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Advanced inelastic analysis of steel structures at elevated temperatures by SCM/RPHM coupling.
(2018) Barros, Rafael Cesário; Maximiano, Dalilah Pires; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Lemes, Igor José Mendes; Rocha, Paulo Anderson Santana
When exposed to high temperatures, the structural members and frames have their bearing capacity compromised because the physical characteristics and material resistance used in the structures deteriorate during exposure to fire, resulting in a considerable loss of strength and stiffness. In this context, the present work carries out a whole thermomechanical analysis of steel members and frames using the Finite Element Method (FEM) inelastic formulation based on the Refined Plastic Hinge Method (RPHM) coupled with the Strain Compatibility Method (SCM). The use of SCM allows for a more realistic analysis against the design codes prescriptions. So even under high temperatures, SCM is used for both evaluation of bearing capacity and stiffness parameters. To do this, the steel behavior used in the structure numerical modeling must be described in a consistent manner through its constitutive relationship. A comparison of the results obtained here with the numerical and experimental results available in the literature suggest the effectiveness of coupling SCM/RPHM and that such a methodology can provide reliable analyses of steel members and frames subjected to high temperatures.
Advanced numerical study of composite steel-concrete structures at high temperature.
(2021) Barros, Rafael Cesário; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Maximiano, Dalilah Pires; Lemes, Igor José Mendes
The composite steel-concrete structures use has several advantages, such as the reduction of cross-sectional dimensions and weight of the structure, which is one of the main reasons for it is use today. However, under fire situation, the material and mechanical properties changes, causing significant strength and stiffness loss as a result of temperature rise. In this work, the temperature influence on the behavior of composite steel-concrete structures is studied through an inelastic second order (ISO) numerical investigation. For this, two computational modules, CS-ASA/FA and CS-ASA/FSA are developed and adapted for the study of composite structures in fire. The first module calculates the temperature field in any cross-section. The second module performs the ISO analysis through the coupling between the Refined Plastic Hinge Method (RPHM) and the Strain Compatibility Method (MCD). In this way, the evolution of the temperature in cross-sec- tions, the interaction diagrams between axial force and bending moment and the structures equi- librium path as a function of the time in fire are presented for composite steel-concrete beams, columns and frames. The proposed numerical methodology success is proved by comparison with experimental and numerical responses available in the literature.
An efficient strategy for solving structural nonlinear equations by combining the orthogonal residual method and normal flow technique.
(2019) Maximiano, Dalilah Pires; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Silva, Andréa Regina Dias da; Gonçalves, Paulo Batista
This paper presents a new procedure for solving structural nonlinear problems by combining the orthogonal residual method (ORM) and normal flow technique (NFT). The perpendicularity condition to the Davidenko flow, introduced by the NFT, which must be satisfied during the iterative process, overcome the difficulties, i.e. the poor convergence and inefficiency of the ORM close to the limit points, particularly the displacement limit points (snap-back behavior). Basically, the idea of the proposed strategy is to adjust the load parameter, which is treated as a variable in the nonlinear incremental-iterative solution process, assuming that the unbalanced forces (residual forces) must be orthogonal to the incremental displacements. This constraint is used together with the NFT perpendicularity condition. The proposed procedure is tested, and its efficiency is corroborated through the analyses of slender shallow and nonshallow arches and an L-frame since they exhibit highly nonlinear behaviors under certain loading conditions. It is concluded that the proposed procedure can overcome the numerical instability problems in the neighborhood of critical points when using only the conventional OR process, and the procedure compares favorably with the arc-length method, minimum residual displacement method, and generalized displacement control method.
Análise numérica avançada de estruturas de aço e de concreto armado em situação de incêndio.
