Dimensionamento de Uma Cobertura em Elementos Estruturais de Aço Enformados a Frio

O presente relatório versa sobre a análise e dimensionamento de estruturas de aço enformadas a frio. Devido a serem estruturas de elevada esbelteza, frequentemente denominadas “estruturas de aço leve”, apresentam fenómenos de instabilidade tanto a nível local como global, sendo da perspetiva regulamentar abrangidas pelo Eurocódigo 3, nomeadamente pelas Partes 1-1, 1-3 e 1-5. A Parte 1-3 do Eurocódigo 3 diz respeito às regras suplementares de elementos de aço enformados a frio, na qual estão presentes as regras de dimensionamento, bem como as verificações de segurança que deverão ser aplicadas. Nesta, é possível ainda “fazer a ponte” com a Parte 1-1 do Eurocódigo 3, respetiva às regras gerais de projeto de estruturas de aço e com a Parte 1-5 do Eurocódigo 3 relativa a elementos estruturais constituídos por placas. Inicialmente, será realizado um estado da arte, onde será efetuado um enquadramento histórico, apresentando o processo de fabrico destes elementos e o tipo de elementos estruturais originados, concluindo-se com as vantagens/desvantagens dos perfis em aço enformados a frio. Os conceitos teóricos de estabilidade estrutural, os tipos de instabilidade mais comuns nestes elementos, bem como os tipos de análise destes fenómenos farão a ponte com o capítulo que se segue. Relativamente ao dimensionamento destes elementos, será dado enfâse às metodologias preconizadas pelo Eurocódigo 3, Parte 1-3. Este capítulo incidirá, entre outos, nas propriedades das secções transversais, na determinação da resistência destas, onde se contabilizará os efeitos das instabilidades locais de placa e distorcionais, na instabilidade global dos perfis e nas ligações entre os mesmos. Será analisada, posteriormente, a abordagem apresentada pela ECCS relativamente ao dimensionamento de madres travadas por painéis de cobertura. Neste capítulo será apresentada a metodologia para o dimensionamento de vigas com restrição à torção e à translação, bem como a resistência da secção transversal da madre e do seu banzo livre à encurvadura. Finalmente, e ao encontro do que foi proposto pela empresa CCAD-Serviços de Engenharia, Lda, efetuar-se-á o dimensionamento de uma cobertura de um edifício de distribuição, cobertura esta constituída por asnas treliçadas e madres simples. Neste dimensionamento foram consideradas as ações segundo o Regulamento de Segurança e Ações Para Estruturas de Edifícios e Pontes e o Eurocódigo 1, Parte 1-1 que diz respeito às Ações Gerais em Estruturas e Parte 1-4 respeitante às Ações do vento.

Dimensionamento de Madres Enformadas a Frio Travadas por Painéis do Tipo Sandwich

O presente relatório de estágio foi elaborado no âmbito da Unidade Curricular de DIPRE, Dissertação/Projeto/Estágio, do 2.º ano de Mestrado em Engenharia Civil do Instituto Superior de Engenharia do Porto, do ramo de estruturas, tendo como principal foco, a análise e dimensionamento de madres de aço enformado a frio e sua utilização com painéis do tipo sandwich em coberturas. Seções enformadas a frio são cada vez mais utilizadas em construções modernas, especificamente como estrutura secundária em coberturas, onde geralmente são fixas a painéis através de ligações aparafusadas. A presença de painéis e fixações através de parafusos permitem a estabilização lateral e torsional de madres aumentando desta forma a capacidade resistente, mas por serem elementos estruturais de espessura reduzida, os enformados a frio são suscetíveis a fenómenos de instabilidade associados. Desta forma, a norma EN 1993-1-3 [4] permite a análise e dimensionamento deste tipo de elementos através das disposições regulamentares preconizadas nas partes 1-1 [3] e 1-5 [5] da mesma norma. Num primeiro estudo, o presente trabalho tem como objetivo o dimensionamento e verificação de segurança de elementos enformados a frio com base na seção efetiva determinada com o auxílio das normas EN 1993-1-1 (regras gerais) e EN 1993-1-5 (regras para elementos estruturais constituídos por placas). Numa segunda fase, este trabalho pretende apresentar um estudo do comportamento de interação entre os sistemas madres-painéis. Para tal, são quantificadas as rigidezes das conexões dos sistemas e dos painéis para se realizarem a análise relativamente à restrição lateral e restrição torsional de madres. Neste contexto, concluiu-se que os painéis, quando fixos de forma adequada às madres, contribuem para a estabilidade.

