Análise paramétrica sobre procedimentos para dimensionamento de vigas alveolares de aço

Abstract

A viga alveolar é uma solução de engenharia atrativa quando o problema é governado pelo Estado Limite de Serviço. Sua geometria é especialmente vantajosa em relação à resistência e rigidez, pois sua seção transversal apresenta maior momento de inércia em comparação com a seção transversal de uma viga sólida de peso similar. Entretanto, pela variação geométrica ao longo do vão, as vigas alveolares apresentam diferentes modos de falhas. Visto que há uma deficiência de processos normativos nacionais, que tratam sobre parâmetros de cálculos de vigas alveolares, as pesquisas que aprofundam a compreensão sobre o comportamento dessas estruturas tornam-se mais relevantes. Dessa forma, este trabalho busca analisar os procedimentos de dimensionamento de vigas alveolares de aço existentes na literatura, através de uma análise paramétrica. São considerados os métodos simplificados apresentados em: Ward (1990), Annex N (1993), Veríssimo et al. (2012), Fares et al. (2016) e Grilo et al. (2018). Para viabilizar o conjunto de análises, foi desenvolvido um código computacional em linguagem Python para o dimensionamento das vigas alveolares pelos métodos simplificados, cujo os resultados são comparados com os obtidos através de um modelo de elementos finitos empregando o software Ansys. Além disso, é avaliado o comportamento dos resultados gerados pelos métodos simplificados e pelas simulações em elementos finitos com os resultados experimentais existentes na literatura. Na análise paramétrica, recomenda-se que o dimensionamento de vigas alveolares para pequenos vãos ou submetidas a cargas concentradas seja feito com base em uma análise não linear, considerando a não linearidade física e geométrica. Já no caso de vigas com vãos intermediárias ou longos, os métodos simplificados fornecem resultados conservativos. Quanto a carga e modo de falha, o método de Ward (1990) apresenta resultados mais próximos às simulações em elementos finitos. Para as vigas limitadas pelo critério definido por flecha, o método apresentado por Veríssimo et al. (2012) obtém resultados que mais se adequam com a NBR 8800 (2008). As vigas celulares com menores larguras de alma entre as aberturas apresentam falha por instabilidade do montante da alma, sendo os métodos de Ward (1990) e Fares et al. (2016) recomendados nesses casos. De forma geral, os resultados mostram que as vigas celulares são mais vantajosas quando sua aplicação acontece para vãos longos.

The alveolar beam is an attractive engineering solution when the problem is governed by the State Serviceability Limit State. Its geometry is especially advantageous with respect to strength and stiffness, because its cross section has a higher moment of inertia compared to the cross section of a solid beam of similar weight. However, as their geometry has variations of the cross-section along the length, these beams have other failure modes when compared to full web beams. Since there is a lack of normative processes dealing with parameters of calculations of alveolar beams, it becomes relevant research to deepen the understanding of the behavior of these structures. Thus, the present work seeks to analyze the design and verification procedures existing in the literature by parametric analyses. More specifically, the simplified methods presented in: Ward (1990), Annex N (1993), Veríssimo et al. (2012), Fares et al. (2016) e Grilo et al. (2018). To enable the set of analyses, a computational code was developed in Python that automates the design of the alveolar beams by simplified methods, whose results are compared with those obtained through a finite element model employing the Ansys software. Moreover, the behavior of the results generated by the simplified methods and by the finite element simulations is evaluated with the experimental results existing in the literature. In the parametric analysis, it is recommended that the design of alveolar beams for small spans or subjected to concentrated loads be done based on a non-linear analysis, considering physical and geometric nonlinearity. In the case of beams with intermediate or long spans, simplified methods provide conservative results. In the failure load and failure mode identification, Ward’s (1990) method presents results closer to the finite element simulations. For beams limited by the criterion defined by deflection, the method presented by Veríssimo et al. (2012) obtains results that best fit with the NBR 8800 (2008). A cellular beams with smaller web widths between openings show failure due to instability of the web upright, Ward’s (1990) and Fares et al. (2016) methods are recommended in these cases. In general, the results show that cellular beams are more advantageous when their application takes place for long spans.