Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / 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. / 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.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / 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. / 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.

[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.