Análise por elementos finitos de peças de concreto armado e protendido sob estados planos de tensão

Este trabalho versa sobre a implementação de um modelo computacional, através do método dos elementos finitos, utilizando a plataforma ANSYS, versão 14.5, para o estudo de estruturas de concreto armado e protendido, sob estados planos de tensão. A justificativa para a realização deste trabalho vem da importância do material concreto armado dentro da engenharia estrutural, o qual é objeto permanente de estudos por comportar-se de maneira extremamente complexa e apresentar resposta altamente não-linear, quando submetido a solicitações. A diferença entre a resistência à tração e à compressão, a não-linearidade da relação tensão-deformação, a fissuração, e os fenômenos relacionados ao tempo como fluência e retração do concreto, além da plastificação do aço e do concreto são as causas desta não-linearidade. O objetivo final deste trabalho é implementar dois procedimentos distintos no modelo computacional, baseados em um modelo elasto-viscoplástico. No primeiro, a resposta da estrutura é dada para um carregamento instantâneo, considerando-se o material com um comportamento elastoplástico. No segundo, a resposta da estrutura é dada ao longo do tempo, considerando, neste caso, que o material possui um comportamento viscoelástico. A representação do concreto fissurado é feita por um modelo de fissuras distribuídas, e as armaduras são introduzidas através de uma formulação incorporada. Para isto, inicialmente estudou-se as relações constitutivas de cada material, concreto e aço, a fim de melhor representá-los no modelo numérico. Para a representação das equações constitutivas, implementou-se um novo modelo de material com a ajuda da ferramenta de customização UPF (User Programmable Features) do ANSYS, onde foram adicionadas novas sub-rotinas ao programa principal em linguagem FORTRAN. A implementação deste novo modelo possibilitou a utilização de elementos bidimensionais quadráticos de 8 nós (PLANE183) com armadura incorporada (REINF263), tornando a solução do problema muito mais rápida e eficaz. Para validar as sub-rotinas acrescentadas ao sistema, foi feita uma comparação dos resultados numéricos com os valores experimentais disponíveis na literatura técnica, a qual apresentou resultados satisfatórios.This work presents the development of a computational model, based on the finite element method, through the ANSYS platform, version 14.5, for the study of reinforced and prestressed concrete structures, under plane stress states. This work is justified by the importance of reinforced concrete material in the structural engineering, which is subject of ongoing studies due to the very complex behavior when subjected to requests. The difference between the tension and compression strength, the nonlinearity of the stress-strain relation, the cracking, and phenomena related to time as creep and shrinkage of concrete, beyond the plasticity of steel and concrete are the causes of this nonlinearity. The ultimate goal of this work is to implement two different procedures in the computational model, based on an elasto-viscoplastic model. At the first, the response of the structure is given for an instantaneous loading, considering the material with an elastoplastic behavior. At the second, the response of the structure is given over time, considering, in this case, that the material has a viscoelastic behavior. A distributed cracking model makes the representation of the cracked concrete and the reinforcement is introduced through an embedded formulation. Initially, the constitutive relations of each constituent material were studied, in order to best represent them in the numerical model. For the representation of the constitutive equations of concrete and steel, it was implemented a new model of material with the help of the customization tool UPF (User Programmable Features) of ANSYS, where new subroutines were added to the main program in FORTRAN language. The implementation of this new model enabled the use of two-dimensional quadratic elements of 8 nodes (PLANE183) with embedded reinforcement (REINF263), making the solution of the problem faster and more effective. In order to validate the subroutines added to the system, numerical results have been compared to experimental values available on technical literature, which have shown satisfactory results

Projeto de um silo de homogeneização em concreto armado de uma fábrica de cimento localizada no município de Cezarina/GO