Travi in parete sottile con deformabilità a taglio e distorsione di sezione: formulazione teorica, modellazione numerica e applicazioni

Il presente lavoro di tesi ha riguardato una riformulazione teorica, una modellazione numerica e una serie di applicazioni della Generalized Beam Theory per lo studio dei profili in parete sottile con particolare riguardo ai profili in acciaio formati a freddo. In particolare, in questo lavoro è proposta una riscrittura della cinematica GBT che introduce in una forma originale la deformabilità a taglio della sezione. Tale formulazione consente di conservare il formato della GBT classica e introducendo uno spostamento di warping variabile lungo lo spessore della generica parete della sezione trasversale, garantisce perfetta coerenza tra la componente flessionale e tagliante della trave. E' mostrato, come tale riscrittura consente in maniera agevole di ricondursi alle teorie classiche di trave, anche deformabili a taglio. Inoltre, in tale contesto, è stata messa a punto una procedura di ricostruzione dello sforzo tridimensionale in grado ricostruire la parte reattiva delle componenti di tensioni dovuta al vincolamento interno proprio di un modello a cinematica ridotta. Sulla base di tali strumenti, è stato quindi proposto un approccio progettuale dedicato ai profili in classe 4, definito ESA (Embedded Stability Analysis), in grado di svolgere le verifiche coerentemente con quanto prescritto dalle normative vigenti. Viene infine presentata una procedura numerica per la progettazione di sistemi di copertura formati a freddo. Tale procedura permette di effettuare in pochi semplici passi il progetto dell'arcareccio e dei dettagli costruttivi relativi alla copertura.

Synchrotron strain scanning for residual stress measurement in cold-drawn steel rods

Cold-drawn steel rods and wires retain significant residual stresses as a consequence of the manufacturing process. These residual stresses are known to be detrimental for the mechanical properties of the wires and their durability in aggressive environments. Steel makers are aware of the problem and have developed post-drawing processes to try and reduce the residual stresses on the wires. The present authors have studied this problem for a number of years and have performed a detailed characterization of the residual stress state inside cold-drawn rods, including both experimental and numerical techniques. High-energy synchrotron sources have been particularly useful for this research. The results have shown how residual stresses evolve as a consequence of cold-drawing and how they change with subsequent post-drawing treatments. The authors have been able to measure for the first time a complete residual strain profile along the diameter in both phases (ferrite and cementite) of a cold-drawn steel rod.

Computer aided design and analysis of cold formed sections

The work reported in this thesis is concerned with the improvement and expansion of the assistance given to the designer by the computer in the design of cold formed sections. The main contributions have been in four areas, which have consequently led to the fifth, the development of a methodology to optimise designs. This methodology can be considered an `Expert Design System' for cold formed sections. A different method of determining section properties of profiles was introduced, using the properties of line and circular elements. Graphics were introduced to show the outline of the profile on screen. The analysis of beam loading has been expanded to beam loading conditions where the number of supports, point loads, and uniform distributive loads can be specified by the designer. The profile can then be checked for suitability for the specified type of loading. Artificial Intelligence concepts have been introduced to give the designer decision support from the computer, in combination with the computer aided design facilities. The more complex decision support was adopted through the use of production rules. All the support was based on the British standards. A method has been introduced, by which the appropriate use of stiffeners can be determined and consequently designed by the designer. Finally, the methodology by which the designer is given assistance from the computer, without constraining the designer, was developed. This methodology gives advice to the designer on possible methods of improving the design, but allows the designer to reject that option, and analyse the profile accordingly. The methodology enables optimisation to be achieved by the designer, designing variety of profiles for a particular loading, and determining which one is best suited.

Simplified models for cross-section stress demands on C-section purlins in uplift

The objective of this paper is to provide and verify simplified models that predict the longitudinal stresses that develop in C-section purlins in uplift. The paper begins with the simple case of flexural stress: where the force has to be applied at the shear center, or the section braced in both flanges. Restrictions on load application point and restraint of the flanges are removed until arriving at the more complex problem of bending when movement of the tension flange alone is restricted, as commonly found in purlin-sheeting systems. Winter`s model for predicting the longitudinal stresses developed due to direct torsion is reviewed, verified, and then extended to cover the case of a bending member with tension flange restraint. The developed longitudinal stresses from flexure and restrained torsion are used to assess the elastic stability behavior of typical purlin-sheeting systems. Finally, strength predictions of typical C-section purlins are provided for existing AISI methods and a newly proposed extension to the direct strength method that employs the predicted longitudinal stress distributions within the strength prediction. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Double grade – rakenneputkien puristuskestävyys

