Instabilidade do montante da alma de vigas alveolares: estudo experimental e numérico

Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná As vigas alveolares são caracterizadas por apresentarem furos ao longo de sua alma, sejam eles em formato hexagonal (casteladas), sinusoidal ou circular (celulares), sendo estas últimas objeto de estudo do presente trabalho, apresentando ou não uma expansão da alma. A presença de furos ao longo das vigas proporciona uma leveza e liberdade do ponto de vista arquitetônico, além de promover uma perda de peso significativa em comparação com as vigas sólidas e servir de passagens de sistemas de ventilação e instalações técnicas. Em contrapartida, o incremento de furos junto às vigas ocasiona modos locais de instabilidade, como a encurvadura do montante de alma, que podem ser impulsionados pela presença de temperaturas elevadas, como em um caso de incêndio. O presente trabalho busca a partir de métodos analíticos, análise numérica e ensaios experimentais determinar o comportamento de vigas alveolares, avaliando a influência da temperatura e dos parâmetros geométricos na resistência da viga e em seus modos de colapso, com ênfase na instabilidade do montante da alma. Para tal, foram selecionadas 8 vigas com geometrias diferentes, sendo 3 furos em cada viga, variando seus espaçamentos entre furos e seus diâmetros, além de mais 2 vigas sólidas para efeito de comparação, que seriam ensaiadas à flexão simulando uma viga encastrada. A pandemia ocasionada pelo COVID-19 impediu que todos os ensaios fossem realizados, sendo possível realizar apenas os ensaios com as vigas sólidas. Utilizando o Método dos Elementos Finitos foram realizadas análises lineares e não lineares com elementos do tipo casca SHELL181 do software ANSYS, para diferentes geometrias de furos, assim como altura da seção transversal e temperaturas (20oC, 400 oC, 500 oC, 600 oC e 700 oC). As vigas estudadas são encastradas com uma carga pontual na extremidade livre, sob uma temperatura uniformemente aplicada. Os resultados foram comparados com os obtidos a partir dos ensaios experimentais e apresentaram divergência nos deslocamentos verticais, provavelmente ocasionados pela dificuldade em garantir o encastramento da estrutura. Os valores de cálculo da tensão de compressão máxima proposta por Lawson se mostraram eficientes para montantes de alma iguais a 0.1h e para montantes iguais a 0.2h, a metodologia proposta por Bitar apresentou melhores resultados. Por fim, para os valores de carga de colapso, as vigas se mostraram mais sensíveis ao aumento do diâmetro do que o espaçamento entre furos. The cellular beams are characterized by having holes along with their web, whether hexagonal (castellated), sinusoidal or circular (cellular), being the latter object of study of the present work, whether or not presenting a web expansion. The presence of holes along the beams provides lightness and freedom from an architectural point of view, as well as promoting significant weight loss compared to solid beams and serving as a passage for ventilation systems and technical installations. In contrast, the presence of holes in the beams causes local modes of instability, such as web-post buckling, which can be increased by the presence of high temperatures, as in a fire. The present work seeks through analytical methods, numerical analysis, and experimental tests to determine the behavior of cellular beams, evaluating the influence of temperature and geometric parameters on the resistance of the beam and its collapse modes, with emphasis on the web-post buckling. For this, 8 beams with different geometries were selected, being 3 holes in each beam, varying their spacing between holes and their diameters, and 2 more solid beams for comparison purposes, that would be tested in bending simulating a Cantilever beam. The pandemic caused by COVID-19 prevented all tests from being done, being possible to do only the tests with solid beams. Using the Finite Element Method, linear and nonlinear analyses were performed with shell type elements (SHELL181) from the ANSYS software, for different hole geometries, as well as cross-section height and temperatures (20oC, 400 oC, 500 oC, 600 oC e 700 oC). The studied beams are Cantilever beams with a point load athe the free end, under a uniformly applied temperature. The results were compared with those obtained from the experimental tests and showed divergence in the vertical displacements, probably caused by the difficulty in producing a Cantilever beam. The calculation values of the maximum compression stress proposed by Lawson proved to be efficient for web-posts equal to 0.1h and for web-posts equal to 0.2h, the methodology proposed by Bitar showed better results. Finally, for the collapse load values, the beams were more sensitive to the increase in diameter than the spacing between holes.