Most thin-walled metallic structural members experience some extent of interactive buckling that corrodes the load carrying capacity. Current design methods predict the strength of thin-walled metallic structural members based on individual buckling limit-states and limited case of interactive buckling limit state. In order to develop design methods for most coupled buckling limit states, the interaction of buckling modes needs to be studied. This dissertation first introduces a generally applicable methodology for Generalized Beam Theory (GBT) elastic buckling analysis on members with holes, where the buckling modes of gross cross-section interact with those of net cross-section. The approach treats member with holes as a structural system consisting of prismatic sub-members. These sub-members are connected by enforcing nodal compatibility conditions for the GBT discretization points at the interfaces. To represent the shear lag effect and nonlinear normal stress distribution in the vicinity of a hole, GBT shear modes with nonlinear warping are included. Modifications are made to the GBT geometric stiffness because of the influence from shear lag effect caused by holes. In the following sections, the GBT formulation for a prismatic bar is reviewed and the GBT formulation for members with holes is introduced. Special aspects of analyzing members with holes are defined, namely the compatibility conditions to connect sub-members and the geometric stiffness for members with holes. Validation and three examples are provided. The second topic of this dissertation involves a buckling mode decomposition method of normalized displacement field, bending stresses and strain energy for thin-walled member displacement field (point clouds or finite element results) based on generalized beam theory (GBT). The method provides quantitative modal participation information regarding eigen-buckling displacement fields, stress components and elastic strain energy, that can be used to inform future design approaches. In the method, GBT modal amplitudes are retrieved at discrete cross-sections, and the modal amplitude field is reconstructed assuming it can be piece-wisely approximated by polynomials. The unit displacement field, stress components and strain energy are all retrieved by using reconstructed GBT modal amplitude field and GBT constitutive laws. Theory and examples are provided, and potential applications are discussed including cold-formed steel member design and post-disaster evaluation of thin-walled structural members. In the third part, post-buckling modal decomposition is made possible by development of a geometrically nonlinear GBT software. This tool can be used to assist understanding couple-buckling limit-states. Lastly, the load-deformation response considering any one GBT mode is derived analytically for fast computation and interpretation of structural post-buckling behavior. / Ph. D. / Here I present novel analytical methods to quantitatively decompose interactive buckling in the thin-walled structures. Interactive buckling, where multiple buckling modes are present to initiate structure failure, often controls the load-carrying capacity of thin-walled structures, e.g., the amount of load a column can withstand or the maximum acceleration a space shuttle can experience. In this research, based on Generalized Beam Theory, I describe in detail the analytical methods revealing how buckling modes are coupled and contribute to key quantities related to the structural failure, namely, displacement, stress, and strain energy. I obtain the algorithms by performing rigorous mathematical derivations based on thin-walled mechanics. The research not only facilitates better building design according to the simplified method in the current design standard, but also enables advanced, nonlinear modal decomposition analysis using the custom-made Finite Element program. These studies aim to provide the quantitative understanding of the coupled buckling mechanism and further the development of more powerful strength prediction methods for thin-walled structures.

Sistemas estruturais constituídos por perfis de aço são, em geral, dimensionados de uma forma \"indireta\", isto é, cada componente é analisado e verificado segundo suas capacidades teóricas individualmente, normalmente associando-se condições de extremidade e comprimentos teóricos para cada barra de modo a aproximar a sua capacidade portante sob a condição real. Contudo, importantes efeitos como a transmissão do empenamento entre as barras devido à torção e/ou distorção, as restrições localizadas impostas por sistemas de contraventamento ou componentes diversos, e também a compatibilidade de deslocamentos locais/globais entre barras conectadas não alinhadas entre si, são desconsiderados, uma vez que o estudo de tais efeitos envolve, normalmente, custosos trabalhos de modelagem através de elementos finitos de casca (e/ou sólidos), soluções numéricas complexas e demoradas, e/ou estudos experimentais caros e trabalhosos. Neste contexto, alguns recentes trabalhos apontam para um vasto campo de aplicações das inovadoras potencialidades da Teoria Generalizada de Vigas (GBT), permitindo, em particular, a análise de sistemas estruturais que consideram os diversos efeitos provocados por condições de apoio arbitrárias, diferentes posições do carregamento e efeitos decorrentes das ligações entre as barras. Contudo, apesar de tais recursos ampliarem as aplicações da GBT na análise de estabilidade de sistemas estruturais, apenas um conjunto limitado de problemas pode ser atendido, especialmente quanto às ligações entre as barras. Os recentes trabalhos envolvendo a aplicação da GBT para a análise de estabilidade de pórticos metálicos dedicaram-se ao estudo de alguns casos específicos de ligações rígidas, isto é, assumem a hipótese de transferência completa dos deslocamentos generalizados entre as barras. Assim, uma vez que a rigidez de tais ligações pode ser responsável por mudanças significativas no comportamento do sistema estrutural em questão, este trabalho procura fornecer uma solução capaz de considerar a semirrigidez das ligações metálicas associada aos parâmetros modais típicos da GBT. Além disso, dada a possibilidade de ampliar os tipos de ligações analisadas por meio da GBT, incluindo as configurações mais comumente utilizadas na prática, apresentam-se novos conjuntos de relações cinemáticas desenvolvidas para tal, assim como as referidas validações, que são realizadas por meio de análises utilizando o programa computacional ANSYS®. / Steel structural systems are usually associated with an \"indirect approach\", i.e., each component of the respective structure is analysed and verified according to its theoretical individual capacity. Normally, in order to approximate the real behaviour of the structural system, specific support conditions and effective length concepts are used to analyse each structural member separately. However, some important effects are disregarded in this procedure, like the warping transmission at frame joints (due to torsion and/or distortion), or those stemming from localized supports associated with bracing systems, as well as the local/global displacements compatibility of the cross-section walls at the joint region. Additionally, studies considering the above mentioned effects involves rather complicated and time-consuming numerical analyses using shell and/or solid finite elements, and/or expensive experimental investigation. On the other hand, some recent studies revealed a large field for application of the Generalized Beam Theory (GBT) in the context of the stability, first and second order analyses of structural systems, considering, particularly, the effects caused by arbitrary support conditions, different load positions, and the effects caused by connections between members. Nonetheless, all the recent works applying GBT for stability analysis of steel frames are focused on some specific cases of rigid connections, i.e., they assume the full transfer of the generalized displacements between the non-aligned members. Thus, given the well-known fact that the rigidity of connections may lead to considerable changes of the structural behaviour of steel structural systems, this work deals with the development of a solution to incorporate the semi-rigidity of the steel frame connections to the modal parameters of the GBT. Furthermore, given the possibility to expand the connection types analysed by means of GBT, including the most commonly used configurations adopted in practice, it is presented the related new kinematic relations developed, as well as the validation studies carried out in the software ANSYS®.

