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ISSN (Online) 1983-4195
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  • Effect of the addition of metakaolin on the carbonation of Portland cement
           concretes

    • Abstract: Abstract Carbonation has been a concern of constructors and researchers because, by lowering the pH of the interstitial solution of the concrete, it can favor the post-deposition and subsequent corrosion of reinforced concrete reinforcement. Among the factors that influence carbonation is the use of pozzolanic materials, such as metakaolin. However, there is no consensus as to the positive or negative contribution of these additions. This work evaluated the influence of metakaolin on the mechanical properties, porosity and in particular on the carbonation of concrete, from the addition of 0%, 5%, 10% and 15% of metakaolin, in relation to the cement mass. From the results, it was observed that the addition of metakaolin, while not significantly influencing the porosity, gave the concrete a greater resistance to axial compression, a decrease in the capillary absorption and delayed the advance of the carbonation front in the concrete.Resumo A carbonatação tem sido alvo de preocupação de construtores e pesquisadores, pois, ao diminuir o pH da solução intersticial do concreto, pode favorecer a despassivação e posterior corrosão das armaduras do concreto armado. Dentre os fatores que influenciam a carbonatação está a utilização de materiais pozolânicos, como o metacaulim. Entretanto, não há um consenso quanto à contribuição positiva ou negativa da presença destas adições. O presente trabalho avaliou a influência do metacaulim nas propriedades mecânicas, na porosidade e, principalmente, na carbonatação do concreto, a partir da adição de 0%, 5%, 10% e 15% de metacaulim, em relação à massa do cimento. De acordo com os resultados obtidos, observou-se que a adição de metacaulim, apesar de não ter influenciado significativamente na porosidade, conferiu ao concreto uma maior resistência à compressão axial, uma diminuição da absorção capilar e retardou o avanço da frente de carbonatação no concreto.
       
  • Empirical method for structural damage location using dynamic analysis

    • Abstract: Abstract This paper presents the use of numerical model techniques for identification and damage location adopting the Modal Curvature Difference (MCD) method as reference for the analysis of a simply supported concrete structure. Then, an empirical formulation to detect damages in this structure is proposed. In this method, called Acceleration Summation Difference (ASD), the difference of acceleration amplitude between intact and damaged structures are calculated for concrete plates simply supported on rubber bearings. During the analyses, the finite element models were developed using SAP2000® software. The results obtained depicted that it is possible to determine the approximate position of one or more damages in the structure, with some restrictions, and the proposed ASD method presented good correlation to localize the position of single or multiple damages.Resumo Este trabalho apresenta a utilização e proposição de técnica de identificação e localização de danos, por meio de modelos numéricos, adotando-se o método de localização de danos por meio da Diferença de Curvatura Modal (DCM) como referência para análise de uma estrutura de concreto biapoiada. Em seguida, apresenta-se uma proposta de formulação empírica capaz de localizar danos nesta estrutura. Neste método, denominado Diferença das Somatórias das Acelerações (DSA), calcula-se a diferença das amplitudes de aceleração em estruturas íntegras e com dano, representadas por placas de concreto sobre apoios de borracha nas extremidades. O modelo numérico foi elaborado com auxílio do pacote computacional em Elementos Finitos SAP2000®. Por meio destas técnicas conclui-se que é possível determinar a posição aproximada de um ou mais danos, com algumas restrições, tendo o método proposto (DSA), baseado na alteração da amplitude de aceleração, apresentando bons resultados na localização de um único dano e de múltiplos danos.
       
