Thesis (M.S.)--University of Missouri-Columbia, 2007. / The entire dissertation/thesis text is included in the research.pdf file; the official abstract appears in the short.pdf file (which also appears in the research.pdf); a non-technical general description, or public abstract, appears in the public.pdf file. Title from title screen of research.pdf file (viewed on April 1, 2008) Includes bibliographical references.

The increased depth of castellated beams presents stability problems, specifically during erection. During erection the castellated beam must support the weight of an erector and self-weight until the continuous bracing of the floor deck is in place. The stability of the unbraced member is based on its resistance to lateral-torsional buckling. The cross-sectional properties that are related to lateral-torsional buckling, such as out-of-plane bending, warping constant, and torsional constant were calculated using three different approaches to model the unique geometry of castellated beams. These properties were used in various lateral-torsional buckling solutions to determine which procedure should be used to check for this mode of failure. Two specimens were tested to evaluate the results of the analytical unbraced length determination process. The tests results were used to better model the contribution of the web-to-column flange double angle connection on the stability of the castellated beam. / Master of Science

The purpose of the research reported here was to determine if single angles can be used for chord and web members in lightweight steel open web rafters, and if so to determine what effect the single angles have on the design of the rafter's members. A computer model was constructed to determine the effects of a unsymetric cross section coupled with eccentric loadings of the members on out-or-plane displacements, and bending moments and stresses in the chord and web members. This computer model modeled the eccentricities and unsymetric section properties of the single angles. A study of the effect of out-or-plane bracing on the bending moments and stresses was also conducted. Finally various web configurations (angle web members on the same side, alternating, and opposite) were studied to determine their effect on moments in the web and chord members, along with their effect on out-or-plane displacements. A preliminary design procedure for chord and web members using the new AISC ""Specification For Allowable Stress Design of Single Angle Members" is presented. Finally suggestions on out-of-plane bracing and connections are made. / Master of Science

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:28:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 4285761 bytes, checksum: aedb2e19642633492bc8af806dae08de (MD5) Previous issue date: 2013-02-04 / Castellated beams are fabricated from rolled I-beams. The web of the section is cut by flame along the longitudinal axis according to a zigzag trace. The two halves are then welded together to produce a beam of greater depth with a sequence of openings in the web. The resulting beam has a larger section modulus and greater bending rigidity than the original section, without an increase in weight. Composite structures of steel and concrete have been an alternative increasingly employed in the construction industry by offering constructive and economic advantages over other building technologies. The interest in composite castellated beams arises as a result of the use of castellated beams in floor systems, since the composite solution can further contribute increasing inertia and ultimate strength.. The main objective of this work is the evaluation of the structural behavior of composite castellated beams of steel and concrete, obtained from numerical simulation using the Finite Element Method. For development of the numerical model the computer program ABAQUS was used considering geometric and material nonlinearity. The numerical model allows to consider different degrees of interaction between steel and concrete with partial or full transmission of the shear flow that occurs at the interface between the concrete slab and the steel beam. In order to validate the numerical model, five experimental models of composite castellated beams of steel and concrete, with symmetrical openings, whose test results are available in the literature, were analyzed. The numerical model is able to adequately represent the structural behavior of composite castellated beams of steel and concrete, including the ultimate capacity and failure modes identified. The strategies adopted to simulate the interaction between steel and concrete allowed to reproduce the phenomena observed in experimental models for different types of openings and different degrees of interaction between steel and concrete. / As vigas alveolares são obtidas de perfis de aço tipo I ou H, a partir da expansão da alma dos mesmos, o que gera um ganho de inércia, mantendo-se a mesma massa do perfil original. As estruturas mistas de aço e concreto têm sido uma alternativa cada vez mais empregada na construção civil por oferecerem vantagens construtivas e econômicas em relação a outras tecnologias construtivas. O interesse por vigas alveolares mistas surge como consequência do uso de vigas alveolares em sistemas de piso, já que a solução mista pode contribuir ainda mais com o ganho de inércia e de resistência última. O objetivo principal deste trabalho é a avaliação do comportamento estrutural de vigas alveolares mistas de aço e concreto, obtidas a partir de perfis laminados, por meio de simulação numérica utilizando o Método dos Elementos Finitos. Para o desenvolvimento do modelo numérico utilizou-se o programa computacional ABAQUS, considerando-se a não-linearidade material e geométrica. O modelo numérico desenvolvido permite considerar diferentes graus de interação entre aço e concreto, com a transmissão de parte (interação parcial) ou da totalidade (interação completa) do fluxo de cisalhamento que ocorre na interface entre a laje de concreto e a viga de aço. Para validação do modelo numérico foram analisados cinco modelos experimentais de vigas alveolares mistas de aço e concreto, com aberturas simétricas, cujos resultados de ensaio estão disponíveis na literatura. O modelo numérico desenvolvido foi capaz de representar adequadamente o comportamento estrutural de vigas alveolares mistas de aço e concreto, tanto no que se refere à capacidade última dos elementos estruturais, como no que se refere aos modos de colapso identificados. As estratégias adotadas para simular a interação entre aço e concreto permitiram reproduzir os fenômenos observados nos modelos experimentais, para os diferentes tipos de abertura e graus de interação entre aço e concreto.

