Os perfis de aço formados a frio apresentam, em geral, elevada relação largura/espessura, tornando-os suscetíveis à flambagem local, caracterizada por uma flambagem de chapa, mas que também pode ocasionar um outro modo de flambagem, denominado flambagem por distorção, desconsiderado no dimensionamento de perfis laminados, mas que pode resultar crítico principalmente nos perfis com enrijecedores de borda e constituídos por aço de elevada resistência mecânica. Tal fenômeno é caracterizado pela perda de estabilidade do conjunto formado pelo elemento comprimido e seu enrijecedor de borda, alterando a forma inicial da seção transversal. Portanto, as normas mais atuais têm apresentado procedimentos para avaliar a resistência de barras com base na flambagem por distorção, como o procedimento simplificado da norma australiana AS/NZS 4600:1996, proposto por HANCOCK e que foi também adotado pela recente norma brasileira NBR 14762:2001, o método direto de resistência, recentemente proposto para incorporação à especificação do AISI (American Iron and Steel Institute) e a GBT (Generalized Beam Theory).Nesse trabalho é feita uma abordagem dos procedimentos propostos para a avaliação da flambagem por distorção em barras submetidas à compressão centrada e à flexão, comparando-se os resultados obtidos pelo procedimento da norma brasileira, pela análise elástica via método das faixas finitas - MFF e pela análise via método dos elementos finitos - MEF, admitindo barras sem e com imperfeições iniciais. É feita também uma abordagem com relação aos outros procedimentos internacionais para a avaliação do fenômeno. / Cold-formed steel members present, in many cases, an elevated width/thickness ratio (thin-walled members), which probably lead up to the local buckling, which is characterized by a plate buckling, and also may lead up to another buckling mode, called distortional buckling, not considered on the design of hot-rolled members, but which may result critical in cold-formed members, specially in the ones with edge stiffeners and made with high strength steel. Such phenomena is characterized by the instability of the group formed by the compression flange and its stiffener, changing the initial shape of the cross section. Nowadays, codes present procedures to evaluate member’s resistance also due to distortional buckling, as the simplified method in the Australian code, AS/NZS 4600:1996, proposed by HANCOCK, which was adopted by the new Brazilian code, NBR 14762:2001, the Direct Strenght Method, recently proposed as an AISI (American Iron and Steel Institute) Draft, and the GBT (Generalilzed Beam Theory).This work talks about procedures proposed to evaluate distortional buckling in members under compression and bending, comparing results obtained by the method showed in the brazilian code, by numerical Finite Strip Method elastic analisys - FSM, and by Finite Element Method analisys – FEM, on members with and without initial imperfections. It is also done an explanation related to other international procedures to evaluate the phenomena.

O presente trabalho apresenta proposta de análise numérica de perfis de aço formados a frio submetidos à compressão centrada. Trata-se de investigação, realizada por meio de elementos finitos, com vistas à análise da influência de imperfeições geométricas iniciais presentes em perfis U simples e U enrijecido, sob os aspectos de sua forma, magnitude e sentido. A imperfeição geométrica é adotada na forma de modos de falha local, global e distorcional, observando a suscetibilidade a tais modos para a seção de interesse. Cada tipo de imperfeição é avaliado de forma isolada e, em seguida, de forma associada (conjunta). São apresentados aspectos referentes à estratégia de modelagem adotada na construção dos modelos numéricos, bem como aspectos de interesse com relação às análises não-lineares aqui consideradas. Para fins de obtenção da força de colapso, fica examinada a possibilidade de empregar modos de falha isolados para representar as imperfeições geométricas, porém, com a amplitude previamente ajustada. Para os casos de imperfeições associadas, para representar a imperfeição geométrica, se destaca o papel do sentido da imperfeição do tipo global com relação a sua associação às imperfeições dos tipos local e distorcional para perfis U enrijecidos, bem como à imperfeição do tipo local para perfis U simples. / The work presents a numerical analysis on cold-formed steel members compressed between pinned ends. One is about an inquiry carried through in finite elements in which it was studied the influence of initial geometric imperfections, existing in plain channels and lipped channels, under the aspects of its form, magnitude and signal. The geometric imperfection is adopted on the forms of the local, global and distortional buckling modes, observing the susceptibility to such modes for each type of section. Each imperfection is evaluated on the isolated way and after that of associated way. Referring aspects to the strategy of modeling adopted in the construction of the numerical models are presented, as well as aspects of interest with regard to the developed nonlinear analyses. For ends of attainment of the ultimate load, it is examined the possibility to use isolated buckling modes to represent the geometric imperfections, as long as the amplitude it is adjusted. The cases that had applied coupled imperfection to represent the geometric imperfection detach the paper of the signal of the imperfection of the global type with regard to its association to the imperfections of the types local and distortional for lipped channels and, to the one of the local type for plain channels.

