Modelacao ligacoes viga pilar analise de estruturas porticadas planas de betao armado

494 Pages·2013·16.61 MB·Portuguese

by  Ricardo Costa

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Ricardo Joel Teixeira Costa

MODELAÇÃO DE LIGAÇÕES VIGA-PILAR NA ANÁLISE DE

ESTRUTURAS PORTICADAS PLANAS DE BETÃO ARMADO

Dissertação de Doutoramento na área científica de Engenharia Civil, especialidade de Estruturas, orientada pelo Professor Doutor Paulo Manuel

Mendes Pinheiro da Providência e Costa e pelo Professor Doutor Alfredo Manuel Pereira Geraldes Dias e apresentada ao Departamento de
Engenharia Civil da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.

Março de 2013

Trabalho realizado com o apoio da Fundação para a Ciência e Tecnologia por intermédio da bolsa SFRH/BD/36605/2007 no âmbito
do QREN - POPH - Tipologia 4.1 - Formação Avançada, comparticipado pelo Fundo Social Europeu e por fundos nacionais do MCTES.

Ricardo Joel Teixeira Costa

MODELAÇÃO DE LIGAÇÕES VIGA-PILAR NA ANÁLISE DE
ESTRUTURAS PORTICADAS PLANAS DE BETÃO ARMADO

Dissertação de Doutoramento na área científica de Engenharia Civil, especialidade de Estruturas, orientada pelo Professor Doutor Paulo Manuel
Mendes Pinheiro da Providência e Costa e pelo Professor Doutor Alfredo Manuel Pereira Geraldes Dias e apresentada ao Departamento de
Engenharia Civil da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.