  • Thermal properties of polypropylene and high modulus polyethylene fibers
           reinforced concretes

    • Abstract: Abstract Concrete is one of the materials most used by the construction industry. Reinforcing this material with fibers is a technique used to improve its mechanical properties. Steel and polymer fibers are the main types used in this application and there are few studies about the influence of polymer fibers on the thermal properties of concrete. In order to analyze this influence, the present work carried out thermal conductivity, thermal expansion, and compressive strength after exposure to a temperature of 200 °C on specimens made of concrete with addition of polypropylene (PP) fibers and concrete with addition of high modulus polyethylene (HMPE). It was also conducted thermogravimetric analysis (TGA) on PP and HMPE fibers. The results show that the addition of polymer fibers alters the thermal properties of the concrete, reducing its thermal expansion, for example.Resumo O concreto é um dos materiais mais utilizados pela indústria da construção civil. Reforçar esse material com fibras é uma técnica utilizada para aprimorar suas propriedades mecânicas. Fibras de aço e polímeros são os principais tipos utilizados nessa aplicação e existem poucos estudos a respeito da influência das fibras poliméricas nas propriedades térmicas do concreto. Com o objetivo de analisar tal influência, o presente trabalho realizou ensaios de condutividade térmica, dilatação térmica e resistência à compressão após exposição à temperaturas de 200 °C em corpos de prova confeccionados com concreto com adição de fibras de polipropileno (PP) e concreto com adição de fibras de polietileno de alto módulo (PEAM). Também foram conduzidos ensaios de análise termogravimétrica (ATG) nas fibras de PP e PEAM. Os resultados mostram que a adição de fibras poliméricas alteram as propriedades térmicas do concreto, reduzindo sua dilatação térmica, por exemplo.
       
  • Modal identification of Bridge 44 of the Carajás Railroad and numerical
           modeling using the finite element method

    • Abstract: Abstract Regular use and the effects of time can affect the behavior of a structure. Over time, problems such as the occurrence of small fissures, oxidation of steel elements, and excessive displacements at some points may arise in a structure. In this context, the monitoring of structures through experimental tests has gained more importance, because it allows for the identification of the dynamic characteristics (natural frequencies, mode shapes, and damping rate) of structures. The dynamic characteristics can be obtained through forced vibration tests, which are based on measuring the response of a structure subjected to an excitation of known magnitude, or through tests in which only the structural response is measured, such as free vibration and ambient vibration tests. The present study aims to identify the modal parameters of bridge 44 of the Carajás Railroad, using experimental data obtained on site by monitoring the vibration caused by a group of people jumping, and it compares them with the results obtained through numerical modeling performed using the finite element method, developed in CSiBridge. The modal parameters were obtained using the commercial software ARTeMIS Modal, and stochastic subspace identification was used for modal identification.Resumo A utilização e os efeitos do tempo podem afetar o comportamento de uma estrutura. Problemas como pequenas fissuras, oxidação de elementos de aço e deslocamentos excessivos em alguns pontos poderão surgir. Nesse contexto, o monitoramento de estruturas por meio de ensaios experimentais ganhou mais importância, por permitir a identificação das suas características dinâmicas (frequências naturais, modos de vibração e taxa de amortecimento). Estas podem ser obtidas a partir de ensaios de vibração forçada, que se baseiam na medição da resposta da estrutura sujeita a uma excitação induzida com magnitude conhecida, ou a partir de ensaios em que apenas a resposta da estrutura é medida, como os ensaios de vibração livre e vibração ambiente. O presente trabalho tem como objetivo identificar os parâmetros modais da Ponte 44 da Estrada de Ferro Carajás, com base em dados experimentais obtidos “in loco” durante o monitoramento com vibração de caráter aleatório e compará-los com os resultados obtidos por meio da modelagem numérica via método dos elementos finitos, desenvolvido no CSiBridge. A obtenção dos parâmetros modais foi realizada no software comercial ARTeMIS Modal e o método de identificação modal utilizado foi de identificação estocástica em subespaço (SSI-UPC).
       