O presente trabalho apresenta proposta de análise numérica de perfis de aço formados a frio submetidos à compressão centrada. Trata-se de investigação, realizada por meio de elementos finitos, com vistas à análise da influência de imperfeições geométricas iniciais presentes em perfis U simples e U enrijecido, sob os aspectos de sua forma, magnitude e sentido. A imperfeição geométrica é adotada na forma de modos de falha local, global e distorcional, observando a suscetibilidade a tais modos para a seção de interesse. Cada tipo de imperfeição é avaliado de forma isolada e, em seguida, de forma associada (conjunta). São apresentados aspectos referentes à estratégia de modelagem adotada na construção dos modelos numéricos, bem como aspectos de interesse com relação às análises não-lineares aqui consideradas. Para fins de obtenção da força de colapso, fica examinada a possibilidade de empregar modos de falha isolados para representar as imperfeições geométricas, porém, com a amplitude previamente ajustada. Para os casos de imperfeições associadas, para representar a imperfeição geométrica, se destaca o papel do sentido da imperfeição do tipo global com relação a sua associação às imperfeições dos tipos local e distorcional para perfis U enrijecidos, bem como à imperfeição do tipo local para perfis U simples. / The work presents a numerical analysis on cold-formed steel members compressed between pinned ends. One is about an inquiry carried through in finite elements in which it was studied the influence of initial geometric imperfections, existing in plain channels and lipped channels, under the aspects of its form, magnitude and signal. The geometric imperfection is adopted on the forms of the local, global and distortional buckling modes, observing the susceptibility to such modes for each type of section. Each imperfection is evaluated on the isolated way and after that of associated way. Referring aspects to the strategy of modeling adopted in the construction of the numerical models are presented, as well as aspects of interest with regard to the developed nonlinear analyses. For ends of attainment of the ultimate load, it is examined the possibility to use isolated buckling modes to represent the geometric imperfections, as long as the amplitude it is adjusted. The cases that had applied coupled imperfection to represent the geometric imperfection detach the paper of the signal of the imperfection of the global type with regard to its association to the imperfections of the types local and distortional for lipped channels and, to the one of the local type for plain channels.

