Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica no perfil de Construções Mecânicas, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação dos Profs. Pedro Manuel Ponces Rodrigues de Castro Camanho e António Joaquim Mendes Ferreira

Atualmente, a utilização do aço inoxidável em elementos estruturais é considerada uma solução cara para os problemas da engenharia estrutural. Todavia, mudanças de atitudes dentro da construção civil, uma transição global para um desenvolvimento sustentável e redução em impactos ambientais têm seguramente provocado um aumento na utilização do aço inoxidável. As normas de projeto de aço inoxidável atuais são, em grande parte, baseadas em analogias assumidas com o comportamento de estruturas desenvolvidas com aço carbono. Todavia, o aço inoxidável apresenta quatro curvas não-lineares tensão versus deformação (tensão e compressão, paralela e perpendicular a laminação do material), sem patamar de escoamento e região de encruamento claramente definidos, modificando assim, o comportamento global das estruturas que o utilizam. Em elementos estruturais submetidos a forças axiais de tração, a ruptura da seção líquida representa um dos estados limites últimos a serem verificados. Com o objetivo de se avaliar a resistência a tração de elementos estruturais aparafusados em aço inoxidável S304, este trabalho apresenta um modelo numérico baseado no método dos elementos finitos através do programa Ansys (versão 11). A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de Von Mises e curvas tensão versus deformação verdadeira. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange atualizado. O modelo numérico foi calibrado com resultados experimentais obtidos em ensaios de laboratório, a partir de ligações aparafusadas alternadas rígidas, onde não se ocorre nenhuma rotação entre os membros, transferindo nenhum momento fletor, apenas esforço normal e cisalhante. / Currently, the use of stainless steel in structural elements is considered an extravagant solution to structural engineerings problems. However, changes in attitudes within civil construction, global transition to sustainable development and environmental impacts reduction have certainly caused an increase in the use of stainless steel. Today, the codes for design of stainless steel are largely based on assumed analogies with the behavior of structures developed with carbon steel. However, stainless steel present four non-linear tension versus strain curves (tension and compression, parallel and perpendicular to the lamination material) without yielding plateau and strain hardening zones clearly defined, thus changing the overall behavior of the structures that use it. In Structural elements subjected to axial forces of tension, the net section rupture usually represents one of its controlling ultimate limit states. In order to evaluate the tensile resistance of structural components bolted stainless steel S304, this work provides a numerical model based on the finite element method using the program ANSYS (version 11). The non-linear of the material was considered by the criterion of Von Mises and stress versus strain true curves. The geometric nonlinearity was introduced into the model through the formulation of Lagrange Updated. The numerical model was calibrated based on experimental results, from rigid alternate bolted connection, which do not occur any rotation among the members, transferring any bending moment, only normal and shear internal forces.

Atualmente, a utilização do aço inoxidável em elementos estruturais ainda é por muitos engenheiros e arquitetos, considerada uma solução extravagante para os problemas da engenharia. Todavia, mudanças de atitudes dentro da construção civil e uma transição global para um desenvolvimento sustentável e redução em impactos ambientais tem seguramente provocado um aumento no uso do aço inoxidável. A maioria das normas de projeto de aço inoxidável atuais ainda são baseadas em analogias assumidas com o comportamento de estruturas de aço carbono. Todavia, o aço inoxidável apresenta quatro curvas tensão versus deformação não-lineares sem patamar de escoamento e região de encruamento claramente definidos (tração e compressão, paralela e perpendicular a direção de laminação), modificando assim, seu o comportamento global. Na presente investigação foram utilizados o aço inoxidável austenítico 304, e o aço carbono USI 300, ambos com tensão de escoamento similares, mas com tensões últimas e ductilidades distintos. Em elementos estruturais submetidos a tensões normais de tração, usualmente a ruptura da seção líquida representa um dos estados limites últimos a serem verificados. Com o objetivo de se avaliar a resistência a tração de elementos estruturais aparafusados em aço inoxidável, este trabalho executou um programa experimental inovador envolvendo ligações aparafusadas defasadas sob tração. O programa experimental foi executado em peças de aço carbono e aço inoxidável de forma a comparar as principais semelhanças e diferenças entre estes dois tipos de aços estruturais. O programa experimental possibilitou que conclusões significativas no comportamento a tração destas ligações pudessem ser observadas. Dentre outras variáveis que controlam estes estados limites últimos foi verificada a influência significativa da espessura da placa de aplicação do carregamento, disposição, configuração e número de parafusos da ligação e propriedades do aço inoxidável como ductilidade e razão entre suas tensões de escoamento e de ruptura. / The use of stainless steel in structural engineering applications is still seen by many architects and engineers as an extravagant solution. However attitude changes in the construction market and the natural transition to a sustainable development reducing environment impacts have boosted the use of stainless steel structures. A substantial majority of stainless steel structural design codes is still based on carbon steel analogies. Despite this fact the stainless steel presents four non-linear tension versus strain curves (tension and compression, parallel and perpendicular to the rolling direction) without a defined yield plateau snf strain hardening zones substantially altering its global structural response. The present investigation adopted the austenitic stainless steel grade 304 and the carbon steel USI300, both with similar yield stresses but with different tension stresses and ductility capacities. Structural elements subjected to tension axial forces usually presents the net section rupture as one of its controlling ultimate limit states. The present study performed an innovative experimental programme to evaluate and investigate the tension capacity of staggered bolted members. The experiments were made with carbon and stainless steels to compare and access their similarities and differences in terms of structural performance. The experimental results enable the observation of significant conclusion concerning the tension response of the investigated bolted staggered members. The controlling ultimate limit states were significantly influenced by various parameters like: the loading plate thickness, the layout, configuration and number of bolts adopted in the joint, and stainless steel properties like ductility capacity and the ratio between the yield and ultimate stresses.

