Analytical model for design of Composite Castellated Beams of Steel and Concrete

As vigas alveolares são obtidas a partir de perfis de aço laminados padronizados, tipo I ou H. Esses perfis são cortados ao meio, no sentido longitudinal, de modo que as duas metades possam ser reposicionadas e soldadas mais afastadas uma da outra. Dessa maneira, obtém-se peças com uma série de aberturas na alma, com maior altura da seção transversal e com inércia superior, mantendo-se o mesmo peso do perfil de aço original. A colocaçlão de uma laje de concreto sobre a viga alveolar de aço proporciona vantagens construtivas e econômicas. Neste trabalho é apresentado um modelo analítico para o dimensionamento de vigas alveolares mistas. Sua capacidade de resposta frente aos diferentes modos de colapso foi verificada com auxílio de um modelo numérico. O modelo de elementos finitos apresentado e aprimorado neste trabalho foi inicialmente desenvolvido com auxílo do programa ABAQUS, no âmbito do Grupo de Pesquisa de Estruturas do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Viçosa - Brasil. Foram desenvolvidos estudos de caso com o objetivo de avaliar a capacidade do modelo analítico de representar os estados-limites típicos de vigas alveolares mistas, com base na comparação dos resultados obtidos com auxílio do modelo analítico e por meio do modelo numérico. Para desenvolvimento desses estudos considerou-se a variação de algumas características geométricas e mecânicas das vigas alveolares mistas que influenciam o seu comportamento estrutural, tais como: a geometria dos alvéolos, a relação entre vão e altura expandida da viga alveolar de aço, o grau de interação e a utilização de enrijecedores de alma. O modelo numérico deste trabalho é capaz de representar o comportamento estrutural de vigas alveolares mistas de aço e concreto de forma adequada, uma vez que apresentou cargas máximas, variação da rigidez e modos de colapso compatíveis com aqueles observados em estudos experimentais realizados por outros autores. O modelo analítico desenvolvido também é capaz de representar de forma satisfatória o comportamento estrutural de vigas alveolares mistas de aço e concreto, visto que os seus resultados foram próximos aos obtidos por meio dos modelos de elementos finitos para diferentes modos de colapso e parâmetros de projeto.Castellated beams are obtained from hot-rolled I or H steel sections. These profiles are split longitudinally following a defined pattern, in a way that the high points of the two halves can be welded together, obtaining a beam with regular web openings. This beam presents greater depth and higher moment of inertia, while maintaining the original profile weight. The placement of a concrete slab on the top of the castellated beam provides constructive and economic advantages. This work presents an analytical model for the design of composite castellated beams. The analytical model’s response to different failure modes was verified using a numerical model. The finite element model presented and improved in this work was initially developed with ABAQUS, within the Research Group for Structural Engineering of the Post-graduate Program on Civil Engineering at the Universidade Federal de Viçosa - Brazil. Case studies were performed in order to assess the analytical model’s capability to represent the typical limit states of the composite castellated beams, based on the comparison of the results obtained with the analytical model and those obtained by the numerical model. The variation of some geometrical and mechanical characteristics of the composite castellated beams that influence their structural behavior was done on the development of the case studies, such as the openings geometry, the span/depth ratio, the degree of connection and the use of web stiffeners. The numerical model proposed in this work is able to appropriately represent the structural behavior of composite castellated beams of steel and concrete, since it presented failure loads, stiffness variation and failure modes compatible with those observed in the experimental studies carried out by other authors. The analytical model developed is also capable of satisfactorily representing the structural behavior of the composite castellated beams of steel and concrete, since the results obtained using this analytical model were close to those obtained using the finite element models for different failure modes and design parameters.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerai