A general framework to design structural systems for a system-reliability goal is proposed. Component-based structural design proceeds on a member to member basis, insuring acceptable failure probabilities for every single structural member without explicitly assessing the overall system safety, whereas structural failure consequences are related to the whole system performance (the cost of a building or a bridge destroyed by an earthquake) rather than a single beam or column failure. Engineering intuition tells us that the system is safer than each individual component due to the likelihood of load redistribution and al- ternate load paths, however such conservatism cannot be guaranteed without an explicit system-level safety check. As a result, component-based structural designs can lead to both over-conservative components and a less-than-anticipated system reliability. System performance depends on component properties as well as the load-sharing network, which can possess a wide range of behaviors varying from a dense redundant system with scope for load redistribution after failure initiates, to a weakest-link type network that fails as soon as the first member exceeds its capacity. The load-sharing network is characterized by its overall system reliability and the system-reliability sensitivity, which quantifies the change in system safety due to component reliability modifications. A general algorithm is proposed to calculate modified component reliabilities using the sensitivity vector for the load-sharing network. The modifications represent an improvement on the structural properties of more critical components (more capacity, better ductility), and provide savings on less important members which do not play a significant role. The general methodology is applied to light steel-framed buildings under seismic loads. The building is modeled with non-linear spring elements representing its subsystems. The stochastic response of this model under seismic ground motions provides load-sharing, system reliability and sensitivity information, which are used to propose target diaphragm and shear wall reliability to meet a building reliability goal. Finally, diaphragm target reliability is used to propose modified component designs using stochastic simulations on geometric and materially non-linear finite-element models including every individual component. This material is based upon work supported by the National Science Foundation under Grant Nos. 1301001 (Virginia Tech), 1301033 (University of Massachusetts, Amherst) and 1300484 (Johns Hopkins University). Any opinions, findings, and conclusions or recommendations expressed in this material are those of the author and do not necessarily re ect the views of the National Science Foundation. The author is grateful to the industry partner, the American Iron and Steel Institute, for their cooperation. / Ph. D. / This research proposes methods to design engineering networks for acceptable overall safety. Some examples of engineering networks include electrical systems, transportation systems and infrastructural systems. When any such system is designed, the properties of every individual component (size, capacity etc.) are assigned according to cost and safety requirements. However, it is typically very difficult to reliably quantify the overall safety of the entire system, which is technically known as ‘system reliability’. As a result, there are limited options for engineers to adjust the individual component designs within a system to achieve a pre-specified ‘targeted’ system reliability . This dissertation proposes computational and statistical methods to achieve this. The proposed methods are applied to a specific engineering system, namely a two story building subjected to ground shaking resulting from an earthquake. Computer models are developed for different scales of the building, beginning from the full building structure, then its individual floors and walls, and finally the individual components that make up each floor and wall. These models are verified with experimental results spanning all three scales. The verified models are then used to both compute the overall system reliability of the building subjected to earthquake ground shaking, as well as to modify its design component-by-component to achieve a targeted system reliability which is different from the system reliability of the original design. The results indicate that the as-designed reliability of the building system is adequate, but this reliability results from features of the building that are not expected to provide additional safety. The research demonstrates means to obtain this additional safety by redesigning the core functional building components, without relying on the unexpected added safety from ‘non-structural’ components (such as partition walls inside a building). The methods developed herein can be applied to redesign the components of various engineering system networks such that a targeted overall system reliability can be satisfied, resulting in improved performance and life-safety, potentially even at reduced costs.

