[pt] Dutos são sistemas eficientes e seguros para o transporte de óleo e gás. O estudo da capacidade de carga de dutos em condições de serviço envolvendo o transporte de produtos agressivos e sujeitos a altas temperaturas e pressões ganha atualmente maior interesse dada a severidade das condições de operação e a crescente necessidade de manutenção e adaptação dos dutos existentes às condições atuais de serviço. No entanto,a presença de defeitos e imperfeições em segmentos de dutos pode ocasionar a redução na resistência do mesmo e eventualmente sua falha. Este trabalho tem como objetivo a previsão do comportamento de dutos sujeitos a cargas combinadas, tendo em vista os carregamentos que podem ocorrer em campo. São contemplados nestes carregamentos efeitos térmicos, movimentos geotécnicos,pressão de operação. No caso de assentamento de solo, o duto pode estar submetido a efeitos de flexão que resultam em curvaturas excessivas. Como consequência ocorre a flambagem local do duto e desenvolvem-se rugas. Nestas condições podem surgir deformações acima dos valores limites estabelecidos em normas.Tendo em vista a natureza tri-dimensional do problema e a investigação do fenômeno de flambagem local, faz-se necessário o entendimento do comportamento tridimensional de cascas em condições de grandes deslocamentos e grandes deformações em regime elasto- plástico.Neste trabalho desenvolvem-se alguns modelos para a previsão do comportamento de dutos submetidos a cargas combinadas. Procura-se reproduzir as condições de ensaio de laboratório de modo a se desenvolver um modelo de previsão confiável. Para tal foram tomados como referência alguns resultados de ensaios disponíveis na literatura. Aspetos de modelagem de condições de contorno e carregamento são enfocados. Dado o desenvolvimento de rugas e de grandes deformações estão presentes também outros aspectos importantes da modelagem como o aparecimento de regiões de auto-contato nas rugas.Alguns exemplos numéricos analisados com o programa comercial de elementos finitos ABAQUS são apresentados. / [en] Pipelines are efficient and safe systems for the transport of oil and gas. The study of the load capacity of these systems under functional conditions which include the transport of aggressive products under high temperatures and pressures has gained larger interest due to the severe operation conditions and growing needs for maintenance and adaptation of the existing pipelines to these conditions. However, the presence of defects and imperfections in pipe segments may lead to reduction of resistance and eventually to failure. The scope of this dissertation is the prediction of the behavior of pipelines subjected to combined load conditions and sequences till collapse, reproducing those which occur on field and in laboratory tests. Axial forces, internal pressure and bending are applied to the model in order to reproduce thermal effects, operating pressure and ground movements. In the case of soil settlement the pipeline may be subject to bending effects which result in excessive curvatures. As a consequence local buckling occurs with the development of wrinkles. Under these conditions strains above those recommended in the codes can take place.Due to the three dimensional nature of the problem the investigation of the local buckling phenomena, requires the understanding of the behavior shells under large displacement and large strain conditions in elasto- plastic regime.In the present work some models are developed for the prediction of the behavior of pipelines subjected to combined loading. Validation of these models allows us to accompany and establish experimental programs. Some reference laboratory results available in the literature are included. Aspects of the modeling such as boundary and loading conditions, material modeling and solution procedure are addressed. The development of wrinkles and large deformations brings into the model additional aspects such as the presence of self-contact areas. Numerical examples are analyzed using the commercial finite element program ABAQUS.

[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.

[pt] Este trabalho tem como objetivo investigar o desempenho de colunas com seção I em polímeros reforçados com fibra de vidro (pGFRP) submetidas a cargas de compressão concêntricas de curta duração. Uma revisão bibliográfica acerca das teorias existentes é apresentada, incluindo os conceitos básicos de instabilidade, teoria de flambagem global e local, modos de falha de colunas perfeitas, bem como o comportamento de colunas reais. Um programa experimental foi conduzido, incluindo a caracterização dos materiais. Vinte e nova colunas – com três diferentes seções I e diferentes tipos de resina, propriedades mecânicas, bem como comprimentos – foram testadas. Do ponto de vista global, as colunas foram biengastadas. As placas constituintes, por sua vez, foram testadas com três diferentes condições de contorno: biengastadas (CC), biapoiadas (SS) e simplesmente em contato com as chapas de base da máquina de compressão (CB). Foi observado que a condição de contorno CB – a mais adotada em estudos anteriores -, se aproxima mais de um engaste do que de uma condição simplesmente apoiada. A distribuição não linear de deformações elásticas ao longo da seção também foi investigada. Finalmente, recomendações para um ensaio de flambagem local apropriado foram propostas. / [en] This work aims to investigate the performance of pultruded glass fiber reinforced polymer (pGFRP) I-section columns subject to short term concentric compression. A review of existing theories is presented, including the instability concepts, global and local buckling theories, perfect columns failure modes and the behavior of real columns. An experimental program including material characterization was conducted. Twenty-nine stubs – with three different I-sections geometries, having distinct flange width-to-section depth ratios (bf/d = 0.5; 0.75 and 1.0), mechanical properties, overall lengths and matrices – were tested. In a global point of view, the columns were fixed at both ends. The constituent plates, on the other hand, were tested with different end-conditions: clamped (CC), simply supported (SS) and simply in contact with base plates of the universal machine (CB). The third analyzed boundary condition, which is the most adopted in previous studies, was concluded to be closer to a clamped end-condition. The non-linear elastic strains distribution throughout the cross-section was also investigated. Finally, guideline recommendations for successful local buckling tests were proposed.

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:03:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 pre-textuais Rodrigo Fernandes.pdf: 349523 bytes, checksum: 27a5e6d7df167303c662872391301d36 (MD5) Previous issue date: 2007-10-01 / This work contains a theoretical analysis of the behavior of plate girders. A plate girder has been calculated based on the criteria of the American standard Manual of Steel Construction Load and Resistance Factor Design (AISC, 1994), and checked by the Brazilian standard NBR 8800: Projeto e execução de estruturas de aço de edifícios (método dos estados limites) (ABNT, 1986), the revision project of the Brazilian standard Projeto de Revisão da NBR 8800: Projeto e execução de estruturas de aço e de estruturas mistas aço-concreto de edifícios (ABNT, 2003), the revision project of the Brazilian standard Projeto de Revisão da NBR 8800: Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios (ABNT, 2007) and the European standard Eurocode 3: Design of steel structures Part 1.1: General rules and rules for buildings (CEN, 1992). PFEIL (1989) has calculated a plate girder by using the Brazilian standard NBR 8800/86. The calculated dimension have been checked by the mentioned standards. NARAYANAN (1992 apud OWENS, KNOWLES E DOWLING, 1992) has dimensioned a plate girder by using the British standard BS 5950: Structural use of steelwork in building. Part 1: Code of practice for design in simple and continuous construction: hot rolled sections (BSI, 1990), which has also been checked by the mentioned standards. Furthermore, theoretical analyses related to the calculus of plate girders presented by many authors have been considered. The main goal is to assess the criteria utilized by the standards for the calculus of plate girders. From the obtained results, for the checked girders, by the standards and related theories, a comparative analysis among the utilized criteria by the standards has been made. The reached conclusion is that the Brazilian standard and its revision projects has identical criteria compared to the American standard for the calculus of plate girders. The European standard presents slightly different criteria compared to the American standard; however, both provide close results one compared to another. The theories utilized have also provided close results from those obtained by the standards. / Neste trabalho é feita uma análise teórica sobre o comportamento de vigas esbeltas. Uma viga esbelta foi dimensionada com base nos critérios da norma americana Manual of Steel Construction Load and Resistance Factor Design (AISC, 1994), e depois verificada pela norma brasileira NBR 8800: Projeto e execução