Contribuição ao estudo da flambagem do montante de alma por cisalhamento em perfis alveolares de diferentes padrões

Abstract

Perfis alveolares são elementos estruturais de aço com aberturas regulares na alma, sendo mais comuns os formatos hexagonais (perfis castelados) e circulares (perfis celulares). Essas aberturas alteram a distribuição de tensões e introduzem modos de falha específicos, entre eles a flambagem do montante de alma por cisalhamento (FMAV). Apesar dos avanços experimentais e numéricos nas últimas décadas, ainda persistem lacunas na literatura, incluindo a ausência de consenso quanto à metodologia de modelagem baseadas em um único montante de alma, escassez de estudos que investiguem conjuntamente perfis castelados e celulares e a falta de avaliações comparativas abrangentes entre modelos analíticos. Para suprir essas lacunas, foi calibrado um modelo numérico representativo de um único montante de alma, aplicável a perfis castelados e celulares. Foram avaliadas 50 metodologias de modelagem, totalizando 1600 simulações, com variações nas condições de contorno, malha e imperfeições geométricas iniciais. Com base nesse modelo, foi desenvolvido um estudo de variação de parâmetros composto por 6328 simulações numéricas (678 castelados e 5650 celulares), no qual foram avaliados os principais modelos analíticos para estimativa da resistência à FMAV, com análises estatísticas fundamentadas na EN 1990:2009. Os resultados evidenciaram discrepâncias entre as formulações disponíveis. Para perfis castelados, identificou-se um modelo com melhor desempenho global, embora com tendência à superestimação, o que motivou a proposição de um coeficiente redutor para estimativas ligeiramente conservadoras. Para perfis celulares, nenhum modelo apresentou desempenho estatisticamente satisfatório, sendo propostas modificações em formulação existente, com melhoria da precisão e comportamento favorável à segurança. De forma geral, o estudo consolida uma metodologia numérica unificada para avaliação da FMAV, recomenda modelos analíticos para estimativa da resistência e contribui para o aprimoramento do dimensionamento de perfis alveolares, com implicações diretas para aplicações práticas e futuras revisões normativas. Palavras-chave: Perfil celular; Perfil castelado; Força cortante; Método dos elementos finitos; Análise estatística; Simulação numérica; Estudo de variação de parâmetros.

Alveolar beams are steel structural members characterized by regular web openings, most commonly in hexagonal (castellated beams) and circular (cellular beams) configurations. These openings modify stress distribution and introduce specific failure modes, including web-post buckling (WPB). Despite significant experimental and numerical advances over the past decades, important gaps remain in the literature, such as the lack of consensus regarding modeling strategies based on a single web-post approach, the scarcity of studies jointly investigating castellated and cellular beams, and the scarcity of comprehensive comparative assessments of analytical models for different geometric patterns. To address these gaps, a representative numerical model based on a single web-post was calibrated and applied to both castellated and cellular beams. A total of 50 modeling strategies were evaluated, resulting in 1600 numerical simulations considering variation in boundary conditions, mesh discretization, and initial geometric imperfections. Building upon this framework, an extensive parametric study comprising 6328 numerical simulations (678 castellated and 5650 cellular beams) was conducted to assess the performance of the main analytical models available for predicting WPB resistance. Statistical analyses were performed in accordance with EN 1990:2009. The results revealed significant discrepancies among the available formulations. For castellated, one model exhibited the best overall performance, although with a slight tendency toward overestimation, which led to the proposal of a reduction factor to obtain mildly conservative predictions. For cellular beams, none of the existing models achieved statistically satisfactory performance, motivating modifications to an established formulation, which resulted in improved predictive accuracy and a safety consistent response. Overall, the study consolidates a unified numerical methodology for WPB assessment, recommends analytical model for WPB resistance prediction, and contributes to the improvement of the design of alveolar beams, providing technical support for practical applications and future code developments. Keywords: Cellular beam; Castellated beam; Shear force; Finite Element Method; Statistical analysis; Numerical simulation; Parametric study.