[pt] As vigas de aço com abertura de alma propiciam a passagem de tubulações de serviços e instalações, fornecendo boa capacidade de resistência aos esforços cortantes. As vigas casteladas e as vigas celulares apresentam limitações de dimensões da abertura que estão ligadas à altura do perfil base, geralmente produzindo-se um perfil 50 por cento maior em altura. Neste trabalho, são estudadas as vigas casteladas expandidas em altura, através da soldagem de uma chapa complementar de alma, de modo a se obter vigas de maior inércia, mais leves e com maiores aberturas. O presente trabalho aborda os resultados obtidos através da modelagem por elementos finitos com análise não linear física e geométrica, com vistas a investigação do comportamento estrutural quanto a resistência da seção transversal e rigidez visando-se a redução de custos de fabricação pela eliminação da soldagem de chapas de reforço na região da abertura. / [en] Steel beams with web openings allow integration between structural and tubular services and facilities, providing good shear strength capacity. The castellated and cellular beams have limitations due to this web openings and results in a profile with 50 per cent higher depth. In this research, depth expanded castellated beams with the use of an additional welded plate will be studied, aiming the obtainment of higher inertia as well as wider openings on lighter beams. The present work addresses the results results obtained through the finite element method using physical and geometric nonlinear analysis, observing the structural behavior regarding stiffness and strength in order to reduce manufacturing costs since the reinforcement plates in the areas will no more be required.

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-12-11T11:29:18Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Pedro Henrique Pedrosa de Melo - 2018.pdf: 47578131 bytes, checksum: 8fbf8b63ebd4d5db7f6f6223bd26712a (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2018-12-12T10:37:34Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Pedro Henrique Pedrosa de Melo - 2018.pdf: 47578131 bytes, checksum: 8fbf8b63ebd4d5db7f6f6223bd26712a (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-12-12T10:37:34Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Pedro Henrique Pedrosa de Melo - 2018.pdf: 47578131 bytes, checksum: 8fbf8b63ebd4d5db7f6f6223bd26712a (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-10-22 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Goiás - FAPEG / The present paper deals with the main subjects related to castellated steel beams, initially showing a brief review of the history of emergence and use of the world, highlighting the characteristics that favored the growth of use and the difficulties of its use. The main failure modes are characterized, highlighting the analytical procedures available in the literature to circumvent them, in order to propose a calculation procedure for the design. The proposed procedure is evaluated through the experimental result of four surveys. The work also presents numerical modeling, using Finite Element Method (FEM), for beams available in the technical literature, in order to complement the analysis of beam behavior during loading and to verify the validity of the proposed numerical model, mainly in relation to the analysis criteria adopted in the numerical model, such as von Mises stress distribution, isotropic hardening and tensile stress behavior of the steel using the multilinear graph, also available in the technical literature. The validity allows the proposed beams, with Anglo-Saxon geometry, Litzka and Peiner, to have reliability of analysis of the model, and for the proposed loading the Anglo-Saxon beam obtained greater resistance, mainly due to the small distance between the holes and also the lowest overall width of the aperture. The results of the numerical models, via MEF, showed good precision when compared to the experimental results, showing that MEF is an extremely useful tool for nonlinear analysis, provided the model is properly calibrated. Another important result is the resistance values presented by the proposed analytical procedure, which presents a good approximation to the actual values of the experiment and also the resistance values obtained in the proposed numerical models, and can be adopted for the practical dimensioning of these beams. / O presente trabalho aborda os principais assuntos relacionados às vigas alveolares casteladas, mostrando inicialmente uma breve revisão do histórico de surgimento e utilização pelo mundo, ressaltando as características que favoreceram o crescimento de utilização e quais as dificuldades de seu uso. Os principais modos de falha são caracterizados, ressaltando os procedimentos analíticos disponíveis na literatura para contorná-los, de forma a se propor um procedimento de