Tecnologia construtiva de fachada em chapas delgadas estruturadas em light steel framing.

Aumento da produtividade, melhorias na qualidade dos produtos, redução de custos e de impactos ambientais são essenciais para a capacidade competitiva das empresas. A execução da fachada faz parte do caminho crítico da obra, por ser um subsistema que associa as funções de fechamento, acabamento, iluminação e ventilação e ainda por incorporar sistemas prediais; apresenta, por isso também, um alto custo direto em relação aos outros subsistemas do edifício. A tecnologia construtiva de fachadas em chapas delgadas com estrutura em Light Steel Framing (LSF) é uma alternativa viável para aumentar a produtividade e reduzir os prazos de obra, com qualidade e desempenho, e pode trazer benefícios em relação a atividades intensas em mão de obra como é o caso da alvenaria de vedação e de seus revestimentos. O presente trabalho tem por objetivo sistematizar e analisar o conhecimento relativo a essa tecnologia construtiva de fachada. O método adotado compreende revisão bibliográfica. Como contribuição, o trabalho reúne um conjunto organizado de informações sobre os principais sistemas disponíveis no mercado contemplando: a caracterização do sistema de fachada, de suas camadas e dos perfis leves de aço e a sistematização das principais avaliações técnicas de sistemas existentes em outros países, reunindo normas técnicas de produtos e de execução. Acredita-se que a reunião e organização das informações, antes dispersas em diversas referências, têm potencial para subsidiar o meio técnico para tomada de decisão quanto ao uso adequado da nova tecnologia.

Structural shapes; information and tables for architects, engineers and designers of buildings and other steel structures.

Cover-title: Bethlehem manual of steel construction.

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.

Ligações em estruturas metálicas com ênfase em perfís formados a frio

Pós-graduação em Engenharia Civil - FEIS

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.

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.

Resilience of concrete structures in the marine environment through microstructural innovation

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Determinação do momento crítico de flambagem lateral com distorção em vigas mistas contínuas de aço e concreto com perfis de alma senoidal

As vigas mistas de aço e concreto estão sendo largamente utilizadas em construções de edifícios e pontes. Ao se combinar o aço com o concreto obtêm-se estruturas mais econômicas, uma vez que se tira proveito das melhores características de cada material. Nas regiões de momento negativo de uma viga mista contínua, a mesa inferior e parte da alma estão comprimidas, se a alma do perfil não tiver rigidez suficiente para evitar a flexão lateral, ela distorcerá gerando um deslocamento lateral e um giro na mesa comprimida, caracterizando um modo de flambagem denominado flambagem lateral com distorção (FLD). O procedimento de verificação à FLD da EN 1994-1-1:2004 originou o método de cálculo da ABNT NBR 8800:2008, entretanto a EN 1994-1-1:2004 não fornece expressão para o cálculo do momento crítico elástico, enquanto a ABNT NBR 8800:2008 prescreve uma formulação proposta por Roik, Hanswille e Kina (1990) desenvolvida para vigas mistas com perfis de alma plana. Embora as normas prescrevam um método de verificação à FLD para vigas mistas com perfis de alma plana, poucos estudos têm sido feitos sobre esse estado-limite. Além disso, tanto a ABNT NBR 8800:2008 quanto as normas internacionais não abordam perfis de alma senoidal. Neste trabalho, foram implementadas análises de flambagem elástica, com auxílio do software ANSYS 14.0 (2011), em modelos de elementos finitos que retratem o comportamento à FLD de vigas mistas de aço e concreto com perfis de alma plana e senoidal. Os modelos numéricos foram constituídos pelo perfil de aço, por uma mola rotacional que restringe parcialmente o giro da mesa superior e uma restrição ao deslocamento lateral, ao longo de todo o comprimento da viga. Os resultados numéricos são comparados com os obtidos pelas formulações de Roik, Hanswille e Kina (1990) e de Hanswille (2002), adaptadas para levar em consideração a corrugação da alma do perfil de aço. Para avaliação das formulações supracitadas e da consistência da modelagem numérica adotada, o momento crítico elástico foi determinado para vigas mistas com perfis de aço de alma plana. Como resultado, um método para o cálculo do momento crítico elástico de vigas mistas de alma senoidal é proposto.

