[pt] Este trabalho tem como objetivo principal a aplicação do método híbrido dos elementos de contorno a problemas da mecânica da fratura linearmente elástica. São apresentados os desenvolvimentos de várias formulações e os principais aspectos das implementações computacionais referentes a cada uma delas. A consistência mecânica do método híbrido dos elementos de contorno facilita sobremaneira a compreensão dos diversos fatores envolvidos em sua aplicação à mecânica da fratura. Isto ocorre porque o apelo físico do método garante a interpretação adequada dos problemas presentes na análise dos mais diversos fenômenos da mecânica do contínuo. A contribuição mais relevante deste trabalho consiste na determinação de maneira rápida e direta do fator de intensidade de tensão em estruturas bidimensionais da elasticidade plana. Os efeitos de abertura e deslizamento das faces da trinca são considerados a partir da introdução de uma solução fundamental hipersingular, cujo entendimento físico é facilitado devido à consistência variacional do método híbrido. É proposta a utilização de uma função de Green, referente à série de Williams, nos nós do modelo estrutural correspondentes às pontas das trincas. Esta sistemática introduz os fatores de intensidade de tensão, modos I e II, como incógnitas do problema, sendo obtidos a partir da resolução do sistema de equações provenientes do método. Durante todo o desenvolvimento, são mostrados vários exemplos que validam e comprovam a aplicabilidade das formulações propostas, demonstrando a potencialidade do método quando aplicado à mecânica da fratura. / [en] Aim of this work is the application of the hybrid boundary element method to problems of the linear elastic fracture mechanics. Several formulations are introduced and the most relevant aspects of computational implementation are discussed. The mechanical consistency of the hybrid boundary element method enables the adequate mathematical description of the stress field related to a cracked continuum. The main attempt of this dissertation is to develop a computationally simples and fast procedure for the determination of stress intensity factors in two- dimensional elasticity. The effects of opening and sliding of the crack surfaces are considered by means of a hipersingular stress function, which are dealt with adequately in the frame of the variational formulation. It is shown that the stress series proposed by Williams for the local field around a crack tip may be considered as a Green´s function. As a consequence, the stress intensity factors corresponding to both Modes I and II are obtained as primary unknowns of the problem. Several numerical examples are presented in order top validate the formulations proposed. This shows the potentiality of the hybrid boundary element method for dealing with problems of the fracture mechanics. / [es] Este trabajo tiene como objetivo principal la aplicación del método híbrido de los elementos de contorno a problemas de mecánica de fracturas linealmente elásticas. Se describen varias formulaciones y los principales aspectos de su implementación computacional. La consistencia mecánica del método híbrido de los elementos de contorno facilita la comprensión de los diversos factores involucrados en su aplicación a la mecánica de fracturas. Esto ocurre porque el caracter físico del método garantiza la interpretación adecuada de los problemas que se presentan en el análisis de los más diversos fenómenos de la mecánica del contínuo. La contribuición más relevante de este trabajo consiste en la determinación de manera rápida y directa del factor de intensidad de tensión en extructuras bidimensionales de elasticidad plana. Son considerados los efectos de abertura y deslizamiento de las caras de la trinca a partir de la introducción de una solución fundamental hipersingular, cuya comprensión física se facilita debido a la consistencia variacional del método híbrido. Se propone la utilización de una función de Green, de la serie de Williams, en los nodos del modelo extructural correspondiente a las puntas de las trincas. Esta sistemática introduce los factores de intensidad de tensión, modos I y II, como incógnitas del problema, y se obtienen a partir de la resolución del sistema de ecuaciones provenientes del método. Durante todo el desarrollo, se muestran varios ejemplos que evalúan y comprueban la aplicabilidad de las formulaciones propuestas, demostrando la potencialidad del método cuando se aplica a la mecánica de fracturas.

