Abstract in Portuguese:

Resumo Este artigo apresenta uma análise dinâmica de uma ponte ferroviária de concreto armado no norte do Brasil, construída em 1980, submetida à passagem de veículos ferroviários de grande carga. Um modelo geométrico parametrizado da ponte foi desenvolvido utilizando o ambiente Rhino/Grasshopper, e uma rotina de programação foi implementada no GiD para automatizar o pré-processamento e gerar saídas compatíveis com diferentes programas FEM. A análise dinâmica foi realizada considerando a interação solo-estrutura, de modo a reproduzir os modos e frequências naturais do ativo ferroviário, sendo o modelo computacional calibrado e validado com base nos resultados de identificação modal obtidos a partir de uma campanha de monitoramento estrutural do ativo. O modelo validado serviu de base para a avaliação da resiliência estrutural da ponte, indicando resultados promissores ao se empregar a estratégia de modelagem proposta.

Abstract in English:

Abstract This paper presents a dynamic analysis of a reinforced concrete railway bridge in northern Brazil, built in 1980, under the passage of heavy-haul railway vehicles. A parameterized geometric model of the bridge was developed using Rhino/Grasshopper, and a programming routine was implemented on GiD to automate the pre-processing modeling stage and generate outputs compatible with different FEM solvers. The dynamic analysis was then performed, accounting for the soil-structure interaction to reproduce the modes and natural frequencies of the analyzed asset. The computational model was calibrated and validated using modal identification results obtained from a structural health monitoring campaign. The validated model formed the basis for assessing the structural resilience of the bridge, indicating promising results regarding adopting the proposed modeling strategy.

Abstract in Portuguese:

Resumo A construção em concreto pré-moldado traz vantagens sobre os métodos in loco convencionais, como menor tempo de construção e melhor controle de qualidade. O desempenho das estruturas pré-moldadas depende fortemente de suas ligações, cujo lacuna de conhecimento pode levar a projetos simplificados e conservadores. Este estudo avalia o desempenho de uma ligação viga-pilar com um conector metálico embutido de dupla face e armaduras de continuidade superiores, por meio de um modelo numérico baseado em MEF. Estudos experimentais e analíticos validaram esse modelo, utilizando diagramas momento-rotação. A ligação foi classificada como semirrígida de resistência média, análogo ao estudo de referência. O diagrama momento-rotação apresentou boa concordância com os resultados experimentais, com erros de 5% a 13% no momento do escoamento das armaduras de continuidade. As discrepâncias podem advir de simplificações da simulação, como adoções de simetria, modelos constitutivos e interações. Foi realizada uma análise paramétrica considerando (i) a tensão de escoamento do conector, (ii) a taxa de aço das armaduras de continuidade, (iii) a presença de estribos sobre o conector e (iv) a adição de barras soldadas ao consolo embutido. O aumento de todos os parâmetros melhorou as propriedades da ligação, exceto as barras soldadas, que não modificaram os resultados. A taxa de aço teve o impacto mais significativo. Em conclusão, o modelo numérico proposto proporcionou uma análise eficiente da ligação viga-pilar e pode contribuir para aprimorar os projetos atuais.

Abstract in English:

Abstract Precast concrete construction has advantages over conventional in situ methods, including short construction time and improved quality control. The performance of precast construction heavily relies on its connections, whose lack of knowledge can lead to oversimplified and conservative designs. This study uses a FEM-based numerical model to evaluate the performance of a beam-to-column connection with a double-sided steel hidden connector and top continuous bars. Experimental and analytical studies validated this model, considering moment-rotation diagrams. The connection was classified as a medium-strength semi-rigid connection, similar to the reference study. The moment-rotation diagram closely aligned with experimental results, with errors ranging from 5% to 13% at the yield of the top bars. The discrepancies between the results may stem from simplifications in the simulation, e.g., symmetry assumptions, constitutive models, and interactions. A parametric analysis was conducted considering (i) the yield stress of the connector, (ii) the steel reinforcement ratio of the top bars, (iii) the presence of stirrups over the connector, and (iv) the addition of welded bars to the hidden corbel. Increasing the yield stress of the connector and the reinforcement ratio of the top bars, as well as adding stirrups over the connector, enhanced the connection properties. The use of welded bars to the corbel did not affect the results. The reinforcement ratio had the most significant impact. In conclusion, the proposed numerical model provided an efficient analysis of the beam-to-column connection and could contribute to refine the current designs.