S500 Suurlujuusteräksestä valmistettujen rakenneputkiliitosten lujuusominaisuudet

Nykyinen Eurocode 3 suunnitteluohjeen rakenneputkiliitoksia käsittelevä osio vaatii S500 suurlujuusteräksestä valmistettujen liitosten mitoituksen yhteydessä käytettäväksi reduk-tiokerrointa 0.8. Tämä on varsin konservatiivinen mitoituspa, joka vähentää merkittävästi lujemman teräslaadun käyttämisestä saavutettavaa hyötyä. Tämän työn pääasiallinen ta-voite on laboratoriotestein selvittää S500 lujuusluokan rakenneputkiliitosten todellinen äärikapasiteetti ja verrata sitä nykyisen mitoitusohjeen mukaiseen kapasiteettiin. Tässä työssä tutkitut liitokset ovat valmistettu poikkileikkaukseltaan nelikulmaisista kyl-mämuovatuista rakenneputkista. Koesarja koostui kahdeksasta X-liitoksesta, sekä kymme-nestä K-liitoksesta. Kaikki testit suoritettiin huoneenlämmössä, LUT Koneen teräsrakenne-laboratoriossa. Laboratoriotestien lisäksi rakenteen käyttäytymistä tutkittiin epälineaarisen elementtimenetelmän avulla ja näitä tuloksia verrattiin kokeellisiin tuloksiin. Sekä testien että FE–analyysin perusteella voidaan todeta, että S500 lujuusluokan terästä käytettäessä ei Eurocode 3:n mukaisen reduktiokertoimen käytölle ole perusteita.

Determinação teórico-experimental da rigidez ao cisalhamento devido à restrição das telhas conectadas nas terças

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Modified Steels for Cold-Forming U-Bolts Used In Leaf Springs Systems

In this work, a low alloy steel and a fabrication process were developed to produce U-Bolts for commercial vehicles. Thus, initially five types of no-heat treated steel were developed with different additions of chrome, nickel, and silicon to produce strain hardening effect during cold-forming processing of the U-Bolts, assuring the required mechanical properties. The new materials exhibited a fine perlite and ferrite microstructure due to aluminum and vanadium additions, well known as grain size refiners. The mechanical properties were evaluated in a servo-hydraulic test machine system-MTS 810 according to ASTM A370-03; E739 and E08m-00 standards. The microstructure and fractography analyses of the cold-formed steels were performed by using optical and scanning electronic microscope techniques. To evaluate the performance of the steels and the production process, fatigue tests were carried out under load control (tensile-tensile), R = 0.1 and f = 30 Hz. The Weibull statistic methodology was used for the analysis of the fatigue results. At the end of this work the 0.21% chrome content steel, Alloy 2, presented the best fatigue performance.

Preventing Cracking at Diaphragm/Plate Girder Connections in Steel Bridges, HR-393, 1998

Some of the Iowa Department of Transportation (Iowa DOT) continuous, steel, welded plate girder bridges have developed web cracking in the negative moment regions at the diaphragm connection plates. The cracks are due to out-of-plane bending of the web near the top flange of the girder. The out-of-plane bending occurs in the "web-gap", which is the portion of the girder web between (1) the top of the fillet welds attaching the diaphragm connection plate to the web and (2) the fillet welds attaching the flange to the web. A literature search indicated that four retrofit techniques have been suggested by other researchers to prevent or control this type of cracking. To eliminate the problem in new bridges, AASHTO specifications require a positive attachment between the connection plate and the top (tension) flange. Applying this requirement to existing bridges is expensive and difficult. The Iowa DOT has relied primarily on the hole-drilling technique to prevent crack extension once cracking has occurred; however, the literature indicates that hole-drilling alone may not be entirely effective in preventing crack extension. The objective of this research was to investigate experimentally a method proposed by the Iowa DOT to prevent cracking at the diaphragm/plate girder connection in steel bridges with X-type or K-type diaphragms. The method consists of loosening the bolts at some connections between the diaphragm diagonals and the connection plates. The investigation included selecting and testing five bridges: three with X-type diaphragms and two with K-type diaphragms. During 1996 and 1997, these bridges were instrumented using strain gages and displacement transducers to obtain the response at various locations before and after implementing the method. Bridges were subjected to loaded test trucks traveling in different lanes with speeds varying from crawl speed to 65 mph (104 km/h) to determine the effectiveness of the proposed method. The results of the study show that the effect of out-of-plane loading was confined to widths of approximately 4 in. (100 mm) on either side of the connection plates. Further, they demonstrate that the stresses in gaps with drilled holes were higher than those in gaps without cracks, implying that the drilling hole technique is not sufficient to prevent crack extension. The behavior of the web gaps in X-type diaphragm bridges was greatly enhanced by the proposed method as the stress range and out-of-plane distortion were reduced by at least 42% at the exterior girders. For bridges with K-type diaphragms, a similar trend was obtained. However, the stress range increased in one of the web gaps after implementing the proposed method. Other design aspects (wind, stability of compression flange, and lateral distribution of loads) must be considered when deciding whether to adopt the proposed method. Considering the results of this investigation, the proposed method can be implemented for X-type diaphragm bridges. Further research is recommended for K-type diaphragm bridges.

