Steel beams with web openings are frequently used in construction to achieve attractive, flexible and optimised design solutions. These beams are used to provide passages for building services, to reduce the overall construction height and to achieve long spans. However, the presence of the openings may lead to a substantial reduction in the load carrying capacity of the beam at both ambient and elevated temperatures and introduce additional failure modes including shear-moment interaction at the location of the openings causing the Vierendeel mechanism. Steel beams in practical construction are axially restrained and the presence of this axial restraint can drastically change the behaviour of the beams in comparison to those without axial restraint. One particular issue is premature buckling of the compressive tee-sections around the openings. The aim of this research is to investigate the effects of openings on axially restrained steel beams at elevated temperatures so as to develop an analytical method for design consideration. The analytical derivation will be based on the results of extensive numerical simulations. The research starts with the behaviour of steel beams with web openings under combined axial compression, bending moment and shear force at ambient temperature. The results show that buckling of the compressive tee-sections at the openings can reduce the plastic moment capacity of the openings; and an analytical method has been proposed to incorporate the influences of axial compression and tee-section buckling into the existing shear-moment design equations. The elevated temperature simulations show that axially restrained steel beams with web openings may enter catenary action at much lower temperatures than the commonly accepted critical failure temperatures calculated assuming no axial restraint and no tee-section buckling. Therefore, at the commonly accepted critical failure temperatures, many perforated steel beams exert tensile forces on the adjacent connections. It is important that the connections have the strength and deformation (rotation) capacity to enable catenary action to develop. The parametric study examines, in detail, how changing the different design parameters may affect the elevated temperature behaviour of perforated beams. The examined parameters including load ratio, level of axial restraint, cross-section temperature distribution profile, opening shape, opening size and opening position. Based on the results of the numerical parametric study, an analytical method has been derived to obtain the complete axial force-temperature relationship for axially restrained perforated steel beams. The key points of the analytical method include initial stiffness, point of initial failure under combined axial compression, bending moment and shear force, transition temperature at which the axial force on the beam changes from compression to tension and the magnitude of the tensile force resulting from the beams going into catenary action. Using the analytical method, it is possible to assess the maximum tensile force in the beam and the corresponding temperature so that the safety of the connections can be checked.

As vigas casteladas são fabricadas a partir do corte em zigue-zague da alma de perfis I, após são deslocados e soldados, fazendo com que a viga tenha uma expansão na altura, porém sem aumentar a massa do perfil. As mesmas voltaram a ser uma opção competitiva devido aos avanços tecnológicos, que possibilitam a automação do corte e solda da alma do perfil e com o inicio das produções de perfis I laminados no Brasil em 2002. Apresenta grandes vantagens proporcionando a passagem de dutos e tubulações, aumento na rigidez no plano de flexão e boa estética. O presente trabalho apresenta um estudo analítico-numérico realizado com objetivo de verificar o comportamento de vigas casteladas e vigas casteladas mistas, a fim de apresentar e/ou propor dimensionamentos conforme a norma brasileira para as mesmas. Os trabalhos apresentados por Cimadevila (2000) e Veríssimo (2012) foram utilizados para formulação da análise de vigas casteladas. O trabalho de Lawson (2011) que aborda vigas casteladas mistas com aberturas (circulares e retangulares), que é baseado no EUROCODE 3 (2005), foi utilizado para formulação da metodologia de análise de vigas casteladas mistas. Foram realizadas planilhas para análise de vigas casteladas e vigas mistas com aberturas utilizando as metodologias estudadas, e planilhas de análise de vigas casteladas mistas com a metodologia proposta. Utilizando-se o software ANSYS as planilhas e metodologias puderam ser testadas e validadas. Foram selecionados alguns projetos de dimensionamento para comparar vigas de alma cheia, vigas casteladas, vigas mistas, vigas mistas com aberturas e vigas mistas casteladas. / Castellated beams are made of metal I-beams, in which the webs are first divided by a lengthwise zigzag cut, then these parts are welded together in order to join the peaks of both parts, thus increasing its depth and strength, without mass increasing. Castellated beams are again competitive due to technological advances, which enabled automatic cut and welding the web of the I-beams, and with the beginning of the production of rolled metal I-beams in Brazil in 2002. They exhibit great advantages, such as passing of ducts and pipes, increasing bending stiffness, and having good aesthetics. This work presents analytical and numerical studies looking for analysis the behavior of castellated beams and composite castellated beams in order to develop design methods satisfying the corresponding Brazilian code. The castellated beams analysis were based in the works of Cimadevila (2000) and Veríssimo (2012). The work of Lawson (2011), which concerns composite castellated beams and is based on EUROCODE 3 (2005), was used for the formulation of the methodology of the analysis of composite castellated and cellular beams. Spreadsheets were developed for analysis of castellated beams and composite beams with web openings, using both, the studied methodologies and the suggested methodologies for the composite beams. Using ANSYS software, it was possible to test and validate the developed spreadsheets. Design projects of full web beams, castellated beams, composite beams, composite castellated beams and composite beams with web openings were selected for comparison.