Sistemas estruturais constituídos por perfis de aço são, em geral, dimensionados de uma forma \"indireta\", isto é, cada componente é analisado e verificado segundo suas capacidades teóricas individualmente, normalmente associando-se condições de extremidade e comprimentos teóricos para cada barra de modo a aproximar a sua capacidade portante sob a condição real. Contudo, importantes efeitos como a transmissão do empenamento entre as barras devido à torção e/ou distorção, as restrições localizadas impostas por sistemas de contraventamento ou componentes diversos, e também a compatibilidade de deslocamentos locais/globais entre barras conectadas não alinhadas entre si, são desconsiderados, uma vez que o estudo de tais efeitos envolve, normalmente, custosos trabalhos de modelagem através de elementos finitos de casca (e/ou sólidos), soluções numéricas complexas e demoradas, e/ou estudos experimentais caros e trabalhosos. Neste contexto, alguns recentes trabalhos apontam para um vasto campo de aplicações das inovadoras potencialidades da Teoria Generalizada de Vigas (GBT), permitindo, em particular, a análise de sistemas estruturais que consideram os diversos efeitos provocados por condições de apoio arbitrárias, diferentes posições do carregamento e efeitos decorrentes das ligações entre as barras. Contudo, apesar de tais recursos ampliarem as aplicações da GBT na análise de estabilidade de sistemas estruturais, apenas um conjunto limitado de problemas pode ser atendido, especialmente quanto às ligações entre as barras. Os recentes trabalhos envolvendo a aplicação da GBT para a análise de estabilidade de pórticos metálicos dedicaram-se ao estudo de alguns casos específicos de ligações rígidas, isto é, assumem a hipótese de transferência completa dos deslocamentos generalizados entre as barras. Assim, uma vez que a rigidez de tais ligações pode ser responsável por mudanças significativas no comportamento do sistema estrutural em questão, este trabalho procura fornecer uma solução capaz de considerar a semirrigidez das ligações metálicas associada aos parâmetros modais típicos da GBT. Além disso, dada a possibilidade de ampliar os tipos de ligações analisadas por meio da GBT, incluindo as configurações mais comumente utilizadas na prática, apresentam-se novos conjuntos de relações cinemáticas desenvolvidas para tal, assim como as referidas validações, que são realizadas por meio de análises utilizando o programa computacional ANSYS®. / Steel structural systems are usually associated with an \"indirect approach\", i.e., each component of the respective structure is analysed and verified according to its theoretical individual capacity. Normally, in order to approximate the real behaviour of the structural system, specific support conditions and effective length concepts are used to analyse each structural member separately. However, some important effects are disregarded in this procedure, like the warping transmission at frame joints (due to torsion and/or distortion), or those stemming from localized supports associated with bracing systems, as well as the local/global displacements compatibility of the cross-section walls at the joint region. Additionally, studies considering the above mentioned effects involves rather complicated and time-consuming numerical analyses using shell and/or solid finite elements, and/or expensive experimental investigation. On the other hand, some recent studies revealed a large field for application of the Generalized Beam Theory (GBT) in the context of the stability, first and second order analyses of structural systems, considering, particularly, the effects caused by arbitrary support conditions, different load positions, and the effects caused by connections between members. Nonetheless, all the recent works applying GBT for stability analysis of steel frames are focused on some specific cases of rigid connections, i.e., they assume the full transfer of the generalized displacements between the non-aligned members. Thus, given the well-known fact that the rigidity of connections may lead to considerable changes of the structural behaviour of steel structural systems, this work deals with the development of a solution to incorporate the semi-rigidity of the steel frame connections to the modal parameters of the GBT. Furthermore, given the possibility to expand the connection types analysed by means of GBT, including the most commonly used configurations adopted in practice, it is presented the related new kinematic relations developed, as well as the validation studies carried out in the software ANSYS®.

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.

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.