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Tese de Doutorado
Documento
Autor
Nome completo
Gabriela Bandeira de Melo Lins de Albuquerque
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2018
Orientador
Banca examinadora
Silva, Valdir Pignatta e (Presidente)
França, Ricardo Leopoldo e Silva
Laím, Luís Miguel dos Santos
Moreno Junior, Armando Lopes
Rodrigues, João Paulo Correia
Silva Filho, Luiz Carlos Pinto da
Título em português
Análise numérico-experimental de vigas de concreto armado com restrições axial e rotacional em situação de incêndio.
Palavras-chave em português
Análise experimental
Análise numérica
Concreto armado
DIANA
Incêndio
Restrição axial
Restrição rotacional
Vigas
Resumo em português
As vigas de concreto armado sofrem deformações térmicas em situação de incêndio. Os comprimentos dos vãos se alongam resultando no deslocamento horizontal de seus respectivos apoios e elas passam a fletir de forma acentuada, o que gera a rotação nos mesmos. Se essas deformações forem impedidas pelas próprias condições de apoio da peça ou devido a elementos estruturais circundantes, por exemplo, esforços adicionais passarão a atuar nas vigas, modificando seu desempenho frente ao fogo. Estudos apontam que os efeitos desses esforços podem ser benéficos à resistência ao fogo (RF) das vigas aquecidas, contudo, nas poucas pesquisas voltadas à análise experimental dessa questão, as restrições foram admitidas apenas de forma isolada, i.e., ou as vigas estavam submetidas a restrições axiais ou a rotacionais. O efeito conjunto, mais representativo ao que ocorre na realidade, e a consideração de diferentes níveis de rigidezes impostos às deformações, foram avaliados em investigações numéricas sem dados experimentais apropriados para a validação dos resultados. Na presente Tese de Doutorado, avaliou-se experimentalmente o desempenho de vigas de concreto mediante a realização de ensaios de flexão em elementos em escala real e sob diferentes condições de apoio: sem restrições às deformações, com restrições apenas axiais e com restrições tanto axiais quanto rotacionais. Relativamente aos elementos restringidos, foram analisados dois níveis de rigidezes axial, 0,02 e 0,04EA/l, e rotacional, 1 e 2EI/l. Também houve ensaios de referência em vigas simplesmente apoiadas à temperatura ambiente para a verificação dos carregamentos e modos de ruptura. Os dados experimentais obtidos para diferentes esquemas estáticos de vigas motivaram a concepção de modelos numéricos que fossem representativos do comportamento dos mesmos. Com o auxílio do programa de computador DIANA, que tem base no método dos elementos finitos, foram criados modelos para as vigas ensaiadas à temperatura ambiente e ao fogo. Eles foram idealizados com a consideração de diversas propriedades características do comportamento não linear dos materiais e conduziram a boas correlações quando os seus resultados foram comparados aos obtidos em laboratório. A principal conclusão deste estudo numérico-experimental foi que a RF das vigas de concreto armado sempre aumentam quando admitido qualquer tipo de restrição (somente axial ou axial mais rotacional). Além disso, ao se fixar um valor para a restrição rotacional, as vigas com nível de restrição axial mais elevado apresentaram RF maiores do que aquelas com nível mais brando. O mesmo se verificou ao fixar a restrição axial e variar a rotacional. Vigas nos quais o efeito conjunto das restrições foi admitido conduziram a maiores RF do que aquelas apenas com restrição axial. Para a maior parte dos casos estudados, os aumentos das RF se mostraram significativos quando confrontados às vigas sem restrições. Assim, confirmou-se que os métodos simplificados normatizados que não consideram os efeitos provenientes das mesmas no dimensionamento para a situação de incêndio das vigas de concreto armado estão a favor da segurança. Os resultados numérico-experimentais aqui apresentados podem auxiliar na concepção de ferramentas alternativas para a consideração dos efeitos das restrições em projeto.
Título em inglês
Experimental and numerical analysis of reinforced concrete beams with axial and rotational restraints in fire.
Palavras-chave em inglês
Axial restraint
Beams
DIANA
Experimental analysis
Fire
Numerical analysis
Reinforced concrete
Rotational restraint
Resumo em inglês
Reinforced concrete beams are submitted to thermal deformations when exposed to fire. The lengths of the spans elongate, a fact that triggers the horizontal displacement of their supports, and they begin to bend sharply, resulting in their rotation. If these deformations are hindered by the support conditions of the element or by surrounding structural elements, for instance, additional efforts will act on the beams in order to modify their performance when facing the action of fire. Studies have pointed out that the effects of such efforts may be beneficial to the fire resistance of the beams; however, in the few researches focused on the experimental analysis of this issue, the restraints were admitted only in an isolated way, i.e., the beams were either submitted to axial or to rotational restraints. Their coupled effect, more representative of what occurs in reality, and the consideration of different stiffness levels imposed on the deformations, were evaluated in numerical investigations, without suitable experimental data for validating the results, though. In this PhD Thesis, the performance of concrete beams was evaluated experimentally by performing bending tests on full-scale elements under different support conditions: unrestrained, only with axial restraints and with both axial and rotational restraints. Regarding the restrained elements, two levels of axial and rotational stiffness were analyzed, 0.02 and 0.04EA/l; 1 and 2EJ/l. There were also reference tests on simply supported beams at ambient temperature to check the load-bearing capacities and failure modes. The experimental data obtained for different beam static schemes still motivated the conception of numerical models that would be representative of their behavior. With the aid of the DIANA software, which is based on the finite element and displacement methods, beam models to represent beams tested at ambient temperature and in fire conditions were created. These models were implemented considering several properties that characterize the nonlinear behavior of the materials and led to good correlations when their results were compared to those obtained in the laboratory. The main conclusion of this experimental and numerical study was that the fire resistance of RC beams always increases when any type of restraint (axial or axial plus rotational) is introduced. In addition, by fixing the rotational stiffness, the beams with higher axial stiffness level presented higher fire resistance than those with the lower level. The same was observed by fixing the axial stiffness and varying the rotational stiffness. Beams in which the combined effect of the restraints was admitted led to higher resistances than those with only axial restraint. For most of the studied situations, the increases of the resistances showed to be significant when confronted with the ones for unrestrained beams. Thus, it was confirmed that the standard simplified methods that allow the non-consideration of these effects during the fire design of the RC beams lead to conservative results. The numerical and experimental results presented herein may aid in the conception of alternative tools that allow applying restraint effects to design.
 
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Data de Publicação
2018-08-29
 
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