A aplicação de conceitos de estabilidade surge espontaneamente em estruturas metálicas e, mais destacadamente, nas estruturas de silos e de reservatórios. A parede cilíndrica que compõe o corpo desse tipo de estrutura é formada de chapasmetálicas delgadas, característica que surge da grande eficiência da forma cilíndrica. Neste trabalho, procura-se dispor ao engenheiro conceitos claros e distintos do comportamento e dos fenômenos de perda de estabilidade do equilíbrio dereservatórios e de silos metálicos. São expostas as teorias para a análise de silos para materiais granulares e pulverulentos não-coesivos e reservatórios para líquidos que não produzem gases. Mostra-se que a ação do material ensilado provocaesforços de compressão que possibilitam a ocorrência de fenômenos de perda da estabilidade da estrutura, conhecidos como flambagem no jargão técnico. Também a ação do vento pode ocasionar perda de estabilidade na estrutura vazia. Apresenta-se umresumo das teorias envolvidas, um ensaio numérico de modelos cilíndricos, um exemplo de silo de grãos, e uma compilação das normas e artigos mais atuais e abrangentes do problema de estabilidade em estruturas cilíndricas. Por fim, são estabelecidas as configurações estruturais que apresentam maiores riscos para a flambagem, e fornecidas as relações de diâmetro/espessura e de diâmetro/altura em que é possível se evitar os problemas advindos da perda da estabilidade do equilíbrio. / The application of the stability concepts appears spontaneously on steel structures and, more distinctly, on silos and tanks structures. The cylindrical wall that makes the body of this kind of structure is constituted of thin steel plates, characteristic that comes out of the great efficiency of the cylindrical shape. In this work, it is intended for the engineer clear and distinct notions about the behaviour and the loss of stability equilibrium phenomena of steel silos and tanks. The theories for the analysis of silos for non-cohesive, pulverulent and grain materials, and of tanks to liquids that produces no gases, are exposed. It is shown that the action of the bulk stored material causes compression that makes possible the occurrence of the phenomena of loss of the stability of the structure, commonly known in the technician jargon as buckling. Also the wind load can lead to the loss of stability of the empty structure. A summary is shown for of the involved theories, a numerical experiment with cylindrical models, an example of grain silo, and a compilation of the recommendations, norms and articles on the problem of the cylindrical structures stability. At least, it is established the structural configurations that poses major risks to buckling, and it is supplied relations of diametre/thickness and of diameter/height with whom it is possible to avoid the problems that come from the loss of the stability of equilibrium.

Dentro da prática de verificação e projeto de estruturas metálicas, o cálculo de instabilidade exerce papel importante, já que o aço, por sua elevada resistência, incentiva o uso de colunas significativamente esbeltas. É comum na verificação da instabilidade de pórticos metálicos de andares múltiplos a utilização do conhecido fator K, que define, para a coluna, um comprimento efetivo. Tal fator é usualmente obtido em ábacos construídos a partir de duas hipóteses distintas para o mecanismo de instabilidade: a de flambagem por deslocamento lateral do andar e a de flambagem com esse deslocamento impedido. Essa divisão, e os modelos usualmente utilizados para tratá-la, se mostram incompletos para o caso de pórticos que se distanciem das hipóteses simplificadoras adotadas, e podem induzir a confusões e mal-entendido no uso do fator K. Neste trabalho, serão mostrados modelos alternativos para a determinação desse fator, buscando-se maior generalidade, assim como tentativas de esclarecer algumas possíveis ambiguidades no seu uso; além disso, esses modelos serão aplicados a alguns exemplos particulares. Como complemento ao trabalho, foi criado um programa de computador para determinar deslocamentos e esforços em segunda ordem para esse tipo de edificação, assim como ábacos alternativos. Os resultados obtidos nos exemplos serão contrastados com os fornecidos pelo programa e pelos ábacos. / In the practice of analysis and design of steel structures, instability calculations is a very important feature, since steel, for its high strength, motivates the use of significantly slender columns. It is usual in the analysis of multi-storey steel plane frames, the use of the K factor, that defines, for a column, an effective length. Such factor is usually obtained from nomograms, based on two different hypothesis for the instability mode: one with a side-way mode and the other with no lateral displacements. That division, and the models usually used to deal with, are incomplete to treat frames for which behaviour go away from the adopted hypothesis and simplifications, and they can induce to confusions and misunderstanding in the use of the K factor. In this work, alternative models will be shown for the determination of the K factor, looking for a larger generality, as well as attempting to clear ambiguities in its use; a series of examples will be then presented as applications of the models. As a complement, a computer program was created to determine first and second order nodal displacements and member forces, as well alternative nomograms; the results obtained from the models will be contrasted with those obtained from the program and the nomograms.