[pt] Estruturas mistas de aço e concreto estão se tornando cada vez mais viáveis do ponto de vista de execução com custos mais competitivos. Graças às pesquisas e aos estudos desenvolvidos que visam aproveitar ao máximo as vantagens oferecidas pelos materiais concreto e aço, as estruturas mistas vêm sendo cada vez mais utilizadas na construção civil. Neste estudo são apresentadas as configurações estruturais dos pilares mistos e recomendações de projeto de normas vigentes. O objetivo dessa dissertação é avaliar o comportamento experimental de pilares mistos com perfis de aço de alta resistência submetidos a ensaios em escala real. Para tal avaliação, levou-se em consideração as características e propriedades dos materiais que compõem as peças: concreto, aço das armaduras e aço de alta resistência dos perfis U de chapa dobrada. Para atingir o objetivo deste trabalho, foram testados seis elementos mistos com seção transversal formada por dois perfis U de chapa dobrada e concreto armado, formando uma seção retangular. Inicialmente duas colunas foram submetidas à compressão centrada e duas vigas foram testadas à flexão. Posteriormente os dois pilares mistos foram ensaiados com excentricidade de 40 mm no carregamento. Os resultados experimentais foram, então, analisados e comparados com os resultados teóricos calculados com as recomendações da norma brasileira ABNT NBR 8800:2008 e do Eurocode 4, 2004. E os resultados experimentais foram em média coerentes com os teóricos calculados. / [en] Composite structures of steel and concrete are becoming increasingly feasible from the execution point of view, with more competitive costs. Thanks to the work and studies developed that aim to make the most of the advantages offered by both materials, they have been increasingly used in building construction. This study presents the structural configurations of the composite beam-columns and design recommendations using current codes. The objective of this dissertation is to evaluate the experimental behavior of composite beam-columns with high strength steel profiles tested in real scale specimens. For this analysis, the characteristics and properties of the materials that compose the structure were taken into consideration: concrete, reinforcing steel and high strength steel of the cold formed sections. To reach the aims of this work, six composite elements with cross section formed by two channel profiles of folded sheet and reinforced concrete were tested. Initially two columns were subjected to centered compression and two beams were subjected to flexural tests. Subsequently, the composite beam-columns were tested with a 40 mm eccentricity at loading. The experimental results were then analyzed and compared with the theoretical ones, which were calculated with the recommendations of the Brazilian standard ABNT NBR 8800:2008 and the Eurocode 4, 2004. The experimental results, obtained were consistent with the theoretical predictions.

[pt] As estruturas espaciais tubulares padronizadas vem sendo cada vez mais utilizadas na construção civil brasileira; observa-se porém, que o tipo das ligações que comumente estão presentes nestas construções são as do tipo excêntrica com ponta amassada, decorrentes do baixo custo econômico que estas oferecem. Pouco se sabe sobre o comportamento estrutural destas ligações, já que as normas que geralmente são adotadas para o cálculo das resistências das barras componentes do reticulado não levam em consideração a redução de inércia que é feita nas extremidades destas para a formação deste tipo de ligação. A não consideração da redução da inércia nas extremidades das barras tem levado à constatação de que é cada vez mais freqüente a presença de problemas de instabilidade estrutural que pode levar ao colapso parcial ou até mesmo total da estrutura. Por outro lado ainda existem estudos que comprovem a veracidade das hipóteses de cálculo que foram assumidas para este tipo de ligação. Com o objetivo de melhor compreender este comportamento, são abordados neste trabalho alguns aspectos estruturais e construtivos das estruturas metálicas espaciais, através de uma série de ensaios experimentais. Inicialmente apresenta-se um breve histórico dos sistemas estruturais. Isto é seguido de informações gerais a respeito da classificação das estruturas espaciais e do tipo de ligação mais usadas. A seguir é feito um estudo dos programas existentes na PUC-RIO e que foram utilizados para à análise estrutural da treliça espacial a ser ensaiada. Apresenta-se também um breve roteiro de cálculo para uma cobertura em treliça espacial. Finalmente são apresentados resultados experimentais de testes em escala real de uma estrutura de 12,0 x 12,0 m, avaliando os modos de ruínas presentes. Estes resultados são confrontados com os valores das resistências nominais de projeto seguindo as recomendações de norma. / [en] This work presents an investigation of the structural behaviour of tubular space trusses composed of continuous end flattened members stacked above each other and joined together by a single bolt. One of the main motivations for this work comes from the fact that this structural solution is very commonly used in Brazil. The main reasons for that are the economy achieved in fabrication and the simplicity of erection associated with that structural solution. This solution also proves to be competitive when compared to other commercial systems. On the other hand, the structural design of these trusses are still subjected to some criticism since the loss of stiffness in the bars´ extremities is not taken into account. To enlighten this problem a full-scale experimental programme was performed in a 12m x 12m space structure. The adopted structure consisted of a diagonal on square mesh with top and bottom chord members of 2000mm and 1414mm and a 1500mm mesh height. The aim of the this programme was to investigate the ultimate compression resistance of the structural members taking into account the effect of the flattened ends and the type of connection used. The experiments ranged from tests where all the structural nodes used a single eccentric bolt to others where plated connectors were used in the supports to eliminate second- order moments. The experimental results demonstrated that the ultimate resistance of the structure with the eccentric connections only presented a small reduction when compared to other non-eccentric systems. The tests also confirmed that the flattened end of the members and the geometric characteristics of plated connectors are very significant parameters in the structure´s ultimate behaviour. / [es] Las extructuras espaciales tubulares padronizadas han ganado mayor espacio en la construcción civil brasilera. No obstante, se observa que en estas construcciones, conmúnmente se utilizan uniones tipo excéntrica con punta suavizada, debido a su bajo costo. Poco se sabe sobre el comportamiento extructural de estas uniones, ya que las normas que generalmente se adoptan para el cálculo de las resistencias de las barras que componen el reticulado no consideran la reducción de inercia en las extremidades de las barras para la formación de este tipo de unión. Se ha constantado que al no considerar la reducción de la inercia en las extremidades de las barras aparecen com mayor frecuencia problemas de inestabilidad extructural que pueden llevar al colapso parcial o incluso total de la extructura. Por otro lado, existen estudios que comprueban la veracidad de las hipótesis de cálculo que fueron asumidas para este tipo de unión. Con el objetivo de comprender mejor este comportamiento, se abordan en este trabajo algunos aspectos extructurales y constructivos de las extructuras metálicas espaciales, a través de una serie de ensayos experimentales. Inicialmente se presenta un breve histórico de los sistemas extructurales, con informaciones generales sobre clasificación de las extructuras espaciales y los tipos de unión más usadas. Seguidamente se presentan los programas existentes en la PUC-RIO que fueron utilizados para el análisis extructural de la celosía espacial que sería ensayada. Se presenta también un breve algoritmo para el cálculo para una cobertura en celosía espacial. Finalmente se presentan los resultados experimentales de pruebas en escala real de una extructura de 12,0 x 12,0 n, evaluando los modos de ruínas presentes. Estes resultados se comparan con los valores de las resistencias nominales del proyecto siguiendo las recomendaciones de la norma.