No contexto da construção civil brasileira, é reconhecido o fato de que os perfis de aço formados a frio têm grande demanda em diversos tipos de sistemas estruturais. Uma das aplicações refere-se às barras com seções transversais compostas em duplo U enrijecido, comumente presente no sistema de vigas e pilares de edificações. Quando submetido à ação térmica decorrente de um incêndio, o comportamento dos perfis formados a frio se torna de avaliação relativamente complexa, pois há ocorrência de dois fenômenos que levam à perda da sua capacidade portante: a ocorrência dos modos de instabilidade e a redução da resistência do material. Dessa forma, neste trabalho foi desenvolvido um estudo sobre perfis de aço formados a frio submetidos a temperaturas elevadas. As seções transversais adotadas foram do tipo I enrijecido e tubular retangular do tipo caixão, compostas por dois perfis U enrijecido unidos por solda intermitente. A ação mecânica aplicada consistiu em uma compressão centrada, bem como uma ação térmica, cuja taxa de aquecimento segue a curva de incêndio padrão definida pela International Organization for Standardization. A investigação aqui apresentada foi desenvolvida em campo experimental e numérico. Foram realizados ao todo 17 ensaios de compressão, cinco à temperatura ambiente e 12 com aplicação da ação térmica. A ação mecânica dos ensaios termoestruturais, ao ser aplicada, foi mantida constante em patamares de 40% e 70% da capacidade resistente à temperatura ambiente. Em seguida foram desenvolvidos modelos numéricos calibrados com parâmetros obtidos experimentalmente, com vistas a futuras análises paramétricas a partir desta pesquisa. Por fim, tais resultados foram comparados com valores obtidos por procedimentos de cálculo das principais normas em vigor. Com base nesta investigação e no conjunto de resultados apresentados, é possível avaliar a viabilidade da aplicação de tais procedimentos normativos diretamente aos perfis de aço formados a frio, bem como propor adequações onde houver necessidade. Deve-se ressaltar que o trabalho aqui apresentado é o primeiro a realizar ensaios termoestruturais em perfis formados a frio com abordagem na realidade brasileira da construção civil e reconhece a necessidade de abranger novos estudos. / Due to its known versatility, cold formed steel has been widely used in civil construction as load bearing members in several types of structural systems. Built-up lipped I and box cross section are often used as beams and columns of commercial and even industrial buildings. When such structural cold formed steel members are submitted to a thermal load arising from a fire condition, their structural behavior becomes complex, inasmuch as two phenomena that lead to loss of strength is likely to occur: the reduction of materials properties of the cold formed steel and the buckling modes thin walled steel are susceptible. Hence, in this doctoral thesis, a study on the behaviour of built-up cold formed steel subjected to compression load and submitted to high temperature is presented. In the first stage of this research, 21 specimens were subjected to axial compression load; in which 11 specimens were lipped I and 10 were box built-up cross section. Five tests of the total amount were carried out at ambient temperature and 16 in hugh temperature. Such tests in high temperature were carried out in thermal transient condition whose magnitude of the applied compression load was equivalent to 40% and 70% of the one obtained at ambient temperature. Thus, the ultimate time and temperature of the specimens were determined. In the second phase of this research, numerical analysis was developed and the numerical models were validated by the comparison with experimental results. Since this numerical strategy has considered geometric and material non linearity varying according to increasing thermal load, it has shown to be suitable for future parametric analysis. Regarding to standard codes, based on this reseach, the suitability of design method for fire condition recommended by Brazilian, European and North American standards applied to cold formed steel were evaluated. The ultimate load capacity obtained from Brazilian and European fire design codes resulted conservative in comparison with experimental results. The Direct Strength Method available in North American, Brazilian and Australian standards, considering appropriated reduction of materials properties according to its temperature conducted to satisfatory results for built-up lipped I and box cold formed steel columns. In addition, this thesis emphasizes the need for an extensive research on cold formed steel structures under fire condition in accordance with Brazilian civil construction.

