Análise numérica por elementos finitos de barras de seção composta por perfis sigma submetidos à compressão centrada

Abstract

O uso de perfis de aço formados a frio (PFF) destaca-se pela eficiência estrutural e leveza, embora a elevada esbeltez dos elementos os torne suscetíveis a diversos modos de instabilidade, como local, distorcional e global. Este trabalho investiga o comportamento estrutural de perfis formados a frio do tipo Sigma (Σ) dispostos em configuração composta costa-a-costa, avaliando sua resposta sob compressão axial por meio de análises numéricas em elementos finitos. Desenvolveu-se um modelo tridimensional utilizando o Abaqus®, calibrado com resultados experimentais disponíveis na literatura. Inicialmente, realizou-se uma análise de flambagem elástica para identificar os modos críticos, local, distorcional e global e extrair as imperfeições geométricas utilizadas na etapa não linear. Em seguida, aplicou-se a Análise Não Linear Geométrica e de Material com Imperfeições (GMNIA), permitindo determinar a capacidade resistente última, a evolução das deformações e os mecanismos de colapso. Também foi conduzido um estudo paramétrico variando-se o comprimento das barras (300 a 3200 mm) e as espessuras dos perfis (1,0; 3,0 e 4,75 mm), possibilitando avaliar a influência direta desses parâmetros sobre a rigidez, a carga última e os modos predominantes de instabilidade. Complementarmente, para fins de aplicação do Método da Resistência Direta (MRD), foram realizadas análises adicionais no CUFSM, nas quais a espessura da região da ligação foi ajustada (t, 1,2t, 1,3t, 1,5t e 2t). Essas variações foram uma adequação necessária para que o CUFSM e o MRD possam representar corretamente o comportamento de uma seção composta. Os resultados demonstraram que o aumento da espessura da seção eleva significativamente a capacidade de carga e influencia a transição dos modos de falha, que variaram de interações local-distorcional em barras curtas para flambagem global por flexão em barras esbeltas. Por fim, a comparação dos resultados numéricos com as previsões analíticas do Método da Resistência Direta (MRD) indicou que o procedimento normativo vigente tende a ser conservador para as configurações de seções compostas analisadas, e possui grande influência na forma que a região da ligação da seção é modelada para obter as cargas críticas.

The use of cold-formed steel (CFS) sections stands out for their structural efficiency and lightweight nature, although the high slenderness of the elements makes them susceptible to various instability modes, such as local, distortional, and global buckling. This work investigates the structural behavior of Sigma (Σ) type cold-formed steel sections arranged in a built-up back-to-back configuration, evaluating their response under axial compression through numerical finite element analysis. A threedimensional model was developed using Abaqus®, calibrated with experimental results available in the literature. Initially, an elastic buckling analysis was performed to identify the critical modes, local, distortional, and global and to extract the geometric imperfections used in the non-linear stage. Subsequently, Geometric and Material Non-Linear Analysis with Imperfections (GMNIA) was applied, allowing for the determination of the ultimate load capacity, the evolution of deformations, and the collapse mechanisms. A parametric study was also conducted by varying the column lengths (300 to 3200 mm) and profile thicknesses (1.0, 3.0, and 4.75 mm), enabling the evaluation of the direct influence of these parameters on stiffness, ultimate load, and predominant instability modes. Additionally, for the application of the Direct Strength Method (DSM), supplementary analyses were performed in CUFSM, in which the thickness of the connection region was adjusted (t, 1.2t, 1.3t, 1.5t, and 2t). These variations constitute a necessary adaptation so that CUFSM and DSM can correctly represent the behavior of a built-up section. The results demonstrated that increasing the section thickness significantly raises the load capacity and influences the transition of failure modes, which varied from local-distorcional interactions in short columns to global flexural buckling in slender columns. Finally, the comparison of numerical results with the analytical predictions of the Direct Strength Method (DSM) indicated that the current normative procedure tends to be conservative for the analyzed built-up section configurations and is significantly influenced by how the section's connection region is modeled to obtain the critical loads.