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An interface element for numerical analysis of flat plate/shell elements with deformable connection.
(2018) Silva, Amilton Rodrigues da; Dias, Luís E. S.
he use of numerical methods such as the finite elements method for solving structural analysis problems is becoming ever more efficient. An interface element capable of associating flat plate/shell element in three different combinations has been developed. In a structural analysis, when only the flat plate/shell’s finite elements are used in the discretization, some problems concerning dimensional variation of the transversal section, as well as overlapping of areas can occur. . The aforementioned problems can be solved by the developed interface elements that can also simulate a possible deformable connection that is existent in the association of materials with different characteristics, such as the composite steel-concrete elements. One of the applications of the finite elements developed is for the numerical simulation of composite steel-concrete elements, such as the composite beam formed by a reinforced concrete slab attached to a steel beam using a deformable connection. In this case, the concrete slab and the steel beam are discretized by the flat plate/shell element, and the deformable connection done by the interface elements. In the validation of the implemented elements, we used numerical and experimental results found in the literature, and analytical solutions considering the classical plate theory.
Análise de estruturas de concreto armado via modelos de bielas e tirantes e técnicas de otimização topológica.
(2019) Ladeira, Artur Hallack; Silva, Amilton Rodrigues da; Silva, Amilton Rodrigues da; Fernandes, Walliston dos Santos; Lemes, Igor José Mendes
O Modelo de Bielas e Tirantes (MBT) pode ser uma excelente alternativa para o dimensionamento de elementos estruturais em concreto armado submetidos a estado plano de tensão e para regiões que apresentem descontinuidade de ordem geométrica ou estática. Nesse sentido, o modelo permite uma melhor representação do comportamento estrutural e mecanismos de resistência nas estruturas de concreto. Para tornar a concepção do modelo menos dependente da experiência do projetista, o presente trabalho tem como objetivo a aplicação do modelo de bielas e tirantes em elementos estruturais e seu dimensionamento considerando a não-linearidade dos materiais, aliando a técnica de otimização topológica ESO (Evolutionary Structural Optimization) ao Método dos Elementos Finitos. O critério de evolução do método de otimização topológica adotado considera a eliminação de elementos/armadura menos solicitados e ocorre em duas etapas. Em um primeiro momento essa remoção é feita em nível de tensão, considerando uma análise linear, a qual gera o MBT e a configuração inicial para disposição das armaduras. Em seguida, é feita uma análise não linear onde são excluídas as armaduras dos elementos com menores níveis de deformação, obtendo-se a configuração final e a consequente distribuição de armadura procurada. Nesse contexto, é possível obter soluções otimizadas de problemas complexos envolvendo o concreto estrutural. São apresentados exemplos de cada etapa deste trabalho para comprovação e validação das técnicas implementadas. Os MBT’s obtidos apresentam boa concordância com os modelos normativos e com aqueles encontrados na literatura. Além disso, com a consideração da não linearidade dos materiais foi possível reduzir sobremaneira o consumo de aço em relação à análise linear.
Análise de pisos mistos com conexão deformável sob ação de cargas induzidas por atividades rítmicas considerando a interação homem-estrutura.
(2019) Machado, Wanderson Gonçalves; Neves, Francisco de Assis das; Silva, Amilton Rodrigues da; Cury, Alexandre Abrahão; Sousa Junior, João Batista Marques de; Varela, Wendell Diniz
Novas tendências arquitetônicas aliadas a necessidade de vencer grandes vãos, e sobretudo, com um menor peso estrutural, tem resultado em sistemas estruturais cada vez mais arrojados. Esse arrojo tem provocado, muitas vezes, sérios problemas quanto aos Estados Limites de Utilização da estrutura, principalmente os relacionados à vibração, o que na maioria das vezes não causa risco de ruína da estrutura, mas sérios problemas quanto ao conforto dos usuários. Os elementos estruturais mistos de aço e concreto mais utilizados são as vigas, pilares e pisos, sendo este último objeto de estudo deste trabalho. Os pisos mistos têm sido muito utilizados devido a sua capacidade de vencer grandes vãos. O objetivo do presente trabalho é validar os elementos de barra, placa e interface implementados para a análise dinâmica de pisos mistos considerando uma possível conexão deformável, bem como a Interação Homem-Estrutura (IHE), ou seja, que o usuário, simulado por um sistema Massa-Mola-Amortecedor (MMA). Encontra-se na literatura diversos trabalhos sobre a análise dinâmica de pisos mistos considerando a conexão não-deformável, porém quando se considera a conexão deformável juntamente com à IHE, nenhum trabalho foi encontrado. A validação dos elementos finitos implementados é realizada por meio da avaliação das frequências naturais e modos de vibração, bem como dos deslocamentos e acelerações (de pico e/ou médias), sendo os resultados obtidos comparados com resultados encontrados por outros autores, sempre procurando verificar a influência da rigidez da conexão e/ou da IHE no comportamento estrutural. Para a avaliação do comportamento desses elementos, é utilizado o Método dos Elementos Finitos, sendo o piso discretizado por elementos finitos de barra, placas e interface. Já o usuário/pedestre é discretizado de duas maneiras: primeiro, considerado como uma “força dura”, ou seja, não interage com a superfície da estrutura; segundo, considerado como um sistema massa-molaamortecedor, capaz de simular a IHE, sendo ainda possível simular o efeito de multidão por meio da utilização de vários sistemas MMA na estrutura. Os resultados obtidos se mostraram satisfatórios para estruturas mistas com conexão deformável e não deformável e também para estruturas formadas por um único material, tanto considerando o pedestre como “força dura”, quanto considerando-o como um sistema MMA, seja para um único pedestre ou considerando o efeito de multidão.
