Orientador: Fernando de Azevedo Silva / Banca: João Zangrandi Filho / Banca: Leonardo Kyo Kabayama / Resumo: Em praticamente todo sistema mecânico, juntas aparafusadas são utilizadas com o objetivo de unir componentes distintos, controlando folgas estruturais de tal modo a manter o envelope geométrico de projeto e o alinhamento entre as partes unidas. Normalmente, os parafusos são submetidos aos carregamentos de tração e cisalhamento o qual o último gera momento de flexão no parafuso devido ao efeito de contato com a superfície do furo. O comportamento da distribuição de carga ao longo do corpo do parafuso apresenta uma grande contribuição no seu dimensionamento principalmente por causa do braço de flexão que determinará o momento atuante. Dessa forma, esse trabalho apresenta diferentes tipos de juntas aparafusadas, normalmente aplicadas em estruturas de alta responsabilidade, para analisar o comportamento da distribuição de carregamento ao longo do corpo do parafuso. As juntas apresentam diferentes materiais e espessuras das placas envolvidas como ligas de alumínio e aço, a presença de calços ou não e parafusos normatizados de diferentes diâmetros. As análises contemplam o cálculo analítico o qual apresenta o tipo de distribuição de carregamento, triangular, trapezoidal ou retangular, análise pelo método dos elementos finitos com modelos bidimensionais e tridimensionais. Assim, após a análise dos resultados obtidos pelos métodos citados, mostrou que a presença de calço nas juntas aparafusadas e a espessura das placas influenciam diretamente as diferenças entre os métodos e mesmo que as diferenças entre os métodos existam, a confiabilidade do método analítico é confirmada uma vez que todos os braços de flexão são maiores daqueles obtidos pelo método dos elementos finitos. Desse modo, as juntas dimensionadas pelo método analítico são conservativas, apresentam margens de segurança... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Practically all mechanical system applies bolted joints in order to put together independent components, fitting up structural gaps to maintain the geometrical envelope in accordance with design and the alignment between the joined parts. Normally, the bolts withstand tension and shear loads which the last one generates bending moment in the bolt body due the contact effect with the hole surface. The load distribution behavior along the bolt body presents a great contribution to define it principally because the bending arm which determines the applied moment. Thus, this study presents different bolted joints configurations, usually applied in high responsibility structures in such way to analyze the load distribution behavior all along the bolt body. The joints present different plates materials and thicknesses as like aluminum and steel alloys, considering shims or not and standard bolts with a variety of diameter. The analyses regard the analytical method which presents the load distribution type, triangular, trapezoidal or rectangular, finite elements analysis method considering bidimensional and tridimensional models. Therefore, after the analysis of the results from the mentioned methods, stared the shims and the plates thicknesses have a significant influence in the differences between the methods. Even though the differences exist, the reliability of the analytical method is confirmed once all bending arms are bigger than those resulted by the finite element method. Hence, the joints dimensioned by the analytical method are... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

A utilização de perfis formados a frio na construção metálica no Brasil vem crescendo de forma significativa. Dentro deste mesmo contexto, atenções especiais estão sendo direcionadas às ligações utilizadas neste tipo de perfil, pelo fato de as chapas que as constituem resultarem cada vez mais esbeltas em função da significativa redução na sua espessura (elevada relação largura/espessura). Por esta razão, as ligações em perfis formados a frio têm sido estudadas por pesquisadores, tanto no contexto mundial como no Brasil. Neste sentido, o presente trabalho tem por objetivo realizar estudos relacionados às ligações parafusadas em perfis formados a frio, com vistas a avaliar a resistência e o comportamento destas ligações por meio de modelagem numérica, simulando o comportamento estrutural com a utilização do código de cálculo ANSYS v.6.0, elaborado com base nos Métodos dos Elementos Finitos (MEF). No sentido de avaliar a eficiência e a confiabilidade dos modelos elaborados, os resultados numéricos obtidos foram comparados com resultados experimentais obtidos em ensaios, bem como, comparados com resultados numéricos obtidos utilizando-se outros padrões de modelagem. / The use of cold-formed steel members in the steel building in Brazil comes growing of significant form. Inside of the same context, special attentions are being directed to the connections used in the cold-formed steel members, or the fact of the sheets used to this kind of steel members result each time more thin. For this reason the connections in cold-formed steel members have been studied for researchers, as much in the worldwide context as in Brazil. The objective of this work is studies the bolted connections in cold-formed steel member to evaluate the resistance and the behavior of these connections by means of numerical modeling, simulating the structural behavior with the use of the code of calculation ANSYS v.6.0, elaborated based on Finite Element Methods. With the objective to evaluate the efficiency and the trustworthiness of the elaborated model, the numerical results where compare with experimental results gotten in assays, as well as, compared with numerical results gotten using other standards of modeling.

