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O presente trabalho aborda os principais assuntos relacionados às vigas alveolares casteladas, mostrando inicialmente uma breve revisão do histórico de surgimento e utilização pelo mundo, ressaltando as características que favoreceram o crescimento de utilização e quais as dificuldades de seu uso. Os principais modos de falha são caracterizados, ressaltando os procedimentos analíticos disponíveis na literatura para contorná-los, de forma a se propor um procedimento de cálculo para o dimensionamento. O procedimento proposto é avaliado por meio do resultado experimental de quatro pesquisas. O trabalho também apresenta uma modelagem numérica, via Método dos Elementos Finitos (MEF), para vigas disponíveis na literatura técnica, de forma a complementar a análise do comportamento das vigas durante o carregamento e também verificar a validade do modelo numérico proposto, principalmente em relação aos critérios de análise adotados no modelo numérico, como distribuição das tensões de von Mises, endurecimento isotrópico e comportamento tensão x deformação do aço por meio do gráfico multilinear, também disponível na literatura técnica. A validade permite que as vigas propostas, com geometria Anglosaxão, Litzka e Peiner, possuam confiabilidade de análise do modelo, sendo que para o carregamento proposto a viga Anglo-saxão obteve maior resistência, devido principalmente pela pequena distância entre os furos e também a menor largura total da abertura. Os resultados dos modelos numéricos, via MEF, apresentaram boa precisão quando comparado aos resultados experimentais, mostrando que que o MEF é uma ferramenta extremamente útil para análises não-lineares, desde que o modelo esteja devidamente calibrado. Outro resultado importante são os valores de resistência apresentados pelo procedimento analítico proposto, ao qual apresenta boa aproximação aos valores reais do experimento e também dos valores de resistência obtidos nos modelos numéricos propostos, podendo, assim, ser adotado para o dimensionamento prático dessas vigas. The present paper deals with the main subjects related to castellated steel beams, initially showing a brief review of the history of emergence and use of the world, highlighting the characteristics that favored the growth of use and the difficulties of its use. The main failure modes are characterized, highlighting the analytical procedures available in the literature to circumvent them, in order to propose a calculation procedure for the design. The proposed procedure is evaluated through the experimental result of four surveys. The work also presents numerical modeling, using Finite Element Method (FEM), for beams available in the technical literature, in order to complement the analysis of beam behavior during loading and to verify the validity of the proposed numerical model, mainly in relation to the analysis criteria adopted in the numerical model, such as von Mises stress distribution, isotropic hardening and tensile stress behavior of the steel using the multilinear graph, also available in the technical literature. The validity allows the proposed beams, with Anglo-Saxon geometry, Litzka and Peiner, to have reliability of analysis of the model, and for the proposed loading the Anglo-Saxon beam obtained greater resistance, mainly due to the small distance between the holes and also the lowest overall width of the aperture. The results of the numerical models, via MEF, showed good precision when compared to the experimental results, showing that MEF is an extremely useful tool for nonlinear analysis, provided the model is properly calibrated. Another important result is the resistance values presented by the proposed analytical procedure, which presents a good approximation to the actual values of the experiment and also the resistance values obtained in the proposed numerical models, and can be adopted for the practical dimensioning of these beams. Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Goiás - FAPEG

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior As vigas casteladas são obtidas a partir de perfis I cortados longitudinalmente na alma, deslocados em seu comprimento e soldados, produzindo aberturas hexagonais ou octogonais, quando entre as partes são introduzidas chapas expansoras, promovendo assim o aumento da inércia dos perfis sem alteração significativa do peso. Dessa forma, essas vigas são indicadas para grandes vãos e situações em que os estados limites de serviço condicionam o dimensionamento, além de possuírem forte apelo arquitetônico, facilitando a passagem das instalações prediais pelas aberturas e consequente redução da altura da edificação. Porém, a presença de aberturas na alma modifica a distribuição de tensões na alma do perfil castelado em relação ao perfil de alma cheia, reduzindo sua capacidade resistente sob determinadas condições de carregamento, podendo ocasionar fenômenos de instabilidade próprios das vigas casteladas. Esses comportamentos podem ser ainda mais alterados em