Submitted by Marco Antônio de Ramos Chagas (mchagas@ufv.br) on 2018-08-06T14:21:15Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 6349004 bytes, checksum: 5fc34621be24009902143537293add8e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-06T14:21:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 6349004 bytes, checksum: 5fc34621be24009902143537293add8e (MD5) Previous issue date: 2018-02-02 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho compreende a realização de um estudo numérico-experimental do comportamento estrutural de 12 protótipos de perfis soldados com alma castelada sujeitos à flexão. Os objetivos específicos foram avaliar experimentalmente o desempenho estrutural de vigas casteladas soldadas susceptíveis à flambagem do montante de alma por cisalhamento (FMAV); avaliar a influência do método de fabricação das vigas casteladas soldadas nas imperfeições geométricas iniciais e comparar os resultados com os das vigas casteladas laminadas da literatura; e propor um modelo analítico para verificação do estado limite de FMAV. Dez das doze vigas ensaiadas falharam por FMAV. Uma das vigas falhou por formação de mecanismo Vierendeel e outra por ruptura da junta soldada no montante de alma. De acordo com os resultados obtidos no presente trabalho, observou-se que praticamente não existem diferenças entre o comportamento de vigas alveolares soldadas e laminadas. O programa experimental conduzido contribuiu para o estabelecimento de uma proposta de verificação ao modo de colapso por FMAV. Por fim, o modelo numérico utilizado para realização das análises numéricas prévias foi capaz de estimar satisfatoriamente a resposta estrutural dos modelos ensaiados. A coerência e correlação entre os resultados de modelos pares e entre os resultados experimentais e numéricos evidenciam rigor na execução dos procedimentos de análise. / This work comprises the execution of a numerical-experimental study of the structural behavior of 12 specimens of welded castellated beams subjected to bending. The specific objectives were to experimentally evaluate the structural performance of welded castellated beams susceptible to web-post buckling under vertical shear; to evaluate the influence of the manufacture method on the initial geometric imperfections by comparing the results with those in the literature from castellated beam specimens fabricated from hot rolled parent sections; and to propose an analytical model to verify the shear capacity of the web-post. Ten of the twelve specimens tested failed by web-post buckling. One of the specimens failed due to Vierendeel mechanism and another by rupture of the welded joint in the web-post. According to the results obtained in the present work, it was observed that there are practically no differences between the behavior of welded and hot rolled castellated beams. The experimental program conducted contributed to the establishment of an analytical model to verify the shear capacity of the web-post. Finally, the numerical analysis was able to appropriately estimate the structural response of the tested specimens. The consistency and correlation of results for identical models and between the experimental and numerical results show rigor in the execution of the analysis procedures.

