This article presents a new proposal to estimate structural capacity models for bridge portfolios. A common approach is the use of ductility-based capacity models. Herein, a ductility replacement for curvature or drift as engineering demand parameters is conducted, as variability within the bridge’s classes is considered in the results and multidirectional pushover analyses are performed to assess a bi-directional load scenario. Application of the methodology is exemplified for an inventory of Northeastern Brazilian bridges. Parametric analyses are performed by varying the reinforcement ratios to estimate the capacity limit states within the range of values used. These results from probabilistic models define the capacity limit state that can be used to perform vulnerability assessment of bridges to different hazard sources, such as earthquakes.

Keywords: structural capacity; parametric analysis; multidirectional pushover analysis

Este artigo apresenta uma proposta para determinação da capacidade estrutural de portfólios de pontes. Uma prática comum é o uso de modelos de capacidade baseados na ductilidade. Neste trabalho, a ductilidade é substituída por curvatura ou drift como parâmetros de demanda, uma vez que a variabilidade dos parâmetros que definem classes de pontes é considerada nos resultados e análises multidirecionais do tipo Pushover são realizadas para avaliar cenários de forças bidirecionais. Uma aplicação da metodologia é exemplificada para um inventário de pontes típicas situadas no Nordeste do Brasil. Análises paramétricas são realizadas por meio da variação das taxas de armaduras para determinação dos estados-limites dentro dos valores estudados. Os resultados dos estados limites de capacidade são informações valiosas para realização de estudos de vulnerabilidade de portfólios de pontes para diferentes fontes de ameaça, como sismos.

Palavras-chave: capacidade estrutural; análise paramétrica; pushover multidirecional

Reinforced concrete beams are subjected to bending, torsion and shear simultaneously. The interaction of combined loading is complex and demands a unified model for analysis and design. Using the models from NBR 6118/2014 (variable angle truss model with parallel chords) and AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 2014 (Modified Compression Field Theory), an algorithm was created, converting the resistance problem into a constrained optimization problem and generating an interaction surface that also displays the active constraints for each degree of interaction. Applying it to three beams previously tested, the experimental data was plotted against the surface obtained by the standards. The procedure and its optimization approach were efficient and effective in predicting the beams’ resistance. Comparison between the interaction surfaces, empirical data and existing literature showed the procedure and the standards were consistent and its application simple and practical.

Keywords: reinforced concrete; bending; torsion; shear; interaction; optimization; NBR 6118; AASHTO LRFD

Vigas de concreto armado estão sujeitas a esforços de flexão, torção e cortante, muitas vezes simultaneamente. A interação entre esses é um fenômeno complexo, que exige um modelo unificado de análise e dimensionamento. Seguindo os modelos da NBR 6118/2014 (treliça generalizada de banzos paralelos) e AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 2014 (Teoria do Campo de Compressão Modificada), implementou-se um algoritmo que transforma o problema de resistência em um problema de otimização com restrições, gerando uma superfície de interação com indicações das restrições ativas em cada grau de interação. Aplicando o procedimento para três vigas ensaiadas anteriormente, plotaram-se os resultados experimentais sobre a superfície obtida pelas normas. O procedimento e sua abordagem de otimização foram eficientes e eficazes em prever a resistência das vigas analisadas. A comparação das superfícies de interação com dados experimentais e resultados da literatura mostrou a consistência do procedimento e das normas, e sua aplicação se mostrou prática e simples.

Palavras-chave: concreto armado; flexão; torção; cortante; interação; otimização; NBR 6118; AASHTO LRFD

Abstract

Bridges and tunnels are large and complex structures that demand periodic inspections to assess their physical conditions. Although both have different designs and constructions from each other, a common problem they share is the drawbacks that their conventional inspections face. Moreover, conventional procedures not only are laborious, time-consuming, and costly, but also involve high and/or hard-to-reach places, often exposing the specialized inspectors to danger. To overcome these problems, the Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is being explored to automate these inspections. Recently, the number of researches employing it within the civil infrastructure condition assessment has been growing in recent years, especially for the inspection of large and complex structures. Unlike the UAV-based bridge inspection that already has some review articles available in the literature, there are none yet for the tunnel inspection, to the best of authors' knowledge. Therefore, this article intends to conduct not only a review of the few UAV-based tunnel inspection researches available in the literature, but also an up-to-date review of UAV-based bridge inspection researches. Finally, the key challenges and future trends of the UAV-based inspection of these two structures are discussed, followed by the review conclusions.