A utilização de perfis formados a frio na construção metálica no Brasil vem crescendo de forma significativa. Dentro deste mesmo contexto, atenções especiais estão sendo direcionadas às ligações utilizadas neste tipo de perfil, pelo fato de as chapas que as constituem resultarem cada vez mais esbeltas em função da significativa redução na sua espessura (elevada relação largura/espessura). Por esta razão, as ligações em perfis formados a frio têm sido estudadas por pesquisadores, tanto no contexto mundial como no Brasil. Neste sentido, o presente trabalho tem por objetivo realizar estudos relacionados às ligações parafusadas em perfis formados a frio, com vistas a avaliar a resistência e o comportamento destas ligações por meio de modelagem numérica, simulando o comportamento estrutural com a utilização do código de cálculo ANSYS v.6.0, elaborado com base nos Métodos dos Elementos Finitos (MEF). No sentido de avaliar a eficiência e a confiabilidade dos modelos elaborados, os resultados numéricos obtidos foram comparados com resultados experimentais obtidos em ensaios, bem como, comparados com resultados numéricos obtidos utilizando-se outros padrões de modelagem. / The use of cold-formed steel members in the steel building in Brazil comes growing of significant form. Inside of the same context, special attentions are being directed to the connections used in the cold-formed steel members, or the fact of the sheets used to this kind of steel members result each time more thin. For this reason the connections in cold-formed steel members have been studied for researchers, as much in the worldwide context as in Brazil. The objective of this work is studies the bolted connections in cold-formed steel member to evaluate the resistance and the behavior of these connections by means of numerical modeling, simulating the structural behavior with the use of the code of calculation ANSYS v.6.0, elaborated based on Finite Element Methods. With the objective to evaluate the efficiency and the trustworthiness of the elaborated model, the numerical results where compare with experimental results gotten in assays, as well as, compared with numerical results gotten using other standards of modeling.

Na maioria das construções utilizam-se estruturas de madeira para coberturas e muitas são executadas no sistema convencional, empregando treliças. Com o avanço da arquitetura, no que diz respeito a empregabilidade da madeira, outras formas vêm sendo utilizadas, tornando o ambiente mais livre e harmônico, e para isso, a necessidade de vigas maiores, para vencer maiores vãos. Desta forma, os materiais dos elementos estruturais têm importante papel, a fim de demandar continuidade das peças, dentro dos padrões de segurança. As Normas Brasileiras apresentam formas de ligações onde, o emprego da madeira e o aço, garantem a estabilidade para ambos os materiais, visto a utilização de parafusos e pinos como elemento de ligação, empregados nas construções. Neste trabalho, a proposta é avaliar os conjuntos dos materiais de ligações aparafusadas entre madeira/madeira e compará-la com a ligações madeira/chapa de aço/madeira; a chapa dobrada a frio e prensada entre as peças não está aparente. Portanto, a ligação ficará a cargo dos parafusos, mas, com a chapa a resistência será maior suportando aos esforços cortantes causados pela flexão dos parafusos e inserida diretamente na madeira, que tem grande importância quanto à direção das fibras e do esforço aplicado. / In most constructions are used wooden structures for roofs and many are executed in the conventional system using trusses. With the advancement of architecture, with regard the employability of timber, other ways have been used making the free and harmonious environment, and for this, the need for larger beams, to win larger spans. Therefore, the materials of the structural elements have an important role in order to demand continuity of parts with in the safety standards. Brazilian Standards of forms of links where the use of timber and steel, ensure stability for both materials, as the use of bolts and pins as liaison, used in buildings. In this paper, the proposal is to assess the joint of bolted connections materials between timber / timber and compare it with the connections timber / steel plate / timber; the folded plate and cold pressed between the parts is not apparent. Therefore, the connection will fall on the bolts, but with the plate resistance will be higher by supporting the shearing caused by the bending of the bolts and inserted directly on timber, which is very important as to the direction of the fibers and of the applied load.