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-04-13T11:17:18Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Michael Dowglas de Gois Silva - 2016.pdf: 9167389 bytes, checksum: e1d3f6cb2f3408867017625b852da695 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2017-04-13T11:17:59Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Michael Dowglas de Gois Silva - 2016.pdf: 9167389 bytes, checksum: e1d3f6cb2f3408867017625b852da695 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-13T11:17:59Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Michael Dowglas de Gois Silva - 2016.pdf: 9167389 bytes, checksum: e1d3f6cb2f3408867017625b852da695 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2016-07-25 / In the present paper several configurations of static and dynamic equilibrium in the non-linear oscillations are studied through a simple structural system, given by a rigid bar-spring model with a degree of freedom, that depending on its parameters, can represent in a simplified way several structural elements such as portico, column, arch, shells and plaques, among others. Therefore, a bibliographical research about the instability regarding the static and dynamic equilibrium, the analysis of bifurcations, the phase plane and the basin of attraction of discrete models was made. The purpose of this study is to situate the problem, in order to evaluate in this dissertation, the influence of the uncertainties of the geometric parameters on the nonlinear vibrations and the stability of mechanical systems susceptible to buckling by comparing deterministic and nondeterministic responses. Legendre-Chaos polynomial is used to obtain the stochastic responses of the model studied. The equations of the system are deduced from their energy functionalities using the principle of stationary potential energy allowing the analysis of different bifurcation mechanisms from the chosen parameters. Two particularities are studied, the systems that present symmetrical bifurcation of the Butterfly type and the systems that present asymmetric Swallowtail bifurcation, in both cases the bifurcations present an initial unstable post critical path. For the systematic study of the nonlinear equilibrium equations, we used the symbolic algebra software, MAPLE, and computational codes written in the C language, allowing us to obtain the post-critical paths and the integration of the equilibrium equations for the analysis of the time responses, phase planes, attraction basins, and integrity factors. / No presente trabalho são estudadas diversas configurações de equilíbrio estático e dinâmico nas oscilações não lineares por meio de um sistema estrutural simples, dado por um modelo barra rígida-mola com um grau de liberdade, que dependendo de seus parâmetros, pode representar de maneira simplificada vários elementos estruturais tais como pórtico, coluna, arco, cascas e placas, dentre outros. Para isso fez-se um levantamento bibliográfico sobre a instabilidade no que diz respeito ao equilíbrio estático e dinâmico, à análise de bifurcações, ao plano fase e a bacia de atração de modelos discretos. A finalidade desse estudo é situar o problema, para poder avaliar nesta dissertação, a influência das incertezas dos parâmetros geométricos nas vibrações não lineares e na estabilidade de sistemas mecânicos sujeitos a flambagem comparando respostas determinísticas e não determinísticas. Para obter as respostas estocásticas do modelo estudado utiliza-se o polinômio de Legendre-Caos. As equações do sistema são deduzidas a partir de seus funcionais de energia usando o princípio da energia potencial estacionária permitindo a partir dos parâmetros escolhidos a análise de diferentes mecanismos de bifurcação. São estudadas duas particularidades, os sistemas que apresentam bifurcação simétrica do tipo Butterfly e os sistemas que apresentam bifurcação assimétrica Swallowtail, em ambos os casos as bifurcações apresentam um caminho pós-crítico inicial instável. Para o estudo sistemático das equações não lineares de equilíbrio foi utilizado o software de álgebra simbólica, MAPLE, e códigos computacionais escritos na linguagem C, permitindo a obtenção dos caminhos pós-críticos e a integração das equações de equilíbrio para a análise das respostas no tempo, dos planos fase, das bacias de atração e dos fatores de integridade.

[pt] Dutos são sistemas eficientes e seguros para o transporte de óleo e gás. O estudo da capacidade de carga de dutos em condições de serviço envolvendo o transporte de produtos agressivos e sujeitos a altas temperaturas e pressões ganha atualmente maior interesse dada a severidade das condições de operação e a crescente necessidade de manutenção e adaptação dos dutos existentes às condições atuais de serviço. No entanto,a presença de defeitos e imperfeições em segmentos de dutos pode ocasionar a redução na resistência do mesmo e eventualmente sua falha. Este trabalho tem como objetivo a previsão do comportamento de dutos sujeitos a cargas combinadas, tendo em vista os carregamentos que podem ocorrer em campo. São contemplados nestes carregamentos efeitos térmicos, movimentos geotécnicos,pressão de operação. No caso de assentamento de solo, o duto pode estar submetido a efeitos de flexão que resultam em curvaturas excessivas. Como consequência ocorre a flambagem local do duto e desenvolvem-se rugas. Nestas condições podem surgir deformações acima dos valores limites estabelecidos em normas.Tendo em vista a natureza tri-dimensional do problema e a investigação do fenômeno de flambagem local, faz-se necessário o entendimento do comportamento tridimensional de cascas em condições de grandes deslocamentos e grandes deformações em regime elasto- plástico.Neste