Este trabalho versa sobre o desenvolvimento dos projetos estrutural e de fundações de um silo de homogeneização em concreto armado de uma fábrica de cimento localizada no município de Cezarina, estado de Goiás. O silo em questão é uma estrutura enterrada não convencional cujas concepção e dimensões foram determinadas previamente pelo cliente de modo a atender e suprir as necessidades da fábrica. O estudo global da estrutura foi realizado por meio de comparações entre os fundamentos teóricos e os resultados obtidos pela análise da estrutura em um programa em elementos finitos de cálculo estrutural. Em primeiro lugar foi feito um estudo sobre o comportamento mecânico do solo local e assim foram definidos os parâmetros de resistência deste solo, baseados em dados obtidos de um ensaio de campo realizado. Em seguida, foram determinados os esforços resultantes sobre a estrutura, devido ao peso próprio, empuxos de água e terra, sobrecarga e uma combinação de carregamentos produzida pela máquina homogeneizadora apoiada sobre a estrutura. A fim de determinar o tipo de fundação mais adequada e eficiente para o projeto em questão, foi feito um levantamento daquelas de maior ocorrência no mercado brasileiro fazendo-se um estudo comparativo para a seleção de uma delas. Logo depois, foi realizado o cálculo global da estrutura para duas soluções possíveis para o projeto, considerando a análise da interação solo-estrutura, ou seja, quando a rigidez real do elemento de fundação é considerada no cálculo estrutural. Desta forma, foi definida a utilização de fundações profundas do tipo estacas hélice contínua na base de toda a estrutura do silo e foram determinadas, para a pior situação de carregamento, as pressões de contato na interface estrutura-solo, bem como a real distribuição dos esforços internos na superestrutura, a partir dos quais foi feito o dimensionamento estrutural. Por último, foi realizado o processo de detalhamento da estrutura principal e das fundações. Como este trabalho foi baseado em aplicar fundamentos teóricos já existentes, a pesquisa bibliográfica foi de fundamental importância para a resolução de todas as etapas

Análise por elementos finitos de peças de concreto armado e protendido sob estados planos de tensão

Este trabalho versa sobre a implementação de um modelo computacional, através do método dos elementos finitos, utilizando a plataforma ANSYS, versão 14.5, para o estudo de estruturas de concreto armado e protendido, sob estados planos de tensão. A justificativa para a realização deste trabalho vem da importância do material concreto armado dentro da engenharia estrutural, o qual é objeto permanente de estudos por comportar-se de maneira extremamente complexa e apresentar resposta altamente não-linear, quando submetido a solicitações. A diferença entre a resistência à tração e à compressão, a não-linearidade da relação tensão-deformação, a fissuração, e os fenômenos relacionados ao tempo como fluência e retração do concreto, além da plastificação do aço e do concreto são as causas desta não-linearidade. O objetivo final deste trabalho é implementar dois procedimentos distintos no modelo computacional, baseados em um modelo elasto-viscoplástico. No primeiro, a resposta da estrutura é dada para um carregamento instantâneo, considerando-se o material com um comportamento elastoplástico. No segundo, a resposta da estrutura é dada ao longo do tempo, considerando, neste caso, que o material possui um comportamento viscoelástico. A representação do concreto fissurado é feita por um modelo de fissuras distribuídas, e as armaduras são introduzidas através de uma formulação incorporada. Para isto, inicialmente estudou-se as relações constitutivas de cada material, concreto e aço, a fim de melhor representá-los no modelo numérico. Para a representação das equações constitutivas, implementou-se um novo modelo de material com a ajuda da ferramenta de customização UPF (User Programmable Features) do ANSYS, onde foram adicionadas novas sub-rotinas ao programa principal em linguagem FORTRAN. A implementação deste novo modelo possibilitou a utilização de elementos bidimensionais quadráticos de 8 nós (PLANE183) com armadura incorporada (REINF263), tornando a solução do problema muito mais rápida e eficaz. Para validar as sub-rotinas acrescentadas ao sistema, foi feita uma comparação dos resultados numéricos com os valores experimentais disponíveis na literatura técnica, a qual apresentou resultados satisfatórios.This work presents the development of a computational model, based on the finite element method, through the ANSYS platform, version 14.5, for the study of reinforced and prestressed concrete structures, under plane stress states. This work is justified by the importance of reinforced concrete material in the structural engineering, which is subject of ongoing studies due to the very complex behavior when subjected to requests. The difference between the tension and compression strength, the nonlinearity of the stress-strain relation, the cracking, and phenomena related to time as creep and shrinkage of concrete, beyond the plasticity of steel and concrete are the causes of this nonlinearity. The ultimate goal of this work is to implement two different procedures in the computational model, based on an elasto-viscoplastic model. At the first, the response of the structure is given for an instantaneous loading, considering the material with an elastoplastic behavior. At the second, the response of the structure is given over time, considering, in this case, that the material has a viscoelastic behavior. A distributed cracking model makes the representation of the cracked concrete and the reinforcement is introduced through an embedded formulation. Initially, the constitutive relations of each constituent material were studied, in order to best represent them in the numerical model. For the representation of the constitutive equations of concrete and steel, it was implemented a new model of material with the help of the customization tool UPF (User Programmable Features) of ANSYS, where new subroutines were added to the main program in FORTRAN language. The implementation of this new model enabled the use of two-dimensional quadratic elements of 8 nodes (PLANE183) with embedded reinforcement (REINF263), making the solution of the problem faster and more effective. In order to validate the subroutines added to the system, numerical results have been compared to experimental values available on technical literature, which have shown satisfactory results