Atualmente, a utilização do aço inoxidável em elementos estruturais é considerada uma solução cara para os problemas da engenharia estrutural. Todavia, mudanças de atitudes dentro da construção civil, uma transição global para um desenvolvimento sustentável e redução em impactos ambientais têm seguramente provocado um aumento na utilização do aço inoxidável. As normas de projeto de aço inoxidável atuais são, em grande parte, baseadas em analogias assumidas com o comportamento de estruturas desenvolvidas com aço carbono. Todavia, o aço inoxidável apresenta quatro curvas não-lineares tensão versus deformação (tensão e compressão, paralela e perpendicular a laminação do material), sem patamar de escoamento e região de encruamento claramente definidos, modificando assim, o comportamento global das estruturas que o utilizam. Em elementos estruturais submetidos a forças axiais de tração, a ruptura da seção líquida representa um dos estados limites últimos a serem verificados. Com o objetivo de se avaliar a resistência a tração de elementos estruturais aparafusados em aço inoxidável S304, este trabalho apresenta um modelo numérico baseado no método dos elementos finitos através do programa Ansys (versão 11). A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de Von Mises e curvas tensão versus deformação verdadeira. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange atualizado. O modelo numérico foi calibrado com resultados experimentais obtidos em ensaios de laboratório, a partir de ligações aparafusadas alternadas rígidas, onde não se ocorre nenhuma rotação entre os membros, transferindo nenhum momento fletor, apenas esforço normal e cisalhante. / Currently, the use of stainless steel in structural elements is considered an extravagant solution to structural engineerings problems. However, changes in attitudes within civil construction, global transition to sustainable development and environmental impacts reduction have certainly caused an increase in the use of stainless steel. Today, the codes for design of stainless steel are largely based on assumed analogies with the behavior of structures developed with carbon steel. However, stainless steel present four non-linear tension versus strain curves (tension and compression, parallel and perpendicular to the lamination material) without yielding plateau and strain hardening zones clearly defined, thus changing the overall behavior of the structures that use it. In Structural elements subjected to axial forces of tension, the net section rupture usually represents one of its controlling ultimate limit states. In order to evaluate the tensile resistance of structural components bolted stainless steel S304, this work provides a numerical model based on the finite element method using the program ANSYS (version 11). The non-linear of the material was considered by the criterion of Von Mises and stress versus strain true curves. The geometric nonlinearity was introduced into the model through the formulation of Lagrange Updated. The numerical model was calibrated based on experimental results, from rigid alternate bolted connection, which do not occur any rotation among the members, transferring any bending moment, only normal and shear internal forces.

Atualmente, a utilização do aço inoxidável em elementos estruturais ainda é por muitos engenheiros e arquitetos, considerada uma solução extravagante para os problemas da engenharia. Todavia, mudanças de atitudes dentro da construção civil e uma transição global para um desenvolvimento sustentável e redução em impactos ambientais tem seguramente provocado um aumento no uso do aço inoxidável. A maioria das normas de projeto de aço inoxidável atuais ainda são baseadas em analogias assumidas com o comportamento de estruturas de aço carbono. Todavia, o aço inoxidável apresenta quatro curvas tensão versus deformação não-lineares sem patamar de escoamento e região de encruamento claramente definidos (tração e compressão, paralela e perpendicular a direção de laminação), modificando assim, seu o comportamento global. Na presente investigação foram utilizados o aço inoxidável austenítico 304, e o aço carbono USI 300, ambos com tensão de escoamento similares, mas com tensões últimas e ductilidades distintos. Em elementos estruturais submetidos a tensões normais de tração, usualmente a ruptura da seção líquida representa um dos estados limites últimos a serem verificados. Com o objetivo de se avaliar a resistência a tração de elementos estruturais aparafusados em aço inoxidável, este trabalho executou um programa experimental inovador envolvendo ligações aparafusadas defasadas sob tração. O programa experimental foi executado em peças de aço carbono e aço inoxidável de forma a comparar as principais semelhanças e diferenças entre estes dois tipos de aços estruturais. O programa experimental possibilitou que conclusões significativas no comportamento a tração destas ligações pudessem ser observadas. Dentre outras variáveis que controlam estes estados limites últimos foi verificada a influência significativa da espessura da placa de aplicação do carregamento, disposição, configuração e número de parafusos da ligação e propriedades do aço inoxidável como ductilidade e razão entre suas tensões de escoamento e de ruptura. / The use of stainless steel in structural engineering applications is still seen by many architects and engineers as an extravagant solution. However attitude changes in the construction market and the natural transition to a sustainable development reducing environment impacts have boosted the use of stainless steel structures. A substantial majority of stainless steel structural design codes is still based on carbon steel analogies. Despite this fact the stainless steel presents four non-linear tension versus strain curves (tension and compression, parallel and perpendicular to the rolling direction) without a defined yield plateau snf strain hardening zones substantially altering its global structural response. The present investigation adopted the austenitic stainless steel grade 304 and the carbon steel USI300, both with similar yield stresses but with different tension stresses and ductility capacities. Structural elements subjected to tension axial forces usually presents the net section rupture as one of its controlling ultimate limit states. The present study performed an innovative experimental programme to evaluate and investigate the tension capacity of staggered bolted members. The experiments were made with carbon and stainless steels to compare and access their similarities and differences in terms of structural performance. The experimental results enable the observation of significant conclusion concerning the tension response of the investigated bolted staggered members. The controlling ultimate limit states were significantly influenced by various parameters like: the loading plate thickness, the layout, configuration and number of bolts adopted in the joint, and stainless steel properties like ductility capacity and the ratio between the yield and ultimate stresses.