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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2021.tde-11012022-105913
Documento
Autor
Nome completo
Gustavo Rodovalho Boriolo
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2021
Orientador
Banca examinadora
Bittencourt, Túlio Nogueira (Presidente)
França, Ricardo Leopoldo e Silva
Houang, Paul
John, Vanderley Moacyr
Silva Filho, Luiz Carlos Pinto da
Título em inglês
Light steel framing façades: mechanical behavior of cementitious boards and numerical structural modeling for high building applications.
Palavras-chave em inglês
Cracking modeling
Fiber cement
Light steel frame
Lightweight facades
Numerical modeling
Resumo em inglês
This work presents a framework to assess the mechanical behavior of lightweight façades in high buildings. This framework is based on the definition of a set of structural requirements for the steel frame structure, the fiber cement boards and their fixing system. These requirements have been proposed and verified considering both the ultimate and the serviceability limit states (ULS and SLS), and differentiating the global and local structural behaviors under wind loads action and hygrothermal dimensional variations. Design wind loads have been proposed based on a documental comparison of different international standards for wind action on buildings. The behavior of the boards and the screws was experimentally characterized in different conditions of humidity and aging. Several finite element models were created in ABAQUS to simulate the materials behavior and to predict the mechanical performance of the façade system. It has been verified that aging improves the ultimate strength of the fiber cement material, also moisture changes this material behavior by rising its ductility and degrading its final strength. The modeling strategy has been proven to be capable to provide decent results to predict the façade performance. It has been demonstrated that the XFEM and the Hashin bi-linear models have limits to simulate a fiber cement board. Moreover, the Concrete Damage Plasticity has been confirmed as a convenient formulation to capture the cracking mechanisms of the board, having a good fit, even in the post-peak behavior. The numerical results have shown that the fixing system definition is crucial to prevent cracks. Minimum edge distances must be respected to mitigate these risks, and the use of pre-drilling is helpful to avoid any stress concentration due to shrinkage. Numerical simulations have also been performed to define an optimized configuration for a 30-floor building façade considering a critical wind load. These simulations, in a specific and illustrative case, have resulted in studs of 200mm spaced at each 400mm and with non-winged screws at each 400mm.
Título em português
Fachadas estruturadas em aço leve: comportamento mecânico de placas cimentícias e modelagem numérica estrutural para edifícios de grande altura.
Palavras-chave em português
Ação do vento nas estruturas
Estruturas metálicas
Fachada leve
LSF
Modelagem numérica
Modelos de fissuração
Placa cimentícia
Resumo em português
Este trabalho apresenta a estruturação de critérios para avaliação do comportamento mecânico de fachadas leves em edifícios altos. Esta estruturação consiste na definição de requisitos estruturais para a estrutura metálica, para as placas de fibrocimento e para o sistema de fixação. Estes requisitos foram propostos considerando os estados limites último e de serviço, além de diferenciar os comportamentos local e global do sistema submetido à ação do vento e aos efeitos de variação higrotérmica. Uma proposta de cálculo da carga de vento para diferentes alturas foi realizada a partir do comparativo entre diferentes normas internacionais de ação do vento em edifícios. As placas e os parafusos foram caracterizados em diferentes idades e condições de umidade. Modelos numéricos, em elementos finitos, foram criados no programa ABAQUS para simular o comportamento dos materiais e para avaliar a performance mecânica do sistema. Os resultados mostraram que o envelhecimento melhora o desempenho mecânico do fibrocimento, e pode ainda promover um ganho no desempenho do sistema ao longo do tempo desde que as fixações sejam corretamente projetadas. Por outro lado, a umidade é crítica para o material. A modelagem numérica mostrou-se capaz de simular corretamente o comportamento dos materiais. Algumas técnicas numéricas como o XFEM e o modelo de Hashin apresentaram limitações na modelagem da placa de fibrocimento. No entanto, o modelo CDP teve um bom desempenho nas diferentes situações avaliadas e mostrou-se conveniente para simular o material. Os resultados numéricos confirmaram ainda que a fixação das placas pode reduzir ou aumentar o risco de aparecimento de fissuras. Distâncias mínimas dos parafusos às bordas e o uso de pré furos devem ser considerados para reduzir estes riscos. Além disso, uma solução otimizada de fachada foi definida através de simulações numéricas indicado, no caso específico estudado, o uso de perfis com alma de 200mm espaçados a cada 400mm e com parafusos sem asa a cada 400mm.
 
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Data de Publicação
2022-01-11
 
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