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dc.contributor.advisor1Rodrigo Barreto Caldaspt_BR
dc.contributor.referee1Gustavo de Souza Verissimopt_BR
dc.contributor.referee2Ricardo Hallal Fakurypt_BR
dc.creatorFelipe Barbosa Teixeirapt_BR
dc.date.accessioned2019-08-11T22:54:45Z-
dc.date.available2019-08-11T22:54:45Z-
dc.date.issued2017-08-11pt_BR
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/1843/BUOS-B3GF8D-
dc.description.abstractCastellated and cellular beams are steel structural elements with large identical openings distributed sequentially along the web of an I-section. The presence of large openings generates new failure modes, such as the Vierendeel mechanism, web-post buckling, longitudinal shear of the web-post and rupture of the welded joint. Castellated and cellular beams might also be subjected to collapse by lateral torsional buckling, compression buckling, formation of plastic hinges, and other failure modes typical of plain-webbed I sections. The correct understanding of the modes of failure is fundamental to the design of castellated beams and columns. In this work a broad investigation of the structural behavior of castellated (hexagonal openings) and cellular (circular openings) beams was performed. The study contemplated structures that fail by local modes (short and laterally braced beams), structures that fail by global modes (slender beams) and structures with intermediary geometries, in which the simultaneous occurrence of multiple failure modes might happen. A parametric numeric model was developed in the finite element software ANSYS 14.0 (ANSYS, 2011) in order to simulate a large number of experiments extracted from the literature (reference models). Such model, duly calibrated through comparison against experimental results from the reference models, was used to study aspects that were suspected to be the most relevant for the structural behavior of castellated and cellular beams: the elastic modulus, residual stresses, and the geometric imperfections. While the first two aspects turned out to be simple to study (the reduction of the elastic modulus affects the models in a predictable and controllable way, and the residual stress patterns proposed by Sonck, 2013, caused a small impact), the matter of geometric imperfections proved to be more complex. Five distinct types of geometric imperfection were studied: weak-axis bending (global); strong-axis bending (global); web bending (local); web-post misalignment (local); and the buckling mode (shape of the collapse by web-post buckling by shear). The magnitude of each imperfection was fixed (at dm/200 for the local ones and L/1000 for the global ones) and at first the isolated effect of each of them over the reference models extracted from the literature was evaluated. The effects of the combination of many types of imperfection were then studied and a set of geometric imperfections capable of generating numeric models that better represented the behavior observed experimentally was proposed. It was demonstrated that the proposed set of geometric imperfections is capable of allowing the occurrence of the global and local modes of failure, and even the simultaneous occurrence of both of them. New geometries and boundary conditions of castellated and cellular beams were carefully selected and solved in ANSYS for the study of the interaction of the internal reactions. The interaction between bending moment (about the strong axis of inertia) and compression proved to be well-behaved, given that it was possible to adjust to the data points two linear trend lines that satisfyingly capture the correlation. The interaction between bending moment and shear force, however, proved to be more elusive. Four interaction curves were proposed, none of which could be demonstrated to have any predictive capacity. In this study the particular importance of the web-post buckling by compression, a failure mode that has not received much attention in the literature through the years, became apparent. The interaction between this local instability and the global instability (LTB) governs the collapse of beams of medium slenderness subjected to a uniformly distributed load.pt_BR
