Análise da capacidade de plastificação de vigas casteladas de aço sujeitas à flexão simples

Abstract

Nas últimas décadas, tem-se observado um ressurgimento do interesse pelos perfis castelados em diversos países, inclusive no Brasil. A partir daí, diversos estudos vêm sendo realizados visando verificar o comportamento dos perfis castelados sob diversas condições e com configurações geométricas distintas. Alguns estudos baseados em simulações numéricas indicaram que alguns perfis castelados, quando submetidos à flexão, não atingiam a plastificação total da seção transversal por momento fletor. Com base nos resultados desses estudos, chegou-se a propor que a capacidade de plastificação dos perfis alveolares fosse limitada a 90% do momento de plastificação teórico. Diante dessa proposição, levantou-se a hipótese de que, dependendo das esbeltezes das mesas e da alma de alguns perfis, poderia ocorrer um deslizamento relativo entre o banzo superior e o inferior do perfil, acompanhado da distorção das aberturas na alma, o que dificultaria a plastificação total da seção transversal, composta pelas duas seções T acima e abaixo das aberturas. Neste trabalho, esta hipótese foi testada por meio de simulações com modelos numéricos de elementos finitos. Foram analisadas 94 vigas casteladas, por meio de análise não linear pelo Método dos Elementos Finitos, variando-se a relação vão/altura da seção, esbeltez da alma e da mesa, tipo de carregamento e tipo de abertura. Todas as vigas que falharam por formação de mecanismo plástico atingiram valores muito próximos ao momento de plastificação, revelando que a hipótese inicial não é consistente. Ficou comprovado que, para a gama de características típicas dos perfis I laminados utilizados atualmente, os perfis castelados atingem a plastificação total da seção transversal. O estudo comprovou também que um modelo de cálculo baseado na hipótese de formação de um mecanismo Vierendeel, considerando a interação momento-cortante segundo o critério de von Mises, é capaz de estimar com boa aproximação a capacidade dos perfis castelados à flexão simples. Palavras-chave: Vigas casteladas. Plastificação. Momento de plastificação. Flexão. Análise numérica.

In the last decades, there has been a resurgence of interest in castellated beams in several countries, including Brazil. Since then, several studies have been carried out aiming to verify the behavior of castellated beams under different conditions and with different geometric configurations. Some studies based on numerical simulations indicated that some castellated beams, when submitted to flexure, did not reach the full cross section plasticity. Based on the results of these studies, some authors have proposed that the full sections yield strength of castellated beams be limited to 90% of the theoretical plastic bending moment. Given this proposition, was raised the hypothesis that for some beams, depending on the slenderness of the flanges and the web, a slip between the upper and lower halves of the beam could occur, accompanied by the distortion of the openings in the web, which would hamper the cross section, composed of the two T sections above and below the openings, attain full plasticity. In this work, this hypothesis was tested by means of simulations with finite element numerical models. 94 castellated beams were analyzed by means of non-linear analysis using the Finite Element Method, varying their span/depth ratio, slenderness of flange and web, configuration of loading and shape of opening. All beams that failed due to the formation of a plastic mechanism reached values very close to the plastic bending moment, revealing that the initial hypothesis is not consistent. It was found that, for the range of typical characteristics of the hot-rolled I shapes currently used, the castellated beams reach full section yield strength. The study also showed that a calculation model based on the hypothesis of formation of a Vierendeel mechanism, considering the moment-shear interaction according to the von Mises yield criterion, is able to estimate with good approximation the capacity of the castellated beams under in-plane bending. Keywords: Castellated beams. Yield. Plastic moment. Bending. Numerical analysis.