trabalho desenvolvem-se alguns modelos para a previsão do comportamento de dutos submetidos a cargas combinadas. Procura-se reproduzir as condições de ensaio de laboratório de modo a se desenvolver um modelo de previsão confiável. Para tal foram tomados como referência alguns resultados de ensaios disponíveis na literatura. Aspetos de modelagem de condições de contorno e carregamento são enfocados. Dado o desenvolvimento de rugas e de grandes deformações estão presentes também outros aspectos importantes da modelagem como o aparecimento de regiões de auto-contato nas rugas.Alguns exemplos numéricos analisados com o programa comercial de elementos finitos ABAQUS são apresentados. / [en] Pipelines are efficient and safe systems for the transport of oil and gas. The study of the load capacity of these systems under functional conditions which include the transport of aggressive products under high temperatures and pressures has gained larger interest due to the severe operation conditions and growing needs for maintenance and adaptation of the existing pipelines to these conditions. However, the presence of defects and imperfections in pipe segments may lead to reduction of resistance and eventually to failure. The scope of this dissertation is the prediction of the behavior of pipelines subjected to combined load conditions and sequences till collapse, reproducing those which occur on field and in laboratory tests. Axial forces, internal pressure and bending are applied to the model in order to reproduce thermal effects, operating pressure and ground movements. In the case of soil settlement the pipeline may be subject to bending effects which result in excessive curvatures. As a consequence local buckling occurs with the development of wrinkles. Under these conditions strains above those recommended in the codes can take place.Due to the three dimensional nature of the problem the investigation of the local buckling phenomena, requires the understanding of the behavior shells under large displacement and large strain conditions in elasto- plastic regime.In the present work some models are developed for the prediction of the behavior of pipelines subjected to combined loading. Validation of these models allows us to accompany and establish experimental programs. Some reference laboratory results available in the literature are included. Aspects of the modeling such as boundary and loading conditions, material modeling and solution procedure are addressed. The development of wrinkles and large deformations brings into the model additional aspects such as the presence of self-contact areas. Numerical examples are analyzed using the commercial finite element program ABAQUS.

[pt] Com o crescimento e avanço da indústria do petróleo há necessidade de se ter melhores condições de transporte para líquidos e gases. Há preocupações com a economia de materiais nas estruturas que os transportam e com as questões ambientais como vazamentos.Meios de transporte de líquidos e gases muito usados são dutos cilíndricos, tubulações apoiadas ou enterrados no solo. É muito importante conhecer melhor as propriedades estruturais dos cilindros, como boa estabilidade sob cargas de compressão e momentos.O avanço da análise computacional nos permite desenvolver modelos matemáticos sofisticados para a análise por Elementos Finitos.O estudo objetivou elaborar um arcabouço teórico para análise estrutural de dutos ou tubulações, com base em modelos de elementos finitos de viga (com efeitos de deformações axiais e de flexão), enriquecidos com modos de deformação de cascas cilíndricas. Esses modos deverão conter o modo assimétrico e alguns poucos modos de mudança de forma da seção transversal. O elemento finito desenvolvido terá formulação hierárquica com combinação de modos polinomiais e trigonométricos. Também será incluído o efeito de contenção do tubo em meio elástico do tipo Winkler. Foram estudados problemas básicos de análise estática e flambagem de tubos em meio elástico, utilizando-se um programa de computação numérica e simbólica (Mathcad), variandose a geometria dos tubos e as constantes do meio elástico. Os resultados obtidos foram as cargas críticas e respectivos modos de flambagem, que foram comparados com os resultados teóricos existentes. / [en] With the growth and advance of the petroleum industry there is a need for better transportation facilities for liquid and gaseous materials. Concerns are raised with respect to savings in materials in structures and environmental problemas connected with failures and spills. Usual transportation media are cilindrical tubes, functioning as pipelines embedded in the soil or supported by it. It is quite important to know better the structural properties of cilinders, such as its stability when subjected to compressive forces and moments. The advances in computational analysis allow us to develop new sophisticated mathematical models for finite element analysis.The objective of this work is to provide an analytical model for structural analysis of pipelines, based on beam finite elements (including axial and bending deformation), enhanced with cylindrical shell deformation modes. The resulting finite element has a hierarchical formulation with combination of convencional polinomial modes and trigonometric functions. The effect of a Winkler- type elastic foundation is also included.Basic examples of static and buckling analysis of tubes in elastic media are studied, using a program for numerical and symbolic computation (Mathcad), varying the tube geometry and the foundation constants. The results obtained are critical loads and respective buckling modes, which are compared to the available theoretical results.