Os perfis de aço formados a frio apresentam, em geral, elevada relação largura/espessura, tornando-os suscetíveis à flambagem local, caracterizada por uma flambagem de chapa, mas que também pode ocasionar um outro modo de flambagem, denominado flambagem por distorção, desconsiderado no dimensionamento de perfis laminados, mas que pode resultar crítico principalmente nos perfis com enrijecedores de borda e constituídos por aço de elevada resistência mecânica. Tal fenômeno é caracterizado pela perda de estabilidade do conjunto formado pelo elemento comprimido e seu enrijecedor de borda, alterando a forma inicial da seção transversal. Portanto, as normas mais atuais têm apresentado procedimentos para avaliar a resistência de barras com base na flambagem por distorção, como o procedimento simplificado da norma australiana AS/NZS 4600:1996, proposto por HANCOCK e que foi também adotado pela recente norma brasileira NBR 14762:2001, o método direto de resistência, recentemente proposto para incorporação à especificação do AISI (American Iron and Steel Institute) e a GBT (Generalized Beam Theory).Nesse trabalho é feita uma abordagem dos procedimentos propostos para a avaliação da flambagem por distorção em barras submetidas à compressão centrada e à flexão, comparando-se os resultados obtidos pelo procedimento da norma brasileira, pela análise elástica via método das faixas finitas - MFF e pela análise via método dos elementos finitos - MEF, admitindo barras sem e com imperfeições iniciais. É feita também uma abordagem com relação aos outros procedimentos internacionais para a avaliação do fenômeno. / Cold-formed steel members present, in many cases, an elevated width/thickness ratio (thin-walled members), which probably lead up to the local buckling, which is characterized by a plate buckling, and also may lead up to another buckling mode, called distortional buckling, not considered on the design of hot-rolled members, but which may result critical in cold-formed members, specially in the ones with edge stiffeners and made with high strength steel. Such phenomena is characterized by the instability of the group formed by the compression flange and its stiffener, changing the initial shape of the cross section. Nowadays, codes present procedures to evaluate member’s resistance also due to distortional buckling, as the simplified method in the Australian code, AS/NZS 4600:1996, proposed by HANCOCK, which was adopted by the new Brazilian code, NBR 14762:2001, the Direct Strenght Method, recently proposed as an AISI (American Iron and Steel Institute) Draft, and the GBT (Generalilzed Beam Theory).This work talks about procedures proposed to evaluate distortional buckling in members under compression and bending, comparing results obtained by the method showed in the brazilian code, by numerical Finite Strip Method elastic analisys - FSM, and by Finite Element Method analisys – FEM, on members with and without initial imperfections. It is also done an explanation related to other international procedures to evaluate the phenomena.

Apresenta-se neste trabalho um estudo teórico-experimental sobre a instabilidade de perfis formados a frio submetidos à flexão. A instabilidade distorcional se faz comum na presença de tensões de compressão atuando sobre perfis enrijecidos e fabricados com aços de elevada resistência mecânica. A parte teórica abrange os métodos de cálculo analíticos e numéricos para a análise de instabilidade distorcional de perfis de seção aberta formados a frio. Na parte experimental inclui-se o estudo de perfis formados a frio com seções do tipo U enrijecidos submetidos aos ensaios à flexão. Nestes ensaios variou-se a altura de alma e espessura de chapa procurando-se abranger maior número de condições geométricas para análise da estabilidade distorcional. Inclui-se também a análise de instabilidade numérica dos perfis do programa experimental através do método de resistência direta via método das faixas finitas. Com base nos resultados experimentais, numéricos e na análise teórica do problema, verificou-se o procedimento adotado pela NBR14762/2001 e efetuou-se comparação entre curvas de resistência propostas para o dimensionamento de perfis formados a frio à flexão. Foi verificado que o fenômeno de instabilidade distorcional pode ser o estado limite último crítico para o dimensionamento dos perfis formados a frio. / This work present a study theoretical-experimental about the distortional buckling of cold-formed steel members under bending. The distortional buckling is common for members with edge-stiffened sections and manufactured with steel of high strength. The theorical part present the analitic and numerical methods for stability analysis by distortional buckling. The experimental part included the study of cold-formed with sections channel altering flange width and thickness by proof in flexural members. Included too the numerical analysis by Direct Strength Method in Finite Strip Method on members with the same configurations of experimental investigation. Based on the experimental measurements, numerical analysis and in the theorical analysis of work, verified the procedures adopted in brazilian code NBR14762/2001 and compared with others distortional curve proposed for to design of cold-formed members under bending. Verified that the distortional buckling may control the design being the critical mode for the ultimate limit state.

