apresenta como objetivo principal o desenvolvimento de investigação experimental dinâmica sobre estrutura real de uma passarela tubular mista aço-concreto. O sistema estrutural objeto deste trabalho corresponde a uma passarela composta por três vãos (32,5m, 17,5m e 20,0m, respectivamente) e dois balanços (7,50m e 5,0m, respectivamente), com comprimento total de 82,5m. A passarela com estrutura contínua de aço com as ligações soldadas se apoia em quatro pórticos também de aço. Estruturalmente está constituída por duas treliças planas que se interligam através de contraventamentos horizontais fixados na corda superior e inferior da treliça e lajes de concreto, formando um sistema misto com interação completa. A estrutura está submetida correntemente à travessia de pedestres e ciclistas. Testes experimentais foram realizados sobre o sistema estrutural e confrontados com resultados numéricos. Para a modelagem numérica do sistema são empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos (MEF), por meio do programa ANSYS. Os resultados experimentais são analisados de acordo com a metodologia desenvolvida, sendo realizada análise modal experimental para a determinação das propriedades dinâmicas: freqüências, modos e taxa de amortecimento, enquanto que os resultados da estrutura, em termos de aceleração de pico, são comparados com os valores limites propostos por diversos autores, normas e recomendações de projeto, para uma avaliação do desempenho da estrutura em relação a vibração quando solicitada pelo caminhar dos pedestres no que diz respeito a critério para conforto humano.

Modelagem do comportamento dinâmico de passarelas tubulares em aço e mistas (aço-concreto)

A experiência dos engenheiros estruturais e os conhecimentos adquiridos pelo uso de materiais e novas tecnologias, têm ocasionado estruturas de aço e mistas (aço-concreto) de passarelas cada vez mais ousadas. Este fato tem gerado estruturas de passarelas esbeltas, e consequentemente, alterando os seus estados de limite de serviço e último associados ao seu projeto. Uma consequência direta desta tendência de projeto é o aumento considerável das vibrações das estruturas. Portanto, a presente investigação foi realizada com base em um modelo de carregamento mais realista, desenvolvido para incorporar os efeitos dinâmicos induzidos pela caminhada de pessoas. O modelo de carregamento considera a subida e a descida da massa efetiva do corpo em cada passo. A posição da carga dinâmica também foi alterada de acordo com a posição do pedestre sobre a estrutura e a função do tempo gerada, possui uma variação espacial e temporal. O efeito do calcanhar do pedestre também foi incorporado na análise. O modelo estrutural investigado baseia-se em uma passarela tubular (aço-concreto), medindo 82,5m. A estrutura é composta por três vãos (32,5 m, 20,0 m e 17,5 m, respectivamente) e dois balanços (7,5 m e 5,0 m, respectivamente). O sistema estrutural é constituído por perfis de aço tubular e uma laje de concreto, e é atualmente utilizada para travessia de pedestres. Esta investigação é realizada com base em resultados experimentais, relacionando a resposta dinâmica da passarela com as obtidas via modelos de elementos finitos. O modelo computacional proposto adota as técnicas de refinamento de malha, usualmente presente em simulações pelo método de elementos finitos. O modelo de elementos finitos foi desenvolvido e validado com resultados experimentais. Este modelo de passarela tubular permitiu uma avaliação dinâmica completa, investigando especialmente ao conforto humano e seus limites de utilização associados à vibração. A resposta dinâmica do sistema, em termos de acelerações de pico, foi obtida e comparada com os valores limites propostos por diversos autores e padrões de projeto. As acelerações de pico encontradas na presente análise indicou que a passarela tubular investigada apresentou problemas relacionados com o conforto humano. Por isso, foi detectado que este tipo de estrutura pode atingir níveis de vibrações excessivas que podem comprometer o conforto do usuário na passarela e especialmente a sua segurança.

Steel-concrete-steel composite columns subjected to lateral impact

Concrete-filled double skin tube (CFDST) is a creative innovation of steel-concrete-steel composite construction, formed by two concentric steel tubes separated by a concrete filler. Over the recent years, this column form has been widely used as a new sustainable alternative to existing structural bridge piers and building columns. Since they could be vulnerable to impact from passing vessels or vehicles, it is necessary to understand their behaviour under lateral impact loads. With this in mind, physical tests on full scale columns were performed using an innovative horizontal impact testing system to obtain the failure modes, the time history of the impact force, reaction forces and global lateral deflection as well as permanent local buckling profile of the columns. The experimental testing was complemented and supplemented by developing and using an advanced finite element analysis model. The model was validated by comparing the numerical results against experimental data. The findings of this study will serve as a benchmark reference for future analysis and design of CFDST columns.

Strength analysis of steel-concrete composite beams in combined bending and shear

Despite experimental evidences, the contributions of the concrete slab and composite action to the vertical shear strength of simply supported steel-concrete composite beams are not considered in current design codes, which lead to conservative designs. In this paper, the finite element method is used to investigate the flexural and shear strengths of simply supported composite beams under combined bending and shear. A three-dimensional finite element model has been developed to account for geometric and material nonlinear behavior of composite beams, and verified by experimental results. The verified finite element model is than employed to quantify the contributions of the concrete slab and composite action to the moment and shear capacities of composite beams. The effect of the degree of shear connection on the vertical shear strength of deep composite beams loaded in shear is studied. Design models for vertical shear strength including contributions from the concrete slab and composite action and for the ultimate moment-shear interaction ate proposed for the design of simply supported composite beams in combined bending and shear. The proposed design models provide a consistent and economical design procedure for simply supported composite beams.