Static, modal and dynamic analysis of the construction stages of a cable-stayed bridge using the finite element method

O estudo de Pontes Estaiadas no Brasil é motivado pela sua crescente utilização no país e por apresentarem comportamento não linear e sensibilidade à sequência construtiva. Neste contexto, esta tese apresenta uma análise estática, modal e dinâmica a partir de um modelo tridimensional em elementos finitos que simula os estágios construtivos da Ponte do Saber, localizada no Rio de Janeiro, utilizando o software ANSYS. O objetivo foi simular uma análise progressiva, comparando o comportamento viscoelástico com fissuração para o concreto com o modelo elástico. Ao final das análises, pode-se notar que a negligência da consideração do comportamento viscoso do concreto provoca estimativas errôneas de forças de protensão nos estais, as quais podem levar a operações de reprotensão indesejáveis. A partir da configuração de equilíbrio das fases críticas de construção, foi incluída a ação do vento em escoamento turbulento atuando sobre o tabuleiro, com os históricos de velocidades gerados através do método do vento sintético de Franco (1993). De forma geral, as diferenças de força de protensão nos estais observadas entre os modelos resultaram em esforços de compressão mais elevados no tabuleiro representado por materiais com comportamento não linear, diminuindo a rigidez e consequentemente as frequências naturais da estrutura. Sendo assim, a consideração do efeito diferido no concreto, altera a resposta dinâmica da ponte em termos de tensões e deslocamentos, sendo importante a sua consideração para a verificação das seções transversais. Observou-se também que alguns estágios da montagem da ponte apresentam situações com maior risco de falha estrutural do que a análise considerando a ponte concluída, sendo essencial a previsão das fases construtivas na etapa de projeto. Por fim, pode-se dizer que a construção do modelo completo da estrutura torna-se fundamental para a correta determinação do plano de estaiamento, distribuição de tensões nos elementos, e resposta aos efeitos dinâmicos, uma vez que os resultados obtidos a partir desta análise se aproximaram dos valores estimados no projeto original e dos trabalhos de referência de Battista (2012), Gomes (2013) e Curi (2015).The study of cable-stayed bridges in Brazil is motivated by their increasing use in the country and by their non-linear behavior and the sensitivity to the construction sequence. In this context, this thesis presents a static, modal and dynamic analysis based on a three-dimensional finite element model that simulates the constructive stages of Ponte do Saber, in Rio de Janeiro, using the ANSYS software. The objective was to simulate a forward analysis, comparing the viscoelastic behavior with cracking for concrete with the elastic model. At the end of the analysis, it can be noted that the negligence of considering the viscous behavior of the concrete causes erroneous estimates of initial prestressing forces applied to the stays, which can lead to undesirable prestressing operations. From the critical design phases, the action of wind forces in turbulent flow acting on deck was included, which speed histories were generated through the synthetic wind method, proposed by Franco (1993). In general, the differences in prestressing strength observed in the stays between the models resulted in higher compression efforts on the deck represented by materials with non-linear behavior, decreasing the stiffness and consequently the natural frequencies of the structure. Thus, the consideration of the deferred effect in the concrete, alters the dynamic response of the bridge in terms of stresses and displacements, being important its consideration for the verification of the cross sections. It was also observed that some construction stages present situations with a higher risk of structural failure than the analysis considering the completed bridge, being essential the forecast of the construction phases in the design stage. Finally, it can be said that the construction of the complete model of the structure becomes fundamental for the correct determination of the initial prestressing forces in the stays, the stress distribution in the elements, and the response to the dynamic effects, since the results obtained from this analysis approached to the values estimated in the original project and the reference papers of Battista (2012), Gomes (2013) and Curi (2015)

