Avaliação numérica de estabilidade lateral de vigas casteladas

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.

Simulação computacional do comportamento de estruturas de aço sob incêndio

A análise do comportamento estrutural sob incêndio constitui uma parte importante da engenharia de proteção contra incêndio, especialmente no caso de estruturas de aço, por sua alta condutividade térmica e relativa esbeltez das seções. As dificuldades econômicas e práticas, associadas à avaliação do comportamento estrutural, por meio de ensaios em escala real, têm estimulado o desenvolvimento e uso de métodos de simulação numérica. Esta tese trata da simulação numérica do comportamento de estruturas de aço sob condições de incêndio e se divide em três partes. As duas primeiras partes foram desenvolvidas na Universidade de Liége, na Bélgica, usando-se o programa SAFIR como ferramenta numérica. A terceira parte foi desenvolvida de forma independente, na Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Na primeira parte, é feito um estudo comparativo entre o uso de elementos finitos de viga e de casca, na modelagem de vigas simplesmente apoiadas, sujeitas a flambagem lateral por torção. Os esforços de torção, presentes no caso de flambagem lateral, podem levar a uma plastificação da seção transversal e à conseqüente redução da rigidez à torção da seção. Da mesma forma, a degradação das propriedades do material, com o aumento da temperatura, leva à redução da rigidez à torção Havia dúvidas se o modelo com elementos de viga, com uma rigidez à torção constante, poderia fornecer uma resposta aceitável. O estudo mostrou que uma resposta com boa precisão pode ser conseguida, usando-se elementos de viga, desde que o módulo de elasticidade transversal seja ajustado para refletir seu valor correspondente à temperatura de falha. Isso implica um processo iterativo, uma vez que a temperatura de falha não é previamente conhecida. Por outro lado, a degradação da rigidez à torção, por efeitos de plastificação, pode ser ignorada. Na segunda parte, é feita a comparação entre as modelagens bidimensional e tridimensional, de galpões industriais de um andar, sob incêndio. Comumente, a estrutura de galpões industriais é composta por pórticos-tipo, dispostos em paralelo. A análise desses galpões é comumente feita pela simulação no plano do pórtico de aço ou, simplesmente, da treliça da cobertura Na análise bidimensional, importantes efeitos fora do plano são ignorados, como a redistribuição de esforços devido à degradação do material ou à expansão térmica, ou instabilidade lateral dos elementos. A importância desses efeitos e a adequabilidade do modelo 2D para representar o comportamento real são discutidas. Na terceira parte, um modelo numérico para a simulação tridimensional do comportamento de estruturas de aço sob incêndio é apresentado. O modelo é baseado no conceito de rótulas plásticas generalizadas, com modificações para melhor representar a formação e expansão da plastificação no elemento. A descrição cinemática adotada permite obter bons resultados, mesmo com o uso de poucos elementos. A determinação do vetor de esforços internos no elemento, incluindo os efeitos da temperatura, é detalhada. O procedimento foi validado por comparação com ensaios e com modelos numéricos mais sofisticados, como o programa SAFIR. Os resultados demonstram que o procedimento proposto pode ser usado como uma forma alternativa de análise 3D de estruturas sob incêndio, com precisão razoável e baixo esforço computacional.

Estudo crítico das metodologias de cálculo para perfis dobrados a frio de vigas tipo canal sem enrijecedores de borda

Neste trabalho é realizada uma análise crítica sobre as formas de dimensionamento de estruturas de chapa dobrada, apresentando as metodologias utilizadas pelas principais normas modernas de cálculo, juntamente com metodologias não convencionais. Para realizar dita análise concentrou se a atenção num tipo de perfil simples (perfis não enrijecidos), e submetido a dois tipos de carregamento: carga axial concentrada no centro de gravidade; barra trabalhando como viga em balanço com carga aplicada no centro de corte. Foi realizado um estudo comparativo, entre as normas de cálculo NBR 14762, AISI e Eurocode 3, com outros métodos de dimensionamento, que são: o método direto desenvolvido por Schafer (1997); e duas formulações de análise por elementos finitos: uma considerando a carga de flambagem elástica; e outra empregando uma análise não linear física e geométrica, para perfis submetidos à compressão centrada e à flexão. Neste trabalho realizou-se um estudo paramétrico, registrando em gráficos e tabelas a influência de parâmetros tais como: comprimento do elemento analisado; da relação entre a alma e a mesa; da relação alma e a espessura. Através destes gráficos é possível observar as diversas formas de colapso (flambagem local, flambagem global, colapso plástico entre outras) se apresentando como críticas e interagindo entre si. Realizaram-se também dois experimentos de perfis submetidos à flexão, com o objetivo de verificar a grandeza dos valores obtidos através das diversas metodologias de cálculo. Para aplicação prática dos conceitos e métodos apresentados fez-se a verificação do dimensionamento de uma estrutura utilizada como prateleira em um almoxarifado de uma empresa metalúrgica situada na grande Porto Alegre, a qual apresentou flambagem lateral de seus elementos horizontais.

