Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-03-06T14:05:20Z No. of bitstreams: 1 josehumbertogoesalves.pdf: 7726809 bytes, checksum: 2bdc724ae928df55c996d5d453664a9a (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-03-06T20:24:55Z (GMT) No. of bitstreams: 1 josehumbertogoesalves.pdf: 7726809 bytes, checksum: 2bdc724ae928df55c996d5d453664a9a (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-06T20:24:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 josehumbertogoesalves.pdf: 7726809 bytes, checksum: 2bdc724ae928df55c996d5d453664a9a (MD5) Previous issue date: 2015-03-02 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Frente ao grande número de entulhos gerados na construção civil atualmente no Brasil, surgem novos métodos construtivos, se servindo de processos mais industrializados para racionalizar os materiais de construção. O Light Steel Frame (LSF) é um desses novos métodos, baseado em perfis de aço que trabalham em conjunto através de subsistemas estruturais, não requisitando água nem produção de materiais in loco. Não só a forma de construir deve ser atualizada para melhor utilizar os recursos produtivos, como também deve-se promover melhorias no gerenciamento das construções. Em virtude disso, uma crescente tecnologia que está cada vez mais sendo agregada na construção civil é a Modelagem De Informação Da Construção, ou simplesmente BIM, da sigla em inglês. BIM permite planejar, projetar, construir, usar e manter uma construção. Para isso, não é necessário que exista um aplicativo que englobe todas essas tarefas. Por utilizar informação parametrizada, aplicativos distintos podem compartilhar uma mesma informação e gerar seus resultados, processo esse denominado de interoperabilidade. Assim, este trabalho tem como foco principal desenvolver uma ferramenta capaz de modelar estruturas em LSF, realizar um pré-cálculo estrutural e também prover meios de permitir a interoperabilidade com outros softwares. Para este fim, foi empregado o SketchUp, que possui uma interface de programação em linguagem Ruby, e possui módulos de geração de dados compatíveis com as necessidades da interoperabilidade. Como resultado, a ferramenta gerada neste trabalho alcançou desempenho satisfatório, mesmo que ainda existam muitos recursos para serem agregados. / The large amount of construction waste currently generated in Brazil demands new construction methods and more industrialized process. The Light Steel Frame (LSF) is one of those new methods based based on structural subsystems comprising steel properties, not ordering water or production of material in loco. Building and its management should be improoved. Building Information Modeling, or simply BIM, allows the planning design, building using and maintaing of building. Therefore, it is not necessary to have an application that includes all these tasks. By means of parameterized information, different applications can share the same information and generate results, a process known as interoperability. This work is mainly focused on developing a tool capable of modeling structures in LSF, performing a structural pre-analysis and also providing a means to enable interoperability with other software. To this end, we applied the SketchUp, which has a programming interface in Ruby language, and has data generation modules compatible with the interoperability needs. As a result, the generated tool in this work has achieved satisfactory performance, even though there are still many resources to be aggregated.

The research was focused on the three major structural elements of a typical cold-formed steel building - shear wall, floor joist, and column. Part 1 of the thesis explored wider options in the steel sheet sheathing for shear walls. An experimental research was conducted on 0.030 in and 0.033 in. (2:1 and 4:1 aspect ratios) and 0.027 in. (2:1 aspect ratio) steel sheet shear walls and the results provided nominal shear strengths for the American Iron and Steel Institute Lateral Design Standard. Part 2 of this thesis optimized the web hole profile for a new generation C-joist, and the web crippling strength was analyzed by finite element analysis. The results indicated an average 43% increase of web crippling strength for the new C-joist compared to the normal C-joist without web hole. To improve the structural efficiency of a cold-formed steel column, a new generation sigma (NGS) shaped column section was developed in Part 3 of this thesis. The geometry of NGS was optimized by the elastic and inelastic analysis using finite strip and finite element analysis. The results showed an average increment in axial compression strength for a single NGS section over a C-section was 117% for a 2 ft. long section and 135% for an 8 ft. long section; and for a double NGS section over a C-section was 75% for a 2 ft. long section and 103% for an 8 ft. long section.

