Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / 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. / 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.

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.

The object of this thesis is to design and assess steel structure of multi-storey office center in Vsetín. Floor plan dimensions of building are 48x40m. The building has ten floors. Overall height is 35,5m. The building ceilings made of composite steel and concrete structure. The part of build are roofer atrium and one bigger room aula with dimensions 24x16m. Two construction variants were designed and assessed. Longitudinal and transverse rigity of variant A is ensured by truss bracing. Transverse rigity of variant B is ensured by truss bracing and longitudinal rigity is braced by bracing frames. The variant A is better.

The aim of this master's thesis is to design the steel construction of a multifunctional building in the cadastral area of Brno-Bohunice. Multifunctional building consists of two identical buildings - A and B. Floor plan dimensions are 40.0 x 40.0 meters and height of 33,8 meters. Both objects have the 1st floor of the overall height of 5,0 m, each additional floors 3,5 m. The plan shape of the building is a square 40 x 40 m with bevel in the corners with a length of 8 m. In the middle of the building is roofed atrium 8 x 8 m. The buildings are in the 5th floor connected with the enclosed footbridge with a length of 10.0 meters. The main structure consists of two buildings columns and girders. Columns are alternatively solved as the composite steel and concrete structures with closed section filled with concrete or concreted steel profile. The girders are made of castellated beams. Among the girders are embedded solid panel joists and girders, coupled with the composite steel and concrete slab. Spatial rigidity besides the composite slabs provide rods placed around the atrium and in the corners of the building. The main structure of the footbridge consists of two inclined arched beams on which is placed stringer of the footbridge.

[pt] Essa pesquisa possui como objetivo investigar os mecanismos de vigas casteladas quanto à sua estabilidade e interação entre modos de flambagem lateral com torção (FLT) e local do tê comprimido (FT). São verificadas as capacidades resistentes de vigas casteladas e, subsequentemente, uma abordagem baseada no Método da Resistência Direta é proposta. As normatizações e guias de dimensionamento atuais tratam dos modos de falha de maneira pouco clara ao considerar a possível interação entre eles, evidenciando a necessidade de estudos e de um método que considere tais efeitos. É realizado um amplo estudo constituído por um universo de 197 vigas casteladas do tipo Litzka biapoiadas sujeitas à flexão pura por meio de modelagem e simulação por análises de elementos finitos lineares e não lineares de material com imperfeições geométricas. Os modelos são validados e o momento último resistente é computado, bem como os momentos críticos dos modos de flambagem global e local. Por fim, são aplicados os conceitos do Método da Resistência Direta e, através de regressão, são propostas equações para previsão do momento nominal resistente levando em conta a interação entre modos de flambagem global e local. Os resultados são comparados com a atual normatização demonstrando melhores valores de previsão para todos os casos, principalmente os que são governados pelo modo local de falha e/ou pela interação dos modos de flambagem. É evidenciada certa discordância dos resultados propostos pelas normas e guias atuais em alguns casos quanto ao dimensionamento à flexão de vigas casteladas, podendo sub ou superestimar sua resistência. / [en] The objective of this research is to investigate the stability mechanisms of castellated beams and the interaction between lateral-torsional and compression tee local buckling modes. A verification of the strength capacity of castellated beams is carried out. Subsequently, an approach based on the Direct Strength Method is proposed for the design of these beams. The treatment of failure modes by current standards and design guides is unclear when considering possible interactions between buckling modes, thus there is a need for more studies and for the development of a design method that takes into account these effects. Firstly, a comprehensive study of 197 simply supported Litzka castellated beams under pure bending moment is carried out. The study involves finite element analyses considering both linear behavior and nonlinear behavior that, which included both material nonlinearity and geometric imperfection. The models are then validated. After computing the moments associated with critical local and global failure modes, and the ultimate moments, along with their respective modes, an approach based on the Direct Strength Method is performed. Equations that consider the interaction for nominal moments prediction are obtained through regression. The developed equation is then compared with current standards procedures. The results show that the proposed equation predicts better values for strength prediction in all cases, especially those in which local and/or interaction failure modes govern the behavior of the beam. The results also show that some of the procedures suggested in standards and guides for the design of castellated beams under flexure, either underestimate or overestimate the failure moment.

