Modelo de elementos finitos para análise não linear física e geométrica de pórticos tridimensionais de edifícios de concreto armado

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis, 2016Este trabalho teve como objetivo central o desenvolvimento e a implementação computacional de um modelo refinado para análise de pórticos espaciais e pórticos de edifícios de concreto armado que considere as não linearidades física e geométrica. O modelo desenvolvido é implementado em um programa denominado ANEST/CA, que ficará sendo uma ferramenta útil para aplicação em estudos mais aprofundados sobre o comportamento estrutural de edifícios de CA. O modelo 3D utiliza o método de elementos finitos (MEF) para discretização da estrutura por meio de elementos finitos de barra de 3 nós. A deformação por cisalhamento é desprezada e considera-se a não linearidade física ao longo do elemento e da seção, a qual é dividida em filamentos, admitindo-se que cada filamento está sob um estado uniaxial de tensões. Utilizam-se leis constitutivas não lineares baseadas na relação tensão-deformação para os filamentos de concreto, incluindo-se um modelo refinado de tension-stiffening, e também para os filamentos de armaduras de aço. Inclui-se também um modelo constitutivo para considerar o efeito do confinamento no concreto propiciado pelos estribos nos pilares. A torção é considerada desacoplada dos demais esforços, adotando-se um modelo constitutivo trilinear para representação da rigidez à torção do elemento. A não linearidade geométrica segue a Formulação Lagrangeana Total. Pode-se considerar na modelagem a restrição de diafragma rígido para representação do efeito da rigidez dos planos de lajes no comportamento estrutural dos pórticos de edifícios. Após a implementação computacional do modelo, foram realizados estudos de validação do programa ANEST/CA em comparação com modelos experimentais de vigas e pórticos planos e com modelos de outros programas e autores. Estudos iniciais para avaliar a influência dos diversos aspectos incorporados no modelo 3D no comportamento estrutural de pórticos de edifícios foram realizados por meio da análise de três exemplos de pórticos espaciais de edifícios de concreto armado. Os aspectos investigados foram: os efeitos de não linearidade física e geométrica; a consideração de diafragma rígido na modelagem dos pavimentos; o efeito da contribuição da laje na rigidez à flexão das vigas; e o efeito de confinamento do concreto propiciado pelos estribos nos pilares. Realizou-se também um estudo inicial de comparação do modelo proposto com um método simplificado, o qual considera de forma simplificada tanto a não linearidade geométrica, por meio da utilização apenas da matriz KG, como a física, por meio de coeficientes redutores de rigidez à flexão dos elementos, conforme recomendado pela NBR 6118 para análise global de estruturas no Estado Limite Último. A partir das análises de todos exemplos, são feitas algumas observações sobre o comportamento estrutural de pórticos de edifícios de concreto armado e também sobre o método simplificado de análise não linear utilizado em normas de projeto.Abstract : The main objective of this doctoral thesis is the development and the computational implementation of a refined model for analysis of reinforced concrete (RC) spatial frames and also building frames, taking into account both material and geometric nonlinearities. The developed model is implemented into a computer program called ANEST/CA, which will become a useful tool to further investigate the structural behaviour of RC buildings. The 3D model utilizes the finite element method (FEM) for the structure discretization, by means of 3-node bar finite elements. Shear deformation is neglected in the bar element formulation. The material nonlinearity is considered along the element length and over the element section area, which is divided into filaments, by assuming that each filament is under a uniaxial stress-state. Nonlinear constitutive laws based on stress-strain relationships are used for both concrete filaments, by including a refined tension-stiffening model, and reinforcement filaments. A constitutive model to account for confinement of concrete provided by transverse reinforcement in the columns is also included. Torsion is considered decoupled from the other internal forces, and a trilinear constitutive model is adopted to represent the torsional stiffness of the element. The geometric nonlinearity follows the Total Lagrangean Formulation. To simulate the effect of high in-plane stiffness of the floor slabs on the building structural behavior, rigid diaphragms constraints can be considered in the modelling. After completing the computational implementation of the model, the ANEST/CA program was validated by comparison with experimental testing on RC beams and plane frames, and with models from other programs and authors. To evaluate the influence of several features of the nonlinear 3D model, initial studies were conducted, by analysing three examples of RC building spatial frames. The features investigated were: the effects of physical and geometric nonlinearities; the consideration of rigid diaphragm constraints on the floor modelling; the effect of the slab contribution to the beam flexural stiffness; and the effect of concrete confinement provided by stirrups in the columns. An initial comparative study of the proposed model with a simplified method, that considers in a simplified way both the geometric nonlinearity, by using only the geometric stiffness KG, and the physical nonlinearity, by means of coefficients that reduce the flexural stiffness of the elements, as recommended by the Brazilian Design Code NBR 6118 for global analysis of structures in the Ultimate Limit State. From the analyses of all examples, a few remarks on the structural behavior of RC building frames and on the simplified method used by Design Codes are highlighted