This thesis presents experiments and numerical analysis of a novel cold-formed steel framed shear wall sheathed with corrugated steel sheets. The objective of this newly designed shear wall is to meet the growing demand of mid-rise buildings and the combustibility requirement in the International Building Code. The strength of the novel shear wall is higher than currently code certified shear wall in AISI S400-15 so that it could be more favorable for mid-rise building in areas that are prone to earthquakes and hurricanes. Full-scale monotonic and cyclic tests were conducted on bearing walls and shear walls under combined lateral and gravity loads. Though the gravity loads had negative effects on the strength and stiffness of the shear wall due to the buckling of the chord framing members, it still shows promise to be used in mid-rise buildings. The objective of numerical analysis is to quantify the seismic performance factors of the newly design shear wall lateral-force resisting system by using the recommended methodology in FEMA P695. Two groups of building archetypes, story varied from two to five, were simulated in OpenSees program. Nonlinear static and dynamic analysis were performed in both horizontal directions of each building archetype. Finally, the results of the performance evaluation verified the seismic performance factors(R=Cd=6.5 and Ω =3.0) were appropriate for the novel shear wall system.

Devido à crescente demanda por perfis formados a frio destinados à fabricação de estruturas de aço no Brasil, aliada a desatualização da norma brasileira NB-143:1967, fez-se necessário a publicação de uma nova norma brasileira de \'Dimensionamento de Estruturas de Aço Constituídas por Perfis Formados a Frio\' a NBR14762:2001. Essa apresenta, para o dimensionamento das ligações, expressões adaptadas da norma norte-americana AISI:1996. As adaptações foram inseridas com o intuito de simplificar o cálculo e foram determinadas apenas por ajustes teóricos, faltando, portanto uma investigação mais criteriosa. Deste modo tornou-se prioritário o estudo das ligações em chapas e perfis com pequena espessura, para avaliação destas expressões propostas. Neste âmbito analisou-se neste trabalho o comportamento estrutural de ligações parafusadas em chapas e perfis formados a frio de pequena espessura, mediante análise teórica e experimental de corpos-de-prova, os quais foram definidos de maneira a se obter os diversos modos de falha, em especial a ruptura da seção líquida. Com os resultados experimentais pôde-se sugerir modificações nas expressões do coeficiente redutor da área líquida Ct, aplicado na avaliação da resistência ao estado limite de ruptura da seção líquida efetiva. Com os resultados desta pesquisa, espera-se colaborar com futuras edições da norma brasileira, fornecendo subsídios em suas futuras revisões. / The growing demand for cold-formed steel members of steel structures in Brazil, allied to the obsolescence of the brazilian NB-143:1967 standard, led to the need for a new brazilian code for the \'Design of Cold-formed Steel Structural Members\', the NBR14762:2001 standard. This new standard contains expressions adapted from the american AISI:1996 code for the design of connections. The adaptations were included with the purpose of simplifying the calculation and were determined merely for theoretical adjustments; hence, they lack a more careful investigation. It has thus become a matter of priority to study the connections in thin sheets and cold-formed members to evaluate the proposed expressions. The work reported on here therefore analyzed the structural behavior of bolted connections in thin sheets and cold-formed members based on theoretical and experimental analyses of test specimens, which were defined in order to obtain the various failure modes, particularly on sheet tearing in the net section. Based on the experimental results, suggestions are made for modifications in the expressions of the reduction coefficient of the net area Ct, applied in evaluations of the tensile strength of the effective net section. It is expected that the results of this research will contribute to future editions of the new brazilian code, supplying inputs for use in future revisions.

An analytical model for lateral deflection in cold-formed steel shear walls sheathed with steel is developed in this research. The model is based on the four factors: fastener displacement, steel sheet deformation, and hold-down deformation, which are from the effective strip concept and a complexity factor, which accounts for the additional influential factors not considered in the previous three terms. The model uses design equations based on the actual material and mechanical properties of the shear wall. Furthermore, the model accounts for aggressive and conservative designers by predicting deflection at different shear strength degrees.