Aumento da produtividade, melhorias na qualidade dos produtos, redução de custos e de impactos ambientais são essenciais para a capacidade competitiva das empresas. A execução da fachada faz parte do caminho crítico da obra, por ser um subsistema que associa as funções de fechamento, acabamento, iluminação e ventilação e ainda por incorporar sistemas prediais; apresenta, por isso também, um alto custo direto em relação aos outros subsistemas do edifício. A tecnologia construtiva de fachadas em chapas delgadas com estrutura em Light Steel Framing (LSF) é uma alternativa viável para aumentar a produtividade e reduzir os prazos de obra, com qualidade e desempenho, e pode trazer benefícios em relação a atividades intensas em mão de obra como é o caso da alvenaria de vedação e de seus revestimentos. O presente trabalho tem por objetivo sistematizar e analisar o conhecimento relativo a essa tecnologia construtiva de fachada. O método adotado compreende revisão bibliográfica. Como contribuição, o trabalho reúne um conjunto organizado de informações sobre os principais sistemas disponíveis no mercado contemplando: a caracterização do sistema de fachada, de suas camadas e dos perfis leves de aço e a sistematização das principais avaliações técnicas de sistemas existentes em outros países, reunindo normas técnicas de produtos e de execução. Acredita-se que a reunião e organização das informações, antes dispersas em diversas referências, têm potencial para subsidiar o meio técnico para tomada de decisão quanto ao uso adequado da nova tecnologia. / Increase productivity, improve product quality and reducing costs and environmental impact are essential for a competitive business. One of the critical paths of construction projects is the execution of the façade, a subsystem that associates multiple functions as sealing, finishing, lighting and ventilation feature and may incorporate other building systems. As another characteristic of these properties, a façade possess an important direct cost in relation to other subsystems. The building technology of light steel external wall system is a viable alternative, as it holds a potential to increase productivity, reduce construction deadline and bring benefits in regards to the labor heavy nature of masonry and mortar cladding. This research aims to organize the knowledge on the building technology of light steel external wall facade. The research method comprises a technical literature review. As a result, this study combines an organized ensemble of information about characterization of the light steel external wall system, its layers and steel profile. The work also performs an analysis of technical evaluations of existing systems in other countries, gathering technical standards of products and assembling techniques. The information here presented may serve as reference to the technical community by compiling and organizing information available in various and dispersed references.

Este trabalho apresenta uma investigação de modelos analíticos de previsão da força de tração resistente para ligações parafusadas em chapas finas e perfis de aço formados a frio, de acordo com quatro especificações de projeto (ABNT NBR 14762:2010, ANSI AISI S100:2007-S, AS/NZS 4600:2005 e EUROCODE 3 Parte1.3:2010). O estudo envolveu 404 resultados experimentais de ligações parafusadas, sendo: 232 ligações em chapas finas, 104 ligações em cantoneiras e 68 ligações em perfis U, em que diversas configurações geométricas foram analisadas. No total 1616 análises de força resistente foram realizadas de modo que estatísticas da variável aleatória erro de modelo pudessem ser construídas. Dessa forma, a análise de erro de modelo consistiu da plotagem das probabilidades do erro de modelo, para que em seguida testes de aderência pudessem ser então aplicados de modo satisfatório, validando funções teóricas de distribuição de probabilidades para a representação da informação estatística dessa variável aleatória. Uma análise de regressão foi utilizada nas ligações parafusadas para descrever a variação do erro de modelo com a espessura da chapa e para descrever a incerteza de modelo. As análises realizadas mostraram que os modelos brasileiros e americanos conseguem prever, em média, a ruptura da seção líquida de maneira mais eficiente do que as outras especificações, pois utilizam coeficientes de redução da área líquida, e também apontam que todos os modelos apresentam uma grande variabilidade dos resultados em torno da média, o que faz com que a confiabilidade dos modelos seja prejudicada. A análise de confiabilidade, utilizada para avaliar o nível de segurança das especificações de projeto, incluiu o erro de modelo e outros parâmetros aleatórios como a resistência à ruptura do aço, ação permanente (D) e variável (L), totalizando 7092 análises em ligações parafusadas, revelando que a contribuição da variável aleatória erro de modelo na segurança dessas ligações é considerável, especialmente para razões de carregamento (Ln/Dn) entre 0,50 e 2,50. Cabe ainda observar que as especificações de projeto foram avaliadas de acordo com critérios de confiabilidade uniforme e suficiente, demonstrando que a uniformidade é alcançada de maneira mais fácil para as quatro especificações, para razões de carregamento (Ln/Dn) maiores que 2,0, e que a suficiência de segurança, na maioria das análises realizadas, não foi alcançada, principalmente para o modo de ruína de esmagamento da parede do furo, em que os índices de confiabilidade para as ligações situaram-se em torno de 2,0 a 2,5, abaixo do valor alvo de 3,5 estabelecido pelo AISI e 3,8 estabelecido pelo EUROCODE. Além disso, ao se tratar da ruptura da seção líquida, os modelos brasileiro, americano e australiano também não