Análise não-linear física e geométrica de sistemas aporticados com elementos de rigidez variável em concreto armado.
(2017) Mendes, Tatiane Maga Pereira; Araújo, Francisco Célio de; Araújo, Francisco Célio de; Neves, Francisco de Assis das; Silva, Amilton Rodrigues da; Ribeiro, Gabriel de Oliveira
Neste trabalho apresentam-se estratégias para a análise não-linear física e geométrica de pórticos planos em concreto armado. A não-linearidade física será incluída de duas formas: via modelo de Ghali-Favre e via processo de equilíbrio direto de esforços na seção. No modelo de Ghali-Favre, a rigidez em uma dada seção de um elemento, para certo nível de solicitação no estádio II, é determinada a partir interpolação das deformações generalizadas nos estádios I e II puro. No método de equilíbrio direto da seção, faz-se uso de uma estratégia iterativa de equilíbrio, onde deformações axiais e flexionais são iterativamente impostas e os correspondentes esforços internos calculados, até que se verifique equilíbrio entre esforços resistentes e solicitantes. Assim, pode-se determinar as rigidezes axial e flexional, em uma dada seção, correspondente ao nível de solicitação. De posse então da rigidez (variável) ao longo do elemento estrutural, emprega-se uma formulação baseada no Método da Rigidez Direta (MRD) que possibilita modelar essa variação de rigidez segundo leis matemáticas quaisquer. Ademais, se incluem, na formulação, opções de modelagem de seções de formas geométricas quaisquer, eventualmente variáveis ao longo do elemento. Para a análise não linear, adota-se um esquema incremental-iterativo de Newton-Raphson no qual a matriz de rigidez geométrica é atualizada, em cada iteração do processo incremental-iterativo, enquanto a matriz de rigidez física é atualizada apenas a cada novo incremento de carga. Assim, tanto a degradação por fissuração do concreto como grandes deslocamentos são considerados na análise. Nesse algoritmo, um referencial corrotacional é também considerado. Comparações com resultados experimentais são mostradas para atestar a eficiência da estratégia.
Análise numérica de cascas de concreto ligadas com conexão deformável a vigas de aço usando elementos finitos de casca e interface.
(2016) Dias, Luís Eduardo Silveira; Silva, Amilton Rodrigues da; Neves, Francisco de Assis das; Ribeiro, José Carlos Lopes Ribeiro
Com o crescente uso do aço na construção civil no Brasil, em especial na confecção de pilares e vigas em edifícios de múltiplos andares, é cada vez mais comum a presença de elementos mistos formados pela associação mecânica entre elementos de superfície de concreto e vigas de aço na construção civil. Geralmente essa associação mecânica é feita por conectores soldados ao elemento de aço e envolvidos pelo elemento de concreto. Devido à deformabilidade existente na ligação surgem deslocamentos relativos entre os elementos conectados. Esses deslocamentos poderão ser mais ou menos significativos dependendo da rigidez da ligação, ou seja, do número e do tipo de conectores utilizados. Nesse trabalho foram desenvolvidos três elementos finitos de interface capazes de associar elementos planos de casca em três diferentes combinações: elementos em planos paralelos sobrepostos; planos ortogonais; e elementos paralelos pertencentes ao mesmo plano. Esses elementos de interface podem ser utilizados para evitar a sobreposição de áreas, ou alteração das dimensões da seção transversal, quando se utiliza um modelo de discretização em elementos de casca para uma análise estrutural qualquer. Eles também têm a função de ligar os elementos de cascas de uma seção mista e simular o comportamento mecânico da conexão deformável. Os elementos de interface deverão ter graus de liberdade compatíveis com os graus de liberdade dos elementos de cascas aos quais serão conectados. Nesse trabalho será utilizado o elemento de casca com nove nós, o elemento unidimensional e bidimensional de interface de seis nós e dezoito nós, respectivamente, sendo todos com cinco graus de liberdade por nó (a nível local). Para viabilizar a montagem do arquivo de entrada de dados usando os elementos finitos propostos, foi desenvolvido um gerador de malha de elementos finitos. Por exemplo, para o caso de uma viga mista, definida a superfície de concreto, sua espessura, as posições das vigas de aço, forma e dimensões de sua seção transversal, o gerador de malha irá discretizar em elementos de casca a superfície de concreto e as vigas de aço inserindo elementos de interface nas regiões de contato entre as vigas de aço e a superfície de concreto. Na validação dos elementos implementados foram utilizadas soluções analíticas, resultados numéricos obtidos de softwares comerciais e resultados experimentais e numéricos da literatura.