Março de 2013

Resumo
Os modelos convencionais de análise de estruturas porticadas de betão armado assumem que
(i) as ligações viga-pilar são rígidas ou (ii) o seu comportamento pode ser representado por
modelos vocacionados para simular o comportamento de elementos lineares. No primeiro
caso despreza-se o efeito do comportamento das ligações viga-pilar sobre o comportamento
global da estrutura. No segundo caso as ligações viga-pilar são substituídas por
prolongamentos dos elementos lineares adjacentes, o que reduz a complexidade do problema
original. Existe uma convicção generalizada, ainda que não fundamentada, de que os erros
associados a estes modelos são admissíveis. No entanto, ambos os modelos são
desadequados, na medida em que o primeiro obscurece o efeito do comportamento da
ligação, enquanto o segundo não contempla as diferenças de comportamento entre ligações
viga-pilar e elementos lineares.
Foram desenvolvidos, por diversos investigadores, vários modelos mecânicos de
comportamento para ligações viga-pilar de estruturas porticadas de betão armado que podem
ser classificados em dois grupos: (i) modelos rigorosos, especialmente para o caso das acções
cíclicas e (ii) modelos simplificados, habitualmente materializados por molas angulares nas
extremidades das vigas. Os modelos do primeiro grupo são vocacionados para a simulação
numérica de ensaios experimentais de ligações viga-pilar isoladas e são desadequados para
uma utilização corrente, na medida em que (i) são complexos, não permitindo a construção de
modelos estruturais de forma célere, (ii) são computacionalmente exigentes e (iii) dependem
de muitos parâmetros sem significado físico evidente. Os modelos do segundo grupo, apesar
de poderem ser calibrados para situações específicas, (i) não conduzem a resultados aceitáveis
numa gama de configurações suficientemente grande para permitir a sua utilização
generalizada, (ii) não simulam adequadamente os modos de deformação dominantes nas
ligações e (iii) não é simples o relacionamento entre as grandezas estáticas e cinemáticas
usadas para definir o seu comportamento e as grandezas estáticas e cinemáticas
habitualmente consideradas mais relevantes para qualificar o comportamento das ligações
viga-pilar.
O presente estudo pretende contribuir para a clarificação do comportamento quase-estático
monotónico das ligações viga-pilar de estruturas porticadas de betão armado, para a
identificação dos seus efeitos e para a sua adequada modelação.
O estudo é iniciado com a revisão bibliográfica, que estabelece o estado de conhecimento
actual sobre ligações viga-pilar em estruturas porticadas de betão armado, sobre o qual o
presente estudo se alicerçou. Segue-se uma análise exploratória que visa avaliar, de forma
simples e expedita, se é necessária a existência de modelos mecânicos consistentes para
ligações viga-pilar em estruturas porticadas de betão armado, concluindo-se que, em
determinadas situações, é.
De modo a complementar este resultado, avaliou-se, com o auxílio do programa de elementos
finitos ATENA 3D, se o dimensionamento da armadura longitudinal das vigas e pilares com
v
base nos esforços nas suas extremidades efectivas constitui um procedimento seguro. Os
resultados desta análise reforçam a conclusão anterior, de que as ligações viga-pilar não
devem ser consideradas como um prolongamento das vigas e pilares adjacentes, mas sim
como elementos estruturais independentes.
No seguimento destas conclusões, é desenvolvido um modelo de ligação viga-pilar baseado no
método das componentes. Para tal, foram inicialmente identificadas as componentes
relevantes das ligações viga-pilar de estruturas porticadas de betão armado, com
pormenorizações de armadura correntes, e seguidamente, foram desenvolvidos, analisados e
validados modelos de comportamento para estas componentes.
Com o modelo de ligação viga-pilar desenvolvido formulou-se um novo elemento, que foi
adicionado ao programa de elementos finitos EvalS, vocacionado para análise de estruturas
reticuladas planas, juntamente com um modelo seccional de fibras para elementos lineares,
para o que foi necessário ter em consideração as especificidades do método das forças fictícias
(MFF), o procedimento de análise materialmente não linear implementado no EvalS.
Este programa foi seguidamente utilizado para avaliar o efeito do comportamento das ligações
viga-pilar (i) sobre a capacidade de carga e a deformabilidade lateral de estruturas porticadas
correntes e (ii) sobre os resultados da avaliação do desempenho sísmico de estruturas
dimensionadas de acordo com as disposições actuais recorrendo a uma análise pushover.
Concluiu-se que a não consideração do comportamento efectivo das ligações viga-pilar pode
conduzir a resultados pouco rigorosos.
Tendo em atenção estes resultados, foram estabelecidos procedimentos simplificados para
avaliar, de forma expedita, a relevância da deformabilidade das ligações viga-pilar em
estruturas porticadas de betão armado e, desta forma, identificar em que condições é
adequada a utilização dos modelos simplificados referidos acima.
Por fim, avaliou-se, novamente com o auxílio do programa ATENA 3D, o impacto de diversos
factores na rigidez e na capacidade resistente das ligações viga-pilar, entre os quais, a
pormenorização da armadura, a configuração da ligação e o esforço axial nos pilares.
vi
Abstract
Conventional structural models of reinforced concrete frames assume beam-column joints to
be either rigid or represented by a centreline joint model. The rigid joint model fully ignores
the influence of the beam-column joint behaviour over the overall behaviour of the frame. The
centreline joint model replaces the beam-column joint by one-dimensional beams and
columns framing into the joint, thus reducing the complexity of the original problem. There is a
widespread belief that the error associated with either of these models is admissible.
However, both models are inadequate because the former obscures the effect of the
behaviour of the beam-column joint while the latter excludes the behaviour differences
between beams/columns and beam-column joints.
Several investigators have developed mechanical models for beam-column joints in reinforced
concrete frames that may be included in two main groups: (i) complex models, mainly aimed
for cyclic actions, and (ii) simplified models, where the beam-column joint flexibility is
simulated through hinges at the ends of the beams framing into the beam-column joint.
Models in the former group are more suitable for numerical simulation of experimental tests
and are not suited for everyday use in design offices, because (i) they are too complicated, the
development of a structural model becoming a hard task, (ii) they are computationally
demanding and (iii) they depend on many parameters without a clear physical meaning. The
models in the latter group can be calibrated for specific situations, but (i) they do not provide
acceptable accuracy for a widespread use, (ii) they do not simulate properly the main
deformation modes in beam-column joints and (iii) their constitutive laws are not directly
related to the most relevant variables for beam-column joint behaviour.
The objectives of the present study are threefold. First, to contribute to the clarification of the
quasi-static monotonic behaviour of beam-column joints in reinforced concrete frames.
Second, to identify the effects of this behaviour. And, finally, to define appropriate modelling
approaches for beam-column joints in reinforced concrete frames.
The study begins with a literature review, establishing the current state of knowledge on
beam-column joints in reinforced concrete frames. This is followed by an exploratory analysis
aiming to evaluate, in a simple way, if consistent mechanical models are required for beam-
column joints in reinforced concrete frames. It was found that, in certain situations, these
more rigorous models are required.
In order to complement the former analysis, the finite element program ATENA 3D was used in
order to assess if it is safe to design the reinforcement of beams and columns in accordance
with the internal forces at the joint boundary. The results of this analysis strengthened the
previous findings that beam-column joints should be modelled as independent structural
elements and not as simple extensions of beams and columns.
Following these findings, a model based on the components method was developed for beam-
column joints in reinforced concrete frames. This required the identification of the relevant
components of beam-column joints in reinforced concrete frames, for standard rebar detailing
vii
schemes, and subsequent development, testing and validation of the models for these
components.
A new element was developed according the proposed beam-column joint model. This
element was implemented in EvalS, a finite element program for the nonlinear the analysis of
skeletal structures, along with a sectional fibre model for linear elements. The implementation
of these models took into account the particularities of the Fictitious Forces Method (MFF), the
analysis procedure implemented in EvalS for material nonlinear analysis.
EvalS was then used to evaluate the effect of the behaviour of beam-column joints (i) on the
load capacity and lateral deformability of reinforced concrete frames and (ii) on the results of
the evaluation of the seismic performance of structures designed according to the current
codes using a pushover analysis. It was found that beam-column joint behaviour must be taken
into account in order to get accurate results.
Bearing in mind these results, simplified procedures were established to evaluate, in a simple
manner, the significance of the deformability of the beam-column joints in reinforced concrete
frames and thus identify the conditions under which it is appropriate to use the simple models
mentioned above.
Finally, it was evaluated, again with ATENA 3D, the impact of various factors on the stiffness
and load capacity of beam-column joints, including the detailing of the rebars, the connection
configuration and the value of axial force in the columns.
viii
Palavras-chave
ligações viga-pilar
betão armado
estruturas porticadas
método dos elementos finitos
método das componentes
flexibilidade/rigidez
classificação
Keywords
beam-column joint
reinforced concrete
framed structures
finite element method
components method
flexibility/stiffness
classification

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