Submitted by Marco Antônio de Ramos Chagas (mchagas@ufv.br) on 2015-11-18T15:40:47Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 21192293 bytes, checksum: 719ddf71e6c3d8f330d578a3c787e469 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-11-18T15:40:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 21192293 bytes, checksum: 719ddf71e6c3d8f330d578a3c787e469 (MD5) Previous issue date: 2015-03-13 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Este trabalho consistiu de um estudo amplo sobre o comportamento estrutural de vigas casteladas de aço com foco no Estado Limite de Flambagem do Montante de Alma (FMA). A pesquisa envolveu um programa experimental no qual 14 vigas de três padrões geométricos diferentes foram ensaiadas à flexão simples. O processo de análise experimental, que envolveu diversas etapas, desde a fabricação dos modelos e montagem dos experimentos até ao tratamento dos dados, evidenciou a importância do controle de qualidade na fabricação e do estabelecimento de valores para os limites de imperfeições geométricas iniciais para vigas casteladas. Os resultados experimentais permitiram a elucidação de diversas questões relacionadas ao comportamento estrutural de vigas casteladas sujeitas à FMA, bem como possibilitaram a calibração de modelos numéricos capazes de simular o comportamento da viga e o do montante de alma. Com os modelos numéricos realizados no ABAQUS foi realizado um estudo paramétrico cujos resultados viabilizaram a elaboração e ajustamento de modelos semiempíricos representativos das curvas de resistência à FMA para os principais padrões de vigas casteladas de aço. Os modelos propostos, para a determinação da capacidade resistente de vigas casteladas no estado limite último de FMA, permitem descrever de maneira realista o comportamento das vigas em regime elástico ou inelástico, possibilitando a obtenção de resultados mais econômicos e seguros que os dos modelos mais antigos existentes na literatura, contribuindo para o incremento da competitividade e da sustentabilidade da solução. Palavras-chave: vigas casteladas, flambagem do montante de alma, método dos elementos finitos, análise experimental, modelagem numérica, curvas de resistência. / This work presents of an extensive study on the structural behavior of castellated steel beams (CSB) focused on the ultimate limit state of web-post buckling (WPB). The research involved an experimental program in which 14 beams from three different geometric patterns were tested in bending. The process of experimental analysis, which involved several steps, from manufacturing of models and assembly of experiments to the processing of data, highlighted the importance of quality control in manufacturing and the establishment of values for the limits of initial geometric imperfections for CSB. The experimental results elucidate various issues related to the structural behavior of CSB subjected to the WPB and allowed the calibration of numerical models to simulate the behavior of the beam and the web post. With the numerical models in ABAQUS was conducted a parametric study, which made possible the establishment and adjustment of representative semi-empirical models of the WPB resistance curves for the main patterns of castellated steel beams. The proposed models, to determine the bearing capacity of castellated beams in the ultimate limit state of WPB, allow realistically describe the behavior of these beams in elastic or inelastic regime, making possible to obtain more economical and safe results than older models in the literature, contributing to increase the competitiveness and sustainability of the solution. Keywords: castellated beams, web-post buckling, finite element method, experimental analysis, numerical modelling, buckling curves.