[pt] Os sistemas de cobertura constituem uma parcela considerável dos custos finais de galpões de grandes dimensões. Os carregamentos desse sistema são transferidos para os pilares a partir dos vigamentos principais. Dúvidas sobre qual é a melhor solução para o dimensionamento do vigamento principal podem surgir devido aos grandes vãos que essas estruturas devem cumprir. Esta dissertação apresenta um estudo das configurações estruturais e uso de diferentes materiais para o projeto, fabricação e montagem de coberturas de galpões de grandes dimensões. Foram desenvolvidos diversos projetos de uma estrutura modelo onde se variou o tipo de perfil das cordas, o comprimento dos vãos, a geometria da seção transversal da treliça e a inclinação das diagonais. A partir dos resultados obtidos, realizou-se uma análise paramétrica buscando-se a solução que apresenta o menor peso estrutural dos vigamentos principais. A grande vantagem da utilização de treliças multiplanares é o bom comportamento fora do plano que esse tipo de estrutura oferece, podendo reduzir custos com travamentos e elementos secundários. Também foi realizado um estudo determinístico para dar apoio às decisões na escolha da melhor solução para os diversos tipos de galpões de grandes dimensões estudados. Os resultados preliminares obtidos indicam que a solução de cordas tubulares mistas, em partes selecionadas da estrutura, representa uma das soluções mais competitivas para este tipo de estrutura. / [en] Roofing systems constitute a considerable part of the final costs of large single-storey buildings. The loads of this system are transferred to the columns from the girders. During the design process may be raised the question of what may be the best solutions for the roof supporting girders, mainly due to the large spans required. This dissertation presents a study of the structural configurations and the use of different materials for the design, manufacture and assembly of roofs of large single-storey buildings. Several designs of a model structure were developed where the type of profile of the main chords, the length of the spans, the geometry of the cross-section of the truss and the angulation of diagonals were varied. Based on the obtained results, a parametric analysis was performed focused on solutions presenting the lower structural weight of the girders. The great advantage of using multiplanar trusses is the good behavior out of plane that this type of structure offers, which can reduce costs with bracing and secondary elements. A deterministic study was also carried out in order to support decisions in choosing the best solution for the various types of large single-storey buildings studied. The preliminary results obtained indicate that the solution of concrete filled steel tubular chords in selected parts of the structure represents one of the most competitive solutions for this type of construction.

[pt] Este estudo tem por objetivo avaliar o comportamento estrutural de um sistema de vigamento de piso tipo stub-girder, modificado para melhor aproveitamento dos perfis em sua fabricação. O estudo é baseado em formulações não lineares a partir do método dos elementos finitos (MEF), com uso do software ANSYS. Através do software FTOOL foi criado um modelo simplificado para a análise estrutural e o cálculo das resistências nominais foi feito com base na norma canadense CAN-S16-10 da Canadian Standards Association. Além disso, foram avaliadas as cargas de máximas e de serviço do sistema, bem como os deslocamentos associados a estes carregamentos. Com base nos resultados obtidos, foram feitas recomendações de projeto do sistema e foram avaliadas as condições de economia de material e possibilidade de utilização na prática de construção de edificações de andares múltiplos. Com vistas à fase de construção, é feita a discussão sobre a possibilidade de obtenção de um método construtivo industrializado, já que o sistema de fabricação é caracterizado pela rapidez de produção e montagem, que são facilitadas pelo fato deste sistema permitir a reutilização de pequenos comprimentos de perfis que sobram no processo normal de fabricação. / [en] This study s purpose was to evaluate the structural behavior of a stub-girder floor-system, which was modified to better utilize the steel profiles in its manufacturing process. The study is based on nonlinear analysis through the use of the finit element method (FEM), employing the software ANSYS. For the structural analysis, a simplified model was created through the use of the software FTOOL and the nominal resistances was obtained based on the canadian CAN-S16-10 Standard, by the Canadian Standards Association. Furthermore, the working and tensile loads were evaluated, as were the displacements associated to them. Based on the results, designs recommendations were made and the conditions of economy of material, as well the possibility of the system s practical use in multi-storey buildings were discussed. With regards to the construction phase, a discussion was made on the possibility of obtaining an industrialized construction method, since the manufacturing process is characterized by the fast production and assembly, which are facilitade by the fact that this system allows the reuse of small lenghts of remaining profiles from the normal manufacturing process.