  • Statistical analysis of the design procedure used in reinforced concrete
           pipes

    • Abstract: Abstract Structural design procedures are based on simplified hypotheses that attempt to approximate the actual behaviour. Depending on the adopted hypothesis, the design procedure may not satisfactorily describe the structural actual behaviour. Such condition occurs in the design of reinforced concrete pipes, where there are uncertainties related especially on the internal forces and the installation type of the pipe. Moreover, the main design hypothesis is that the cross section is plane and perpendicular to the deformed axis. Based on materials resistance principles it is known that this hypothesis is unsatisfactory to pipes with aspect ratio lower than ten. Note that the commercial reinforced concrete pipes usually present aspect ratio well below ten. In the light of the foregoing, the main objective of this paper is to analyse the accuracy of the design procedure for reinforced concrete pipes. Therefore, statistical processes were used to compare design values with experimental results. The comparisons in this paper showed that the design procedure results in oversized pipes.Resumo Os modelos de cálculo estrutural são baseados em hipóteses simplificadoras, que visam aproximar-se do comportamento real. A depender das hipóteses adotadas, o modelo de cálculo pode não descrever com exatidão o comportamento real da estrutura em estudo. Tal condição ocorre no projeto de tubos de concreto armado, onde há incertezas especialmente na determinação dos esforços internos e no tipo de instalação do tubo. Além disso, a principal hipótese simplificadora no projeto de tubos de concreto armado é que a seção transversal permanece plana e perpendicular ao eixo deformado. Com base nos princípios da resistência dos materiais, sabe-se que esta hipótese não é satisfatória para tubos com relação raio/altura da seção transversal inferior a dez. Nota-se que os tubos comerciais usualmente apresentam valores bem abaixo de dez para esta relação. Desta forma, este trabalho tem como objetivo a análise da acurácia do modelo de cálculo para tubos de concreto armado. Para tanto, processos estatísticos foram utilizados para confrontar os valores de projeto obtidos no modelo de cálculo com resultados experimentais. As comparações realizadas neste trabalho mostram que o modelo de cálculo utilizado no dimensionamento de tubos de concreto armado resulta em valores exageradamente a favor da segurança.
       
  • Study on concrete through its hardened state properties

    • Abstract: Abstract The composition characteristics of concrete, such as water/cement ratio, cement consumption and compressive strength directly affect its handling performance and durability. Thus, the technical standards related to concrete structures recommend technical specification concerning different environmental aggressiveness classes. Therefore, this study followed an experimental method aiming to evaluate the relationship between the characteristics of four different concrete mixes produced in accordance to the specifications of the standards EN 1992-1 and EN 206 for quality of hardened state concrete and its behavior during accelerated tests of carbonation and salt spray. Analyzes of compressive strength, void index, total and capillary water absorption, specific gravity, electrical resistivity and ultrasonic wave propagation velocity were executed. For the statistical treatment, a Multivariate Analysis of Variance (MANOVA) was performed, which provided a simplified analysis of the durable potential of reinforced concrete structures by its characteristics. Results lead to two major groups of behavior, and statistical significant differences in deterioration tests between mixes 1 and 4 for the salt spray test and between mix 4 and the others for the carbonation test.Resumo As propriedades dos concretos, como relação água/cimento, consumo de cimento e resistência à compressão afetam diretamente seu desempenho em uso e durabilidade. Desta forma, as normas técnicas de dimensionamento de estruturas de concreto armado indicam especificações em função das classes de agressividade ambiental. Neste artigo, através de uma metodologia experimental, foi avaliada a relação entre as características de quatro composições de concreto, elaboradas de acordo com as normas EN 1992-1 e EN 206, e sua relação com a qualidade do concreto no estado endurecido, nos ensaios de carbonatação e névoa salina. Foram empregadas análises de resistência à compressão, índice de vazios, absorção de água total e por capilaridade, massa específica, resistividade elétrica e velocidade de propagação de ondas ultrassônicas. Para o tratamento estatístico foi utilizada Análise multivariada da variância (MANOVA). Os resultados obtidos apontaram diferenças estatisticamente significantes nos ensaios de deterioração unicamente nos traços 1 e 4 para o ensaio de névoa salina e entre o traço 4 e os demais para o ensaio de carbonatação.
       