Análise numérica de elementos estruturais com interação parcial.
(Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil. Departamento de Engenharia Civil, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto., 2010) Silva, Amilton Rodrigues da; Sousa Junior, João Batista Marques de
Elementos estruturais compostos por dois ou mais membros, com diferentes materiais e seções, conectados entre si através de ligações deformáveis, aparecem em diversas situações práticas de Engenharia. O exemplo clássico na Engenharia Civil é o caso da viga mista de aço e concreto, na qual uma laje de concreto se combina a um perfil metálico. Os conectores de cisalhamento que fazem a ligação entre os dois elementos permitem um deslocamento relativo entre os componentes, gerando um comportamento estrutural diferente de um sistema composto por dois elementos rigidamente conectados. No contexto das estruturas mistas este fenômeno é conhecido como interação parcial. Outras estruturas, como vigas de madeira formadas por múltiplas chapas coladas, apresentam comportamento semelhante. O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento, implementação e teste de ferramentas numéricas, baseadas no Método dos Elementos Finitos, para a simulação computacional de estruturas onde haja conexão deformável. Desta forma, foram formulados, implementados e testados em uma plataforma computacional diversos elementos finitos capazes de representar estruturas com este tipo de comportamento. Numa primeira etapa foram desenvolvidas formulações de elementos unidimensionais de interface, que acoplados a elementos de viga, permitem a solução do problema da conexão deformável, tanto no sentido longitudinal (deslizamento) como no sentido transversal (separação). Como extensão dos elementos tradicionais de Euler- Bernoulli, foram considerados diferentes alternativas de acordo com a Teoria de Timoshenko para vigas. Uma análise extensiva sobre as vantagens e desvantagens de cada elemento, incluindo eliminação de comportamentos espúrios (travamento) foi realizada. Aplicações a estruturas em múltiplas camadas foram desenvolvidas, incluindo o desenvolvimento de uma nova formulação analítica para a solução exata do problema no caso linear. Numa etapa posterior, com o objetivo de obter soluções mais precisas para o caso de vigas mistas de aço e concreto, desenvolveram-se elementos finitos de interface específicos para a conexão entre elementos de viga e elementos de placa. Para o elemento de viga de aço, uma formulação não-linear unidimensional foi desenvolvida com base na teoria de Timoshenko. Para o elemento de placa, baseado na Teoria de Reissner-Mindlin, com o objetivo de representar a não-linearidade física do concreto (fissuração e esmagamento), um modelo de camadas superpostas foi empregado. Em cada camada, um modelo constitutivo bidimensional baseado nas direções principais de deformação foi utilizado. A consideração de grandes deslocamentos foi feita através de hipóteses de Von Kárman. Com estas implementações tornou-se possível a simulação de pavimentos mistos de aço e concreto, com aplicações práticas relevantes, como a correta simulação do efeito de variação transversal das tensões cisalhantes, e a análise de larguras efetivas de vigas mistas.
Análise numérica de vigas mistas com interação parcial.
(Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil. Departamento de Engenharia Civil, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto., 2006) Silva, Amilton Rodrigues da; Sousa Junior, João Batista Marques de
O aumento da utilização de estruturas de aço em obras de engenharia na construção civil, a presença do concreto garantida pelo preenchimento das lajes de piso e o ganho nas propriedades mecânicas das vigas mistas em relação às vigas comuns, incidem em um relativo aumento deste tipo de elemento estrutural na prática da construção. Um indicativo deste crescimento é o projeto de revisão da norma brasileira de dimensionamento de estruturas em aço, onde além da revisão do seu texto original, tratará o conceito de novas técnicas construtivas como os elementos estruturais de seção mista. O objetivo deste trabalho é estabelecer um tratamento mais adequado em relação à análise de vigas mistas com interação parcial, ou seja, considerando o deslizamento relativo na interface de contato entre os materiais. Para isto utiliza-se o Método dos Elementos Finitos. Para solução deste tipo de problema usando o método dos elementos finitos será desenvolvido um elemento unidimensional de viga que consiga simular o deslizamento na interface de contato entre os materiais da seção mista considerando a não-linearidade física destes materiais e a possibilidade de seções transversais genéricas. Em uma segunda estratégia de solução do problema utilizando o método dos elementos finitos desenvolve-se um elemento de interface retangular de espessura nula capaz de simular o deslizamento ao longo da interface, sendo o comportamento das seções acima e abaixo da interface de deslizamento simulado por dois elementos unidimensionais de viga. A ação em conjunto destes elementos garante uma solução satisfatória para os problemas de vigas mistas com interação parcial. Os elementos implementados neste trabalho serão comparados com elementos desenvolvidos por outros autores através dos resultados numéricos de alguns exemplos específicos encontrados na literatura. Também será utilizado, na validação dos elementos implementados e, para o caso de comportamento linear, a solução exata do problema de viga mista com interação parcial dada pela equação diferencial de Newmark.
Análise numérica não linear de lajes de concreto com fôrma de aço incorporada.
(2018) Silva, Priscila Brandão; Silva, Amilton Rodrigues da; Silva, Amilton Rodrigues da; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Martins, Cláudio José
Os edifícios de múltiplos andares são cada vez mais comuns em grandes cidades para diversas finalidades, como edifícios residenciais e comerciais. As lajes de concreto com fôrma de aço incorporada são largamente utilizadas nesse tipo de edifícios. O comportamento das lajes mistas é governado pelo cisalhamento longitudinal na interface entre o aço e o concreto, que é desenvolvido em lajes sob flexão simples. O método m-k e o método da interação parcial, utilizados no cálculo da resistência ao cisalhamento na interface aço-concreto de lajes mistas, são baseados em ensaios experimentais caros e de longa duração. O uso do método dos elementos finitos apresenta vantagens como alta eficiência e baixo custo, logo, a análise numérica das lajes mistas se apresenta como uma alternativa interessante. O objetivo principal desse trabalho é implementar um modelo de elementos finitos para análise numérica não linear de lajes de concreto com fôrma de aço incorporada. Dessa forma, dois elementos finitos planos de casca para análise numérica não linear de placas de concreto estrutural simples ou armado e placas de aço são implementados. Na formulação do primeiro é utilizada a teoria de placas de Reissner-Mindlin (placas espessas) definindo um elemento plano de casca com nove nós e cinco graus de liberdade por nó a ser utilizado na modelagem de placas de concreto. O segundo elemento plano de casca é baseado na teoria de placas de Kirchoff (placas finas) considerando quatro nós e cinco graus de liberdade por nó, e é utilizado na análise numérica de placas de aço ou de concreto simples ou armado. Nas análises numéricas apresentadas no presente trabalho a laje de concreto, de espessura dada pela altura total da laje menos a altura da forma de aço, e a fôrma de aço são modeladas com elementos planos de casca. A nervura de concreto é modelada com elementos de barra. O contato entre o aço e o concreto é modelado através de elementos de interface. As não linearidades geométrica e do material são consideradas na análise numérica. Os exemplos analisados validam o modelo numérico sugerido neste trabalho apresentando a vantagem de usar uma discretização bidimensional do problema enquanto que os modelos numéricos comparativos utilizam de uma discretização tridimensional da laje de concreto.
Análise numérica não linear de vigas e lajes de concreto protendido.
(2018) Rosa, João Paulo de Souza; Silva, Amilton Rodrigues da; Silva, Amilton Rodrigues da; Silva, Kátia Inácio da; Inoue, Hisashi
A aplicação da protensão em vigas e lajes tem sido difundida cada vez mais, através do desenvolvimento de novas técnicas construtivas e necessidade de soluções práticas na área da construção. Muitos estudos foram e estão sendo realizados com o intuito de se conhecer bem o comportamento de estruturas protendidas, de forma a tirar o maior proveito, com segurança, de suas possibilidades construtivas. O objetivo principal desse trabalho é implementar um modelo de elementos finitos para análise numérica não linear de vigas e lajes de concreto protendido. Dessa forma, foi implementado um elemento finito de interface para análise numérica não linear. Este elemento é capaz de simular tanto o deslizamento que ocorre entre a laje de concreto e a armadura ativa quanto a deformação que esta armadura sofre. As perdas de protensão imediatas e diferidas no tempo foram implementadas. Nas análises numéricas apresentadas no presente trabalho as lajes de concreto são modeladas com elementos planos de casca e as vigas modeladas com elementos de barra. O contato entre as cordoalhas e o concreto é modelado através de elementos de interface. As não linearidades geométrica e física são consideradas na análise numérica. Os exemplos analisados validam o modelo numérico sugerido neste trabalho mostrando um ótimo resultado quando comparado ao resultado experimental.