As vigas casteladas são fabricadas a partir do corte em zigue-zague da alma de perfis I, após são deslocados e soldados, fazendo com que a viga tenha uma expansão na altura, porém sem aumentar a massa do perfil. As mesmas voltaram a ser uma opção competitiva devido aos avanços tecnológicos, que possibilitam a automação do corte e solda da alma do perfil e com o inicio das produções de perfis I laminados no Brasil em 2002. Apresenta grandes vantagens proporcionando a passagem de dutos e tubulações, aumento na rigidez no plano de flexão e boa estética. O presente trabalho apresenta um estudo analítico-numérico realizado com objetivo de verificar o comportamento de vigas casteladas e vigas casteladas mistas, a fim de apresentar e/ou propor dimensionamentos conforme a norma brasileira para as mesmas. Os trabalhos apresentados por Cimadevila (2000) e Veríssimo (2012) foram utilizados para formulação da análise de vigas casteladas. O trabalho de Lawson (2011) que aborda vigas casteladas mistas com aberturas (circulares e retangulares), que é baseado no EUROCODE 3 (2005), foi utilizado para formulação da metodologia de análise de vigas casteladas mistas. Foram realizadas planilhas para análise de vigas casteladas e vigas mistas com aberturas utilizando as metodologias estudadas, e planilhas de análise de vigas casteladas mistas com a metodologia proposta. Utilizando-se o software ANSYS as planilhas e metodologias puderam ser testadas e validadas. Foram selecionados alguns projetos de dimensionamento para comparar vigas de alma cheia, vigas casteladas, vigas mistas, vigas mistas com aberturas e vigas mistas casteladas. / Castellated beams are made of metal I-beams, in which the webs are first divided by a lengthwise zigzag cut, then these parts are welded together in order to join the peaks of both parts, thus increasing its depth and strength, without mass increasing. Castellated beams are again competitive due to technological advances, which enabled automatic cut and welding the web of the I-beams, and with the beginning of the production of rolled metal I-beams in Brazil in 2002. They exhibit great advantages, such as passing of ducts and pipes, increasing bending stiffness, and having good aesthetics. This work presents analytical and numerical studies looking for analysis the behavior of castellated beams and composite castellated beams in order to develop design methods satisfying the corresponding Brazilian code. The castellated beams analysis were based in the works of Cimadevila (2000) and Veríssimo (2012). The work of Lawson (2011), which concerns composite castellated beams and is based on EUROCODE 3 (2005), was used for the formulation of the methodology of the analysis of composite castellated and cellular beams. Spreadsheets were developed for analysis of castellated beams and composite beams with web openings, using both, the studied methodologies and the suggested methodologies for the composite beams. Using ANSYS software, it was possible to test and validate the developed spreadsheets. Design projects of full web beams, castellated beams, composite beams, composite castellated beams and composite beams with web openings were selected for comparison.