The objective of this thesis is to determine if the single sided resistance spot weld (RSW) can be used as a feasible connection method for cold formed steel (CFS) shear walls subject to lateral force of either seismic or wind loads on mobile shelters. The research consisted of three phases which include: a design as a 3D BIM model, connection tests of the resistance spot weld, and full-scale testing of the designed solid wall panels. The shear wall testing was conducted on specimens with both resistance spot weld and self-drilling screws and the results from tests gave a direct comparison of these connections when the solid wall panel was subjected to in-plane shear forces. The full-scale tests also included 4-point bending tests which was designed to investigate the wall panel's resistance to the lateral loads applied perpendicularly to the surface. The research discovered that the singled sided resistance spot weld achieved similar performance as the self-drilling screws in the applications of CFS wall panels for mobile shelters. The proposed single sided resistance spot weld has advantages of low cost, no added weight, fast fabrication, and it is a feasible connection method for CFS wall panels.

Atualmente, dentre os perfis de aço formados a frio (PFF) mais utilizados em sistemas estruturais correntes, merecem destaque aqueles compostos por duas cantoneiras ligadas entre si por meio de presilhas, apresentando seção na forma de \"T\". Embora tenha utilização bastante difundida, pouco se sabe sobre o comportamento estrutural deste tipo de perfil, principalmente em relação aos modos de instabilidade a ele associados. No presente trabalho, são desenvolvidos, com base em ferramentas disponibilizadas no código computacional ANSYS, modelos numéricos em elementos finitos com a finalidade de se investigar o comportamento estrutural dos referidos perfis submetidos à compressão e, com isso, contribuir para futuras revisões nas especificações da ABNT NBR 14762:2010 referentes aos PFF compostos. Por meio de análises não-lineares, foi investigada a influência de diversos fatores na resposta estrutural dos perfis, como: a forma de introdução do carregamento (compressão centrada ou excêntrica), as condições de vinculação, a esbeltez global, as imperfeições geométricas iniciais, a espessura das cantoneiras e o número de presilhas. Os resultados numéricos indicam que os valores de força normal de compressão resistente, obtidos conforme a ABNT NBR 14762:2010, podem resultar bastantes conservadores, principalmente nos casos de menor esbeltez global. Adicionalmente, a quantidade e a distribuição das presilhas se mostram bastante influentes, tanto na capacidade resistente como nos modos de instabilidade predominantes dos perfis. Por fim, o trabalho prevê uma investigação introdutória sobre os perfis dupla cantoneira sob temperaturas elevadas, a fim de se verificar, em caráter exploratório, o seu desempenho em situação de incêndio. As análises termoestruturais realizadas apresentaram como resultado tempos de resistência ao fogo bem abaixo do valor mínimo especificado pela ABNT NBR 14432:2001, apontando à necessidade do uso de revestimento térmico nesses perfis e de estudos mais aprofundados sobre o assunto. / Nowadays, among cold-formed steel members (PFF) commonly used in current structural systems, deserve to be highlighted those composed by two angles connected through intermediate fastener (stitch-fillers) forming a \"T\" section. Although its widespread use, little is known about its structural behavior, especially in what concerns instability modes. In this study, based on tools available on the ANSYS code, numerical finite element models were developed in order to investigate the structural behavior of these profiles under compression to contribute to future revisions of the ABNT NBR 14762:2010 specifications regarding PFF compounds. By using non-linear analysis, we investigated the influence of various factors in the structural response, namely, the loading introduction (compression-centric or eccentric), the boundary conditions, the global slenderness, the geometric imperfections, the angle thickness and the number stitch-fillers. The numerical results indicated that the compression resistance, obtained according to ABNT NBR 14762:2010, it is quite conservative, especially in cases of small global slenderness. Additionally, the stitch-fillers distribution proved its great influence both in the bearing capacity as in the determination of the instability modes. Finally, the study makes an introductory research on double angle profiles under high temperatures, in order to verify its performance under fire. The thermal analysis showed fire resistance results inferior to the minimum specified by ABNT NBR 14432:2001, indicating the need of using fire protection and further studies this subject.