Análise via Método dos Elementos de Contorno (MEC) de elementos estruturais compósitos de seções genéricas e rigidez variável submetidos a torção não uniforme.
(2022) Hillesheim, Maicon José; Araújo, Francisco Célio de; Araújo, Francisco Célio de; Neves, Francisco de Assis das; Silva, Amilton Rodrigues da; Telles, José Cláudio de Faria; Wrobel, Luiz Carlos
Algoritmos capazes de simular com exatidão o comportamento de estruturas de materiais compósitos demandam grande esforço computacional, sobretudo em casos de sólidos tridimensionais com geometrias complexas. Nesse contexto, este trabalho se propõe a desenvolver um elemento finito unidimensional, fundamentado em teoria de vigas, capaz de reconstituir a resposta de sólido 3D para barras de seção heterogênea e variável submetidas a torção não uniforme. Nessa abordagem, dois modos de empenamento são considerados, o primeiro descrito pela equação diferencial de Laplace o segundo, pela equação de Poisson, as quais são resolvidas através de uma formulação bidimensional do MEC. Ao longo do comprimento, o problema é descrito por um sistema de equações diferenciais ordinárias cujas variáveis independentes são as parcelas primária e secundária do ângulo de torção. Nesta pesquisa, essas equações são solucionadas de maneira inédita através do Método dos Resíduos Ponderados (MRP). Em formulações do MEC, a heterogeneidade da seção transversal demanda o emprego de uma estratégia de decomposição de domínio. Para isso emprega-se uma técnica de subestruturação genérica de modelos de elementos de contorno (BE-SBS), que possibilita trabalhar com um número qualquer de subdomínios. Um aspecto relevante dessa técnica é o uso de solvers de Krylov, que possibilitam eliminar operações com grandes blocos de zeros, ocasionando grande otimização dos recursos computacionais. Além disso, a técnica conta com elementos descontínuos e algoritmos especiais de integração, viabilizando de forma unificada o tratamento de seções envolvendo domínios esbeltos ou espessos. Diversos exemplos são apresentados para demonstrar a acurácia, eficiência e robustez das formulações desenvolvidas.
Dimensionamento otimizado de vigas mistas aço-concreto.
(2018) Rodrigues, Tatiana Aparecida; Silva, Amilton Rodrigues da; Silva, Amilton Rodrigues da; Neves, Francisco de Assis das; Souza, Flávio Teixeira de
As seções mistas aço-concreto estão cada vez mais sendo utilizadas nas obras de engenharia civil, tanto no cenário mundial quanto no Brasil. O trabalho conjunto do perfil de aço e da laje de concreto aumenta consideravelmente o desempenho do elemento estrutural misto devido ao aproveitamento das vantagens de cada material. Nesse trabalho, é utilizado um elemento de barra em conjunto com um elemento de interface para análise não linear de vigas mistas açoconcreto com interação parcial. O objetivo é montar um algoritmo que utilize essas ferramentas de análise para dimensionar vigas mistas aço-concreto buscando um projeto otimizado em termos de gastos dos materiais. Definido os vãos, apoios, carregamentos para verificação última e de serviço, para a viga analisada, um algoritmo de otimização é utilizado para definir as dimensões da seção transversal retangular da laje de concreto e do perfil de aço do tipo I e a quantidade e diâmetro das barras de reforço da laje de concreto, de forma que, a quantidade desses materiais sejam as mínimas necessárias para resistirem aos esforços solicitantes e garantirem a segurança estrutural, considerando os estados limites último e de serviço. As restrições de projeto são aquelas definidas em normas referentes ao dimensionamento de elementos lineares de concreto, aço ou misto, assim como restrições laterais referentes às dimensões limites das peças e do tamanho do passo do algoritmo de otimização não linear. A função objetivo é definida como sendo o custo por metro linear da viga mista, obtida a partir do custo de cada material, aço, concreto e armadura. No processo de otimização é utilizado o método iterativo de programação linear sequencial, no qual o problema não linear de definição das variáveis de projeto que atenda a todas as restrições de projeto é aproximado por uma sequência de problemas lineares, que tem seu ponto ótimo definido a cada passo com a utilização do método Simplex. Exemplos de vigas mistas para as quais foram definidas suas cargas últimas foram utilizados para validação das implementações. Outros exemplos foram analisados para os quais foram controlados a cada iteração as restrições e função objetivo, verificando a funcionalidade do algoritmo.