[pt] Com o advento dos campos do Pré-sal brasileiro, a indústria nacional de óleo e gás se concentra cada vez mais em vencer os desafios impostos na explotação desses novos reservatórios. A construção de poços nesse cenário passa por uma série de dificuldades que tem sido sistematicamente vencidas ao longo do tempo, de forma que o tempo de contrução dos poços passa por intenso processo de redução. A estimativa é que o tempo atual de construção dos poços foi reduzido pela metade desde que foram perfurados os primeiros poços e o próximo desafio da Petrobras é possibilitar que haja redução de tempo drástica na mesma proporção até o ano de 2020. Isso será possível apenas se novas técnicas forem desenvolvidas, pois acredita-se que os poços estejam sendo construídos próximo do limite de otimização das técnicas existentes até o momento. Os revestimentos de superfície necessitam ser assentados no topo da formação de sal, o que demanda comprimentos da ordem de 1000 m ou mais. Infelizmente, por questões de volumetria operacional do bombeio de cimento e resistência à fratura das camadas de solo iniciais, não há retorno de cimentação na fase de superfície para o leito marinho. Esse fato leva ao aparecimento de comprimentos livres desses revestimentos com cerca de 500 m. Como o revestimento condutor é perfurado e cimentado, as resitências de fundação do poço são suficientes para suportar as cargas axiais oriundas da instalação dos revestimentos e equipamentos submarinos instalados no poço, uma vez que essas são descarregadas no sistema condutorsolo. O tempo de construção de poços pode ser reduzido sistematicamente em cerca de 2 dias caso se utilizem as técnicas de base-torpedo ou jateamento para assentamento do condutor. No entanto, a resistência do sistema condutor-solo é insuficiente para suportar as cargas axiais instaladas no poço. Isso significa que o revestimento de superfície passa também a suportar as cargas axiais do poço, o que pode levar o mesmo a flambar de forma helicoidal com consequente aumento nos níveis de tensão e deslocamentos indesejáveis. A formulação analítica disponível para o cálculo desses parâmetros deve ser posta à prova para que haja segurança nos projetos que levem em conta inícios de poços alternativos, que embora mais econômicos, devem ainda possuir elevada confiança na integridade estrutural. O presente trabalho se dedicou a desenvolver de forma clara um procedimento numérico robusto utilizando FEA em software comercial, o Abaqus, para avaliar os efeitos de elevadas cargas axiais sobre o trecho livre do revestimento de superfície e avaliar as consequências da sempre inevitável flambagem. O objetivo final é alcançado, uma vez que as análises numéricas e uma superposição de formulações analíticas de simples utilização demonstram uma boa aderência entre si. Além disso, é constatada uma nítida tendência linear entre o fator de atrito e o deslocamento do SCPS. Tal tendência pode ser explorada em trabalhos futuros para incorporação nas formulações analíticas deste parâmetro invariavelmente negligenciado no equacionamento das mesmas. / [en] With the advent of the Brazilian Pre-salt oil fields, the national oil and gas industry focuses increasingly on winning the challenges in the exploitation of these new reservoirs. The well construction in this scenario involves a number of difficulties wich have been overcome consistently over time, so that it undergoes intense time reduction. The estimate is that the current time of well construction has been reduced by half since the first drilled wells and the next challenge Petrobras is willing to make is a drastic time reduction at this same rate until the year 2020. This will be possible only if new techniques are developed, as it is believed that the wells are being constructed near the limits of optimization of the current techniques. Surface casings need to be seated on the top of salt formation, which requires lengths on the order of 1000 m or more. Unfortunately, due to operating volumes related to the cement pumping volume capacity and fracture resistance of the initial soil layers, there is no return of cement to the mudline. This fact leads to free lengths of these casings with about 500 m. As the conductor casing is drilled and cemented, the well foundation resistances are sufficient to withstand the axial loads originated from the installation of additional casings and subsea equipment, since these are discharged into the conductor-soil system. The well construction time can be reduced systematically by about 2 days if using torpedo base or jetting techniques to seat the conductor. However, both soilresistance systems are insufficient to withstand axial loads installed in the well. This means that the surface casing also starts to bear axial loads of the well, which can lead to its helical buckling with a consequent increase in stress levels and undesirable displacements. The analytical formulation available for the calculation of these parameters should be put tho the test so safety can be taken into account for alternative well s foundation designs, which although more economical, should still have high reliability in the structural integrity. This work is dedicated to develop a robust numerical procedure using FEA in a commercial software, Abaqus, to evaluate the effects of high axial loads on the free length of the surface casing and the consequences of an always inevitable buckling. The ultimate goal is achieved, since the numerical analysis and a superposition of simple analytical equations demonstrate good adhesion to each other. Moreover, a clear linear dependency is found between the friction factor and the displacement of the top of the casing. This trend can be explored in future research for incorporation into analytical formulations of this parameter invariably neglected in addressing them.

