Optimization of the bending stiffness of beam-to-column and column-to-foundation connections in precast concrete structures

Abstract

ResumoThis work involved the structural optimization of precast concrete rigid frames with semi-rigid beam-to-column connections. To this end, several frames were simulated numerically using the Finite Element Method. Beams and columns were modeled using bar elements and their connections were modeled using spring elements, with variable bending stiffness. The objective function was based on the search of the least stiff connection able to ensure the global stability of the building. Lastly, a connection model with optimal stiffness was adopted to design the frame. Semi-rigid beam-to-column connections with a constraint factors of 0.33 sufficed to ensure the maximum allowable horizontal displacement and bending moment of the connection, with a global stability parameter of 1.12. This confirms that even connections with low constraints generate significant gains from the structural standpoint, without affecting construction and assembly-related aspects.Keywords: numerical analysis, precast concrete, semi-rigid connections, structural optimization.Este trabalho trata da otimização estrutural de pórticos planos em concreto pré-moldado com ligações semirrígidas entre vigas e pilares. Alguns pórticos foram simulados numericamente através do Método dos Elementos Finitos. Vigas e pilares foram modelados por elementos de barra e suas ligações com elementos de mola deformável à flexão. A função objetivo baseou-se na busca da menor rigidez da ligação capaz de atender a estabilidade global da edificação. Um modelo de ligação com rigidez ótima foi adotado para compor o pórtico. Observou-se que ligações semirrígidas entre viga e pilar com fatores de restrição de 0,33 foram suficientes para atender o deslocamento horizontal máximo permitido e o momento solicitante da ligação, atingindo um parâmetro de estabilidade global de 1,12. Isto comprova que mesmo ligações com baixas restrições geram ganhos significativos do ponto de vista estrutural, sem prejuízos dos aspectos construtivos e de montagem.Palavras-chave: concreto pré-moldado, ligações semirrígidas, otimização estrutural.