Projeto de um silo de homogeneização em concreto armado de uma fábrica de cimento localizada no município de Cezarina/GO

Este trabalho versa sobre o desenvolvimento dos projetos estrutural e de fundações de um silo de homogeneização em concreto armado de uma fábrica de cimento localizada no município de Cezarina, estado de Goiás. O silo em questão é uma estrutura enterrada não convencional cujas concepção e dimensões foram determinadas previamente pelo cliente de modo a atender e suprir as necessidades da fábrica. O estudo global da estrutura foi realizado por meio de comparações entre os fundamentos teóricos e os resultados obtidos pela análise da estrutura em um programa em elementos finitos de cálculo estrutural. Em primeiro lugar foi feito um estudo sobre o comportamento mecânico do solo local e assim foram definidos os parâmetros de resistência deste solo, baseados em dados obtidos de um ensaio de campo realizado. Em seguida, foram determinados os esforços resultantes sobre a estrutura, devido ao peso próprio, empuxos de água e terra, sobrecarga e uma combinação de carregamentos produzida pela máquina homogeneizadora apoiada sobre a estrutura. A fim de determinar o tipo de fundação mais adequada e eficiente para o projeto em questão, foi feito um levantamento daquelas de maior ocorrência no mercado brasileiro fazendo-se um estudo comparativo para a seleção de uma delas. Logo depois, foi realizado o cálculo global da estrutura para duas soluções possíveis para o projeto, considerando a análise da interação solo-estrutura, ou seja, quando a rigidez real do elemento de fundação é considerada no cálculo estrutural. Desta forma, foi definida a utilização de fundações profundas do tipo estacas hélice contínua na base de toda a estrutura do silo e foram determinadas, para a pior situação de carregamento, as pressões de contato na interface estrutura-solo, bem como a real distribuição dos esforços internos na superestrutura, a partir dos quais foi feito o dimensionamento estrutural. Por último, foi realizado o processo de detalhamento da estrutura principal e das fundações. Como este trabalho foi baseado em aplicar fundamentos teóricos já existentes, a pesquisa bibliográfica foi de fundamental importância para a resolução de todas as etapas

Use of embedded reinforcement FE elements in customized ANSYS for analysis of reinforced concrete beams

Este trabalho versa sobre o desenvolvimento de um modelo computacional, através do método dos elementos finitos, para análise não linear de estruturas em concreto armado sob estados planos de tensão com a utilização de armadura incorporada no ANSYS. O objetivo deste trabalho foi implementar dois procedimentos distintos no modelo computacional, baseados em um modelo elasto-viscoplástico. No primeiro, a resposta da estrutura é dada para um carregamento instantâneo, considerando o material com um comportamento elastoplástico. No segundo, a resposta da estrutura é dada ao longo do tempo, considerando, neste caso, que o material possui um comportamento viscoelástico. Para a representação do modelo constitutivo do concreto e da armadura, utilizou-se a ferramenta de customização UPF (User Programmable Features) do ANSYS, onde foram adicionadas ao programa principal as novas sub-rotinas desenvolvidas em linguagem FORTRAN. A grande vantagem da implementação deste modelo foi a possibilidade da utilização de elementos bidimensionais quadráticos de 8 nós e 2 graus de liberdade por nó (PLANE183) com armadura incorporada (REINF263), de modo a reduzir o esforço computacional e tornar a solução do problema muito mais rápida e eficaz. A fim de validar as sub-rotinas implementadas através da interface com o programa principal, foram simuladas as vigas de concreto armado, ensaiadas por Bresler e Scordelis (1963), que abrangem uma grande variedade de comportamentos, incluindo situações de falhas por flexão e corte. A comparação entre análises numéricas e experimentais mostraram resultados bastante satisfatórios.This work presents the development of a computational model, based on the finite element method, through the ANSYS platform, for the study of reinforced concrete structures, under plane stress states. The ultimate goal of this work is to implement two different procedures in the computational model that arebased on an elasto-viscoplastic model. In the first procedure, the response of the structure is given for an instantaneous loading, considering the material with an elastoplastic behavior. In the second one, the response is given over time, considering the material as having a viscoelastic behavior. The representation of the constitutive equations of concrete and steelis carried out througha new model with the help of the customization tool UPF (User Programmable Features) of ANSYS, where new subroutines were added to the main program in FORTRAN language. The implementation of this new model enabled the use of two-dimensional eight-node quadratic elements (PLANE183) with embedded reinforcement elements(REINF263), making the solution of the problem faster and more effective. In order to validate the subroutines added to the system, the reinforced concrete beamstested by Bresler and Scordelis (1963), which cover a wide variety of structural behaviors, were modeled andanalyzed withthe procedures proposed.The comparison between experimental and numerical analysis showed a good adherence between results