Dynamic analysis of composite beam and floors with deformable connection using plate, bar and interface elements.
(2019) Machado, Wanderson Gonçalves; Silva, Amilton Rodrigues da; Neves, Francisco de Assis das
New architectural tendencies combined with more resistant materials and increasingly efficient structural systems, results in projects that are safe for ultimate load capacity, but with problems related to service loads, i.e., the structure doesn’t collapse, but causes discomfort to the user. Structures with deformable connection are formed by the association of two or more structural elements by means of a deformable shear connection. In construction the most common cases of this type of structures are steel-concrete composite structures. Among these, the composite beams and floors are more susceptible to be excited by dynamic loading induced by human rhythmic activities, as walking, dancing, jumping, among others. The objective of this work is, from the three dynamic finite element formulation (plate, bar and interface), to show the efficiency of these in simulation of composite floors and beams with deformable connection under dynamic loading, where the deformable shear connection is simulated by the interface element, being the main contribution of this work. The proposed analysis model is tested and validated by means of frequency analysis results and natural vibration modes of composite floors and beams, as well as the calculation of displacements and accelerations of those when subjected to dynamic loads due the rhythmic activities. Another contribution of the model proposed in this article is the verification of the influence of the “shear lag” effect in the determination of the natural frequencies and vibration modes of composite beams, which cannot be evaluated when analyzed only for bar and interface elements.
Estimativa de custo para o pré-projeto de pontes rodoviárias mistas de aço e concreto.
(2017) Lopes, Rafael Azevedo Cançado; Neves, Francisco de Assis das; Neves, Francisco de Assis das; Silva, Amilton Rodrigues da; Freitas, Marcílio Sousa da Rocha; Pravia, Zacarias Martin Chamberlain
A definição do sistema estrutural de uma ponte mista de aço e concreto para uso rodoviário depende de vários fatores que devem ser levados em consideração durante a elaboração do projeto, tais como: função, topografia local, natureza do solo, extensão e vão livre necessários, gabaritos a serem obedecidos, estética, acessos, localização, tempo de execução previsto e custos disponíveis para a obra. Neste trabalho serão abordadas todas as etapas do projeto das superestruturas de pontes mistas de aço e concreto em vigas múltiplas de perfis de aço do tipo I e lajes em concreto: cálculo, dimensionamento, detalhamento, fabricação, transporte e montagem. Assim, pode-se analisar e parametrizar as características e particularidades deste tipo de projeto, desenvolvendo um software específico para prédimensionamento destas estruturas, seguindo as diretrizes e recomendações da norma AASTHO, permitindo ao usuário obter resultados rápidos e consistentes.
Estratégias numéricas para otimização da solução não linear de problemas estruturais.
(2019) Rocha Segundo, Jackson da Silva; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Silva, Andréa Regina Dias da; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Silva, Andréa Regina Dias da; Silva, Amilton Rodrigues da; Maximiano, Dalilah Pires
É crescente a busca por ferramentas computacionais capazes de realizar simulações numéricas de sistemas estruturais com comportamento não linear. Para problemas estáticos não lineares, em particular, é fundamental a implementação e uso de estratégias numéricas com o objetivo de obter de forma completa as trajetórias de equilíbrio da estrutura, superando possíveis pontos críticos (pontos limite e de bifurcação). No contexto dos métodos de discretização (Método dos Elementos Finitos, Método das Diferenças Finitas, Método dos Elementos de Contorno, etc), em que estratégias incrementais e iterativas são geralmente adotadas, os solvers não lineares devem ser eficientes nas duas fases do processo de solução (predita e corretiva), para cada passo do carregamento aplicado. São implementadas neste trabalho duas estratégias para tornar o procedimento de solução não linear mais robusto e eficiente: o ciclo iterativo de Potra-Pták e a técnica de otimização da busca linear. A primeira estratégia consiste em uma modificação do processo iterativo de Newton-Raphson, na qual são realizadas duas avaliações da função gradiente, representada pelas forças desequilibradas do sistema estrutural. Por sua vez, a busca linear é a técnica que visa escalonar o vetor de deslocamentos corretivos na fase iterativa, procurando garantir e acelerar a convergência do processo. Essas estratégias numéricas são detalhadas, implementadas (na ferramenta computacional CS-ASA, Computational System for Advanced Structural Analysis) e usadas em análises de estruturas com forte não linearidade. Através dos resultados numéricos obtidos, percebe-se que as estratégias empregadas são alternativas válidas e eficientes para a análise não linear geométrica de vigas, colunas, pórticos e arcos, proporcionando, em geral, a redução no número de incrementos de carga, iteração e tempo de processamento para obter o caminho de equilíbrio de forma completa.