[pt] As cargas concentradas em vigas de aço são freqüentemente encontradas na prática da engenharia civil. Nas situações onde o local de aplicação da carga é fixo, enrijecedores transversais de alma podem ser usados para aumentar a resistência, mas devem ser evitados sempre que possível por razões econômicas. Para cargas móveis, é fundamental conhecer a resistência última das almas não enrijecidas. Diversas teorias foram desenvolvidas para uma melhor formulação deste problema mas, ainda assim, o erro das fórmulas de previsão é superior a 20%. Duas são as causas desta dificuldade de se encontrar uma equação mais precisa: o grande número de parâmetros que influenciam o comportamento de uma viga sujeita a cargas concentradas, e o número insuficiente de dados experimentais presentes na literatura para o desenvolvimento de uma análise paramétrica completa. Se por um lado a criação de novos resultados experimentais é um processo que envolve tempo e dinheiro, os métodos numéricos utilizados para gerar novos dados ainda apresentam diferenças significativas. As redes neurais foram inspiradas na estrutura do cérebro, a fim de apresentarem características humanas como o aprendizado por experiência e a generalização de novos exemplos a partir dos apresentados. Estas características mostram a possibilidade da utilização das redes neurais no estudo de problemas complexos, de difícil resolução por programas convencionais, como a previsão da carga última de vigas de aço sujeitas a cargas concentradas. Este trabalho tem o objetivo de avaliar e investigar o comportamento estrutural de cargas concentradas, através de uma análise paramétrica que permita identificar a influência dos diversos parâmetros que controlam o problema. Para viabilizar esta análise, torna-se necessária a geração de novos dados. Desta forma, será investigada a possibilidade da aplicação das redes neurais na previsão da carga crítica de vigas sujeitas a cargas concentradas, a partir de um treinamento destas redes utilizando os resultados experimentais existentes na literatura. Uma revisão bibliográfica do problema foi feita, bem como uma avaliação criteriosa dos resultados a serem utilizados no treinamento das redes. Para a avaliação e/ou novo treinamento do modelo de redes neurais, também foi estudada a utilização de resultados numéricos gerados através do método de elementos finitos. Estas simulações numéricas foram executadas utilizando um sistema de interface desenvolvido neste trabalho para integrar programas de pré-processamento, análise e pós- processamento. As simulações numéricas encontradas na literatura também foram analisadas para avaliar sua incorporação ao conjunto de dados de treinamento de redes neurais. A partir da validação do modelo de redes neurais adotado, através de uma comparação dos resultados fornecidos pelas redes com os valores fornecidos pelas fórmulas de previsão existentes, uma análise paramétrica poderá ser executada dentro dos limites do treinamento das redes neurais. Estas redes poderão então ser utilizadas como uma nova ferramenta na previsão da carga crítica de vigas de aço submetidas a cargas concentradas. Os resultados obtidos neste trabalho poderão permitir, no futuro, o desenvolvimento de uma fórmula de projeto mais precisa. De posse desta nova fórmula, uma sugestão para sua incorporação em normas de projeto de estruturas de aço poderá ser feita, garantindo desta forma um dimensionamento mais seguro e econômico. / [en] Concentrated loads on steel beams are frequently found in structural engineering practice. In situations where the location of the load is fixed, traverse web stiffeners can be used to provide an adequate increased resistance, but for economic reasons should be avoided whenever possible. For moving loads, the knowledge of the unstiffened web resistance becomes imperative. Many theories were developed for a better understanding of the problem, however, a 20% error is still present in the current design formulas. A more accurate design formula for this structural problem is very difficult to be obtained, due to the influence of several interdependent parameters. On the other hand, creating new experimental results is very expensive and time consuming. As an alternative, numerical methods were used to generate new data but they still present significant differences. The neural networks were inspired in brain structure, to present human characteristics such as: learning from experience; and generalization of new data from a current set of standards. These characteristics demonstrate the possibility of using the neural networks to investigate complex problems which could not be solved by conventional