Há basicamente dois sistemas empregados para promover a continuidade das terças de múltiplos vãos: transpasse e luva. Do ponto de vista do transporte e da montagem, o sistema de luvas é vantajoso em relação ao sistema de transpasse, uma vez que conduz a barras de menor comprimento. Entretanto, o emprego de luvas tem sido pouco explorado, devido principalmente ao pouco conhecimento sobre o comportamento estrutural do sistema e, consequentemente, pela ausência de recomendações de projeto disponibilizadas pelas normas e manuais técnicos. Neste trabalho foram analisadas a rigidez e a resistência de terças de seção transversal Z contínuas por meio de luvas. Para tanto, uma série de quinze protótipos de terças de aço formadas a frio foi submetida a ensaios de flexão, variando-se a altura do perfil, espessura e comprimento da luva e o vão. Foi conduzida uma análise da viabilidade do método da resistência direta (MRD) ao dimensionamento de terças contínuas por meio de luvas. Em relação à rigidez, curvas momento-rotação calibradas experimentalmente foram implementadas em modelos numéricos por meio de molas rotacionais, buscando simular o comportamento não linear da ligação. Posteriormente, uma análise paramétrica foi realizada, resultando na expressão momento-rotação proposta com base nas variáveis investigadas. Essa expressão representa a rigidez da ligação, que aliada a um modelo simples barra-mola, permite a avaliação mais precisa dos esforços solicitantes e deslocamentos de terças com luvas. / There are basically two systems employed to promote the continuity of multi-span purlins: overlap and sleeve. From the point of view of transport and assemblage, the sleeve system is advantageous in relation to the overlap system since it leads to shorter length bars. However, the use of sleeves has not been hardly explored mainly due to lack of knowledge about the system structural behavior and, therefore, the absence of design recommendations provided by standards and technical manuals. This study analyzed the stiffness and strength of continuous Z-section purlins with sleeved bolted connection. In order to develop the study a series of fifteen prototype were tested in bending; their cross-section height, thickness, sleeve length and span were varied. A viability analysis of the Direct Strength Method (DSM) for design of continuous sleeve purlins was conducted. In relation to stiffness, moment-rotation curves were calibrated experimentally and implemented in numerical models through rotational springs to simulate the nonlinear behavior of the connection. Afterwards, a moment-rotation expression based on the studied variables and a parametric analysis was proposed. This expression represents the connection stiffness and, when implemented in a simple spring-beam model, allows a more accurate prediction of the internal efforts and displacements in the purlin-sleeve system.

Terças e longarinas metálicas são geralmente projetadas no Brasil desconsiderando a interação com as telhas, ou seja, como barras isoladas, apesar da norma brasileira NBR 14762:2001 apresentar um procedimento de cálculo que leva em consideração tal interação (método do fator R). O comportamento estrutural do sistema terça-telha é complexo e a análise completa deve considerar a não-linearidade geométrica e física, bem como a influência do contato e da conexão terça-telha. Foram analisados modelos numéricos propostos na literatura e desenvolvido um modelo via método dos elementos finitos (MEF) que incorpora as não-linearidades e o contato terça-telha. O modelo foi calibrado com resultados experimentais e posteriormente foi realizada uma análise paramétrica, a qual permitiu gerar expressões que relacionam a força (vento de sucção) com os deslocamentos. Foi também analisada a viabilidade da aplicação do método da resistência direta (MRD) ao dimensionamento de terças restringidas pela telha, empregando o método das faixas finitas (MFF) para a análise de estabilidade elástica, em que a restrição promovida pela telha foi modelada por meio de vínculos elásticos na mesa conectada com a telha. Foram considerados dois casos de distribuição de tensões normais: (i) tensões oriundas somente da flexão e (ii) tensões oriundas da flexão e torção. Em ambos os casos o momento resistente apresentou diferenças relativamente elevadas em relação ao obtido pelo método do fator R, refletindo a necessidade de uma abordagem específica do método para o sistema terça-telha. / The structural behavior of purlin-sheeting system is complex and the complete analysis should consider the physical and geometrical nonlinearity, as well as the influence of the purlin-sheeting contact and connection. The brazilian code NBR 14762:2001 provides a design procedure to consider the interaction between a purlin or girt connected to the sheeting (factor R method). In Brazil purlins and girts are typically designed as isolated beams, without consideration for this purlin-sheeting combination. Numerical models proposed in the literature were analyzed and a finite element model (FEM) was developed considering nonlinearities and the contact between purlin and sheeting. The model was validated through experimental results and then implemented in a parametrical analysis. Expressions were generated using the parametrical results to relate the loading (wind uplift) to the displacements. The direct strength method (DSM) was analyzed to the designed of purlins restrained by sheeting. The finite strip method (FSM) was used for elastic buckling determination. The restraint applied to the sheeting was modeled using an elastic foundation on the flange connected to the sheeting. Two stress distributions were considered: (i) bending stresses and (ii) bending and warping stresses. In both cases the nominal flexural strength presented considerable differences compared to the factor R design method, reflecting the necessity of a specific study to evaluate the viability of the DSM approach for purlin design.