(2018) Maximiano, Dalilah Pires; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Rocha, Paulo Anderson Santana; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Gouveia, Antônio Maria Claret de; Ribeiro, José Carlos Lopes; Oliveira, Tiago Ancelmo de Carvalho Pires de; Souza, Erivelto Luís de
Esta tese tem como objetivo principal o estudo do comportamento de vigas, colunas e pórticos de aço e de concreto armado em situação de incêndio. Para isso, formulações numéricas avançadas foram desenvolvidas, implementadas e avaliadas. Quando expostos a temperaturas elevadas, as características dos materiais se deterioram, acarretando a perda da sua capacidade resistente e da sua rigidez. Para alcançar o objetivo, o CS-ASA (Computational System for Advanced Structural Analysis) é utilizado. Esse sistema computacional foi expandido para a análise avançada de estruturas em situação de incêndio aproveitando as funcionalidades já existentes e acrescentando novas. Dois novos módulos foram criados: CS-ASA/FA (Fire Analysis) e CS-ASA/FSA (Fire Structural Analysis). O primeiro tem o intuito de se determinar o campo de temperatura na seção transversal dos elementos estruturais através da análise térmica via Método dos Elementos Finitos (MEF). O segundo foi criado para realizar a análise inelástica de segunda ordem de estruturas sob fogo utilizando formulações do MEF baseadas no acoplamento do Método da Rótula Plástica Refinado (MRPR) ao Método da Compatibilidade de Deformações (MCD), o que se torna um diferencial do estudo realizado. O uso do MCD possibilita análises mais realistas ante as prescrições normativas. Dessa forma, ele é utilizado tanto para a avaliação dos limites de resistência da seção transversal, quanto para a determinação das rigidezes axial e à flexão dos elementos analisados sob altas temperaturas. Os resultados das análises não lineares em situação de incêndio obtidos neste trabalho para quatorze elementos e sistemas estruturais (de aço e de concreto armado), apresentando diferentes geometrias, condições de contorno, aquecimento e carregamento, foram comparados com as soluções numéricas e experimentais disponíveis na literatura e se mostraram satisfatórios.
Avaliação numérica do comportamento não linear e resistência de estruturas mistas de aço e concreto em situação de incêndio.
(2021) Barros, Rafael Cesário; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Chiorean, Cosmin-Gruia; Landesmann, Alexandre; Carvalho, Hermes; Maximiano, Dalilah Pires
A presente pesquisa tem como objetivo principal a avaliação numérica do desempenho de estruturas mistas de aço-concreto em situação de incêndio. A capacidade resistente dos materiais que compõem as vigas, colunas e pórticos mistos, no caso o aço e o concreto, fica comprometida quando expostos a condição de elevadas temperaturas, uma vez que suas características físicas e de resistência se deterioram em função da elevação da temperatura. Desse modo, os dois módulos computacionais, CS-ASA/FA (Computational System for Advanced Structural Analysis/Fire Analysis) e CS-ASA/FSA (Computational System for Advanced Structural Analysis/Fire Structural Analysis) são desenvolvidos e adaptados para a análise não linear de estruturas mistas sob temperaturas elevadas. O primeiro módulo calcula o campo de temperatura em seções transversais quaisquer de aço, concreto armado e mistas, de onde se pode obter também a degradação das propriedades desses materiais expostos ao fogo. O segundo é desenvolvido para realizar análises inelástica de segunda ordem (AISO) de estruturas em situação de incêndio. No contexto da AISO via método dos elementos finitos (MEF), é empregado uma formulação corrotacional para acompanhar os grandes deslocamentos e rotações do sistema estrutural. Já o comportamento elasto-plástico do material é simulado através do acoplamento do Método da Rótula Plástica Refinado (MRPR) com o Método da Compatibilidade de Deformações (MCD). A metodologia numérica proposta é avaliada e testada com sucesso na análise de vigas, pilares e pórticos planos de aço-concreto em situação de incêndio utilizando os resultados experimentais e numéricos disponíveis na literatura. Finalmente, o estudo numérico é complementado com a AISO de arcos de aço e estruturas de concreto armado em situação de incêndio.
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.
Uma técnica eficiente para estabilizar a estratégia do resíduo ortogonal na análise não linear de estruturas.
(Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil. Departamento de Engenharia Civil, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto., 2012) Maximiano, Dalilah Pires; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota
O desenvolvimento e a aplicação de procedimentos numéricos para a solução do sistema de equações representativo do problema estrutural estático não linear têm merecido atenção nos últimos anos. Uma metodologia eficiente de solução deve ser capaz de traçar toda a trajetória de equilíbrio do sistema estrutural em análise, identificando e passando pelos pontos singulares ou críticos que possam existir. Grande parte dos procedimentos baseia-se no esquema iterativo de Newton-Raphson ao qual são acoplados métodos de continuação. A ideia desses métodos é tratar o parâmetro de carga como uma variável, e adicionar uma condição de restrição ao sistema de equações que descreve o equilíbrio estrutural para que tal parâmetro possa ser determinado. Neste trabalho, o método de Newton-Raphson e a estratégia do resíduo ortogonal proposta pelo pesquisador Krenk (1995) são usados. Na estratégia do resíduo ortogonal, o parâmetro de carga é ajustado de forma que as forças desequilibradas sejam ortogonais aos deslocamentos incrementais correntes. Entretanto, dependendo do sistema estrutural a ser analisado, essa estratégia apresenta inconsistências nas proximidades de pontos limites de carga ou deslocamento. O objetivo deste trabalho é, então, apresentar uma alternativa eficiente para estabilizar a estratégia do resíduo ortogonal. Propõe-se, que uma condição de perpendicularidade, referida como técnica do fluxo normal, seja satisfeita ao longo do processo iterativo de solução, para que a dificuldade em ultrapassar todos os pontos limites que surgem ao longo da trajetória de equilíbrio seja superada. A metodologia numérica adotada é descrita e, para comprovar a sua eficiência, arcos com comportamento geometricamente não linear são analisados. Ao final da dissertação, algumas conclusões e observações serão estabelecidas.
Thermal analysis of steel-concrete composite cross sections via CS-ASA/FA.
(2018) Maximiano, Dalilah Pires; Barros, Rafael Cesário; Rocha, Paulo Anderson Santana; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota
When exposed to high temperatures, such as in a fire situation, the physical and resistance characteristics of the materials employed in the structure deteriorate as the temperature increases. This fact promotes a considerable loss in the bearing capacity and stiffness of the structural system. The verification of a structure exposed to fire depends primarily and principally on the thermal analysis of the cross section of the structural element. This analysis permits determination of the temperature variation or temperature range in the element from the boundary conditions provided by the fire model adopted. As such, this study had the objective of performing a thermal analysis in a transient regime by means of a finite element method on steel-concrete composite cross sections that are employed in civil construction through use of the Computational System for Advanced Structural Analysis/Fire Analysis (CS-ASA/FA). Two cross sections are analyzed and the results obtained were satisfactory. In addition, different iterative solution processes were adopted in the analysis. Parametric studies were also performed related to the mesh variation of the finite elements and time increase. From the results, it was possible to conclude that CS-ASA/FA can supply the necessary information when a thermo-structural analysis is performed for the evaluation of strength and stiffness losses of the structural material when exposed to fire.
Thermo-structural analysis of reinforced concrete beams.
(2019) Maximiano, Dalilah Pires; Barros, Rafael Cesário; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Lemes, Igor José Mendes; Rocha, Paulo Anderson Santana
The objective of this study is to simulate the behavior of reinforced concrete beams in fire situation. In order to achieve this objective, advanced numerical formulations were developed, implemented and evaluated. When exposed to high temperatures, the properties of the material deteriorate, resulting in the loss of strength and stiffness. To achieve the goal, two new modules within the Computational System for Advanced Structural Analysis were created: Fire Analysis and Fire Structural Analysis. The first one aims to determine the temperature field in the cross section of structural elements through thermal analysis by using the Finite Element Method (FEM). The second was designed to perform the second-order inelastic analysis of structures under fire using FEM formulations based on the Refined Plastic Hinge Method coupled with the Strain Compatibility Method. The results obtained of the nonlinear analyses of two reinforced concrete beams under high temperature were compared with the numerical and experimental solutions available in literature and were highly satisfactory. These results also showed that the proposed numerical approach can be used to study the progressive collapse of other reinforced concrete structures in fire situation and extended to the numerical analysis of composite structures under fire condition.