Keywords: unmanned aerial vehicle; bridge; tunnel; inspection; applications

Pontes e túneis são estruturas complexas e largas que exigem inspeções periódicas para avaliar suas condições físicas. Embora ambos possuam projetos e construções diferentes entre si, um problema comum que eles compartilham são as desvantagens que suas inspeções convencionais enfrentam. Além disso, procedimentos convencionais não só são trabalhosos, demorados e dispendiosos, mas também envolvem lugares altos e/ou de difícil acesso, muitas vezes expondo os inspetores especializados a perigos. Para superar estes problemas, o Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) está sendo explorado para automatizar essas inspeções. Recentemente, o número de pesquisas que o empregam na avaliação da condição de infraestruturas civis vem crescendo nos últimos anos, especialmente para a inspeção de estruturas complexas e largas. Ao contrário da inspeção de pontes com VANT que já possui alguns artigos de revisão disponíveis na literatura, não há nenhum ainda para a inspeção de túneis com VANT, até onde os autores saibam. Portanto, este artigo pretende conduzir não somente uma revisão das poucas pesquisas disponíveis na literatura sobre inspeção de túneis com VANT, como também uma revisão atualizada das pesquisas sobre inspeção de pontes com VANT. Finalmente, os principais desafios e as tendências futuras da inspeção com VANT dessas duas estruturas são discutidas, seguidas das conclusões da revisão.

Palavras-chave: veículo aéreo não tripulado; ponte; túnel; inspeção; aplicações

Abstract

The relationship between flexural and direct tensile strength (αfl ratio) has been explored in evaluations of the cracking moment for concrete structural elements. However, most results for αfl can be applied only for rectangular cross-sections. This manuscript addresses its obtaining for unusual cross-sections largely used in precast concrete elements. A theoretical analysis was performed in thirty-two different cross-sections regarding the compressive strength of concrete and the aggregate type used in the concrete composition. The results showed a smooth increase in αfl for higher strength concretes and lower elastic modulus aggregates. The theoretical procedure showed a good correlation with experimental data and prediction models and can be an interesting alternative for the obtaining of the αfl of unusual cross-sections.

Keywords: flexural tensile strength; direct tensile strength; cracking moment; precast concrete; theoretical analysis

A relação entre a resistência à tração na flexão e tração direta (razão αfl) tem sido explorada na avaliação do momento de fissuração para elementos estruturais de concreto. No entanto, a maioria dos resultados relatados para αfl podem ser aplicados apenas para seções transversais retangulares. Este artigo aborda a obtenção da relação αfl para seções transversais não usuais amplamente utilizadas em elementos de concreto pré-moldado. Uma análise teórica foi realizada em trinta e duas diferentes seções transversais em termos da resistência à compressão do concreto e o tipo de agregado utilizado na composição do concreto. Os resultados apresentaram um suave aumento em αfl para concretos de maior resistência e agregados com menor módulo de elasticidade. O procedimento teórico exibiu uma boa correlação com dados experimentais e modelos de previsão, e pode ser uma alternativa interessante para a obtenção da relação αfl de seções transversais não usuais.

Palavras-chave: resistência à tração na flexão; resistência à tração direta; momento de fissuração; concreto pré-moldado; análise teórica

Abstract

The study proposes to analyze the distribution of bending moment due to live load in curved bridges that have undergone a process of widening, considering the influence of concrete’s strength variation. The results show that the bending moment redistribution is more significant the higher the stiffness in the widenings. In addition, the redistribution induced by the variation of stiffness depends on the live load positioning but, generally, it results in the migration of bending moments to the stiffer regions, relieving the original girders. The curvature did not significantly alter the response induced by the stiffening of the widened segments. Also, the divergences found between the MEF and the V-load Method results for models with uniform and variable stiffness were similar. Finally, the Modification Factors (MF) proved to be more sensitive to the influence of curvature than to the concrete strength in the widenings.