Abstract in Portuguese:

Resumo Este estudo teve como objetivo investigar o desempenho mecânico e térmico do concreto de pavimentação com substituição parcial de cimento Portland por cinza de lodo calcinado de uma estação de tratamento de água (ETA). Além disso, este estudo também avalia as características físicas e químicas do lodo calcinado da ETA. A metodologia da pesquisa foi conduzida em quatro etapas: caracterização das matérias-primas; determinação da dosagem de concreto com diferentes percentuais de lodo da ETA substituindo cimento (0, 1, 5 e 10%), avaliação das propriedades mecânicas e térmicas e análise microestrutural das misturas de concreto no estado endurecido e análise estatística. Os testes de caracterização do lodo da ETA mostraram que este é um resíduo não perigoso e não inerte. O lodo de ETA calcinado a 800 °C por 2 h tem grande potencial para ser utilizado como pozolana em matrizes cimentícias. Os resultados de laboratório mostraram que as propriedades mecânicas das misturas de concreto endurecido aumentaram com o aumento do percentual de lodo da ETA. Entretanto, por meio de análise estatística foi possível verificar que o percentual de 10% de lodo de ETA melhor contribuiu para o aumento do desempenho mecânico das misturas de concreto. Em relação à análise das propriedades térmicas das misturas de concreto, verificou-se que o percentual de 10% de ETA melhorou a condutividade térmica, contribuindo para a menor variação de temperatura do material. A análise por microscopia eletrônica de varredura (MEV) demonstrou que a adição do lodo (até 10%) não alterou a estrutura dos poros do material. Por fim, esta pesquisa indicou que a utilização de 10% de lodo de ETA como substituição parcial do cimento Portland em pavimento de concreto melhorou suas propriedades mecânicas e térmicas.

Abstract in English:

Abstract This study aimed to investigate the mechanical and thermal performance of concrete pavement with partial replacement of Portland cement by calcined sludge ash from a water treatment plant (WTP). In addition, this study also evaluates the physical and chemical characteristics of the WTP calcined sludge originating from southern Brazil. The research methodology was conducted in four stages: the characterization of raw materials; concrete dosing study with different levels of WTP sludge replacing cement (0, 1, 5, and 10%), assessment of the mechanical and thermal properties and microstructural analysis of the concrete mixtures in the hardened state, and statistical analysis. The characterization tests showed that WTP sludge is a non-hazardous and non-inert waste. The WTP sludge calcined at 800°C for 2 h has great potential to be used as a pozzolan in cementitious matrices. Laboratory results showed that the mechanical properties of hardened concrete mixtures increased with increasing WTP sludge content. However, through statistical analysis, it was possible to verify that the percentage of 10% of WTP sludge best contributed to the increase in the mechanical performance of the concrete mixtures. Regarding the analysis of the thermal properties of concrete mixtures, it was found that the percentage of 10% WTP improved the thermal conductivity, contributing to the lowest temperature variation of the material. Scanning electron microscopy (SEM) analysis demonstrated that adding the sludge (up to 10%) did not change the material's pore structure. Finally, this research indicated that the use of 10% WTP sludge as a partial replacement for Portland cement in concrete pavement improved its mechanical and thermal properties.

Abstract in Portuguese:

Resumo Esta pesquisa investigou o comportamento na compressão do concreto de alta resistência reforçado com seis tipos diferentes de fibra, envolvendo fibras de aço, de vidro e polimérica, cada uma em três frações volumétricas. Ensaios de compressão por controle de deslocamento foram realizados para a obtenção da curva tensão-deformação completa em 19 traços diferentes e suas propriedades mecânicas como resistência à compressão, módulo de elasticidade, deformação de pico e tenacidade foram analisadas e discutidas. As fibras de aço com gancho e de aço corrugadas proporcionaram os maiores ganhos nas propriedades mecânicas, seguidas pelas fibras poliméricas e fibras de vidro. No entanto, destaca-se que as fibras poliméricas monofiladas e de vidro pultrudadas proporcionaram ductilidade próxima das fibras de aço numa fração volumétrica de 1.00%. Modelos constitutivos na compressão foram propostos para cada tipo de fibra, cujos resultados apresentaram ótima concordância com os resultados experimentais.