de estruturas de aço de edifícios (método dos estados limites) (ABNT, 1986), pelo projeto de revisão da norma brasileira Projeto de Revisão da NBR 8800: Projeto e execução de estruturas de aço e de estruturas mistas aço-concreto de edifícios (ABNT, 2003), pelo projeto de revisão da norma brasileira Projeto de Revisão da NBR 8800: Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios (ABNT, 2007) e pela norma européia Eurocode 3: Design of steel structures Part 1.1: General rules and rules for buildings (CEN, 1992). PFEIL (1989) dimensionou uma viga esbelta utilizando a norma brasileira NBR 8800/86. As dimensões calculadas foram verificadas pelas normas citadas. NARAYANAN (1992 apud OWENS, KNOWLES E DOWLING, 1992) dimensionou uma viga esbelta utilizando a norma britânica BS 5950: Structural use of steelwork in building. Part 1: Code of practice for design in simple and continuous construction: hot rolled sections (BSI, 1990), a qual foi também verificada pelas normas citadas. Também foram consideradas análises teóricas relativas ao cálculo de vigas esbeltas apresentadas por diversos autores. O objetivo principal é avaliar os critérios utilizados pelas normas para o cálculo de vigas esbeltas. A partir dos resultados obtidos, para as vigas analisadas, pelas normas e pelas teorias existentes, foi feita uma análise comparativa entre os critérios utilizados pelas normas. A conclusão a que se pôde chegar é que a norma brasileira e seus projetos de revisão apresentam critérios idênticos aos da norma americana para o cálculo de vigas esbeltas. A norma européia apresenta critérios um pouco diferenciados dos critérios da norma americana, mas fornecem resultados aproximados entre si. As teorias utilizadas também forneceram resultados aproximados dos resultados obtidos pelas normas.

[pt] Essa pesquisa possui como objetivo investigar os mecanismos de vigas casteladas quanto à sua estabilidade e interação entre modos de flambagem lateral com torção (FLT) e local do tê comprimido (FT). São verificadas as capacidades resistentes de vigas casteladas e, subsequentemente, uma abordagem baseada no Método da Resistência Direta é proposta. As normatizações e guias de dimensionamento atuais tratam dos modos de falha de maneira pouco clara ao considerar a possível interação entre eles, evidenciando a necessidade de estudos e de um método que considere tais efeitos. É realizado um amplo estudo constituído por um universo de 197 vigas casteladas do tipo Litzka biapoiadas sujeitas à flexão pura por meio de modelagem e simulação por análises de elementos finitos lineares e não lineares de material com imperfeições geométricas. Os modelos são validados e o momento último resistente é computado, bem como os momentos críticos dos modos de flambagem global e local. Por fim, são aplicados os conceitos do Método da Resistência Direta e, através de regressão, são propostas equações para previsão do momento nominal resistente levando em conta a interação entre modos de flambagem global e local. Os resultados são comparados com a atual normatização demonstrando melhores valores de previsão para todos os casos, principalmente os que são governados pelo modo local de falha e/ou pela interação dos modos de flambagem. É evidenciada certa discordância dos resultados propostos pelas normas e guias atuais em alguns casos quanto ao dimensionamento à flexão de vigas casteladas, podendo sub ou superestimar sua resistência. / [en] The objective of this research is to investigate the stability mechanisms of castellated beams and the interaction between lateral-torsional and compression tee local buckling modes. A verification of the strength capacity of castellated beams is carried out. Subsequently, an approach based on the Direct Strength Method is proposed for the design of these beams. The treatment of failure modes by current standards and design guides is unclear when considering possible interactions between buckling modes, thus there is a need for more studies and for the development of a design method that takes into account these effects. Firstly, a comprehensive study of 197 simply supported Litzka castellated beams under pure bending moment is carried out. The study involves finite element analyses considering both linear behavior and nonlinear behavior that, which included both material nonlinearity and geometric imperfection. The models are then validated. After computing the moments associated with critical local and global failure modes, and the ultimate moments, along with their respective modes, an approach based on the Direct Strength Method is performed. Equations that consider the interaction for nominal moments prediction are obtained through regression. The developed equation is then compared with current standards procedures. The results show that the proposed equation predicts better values for strength prediction in all cases, especially those in which local and/or interaction failure modes govern the behavior of the beam. The results also show that some of the procedures suggested in standards and guides for the design of castellated beams under flexure, either underestimate or overestimate the failure moment.