cálculo para o dimensionamento. O procedimento proposto é avaliado por meio do resultado experimental de quatro pesquisas. O trabalho também apresenta uma modelagem numérica, via Método dos Elementos Finitos (MEF), para vigas disponíveis na literatura técnica, de forma a complementar a análise do comportamento das vigas durante o carregamento e também verificar a validade do modelo numérico proposto, principalmente em relação aos critérios de análise adotados no modelo numérico, como distribuição das tensões de von Mises, endurecimento isotrópico e comportamento tensão x deformação do aço por meio do gráfico multilinear, também disponível na literatura técnica. A validade permite que as vigas propostas, com geometria Anglosaxão, Litzka e Peiner, possuam confiabilidade de análise do modelo, sendo que para o carregamento proposto a viga Anglo-saxão obteve maior resistência, devido principalmente pela pequena distância entre os furos e também a menor largura total da abertura. Os resultados dos modelos numéricos, via MEF, apresentaram boa precisão quando comparado aos resultados experimentais, mostrando que que o MEF é uma ferramenta extremamente útil para análises não-lineares, desde que o modelo esteja devidamente calibrado. Outro resultado importante são os valores de resistência apresentados pelo procedimento analítico proposto, ao qual apresenta boa aproximação aos valores reais do experimento e também dos valores de resistência obtidos nos modelos numéricos propostos, podendo, assim, ser adotado para o dimensionamento prático dessas vigas.

[pt] A motivação para este trabalho é desenvolver equações simples, porém suficientemente precisas, que possam ser usadas para projetos de vigas casteladas submetidas à flexão pura, considerando a contribuição do conjunto mesa-alma na flambagem local do elemento. Métodos energéticos - Quociente Rayleigh - são adotados para determinar a equação da tensão crítica aproximada. Neste método, a energia de deformação e o trabalho externo são calculados assumindo uma forma de deflexão aproximada, cinemática admissível e contínua. Assim, a precisão do resultado depende da qualidade da forma de deflexão adotada. Estas funções de forma foram escolhidas com base nos resultados obtidos a partir de modelos numéricos criados usando o software ABAQUS e verificados com o software GBTUL, considerando para analise a interação completa entre a alma e a mesa. As expressões desenvolvidas foram baseadas em aproximações clássicas de estabilidade de placas, validadas com estudos paramétricos realizados com os softwares ABAQUS e GBTUL. Os resultados indicaram que a equação proposta pode efetivamente calcular a tensão crítica relativa a instabilidade local de vigas casteladas. A expressão validada e os limites associados são destinados a ser gerais dentro dos limites típicos das aplicações práticas. / [en] The motivation for this work is to develop a simple yet sufficiently accurate equation that can be used in the design of castellated beams subjected to pure bending, considering the contribution of the web-flange coupling effect in the local buckling. To accomplish this, an energy method - Rayleigh quotient - is adopted to determine the approximate critical stress equation. In this method, the strain energy and the potential work are calculated for an assumed approximate and kinematically admissible continuous deflected shape. Thus, the accuracy of the result is dependent on the quality of the assumed buckled shape. These shape functions were chosen based on the results obtained from numerical models created using ABAQUS software and verified with GBTUL, considering full interaction between web and flange. The developed closed-form expressions were based on classical plate stability approximations, validated with parametric studies performed using ABAQUS and GBTUL. The results indicate that the proposed equation can effectively calculate the critical stress of castellated beams due to local instability. The validated expression and its associated limits are intended to be general within the typical limits of practical applications.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / As vigas casteladas já são utilizadas em diversos tipos de estruturas para se vencer grandes vãos. Há uma nova realidade para o uso de perfis castelados, agora em aço inoxidável. Este trabalho apresenta uma análise comparativa entre vigas casteladas e vigas de alma cheia em perfis IPE, baseadas na norma europeia, no método da resistência contínua; e, também, através de um modelo em elementos finitos desenvolvido no programa Ansys. Este trabalho tem como objetivo verificar o comportamento e a resistência à flexão das vigas casteladas em aço inoxidável. As não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente desta estrutura. A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de von Mises e da lei constitutiva