As vigas casteladas são fabricadas a partir do corte em zigue-zague da alma de perfis I, após são deslocados e soldados, fazendo com que a viga tenha uma expansão na altura, porém sem aumentar a massa do perfil. As mesmas voltaram a ser uma opção competitiva devido aos avanços tecnológicos, que possibilitam a automação do corte e solda da alma do perfil e com o inicio das produções de perfis I laminados no Brasil em 2002. Apresenta grandes vantagens proporcionando a passagem de dutos e tubulações, aumento na rigidez no plano de flexão e boa estética. O presente trabalho apresenta um estudo analítico-numérico realizado com objetivo de verificar o comportamento de vigas casteladas e vigas casteladas mistas, a fim de apresentar e/ou propor dimensionamentos conforme a norma brasileira para as mesmas. Os trabalhos apresentados por Cimadevila (2000) e Veríssimo (2012) foram utilizados para formulação da análise de vigas casteladas. O trabalho de Lawson (2011) que aborda vigas casteladas mistas com aberturas (circulares e retangulares), que é baseado no EUROCODE 3 (2005), foi utilizado para formulação da metodologia de análise de vigas casteladas mistas. Foram realizadas planilhas para análise de vigas casteladas e vigas mistas com aberturas utilizando as metodologias estudadas, e planilhas de análise de vigas casteladas mistas com a metodologia proposta. Utilizando-se o software ANSYS as planilhas e metodologias puderam ser testadas e validadas. Foram selecionados alguns projetos de dimensionamento para comparar vigas de alma cheia, vigas casteladas, vigas mistas, vigas mistas com aberturas e vigas mistas casteladas. / Castellated beams are made of metal I-beams, in which the webs are first divided by a lengthwise zigzag cut, then these parts are welded together in order to join the peaks of both parts, thus increasing its depth and strength, without mass increasing. Castellated beams are again competitive due to technological advances, which enabled automatic cut and welding the web of the I-beams, and with the beginning of the production of rolled metal I-beams in Brazil in 2002. They exhibit great advantages, such as passing of ducts and pipes, increasing bending stiffness, and having good aesthetics. This work presents analytical and numerical studies looking for analysis the behavior of castellated beams and composite castellated beams in order to develop design methods satisfying the corresponding Brazilian code. The castellated beams analysis were based in the works of Cimadevila (2000) and Veríssimo (2012). The work of Lawson (2011), which concerns composite castellated beams and is based on EUROCODE 3 (2005), was used for the formulation of the methodology of the analysis of composite castellated and cellular beams. Spreadsheets were developed for analysis of castellated beams and composite beams with web openings, using both, the studied methodologies and the suggested methodologies for the composite beams. Using ANSYS software, it was possible to test and validate the developed spreadsheets. Design projects of full web beams, castellated beams, composite beams, composite castellated beams and composite beams with web openings were selected for comparison.

Limitações de altura são frequentemente impostas à edificações de múltiplos pavimentos por regulamentos de zoneamento urbano, aspectos econômicos e considerações estéticas. Um pé-direito alto é normalmente requerido para se permitir a passagem de tubulações e dutos de grande diâmetro sob vigas de aço, conduzindo muitas vezes à alturas inaceitáveis entre pavimentos de edificações. Várias são as soluções possíveis para se resolver tal inconveniência, dentre elas pode-se citar: Vigas com inércia variável, stub girders , treliças mistas e vigas misuladas. Outra solução frequentemente utilizada é a abertura de furos na alma das vigas d e aço para a passagem das tubulações de serviço. A presente dissertação tem por objetivo avaliar e descrever o comportamento estrutural de vigas de aço com aberturas de diferentes tamanhos e formas na alma. Outro propósito deste trabalho de pesquisa é a avaliação dos parâmetros que influenciam diretamente a capacidade de resistência das vigas com diferentes tipos de abertura na alma, tais como: Tipo de furo, localização do furo ao longo do vão, altura do furo em relação à altura do perfil, esbeltez da alma, localização da carga solicitante ao longo do vão, entre outros. Também é objetivo deste trabalho, a avaliação dos diferentes mecanismos de ruína para as vigas com aberturas na alma e as causas que conduziram o colapso das mesmas. Finalmente, apresenta-se um estudo da eficácia de enrijecedores longitudinais nos locais de abertura da alma das vigas de aço. A metodologia empregada para tal estudo baseou-se em uma análise paramétrica com o auxílio do método numérico dos elementos finitos. / Height limitations are frequent in multi-storey buildings due to zoning regulations, economic requirements and esthetical considerations . In order to provide the passage of large pipes and ducts beneath steel beams, huge spaces are normally required, leading many times to unacceptable heights between storeys. There are many possible solutions to solve these problems, such as: Tapered beams, stub girders, composite trusses and haunched beams. Another frequent solution is the opening of holes in the web beam steel to enable the passage of the services. This dissertation has the objective of evaluating and describing the structural behavior of steel beams with web openings of different shapes and sizes. Another aim of this research work is the evaluation of the parameters that directly influence the load carry capacity of the beams with different web openings, such as: Holesh ape, the location of the opening throughout the span, the height hole to height profile ratio, the web slenderness and the location of the load point throughout the span. The evaluation of the different failure mechanisms of steel beams with web openings and the reasons that conducted the collapse of them are also focused on the present work. Finally, a study of the efficiency of the use of longitudinal stiffeners at web openings locations is also presented. The methodology employed for such study was based on a parametric analysis based on the finite elements method.