Abstract in English:

Abstract The present research investigated the compressive behavior of high-strength concrete reinforced with six different types of fiber made of steel, glass and polymer, each one in three volume fractions. Displacement-controlled compressive tests for the complete stress-strain curve were performed over nineteen different mixes and their mechanical properties, such as compressive strength, elastic modulus, peak strain and toughness were analyzed and discussed. Hooked-end and crimped steel fibers provided the greatest gains in mechanical properties, followed by polymeric and glass fibers. Monofilament polymeric fiber and pultruded glass fiber at a volume fraction of 1.00% provided a ductility almost as good as the steel fibers in compression, though. Constitutive models were proposed for each fiber studied and showed good agreement with the experimental results.

Abstract in Portuguese:

Resumo A incerteza tem sido reconhecida há muitos anos como um aspecto importante na análise dos projetos nas engenharias. Essa imprevisibilidade inerente é geralmente representada pela variabilidade e a aleatoriedade. Nesse contexto, é apresentada uma abordagem de otimização topológica (OT) elástica linear com restrição de confiabilidade. Este método utiliza um laço externo para a otimização e um laço interno para a análise de confiabilidade. O procedimento de OT, baseado na Otimização Estrutural Evolutiva Bidirecional, foi desenvolvido para minimizar a flexibilidade da estrutura de concreto e, consequentemente, reduzir o peso, respeitando um índice de confiabilidade estabelecido. Critério de falha, como a superfície de quatro parâmetros de Ottosen, é utilizado para verificar o nível de tensão do domínio computacional. Além disso, é realizada uma análise não linear por elementos finitos da estrutura resultante em um software comercial. O objetivo é realizar uma análise comparativa entre uma viga alta de referência da literatura e as topologias otimizadas, a fim de determinar a capacidade de resistência última e avaliar como a redução de materiais afeta o modo de falha e a carga última. Os resultados demonstram projetos eficientes e confiáveis em termos de recursos, com desempenho estrutural semelhante ao das estruturas tradicionais de concreto.

Abstract in English:

Abstract Uncertainty has long been a recognized aspect of engineering analysis and design. This inherent unpredictability is typically represented by variability and randomness. In this context, a linear elastic topology optimization (TO) approach with reliability constraints is presented. This method uses an outer loop for the optimization and an inner loop for the reliability analysis. The TO procedure based on the Bidirectional Evolutionary Structural Optimization (BESO) was developed to minimize the structure’s concrete compliance and, consequently, reduce the weight for a given reliability index constraint. Failure criterion, such as Ottosen's four-parameter surface is used to check the stress level in the computational domain. Moreover, a nonlinear finite element analysis for the resulting structure is developed in commercial software. The scope here is to conduct a comparative analysis between a reference deep beam from the literature and the optimized topologies to determine the ultimate strength capacity and assess how material reduction affects the failure mode and ultimate load. Results demonstrate resource-efficient and reliable designs with similar structural performance when compared to traditional concrete structures.

Abstract in Portuguese:

Resumo Este artigo avalia o desempenho de um concreto de baixo teor de cimento altamente ecoeficiente, incorporando escória de Convertedor a Oxigênio (BOFS) como matéria-prima. A BOFS foi processada para obter pós finos e grossos, com o traço do concreto baseado em um método Andreassen modificado para melhorar o empacotamento de partículas no nível da pasta. Essa abordagem resultou em concretos com um consumo de cimento de apenas 86,6 kg·m-3. Os concretos com BOFS foram avaliados por meio de testes de absorção de água, velocidade de pulso ultrassônico, frequência ressonante forçada, módulo de elasticidade, resistência à compressão, resistência à tração e análise do sistema de poros. Além disso, foram realizados testes de resistividade elétrica e carbonatação acelerada. Aos 28 dias, o concreto com BOFS atingiu uma resistência à compressão de 35,1 MPa, correspondendo a uma intensidade de cimento de 2,47 kg·m−3·MPa−1, com ganhos substanciais de resistência em idades posteriores. Apesar da relativamente baixa resistividade elétrica devido ao teor de ferro, o concreto com BOFS apresentou uma microestrutura densa (índice de vazios de 5,5% e velocidade de pulso ultrassônico de 4276 m/s) e permaneceu estável sob imersão em água a alta temperatura. O empacotamento otimizado das partículas contribuiu para um alto desempenho mecânico e uma durabilidade promissora, evidenciada pela baixa profundidade de carbonatação (menos de 10 mm em 120 dias sob 8% de CO2). Esses resultados demonstram que o concreto com BOFS, altamente ecoeficiente, pode alcançar uma durabilidade comparável à dos concretos convencionais à base de cimento Portland. Este estudo reforça o potencial da BOFS como uma alternativa sustentável, promovendo práticas de economia circular e reduzindo a pegada ambiental da indústria da construção civil.

Abstract in English:

Abstract This paper evaluates the performance of a highly eco-efficient low-cement concrete incorporating Basic Oxygen Furnace slag (BOFS) as a raw material. The BOFS was processed to obtain fine and coarse powders, with the mix design based on a modified Andreassen method to enhance particle packing at the paste level. This approach resulted in concretes with a cement consumption of only 86.6 kg·m-3. The BOFS concretes were assessed through water absorption, ultrasonic pulse velocity, forced resonant frequency, modulus of elasticity, compressive strength, tensile strength, and pore system analysis. Additionally, electrical resistivity and accelerated carbonation tests were conducted. At 28 days, the BOFS concrete achieved a compressive strength of 35.1 MPa, corresponding to a cement intensity of 2.47 kg·m-3·MPa−1, with substantial strength gains at later ages. Despite its relatively low electrical resistivity due to the iron content, the BOFS concrete exhibited a dense microstructure (void index of 5.5% and ultrasonic pulse velocity of 4276 m/s) and remained stable under high-temperature water immersion. The optimized particle packing contributed to high mechanical performance and promising durability, as evidenced by the low carbonation depth (less than 10 mm in 120 days under 8% CO2). These findings demonstrate that highly eco-efficient BOFS concrete can achieve durability comparable to conventional Portland cement-based concretes. This study reinforces the potential of BOFS as a sustainable alternative, promoting circular economy practices and reducing the environmental footprint of the construction industry.

Abstract in Portuguese:

Resumo As ligações viga-pilar são regiões denominadas descontínuas e, portanto, podem ser dimensionadas pelo método de bielas e tirantes. Em nós de pórtico em que o plano de flexão coincide com a menor dimensão do pilar, os momentos fletores de compatibilização entre viga e pilar são, geralmente pequenos. No entanto, por seu uma região pequena, deve-se atentar para a adequada verificação e detalhamento das armaduras e ancoragens na região, evitando plastificação e fissuração indesejadas. Nesse sentido, o presente estudo traz luz ao comportamento dessas regiões de ligação. Neste trabalho foi analisado o comportamento estrutural de ligações viga-pilar extremo de pórticos de concreto armado considerando essa situação. Foram avaliadas a configuração do fluxo de tensões no concreto e o modelo de bielas e tirantes. Para isso, foram desenvolvidos modelos numéricos em elementos finitos, de pórticos variando dimensões para a viga e o pilar. Foram consideradas situações com e sem a presença de grampos de ancoragem. Foi constatado que modelos com flexão na direção da maior dimensão do pilar apresentaram maior resistência, o que confirma a necessidade de se considerar as dimensões do pilar para a correta determinação dos esforços nas vigas. A armadura negativa apresentou deformações de tração elevadas somente em alguns casos de flexão na direção da maior dimensão do pilar sendo que esses valores não foram significativos ao longo do prolongamento após o gancho. Para todos os casos, a armadura positiva se mostrou comprimida junto ao apoio e os grampos não foram solicitados à tração da maneira esperada e não influenciaram o resultado. Conclui-se que existe uma superestimação dessa armadura pelos critérios normativos, uma vez que não se considera redução da mesma quando se tem momento negativo na ligação. Os modelos de bielas e tirantes apresentaram boa correlação com os valores numéricos, indicando valores a favor da segurança para os momentos negativos na ligação.