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:34:57Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2013-08-09Bitstream added on 2014-06-13T18:45:49Z : No. of bitstreams: 1 guidi_es_dr_guara.pdf: 4326069 bytes, checksum: 7e85df7bb4aedb1c5dcff9c3ca5c11eb (MD5) / A utilização de parafusos na união de elementos de estruturas e equipamentos mecânicos é amplamente utilizada devido a sua versatilidade, possibilidade de desmontagem e seu baixo custo. As falhas por fadiga merecem atenção especial, pois é o principal método de falha dos parafusos utilizados em uniões de componentes. A vida em fadiga de uma junta aparafusada possui a influência de diversos fatores construtivos e operacionais. Neste estudo foram analisados alguns destes fatores, como diferença na rigidez dos parafusos com rosca parcial e total, e sua influência no fator de junta e na vida em fadiga da união. Outra variável estudada é o material das arruelas, que quando são incompatíveis com o material do parafuso ocasionam uma drástica redução na vida em fadiga da junta. A pré-carga resultante do torque de montagem associada com a carga externa alternada também possui grande influência sobre a vida em fadiga das uniões, sendo a redução da vida mais significativa quando a carga externa máxima é superior a 85% da pré-carga. Neste trabalho também foram desenvolvidos dois arquivos de simulação das juntas, utilizando o método dos elementos finitos por meio do software ANSYS Workbench, sendo uma simulação contendo as placas da junta e um parafuso simplificado, com o objetivo de calcular a carga residual de compressão entre as placas após a aplicação da pré-carga e carga externa máxima. Esta carga residual foi utilizada nas condições de contorno do modelo da segunda simulação. O segundo arquivo de simulação contém os parafusos, porcas e arruelas com medidas reais, sendo o objetivo obter a vida em fadiga destes parafusos. As simulações numéricas foram validadas por meio de ensaios mecânicos / The use of bolts in the union of elements of structures and mechanical equipment is very used due to its versatility, possibility of disassembly and low cost. The fatigue failures given particular attention because it is the principal method of failure of the bolts used in unions of components. The fatigue life of a bolted joint has the influence of various factors constructive and operational. This study analyzed some of these factors, such as the difference in stiffness of the fully and partially threaded bolts, and its influence on joint stiffness factor and fatigue life of the joint. Another variable studied is the material of washers that when are incompatible with the bolt material cause a drastic reduction in fatigue life of the joint. The preload resulting of the tightening torque combined with the alternating external load also has great influence on the fatigue life of the joints, the reduction of fatigue life is most significant when the maximum external load is higher than 85% of the preload. In this work were also developed two simulation models of the joints using the finite element method using the ANSYS Workbench software, and one simulation containing plates of joint and a simplified bolt, in order to calculate the residual load compression between the plates after applying the preload and maximum external load. The residual load will be used in the boundary conditions of the model of the second simulation. The second simulation model contains bolts, nuts and washers with actual measurements, the objective being to obtain the fatigue life of these bolts. The numerical simulations were validated with mechanical tests

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The procedures of bolted joints design must correspond appropriately with real conditions, to ensure projects of high reliability. Therefore, this study aims to evolve the understanding of the mechanical behavior of bolted joints during the preloading, external loading and fatigue life stages. For this, was performed finite elements analysis, experimental analysis and calculation analytical methods based on several procedures found in the literature, in order to compare the magnitude of the joint stiffness parameter. It was observed that the results provided through the analytical method of VDI 2230, finite element analysis and experimental analysis obtained an excellent agreement. Furthermore, from the VDI 2230 standard, the mean and alternating stresses were determined on the bolts belonging to the bolted joints tested in fatigue and then compared with criteria of fatigue evaluation established for bolts obtaining good coherence. These results indicate that the VDI 2230 standard represents well the mechanical behavior of the joint and should be used as the main guideline for the reliable design of bolted joints. / Os procedimentos de dimensionamento de juntas parafusadas devem corresponder adequadamente às condições impostas na prática, para garantir projetos de alta confiabilidade. Por isso, este estudo tem o objetivo de evoluir na compreensão do comportamento mecânico de juntas parafusadas quando das etapas de pré-carregamento, de aplicação de carga externa e da vida em fadiga. Para tal foram realizadas análises por elementos finitos, por extensometria e por cálculo analítico a partir de diversos procedimentos encontrados na literatura, de modo a comparar a magnitude da rigidez global da junta. Foi observado que os resultados encontrados através do método analítico da norma VDI 2230, da análise por elementos finitos e por extensometria obtiveram ótima concordância. Além disso, a partir da norma VDI 2230, foram determinadas as tensões médias e alternantes nos parafusos de juntas parafusadas ensaiadas em fadiga e então comparadas com critérios de avaliação de fadiga estabelecidos para parafusos sendo obtida boa coerência. Tais resultados apontam que a norma VDI 2230 representa bem o comportamento mecânico da junta e deve ser utilizada como a principal diretriz para o dimensionamento confiável de uniões parafusadas. / São Cristóvão, SE