  • Numerical analysis of the effective stiffness of elastomeric bearing pads
           under precast beams for the limit load of lateral instability

    • Abstract: Abstract Precast concrete girders on bearing pads are subjected to instability depending on several variables such as span length, initial imperfections and bearing pads behavior. On this paper, numerical models are developed in order to assess the instability limit loads and the rotational stiffnesses of the pads in many combinations of span length, cross section of the girder and lateral sweep. The lift off phenomenon is considered in each analysis by a bearing pad model composed by springs with compression only behavior, with good results in comparison with the experimental values of the technical literature. The increase in spans and initial imperfections causes a decrease in the rollover limit load. The lift off effect is aggravated as the lateral eccentricities increase. In the analyzed combinations, the reduction of the rotational stiffness is about 37% for the critical situation, which span length about 40 m and lateral sweep of L/300, with loss of contact between 50% and 60%.Resumo Vigas de concreto pré-moldado apoiadas sobre almofadas de apoio estão sujeitas a falhas por instabilidade lateral que dependem de vários fatores, entre eles o vão da viga, as imperfeições iniciais e as condições das almofadas de apoio. Neste trabalho, desenvolveu-se modelos numéricos de vigas sobre almofadas, de forma a avaliar as cargas limite de instabilidade e a rigidez efetiva à rotação das almofadas em várias combinações de vão, seção da viga e excentricidade lateral. O levantamento da viga sobre os apoios é considerado em cada análise por meio de um modelo de almofada composto por molas com comportamento somente à compressão, com resultados satisfatórios comparados a respostas experimentais da literatura técnica. O aumento nos vãos e nas imperfeições iniciais reduzem a força limite de tombamento. O levantamento da viga sobre as almofadas é agravado conforme aumentam-se as excentricidades laterais. Nos casos analisados, a diminuição da rigidez ao giro é em torno de 37% para a situação mais crítica, com vão L de 40 m e excentricidade de L/300, com perda de contato variando entre 50% e 60%.
       
  • New design model of reinforced concrete beams in bending considering the
           ductility factor

    • Abstract: Abstract Ductility is a recommended characteristic by different RC structures design codes around the world, such as ABNT NBR 6118 [2], ACI 318 [1] and EUROCODE 2 [4]. Despite the recommendation of ductility, the codes only define this criterion in a qualitative way, without quantification about how ductile the structure is, and not being able to stablish a ductility level in the design phase. In this context, this paper proposes a new design model of reinforced concrete beams in bending considering the explicit definition of the input parameter named ductility factor, which quantifies the structure’s ability to withstand displacement before it breaks.Resumo A ductilidade é característica preconizada por diversas normas de projetos de estruturas de concreto armado ao redor do mundo, como ABNT NBR 6118 [2], ACI 318 [1] e EUROCODE 2 [4]. Apesar de exigirem que as estruturas sejam dúcteis, as normas estabelecem esse critério apenas em caráter qualitativo, sem quantificar o quão dúctil a estrutura é, e sem ser capaz de definir um nível de ductilidade na fase de projeto. Nesse contexto, este trabalho propõe um novo modelo de dimensionamento de estruturas de concreto armado sujeitas a flexão simples, a partir da definição explícita do parâmetro de entrada denominado fator de ductilidade, que quantifica a capacidade da estrutura de suportar deslocamentos antes de se romper.
       
  • Physical-mechanical potential properties of wastes from glass lapping to
           produce mortar as partial replacement of the conventional aggregate