Double grade S420MH/S355J2H – rakenneputki on Ruukin kylmämuovattujen rakenneputkien vakioteräslaji. Se voidaan mitoittaa joko lujuusluokan S355 tai S420 mukaisesti. Teräslajin S355 mukaisesti mitoitettaessa on suunnittelu yksinkertaista. Painonsäästöä ja pidennettyjä jännevälejä haluttaessa käytetään lujuusluokan S420 mukaista mitoitusta. Työn tavoitteena oli selvittää kylmämuovattujen teräsrakenneputkien todellinen puristuskestävyys. Eurocode 3:n mukaan kylmämuovatut teräsrakenneputket kuuluvat nurjahduskäyrälle c. Tutkimukseen valittiin viisi eri profiilia olevaa rakenneputkea, joiden poikkileikkausluokat olivat 1, 2, 3 ja 4. Käytettäessä rakenneputkia puristussauvoina, on teräksen käyttö tehokkainta poikkileikkausluokassa 3, lähellä poikkileikkausluokkaa 4. Rakenneputkista laskettiin muunnetun hoikkuuden arvoilla 0.1, 0.5, 1.0 ja 1.5 koesauvojen pituudet kaikille profiileille. Valmistettiin kolme samanlaista koesauvaa jokaisesta koosta ja puristuskokeita suoritettiin yhteensä 57 kappaletta. Koesauvojen todelliset pituudet, alkukäyryydet ja poikkileikkaukset mitattiin. Ainestodistuksista saatiin materiaalin todelliset lujuudet. Laskettiin Eurocode 3:n mukaisesti kestävyydet nurjahduskäyrille a, b ja c. Laskennallisia kestävyyksiä verrattiin puristuskokeiden tuloksiin. Puristuskokeiden tulosten perusteella voidaan b-käyrää pitää oikeana profiileille 100x100x3, 150,150x5 ja 200x200x6. Profiili 150x150x5 kuuluu poikkileikkausluokkaan 2. Profiilit 100x100x3 ja 200x200x6 kuuluvat poikkileikkausluokkaan 4. Profiili 50x50x2 kuuluu nurjahduskäyrälle c. Profiilin poikkileikkausluokka on 1 ja aiemmat tutkimukset tukevat nurjahduskäyrän c käyttöä. Profiilista 300x300x8.8 ei saatu testattua täyttä sarjaa sen suuren kapasiteetin rikottua testilaitteiston, mutta puristuskokeiden perusteella se kuuluu nurjahduskäyrälle b. Profiili kuuluu poikkileikkausluokkaan 4.

Distortional buckling of simple lipped channel in bending results of the experimental analysis versus direct strength methods

Cold-formed steel members are subject to failure caused by buckling, normally under loads smaller than those corresponding to partial or total yielding of the cross section. The buckling of members in bending can be classified as local or global, and the occurrence of one or the other type is expected by the members' geometric characteristics and by the constraints and load conditions. One of the local instability modes that can characterize a member's failure is distortional buckling of the cross section occurring on its own plane and involving lateral displacements and rotations. This paper presents and discusses the procedures and results obtained from experimental tests of cold-formed steel members under bending. Forty-eight beams were carried out on members in simple lipped channel, in pairs, with 6-meter spans and loads applied by concentrated forces at every 1/3 of the span. The thickness, width and dimensions, of the stiffeners were chosen so that the instability by distortion buckling of the cross section was the principal failure mode expected. The experimental results are compared with the obtained results by using the direct strength method.

Ligações em estruturas metálicas com ênfase em perfís formados a frio

Pós-graduação em Engenharia Civil - FEIS

Análise teórica-experimental de perfis de aço formados a frio devido à instabilidade por distorção na flexão

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.

Avaliação de métodos numéricos de análise linear de estabilidade para perfis de aço formados a frio.

Para o projeto de estruturas com perfis de aço formados a frio, é fundamental a compreensão dos fenômenos da instabilidade local e global, uma vez que estes apresentam alta esbeltez e baixa rigidez à torção. A determinação do carregamento crítico e a identificação do modo de instabilidade contribuem para o entendimento do comportamento dessas estruturas. Este trabalho avalia três metodologias para a análise linear de estabilidade de perfis de aço formados a frio isolados, com o objetivo de determinar os carregamentos críticos elásticos de bifurcação e os modos de instabilidade associados. Estritamente, analisa-se perfis de seção U enrijecido e Z enrijecido isolados, de diversos comprimentos e diferentes condições de vinculação e carregamento. Determinam-se os carregamentos críticos elásticos de bifurcação e os modos de instabilidade globais e locais por meio de: (i) análise com o Método das Faixas Finitas (MFF), através do uso do programa computacional CUFSM; (ii) análise com elementos finitos de barra baseados na Teoria Generalizada de Vigas (MEF-GBT), via uso do programa GBTUL; e (iii) análise com elementos finitos de casca (MEF-cascas) por meio do uso do programa ABAQUS. Algumas restrições e ressalvas com relação ao uso do MFF são apresentadas, assim como limitações da Teoria Generalizada de Viga e precauções a serem tomadas nos modelos de cascas. Analisa-se também a influência do grau de discretização da seção transversal. No entanto, não é feita avaliação em relação aos procedimentos normativos e tampouco análises não lineares, considerando as imperfeições geométricas iniciais, tensões residuais e o comportamento elastoplástico do material.