Este trabalho apresenta resultados teóricos e experimentais sobre o comportamento estrutural de ligações parafusadas viga-coluna com chapa de topo. São estudados dois tradicionais métodos de dimensionamento e as ligações são analisadas numericamente, via método dos estados limites. Os resultados são comparados com os obtidos através de ensaios de 35 protótipos, nos quais variou-se, alternadamente, a espessura da chapa de topo e o diâmetro dos parafusos. Discute-se, em particular, a influência destes parâmetros no comportamento momento-rotação das ligações com chapa de topo e, ao final, apresentam-se as conclusões pertinentes e recomendações para o prosseguimento dos estudos. / This work presents the theoretical and experimental results on the structural behavior of bolted end plate connections. They are designed by two traditional methods and analyzed by the finite element method. Comparisons are made between the FEM results and those obtained by an experimental analysis on 35 cruciform welded profile models, in which end plate thickness and bolt diameter was alternately varied. Special attention is paid for evaluating the influence of these parameters in the moment rotation behavior of the connections. Finally, the remarks and conclusions are presented and some topics for posterior researches are suggested.

Terças de aço formadas a frio são muito utilizadas em sistemas de cobertura e fechamento. Para conferir continuidade entre tramos adjacentes e possibilitar um melhor aproveitamento de material, são empregadas ligações parafusadas por transpasse e com luva. O comportamento estrutural dessas ligações é muito dependente da sua configuração geométrica e do nível de carregamento. Com base em uma série de nove experimentos e análises teóricas, o comportamento estrutural dessas ligações foi investigado no tocante aos esforços resistentes e à rigidez. Observou-se que o modo de falha tem sempre uma componente distorcional significativa e uma resistência menor que a prevista pela metodologia atual de projeto. No caso do momento fletor resistente, a distribuição de tensões de flexão oblíqua é a que melhor se aproxima do comportamento real das terças, sendo possível a partir de uma análise de estabilidade elástica considerando tal comportamento, e, baseado no método da resistência direta e na curva de dimensionamento do modo distorcional, obter uma previsão segura do momento fletor resistente. Além disso, a rigidez da ligação, com relação aos deslocamentos verticais é bastante dependente do tipo de ligação, sendo que as terças com ligações por luva são mais deformáveis que terças sem ligações. Por outro lado, terças com ligações por transpasse são menos deformáveis que terças fisicamente contínuas. As parcelas de rigidez da ligação são apresentadas, e a componente de deformação do furo é a mais significativa. Uma expressão para deduzir a rigidez rotacional da ligação é apresentada, juntamente com um modelo de barras para modelagem da ligação. Os resultados teóricos se ajustam muito bem aos experimentais. Conclui-se em linhas gerais, que as ligações por transpasse podem ser consideradas plenamente satisfatórias do ponto de vista de comportamento estrutural, sendo que terças com essas ligações são mais resistentes e rígidas que terças com continuidade física. O mesmo não ocorre nas terças com ligações por luva, porém, dada a limitação no número de ensaios, tais ligações carecem mais estudos. / Cold-formed steel purlins are widely used in roofs and wall systems. The continuity of long runs of cold-formed steel purlins is guaranteed by sleeve and overlap bolted connections, which allows a better load distribution and material savings. The structural behavior of these connections is highly dependent on their geometric configuration and load level. The strength and stiffness of these connections were determined through a series of nine experiments, numerical and analytical analysis. Results have shown that distortional buckling has a major contribution on the stability analysis of the cold-formed steel purlin. To safely determine the flexural strength of the purlin, one must consider unrestrained bending stress distribution and distortional buckling. The connection type influences the rigidity of the purlin thus the vertical displacement. Purlins with overlapped connections are stiffer than physically continuous ones, although purlins with sleeved connections are not. The bearing deformation at the connection region is responsible for a reduction in the system stiffness. To account for the change in stiffness and determine the vertical displacement, an expression for the bearing stiffness and a beam model are proposed. The results of this model show good agreement with experimental data. The general conclusion of this research is: overlapped bolted connections enhance the structural response of the purlins when compared to physically continuous ones. The same does not hold true for purlins with sleeved connections.