Second-order inelastic analysis of composite framed structures based on the refined plastic hinge method

Composite steel-concrete structures experience non-linear effects which arise from both instability-related geometric non-linearity and from material non-linearity in all of their component members. Because of this, conventional design procedures cannot capture the true behaviour of a composite frame throughout its full loading range, and so a procedure to account for those non-linearities is much needed. This paper therefore presents a numerical procedure capable of addressing geometric and material non-linearities at the strength limit state based on the refined plastic hinge method. Different material non-linearity for different composite structural components such as T-beams, concrete-filled tubular (CFT) and steel-encased reinforced concrete (SRC) sections can be treated using a routine numerical procedure for their section properties in this plastic hinge approach. Simple and conservative initial and full yield surfaces for general composite sections are proposed in this paper. The refined plastic hinge approach models springs at the ends of the element which are activated when the surface defining the interaction of bending and axial force at first yield is reached; a transition from the first yield interaction surface to the fully plastic interaction surface is postulated based on a proposed refined spring stiffness, which formulates the load-displacement relation for material non-linearity under the interaction of bending and axial actions. This produces a benign method for a beam-column composite element under general loading cases. Another main feature of this paper is that, for members containing a point of contraflexure, its location is determined with a simple application of the method herein and a node is then located at this position to reproduce the real flexural behaviour and associated material non-linearity of the member. Recourse is made to an updated Lagrangian formulation to consider geometric non-linear behaviour and to develop a non-linear solution strategy. The formulation with the refined plastic hinge approach is efficacious and robust, and so a full frame analysis incorporating geometric and material non-linearity is tractable. By way of contrast, the plastic zone approach possesses the drawback of strain-based procedures which rely on determining plastic zones within a cross-section and which require lengthwise integration. Following development of the theory, its application is illustrated with a number of varied examples.

Investigation of Ultimate Strength of Deck Slabs in Steel-Concrete Bridges

In the last 50 years, many bridges have been built as composite structures with decks of reinforced concrete that are supported by longitudinal steel beams. The presence of the longitudinal steel beams and the unloaded area of concrete slab cause the loaded deck slabs to be restrained against lateral expansion. As a result, a compressive membrane thrust is developed. In experimental tests, the authors built a series of one-third scale steel-concrete composite bridge models with several varying structural parameters, including concrete compressive strength, reinforcement percentage, and the size of steel supporting beams. After comparing the results of different models, the influence of these structural parameters on the amount of compressive membrane action in the deck slab was evaluated. Furthermore, the improvement of an existing theoretical model provided accurate predictions for the loading-carrying capacities.

Non-linear finite-element analysis of punching capacities of steel-concrete bridge deck slabs

Punching failure is the common failure mode in concrete bridge deck slabs when these structural components are subjected to local patch loads, such as tyre loads. Past research has shown that reinforced concrete slabs in girder–slab type bridges have a load-carrying capacity far greater than the ultimate static loads predicted by traditional design methods, because of the presence of compressive membrane action. However, due to the instability problems from punching failure, it is difficult to predict ultimate capacities accurately in numerical analyses. In order to overcome the instability problems, this paper establishes an efficient non-linear finite-element analysis using the commercial finite-element package Abaqus. In the non-linear finite-element analysis, stabilisation methods were adopted and failure criteria were established to predict the ultimate punching behaviour of deck slabs in composite steel–concrete bridges. The proposed non-linear finite-element analysis predictions showed a good correlation on punching capacities with experimental tests.

Estudo do conforto humano em pisos mistos (aço-concreto) submetidos a ações humanas rítmicas.

Este trabalho de pesquisa objetiva o estudo do comportamento dinâmico de pisos mistos (aço-concreto), em edificações de andares múltiplos, sob o ponto de vista de conforto humano, quando essas estruturas encontram-se submetidas às atividades rítmicas provenientes dos seres humanos. A definição das ações dinâmicas atuantes sobre os modelos estruturais foi feita com base em resultados experimentais, com os indivíduos praticando atividades rítmicas e não rítmicas associadas à ginástica aeróbica e saltos à vontade. Os modelos estruturais investigados baseiam-se em edificações mistas de andares múltiplos. O sistema estrutural é do tipo misto (aço-concreto), composto por vigas de aço em seção do tipo I e laje de concreto armado. A análise fundamenta-se na modelagem computacional dos sistemas estruturais, através do Método dos Elementos Finitos (MEF). São empregadas técnicas usuais de discretização, por meio do emprego do programa ANSYS. Uma análise paramétrica foi desenvolvida sobre três modelos estruturais, com dois, três e quatro pavimentos. Os valores das acelerações máximas encontradas na análise são confrontados e comparados com os limites propostos por recomendações internacionais. Os resultados obtidos mostram que os limites recomendados em diversas normas de projeto foram ultrapassados. Esses resultados demonstram que atividades rítmicas oriundas dos seres humanos podem gerar acelerações de pico elevadas, violando critérios de projeto, no que concerne ao conforto humano. Foi observado também que estas ações dinâmicas podem comprometer o conforto humano em pisos adjacentes, próximos do local onde a carga dinâmica está sendo efetivamente aplicada.