Limitações de altura são frequentemente impostas à edificações de múltiplos pavimentos por regulamentos de zoneamento urbano, aspectos econômicos e considerações estéticas. Um pé-direito alto é normalmente requerido para se permitir a passagem de tubulações e dutos de grande diâmetro sob vigas de aço, conduzindo muitas vezes à alturas inaceitáveis entre pavimentos de edificações. Várias são as soluções possíveis para se resolver tal inconveniência, dentre elas pode-se citar: Vigas com inércia variável, stub girders , treliças mistas e vigas misuladas. Outra solução frequentemente utilizada é a abertura de furos na alma das vigas d e aço para a passagem das tubulações de serviço. A presente dissertação tem por objetivo avaliar e descrever o comportamento estrutural de vigas de aço com aberturas de diferentes tamanhos e formas na alma. Outro propósito deste trabalho de pesquisa é a avaliação dos parâmetros que influenciam diretamente a capacidade de resistência das vigas com diferentes tipos de abertura na alma, tais como: Tipo de furo, localização do furo ao longo do vão, altura do furo em relação à altura do perfil, esbeltez da alma, localização da carga solicitante ao longo do vão, entre outros. Também é objetivo deste trabalho, a avaliação dos diferentes mecanismos de ruína para as vigas com aberturas na alma e as causas que conduziram o colapso das mesmas. Finalmente, apresenta-se um estudo da eficácia de enrijecedores longitudinais nos locais de abertura da alma das vigas de aço. A metodologia empregada para tal estudo baseou-se em uma análise paramétrica com o auxílio do método numérico dos elementos finitos. / Height limitations are frequent in multi-storey buildings due to zoning regulations, economic requirements and esthetical considerations . In order to provide the passage of large pipes and ducts beneath steel beams, huge spaces are normally required, leading many times to unacceptable heights between storeys. There are many possible solutions to solve these problems, such as: Tapered beams, stub girders, composite trusses and haunched beams. Another frequent solution is the opening of holes in the web beam steel to enable the passage of the services. This dissertation has the objective of evaluating and describing the structural behavior of steel beams with web openings of different shapes and sizes. Another aim of this research work is the evaluation of the parameters that directly influence the load carry capacity of the beams with different web openings, such as: Holesh ape, the location of the opening throughout the span, the height hole to height profile ratio, the web slenderness and the location of the load point throughout the span. The evaluation of the different failure mechanisms of steel beams with web openings and the reasons that conducted the collapse of them are also focused on the present work. Finally, a study of the efficiency of the use of longitudinal stiffeners at web openings locations is also presented. The methodology employed for such study was based on a parametric analysis based on the finite elements method.

[pt] Estruturas cada vez mais esbeltas têm sido usadas para otimizar edifícios de grande porte e reduzir custos, inclui-se nisto o pé-direito das edificações e portanto a altura das vigas. Grandes vãos são cada vez mais comuns, principalmente quando se utiliza aço em edificações, gerando então amplos espaços de serviço em uma direção, mas obstáculos na outra pela continuidade das vigas. A utilização de aberturas na alma das vigas para passagem de tubulações de ar-condicionado, incêndio, etc., evita um acréscimo na altura. Em consequência há uma grande diminuição da capacidade resistente nestes elementos estruturais que dependem diretamente da forma, do tamanho e da posição destas aberturas. A presente dissertação descreve alguns métodos construtivos de aberturas em almas de vigas de aço, cálculos de dimensionamentos e normas relacionadas. Alguns estudos numéricos com aplicações do método dos elementos finitos foram realizados investigando: angulação de aberturas hexagonais, vigas com três aberturas nos terços médios, vigas casteladas (tipo Litzka, com quantidades diferentes de aberturas), vigas expandidas em altura e uma viga Litzka Expandida. Para tal, utilizou-se de seis perfis de uso prático e comparando-os entre estas alternativas descritas. A viga Litzka Expandida se destacou em resistência quando comparada com outros métodos de fabricação, como também pelo menor peso linear, praticidade na fabricação e posicionamento das aberturas. / [en] More slender structures are used in order to reduce costs, floors depht and floor to ceiling clear heights. Steel construction and composite construction for buildings often employs long spans for beams and girders, offering service room between beams in one direction only. The use of web openings for passage of service ducts avoids increasing the depth of construction. Beams with web openings have reductions on flexural and shear resistances depending on the geometry, size and position of such openings on the beam. This dissertation presents some construction methods of beam web openings, analysis and design recommendations, related standards and codes. Some numerical studies by the finite elements method were carried out and results are presented for: type of openings, number and spacing of openings, castelled beams (Litzka type and nonuniform distribution of openings) and expanded in depth beams. For this purpose, six commonly used profiles were used for testing the described web openings solutions. Some comparison results are presented. The Litzka type of web expanded beam presented the best performance in terms of strength, easy of fabrication and reduction of material costs.