Abstract in English:

Abstract The beam-column joints are called discontinuous regions and, therefore, could be designed by the strut and tie method. In beam-column joints where the bending plane coincides with the column's smaller dimension, the bending moments associated with the compatibility between the beam and column are typically small. However, the reduced size of the region necessitates careful reinforcement verification and detailing to prevent plastic strain and cracking. In this context, the present study sheds light on the behavior of these connection regions. In this study, the structural behavior of corner beam-column joints of reinforced concrete frames was analyzed, including the evaluation of the stress flow configuration in the concrete and the assessment of the strut and tie model. For this, numerical models in finite elements were developed, considering frames with different dimensions for the beam and the column. Situations with and without the presence of anchorage clamps were considered. Models with bending towards the column's larger cross-sectional side exhibited superior strength, highlighting the importance of column dimensions for determining beam efforts. The top reinforcement exhibited high tensile strain only in some cases of bending towards the larger side of the column cross section, and these values were not significant along the extension of the anchorage length. In all cases, the bottom reinforcement close to the support was compressed, the clamps were not requested in tension as expected and did not influence the results. It is concluded that there is an overestimation of this reinforcement by the Brazilian standard criteria, since a reduction is not considered for a negative moment in the joint. The proposed strut and tie models showed good agreement with the numerical results, suggesting that the theoretical bending moments derived from these models are conservative.

Abstract in Portuguese:

Resumo Este trabalho apresenta uma revisão de técnicas não-destrutivas para estimativa da resistência do concreto em estruturas existentes. Além disso, são propostos cinco modelos preditivos para pontes Brasileiras, a partir de medições de velocidade de pulso ultrassônico (UPV). Os modelos foram calibrados por meio de regressão empírica, validação cruzada, abordagem biobjetiva, atualização Bayesiana e através de um intervalo de confiança de 95%. Os modelos foram avaliados dentro do banco de dados e comparados com conjuntos de dados da literatura. A regressão, a validação cruzada e a abordagem biobjetiva forneceram os resultados mais precisos para os dados deste trabalho. O intervalo de confiança de 95% evitou a superestimativa da resistência do concreto, mas obteve uma correlação fraca do modelo. O modelo de inferência bayesiana melhor previu a resistência fora de seu escopo de validação.

Abstract in English:

Abstract This work presents a review of nondestructive techniques for concrete strength estimation. Also, five predictive models are proposed for existing bridges in Brazil, based on ultrasonic pulse velocity (UPV) measurements. The models were calibrated through empirical random regression, cross-validation procedure, bi-objective approach, Bayesian updating, and using a 95% confidence interval. The models were assessed within the database and against datasets found in the literature. The empirical regression, cross-validation, and bi-objective techniques provided the most accurate results for the present dataset. The 95% confidence interval avoids overestimating the concrete strength, but it results in poor model correlation. The Bayesian inference model was the one that best predicted the strength of datasets outside its scope of validation.

Abstract in Portuguese:

Resumo Como não há consenso na literatura sobre os valores do índice de confiabilidade alvo de estruturas de concreto armado em situação de incêndio, este artigo tem como objetivo apresentar uma metodologia que infira um intervalo de índice de confiabilidade alvo implícito para vigas de concreto armado em situação de incêndio-padrão a partir das prescrições das normas brasileiras. A função de estado limite utilizada na análise compara o momento fletor resistente e o momento fletor atuante nas estruturas, as quais são baseadas em uma viga de concreto armado com características representativas de edifícios residenciais típicos no Brasil. Em razão da função de estado limite mencionada, para gerar um intervalo de índice de confiabilidade alvo, foi considerada uma variação no valor do cobrimento nominal das vigas e uma variação na razão de carga aplicada a elas. A primeira variação é importante porque o cobrimento é a variável que mais influencia a resistência das vigas em uma situação de incêndio, enquanto a segunda variação é importante porque é uma variável que pode causar alterações no momento fletor atuante das estruturas. Dessa forma, utilizando uma ferramenta computacional desenvolvida, baseada no Método FORM, a confiabilidade das vigas com tempo de resistência ao fogo superior ao Tempo Requerido de Resistência ao Fogo (TRRF) definido por norma é avaliada pelo método analítico permitido pela norma brasileira. Nesse contexto, foi possível inferir um intervalo de índice de confiabilidade alvo para essas estruturas, variando de 0,32 a 1,52. Esse intervalo, que corresponde à confiabilidade para TRRF de 60 minutos, pode ser dividido de acordo com o valor nominal do cobrimento ou com a classe de agressividade do ambiente da viga e corresponde a uma probabilidade de falha de 6% a 37%, o que pode ser entendido como uma confiabilidade conservadora.

Abstract in English:

Abstract Since there is no consensus in the literature on the target reliability index values of reinforced concrete structures in a fire situation, this article aims to present a methodology for inferring the implicit target reliability index range for reinforced concrete beams in a standard fire situation from the prescriptions of Brazilian standards. The limit state function used in the analysis compares the resisting bending moment and the applied bending moment on the structures, which are based on a reinforced concrete beam with representative characteristics for typical residential buildings in Brazil. Because of the aforementioned limit state function, in order to generate a target reliability index interval, it was considered a variation in the nominal cover value of the beams and a variation on the load ratio applied to them. The former variation is important because the cover is the variable that most influences the resistance of the beams in a fire situation, while the second variation is important because it is a variable that can cause changes in the applied bending moment of the structures. In this way, using a developed computational tool, based on the FORM Method, the reliability of the beams with fire resistance time greater than the Required Fire Resistance Time (TRRF in Portuguese) defined by standard is evaluated by the analytical method allowed by the Brazilian standard. In this context, a target reliability index interval was possible to be inferred for these structures ranging from 0.32 to 1.52. This interval, which represents the reliability for the TRRF of 60 minutes, can be divided according to the nominal value of the cover or the aggressiveness class of the beam’s environment and corresponds to a 6% to 37% probability of failure, which can be understood as conservative reliability.

Abstract in Portuguese:

Resumo Nesse estudo, foram moldadas quatro vigas com concreto autoadensável, sendo duas vigas com fibras de poliolefina e duas sem fibras. Foram utilizados dois diferentes comprimentos de traspasse, vinte e cinco e quarenta diâmetros, utilizando barras em GFRP de fabricação brasileira. A metodologia de ensaio foi o traspasse do reforço longitudinal em GFRP no terço médio das vigas, região de momento constante, de modo a avaliar a tensão de aderência na interface entre barras em GFRP e concreto. Foi verificado que maiores comprimentos de traspasse reduzem a tensão de aderência, como reportado em diversos trabalhos de referência, aumentando a carga última das vigas, o uso de fibras de poliolefina aumentou a tensão máxima de aderência em até 57% e a carga última em até 13%. A contribuição das fibras de poliolefina é mais relevante para menores comprimentos de aderência. O padrão de ruptura é compatível com ruptura do traspasse.

Abstract in English:

Abstract Four beams were molded and tested using self-compacting concrete (SCC), two using polyolefin fibers and two without fibers. Two different lap splice lengths, twenty-five and forty diameters long, were tested using GFRP Brazilian bars. The test methodology included bending tests with lap splices of longitudinal reinforcement in GFRP in the middle third of the beams, in order to evaluate the bond stress at the interface between bars in GFRP and concrete. The conclusion is that longer lap splice lengths can reduce bond tension, increasing the ultimate load of the beams and that the use of polyolefin fibers increased the maximum bond stress by up to 57% and the ultimate load by up to 13%. The contribution of polyolefin fibers is more relevant for shorter lap splice lengths.