Estudo numérico avançado de estruturas de aço, concreto e mistas.
(2018) Lemes, Igor José Mendes; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Silva, Andréa Regina Dias da; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Rocha, Paulo Anderson Santana; Silva, Amilton Rodrigues da; Sousa Junior, João Batista Marques de; Horowitz, Bernardo
Este trabalho apresenta uma formulação numérica generalizada, baseada na plasticidade concentrada, aplicável na análise de estruturas de aço, de concreto e mistas de aço e concreto. São abordadas fontes de não linearidades, como: os efeitos de segunda ordem, a inelasticidade, as ligações semirrígidas e a interação parcial em vigas mistas. Um elemento finito corrotacional 2D foi utilizado e associado a funções de interpolação para evitar o enrijecimento espúrio da estrutura durante a análise. Associado a este elemento, o Método da Compatibilidade de Deformações (MCD) foi utilizado para inserir o comportamento dos materiais nos nós do modelo numérico, viabilizando a análise de elementos constituídos por concreto. As ligações semirrígidas foram tratadas por meio de pseudo-molas de comprimento nulo, inseridas nas extremidades do elemento, sendo sua rigidez rotacional obtida pela relação momento-rotação da ligação. Já a interação parcial foi simulada com um grau de liberdade adicional no problema local, via MCD. Fez-se o desmembramento da força axial, sendo parte absorvida pelo perfil e a outra parte pela laje. Verificou-se nos exemplos simulados que a formulação numérica proposta é estável com boa concordância com dados numéricos e experimentais da literatura e sem os problemas comumente relacionados aos métodos baseados na plasticidade concentrada. Por fim, o tratamento da interação parcial aliada à plasticidade na forma concentrada e as ligações semirrígidas se torna um diferencial do estudo realizado.
Formulação numérica-computacional para análise linear estática e dinâmica de cascas de espessura variável.
(2020) Becerra, Humberto Cardona; Silva, Amilton Rodrigues da; Silva, Amilton Rodrigues da; Neves, Francisco de Assis das; Inoue, Hisashi
Na arquitetura a relação forma-estrutura poucas vezes é projetada paralelamente, isto é, arquiteto e engenheiro trabalham independentemente, porém nem sempre deve ser assim. Alguns sistemas estruturais exigem uma colaboração mútua, tal o caso das estruturas de superfície ativa dentro das quais encontram-se as cascas. As cascas são sistemas ideais na otimização de recurso, cobrindo grandes vãos com pouco material, mas tanto a sua complexidade de análise como construtiva tem deixando-as de lado na consideração de resposta estrutural-arquitetônica. Neste trabalho realiza-se a formulação e implementação de um elemento finito de casca curvo, procurando uma melhor resposta do que o elemento plano, os quais têm sido bastante utilizados na análise de cascas, exigindo uma discretização muito refinada para se aproximar à geometria da superfície curva e fornecer bons resultados. Na implementação do elemento utiliza-se o programa FEMOOP desenvolvido na PUC-RJ. Nesse programa já existem vários elementos, inclusive um elemento plano para a análise de cascas, que são implementados como classes derivadas da classe base chamada cElement. Nesse trabalho é implementada uma nova classe derivada. Considera-se um elemento solido tridimensional degenerado, restrito ao comportamento de uma casca fina sob as hipóteses de Reissner Mindlin. Este elemento é representado como um elemento lagrangeano quadrilateral curvo isoparamétrico de nove nós com cinco graus de liberdade por nó, empregando-se uma interpolação linear na espessura e uma interpolação quadrática nos lados do elemento. Na avaliação do elemento analisaram-se estruturas de casca de espessura constate e espessura variável. Os resultados dos primeiros exemplos foram comparados com outros autores, porém no segundo caso, as respostas foram contrastadas com respostas obtidas no programa comercial SAP2000 (elemento Shell). Em termos de aplicabilidade do elemento implementado analisaram-se duas passarelas de pedestre apoiadas sobre estruturas curvas, procurando com a modificação na espessura da casca, garantir o melhor comportamento da estrutura sob ações dinâmica referente a atividades rítmicas.