situação de incêndio, uma vez que, com o aumento da temperatura, o aço tem seu módulo de elasticidade e sua resistência degradadas. Assim sendo, realizou-se um estudo numérico, com o uso do software ABAQUS, de vigas casteladas de aço nos padrões Litzka, Peiner e anglo-saxão submetidas a altas temperaturas, o que permitiu delinear o comportamento dessas vigas quanto à flambagem do montante de alma em situação de incêndio. Os resultados obtidos na análise numérica foram validados com os obtidos experimentalmente por Vieira (2015) 1 e por Redwood e Demirdjian (1998) 2 para a temperatura ambiente, e foram utilizados para proposição de uma formulação para dimensionamento de tais vigas em situação de incêndio, com base nas proposições da norma ABNT NBR 14323:2013 e na analogia com o modelo de biela. The castellated steel beams are manufactured from I-section steel beams that are cut longitudinally along the web and then web-post are re-welded together. The obtained castellated steel beam has hexagonal or octagonal openings and so a higher inertia than the original beam. Therefore, these beams are suitable for structures with long spans and for situations where the serviceability limit state is critical. They also have strong architectural appeal and allow service integration to be installed within the beam depth, which reduces the height of the building. Due to the openings in the web, the stress distribution is modified in relation to the solid web beam and the resistance is reduced. Thus, local failures modes may occur in castellated beams. In fire, these behaviors can be further modified, because, with the elevation of the temperature, the elasticity modulus and the strength of the steel are degraded. Therefore, a numerical study of Litzka, Peiner and anglo-saxon castellated steel beams exposed to elevated temperatures was done with the software ABAQUS. The results of numerical analysis were validated with experimental results at ambient temperature (REDWOOD and DEMIRDJIAN, 1998; VIEIRA, 2015), and had been used to propose a formulation for the design of castellated steel beams in fire, based on the propositions of ABNT NBR 14323:2013 and the strut model analogy.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Este trabalho compreende a realização de um estudo numérico-experimental do comportamento estrutural de 12 protótipos de perfis soldados com alma castelada sujeitos à flexão. Os objetivos específicos foram avaliar experimentalmente o desempenho estrutural de vigas casteladas soldadas susceptíveis à flambagem do montante de alma por cisalhamento (FMAV); avaliar a influência do método de fabricação das vigas casteladas soldadas nas imperfeições geométricas iniciais e comparar os resultados com os das vigas casteladas laminadas da literatura; e propor um modelo analítico para verificação do estado limite de FMAV. Dez das doze vigas ensaiadas falharam por FMAV. Uma das vigas falhou por formação de mecanismo Vierendeel e outra por ruptura da junta soldada no montante de alma. De acordo com os resultados obtidos no presente trabalho, observou-se que praticamente não existem diferenças entre o comportamento de vigas alveolares soldadas e laminadas. O programa experimental conduzido contribuiu para o estabelecimento de uma proposta de verificação ao modo de colapso por FMAV. Por fim, o modelo numérico utilizado para realização das análises numéricas prévias foi capaz de estimar satisfatoriamente a resposta estrutural dos modelos ensaiados. A coerência e correlação entre os resultados de modelos pares e entre os resultados experimentais e numéricos evidenciam rigor na execução dos procedimentos de análise. This work comprises the execution of a numerical-experimental study of the structural behavior of 12 specimens of welded castellated beams subjected to bending. The specific objectives were to experimentally evaluate the structural performance of welded castellated beams susceptible to web-post buckling under vertical shear; to evaluate the influence of the manufacture method on the initial geometric imperfections by comparing the results with those in the literature from castellated beam specimens fabricated from hot rolled parent sections; and to propose an analytical model to verify the shear capacity of the web-post. Ten of the twelve specimens tested failed by web-post buckling. One of the specimens failed due to Vierendeel mechanism and another by rupture of the welded joint in the web-post. According to the results obtained in the present work, it was observed that there are practically no differences between the behavior of welded and hot rolled castellated beams. The experimental program conducted contributed to the establishment of an analytical model to verify the shear capacity of the web-post. Finally, the numerical analysis was able to appropriately estimate the structural response of the tested specimens. The consistency and correlation of results for identical models and between the experimental and numerical results show rigor in the execution of the analysis procedures.

Submitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-06T19:02:15Z No. of bitstreams: 1 Isabella Pinheiro Gueiros.pdf: 2014810 bytes, checksum: 78bfa58b72a9c29ada4e6d6a7dc25db3 (MD5) Made available in DSpace on 2021-01-06T19:02:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Isabella Pinheiro Gueiros.pdf: 2014810 bytes, checksum: 78bfa58b72a9c29ada4e6d6a7dc25db3 (MD5) Previous issue date: 2015-04-10 Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro Castellated beams are ordinary used in various types of structures for covering wants to win large spans. In addition, A novel situation has been considered using stainless steel beans. The present dissertation presents a comparative analysis between castellated beams and a solid-section beams, based on the Eurocode and the Continuous Strenght Method; and through a finite element model developed in Ansys program. The main aim of this work was to investigate flexural capacity of castellated stainless steel. Physical and geometrical nonlinearities were incorporated into the models, in order to fully mobilize the load-carrying capacity of the structure. The material nonlinearity was considered adopting the Von Mises yield criteria with a material constitutive law with a multilinear stress versus strain curve associated to a elastic-plastic behavior with hardening. The geometric nonlinearity has been introduced by the update Lagrangian Method. The numerical results of the study beams were evaluated in terms of failure modes and stress distribution analytical. The results were compared to the numerical model results and shows a satisfactory safety values. As vigas casteladas já são utilizadas em diversos tipos de estruturas para se vencer grandes vãos. Há uma nova realidade para o uso de perfis castelados, agora em aço inoxidável. Este trabalho apresenta uma análise comparativa entre vigas casteladas e vigas de alma cheia em perfis IPE, baseadas na norma europeia, no método da resistência contínua; e, também, através de um modelo em elementos finitos desenvolvido no programa Ansys. Este trabalho tem como objetivo verificar o comportamento e a resistência à flexão das vigas casteladas em aço inoxidável. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente desta estrutura. A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de von Mises e da lei constitutiva tensão versus deformação multi-linear, de forma a exibir um comportamento elasto-plástico com encruamento. A não-linearidade geométrica foi considerada a partir de uma formulação de Lagrange atualizado. Os resultados numéricos das vigas em estudo foram avaliados quanto aos modos de falha e da distribuição de tensões. Os momentos resistentes analíticos foram comparados com os resultados do modelo numérico apresentando valores satisfatórios e a favor da segurança.

The growth of steel construction in Brazil in recent years has naturally been accompanied by an increasing demand for resources that support the entire design process of steel structures, from its conception to its realization. In this context, there has been a resurgence of interest in alveolar beams, due to technical and aesthetic advantages that these elements offer, motivated in part by beginning production of steel rolled I profiles in Brazil, from 2002. Generally, the alveolar beams are manufactured from rolled steel I-profiles, by cutting the web along, according to a sinuous symmetrical line so that the halves so obtained can be displaced relative to one another and welded, originating a new beam with a series of web holes, with the same mass as the original profile, but with greater stiffness in the plane of bending, suitable for large spans. Although the alveolar beams are an old solution, abandoned due to rising manufacturing costs in a given time, most recently returned to appear as a competitive solution, due to technological advances in automation of cutting and welding of structural steel. Given the wide range of possibilities available today for the manufacture of alveolar beams, facilitated by the resources of design and computer aided manufacturing, this study aimed to procedures to define the geometric characteristics of alveolar steel beams to floor systems and roof systems, due to the lack of technical updates on this topic. Finally, we present a series of examples of applying the criteria and procedures proposed for various possible situations in the usual structures. A expansão do segmento da construção metálica no Brasil tem sido acompanhada de uma demanda crescente por recursos que subsidiem todo processo de projeto de estruturas de aço, desde sua concepção até sua materialização. Nesse contexto, observa-se o ressurgimento do interesse pelas vigas alveolares, em função das vantagens técnicas e estéticas que esses elementos oferecem, em parte motivado pelo início da produção de perfis I de aço laminados no Brasil, a partir de 2002. Geralmente, as vigas alveolares são fabricadas a partir de perfis I de aço laminados, cortando-se sua alma longitudinalmente, segundo um traçado sinuoso simétrico, de modo que as metades obtidas podem ser deslocadas uma em relação à outra e soldadas, dando origem a uma nova viga com uma série de furos na alma, com praticamente a mesma massa do perfil original, porém com maior rigidez no plano de flexão, apropriada para grandes vãos. Embora as vigas alveolares sejam uma solução antiga, abandonada devido ao aumento dos custos de fabricação em determinada época, mais recentemente voltaram a figurar como uma solução competitiva, devido aos avanços tecnológicos em automação de corte e solda de aço estrutural. Tendo em vista a ampla gama de possibilidades atualmente existente para a fabricação de vigas alveolares, facilitadas pelos recursos de projeto e fabricação assistidos por computador, este trabalho teve como objetivo desenvolver critérios e procedimentos para o prédimensionamento de vigas alveolares de aço, em função da carência de prescrições técnicas atualizadas sobre o tema. Ao final, é apresentada uma série de exemplos de aplicação dos critérios e procedimentos propostos, para diversas situações possíveis nas estruturas de edificações estruturadas em aço.

Submitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-06T19:01:00Z No. of bitstreams: 1 Felipe Ozorio.pdf: 8533135 bytes, checksum: 8201ba40ce4171d973bb061b661084f6 (MD5) Made available in DSpace on 2021-01-06T19:01:00Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Felipe Ozorio.pdf: 8533135 bytes, checksum: 8201ba40ce4171d973bb061b661084f6 (MD5) Previous issue date: 2011-11-10 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Restrictions of space and height are often imposed to residential, commercial, industrial, warehouses and sheds with one, or several floors, due to aspects like regional regulations, technical, economic or aesthetic nature. In order to provide the passage of pipes and ducts with large diameter under steel girders, that normally requires great heights, sometimes leads to floors building highs with an unviable magnitudes. Several structural solutions can be used to overcome these obstacles, where the most popular are the beams with variable inertia (tapered and haunched beams), stub-girders, trusses, and beams with one or more web openings with various geometries. When castellated beams, structural solution studied and discussed in this dissertation, are considered stability issues at the construction stage becomes to attract the structural engineer attention since the lateral bracing are not yet installed. The unbraced span lengths generally reached by these beams are often long enough to cause instability effects. However, the substantial enhancement in the flexural strength of such members, due to the extra height coming from the manufacturing process in relation with the original profile, combined with the economy of material and utility services, ensures to the designers the attractiveness of this solution, especially when applied to large spans. On the other hand, this proportional increase in span lengths enhances the significance of improving the beam lateral instability resistance. The present investigation aims to develop a numerical model, that calibrated with experimental results, enables the development of a parametric analysis. This analysis aimed to determine the structural behavior of the castellated beams and their associated failure mechanisms, considering an elastic-plastic behavior as well the geometric non-linearities. The investigation was also able to evaluate, quantify and determine the influence of geometry variables like span lengths and cross sections dimensions. The methodology used for this study was developed based on a parametric analysis centred on the finite element method. Restrições de espaço e altura são frequentemente impostas às edificações residenciais, comerciais, industriais, depósitos e galpões com um ou diversos pavimentos em função de aspectos de regulamentos regionais, técnicos, econômicos ou ainda de natureza estética. A fim de proporcionar a passagem de tubulações e dutos de grande diâmetro sob vigas de aço, grandes alturas são normalmente requeridas, demandando por vezes, magnitudes de altura inviáveis entre pavimentos de edificações. Diversas soluções estruturais podem ser utilizadas para equacionar tais obstáculos, onde dentre outras, pode-se citar as vigas com inércia variável, stub-girders, treliças mistas, vigas misuladas e vigas com uma ou múltiplas aberturas na alma com geometrias variadas. No que tange às vigas casteladas, solução estrutural pautada neste estudo, a estabilidade é sempre um motivo de preocupação tipicamente durante a construção quando os contraventamentos laterais ainda não estão instalados. De qualquer forma, o comprimento destravado em geral alcançado pelos vãos destas vigas, são longos o suficiente para que a instabilidade ocorra. Todavia, o acréscimo substancial da resistência à flexão de tais membros devido ao aumento da altura oriundo de seu processo fabril em relação ao perfil matriz, aliada a economia de material e utilidade fim de serviço, garante a atratividade no aproveitamento destas, para grandes vãos junto aos projetistas. Não obstante, este aumento proporcional no comprimento dos vãos faz com que a instabilidade lateral ganhe importância especial. Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo desenvolver um modelo numérico que permita a realização de uma avaliação paramétrica a partir da calibração do modelo com resultados experimentais, efetuar a análise do comportamento de vigas casteladas e verificar seus mecanismos de falha, considerando comportamento elasto-plástico, além das não-linearidades geométricas. Também é objetivo deste trabalho, avaliar, quantificar e determinar a influência das diferenças geométricas características das vigas casteladas em relação às vigas maciças com as mesmas dimensões, analisando e descrevendo o comportamento estrutural destas vigas de aço para diversos comprimentos de vãos. A metodologia empregada para tal estudo baseou-se em uma análise paramétrica com o auxílio do método numérico dos elementos finitos.