    • Abstract: Abstract Glass lapping residues (RLV) are fine tailings from the processing of glass for civil construction, commonly non-recyclable. The present study analyzed the use of these residues in Portland cement mortar composition, partially replacing the conventional aggregate, aiming at better compaction. Percentages of residues were adopted at 0% (reference), 5%, 10% and 20% by mass, replacing the fine conventional aggregate (sand). The binder used was Portland cement CP IV-32. The RLV and fine aggregate were submitted to physical tests, through grain size analysis, grain shape and specific mass; RLV and cement, in turn, submitted to chemical analysis by X-ray spectrometry, to identify the compounds. To evaluate the compressive strength and compaction analysis of the composite in the hardened state, cylindrical specimens 50x100 mm were produced. ANOVA (Analisys of Variance) and Coefficient of Variation showed that the RLV added in 5% resulted in lower voids indexes and moisture absorption than the conventional one. The tests also showed best mechanical performance on compression analisys (30,2 MPa) for 5% of residues in the composite, surpassing the conventional one.Resumo Resíduos da lapidação de vidros (RLV) são rejeitos finos do beneficiamento de vidros para construção civil, comumente descartados e não recicláveis. O presente estudo analisou a utilização destes resíduos na composição de argamassa de cimento Portland, substituindo parcialmente o agregado convencional, visando uma melhor compactação. Adotaram-se percentuais de resíduos em 0% (referência), 5%, 10% e 20% em massa, substituindo o agregado miúdo (areia). O aglomerante utilizado foi o cimento Portland CP IV-32. O RLV e agregado miúdo foram submetidos a ensaios físicos, através de análise granulométrica, forma dos grãos e massa específica; RLV e cimento, por sua vez, submetidos à análise química por espectrometria de raios-X, para identificação dos compostos. Para avaliação da resistência à compressão e análise da compactação do compósito em estado endurecido, foram confeccionados corpos de prova cilíndricos 50x100 mm. ANOVA (Analisys of Variance) e Coeficiente de Variação mostraram que o RLV adicionado em 5% resultou menores índices de vazios e absorção de umidade do que o convencional. Os testes também mostraram que 5% do resíduo no compósito apresenta o melhor desempenho mecânico por compressão (30,2 MPa), superando o convencional.
       
  • Concrete beam subjected to shear and torsion: a comparison between the
           Brazilian Standard Code NBR 6118, ACI and AASHTO Provisions

    • Abstract: Abstract Most of torsion studies available are relative to pure torsion, arising from the exclusive application of a torsion moment in a concrete beam. This situation, however, is only possible in laboratories. In practice, the vast majority of twisted beams are subjected to the combination of shear forces and torsion, which gives rise to a more complex state of stress to be analyzed. The purpose of this paper is to present the provisions of the ACI 318/2014 Codes, AASHTO and ABNT NBR 6118: 2014 related to shear and torsion, and compare some results with experimental data from Rahal & Collins[3]. It is shown that if the recommended value of 45º is used for θ, the ACI 318/2014 provisions for shear-torsion interaction give similar results compared to ABNT NBR6118: 2014, but these results are very conservative. If the lower limit of 30º is used, the results obtained using both codes departs, and less consistent results are obtained. This paper concludes that using the recommended value of 36º obtained with the AASHTO provisions, some consistent and more accurate results are obtained.Resumo A maioria dos estudos sobre torção feitos até hoje contempla a torção pura, decorrente da aplicação exclusiva de um momento torsor em uma viga de concreto armado. Esta situação, no entanto, só é possível em laboratórios. Na prática, a grande maioria das vigas é submetida à combinação de forças de cisalhamento e torção, o que gera um estado de tensão mais complexo a ser analisado. O objetivo deste artigo é apresentar os modelos de cálculo das normas ACI 318/2014, AASHTO e ABNT NBR 6118: 2014 relacionadas ao cisalhamento e torção, e comparar alguns resultados com dados experimentais de Rahal & Collins [3]. É mostrado que, se o valor recomendado de 45º é usado para θ, os procedimentos normativos da ACI 318/2014 para a interação cisalhamento-torção fornecem resultados semelhantes comparados aos obtidos pela ABNT NBR 6118: 2014, porém esses resultados podem ser considerados muito conservadores. Se o limite inferior de 30º for utilizado, os resultados obtidos usando os dois códigos se divergem e resultados menos consistentes serão obtidos. Este artigo conclui que, usando o valor recomendado de 36º para θ, de acordo com as recomendações da AASHTO, resultados mais consistentes são obtidos.
       