dc.description.resumoVigas alveolares são elementos estruturais de aço com grandes aberturas idênticas dispostas sequencialmente na alma de um perfil I. A presença das grandes aberturas faz com que a barra apresente modos de colapso exclusivos, como o mecanismo de Vierendeel, a flambagem do montante, o cisalhamento horizontal do montante e a ruptura do cordão de solda. Vigas alveolares também podem sofrer colapso por flambagem lateral com torção, a flambagem com flexão, formação de rótula plástica e outros modos típicos de perfis I de alma cheia. O correto entendimento dos modos de falha é fundamental para o dimensionamento de vigas e pilares alveolares. Realizou-se neste trabalho uma investigação abrangente do comportamento estrutural de barras casteladas (aberturas hexagonais) e celulares (aberturas circulares). Os estudos contemplaram estruturas que falham segundo modos locais (vigas curtas e travadas lateralmente), estruturas que falham segundo modos globais (vigas esbeltas) e estruturas com geometrias intermediárias, nas quais há ocorrência simultânea de múltiplos modos de falha. Um modelo numérico paramétrico foi desenvolvido no software de elementos finitos ANSYS 14.0 (ANSYS, 2011) para simular um grande número de experimentos extraídos da literatura (modelos de referência). Tal modelo numérico, devidamente validado através de comparação com os resultados experimentais dos modelos de referência, foi utilizado para estudar os aspectos que se suspeitava serem os mais relevantes para o comportamento estrutural de barras alveolares: o módulo de elasticidade do aço, as tensões residuais e as imperfeições geométricas. Enquanto os dois primeiros aspectos revelaram-se simples de estudar (a redução do módulo de elasticidade afeta o modelo de maneira previsível e controlável e as distribuições de tensões residuais propostas por Sonck, 2013, causaram pequeno impacto), a questão das imperfeições geométricas revelou-se mais complexa. Cinco tipos distintos de imperfeição geométrica inicial foram estudados: flexão global em torno do eixo de menor inércia; flexão global em torno do eixo de maior inércia; flexão da alma; desalinhamento do montante; e modo de flambagem (formato do colapso por flambagem com torção do montante). A magnitude de cada imperfeição foi fixada (dm/200 para as imperfeições locais e L/1000 para as globais) e avaliou-se a princípio o efeito isolado de cada uma delas sobre os modelos de referência extraídos da literatura. Estudou-se então os efeitos da combinação dos diversos tipos e foi proposto um conjunto de imperfeições geométricas capaz de gerar modelos numéricos que melhor representam os comportamentos observados experimentalmente. Demonstrou-se que o conjunto de imperfeições proposto é capaz de permitir a ocorrência dos modos de falha globais e locais, e até mesmo de capturar a ocorrência simultânea de ambos. Novas geometrias e condições de contorno de vigas alveolares foram selecionadas cuidadosamente e solucionadas no ANSYS para o estudo da interação de esforços. A interação entre momento fletor (flexão em torno do eixo de maior inércia) e compressão axial revelou-se bem-comportada, tendo sido possível ajustar à dispersão de pontos duas retas que descrevem satisfatoriamente a correlação. A interação entre momento fletor e força cortante, por outro lado, revelou-se mais elusiva. Quatro curvas de interação foram propostas, mas nenhuma delas provou possuir capacidade preditiva. Neste estudo ficou clara a particular importância da flambagem com flexão do montante, um modo de falha que em geral recebeu pouca atenção ao longo dos anos nas pesquisas realizadas. A interação entre esse modo de instabilidade do montante e a instabilidade global (FLT) governa o colapso de vigas medianamente esbeltas sujeitas a carregamento uniformemente distribuído.pt_BR
dc.languagePortuguêspt_BR
dc.publisherUniversidade Federal de Minas Geraispt_BR
dc.publisher.initialsUFMGpt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectImperfeições geométricaspt_BR
dc.subjectViga alveolarpt_BR
dc.subjectRedução do módulo de elasticidadept_BR
dc.subjectInteração momento fletor-força normalpt_BR
dc.subjectTensões residuaispt_BR
dc.subjectInteração momento fletor-força cortantept_BR
dc.subjectPilar alveolarpt_BR
dc.subject.otherVigas alveolarespt_BR
dc.subject.otherEngenharia de estruturaspt_BR
dc.subject.otherAço Estruturaspt_BR
dc.subject.otherTensões residuaispt_BR
dc.titleAnálise numérica de perfis alveolares de açopt_BR
dc.typeDissertação de Mestradopt_BR
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