[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] O presente trabalho visa investigar a interação entre a flambagem lateral com torção e a flambagem local do tê comprimido em vigas casteladas. O método dos elementos finitos (MEF) é usado para realizar análises paramétricas de vigas Litzkas sujeitas a flexão pura e considerando combinações da razão entre espessura e comprimento das mesas e alma, além do comprimento destravado. Para considerar a possibilidade de aço com diferentes resistências ao escoamento, esbeltezes adimensionais são utilizadas para prever o comportamento da estrutura de maneira compreensiva. As respostas de vigas com diferentes combinações de esbeltezes são comparadas e a resistência relativa de cada uma delas é discutida. A influência das imperfeições iniciais na capacidade de resistência é avaliada. Os momentos últimos calculados a partir do MEF são comparados com aqueles calculados de acordo com as normas de dimensionamento para vigas casteladas, mostrando que esses podem superestimar ou subestimar as capacidades de resistência. Finalmente, uma abordagem com o método da resistência direta é testada para prever a resistência nominal à flexão. Através das análises feitas, conclui-se que o Design Guide subestima a resistência das geometrias analisadas, o método da resistência direta as superestima e as imperfeições iniciais têm influência no comportamento das vigas analisadas. / [en] The present work aims to investigate the interaction between lateral torsional buckling and compression tee local buckling in castellated beams. The finite element method (FEM) is used to perform a parametric study for Litzka-beams subject to pure bending moment considering combinations of flange-to-web width and thickness ratios and unbraced lengths. To account for the possibility of different yield strengths, non-dimensional local and global slenderness are used to assess the behavior in a comprehensive manner. The responses for beams having different combinations of slendernesses are compared and the relative strengths are discussed. The influence of the initial imperfections on the strength capacity is evaluated. The FEM ultimate bending moments are compared to those calculated according to the current design recommendations for castellated beams, showing that these may either over or underpredict actual capacities. Finally, a direct strength method approach is tested for the prediction of the nominal bending strength. Through the performed analyses it was concluded that the Design Guide underestimate the relative strengths of the analyzed geometries, while the direct strength method overestimated them and the initial imperfections influence the structural behavior of the analyzed beams.

The subject of this diploma thesis is the design and assessment of main load-bearing elements od the steel structure of shopping gallery in Hodonín. Part of floor plan is rectangular and rest of it is half-circled. Object's dimensions are 7é m x 147,75 m (and roof overhang 1,5 m on each side), the height of the ridge is 13,43 m and the height of the roof's dome is 22,70 m. It's a two-storey building. The load-bearing structure consist of pin-suported columns, in this case there is max. 8,5 m distance between them in direction of main frame. The distance between main frames is 9 m. The spatial rigidity of the structure is ensured with floor slabs and system of bracings. The cladding consists of sandwich panels, roof's fanlights and dome of glazed areas. Most of elements are made of S355 steel.

[pt] Estruturas cada vez mais esbeltas têm sido usadas para otimizar edifícios de grande porte e reduzir custos, inclui-se nisto o pé-direito das edificações e portanto a altura das vigas. Grandes vãos são cada vez mais comuns, principalmente quando se utiliza aço em edificações, gerando então amplos espaços de serviço em uma direção, mas obstáculos na outra pela continuidade das vigas. A utilização de aberturas na alma das vigas para passagem de tubulações de ar-condicionado, incêndio, etc., evita um acréscimo na altura. Em consequência há uma grande diminuição da capacidade resistente nestes elementos estruturais que dependem diretamente da forma, do tamanho e da posição destas aberturas. A presente dissertação descreve alguns métodos construtivos de aberturas em almas de vigas de aço, cálculos de dimensionamentos e normas relacionadas. Alguns estudos numéricos com aplicações do método dos elementos finitos foram realizados investigando: angulação de aberturas hexagonais, vigas com três aberturas nos terços médios, vigas casteladas (tipo Litzka, com quantidades diferentes de aberturas), vigas expandidas em altura e uma viga Litzka Expandida. Para tal, utilizou-se de seis perfis de uso prático e comparando-os entre estas alternativas descritas. A viga Litzka Expandida se destacou em resistência quando comparada com outros métodos de fabricação, como também pelo menor peso linear, praticidade na fabricação e posicionamento das aberturas. / [en] More slender structures are used in order to reduce costs, floors depht and floor to ceiling clear heights. Steel construction and composite construction for buildings often employs long spans for beams and girders, offering service room between beams in one direction only. The use of web openings for passage of service ducts avoids increasing the depth of construction. Beams with web openings have reductions on flexural and shear resistances depending on the geometry, size and position of such openings on the beam. This dissertation presents some construction methods of beam web openings, analysis and design recommendations, related standards and codes. Some numerical studies by the finite elements method were carried out and results are presented for: type of openings, number and spacing of openings, castelled beams (Litzka type and nonuniform distribution of openings) and expanded in depth beams. For this purpose, six commonly used profiles were used for testing the described web openings solutions. Some comparison results are presented. The Litzka type of web expanded beam presented the best performance in terms of strength, easy of fabrication and reduction of material costs.