atingiram níveis desejáveis de segurança, contudo, fornecem probabilidades de falha bem abaixo das obtidas para o modo de ruína de esmagamento. Por fim, análises de sensibilidade revelaram que os parâmetros x/L e d/g, presentes nos modelos analíticos de previsão da ruptura da seção líquida, para a especificação brasileira e americana, não interferem na segurança estrutural das ligações. / This work presents an investigation of analytical models for predicting the tensile strength to bolted connections in thin sheets and cold-formed steel members, according to four design specifications (ABNT NBR 14762:2010, ANSI AISI S100:2007-S, AS/NZS 4600:2005 and Eurocode 3 Parte1.3:2010). The study involved 404 experimental results of bolted connections, as follows: 232 connections in thin sheets, 104 connections in angles and 68 connections in channels, in which various geometric configurations were analyzed. A total of 1616 strength analysis were performed so that statistics of the random variable model error could be constructed. Thus, the model error analysis consists of plotting the probability of error model, then for the adherence tests could then be applied satisfactorily validating theoretical functions of probability distribution for the statistical representation of random variable. A regression was used in bolted connections to describe the variation of the model error with the thickness of the sheet and to describe the model uncertainty. The analysis showed that the models can predict Brazilians and Americans, on average, net section fracture more efficiently than the other specifications, for use of coefficient of reduction of net area, and also note that all models showed a great variability of results around the mean, which makes the reliability of the models is affected. The reliability analysis used to assess the safety level of design specifications, included the model error and other random parameters such as tensile strength of steel, dead (D) and live (L) loads, totaling 7092 analysis on bolted connections, revealing that the contribution the random variable model error in the security of these connections is considerable, especially for load ratios (Ln/Dn) between 0.50 and 2.50. It should also be noted that the design specifications were evaluated according to sufficient and uniform reliability criteria showing that uniformity is achieved more easily for the four specifications, for load ratios (Ln/Dn) higher than 2.0, and that the sufficiency of security, most of the analysis, is not achieved, especially for the failure modes of bearing of the hole, in which the reliability index for the connections are located around 2.0 to 2.5, below the target value of 3.5 indicated by AISI and 3.8 indicated by EUROCODE. Furthermore, when dealing with the net section fracture, the models Brazilian, American and Australian also did not reach desirable levels of security, however, provided failure probabilities well below those obtained for the failure modes of bearing. Finally, sensitivity analysis revealed that the parameters x/L and d/g, present in the analytical models for predicting the net section fracture, the specification for Brazilian and U.S., do not affect the structural safety of the connections.

No contexto da construção civil brasileira, é reconhecido o fato de que os perfis de aço formados a frio têm grande demanda em diversos tipos de sistemas estruturais. Uma das aplicações refere-se às barras com seções transversais compostas em duplo U enrijecido, comumente presente no sistema de vigas e pilares de edificações. Quando submetido à ação térmica decorrente de um incêndio, o comportamento dos perfis formados a frio se torna de avaliação relativamente complexa, pois há ocorrência de dois fenômenos que levam à perda da sua capacidade portante: a ocorrência dos modos de instabilidade e a redução da resistência do material. Dessa forma, neste trabalho foi desenvolvido um estudo sobre perfis de aço formados a frio submetidos a temperaturas elevadas. As seções transversais adotadas foram do tipo I enrijecido e tubular retangular do tipo caixão, compostas por dois perfis U enrijecido unidos por solda intermitente. A ação mecânica aplicada consistiu em uma compressão centrada, bem como uma ação térmica, cuja taxa de aquecimento segue a curva de incêndio padrão definida pela International Organization for Standardization. A investigação aqui apresentada foi desenvolvida em campo experimental e numérico. Foram realizados ao todo 17 ensaios de compressão, cinco à temperatura ambiente e 12 com aplicação da ação térmica. A ação mecânica dos ensaios termoestruturais, ao ser aplicada, foi mantida constante em patamares de 40% e 70% da capacidade resistente à temperatura ambiente. Em seguida foram desenvolvidos modelos numéricos calibrados com parâmetros obtidos experimentalmente, com vistas a futuras análises paramétricas a partir desta pesquisa. Por fim, tais resultados foram comparados com valores obtidos por procedimentos de cálculo das principais normas em vigor. Com base nesta investigação e no conjunto de resultados apresentados, é possível avaliar a viabilidade da aplicação de tais procedimentos normativos diretamente aos perfis de aço formados a frio, bem como propor adequações onde houver necessidade. Deve-se ressaltar que o trabalho aqui apresentado é o primeiro a realizar ensaios termoestruturais em perfis formados a frio com abordagem na realidade brasileira da construção civil e reconhece a necessidade de abranger novos estudos. / Due to its known versatility, cold formed steel has been widely used in civil construction as load bearing members in several types of structural systems. Built-up lipped I and box cross section are often used as beams and