Nonlinear numerical analysis of prestressed concrete beams and slabs.
(2020) Silva, Amilton Rodrigues da; Rosa, João Paulo de Souza
Due to the development of new constructive techniques, design of structures in prestressed concrete has been widely used in the practice. In this work the plate, bar and interface finite element formulations for numerical simulation of prestressed concrete beams and slabs is presented. Emphasis is given on the interface element that has the function of simulating a possible slip between the concrete and the prestress tendon as well as the stress and strain in that tendon. This interface element together with the proposed numerical model are the main contributions of this work. Some numerical and experimental examples obtained from the literature are used to validate the proposed model. In the numerical analysis presented in this article the concrete slabs are modeled with rectangular plate elements and the concrete beams modeled with bar elements. The active reinforcement and the contact between the active reinforcement and the concrete are modeled by interface elements. The geometric and material non-linearity are considered in the numerical analysis. The examples analyzed show the efficiency of the proposed model.
Numerical analysis of steel–concrete composite beams with partial interaction : a plastic-hinge approach.
(2021) Lemes, Igor José Mendes; Dias, Luís E. S.; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Silva, Amilton Rodrigues da; Carvalho, Tawany Aparecida de
A two-dimensional displacement-based formulation with a plastic-hinge approach for the numerical analysis of composite beams with partial shear connection is presented here. The co-rotational approach is applied in the numerical model to allow large displacements and rotations. The axial and transverse displacement functions are defined to avoid locking problems. The simulation of the materials and shear connection nonlinear behaviors are approached via the strain compatibility method (SCM), where the constitutive relations are explicitly used. The slip in the steel section–concrete slab interface is considered by the axial force decomposition in the cross-section level by the degree of composite action, without introducing degrees of freedom in the finite element. The numerical proposal of the present work is tested by simulating steel–concrete composite beams and comparing the obtained results with the experimental and numerical data already known. This formulation is verified as numerically stable and without locking phenomena, and good convergence with literature results was obtained. However, more refined finite element (FE) meshes are needed.
Numerical analysis of the effect of partial interaction in the evaluation of the effective width of composite beams.
(2017) Silva, Amilton Rodrigues da; Dias, Luís E. S.
Most of the engineering problems involving structural elements of steel-concrete composite beam type are approximations of the structural problem involving concrete plates connected by connectors to steel beams. Technical standards allow the replacement of the concrete plate element by a beam element by adopting a reduction in the width of the plate element known as effective width. The effective width is obtained, in most technical norms, taking into account only the parameters of beam span length and distance between adjacent beams. Numerical and experimental works found in the literature show that this effective width depends on several other parameters, such as the width and thickness of the concrete slab, and the type of loading. The objective of this work is to verify the influence of the partial interaction in the evaluation of the effective width of composite beams formed by a concrete slab connected to a steel beam with deformable connection, being used in numerical simulation three types of finite elements: a plate element for nonlinear analysis of the concrete slab; a bar element for non-linear analysis of beams with cross-section defined by a polygon; and an interface element which connects the plate and beam elements, simulating the deformation effect of the shear connectors. In the studied examples, it was found that the reduction of the shear connection stiffness at the interface between the concrete slab and the steel beam leads to a decrease in the shear lag effect and, consequently, makes the effective width of the concrete slab closer to the its real width. In another example, curves are constructed to define the effective width of a composite beam with medium stiffness. Considering maximum stresses and maximum displacements, these curves are obtained by forcing the equivalence of the approximate model with the model closest to the real problem.
Numerical formulation for nonlinear analysis of concrete and steel shells with deformable connections.
(2021) Silva, Amilton Rodrigues da; Dias, Luís Eduardo Silveira
A two-dimensional interface finite element capable of associating flat shell elements positioned one above the other was developed. The implemented interface element can physically simulate the contact between the flat shell elements and connect the reference planes of the shell elements above and below it. The formulation presented allows consideration of nonlinear behavior for the deformable connection as well as for the concrete and steel materials that make up the shell structure. One of the practical applications analyzed in this research is the numerical simulation of composite floors formed by a reinforced concrete slab connected to steel beams through a deformable connection. In this case, the concrete slab and the steel beams are discretized by flat shell elements and the deformable connection is discretized by two-dimensional interface elements. Experimental and numerical results from literature were used to validate the implemented elements. In the two examples analyzed, the results obtained for the displacements were close, with the difference, in the first case, being associated with uncertainties during the experimental test and in the second, the difference in theories used in the formulation of the implemented elements.

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