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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Análise de vulnerabilidade sísmica de cascas de formas livres
Title Alternative: Seismic vulnerability assessment of free-form shells
Author: Caycedo Garcia, Maya Sian, 1984-
Advisor: Vizotto, Isaias, 1955-
Abstract: Resumo: Estudos de verificação do comportamento e vulnerabilidade sísmica para os diferentes tipos de estruturas em casca são raros, e não encontrados na literatura técnica para as estruturas em casca de formas livres. Estruturas em casca de formas livres são estruturas que têm comportamento estrutural de acordo com a Teoria de Membrana para cascas finas, em que as formas são definidas por superfícies curvas médias e as espessuras em cada ponto das respectivas superfícies não representadas por equações matemáticas analíticas. Considerando-se que estas estruturas apresentam comportamento estático altamente indeterminado e com suscetibilidade aos efeitos da não linearidade geométrica, os mecanismos de falha podem variar substancialmente em relação às estruturas convencionais. É, portanto, de grande importância estudar o comportamento sísmico das estruturas em casca, sobretudo as de formas livres, considerando-se a variabilidade e as incertezas relacionadas à solicitação estrutural oriunda da demanda sísmica e relacionadas à capacidade proveniente da variação das propriedades mecânicas dos materiais e das formas tridimensionais das estruturas. Esta pesquisa tem por objetivos principais proporcionar uma melhor compreensão da vulnerabilidade sísmica e dos principais mecanismos de falha das estruturas em casca de formas livres. Para tanto, foram desenvolvidos modelos numéricos para cascas de formas livres utilizando o software ABAQUS®. Foram considerados modelos de comportamento não-linear com dano acoplado para o concreto armado, e avaliados diferentes parâmetros estruturais, como a rigidez do material, a quantidade de aço e a espessura das cascas, para determinar os diferentes estados limites e mecanismos de dano para as estruturas, adotando-se como exemplos dois casos de cascas de bases com plantas hexagonal e triangular. Os patamares de danos são utilizados para a definição de diferentes níveis de desempenho esperado para as estruturas quando submetidas a carregamentos extremos como, por exemplo, uma carga sísmica, definindo-se assim diferentes estados limites para as estruturas. Para a verificação da vulnerabilidade sísmica das cascas de formas livres é utilizada uma abordagem analítica, gerando curvas de fragilidade para diferentes níveis de dano esperado (estados limites), através de análises temporais não lineares (análise dinâmica transiente temporal) para modelos tridimensionais. O ótimo comportamento estrutural das cascas de formas livres sob ações sísmicas pode ser verificado devido à alta ductilidade e rigidez estrutural em combinação com as características de leveza inerentes a estas estruturas. Neste sentido, as cascas de formas livres podem ser seguras para proteger as pessoas durante um terremoto, e em muitos casos servir como abrigos após eventos extremos. Esta pesquisa contribui com uma proposta para modelagem numérica para identificação dos níveis prováveis de danos para as estruturas em casca de formas livres após eventos extremos a partir da abordagem analítica da fragilidade e vulnerabilidade das estruturas, que pode ser utilizada por engenheiros projetistas. Assim, é possível optar por um dimensionamento estrutural estático equivalente ou dinâmico por meio de um modo mais eficaz e racional, partindo-se da avaliação do risco que as cascas de formas livres poderiam sofrer em virtude das suas características mecânicas e das demandas sísmicas decorrentes da probabilidade de ocorrer um evento sísmico de grande magnitude nas regiões de localização das estruturas

Abstract: Seismic behavior verification and vulnerability studies for the different types of shells structures are scarce, and not found in the technical literature for free-form shells structures. Free-form shell structures are structures that have structural behavior in accordance to the Membrane Theory of thin shells, where the shapes are defined by mean curved surfaces and the thicknesses at each point of the respective surfaces not represented by analytical mathematical equations. Considering that these structures exhibit highly indeterminate static behavior and susceptibility to the effects of geometric non-linearity, failure mechanisms can vary substantially in relation to conventional structures. Therefore it is of great importance to study the seismic behavior of the shells, especially free-form shells, taking into account the variability and uncertainties related to the structural request arising from the seismic demand and in relation to the capacity of the structure arising from of the mechanical properties of its materials and its three-dimensional structures forms. This research aims to provide a better understanding of the seismic vulnerability and to define the main fault mechanisms associated with free-form shells, using two types of such structures as examples; one with an hexagonal base and the other with a triangular base. In order to achieve this objective, numerical models are developed with ABAQUS software using the nonlinear characteristics of the materials of both structures and characterizing the generated damage. Structural properties such as concrete stiffness, amount of steel and cross-sectional thickness are adopted as variables in order to determine different damage parameters, with examples being two cases of base shells with hexagonal and triangular plants. The damage parameters will be used to define the different behavioral levels expected of the structures in question when subjected to external loading, such as seismic load, and will provide their capacity limits. This study follows an analytical methodology to verify the seismic vulnerability of the shells by generating capacity and fragility curves through nonlinear time-history analysis in tridimensional models. The excellent structural behavior of free-form shells under excitation of the earthquake is evidenced due to its high ductility and structural rigidity in combination with its light nature, inherent to these structures. In this sense, free-form shells can be safe to protect people during an earthquake, and in many cases could serve as shelters after the earthquake. This research work contributes with a proposal for numerical modeling for engineers and designers that allows them to study through an analytical perspective the fragility and vulnerability of the free-form shells and their probable levels of damage after a seismic event. Furthermore, this approach will enable professionals to effectively and rationally make static or dynamic equivalent structural dimensioning, starting from the evaluation of the risk that the free-form shells could suffer due to their mechanical characteristics and the seismic demands arising from probability of occurrence of a large magnitude seismic event in the regions of location of the structures
Subject: Cascas (Engenharia)
Concreto armado
Vulnerabilidade
Dinâmica estrutural
Abalos sísmicos
Language: Português
Editor: [s.n.]
Citation: CAYCEDO GARCIA, Maya Sian. Análise de vulnerabilidade sísmica de cascas de formas livres. 2019. 1 recurso online (157 p.). Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo, Campinas, SP.
Date Issue: 2019
Appears in Collections:FEC - Tese e Dissertação

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