columns of commercial and even industrial buildings. When such structural cold formed steel members are submitted to a thermal load arising from a fire condition, their structural behavior becomes complex, inasmuch as two phenomena that lead to loss of strength is likely to occur: the reduction of materials properties of the cold formed steel and the buckling modes thin walled steel are susceptible. Hence, in this doctoral thesis, a study on the behaviour of built-up cold formed steel subjected to compression load and submitted to high temperature is presented. In the first stage of this research, 21 specimens were subjected to axial compression load; in which 11 specimens were lipped I and 10 were box built-up cross section. Five tests of the total amount were carried out at ambient temperature and 16 in hugh temperature. Such tests in high temperature were carried out in thermal transient condition whose magnitude of the applied compression load was equivalent to 40% and 70% of the one obtained at ambient temperature. Thus, the ultimate time and temperature of the specimens were determined. In the second phase of this research, numerical analysis was developed and the numerical models were validated by the comparison with experimental results. Since this numerical strategy has considered geometric and material non linearity varying according to increasing thermal load, it has shown to be suitable for future parametric analysis. Regarding to standard codes, based on this reseach, the suitability of design method for fire condition recommended by Brazilian, European and North American standards applied to cold formed steel were evaluated. The ultimate load capacity obtained from Brazilian and European fire design codes resulted conservative in comparison with experimental results. The Direct Strength Method available in North American, Brazilian and Australian standards, considering appropriated reduction of materials properties according to its temperature conducted to satisfatory results for built-up lipped I and box cold formed steel columns. In addition, this thesis emphasizes the need for an extensive research on cold formed steel structures under fire condition in accordance with Brazilian civil construction.

No presente trabalho se desenvolve como proposta principal, uma investigação experimental sobre o comportamento de elementos de aço formados a frio comprimidos em temperaturas elevadas considerando a influência da restrição ao alongamento térmico. Nessa investigação foram avaliadas as distribuições de temperaturas no contorno da seção transversal e ao longo do comprimento dos elementos. Outrossim, avaliou-se a influência da restrição ao alongamento térmico sobre o comportamento mecânico dos elementos, em especial sobre o desenvolvimento das forças de restrição que surgem durante a fase de aquecimento dos mesmos. Concernente ao comportamento térmico, os resultados indicam que a temperatura resistente de elementos expostos ao calor por todos os lados deve ser determinada com base nas medições realizadas em seções a meia altura do elemento devido à distribuição não uniforme de temperatura ao longo do comprimento. Com relação ao comportamento mecânico, os resultados experimentais mostraram que a resistência pós-crítica em temperaturas elevadas desses elementos é pequena e nesse sentido é mais coerente considerar como temperatura resistente a temperatura correspondente ao momento da perda de estabilidade dos elementos. Em caráter complementar e exploratório foram realizadas análises numéricas para melhorar o entendimento do comportamento em temperaturas elevadas dos elementos de aço formados a frio investigados experimentalmente no presente trabalho. Nas análises numéricas foi avaliada uma estratégia de modelagem em elementos finitos para simular a restrição ao alongamento térmico axial em elementos comprimidos submetidos a temperaturas elevadas. Os resultados apontam que os modelos numéricos foram eficientes para prescrever força de compressão resistente em temperaturas elevadas e o tempo resistente. Por outro lado não foram eficientes para prescrever as temperaturas críticas. No âmbito normativo foram realizadas as avaliações do método de cálculo simplificado proposto na ABNT NBR 14323 (2012) e da possibilidade de adequar o método simplificado de cálculo do EUROCODE 3 parte 1.3 (2006) para o dimensionamento em temperaturas elevadas desses elementos. Os resultados sugerem que o método de cálculo simplificado da ABNT NBR 14323 (2012) foi capaz de fornecer satisfatoriamente a força de compressão resistente dos elementos investigados que se enquadravam nas exigências do método. Outrossim, sugerem que o uso do método simplificado do EUROCODE 3 parte 1.3 (2006) com redução da resistência ao escoamento e módulo de elasticidade do aço para o dimensionamento em temperaturas elevadas de elementos de aço formados a frio carece de mais investigações. / The main proposal of this work was an experimental investigation on the behavior of cold-formed steel compressed members at elevated temperatures considering the influence of restraining to the thermal elongation. In this investigation, it was evaluated the temperature distributions on the cross section and along the height of the members. Furthermore, it was evaluated the influence of restraining to the thermal elongation on the mechanical behavior of these members, in particular on the development of restraining forces during their heating phase. Concerning the thermal behavior, the results indicate the critical temperature of members exposed to heat from all sides should be determined based on measurements performed on sections located at mid-span of the members due to the non uniform temperature distribution