tensão versus deformação multi-linear, de forma a exibir um comportamento elasto-plástico com encruamento. A não-linearidade geométrica foi considerada a partir de uma formulação de Lagrange atualizado. Os resultados numéricos das vigas em estudo foram avaliados quanto aos modos de falha e da distribuição de tensões. Os momentos resistentes analíticos foram comparados com os resultados do modelo numérico apresentando valores satisfatórios e a favor da segurança. / Castellated beams are ordinary used in various types of structures for covering wants to win large spans. In addition, A novel situation has been considered using stainless steel beans. The present dissertation presents a comparative analysis between castellated beams and a solid-section beams, based on the Eurocode and the Continuous Strenght Method; and through a finite element model developed in Ansys program. The main aim of this work was to investigate flexural capacity of castellated stainless steel. Physical and geometrical nonlinearities were incorporated into the models, in order to fully mobilize the load-carrying capacity of the structure. The material nonlinearity was considered adopting the Von Mises yield criteria with a material constitutive law with a multilinear stress versus strain curve associated to a elastic-plastic behavior with hardening. The geometric nonlinearity has been introduced by the update Lagrangian Method. The numerical results of the study beams were evaluated in terms of failure modes and stress distribution analytical. The results were compared to the numerical model results and shows a satisfactory safety values.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Restrições de espaço e altura são frequentemente impostas às edificações residenciais, comerciais, industriais, depósitos e galpões com um ou diversos pavimentos em função de aspectos de regulamentos regionais, técnicos, econômicos ou ainda de natureza estética. A fim de proporcionar a passagem de tubulações e dutos de grande diâmetro sob vigas de aço, grandes alturas são normalmente requeridas, demandando por vezes, magnitudes de altura inviáveis entre pavimentos de edificações. Diversas soluções estruturais podem ser utilizadas para equacionar tais obstáculos, onde dentre outras, pode-se citar as vigas com inércia variável, stub-girders, treliças mistas, vigas misuladas e vigas com uma ou múltiplas aberturas na alma com geometrias variadas. No que tange às vigas casteladas, solução estrutural pautada neste estudo, a estabilidade é sempre um motivo de preocupação tipicamente durante a construção quando os contraventamentos laterais ainda não estão instalados. De qualquer forma, o comprimento destravado em geral alcançado pelos vãos destas vigas, são longos o suficiente para que a instabilidade ocorra. Todavia, o acréscimo substancial da resistência à flexão de tais membros devido ao aumento da altura oriundo de seu processo fabril em relação ao perfil matriz, aliada a economia de material e utilidade fim de serviço, garante a atratividade no aproveitamento destas, para grandes vãos junto aos projetistas. Não obstante, este aumento proporcional no comprimento dos vãos faz com que a instabilidade lateral ganhe importância especial. Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo desenvolver um modelo numérico que permita a realização de uma avaliação paramétrica a partir da calibração do modelo com resultados experimentais, efetuar a análise do comportamento de vigas casteladas e verificar seus mecanismos de falha, considerando comportamento elasto-plástico, além das não-linearidades geométricas. Também é objetivo deste trabalho, avaliar, quantificar e determinar a influência das diferenças geométricas características das vigas casteladas em relação às vigas maciças com as mesmas dimensões, analisando e descrevendo o comportamento estrutural destas vigas de aço para diversos comprimentos de vãos. A metodologia empregada para tal estudo baseou-se em uma análise paramétrica com o auxílio do método numérico dos elementos finitos. / Restrictions of space and height are often imposed to residential, commercial, industrial, warehouses and sheds with one, or several floors, due to aspects like regional regulations, technical, economic or aesthetic nature. In order to provide the passage of pipes and ducts with large diameter under steel girders, that normally requires great heights, sometimes leads to floors building highs with an unviable magnitudes. Several structural solutions can be used to overcome these obstacles, where the most popular are the beams with variable inertia (tapered and haunched beams), stub-girders, trusses, and beams with one or more web openings with various geometries. When castellated beams, structural solution studied and discussed in this dissertation, are considered stability issues at the construction stage becomes