Terças e longarinas metálicas são geralmente projetadas no Brasil desconsiderando a interação com as telhas, ou seja, como barras isoladas, apesar da norma brasileira NBR 14762:2001 apresentar um procedimento de cálculo que leva em consideração tal interação (método do fator R). O comportamento estrutural do sistema terça-telha é complexo e a análise completa deve considerar a não-linearidade geométrica e física, bem como a influência do contato e da conexão terça-telha. Foram analisados modelos numéricos propostos na literatura e desenvolvido um modelo via método dos elementos finitos (MEF) que incorpora as não-linearidades e o contato terça-telha. O modelo foi calibrado com resultados experimentais e posteriormente foi realizada uma análise paramétrica, a qual permitiu gerar expressões que relacionam a força (vento de sucção) com os deslocamentos. Foi também analisada a viabilidade da aplicação do método da resistência direta (MRD) ao dimensionamento de terças restringidas pela telha, empregando o método das faixas finitas (MFF) para a análise de estabilidade elástica, em que a restrição promovida pela telha foi modelada por meio de vínculos elásticos na mesa conectada com a telha. Foram considerados dois casos de distribuição de tensões normais: (i) tensões oriundas somente da flexão e (ii) tensões oriundas da flexão e torção. Em ambos os casos o momento resistente apresentou diferenças relativamente elevadas em relação ao obtido pelo método do fator R, refletindo a necessidade de uma abordagem específica do método para o sistema terça-telha. / The structural behavior of purlin-sheeting system is complex and the complete analysis should consider the physical and geometrical nonlinearity, as well as the influence of the purlin-sheeting contact and connection. The brazilian code NBR 14762:2001 provides a design procedure to consider the interaction between a purlin or girt connected to the sheeting (factor R method). In Brazil purlins and girts are typically designed as isolated beams, without consideration for this purlin-sheeting combination. Numerical models proposed in the literature were analyzed and a finite element model (FEM) was developed considering nonlinearities and the contact between purlin and sheeting. The model was validated through experimental results and then implemented in a parametrical analysis. Expressions were generated using the parametrical results to relate the loading (wind uplift) to the displacements. The direct strength method (DSM) was analyzed to the designed of purlins restrained by sheeting. The finite strip method (FSM) was used for elastic buckling determination. The restraint applied to the sheeting was modeled using an elastic foundation on the flange connected to the sheeting. Two stress distributions were considered: (i) bending stresses and (ii) bending and warping stresses. In both cases the nominal flexural strength presented considerable differences compared to the factor R design method, reflecting the necessity of a specific study to evaluate the viability of the DSM approach for purlin design.