along the height. With regards to mechanical behavior, the experimental results showed that the post-buckling resistance at elevated temperatures of these members is small and the critical temperature should be considered as the temperature corresponding to the buckling temperature. Additionally numerical analyzes were performed to better understand the behavior of the cold-formed steel members at elevated temperatures that were experimentally investigated in this study. In the numerical analyzes a modeling strategy was evaluated on finite elements to simulate the axial restraining to the thermal elongation in compressed members subjected to high temperatures. The results show that the numerical models were effective to prescribe the ultimate loads at elevated temperatures and the critical time considering the influence of the axial restraining to the thermal elongation. On the other hand, the numerical models were not effective to prescribe the critical temperature. Within the normative scope, the design method proposed in the ABNT NBR 14323 (2012) (project revision) was evaluated as well the possibility of adapting the EUROCODE 3 part 1.3 (2006) design guidelines to the design of cold-formed steel members at elevated temperatures. The results suggest that the design method proposed in the ABNT NBR 14323 (2012) (project revision) was able to accurately predict the ultimate test loads of the members that were within the requirements of the method. On the other hand, it was found that the use of the EUROCODE 3 part 1.3 (2006) design guidelines with reduction of the mechanical properties at elevated temperatures (yield strength and elastic modulus of steel) for design of compressed cold formed steel members at elevated temperature needs further investigations.

Barras compostas em dupla cantoneira são constituídas por duas seções idênticas dispostas paralelamente, afastadas entre si e ligadas uma a outra apenas em alguns pontos ao longo do comprimento, por meio de chapas separadoras. O sistema aqui apresentado é bastante utilizado, principalmente em estruturas treliçadas leves, no entanto, não existem estudos específicos sobre seu comportamento, como conseqüência as normas de cálculo não fornecem subsídios para o projeto desse componente estrutural. É relevante estudar o comportamento de barras em dupla cantoneira, já que neste caso, além dos modos de instabilidade associados à cantoneira isolada, poderão ocorrer modos de instabilidade associados à barra composta em função da presença das chapas separadoras, que tendem a modificar o comportamento do sistema. Apresenta-se no trabalho análises numérica e experimental sobre o comportamento de barras submetidas à compressão centrada e excêntrica. Nas análises variou-se o número de chapas separadoras buscando estudar a eficiência das mesmas na força normal resistente das barras. Os resultados mostraram que a introdução de chapas separadoras melhorou significativamente o comportamento das barras, principalmente para compressão excêntrica. Foram observados modos de instabilidade por flexo-torção, por flexão e combinação dos dois modos. Para comparação dos resultados, inicialmente foram adotadas duas hipóteses de cálculo com base no procedimento da ABNT NBR 14762:2010, considerando compressão centrada. No primeiro procedimento considerou-se cada cantoneira como uma barra isolada independente da presença das chapas separadoras, admitiu-se instabilidades local, por flexo-torção e por flexão; no segundo considerou-se barra composta admitindo-se apenas instabilidades local e por flexão em relação ao eixo principal de menor inércia do conjunto. Em geral, os resultados das análises numérica e experimental apresentaram valores intermediários aos obtidos pelas duas hipóteses adotadas inicialmente. Com os resultados obtidos nas análises numérica e experimental são recomendados procedimentos para o dimensionamento desse componente estrutural. / Double-angle members with batten plates consist of two identical angles set up in parallel, spaced apart, and connected to each other by batten plates at specified points along the length. The system presented herein is widely used, especially in light truss structures; however, there are no standard design procedures specific for the design of this structural component. Studying the behavior of double angle members is interesting, because in this case, besides the critical modes of the single angle, they also show critical modes, due to the presence of the batten plates that sometimes interfere with the behavior of the system. This work presents a numerical and experimental study of members under concentric and eccentric axial compression. The number of batten plates is changed to study the influence on the nominal axial strength. The use of batten plates significantly increases the strength of the system, especially for members under eccentric compression. The buckling modes observed were flexural-torsional, flexural and combination of the modes. Initially, two design hypotheses are compared to the results obtained: (i) non-composite action (no interaction between angles), with only local, flexural, and flexural-torsional buckling considered; (ii) composite action (full interaction between angles), and only considering local and minor-axis flexural buckling of the pair of angles. The two design hypotheses ignore load eccentricity. The hypotheses are based upon recommendations in ABNT NBR 14762:2010. In general, numerical and experimental results for angles connected by bolted batten plates fall in between the design curves defined by methods (i) and (ii). With the results obtained in numerical and experimental analysis, procedures are recommended for the design of this structural component.