Aparentemente, a análise estrutural de uma cantoneira simples submetida à compressão constitui um problema elementar e, portanto, já largamente conhecido. Entretanto, as cantoneiras formadas a frio, em geral com paredes delgadas (elevadas relações largura/espessura), apresentam dois modos críticos de instabilidade: (i) modo global de flexão, no caso de barras longas, e um modo coincidente local-chapa/global de flexo-torção, que é crítico para barras de menor comprimento. Embora existam procedimentos simplificados de cálculo, recomendados pelas normas, a consideração do modo de flexo-torção é controversa entre pesquisadores. Alguns trabalhos recentes indicam que é conservador considerar o modo de flexo-torção no cálculo da força normal resistente, enquanto outros trabalhos apontam para a necessidade dessa abordagem. Nesse trabalho é investigada a resposta estrutural de cantoneiras simples e enrijecida submetidas à compressão centrada e excêntrica, por meio de análise experimental e de análise numérica não-linear via elementos finitos, sendo avaliado o efeito das imperfeições geométricas iniciais na força normal resistente; também são avaliados os resultados provenientes dos procedimentos normativos: (i) o clássico método das larguras efetivas e (ii) o método da resistência direta (MRD), em que as cantoneiras não são relacionadas como perfis pré-qualificados. Os resultados da análise experimental e da análise numérica não-linear com imperfeições geométricas iniciais indicam a necessidade da consideração do modo de flexo-torção. / Apparently, the structural analysis of a simple angle under compression is an elementary problem, therefore, already largely known. However, cold-formed steel angles, mostly with slender legs, present two critical buckling modes: (i) global-flexural mode, in cases of high length members, (ii) and a coincident local-plate/global-torsional-flexural mode, which is critical for short length members. Although simplified design procedures exist, recommended by specifications, the consideration of the torsional-flexural mode is controversial among researchers. A few recent papers indicate that considering the torsional-flexural mode is conservative, while other papers point to the necessity of this approach. This work investigates the structural response of simple and lipped angles under concentrically and eccentrically compression, by means of tests and nonlinear finite element analysis, being evaluated the effect of initial geometric imperfections; also evaluating the results from design procedures: (i) the classic effective width method and (ii) the direct strength method (DSM), where the angles are not pre-qualified shapes. The results of the experimental and nonlinear numerical analysis with initial imperfections indicate the necessity of considering the torsional-flexural mode.

Para o projeto de estruturas com perfis de aço formados a frio, é fundamental a compreensão dos fenômenos da instabilidade local e global, uma vez que estes apresentam alta esbeltez e baixa rigidez à torção. A determinação do carregamento crítico e a identificação do modo de instabilidade contribuem para o entendimento do comportamento dessas estruturas. Este trabalho avalia três metodologias para a análise linear de estabilidade de perfis de aço formados a frio isolados, com o objetivo de determinar os carregamentos críticos elásticos de bifurcação e os modos de instabilidade associados. Estritamente, analisa-se perfis de seção U enrijecido e Z enrijecido isolados, de diversos comprimentos e diferentes condições de vinculação e carregamento. Determinam-se os carregamentos críticos elásticos de bifurcação e os modos de instabilidade globais e locais por meio de: (i) análise com o Método das Faixas Finitas (MFF), através do uso do programa computacional CUFSM; (ii) análise com elementos finitos de barra baseados na Teoria Generalizada de Vigas (MEF-GBT), via uso do programa GBTUL; e (iii) análise com elementos finitos de casca (MEF-cascas) por meio do uso do programa ABAQUS. Algumas restrições e ressalvas com relação ao uso do MFF são apresentadas, assim como limitações da Teoria Generalizada de Viga e precauções a serem tomadas nos modelos de cascas. Analisa-se também a influência do grau de discretização da seção transversal. No entanto, não é feita avaliação em relação aos procedimentos normativos e tampouco análises não lineares, considerando as imperfeições geométricas iniciais, tensões residuais e o comportamento elastoplástico do material. / For the design of cold formed steel members, it is essential to understand the effects of local and global instability, since these members typically have a high slenderness and low torsion stiffness. The determination of critical loads and the associated buckling modes contribute to understand the behavior of these members. This work performs a evaluation of three methods for linear stability analysis of isolated cold-formed steel members in order to determine the elastic critical loads and the corresponding buckling modes. Specifically, Ue and Ze shape members were studied with various length, different boundary conditions and loads. The elastic critical loads and buckling modes are determined by means of: (i) analysis with the Finite Strip Method (FSM), by the computer program CUFSM, (ii) beam finite element analysis based on the Generalized Beam Theory (FEM-GBT), by GBTUL program, and (iii) Finite Element Method with shell analysis using ABAQUS program. Some restrictions and warnings regarding the use of the FSM are presented, as well as limitations of the Generalized Beam Theory and precautions to be taken in the shell models. It is also analyzed the influence of the degree of discretization of the cross section. In the present study, no evaluation was made with respect to normative procedures neither nonlinear analyses considering the initial geometric imperfections, residual stresses and elastoplastic behavior of the material.