Evaluating stress patterns for Plio-Quaternary brittle deformation along the Calama-Olacapato-El Toro fault zone, Central Andes

Understanding the geometry and kinematics of the major structures of an orogen is important to elucidate its style of deformation, as well as its tectonic evolution. We describe the temporal and spatial changes in the state of stress of the trans-orogen area of the Calama-Olacapato-El Toro (COT) Fault Zone in the Central Andes, at about 24°S within the northern portion of the Puna Plateau between the Argentina-Chile border. The importance of the COT derives principally from the Quaternary-Holocene activity recognized on some segments, which may shed new light on its possible control on Quaternary volcanism and on the seismic hazard evaluation of the area. Field geological surveys along with kinematic analysis and numerical inversion of ∼140 new fault-slip measurements have revealed that this portion of the COT zone, previously considered a continuous, long-lived lineament, in reality has been subjected to three different kinematic regimes: 1) a Miocene transpressional phase with the maximum principal stress (σ1) chiefly trending NNE-SSW; 2) an extensional phase that started by 9 Ma, with a horizontal NW-SE-striking minimum principal stress (σ3) – permutations between σ2 and σ3 axes have been recognized at two sites – and 3) a left-lateral strike-slip phase with a horizontal ∼E-W &sigma1 and ∼N-S σ3 dating to the Late Pliocene-Quaternary. Spatially, in the Quaternary, the left-lateral component decreases toward the westernmost tip of the COT, where it transitions to extension; this produced to a N-S horst and graben structure. Hence, even if transcurrence is still active in the eastern portion of the COT, as focal mechanisms of crustal earthquakes indicate, our study demonstrates that extension is becoming the predominant structural style of deformation, at least in the western region. These major temporal and spatial changes in the tectonic regimes are attributed in part to changes in the magnitude of the boundary forces due to subduction processes. The overall orogen-perpendicular extension might be the result of vertical stress larger than both the horizontal stresses induced by gravitational effect of a thickened crust.

Lateral bone density variations in the scoliotic spine

Adolescent Idiopathic Scoliosis (AIS) is the most common deformity of the spine, affecting 2-4% of the population. Previous studies have shown that the vertebrae in scoliotic spines undergo abnormal shape changes, however there has been little exploration of how AIS affects bone density distribution within the vertebrae. Existing pre-operative CT scans of 53 female idiopathic scoliosis patients with right-sided main thoracic curves were used to measure the lateral (right to left) bone density profile at mid-height through each vertebral body. This study demonstrated that AIS patients have a marked convex/concave asymmetry in bone density for vertebral levels at or near the apex of the scoliotic curve. To the best of our knowledge, the only previous studies of bone density distribution in AIS are those of Périé et al [1,2], who reported a coronal plane ‘mechanical migration’ of 0.54mm toward the concavity of the scoliotic curve in the lumbar apical vertebrae of 11 scoliosis patients. This is comparable to the value of 0.8mm (4%) in our study, especially since our patients had more severe scoliotic curves. From a bone adaptation perspective, these results suggest that the axial loading on the scoliotic spine is strongly asymmetric.

Improvements to the design of Litesteel Beams undergoing lateral distortional buckling

An Australian manufacturer has recently developed an innovative group of cold-formed steel hollow flange sections, one of them is LiteSteel Beams (LSBs). The LSB sections are produced from thin and high strength steels by a patented manufacturing process involving simultaneous cold-forming and dual electric resistance welding. They have a unique geometry consisting of rectangular hollow flanges and a relatively slender web. The LSB flexural members are subjected to lateral distortional buckling effects and hence their capacities are reduced for intermediate spans. The current design rules for lateral distortional buckling were developed based on the lower bound of numerical and experimental results. The effect of LSB section geometry was not considered although it could influence the lateral distortional buckling performance. Therefore an accurate finite element model of LSB flexural members was developed and validated using experimental and finite strip analysis results. It was then used to investigate the effect of LSB geometry. The extensive moment capacity data thus developed was used to develop improved design rules for LSBs with one of them considering the LSB geometry effects through a modified slenderness parameter. The use of the new design rules gave higher lateral distortional buckling capacities for LSB sections with intermediate slenderness. The new design rule is also able to accurately predict the lateral distortional buckling moment capacities of other hollow flange beams (HFBs).

Lateral bone density variations in the scoliotic spine

Adolescent Idiopathic Scoliosis (AIS) is the most common deformity of the spine, affecting 2-4% of the population. Previous studies have shown that the vertebrae in scoliotic spines undergo abnormal shape changes, however there has been little exploration of how scoliosis affects bone density distribution within the vertebrae. In this study, existing CT scans of 53 female idiopathic scoliosis patients with right-sided main thoracic curves were used to measure the lateral (right to left) bone density profile at mid-height through each vertebral body. Five key bone density profile measures were identified from each normalised bone density distribution, and multiple regression analysis was performed to explore the relationship between bone density distribution and patient demographics (age, height, weight, body mass index (BMI), skeletal maturity, time since Menarche, vertebral level, and scoliosis curve severity). Results showed a marked convex/concave asymmetry in bone density for vertebral levels at or near the apex of the scoliotic curve. At the apical vertebra, mean bone density at the left side (concave) cortical shell was 23.5% higher than for the right (convex) cortical shell, and cancellous bone density along the central 60% of the lateral path from convex to concave increased by 13.8%. The centre of mass of the bone density profile at the thoracic curve apex was located 53.8% of the distance along the lateral path, indicating a shift of nearly 4% toward the concavity of the deformity. These lateral bone density gradients tapered off when moving away from the apical vertebra. Multi-linear regressions showed that the right cortical shell peak bone density is significantly correlated with skeletal maturity, with each Risser increment corresponding to an increase in mineral equivalent bone density of 4-5%. There were also statistically significant relationships between patient height, weight and BMI, and the gradient of cancellous bone density along the central 60% of the lateral path. Bone density gradient is positively correlated with weight, and negatively correlated with height and BMI, such that at the apical vertebra, a unit decrease in BMI corresponds to an almost 100% increase in bone density gradient.