Keywords: bridge widening; widening stiffness; live loads; FEM; V-load method

Esta pesquisa propõe analisar a distribuição de momentos fletores devido à carga móvel entre longarinas de pontes curvas de concreto armado que passaram por um processo de alargamento da superestrutura. Como principais conclusões foi constatado que a redistribuição de momentos é tanto mais significativa quanto mais elevada for a rigidez dos alargamentos. Ademais também foi observado que a redistribuição induzida pela variação da rigidez está condicionada à posição do carregamento móvel, porém, em geral, resultam na migração de esforços para os trechos mais rígidos, aliviando as longarinas originais. Constatou-se ainda que a variação da curvatura pouco altera a redistribuição de esforços induzida pelo aumento da rigidez no alargamento. Ademais, as divergências entre os resultados do MEF e do Método V-Load para os modelos com rigidez variável não divergiram significativamente daqueles obtidos nos modelos de rigidez constante. Por fim, os Fatores de Modificação (FM) mostraram-se mais sensíveis à variação do raio de curvatura do que à resistência do concreto nos alargamentos.

Palavras-chave: pontes alargadas; resistência do concreto; cargas móveis; MEF; método V-load

Abstract

Reinforced concrete elements with a high longitudinal and transverse reinforcement ratio may present conflicts on both of them, resulting in reduced labor productivity and a poor job when assembling the transversal reinforcement, reducing its effectiveness. Thus, this research presents a type of internal transverse reinforcement as an alternative to mitigate this conflict between the transverse and longitudinal bars. A total of 5 reinforced concrete wide beams were made, one of them as a reference with closed stirrups, and the other ones with internal stirrups, varying the inclination of the internal transverse reinforcement in 60° and 90°, and the number of vertical legs of the internal transverse reinforcement used. Comparing the results of the beams with internal stirrups with the reference beam, it was observed that the internal stirrups provided increases of up to 14% in shear strength when compared with the closed stirrup.

Keywords: shear; internal transverse reinforcement; unconnected stirrups

Elementos de concreto armado com elevada taxa de armadura longitudinal e transversal podem apresentar conflitos das duas armaduras gerando redução em produtividade durante a armação do elemento e mal posicionamento da armadura transversal diminuindo a efetividade da armadura. Diante disso, essa pesquisa apresenta um tipo de armadura transversal interna como forma de mitigar esse conflito entre as barras transversais e longitudinais. Foram ensaiadas 5 vigas faixa de concreto armado, sendo uma de referência com estribos fechados e as outras 4 com estribos internos variando a inclinação das armaduras transversais internas em 60º e 90º e a quantidade de pernas verticais da armadura transversal interna utilizada. Comparando os resultados das vigas com estribos interno com a viga de referência, observou-se que os estribos internos garantiram ganhos de até 14% de capacidade de resistência ao cisalhamento em comparação com o estribo fechado.

Palavras-chave: cisalhamento; armadura transversal interna; estribos desconectados

Abstract

In this work, a study on failure by concrete pry-out in Crestbond shear connectors is presented. The study’s aim was the development of an expression that estimates the connection’s bearing capacity. The analyses were carried out through numerical simulations designed to reproduce the referred failure mode. Numerical and experimental results are compared and discussed in relation to the maximum force reached and the cracking aspect typical of concrete pry-out. The proposed equation corresponded well to experimental results, with a mean ratio Ptheo/Pexp equal to 0,99 and a coefficient of variation of 10%. The results found in this study indicate that the concrete pry-out expression in German Technical Approval Z-26.4-56 can also be applied to Crestbond shear connectors.

Keywords: shear connector; Crestbond; numerical model; concrete pry-out; composite dowels

Resumo

Neste trabalho é apresentado um estudo sobre a ruptura do concreto por pry-out em conectores de cisalhamento tipo Crestbond com o objetivo de obter um modelo de cálculo que estima a resistência da conexão a esse modo de falha. As análises foram realizadas por meio de simulações numéricas capazes de reproduzir o referido modo de falha. Os resultados numéricos são comparados com os experimentais e discutidos em relação à força máxima atingida e o aspecto da fissuração típica do pry-out. O modelo de cálculo proposto apresentou boa correspondência com os resultados experimentais, com uma razão média Pteo/Pexp igual a 0,99 e um coeficiente de variação de 10%. Os valores encontrados nesse estudo sugerem que a expressão da Aprovação Técnica Alemã para outros conectores pode ser aplicada nos conectores Crestbond.

Palavras-chave: conector de cisalhamento; Crestbond; modelo numérico; pry-out do concreto; composite dowels

Abstract

The cross-section of concrete-filled steel tube (CFST) columns is classified according to the local slenderness of the steel tube as slender, non-compact, or compact. There are analytical models to determine the axial force of locally slender CFST columns, however studies on load transfer from beams connected to these columns are scarce. This paper presents the process of the development and validation of a numerical model to simulate the behavior of Crestbond connectors applied to CFST columns with slender steel tubes, based on the results of experiments carried out. The numerical model presented can be used for the analysis and design of the load transfer in slender columns using connectors known as composite dowels.