Este trabalho apresenta resultados teóricos e experimentais sobre o comportamento estrutural de ligações parafusadas viga-coluna com chapa de topo. São estudados dois tradicionais métodos de dimensionamento e as ligações são analisadas numericamente, via método dos estados limites. Os resultados são comparados com os obtidos através de ensaios de 35 protótipos, nos quais variou-se, alternadamente, a espessura da chapa de topo e o diâmetro dos parafusos. Discute-se, em particular, a influência destes parâmetros no comportamento momento-rotação das ligações com chapa de topo e, ao final, apresentam-se as conclusões pertinentes e recomendações para o prosseguimento dos estudos. / This work presents the theoretical and experimental results on the structural behavior of bolted end plate connections. They are designed by two traditional methods and analyzed by the finite element method. Comparisons are made between the FEM results and those obtained by an experimental analysis on 35 cruciform welded profile models, in which end plate thickness and bolt diameter was alternately varied. Special attention is paid for evaluating the influence of these parameters in the moment rotation behavior of the connections. Finally, the remarks and conclusions are presented and some topics for posterior researches are suggested.

Terças de aço formadas a frio são muito utilizadas em sistemas de cobertura e fechamento. Para conferir continuidade entre tramos adjacentes e possibilitar um melhor aproveitamento de material, são empregadas ligações parafusadas por transpasse e com luva. O comportamento estrutural dessas ligações é muito dependente da sua configuração geométrica e do nível de carregamento. Com base em uma série de nove experimentos e análises teóricas, o comportamento estrutural dessas ligações foi investigado no tocante aos esforços resistentes e à rigidez. Observou-se que o modo de falha tem sempre uma componente distorcional significativa e uma resistência menor que a prevista pela metodologia atual de projeto. No caso do momento fletor resistente, a distribuição de tensões de flexão oblíqua é a que melhor se aproxima do comportamento real das terças, sendo possível a partir de uma análise de estabilidade elástica considerando tal comportamento, e, baseado no método da resistência direta e na curva de dimensionamento do modo distorcional, obter uma previsão segura do momento fletor resistente. Além disso, a rigidez da ligação, com relação aos deslocamentos verticais é bastante dependente do tipo de ligação, sendo que as terças com ligações por luva são mais deformáveis que terças sem ligações. Por outro lado, terças com ligações por transpasse são menos deformáveis que terças fisicamente contínuas. As parcelas de rigidez da ligação são apresentadas, e a componente de deformação do furo é a mais significativa. Uma expressão para deduzir a rigidez rotacional da ligação é apresentada, juntamente com um modelo de barras para modelagem da ligação. Os resultados teóricos se ajustam muito bem aos experimentais. Conclui-se em linhas gerais, que as ligações por transpasse podem ser consideradas plenamente satisfatórias do ponto de vista de comportamento estrutural, sendo que terças com essas ligações são mais resistentes e rígidas que terças com continuidade física. O mesmo não ocorre nas terças com ligações por luva, porém, dada a limitação no número de ensaios, tais ligações carecem mais estudos. / Cold-formed steel purlins are widely used in roofs and wall systems. The continuity of long runs of cold-formed steel purlins is guaranteed by sleeve and overlap bolted connections, which allows a better load distribution and material savings. The structural behavior of these connections is highly dependent on their geometric configuration and load level. The strength and stiffness of these connections were determined through a series of nine experiments, numerical and analytical analysis. Results have shown that distortional buckling has a major contribution on the stability analysis of the cold-formed steel purlin. To safely determine the flexural strength of the purlin, one must consider unrestrained bending stress distribution and distortional buckling. The connection type influences the rigidity of the purlin thus the vertical displacement. Purlins with overlapped connections are stiffer than physically continuous ones, although purlins with sleeved connections are not. The bearing deformation at the connection region is responsible for a reduction in the system stiffness. To account for the change in stiffness and determine the vertical displacement, an expression for the bearing stiffness and a beam model are proposed. The results of this model show good agreement with experimental data. The general conclusion of this research is: overlapped bolted connections enhance the structural response of the purlins when compared to physically continuous ones. The same does not hold true for purlins with sleeved connections.