  • Elastoplastic constitutive modeling for concrete: a theoretical and
           computational approach

    • Abstract: Abstract This article presents a study of the plasticity model applicability to concrete in a theoretical framework that generalizes the formulation of constitutive models for physically nonlinear analysis of structures. In this sense, the theoretical framework for the computational implementation of the plasticity mathematical theory is described, detailing the models formulations capable to describe the inelastic behavior of concrete. The loading surfaces associated to Drucker Prager and Ottosen criterion are highlighted. Furthermore, the Cutting Plane return mapping algorithm, necessary to the integration of constitutive relations that govern the behavior of the material in the context of computational plasticity, is described. Finally, numerical simulations are presented, such as the direct tension loading and three-point bending tests. The results of these simulations are compared with those from the literature to verify the model stability and accuracy.Resumo Este artigo aborda modelos de plasticidade aplicados ao concreto em um framework teórico que visa generalizar a formulação de modelos constitutivos para a análise fisicamente não lineare de estruturas. Nesse sentido, é descrito o arcabouço teórico para a implementação computacional da teoria matemática da plasticidade, detalhando as formulações de modelos capazes de descrever o comportamento inelástico do concreto. As superfícies de carga associadas aos critérios Drucker Prager e Ottosen são destacadas. Além disso, é descrito o algoritmo de mapeamento de retorno “Cutting Plane”, necessário à integração de relações constitutivas que governam o comportamento do material no contexto da plasticidade computacional. Finalmente, são apresentadas simulações numéricas, como os testes de compressão diametral, tração direta e flexão de três pontos. Os resultados dessas simulações são comparados com os da literatura para verificar a estabilidade e a precisão do modelo.
       
  • Analysis of the global tall buildings stability in flat slabs considering
           the soil structure interaction

    • Abstract: Abstract The global stability of tall reinforced concrete buildings made up of flat slabs is guaranteed, among other factors, by the existence of considerably rigid elements such as elevator cores and stairways. Such rigid cores recurrently have the "L" or "U" format because they fit the architectural design better. However, it should be emphasized the considerable relevance and influence of the slabs transversal bending stiffness in the building stability. The slabs act in conjunction with the columns in the building stability, in the so-called rigid diaphragm effect. That is, they combine the horizontal displacements in each floor and promote a partial restriction to the warping of the rigid cores and the rotation of the ends of the columns, thus reducing the horizontal displacements and the effects of 2nd order. In contrast the slabs transversal bending stiffenes, it should be emphasized the importance of considering the soil-structure interaction (ISE) in the buildings stability. In buildings formed by flat slabs ISE gains considerable relevance because of their characteristics, ie such buildings are particularly sensitive to the influences of soil-structure interaction. In this work, emphasis is placed on the influence of cross-bending rigidity on slabs and on Soil-Structure Interaction in the analysis and verification of the global stability of multi-storey buildings formed by flat slabs and rigid cores.Resumo A estabilidade global de edifícios altos de concreto armado formados por lajes planas é garantida, entre outros fatores, pela existência de elementos consideravelmente rígidos, como os núcleos de elevadores e regiões das escadas. Tais núcleos rígidos apresentam recorrentemente o formato de “L” ou “U” por se adequarem melhor ao projeto arquitetônico. No entanto, deve-se ressaltar a considerável relevância e influência da rigidez à flexão transversal das lajes na estabilidade da edificação. As lajes atuam em conjunto com os pilares na estabilidade do edifício, no denominado efeito de diafragma rígido. Ou seja, elas compatibilizam os deslocamentos horizontais em cada pavimento e promovem uma restrição parcial ao empenamento dos núcleos rígidos e ao giro das extremidades dos pilares, reduzindo assim os deslocamentos horizontais e os efeitos de 2ª ordem. Em contraponto à rigidez à flexão transversal das lajes, deve-se ressaltar a importância da consideração da interação solo-estrutura (ISE) na estabilidade das edificações. Em edifícios formados por lajes planas a ISE ganha uma relevância considerável, devido às suas características, isto é, tais edificações são particularmente sensíveis às influências da interação solo-estrutura. Neste trabalho dá-se ênfase à influência da rigidez à flexão transversal das lajes e à Interação Solo-Estrutura na análise e verificação da estabilidade global de edifícios de múltiplos andares formados por lajes planas e núcleos rígidos.
       
 
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Heriot-Watt University
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