Use of embedded reinforcement FE elements in customized ANSYS for analysis of reinforced concrete beams

Este trabalho versa sobre o desenvolvimento de um modelo computacional, através do método dos elementos finitos, para análise não linear de estruturas em concreto armado sob estados planos de tensão com a utilização de armadura incorporada no ANSYS. O objetivo deste trabalho foi implementar dois procedimentos distintos no modelo computacional, baseados em um modelo elasto-viscoplástico. No primeiro, a resposta da estrutura é dada para um carregamento instantâneo, considerando o material com um comportamento elastoplástico. No segundo, a resposta da estrutura é dada ao longo do tempo, considerando, neste caso, que o material possui um comportamento viscoelástico. Para a representação do modelo constitutivo do concreto e da armadura, utilizou-se a ferramenta de customização UPF (User Programmable Features) do ANSYS, onde foram adicionadas ao programa principal as novas sub-rotinas desenvolvidas em linguagem FORTRAN. A grande vantagem da implementação deste modelo foi a possibilidade da utilização de elementos bidimensionais quadráticos de 8 nós e 2 graus de liberdade por nó (PLANE183) com armadura incorporada (REINF263), de modo a reduzir o esforço computacional e tornar a solução do problema muito mais rápida e eficaz. A fim de validar as sub-rotinas implementadas através da interface com o programa principal, foram simuladas as vigas de concreto armado, ensaiadas por Bresler e Scordelis (1963), que abrangem uma grande variedade de comportamentos, incluindo situações de falhas por flexão e corte. A comparação entre análises numéricas e experimentais mostraram resultados bastante satisfatórios.This work presents the development of a computational model, based on the finite element method, through the ANSYS platform, for the study of reinforced concrete structures, under plane stress states. The ultimate goal of this work is to implement two different procedures in the computational model that arebased on an elasto-viscoplastic model. In the first procedure, the response of the structure is given for an instantaneous loading, considering the material with an elastoplastic behavior. In the second one, the response is given over time, considering the material as having a viscoelastic behavior. The representation of the constitutive equations of concrete and steelis carried out througha new model with the help of the customization tool UPF (User Programmable Features) of ANSYS, where new subroutines were added to the main program in FORTRAN language. The implementation of this new model enabled the use of two-dimensional eight-node quadratic elements (PLANE183) with embedded reinforcement elements(REINF263), making the solution of the problem faster and more effective. In order to validate the subroutines added to the system, the reinforced concrete beamstested by Bresler and Scordelis (1963), which cover a wide variety of structural behaviors, were modeled andanalyzed withthe procedures proposed.The comparison between experimental and numerical analysis showed a good adherence between results

Finite element numerical simulation of a cable-stayed bridge construction through the progressive cantilever method

Cable-stayed structures have become popular worldwide as one of the main alternatives for bridge designs with spans from 200 to 1000 m. Due to the dimensions of the structural elements that typically compose such bridges and their nonlinear structural behavior, it is usually employed in the designing phases an analysis that considers the executive process to predict the staycables prestress and the deck elevation. Other relevant factor to consider in numerical simulations is the materials viscous behavior since they have an important role in deflection responses. This study simulates numerically, using the Finite Element Method (FEM), the phases of a prestressed concrete cablestayed bridge construction by the progressive cantilever method. The ANSYS software, version 19.2, is customized in its USERMAT3D subroutine, which is used to introduce the viscoelastic models for creep and shrinkage, and the cracking of concrete into the main software. The FEM model simulates the pylon, deck, and stay-cables of the bridge. The vertical displacements of the deck and the history of forces in the stay-cables are compared with the measurements taken during a real bridge construction showing good agreement. Horizontal displacements of the pylon and the stress–strain history in the concrete with the construction sequence are also presented, showing good agreement as well even with the added viscous effects