programs, such as the forecasting of the ultimate strength of steel beams subjected to concentrated loads. The main objective of this work is to investigate the structural behavior of concentrated loads, by means of a parametrical analysis. This analysis can surely help to identify the influence of the several interdependent parameters. Thus, the possibility of using neural networks to generate new data is investigated. A literature survey of the problem is presented, as well as a critical evaluation of the experimental results to be used as the training data set of the neural networks. In order to evaluate or train the neural networks, the use of finite element simulations will be analyzed. These numerical simulations will be performed using a finite element method interface system which was developed to integrate the preprocessing, analysis and post-processing programs. The use of numerical results present in the literature is also analyzed and discussed. In order to validate the neural networks model, the results are compared with existing design formulas enabling the parametrical analysis to be executed. The neural networks model can also be used as a new tool to forecast the ultimate load of steel beams subjected to concentrated loads. / [es] Las cargas concentradas en vigas de acero son frecuentemente encontradas en la práctica de la ingeniería civil. En las situaciones donde el local de aplicación de la carga es fijo, enrijecedores transversales de alma pueden ser usados para aumentar la resistencia, mas deben ser evitados siempre que sea posible por razones económicas. Para cargas móviles, es fundamental conocer la resistencia de las almas no enrijecidas. Aunque diversas teorías han sido desarrolladas para obtener una mejor formulación de este problema, todavía el error de las fórmulas de previsión es superior al 20%. La dificuldad de encontrar una ecuación más precisa tiene dos causas: el gran número de parámetros que influyen en el comportamiento de una viga sujeta a cargas concentradas, y el número insuficiente de datos experimentales presentes en la literatura para el desarrollo de un análisis paramétrico completo. Si por un lado la creación de nuevos resultados experimentales es un proceso que lleva tiempo y dinero, los métodos numéricos utilizados para generar nuevos datos presentan diferencias significativas. Las redes neurales fueron inspiradas en la extructura del cerebro, con el objetivo de representar características humanas como el aprendizaje por experiencia y la generalización de nuevos ejemplos a partir de los presentados. Estas características indican la posibilidad de utilizar las redes neurales en el estudio de problemas complejos, de difícil resolución por programas convencionales, como la previsión de la carga de vigas de acero sujetas a cargas concentradas. Este trabajo tiene como objetivo evaluar e investigar el comportamiento extructural de cargas concentradas, a través de un análisis paramétrico que permita identificar la influencia de los diversos parámetros que controlan el problema. Para realizar este análisis, se hace necesario generar nuevos datos. De esta forma, se investigará la posibilidad de aplicar redes neurales en la previsión de la carga crítica de vigas sujetas a cargas concentradas, utilizando los resultados experimentales existentes en la literatura como conjunto de entrenamiento. Fue realizada una revisión bibliográfica del problema, así como una evaluación de los resultados a utilizar en el entrenamiento de las redes. Para la evaluación y/o nuevo entrenamiento del modelo de redes neurales, se estudió la utilización de resultados numéricos generados a través del método de elementos finitos. Estas simulaciones numéricas se ejecutaron utilizando un sistema de interface desarrollado en este trabajo para integrar programas de preprocesamiento, análisis y posprocesamiento. Las simulaciones numéricas encontradas en la literatura también fueron analizadas para evaluar su incorporación al conjunto de datos de entrenamiento de la red neural. A partir de la evaluación del modelo de redes neurales adoptado, se comparan los resultados obtenidos a través de la red neural con los resultados que arrojan las fórmulas de previsión existentes. Estas redes podrán ser utilizadas como una nueva herramienta en la previsión de la carga crítica de vigas de acero sometidas a cargas concentradas. Los resultados obtenidos en este trabajo podrán permitir, en el futuro, el desarrollo de una fórmula de proyecto más precisa. Ya con esta nueva fórmula, se podrá sugerir su incorporación en normas de proyecto de extructurasde acero, garantizando de esta forma un dimensionamento más seguro y económico.