Keywords: Crestbond connector; load transfer device; CFST; composite dowels

Os pilares mistos preenchidos com concreto (PMPC) podem ter a seção transversal classificada em função da esbeltez local do perfil tubular como sendo: esbelta, semicompacta ou compacta. Embora já existam modelos de cálculo para determinação da força axial resistente dos PMPC com seção tubular esbelta, são escassos os estudos sobre a transferência de forças vindas das vigas conectadas a esses pilares. Este artigo tem como objetivo apresentar o processo de desenvolvimento e validação de um modelo numérico para simular o comportamento dos conectores Crestbond aplicados a (PMPC) de seção tubular esbelta, com base em resultados de experimentos realizados. O modelo numérico apresentado pode ser utilizado para o estudo e projeto da transferência de força em pilares de seção esbelta utilizando conectores em chapa conhecidos como composite dowels.

Palavras-chave: conector Crestbond; transferência de carga; PMPC; composite dowels

Abstract

Indirect supports consist of beams being supported by others beams, demanding the presence of a hanger reinforcement, required by ABNT NBR 6118, that will act as a tie hanging the applied load from the supported beam to the upper chord of the supporting beam. Therefore, the present work, through the study of experimental results in the literature, aims to present recommendations for the design of indirect supports and hanger reinforcements in reinforced concrete beams. Through a parametric analysis, was obtained an equation that calculates the load to be suspended as a function of the dimensions of the beams. It was observed that in some cases the reinforcement can be dispensed. The hanger reinforcement must be added to the shear reinforcement and in the case of regions where there is a torsional moment acting on the support beam, it was noticed that only the inner legs of the support beam stirrups collaborate to hang the load.

Keywords: indirect support; hanger reinforcement; design recommendations

Os apoios indiretos consistem no apoio de vigas sobre vigas sendo necessária a presença de uma armadura de suspensão, exigida pela ABNT NBR 6118, que irá atuar como um tirante suspendendo a carga aplicada da viga apoiada até o banzo superior da viga de suporte. Diante disso o presente trabalho, através do estudo de resultados experimentais na literatura, tem como objetivo apresentar recomendações para o projeto dos apoios indiretos e das armaduras de suspensão em vigas de concreto armado. Obteve-se, através de uma análise paramétrica, uma equação que calcula a carga a ser suspensa em função das dimensões das vigas. Observou-se que em alguns casos a armadura pode ser dispensada. A armadura de suspensão deve ser adicionada à armadura de cisalhamento e no caso de regiões em que existe momento torsor atuando na viga de suporte percebeu-se que apenas as pernas internas dos estribos da viga de suporte colaboram para suspensão da carga.

Palavras-chave: apoio indireto; armadura de suspensão; recomendações de projeto

Abstract

In this paper, an experimental program was developed in order to evaluate the structural behavior of RC beams rehabilitated with CFRP sheets and crack injections. The specimens’ stiffness before and after structural rehabilitation was assessed through vibration tests. Bending tests were employed to obtain load-deflection curves and evaluate failure modes. Results indicate that all beams displayed higher stiffness values after structural rehabilitation. The CFRP sheet fostered an increase of the specimens’ ultimate load. Crack injections influenced stiffness but did not affect the ultimate load.

Keywords: structural rehabilitation; NDT; RC beam; reinforcements with CFRP; crack injection

Neste trabalho, foi desenvolvido um programa experimental com o objetivo de avaliar o comportamento estrutural de vigas de concreto armado reabilitadas com manta de CFRP e injeções de fissuras. A rigidez dos modelos antes e depois da reabilitação estrutural foi avaliada por meio de ensaios de vibração. Foram realizados ensaios de flexão para obter curvas de carga-flecha e avaliar modos de falha. Os resultados indicam que todas as vigas apresentaram valores de rigidez mais elevados após a reabilitação estrutural. A manta de CFRP promoveu um aumento da carga final dos modelos. As injeções de fissura influenciaram a rigidez, mas não afetaram a carga final.

Palavras-chave: reabilitação estrutural; END; viga de concreto armado; reforço com CFRP; injeção de fissuras