to attract the structural engineer attention since the lateral bracing are not yet installed. The unbraced span lengths generally reached by these beams are often long enough to cause instability effects. However, the substantial enhancement in the flexural strength of such members, due to the extra height coming from the manufacturing process in relation with the original profile, combined with the economy of material and utility services, ensures to the designers the attractiveness of this solution, especially when applied to large spans. On the other hand, this proportional increase in span lengths enhances the significance of improving the beam lateral instability resistance. The present investigation aims to develop a numerical model, that calibrated with experimental results, enables the development of a parametric analysis. This analysis aimed to determine the structural behavior of the castellated beams and their associated failure mechanisms, considering an elastic-plastic behavior as well the geometric non-linearities. The investigation was also able to evaluate, quantify and determine the influence of geometry variables like span lengths and cross sections dimensions. The methodology used for this study was developed based on a parametric analysis centred on the finite element method.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:28:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 8690976 bytes, checksum: 44c939a6112d27b6f8696be3efc2044f (MD5) Previous issue date: 2012-03-16 / The growth of steel construction in Brazil in recent years has naturally been accompanied by an increasing demand for resources that support the entire design process of steel structures, from its conception to its realization. In this context, there has been a resurgence of interest in alveolar beams, due to technical and aesthetic advantages that these elements offer, motivated in part by beginning production of steel rolled I profiles in Brazil, from 2002. Generally, the alveolar beams are manufactured from rolled steel I-profiles, by cutting the web along, according to a sinuous symmetrical line so that the halves so obtained can be displaced relative to one another and welded, originating a new beam with a series of web holes, with the same mass as the original profile, but with greater stiffness in the plane of bending, suitable for large spans. Although the alveolar beams are an old solution, abandoned due to rising manufacturing costs in a given time, most recently returned to appear as a competitive solution, due to technological advances in automation of cutting and welding of structural steel. Given the wide range of possibilities available today for the manufacture of alveolar beams, facilitated by the resources of design and computer aided manufacturing, this study aimed to procedures to define the geometric characteristics of alveolar steel beams to floor systems and roof systems, due to the lack of technical updates on this topic. Finally, we present a series of examples of applying the criteria and procedures proposed for various possible situations in the usual structures. / A expansão do segmento da construção metálica no Brasil tem sido acompanhada de uma demanda crescente por recursos que subsidiem todo processo de projeto de estruturas de aço, desde sua concepção até sua materialização. Nesse contexto, observa-se o ressurgimento do interesse pelas vigas alveolares, em função das vantagens técnicas e estéticas que esses elementos oferecem, em parte motivado pelo início da produção de perfis I de aço laminados no Brasil, a partir de 2002. Geralmente, as vigas alveolares são fabricadas a partir de perfis I de aço laminados, cortando-se sua alma longitudinalmente, segundo um traçado sinuoso simétrico, de modo que as metades obtidas podem ser deslocadas uma em relação à outra e soldadas, dando origem a uma nova viga com uma série de furos na alma, com praticamente a mesma massa do perfil original, porém com maior rigidez no plano de flexão, apropriada para grandes vãos. Embora as vigas alveolares sejam uma solução antiga, abandonada devido ao aumento dos custos de fabricação em determinada época, mais recentemente voltaram a figurar como uma solução competitiva, devido aos avanços tecnológicos em automação de corte e solda de aço estrutural. Tendo em vista a ampla gama de possibilidades atualmente existente para a fabricação de vigas alveolares, facilitadas pelos recursos de projeto e fabricação assistidos por computador, este trabalho teve como objetivo desenvolver critérios e procedimentos para o prédimensionamento de vigas alveolares de aço, em função da carência de prescrições técnicas atualizadas sobre o tema. Ao final, é apresentada uma série de exemplos de aplicação dos critérios e procedimentos propostos, para diversas situações possíveis nas estruturas de edificações estruturadas em aço.