[pt] As cargas concentradas em vigas de aço são freqüentemente encontradas na prática. Nas situações onde o local de aplicação da carga é fixo, enrijecedores transversais de alma podem ser usados para aumentar a sua resistência, mas devem ser evitados por razões econômicas. Para cargas móveis, é fundamental conhecer a resistência última das almas não enrijecidas. Diversas teorias foram desenvolvidas para este problema, mas ainda assim, o erro das fórmulas de previsão é superior a 40%. Duas são as causas desta dificuldade de se encontrar uma equação mais precisa: o grande número de parâmetros que influenciam o comportamento de uma viga sujeita a cargas concentradas, e o número insuficiente de dados experimentais presentes na literatura. Por outro lado, o colapso da estrutura pode ocorrer por: plastificação, flambagem global da alma, enrugamento (crippling) ou uma combinação destes estados limites. Apesar disto, nenhum estudo foi desenvolvido para avaliar a participação total ou parcial de cada comportamento no colapso. As redes neurais são modelos computacionais inspirados na estrutura do cérebro, que apresentam características humanas como o aprendizado por experiência e a generalização do conhecimento a partir dos exemplos apresentados. Estas características permitiram, em estudos preliminares, a utilização das redes neurais na previsão da carga última de vigas de aço sujeitas a cargas concentradas. A Lógica Nebulosa tem como objetivo modelar o modo aproximado de raciocínio, tentando imitar a habilidade humana de tomar decisões racionais em um ambiente de incerteza e imprecisão. Deste modo, a Lógica Nebulosa é uma técnica inteligente que fornece um mecanismo para manipular informações imprecisas, como conceitos de esbeltez, compacidade, flexibilidade e rigidez, além de estabelecer limites mais graduais entre os fenômenos físicos do problema. Os Algoritmos Genéticos foram inspirados no princípio Darwiniano da evolução das espécies (sobrevivência dos mais aptos e mutações) e na genética. São algoritmos probabilísticos, que fornecem um mecanismo de busca paralela e adaptativa, e têm sido empregados em diversos problemas de otimização. Este trabalho é a continuação do estudo desenvolvido na dissertação de mestrado (Fonseca, 1999) e tem o objetivo de propor um sistema de avaliação do comportamento estrutural de cargas concentradas, através de uma identificação da influência dos diversos parâmetros na carga e nos tipos de comportamento resultantes (plastificação, enrugamento e flambagem global), estabelecendo limites mais flexíveis entre cada um destes. Esta análise será executada empregando um sistema neuro- fuzzy (híbrido de redes neurais e de lógica nebulosa). Para viabilizar esta análise, torna-se necessária a apresentação de dados de treinamento onde o comportamento estrutural é conhecido. Este trabalho também apresenta um estudo de otimização das fórmulas de projeto existentes empregando algoritmos genéticos. Os resultados obtidos neste trabalho contribuem para, no futuro, o desenvolvimento de uma fórmula de projeto mais precisa. De posse desta nova fórmula, uma sugestão para sua incorporação em normas de projeto de estruturas de aço poderá ser feita, garantindo, desta forma, um dimensionamento mais seguro e econômico. / [en] Concentrated loads on steel beams are frequently found in engineering practice. In situations where the load application point is fixed, transversal web stiffeners can be used to provide an adequate resistance, but for economic reasons should be avoided whenever possible. For moving loads, the knowledge of the unstiffened web resistance becomes imperative. Many theories were developed for a better understanding of the problem, however, a 40% error is still present in the current design formulas. A more accurate design formula for this structural problem is very difficult to be obtained, due to the influence of several interdependent parameters and to the insufficient number of experiments found in literature. On the other hand, the structural collapse can be associated to: web yielding, web buckling, web crippling or by their combined influence. Despite this fact, no investigations were found in literature to access their partial of global influence on the beam patch load resistance Neural networks were inspired in the brain structure in order to present human characteristics such as: learning from experience; and generalization of new data from a current set of standards. Preliminary studies used the neural networks potential to forecast the ultimate load of steel beams subjected to concentrated loads. The main aim of Fuzzy Logic is to model the complex approximated way of inference, trying to represent the human ability of making sensible decisions when facing uncertainties. Thus, fuzzy logic is an artificial intelligence technique capable of generating a mechanism for treating inaccurate and incomplete information such as: slenderness, flexibility and stiffness, still being capable of establishing gradual boundaries among the physical phenomena involved. Genetic algorithms are inspired on the Darwins principle of the species evolution and genetics. They are probabilistic algorithms that generate a mechanism of parallel and adaptive best fit survival principle and their reproduction and have been long used in several optimisation problems. This work extends the research developed in a previous MSc. program (Fonseca, 1999) and intends to evaluate and investigate the structural behaviour of steel beams subjected to concentrated loads, identifying the influence of several related parameters. This will be achieved by the use of a neuro-fuzzy system, able to model the intrinsic relationships between the related parameters. The proposed system aim is to relate the physical and geometrical variables that govern the ultimate load with its associated physical behaviour (web yielding, web crippling and web buckling), being capable of establishing gradual boundaries among the physical phenomena involved. This investigation was focused on the development of a neuro fuzzy system. The proposed neuro fuzzy system was trained with data where the collapse mechanism were properly identified validating its results. This investigation also presents a study of patch load design formulae optimization based on genetic algorithm principles. The obtained results may help the future development of a more accurate design formula, that could be incorporated in steel structures design codes, allowing a safer and economical design.