A utilização de aços de alta resistência em terças formadas a frio faz com que as espessuras sejam cada vez mais reduzidas e, como consequência, os fenômenos de instabilidade mais pronunciados. Para melhorar a eficiência estrutural, enrijecedores longitudinais podem ser inseridos na alma, aumentando a resistência em relação ao modo de instabilidade local. Ainda que a utilização de seções com alma enrijecida seja uma prática comum, os procedimentos adequados para seu dimensionamento são pouco abordados na literatura. O objetivo deste trabalho foi estudar o comportamento estrutural de terças formadas a frio de seção transversal ZAE, com enrijecedores de borda a 90º e dois enrijecedores longitudinais na alma. Para tanto, foram realizadas análises teórica e experimental de um conjunto formado por terças com alma enrijecida ZAE e suas equivalentes de alma plana, as seções Z com enrijecedores de borda a 90°. Apesar de ter sido dada ênfase às solicitações por força cortante e por combinação de momento fletor e força cortante, foram realizados ensaios complementares para avaliar a predominância de momento fletor. As alterações nos esforços críticos elásticos devido à presença dos enrijecedores foram analisadas teoricamente, e os dados experimentais e numéricos foram utilizados para prever a interação. Os resultados teóricos indicaram que os enrijecedores longitudinais têm pequena influência nos modos de instabilidade distorcional e global, porém grande influência no modo local, promovendo um aumento significativo das tensões críticas em relação às seções correspondentes de alma plana. Já os resultados experimentais mostraram que a capacidade resistente das seções Z foi superior a das seções ZAE, devido principalmente à mobilização do campo de tração e à maior restrição rotacional da mesa conferida pela ligação. Os protótipos sem restrição à distorção apresentaram falha prematura, ocasionada pela rotação da mesa na região dos apoios. Considerando os protótipos com restrição à distorção, os resultados atenderam às curvas de interação circular e trilinear. Concluiu-se que o projeto de terças com alma enrijecida pode ser realizado utilizando a expressão de interação trilinear e o momento fletor resistente do modo distorcional. / The use of high strength steel in cold-formed purlins leads to a reduction in thickness and, as a consequence, the instability becomes more significant. In order to improve the structural efficiency of the sections, longitudinal stiffeners can be inserted into the web, increasing the strength in relation to local buckling. Although the use of sections with stiffened web is a common practice, the appropriate procedures for design are rarely discussed in scientific literature. The purpose of this work was to study the structural behavior of cold-formed steel purlins ZAE-sections, with 90º lips and two longitudinal stiffeners in the web. Therefore, theoretical and experimental analyses were performed, involving a set of purlins with stiffened web ZAE-sections and their equivalent plain web, the Z-sections with 90º lips. Although emphasis was given in shear and combined bending and shear, additional experimental tests were performed to evaluate the predominance of bending. Changes in critical elastic buckling stresses due to longitudinal stiffeners were evaluated and experimental and numerical data were used to predict the interation. Theoretical results indicated that longitudinal stiffeners of the ZAE-sections have little influence on distortional and global buckling. However, it has a great influence on local buckling, promoting a significant increase of the critical stresses in relation to the Z-sections. Experimental results showed that the ultimate strength of the Z-sections was higher than ZAE-sections, mainly due to the development of tension field action and the rotational restraint of the web conferred by the connection. The prototypes without distortion restraint presented premature failure, caused by rotation of the web in the region of the supports. Considering the distortion-constrained prototypes, the results satisfied the \"circular\" and \"trilinear\" interaction curves. It was concluded that design of purlins with stiffened web can be performed using the \"trilinear\" interaction expression and the distortional buckling moment capacity.