The strut-and-tie models in reinforced concrete structures analysed by a numerical technique

Abstract

Os modelos de bielas e tirantes são procedimentos de análise apropriados para projetar elementos de concreto armado em casos de regiões onde há alterações geométricas ou concentrações de tensões, denominadas regiões D. Trata-se de bons modelos de representação da estrutura para avaliar melhor o seu comportamento estrutural e seu mecanismo resistente. O presente artigo aplica a técnica da otimização topológica para identificar o fluxo de tensões nas estruturas, definindo a configuração dos membros de bielas e tirantes, e quantifica seus valores para dimensionamento. Utilizam-se o método ESO, e uma variante desse, o SESO (Smoothing ESO) com o método dos elementos finitos em elasticidade plana. A filosofia do SESO baseia-se na observação de que se o elemento não for necessário à estrutura, sua contribuição de rigidez vai diminuindo progressivamente. Isto é, sua remoção é atenuada nos valores da matriz constitutiva, como se este estivesse em processo de danificação. Para validar a presente formulação, apresentam-se alguns exemplos numéricos onde se comparam suas respostas com as advindas de trabalhos científicos pioneiros sobre o assunto.

The strut-and-tie models are appropriate to design and to detail certain types of structural elements in reinforced concrete and in regions of stress concentrations, called D regions. This is a good model representation of the structural behavior and mechanism. The numerical techniques presented herein are used to identify stress regions which represent the strut-and-tie elements and to quantify their respective efforts. Elastic linear plane problems are analyzed using strut-and-tie models by coupling the classical evolutionary structural optimization, ESO, and a new variant called SESO - Smoothing ESO, for finite element formulation. The SESO method is based on the procedure of gradual reduction of stiffness contribution of the inefficient elements at lower stress until it no longer has any influence. Optimal topologies of strut-and-tie models are presented in several instances with good settings comparing with other pioneer works allowing the design of reinforcement for structural elements.