[pt] As vigas de aço com abertura de alma propiciam a passagem de tubulações de serviços e instalações, fornecendo boa capacidade de resistência aos esforços cortantes. As vigas casteladas e as vigas celulares apresentam limitações de dimensões da abertura que estão ligadas à altura do perfil base, geralmente produzindo-se um perfil 50 por cento maior em altura. Neste trabalho, são estudadas as vigas casteladas expandidas em altura, através da soldagem de uma chapa complementar de alma, de modo a se obter vigas de maior inércia, mais leves e com maiores aberturas. O presente trabalho aborda os resultados obtidos através da modelagem por elementos finitos com análise não linear física e geométrica, com vistas a investigação do comportamento estrutural quanto a resistência da seção transversal e rigidez visando-se a redução de custos de fabricação pela eliminação da soldagem de chapas de reforço na região da abertura. / [en] Steel beams with web openings allow integration between structural and tubular services and facilities, providing good shear strength capacity. The castellated and cellular beams have limitations due to this web openings and results in a profile with 50 per cent higher depth. In this research, depth expanded castellated beams with the use of an additional welded plate will be studied, aiming the obtainment of higher inertia as well as wider openings on lighter beams. The present work addresses the results results obtained through the finite element method using physical and geometric nonlinear analysis, observing the structural behavior regarding stiffness and strength in order to reduce manufacturing costs since the reinforcement plates in the areas will no more be required.

[pt] As vigas casteladas estão sujeitas aos modos de falha devido a plastificação (plastificação do tê e mecanismo de Vierendeel) e flambagem (flambagem do montante da alma e flambagem do tê). O tê é a parte da seção transversal na localização da abertura e o montante da alma a região entre duas aberturas adjacentes. Esses modos de falha são tratados no manual do AISC (Design Guide 31) de vigas casteladas como modos individuais. Nesse manual, os esforços locais no tê são calculados através de uma analogia com a viga Vierendeel e a interação entre os modos de falha nessa região são considerados a partir de uma equação de interação. Embora estas verificações estejam coerentes, esse dimensionamento pode ser demasiadamente conservador por não considerar outros fatores como, por exemplo, a resistência pós-crítica. Todavia, estes fatores só podem ser considerados a partir de análises não lineares incluindo a não linearidade do material, não linearidade geométrica e imperfeição geométrica inicial. O presente trabalho tem por objetivo investigar os modos de falha das vigas casteladas do tipo Litzka travadas ao longo do comprimento, descartando assim, modos de falha por flambagem lateral com torção, usando o método dos elementos finitos. Neste trabalho, são avaliadas a influência da interação entre os elementos constituintes da seção transversal (isto é, mesa e alma), a interação entre modos de falha individuais e a reserva de resistência pós-crítica. Foi desenvolvida uma equação semi-analítica relacionando os parâmetros não dimensionais da seção transversal e a razão momento/cortante. Desse modo, foi possível classificar uma dada viga castelada, com geometria e carregamento, quanto ao seu comportamento dominado pela flexão (viga longa) ou pelo cisalhamento (viga curta). Em conjunto com uma esbeltez não dimensional (dependendo da carga crítica e da carga de plastificação) inspirada no Método da Resistência Direta. A partir destes parâmetros foi possível definir um mapa, que permitiu ordenar os modos de falha em regiões predeterminadas. Finalmente, foi realizado um estudo paramétrico, variando a geometria da viga castelada e considerando diferentes razões momento/cortante. Com base nesses resultados foi proposta uma equação do tipo Winter para obter a capacidade a flexão e ao cisalhamento de vigas casteladas com geometrias usuais. / [en] Castellated beams may experience failure modes associated to plastification (plastification of the tee section and Vierendeel mechanism) and buckling (webpost buckling and tee torsional buckling). The term tee is used to refer to the section described by the portion of the web and the flange where there is an opening and web-post is the portion of the section between two adjacent openings. The AISC design Guide 31 addresses each of these modes separately. There, the local forces in the tee section are calculated by an analogy to a Vierendeel beam and the interaction between the failure modes in the tee section is accounted for by an interaction equation. Although this methodology is consistent, it can be excessively conservative because it does not account for other factors, such as, the post-buckling resistance. However, these factors can only be assessed when nonlinear simulations including both material and geometry nonlinearities and initial imperfection are considered. The present work aims to investigate the failure modes of laterally braced Litzca-type castellated beam using the finite element method. In this work, aspects such as mutual influence of the constituent parts to the behavior (i.e., flange and web), interaction of individual modes and post-buckling reserve of strength were evaluated. A semi analytical equation based on geometrical non dimensional parameters and on the ratio of moment and shear load was developed. This way, a given castellated beam could be classified by its geometry and load in relation to the flexure (long beam) or shear behavior (short beam). In addition, together with a non-dimensional slenderness (depending on the plastic and buckling loads) inspired in the Direct Strength Method, a map was created that allowed the organization of the failure modes in pre-defined regions. Finally, a parametric study was carried out varying the geometry of the castellated beam and considering different ratios of moment to shear loads. Based on these results, a Winter-type equation was proposed to assess the load capacity of beams with typical geometries.