[pt] As vigas casteladas estão sujeitas aos modos de falha devido a plastificação (plastificação do tê e mecanismo de Vierendeel) e flambagem (flambagem do montante da alma e flambagem do tê). O tê é a parte da seção transversal na localização da abertura e o montante da alma a região entre duas aberturas adjacentes. Esses modos de falha são tratados no manual do AISC (Design Guide 31) de vigas casteladas como modos individuais. Nesse manual, os esforços locais no tê são calculados através de uma analogia com a viga Vierendeel e a interação entre os modos de falha nessa região são considerados a partir de uma equação de interação. Embora estas verificações estejam coerentes, esse dimensionamento pode ser demasiadamente conservador por não considerar outros fatores como, por exemplo, a resistência pós-crítica. Todavia, estes fatores só podem ser considerados a partir de análises não lineares incluindo a não linearidade do material, não linearidade geométrica e imperfeição geométrica inicial. O presente trabalho tem por objetivo investigar os modos de falha das vigas casteladas do tipo Litzka travadas ao longo do comprimento, descartando assim, modos de falha por flambagem lateral com torção, usando o método dos elementos finitos. Neste trabalho, são avaliadas a influência da interação entre os elementos constituintes da seção transversal (isto é, mesa e alma), a interação entre modos de falha individuais e a reserva de resistência pós-crítica. Foi desenvolvida uma equação semi-analítica relacionando os parâmetros não dimensionais da seção transversal e a razão momento/cortante. Desse modo, foi possível classificar uma dada viga castelada, com geometria e carregamento, quanto ao seu comportamento dominado pela flexão (viga longa) ou pelo cisalhamento (viga curta). Em conjunto com uma esbeltez não dimensional (dependendo da carga crítica e da carga de plastificação) inspirada no Método da Resistência Direta. A partir destes parâmetros foi possível definir um mapa, que permitiu ordenar os modos de falha em regiões predeterminadas. Finalmente, foi realizado um estudo paramétrico, variando a geometria da viga castelada e considerando diferentes razões momento/cortante. Com base nesses resultados foi proposta uma equação do tipo Winter para obter a capacidade a flexão e ao cisalhamento de vigas casteladas com geometrias usuais. / [en] Castellated beams may experience failure modes associated to plastification (plastification of the tee section and Vierendeel mechanism) and buckling (webpost buckling and tee torsional buckling). The term tee is used to refer to the section described by the portion of the web and the flange where there is an opening and web-post is the portion of the section between two adjacent openings. The AISC design Guide 31 addresses each of these modes separately. There, the local forces in the tee section are calculated by an analogy to a Vierendeel beam and the interaction between the failure modes in the tee section is accounted for by an interaction equation. Although this methodology is consistent, it can be excessively conservative because it does not account for other factors, such as, the post-buckling resistance. However, these factors can only be assessed when nonlinear simulations including both material and geometry nonlinearities and initial imperfection are considered. The present work aims to investigate the failure modes of laterally braced Litzca-type castellated beam using the finite element method. In this work, aspects such as mutual influence of the constituent parts to the behavior (i.e., flange and web), interaction of individual modes and post-buckling reserve of strength were evaluated. A semi analytical equation based on geometrical non dimensional parameters and on the ratio of moment and shear load was developed. This way, a given castellated beam could be classified by its geometry and load in relation to the flexure (long beam) or shear behavior (short beam). In addition, together with a non-dimensional slenderness (depending on the plastic and buckling loads) inspired in the Direct Strength Method, a map was created that allowed the organization of the failure modes in pre-defined regions. Finally, a parametric study was carried out varying the geometry of the castellated beam and considering different ratios of moment to shear loads. Based on these results, a Winter-type equation was proposed to assess the load capacity of beams with typical geometries.