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:03:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 pre-textuais Rodrigo Fernandes.pdf: 349523 bytes, checksum: 27a5e6d7df167303c662872391301d36 (MD5) Previous issue date: 2007-10-01 / This work contains a theoretical analysis of the behavior of plate girders. A plate girder has been calculated based on the criteria of the American standard Manual of Steel Construction Load and Resistance Factor Design (AISC, 1994), and checked by the Brazilian standard NBR 8800: Projeto e execução de estruturas de aço de edifícios (método dos estados limites) (ABNT, 1986), the revision project of the Brazilian standard Projeto de Revisão da NBR 8800: Projeto e execução de estruturas de aço e de estruturas mistas aço-concreto de edifícios (ABNT, 2003), the revision project of the Brazilian standard Projeto de Revisão da NBR 8800: Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios (ABNT, 2007) and the European standard Eurocode 3: Design of steel structures Part 1.1: General rules and rules for buildings (CEN, 1992). PFEIL (1989) has calculated a plate girder by using the Brazilian standard NBR 8800/86. The calculated dimension have been checked by the mentioned standards. NARAYANAN (1992 apud OWENS, KNOWLES E DOWLING, 1992) has dimensioned a plate girder by using the British standard BS 5950: Structural use of steelwork in building. Part 1: Code of practice for design in simple and continuous construction: hot rolled sections (BSI, 1990), which has also been checked by the mentioned standards. Furthermore, theoretical analyses related to the calculus of plate girders presented by many authors have been considered. The main goal is to assess the criteria utilized by the standards for the calculus of plate girders. From the obtained results, for the checked girders, by the standards and related theories, a comparative analysis among the utilized criteria by the standards has been made. The reached conclusion is that the Brazilian standard and its revision projects has identical criteria compared to the American standard for the calculus of plate girders. The European standard presents slightly different criteria compared to the American standard; however, both provide close results one compared to another. The theories utilized have also provided close results from those obtained by the standards. / Neste trabalho é feita uma análise teórica sobre o comportamento de vigas esbeltas. Uma viga esbelta foi dimensionada com base nos critérios da norma americana Manual of Steel Construction Load and Resistance Factor Design (AISC, 1994), e depois verificada pela norma brasileira NBR 8800: Projeto e execução de estruturas de aço de edifícios (método dos estados limites) (ABNT, 1986), pelo projeto de revisão da norma brasileira Projeto de Revisão da NBR 8800: Projeto e execução de estruturas de aço e de estruturas mistas aço-concreto de edifícios (ABNT, 2003), pelo projeto de revisão da norma brasileira Projeto de Revisão da NBR 8800: Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios (ABNT, 2007) e pela norma européia Eurocode 3: Design of steel structures Part 1.1: General rules and rules for buildings (CEN, 1992). PFEIL (1989) dimensionou uma viga esbelta utilizando a norma brasileira NBR 8800/86. As dimensões calculadas foram verificadas pelas normas citadas. NARAYANAN (1992 apud OWENS, KNOWLES E DOWLING, 1992) dimensionou uma viga esbelta utilizando a norma britânica BS 5950: Structural use of steelwork in building. Part 1: Code of practice for design in simple and continuous construction: hot rolled sections (BSI, 1990), a qual foi também verificada pelas normas citadas. Também foram consideradas análises teóricas relativas ao cálculo de vigas esbeltas apresentadas por diversos autores. O objetivo principal é avaliar os critérios utilizados pelas normas para o cálculo de vigas esbeltas. A partir dos resultados obtidos, para as vigas analisadas, pelas normas e pelas teorias existentes, foi feita uma análise comparativa entre os critérios utilizados pelas normas. A conclusão a que se pôde chegar é que a norma brasileira e seus projetos de revisão apresentam critérios idênticos aos da norma americana para o cálculo de vigas esbeltas. A norma européia apresenta critérios um pouco diferenciados dos critérios da norma americana, mas fornecem resultados aproximados entre si. As teorias utilizadas também forneceram resultados aproximados dos resultados obtidos pelas normas.

[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.