[pt] Este trabalho apresenta um estudo das ligações viga x coluna em estruturas de aço. As ligações são classificadas como: flexíveis, com alta capacidade de rotação, rígidas, que transmitem todo o momento de engastamento perfeito, e, situadas em um nível intermediário, as semi-rígidas, que são mais compatíveis com o comportamento real. Posteriormente, é mostrado detalhadamente o método de projeto de ligações mais usual, a partir de um sistema de trajetória de forças. Este conceito é baseado na identificação e dimensionamento de todos os elementos que compõem uma ligação, garantindo-se a compatibilidade entre o comportamento destes e as premissas assumidas no projeto estrutural. A influência das ligações no projeto global de pórticos deslocáveis e indeslocáveis também foi estudada neste trabalho. Foram analisados os processos de dimensionamento de pórticos deslocáveis com ligações rígidas, indeslocáveis com ligações flexíveis, deslocáveis com ligações semi-rígidas e, mais detalhadamente, de pórticos indeslocáveis com ligações semi-rígidas, estes últimos adotados neste trabalho.Objetivou-se o desenvolvimento de um módulo de dimensionamento e detalhamento automático de procedimentos de análise e projeto de ligações através de uma interface gráfica tridimensional. Esta interface permite ao usuário tanto o dimensionamento de ligações preexistentes, quanto a criação de novos modelos. Esta criação é feita através do conceito “building up”, ou seja, da montagem passo a passo, peça a peça da ligação, em procedimentos simples do tipo “arrastar e soltar”. Definida a ligação, procede-se com a sua identificação através de comparação com um “banco de ligações viáveis” e seu posterior dimensionamento. Como resultados finais, o módulo fornece uma memória de cálculo, uma estimativa de custos e o detalhamento completo da ligação no padrão DXF, “AutoCAD Drawing Interchange File”. Uma avaliação do comportamento semi-rígido da ligação, através do método dos três parâmetros, proposto por Chen [CHEN85], também é apresentado. / [en] This work presents an investigation of beam vs. column connections in steel structures . The steel connections can be classified as: flexible, with high rotation capacity, rigid, that fully transmit beam ends moments to the column, and semi-rigid, an intermediate level between the two above mentioned, more compatible with the real behavior. A description of the traditional method for connections design, using the forces path method is also presented. This concept, based on the identification and design of all the elements that compose a connection, is guaranteed by the compatibility among the behavior of the connection parts and the hypothesis assumed in the structural design. The influence of the connections in the global design of sway and non-sway frames is also depicted in this work. The design processes of sway frames with rigid connections, non-sway frames with flexible connections, sway frames with semi-rigid connections and, non-sway frames with semi-rigid connections, these last ones adopted in this work, are discussed in this investigation. The main objective of this work was the development of an automatic connection´s design and detailing module through a three- dimensional graphic interface. This interface allows the user to design standardized connections, as well as create new models. The creation of a new connection is made through a building up concept, with a step by step assembly, using simple drag and drop procedures. The identification of the newly crated connection is made through a comparison with a viable connections database. This is followed by the complete structural design of the connections. As final results, the program supplies a detailed description of the design procedures, costs estimation and the complete connection detailing in a standard DXF, AutoCAD Drawing Interchange File. An evaluation of the connection´s semi-rigid behavior, through the three parameters method, proposed by Chen [CHEN85], is also described and discussed. / [es] Este trabajo presenta un estudio de las ligaduras viga x columna en extructuras de acero. Las ligaduras son clasificadas como: flexíveis, con alta capacidade de rotación, rígidas, que transmiten todo o momiento de desgaste perfecto; y situadas a un nível intermediário, las semirígidas, que son más compatibles con el comportamiento real. Posteriormente, se muestra detalladamente el método de proyecto de ligaduras de mayor uso, a partir de un sistema de trajectoria de fuerzas. Este concepto tiene como base la identificación y dimensionamiento de todos los elementos que componen una ligadura, garantizando la compatibilidad entre el comportamiento de éstos y las premisas asumidas en el projecto extructural. La influencia de las ligadura en el proyecto global de pórticos deslocables e indeslocables también fue estudiada en este trabajo. Se analizaron los procesos de dimensionamiento de pórticos deslocables con ligaduras rígidas, indeslocables con ligaduras flexibles, deslocables con ligaduras semirígidas y, más detalladamente, de pórticos indeslocables con ligaduras semirígidas, estes últimos adoptados en este trabajo. El objetivo propuesto era el desarrollo de un módulo de dimensionamiento y detallamiento automático de procedimientos de análise y proyecto de ligaduras, a través de una interface gráfica tridimensional. Esta interface permite al usuario tanto el dimensionamiento de ligaduras pre-existentes, como la creación de nuevos modelos. Esta creación se realiza a través del concepto building