As vigas casteladas são fabricadas a partir de perfis laminados a quente e possuem vantagens como, rididez a flexão, passagem de dutos de utilidades pelas aberturas, são mais econômicas e bom aspecto estético. Mas devido à presença das aberturas na alma de viga, podem aparecer diversos modos de colapso, que dependem da geometria da viga, das dimensões das aberturas e das condições de contorno. Assim neste trabalho é proposto um procedimento para determinação do momento fletor resistente nominal de vigas casteladas, de padrão Peiner e anglo saxônico, para o estado-limite último de flambagem lateral com torção, para os casos em que as vigas possuem vínculo de garfo (empenamento livre e torção impedida) nas extremidades e estejam submetidas a momento uniforme, carga unifromemente distribuída e carga concentrada na seção central. Para tal foi projetada e aferida uma modelagem numérica pelo Método dos Elementos Finitos, para análise não-linear, prevendo comportamentos elástico e inelástico e a influência das tensões residuais, usando o programa ABAQUS. Os resultados foram comparados com valores de momento resistenet fornecidos pela norma brasileira ABNT NBR 8800:2008 para vigas de alma cheia com os perfis originais e com perfis hipotéticos de mesma altura das vigas casteladas. Também foram feitas comparações com os valores obtidos aplicando-se a formulação da norma brasileira vigas casteladas, com as propriedades geométricas da seção transversal considerada no centro das aberturas a fim de obter um procedimento de cálculo de fácil utilização prática. Também foram comparadas com a cura c da norma européia EN 1993-1-:2005. Castellated steel beams are fabricated from standard hot-rolled I-sections and have many advantages including greater bending rigidity, economic construction, ease of services through the web openings and good aesthetic appearance. However, the castellation of beams results in different failures modes that depending on geometry of beam, size of web openings and type of loading and lateral restraints conditions.In this work, a procedure for determination of nominal resistance to bending moment for castellated steel beams, considering the Peiner and the anglo-saxon patterns, for lateral torsional buckling limit state is proposed. The beams are submitted to uniform bending, uniform distributed and loading and concentrated load and the twistingrotations at beam ends are prevented and the warping displacements are released. To get this procedure a numerical analysis was elaborated and validated, that considers the nonlinear response of the material, the residual stresses and geometrical nonlinear behavior of the structure, using ABAQUS. The results of the numerical analysis are compared to results obtained for similar plain web and real profile using brazilian code NBR 8800:2008. The results are also compared to results obtained using the procedures of brazilian code considering the geometrical properties of the net section in the center of the holes of castellated beams. All this comparisons have the purpose to get a practical and easy procedure for determination of nominal resistance for castellated steel beams. The results are also compared to standard EN 1993-1-1:2005.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais With the start of production of hot-rolled structural I shapes in Brazil, since 2002 there has been a growing interest in Brazilian industry by castellated beams in the segment of steel structures. The castellated beams are made expanding the web of rolled I or H steel sections, so that the beam has greater stifiness keeping the same mass as the original profile. This work presents a study of the behavior of castellated steel beams, with emphasis on the web post instability, performed by means of numerical models using the Finite Element Method. For the numerical analysis, the beams were analyzed using the ABAQUS software, considering the elastoplastic behavior of the material and geometric nonlinearity of the structure. The numerical results show excellent agreement with experimental results available in literature. Using the numerical models developed,a parametric study was performed that allowed to evaluate the influence of several variables on the web post instability for castellated beams. Were modeled mainly beams with slender web and could be seen that for long spans - which is usual for steel beams - there is low probability of buckling of the web posts, and when it occurs, inelastic buckling occurs in most cases. Com o início da produção de perfis I de aço laminados no Brasil, a partir de 2002, tem havido um interesse crescente da indústria brasileira pelas vigas casteladas, no segmento das estruturas de aço. As vigas casteladas são fabricadas expandindo-se a alma de perfis de aço I ou H laminados, de modo que a viga tenha maior rigidez na direção da maior inércia mantendo a mesma massa do perfil original. Neste trabalho, apresenta-se um estudo do comportamento de vigas casteladas de aço, com ênfase na instabilidade do montante de alma, realizado por meio de modelos numéricos utilizando o Método dos Elementos Finitos. Para a análise numérica, as vigas foram analisadas por meio do software ABAQUS, considerando-se o comportamento elastoplástico do material e a não-linearidade geométrica da estrutura. Os resultados numéricos obtidos apresentam excelente concordância com resultados experimentais disponíveis na literatura. Utilizando-se os modelos numéricos desenvolvidos, foi realizado um estudo paramétrico que permitiu avaliar a influência de diversas variáveis sobre a instabilidade do montante de alma em vigas casteladas. Foram modeladas, principalmente, vigas com alma esbelta e pôde-se constatar que, para vãos longos o que é usual em vigas metálicas existe pouca possibilidade de ocorrência de flambagem dos montantes de alma e, quando ocorre, na maior parte dos casos esta se dá em regime inelástico.