Análise do comportamento de perfis metálicos enformados a frio com secção transversal em C e aberturas na alma

Abstract

A utilização de perfis metálicos de parede esbelta enformada a frio na conceção e realização de estruturas metálicas tem aumentado rapidamente nos últimos anos, com aplicações nos diversos sectores da construção civil. A presente dissertação é desenvolvida no seguimento do interesse manifestado por uma empresa nacional em produzir um perfil metálico de secção transversal em C com características inovadoras, para o qual é necessária a realização de um estudo numérico e experimental que permita caracterizar o seu comportamento estrutural. Procura-se estabelecer metodologias de dimensionamento e verificação de segurança de elementos estruturais metálicos enformados a frio com secção transversal em C e aberturas na alma, tendo em consideração esforços de compressão e de flexão. Neste sentido, desenvolve-se uma ferramenta analítica para o cálculo das propriedades mecânicas da secção transversal e quantificação da sua capacidade resistente, efetua-se uma avaliação experimental de elementos estruturais submetidos a esforços de flexão e realiza-se uma simulação numérica não linear, com base no Método dos Elementos Finitos, dos elementos estruturais ensaiados experimentalmente. Para o estudo analítico desenvolve-se uma ferramenta de cálculo que tem por base a metodologia proposta na parte 1-3 da EN 1993. Esta ferramenta permite quantificar as características mecânicas de três secções transversais tipo, e calcular a respetiva capacidade resistente à compressão e à flexão segundo o eixo de maior inércia. Na avaliação experimental estudam-se elementos estruturais solicitados à flexão segundo o eixo de maior inércia e segundo o eixo de menor inércia com banzo maior à tração e à compressão. Para tal, realizam-se ensaios de flexão com dois tipos de perfis metálicos, com e sem aberturas na alma, de forma a avaliar a influência das aberturas existentes, identificar os modos de instabilidade condicionantes e quantificar parâmetros relevantes, como por exemplo a carga máxima. Por fim, efetua-se uma simulação numérica não linear (material e geométrica) dos provetes testados experimentalmente à flexão, usando o Software Abaqus. Desenvolvem-se 6 modelos baseados em perfis com e sem aberturas na alma. Estas simulações são comparadas e calibradas com os resultados obtidos em ensaios experimentais. Nestas simulações numéricas não se tem em conta as imperfeições geométricas e as tensões residuais.

The use of cold formed steel sections in the conception and construction of metallic structures has increased rapidly in the last years, with applications in several sectors of construction. This thesis is developed following the interest expressed by a national company to produce metallic C cross sections with innovative features for which it is necessary to analyse their structural behaviour. Therefore, it was decided to perform a numerical and an experimental study to establish methods for the design and safety verification of cold formed steel profiles with C cross section and web openings. In the following, an analytical tool is developed to calculate the mechanical properties and evaluate the bending and compressive strength of the cross sections analysed. Also, an experimental program is performed to evaluate the behaviour of the structural elements and a nonlinear numerical simulation, based in the Finite Element Method, is developed on the structural components experimentally tested. The analytical study consists on the development of a tool that is based on the methodology proposed in part 1-3 of EN 1993. With this tool, it is possible to quantify the mechanical properties of three cross sections and to calculate their bending and compressive strength along the axis of highest inertia. During the experimental campaign, structural elements submitted to bending stresses and compressive stresses are studied. Cross sections with and without web openings are tested, in order to evaluate the influence of the web openings on the structural behaviour. The buckling conditioning modes and the most relevant parameters, as the maximum load or deflection, are evaluated. Finally, a nonlinear numeric simulation (material and geometry) is performed using Abaqus software, based on the tested samples. Six models are developed in profiles with and without web openings. These simulations are compared and calibrated with the results obtained during the experimental tests. Geometrical imperfections and residual stresses are not taken into account in the models developed.