Apresenta-se neste trabalho um estudo teórico-experimental sobre a instabilidade de perfis formados a frio submetidos à flexão. A instabilidade distorcional se faz comum na presença de tensões de compressão atuando sobre perfis enrijecidos e fabricados com aços de elevada resistência mecânica. A parte teórica abrange os métodos de cálculo analíticos e numéricos para a análise de instabilidade distorcional de perfis de seção aberta formados a frio. Na parte experimental inclui-se o estudo de perfis formados a frio com seções do tipo U enrijecidos submetidos aos ensaios à flexão. Nestes ensaios variou-se a altura de alma e espessura de chapa procurando-se abranger maior número de condições geométricas para análise da estabilidade distorcional. Inclui-se também a análise de instabilidade numérica dos perfis do programa experimental através do método de resistência direta via método das faixas finitas. Com base nos resultados experimentais, numéricos e na análise teórica do problema, verificou-se o procedimento adotado pela NBR14762/2001 e efetuou-se comparação entre curvas de resistência propostas para o dimensionamento de perfis formados a frio à flexão. Foi verificado que o fenômeno de instabilidade distorcional pode ser o estado limite último crítico para o dimensionamento dos perfis formados a frio. / This work present a study theoretical-experimental about the distortional buckling of cold-formed steel members under bending. The distortional buckling is common for members with edge-stiffened sections and manufactured with steel of high strength. The theorical part present the analitic and numerical methods for stability analysis by distortional buckling. The experimental part included the study of cold-formed with sections channel altering flange width and thickness by proof in flexural members. Included too the numerical analysis by Direct Strength Method in Finite Strip Method on members with the same configurations of experimental investigation. Based on the experimental measurements, numerical analysis and in the theorical analysis of work, verified the procedures adopted in brazilian code NBR14762/2001 and compared with others distortional curve proposed for to design of cold-formed members under bending. Verified that the distortional buckling may control the design being the critical mode for the ultimate limit state.

