Investigação analítica e numérica do comportamento de vigas casteladas perante a flambagem lateral com torção

Abstract

As vigas alveolares do tipo castelada, são elementos estruturais otimizados, produzidos por meio de um único corte longitudinal, resultando em perfis com altura e relação resistência-peso superiores aos perfis originais. A literatura técnica apresenta uma quantidade reduzida de trabalhos a respeito desse tipo de perfil, especialmente no que se refere ao comportamento global em relação à estabilidade e à capacidade resistente à flambagem lateral com torção (FLT). Dada a importância de compreender o comportamento das vigas casteladas sujeitas à FLT, foi realizado um estudo paramétrico por meio de análises numéricas utilizando o software de elementos finitos ABAQUS com o objetivo da avaliar os métodos analíticos existentes para a determinação do momento crítico, adaptados para as vigas casteladas. O estudo avaliou a variação do comprimento das vigas, de 4 m a 8 m, utilizando o perfil original IPE 160 e o perfil expandido (alveolar). A partir dos modelos analisados e dos resultados obtidos, foi possível avaliar os principais procedimentos analíticos existentes para a determinação do momento crítico elástico, bem como a influência do método de cálculo analítico das propriedades geométricas para a seção alveolar da determinação do momento crítico. Foi avaliada a adequação de procedimentos normativos como as normas: NBR 8800 (ABNT, 2024); AISC 360 (ANSI, 2022); EN 1993-1-1 (CEN, 2005) e AS 4100 (2020). A análise demonstrou a viabilidade de diferentes métodos para a determinação do momento crítico elástico em vigas casteladas, destacando-as como uma alternativa eficaz à abordagem tradicional de perfis de seção I. Observou-se também que as normas NBR 8800 (ABNT, 2024) e AISC 360 (ANSI, 2022) tendem a apresentar resultados inseguros quando as cargas são aplicadas na mesa superior da viga, condição comum em projetos de Engenharia.

Cellular beams with castellated openings are optimized structural elements, produced through a single longitudinal cut, resulting in profiles with height and strength-to-weight ratio superior to the original profiles. The technical literature presents a reduced amount of studies regarding this type of profile, especially concerning the global behavior in relation to stability and lateral-torsional buckling (LTB) resistance. Given the importance of understanding the behavior of castellated beams subjected to LTB, a parametric study was conducted through numerical analyses using the finite element software ABAQUS with the objective of evaluating the existing analytical methods for determining the critical moment, adapted for castellated beams. The study evaluated the variation in beam lengths, from 4 m to 8 m, using the original IPE 160 profile and the expanded (castellated) profile. From the analyzed models and the obtained results, it was possible to evaluate the main existing analytical procedures for determining the elastic critical moment, as well as the influence of the analytical calculation method of the geometric properties for the castellated section in determining the critical moment. The adequacy of normative procedures was evaluated, such as the standards: NBR 8800 (ABNT, 2024); AISC 360 (ANSI, 2022); EN 1993-1-1 (CEN, 2005) e AS 4100 (2020). The analysis demonstrated the feasibility of different methods for determining the elastic critical moment in castellated beams, highlighting them as an effective alternative to the traditional approach of I-section profiles. It was also observed that the standards NBR 8800 (ABNT, 2024) and AISC 360 (ANSI, 2022) tend to present unconservative results when the loads are applied to the upper flange of the beam, a common condition in Engineering projects.