Apresenta-se neste trabalho um estudo teórico-experimental sobre a instabilidade de perfis formados a frio submetidos à flexão. A instabilidade distorcional se faz comum na presença de tensões de compressão atuando sobre perfis enrijecidos e fabricados com aços de elevada resistência mecânica. A parte teórica abrange os métodos de cálculo analíticos e numéricos para a análise de instabilidade distorcional de perfis de seção aberta formados a frio. Na parte experimental inclui-se o estudo de perfis formados a frio com seções do tipo U enrijecidos submetidos aos ensaios à flexão. Nestes ensaios variou-se a altura de alma e espessura de chapa procurando-se abranger maior número de condições geométricas para análise da estabilidade distorcional. Inclui-se também a análise de instabilidade numérica dos perfis do programa experimental através do método de resistência direta via método das faixas finitas. Com base nos resultados experimentais, numéricos e na análise teórica do problema, verificou-se o procedimento adotado pela NBR14762/2001 e efetuou-se comparação entre curvas de resistência propostas para o dimensionamento de perfis formados a frio à flexão. Foi verificado que o fenômeno de instabilidade distorcional pode ser o estado limite último crítico para o dimensionamento dos perfis formados a frio. / This work present a study theoretical-experimental about the distortional buckling of cold-formed steel members under bending. The distortional buckling is common for members with edge-stiffened sections and manufactured with steel of high strength. The theorical part present the analitic and numerical methods for stability analysis by distortional buckling. The experimental part included the study of cold-formed with sections channel altering flange width and thickness by proof in flexural members. Included too the numerical analysis by Direct Strength Method in Finite Strip Method on members with the same configurations of experimental investigation. Based on the experimental measurements, numerical analysis and in the theorical analysis of work, verified the procedures adopted in brazilian code NBR14762/2001 and compared with others distortional curve proposed for to design of cold-formed members under bending. Verified that the distortional buckling may control the design being the critical mode for the ultimate limit state.

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:03:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Gregorio Sandro Vieira.pdf: 2051926 bytes, checksum: 3f1641739e31761ce674bd4e06e87c0d (MD5) Previous issue date: 2010-03-19 / This paper presents an experimental study done in bi-metal beams supported from 3000 mm in length, composed of thin-walled, resulting in a section of the "I". The beams were formed from the welding of the souls of two metal profiles of type U. The variables were the type of profile used, the quantity and positioning of the welded seams. The beams were divided into two groups where the first group used profiles of the "U" and the second group used simple profiles such as "U" stiff. Each group was composed of three beams so that a beam does not receive any amendment, another amendment received a girder high up in the middle of the span, and the third top beam was amended so that the position would result in an amendment pierced. The applied load was set so as to leave the central part of the beams, which served as a region of the present study, working in pure bending. Test results for beams without amendment were compared with the theoretical results and served as a parameter to compare the behavior of these beams, with beams that were amended. Also a comparison was made between the bearing capacity of the two groups of beams. The experiments showed that, by making the proper control of welding there is no problem in making welded seams in the rafters. We also observed that the simple addition of stiffening beams tables promotes a significant increase in the bearing capacity. There was no correlation between failure modes provided theoretically and observed experimentally, thus, further studies are needed to properly analyze the theoretical results with experimental results. / Este trabalho apresenta um estudo experimental feito em vigas metálicas bi-apoiadas de 3000 mm de comprimento, compostas por perfis formados a frio, resultando em uma seção do tipo I . As vigas foram formadas a partir da soldagem das almas de dois perfis metálicos do tipo U. As variáveis estudadas foram o tipo de perfil utilizado, a quantidade e o posicionamento das emendas soldadas. As vigas foram dividas em dois grupos onde, o primeiro grupo utilizou perfis do tipo U simples e o segundo grupo utilizou perfis do tipo U enrijecido. Cada grupo foi composto por três vigas de forma que uma viga não recebeu nenhum tipo de emenda, outra viga recebeu uma emenda de topo no meio do vão, e a terceira viga recebeu emendas de topo de forma que o posicionamento resultasse em uma emenda trespassada. O carregamento aplicado foi disposto de forma a deixar a parte central das vigas, que serviu como região de estudo deste trabalho, trabalhando em flexão pura. Os resultados dos ensaios para as vigas sem emenda foram comparados com os resultados teóricos e serviram de parâmetro para a comparação do comportamento destas vigas, com o das vigas que receberam emendas. Também foi feita uma comparação entre a capacidade portante dos dois grupos de vigas. Os experimentos constataram que, fazendo-se o controle adequado da soldagem não há problemas em se fazer emendas soldadas nas vigas. Também foi observado que o simples acréscimo de enrijecimento nas mesas das vigas promove um acréscimo significativo da capacidade portante. Não houve concordância entre os modos de ruptura previstos teoricamente e os observados experimentalmente, assim, são necessários mais estudos para se analisar adequadamente os resultados teóricos com os resultados experimentais.