Automated formulation of optimisation models for steel beam structures

Over 70% of the total costs of an end product are consequences of decisions that are made during the design process. A search for optimal cross-sections will often have only a marginal effect on the amount of material used if the geometry of a structure is fixed and if the cross-sectional characteristics of its elements are property designed by conventional methods. In recent years, optimalgeometry has become a central area of research in the automated design of structures. It is generally accepted that no single optimisation algorithm is suitable for all engineering design problems. An appropriate algorithm, therefore, mustbe selected individually for each optimisation situation. Modelling is the mosttime consuming phase in the optimisation of steel and metal structures. In thisresearch, the goal was to develop a method and computer program, which reduces the modelling and optimisation time for structural design. The program needed anoptimisation algorithm that is suitable for various engineering design problems. Because Finite Element modelling is commonly used in the design of steel and metal structures, the interaction between a finite element tool and optimisation tool needed a practical solution. The developed method and computer programs were tested with standard optimisation tests and practical design optimisation cases. Three generations of computer programs are developed. The programs combine anoptimisation problem modelling tool and FE-modelling program using three alternate methdos. The modelling and optimisation was demonstrated in the design of a new boom construction and steel structures of flat and ridge roofs. This thesis demonstrates that the most time consuming modelling time is significantly reduced. Modelling errors are reduced and the results are more reliable. A new selection rule for the evolution algorithm, which eliminates the need for constraint weight factors is tested with optimisation cases of the steel structures that include hundreds of constraints. It is seen that the tested algorithm can be used nearly as a black box without parameter settings and penalty factors of the constraints.

Trolley R&D project for a small portal log yard crane

This master’s thesis was done for Andritz Inc. Atlanta Georgia. The purpose of the thesis was to develop a new trolley for a small portal log yard crane. In the beginning of the thesis the basic principles of the systematic design processes have been described, along which the design work of the trolley has proceeded. The second literature part consists of the design and dimensioning of the welded steel structures under fatigue loading. The design work of the trolley consists of the engineering and the selection of the mechanical components and the design of the load carrying structure for the trolley. The realization of the steel structure of the trolley is based on the fatigue and static dimensioning. The fatigue dimensioning is grounded in the life expectations estimated for the trolley and the static dimensioning is based on the CMAA guidelines. The computer aided element method was utilized in the design of the steel structure. The effective notch method and the hot spot method were used in the fatigue calculations. The trolley structure was carried out by using the sheet metal parts in order to manufacture the structure as effective and low cost way as possible. The corner stone of the dimensioning of the trolley structure was the utilization of the open profiles made of welded or cold formed sheet metals, which provide better weldability, weld inspection, access for repairs and corrosion protection. As a last part of the thesis a new trolley traveling system was developed. The distribution of the wheel loads of the trolley bogies on the main girder was also studied, which led to an innovative suspension arrangement between the trolley leg and the bogie. The new bogie solution increases the service life of the main girder of the crane and improves the stability of the bogies. The outcome of the thesis is an excellent trolley structure from the weight and the service life point of view.