Nos últimos anos tem sido observada uma significativa redução do uso das telhas pesadas nas edificações industriais, como as telhas de fibrocimento, por exemplo, e a preferência por telhas mais leves e que permitem maior racionalização da construção, como as telhas metálicas (aço zincado e alumínio). Assim, a fixação por meio de ganchos foi naturalmente sendo substituída por parafusos auto-atarraxantes, permitindo uma elevada eficiência estrutural da interação terça-telha, portanto, as terças que eram tratadas como elementos estruturais independentes passaram a ser projetadas com base no comportamento conjunto com as telhas. Diante disso, este trabalho apresenta um estudo sobre o comportamento estrutural de terças de aço considerando a interação terça-telha, com ênfase na distorção lateral. Para tanto, são analisados os modelos teóricos encontrados na literatura e os procedimentos normativos, bem como são desenvolvidas análises numéricas de sistemas representativos de coberturas, via método dos elementos finitos (MEF), que incluem os efeitos da não-linearidade física e geométrica. Através destes modelos numéricos, validados por resultados experimentais de ensaios realizados na EESC-USP, é realizada uma avaliação da influência da rigidez à flexão da terça, da conexão telha-terça, do tipo de seção da terça e da presença e posicionamento de tirantes de travamento lateral das terças. Neste contexto, concluiu-se que as telhas, desde que fixadas adequadamente as terças, contribuem para a estabilidade lateral, impondo mecanismos de falha que diferem substancialmente dos mecanismos clássicos da teoria da estabilidade elástica. / Recent years have seen a significant reduction in the use of heavy sheeting such as fiber cement roof sheets in industrial buildings, and an increasing preference for lighter sheeting that allows for greater rationalization of the construction, such as metallic sheeting (zinc-coated and aluminum). Thus, fixing by means of hooks was naturally replaced by screws, allowing for high structural efficiency of the purlin-sheeting combination, and purlins, which heretofore had been treated as independent structural elements, began to be designed based on their combined behavior with sheeting. This paper discusses the findings of a comprehensive on the structural behaviour of steel purlins under wind uplift considering the purlin-sheeting combination, with emphasis on lateral distortional. To this end, an analysis is made of the theoretical models available in the literature and in standard procedures, and systems representative of roofs are analyzed numerically via the finite elements method (FEM), including the effects of physical and geometrical nonlinearity. Based on these numerical models, which are validated by the experimental results of tests conducted at School of Engineering of São Carlos - University of São Paulo, an evaluation is made of the influence of the purlin\'s flexural stiffness, the sheeting-purlin connection, the type of purlin section (channel and Z-sections), and the number of rows of bridging (bracing). In this context, it was concluded that sheeting, provided it is properly fixed to the purlins, contributes toward lateral stability, imposing failure modes that differ considerably from the classic mechanisms of the theory of elastic stability.

Há basicamente dois sistemas empregados para promover a continuidade das terças de múltiplos vãos: transpasse e luva. Do ponto de vista do transporte e da montagem, o sistema de luvas é vantajoso em relação ao sistema de transpasse, uma vez que conduz a barras de menor comprimento. Entretanto, o emprego de luvas tem sido pouco explorado, devido principalmente ao pouco conhecimento sobre o comportamento estrutural do sistema e, consequentemente, pela ausência de recomendações de projeto disponibilizadas pelas normas e manuais técnicos. Neste trabalho foram analisadas a rigidez e a resistência de terças de seção transversal Z contínuas por meio de luvas. Para tanto, uma série de quinze protótipos de terças de aço formadas a frio foi submetida a ensaios de flexão, variando-se a altura do perfil, espessura e comprimento da luva e o vão. Foi conduzida uma análise da viabilidade do método da resistência direta (MRD) ao dimensionamento de terças contínuas por meio de luvas. Em relação à rigidez, curvas momento-rotação calibradas experimentalmente foram implementadas em modelos numéricos por meio de molas rotacionais, buscando simular o comportamento não linear da ligação. Posteriormente, uma análise paramétrica foi realizada, resultando na expressão momento-rotação proposta com base nas variáveis investigadas. Essa expressão representa a rigidez da ligação, que aliada a um modelo simples barra-mola, permite a avaliação mais precisa dos esforços solicitantes e deslocamentos de terças com luvas. / There are basically two systems employed to promote the continuity of multi-span purlins: overlap and sleeve. From the point of view of transport and assemblage, the sleeve system is advantageous in relation to the overlap system since it leads to shorter length bars. However, the use of sleeves has not been hardly explored mainly due to lack of knowledge about the system structural behavior and, therefore, the absence of design recommendations provided by standards and technical manuals. This study analyzed the stiffness and strength of continuous Z-section purlins with sleeved bolted connection. In order to develop the study a series of fifteen prototype were tested in bending; their cross-section height, thickness, sleeve length and span were varied. A viability analysis of the Direct Strength Method (DSM) for design of continuous sleeve purlins was conducted. In relation to stiffness, moment-rotation curves were calibrated experimentally and implemented in numerical models through rotational springs to simulate the nonlinear behavior of the connection. Afterwards, a moment-rotation expression based on the studied variables and a parametric analysis was proposed. This expression represents the connection stiffness and, when implemented in a simple spring-beam model, allows a more accurate prediction of the internal efforts and displacements in the purlin-sleeve system.