Theoretical and experimental analysis of cold-formed steel members under compression

Os perfis de aço formados a frio apresentam, em geral, maior esbeltez local (relação largura-espessura dos elementos) em relação aos clássicos perfis laminados, acentuando a instabilidade local. Além disso, em se tratando de seções abertas com paredes muito delgadas, a rigidez à torção resulta muito pequena, o que torna os modos globais de torção e flexo-torção muitas vezes dominantes em relação aos modos de flexão. Outro modo de instabilidade que pode se manifestar é o modo distorcional, característico nos perfis com enrijecedores de borda. Com relação à análise do modo global, as normas para cálculo de perfis formados a frio têm adotado as mesmas curvas de resistência à compressão desenvolvidas para os perfis laminados e soldados, como a curva do SSRC (Structural Stability Research Council), adotada pela NAS (North American Specification), e as curvas européias, adotadas pela norma brasileira. Embora alguns estudos indiquem que as citadas curvas sejam aceitáveis para os perfis formados a frio, há também referências explícitas quanto à necessidade de um maior aprofundamento na investigação sobre o comportamento estrutural destes perfis, uma vez que apresentam particularidades quanto às tensões residuais, imperfeições geométricas e interação entre modos de instabilidade. Nesse trabalho é apresentada uma análise experimental em perfis usualmente empregados no Brasil (perfis U, U enrijecidos e cantoneiras simples e duplas), e uma estratégia de análise numérica não-linear, considerando os efeitos das imperfeições geométricas globais e localizadas (de chapa e distorcional), bem como das tensões residuais, de modo a se obter teoricamente um valor confiável da força normal de compressão resistente da barra. Os resultados permitiram constatar a viabilidade do emprego das atuais curvas de resistência à compressão para os perfis formados a frio. Complementando, foi analisada a aplicação do método da resistência direta (MRD) a todos os perfis estudados, confirmando bons resultados. Especial atenção foi dada ao estudo da estabilidade elástica de cantoneiras, com foco principal na coincidência entre o modo local-chapa e o modo global-torsional, o que tem gerado controvérsias na aplicação dos métodos de cálculo. Além disso, como as cantoneiras não são pré-qualificadas para aplicação do MRD, foram analisadas várias opções para emprego do método, onde pode-se concluir que desconsiderar a torção na análise do modo global conduz a resultados contra a segurançaCold-formed steel members present, in general, higher local slenderness than classical hot- rolled ones, which make them more prone to local buckling. Besides, thin-walled open sections have small torsional stiffness, and hence global torsional and flexural-torsional instability modes are many times more critical than global flexural ones. Also, distortional mode can happen in sections with lips (edge stiffener). Concerning on global buckling for members under compression, curves used in cold-formed steel design are based on hot-rolled and welded members. For example, the SSRC (Structural Stability Research Council) buckling curve, adopted by NAS (North American Specification), and Eurocode buckling curves, adopted by brazilian codes. Although some papers indicate these curves are acceptable for cold-formed steel members, others claim for a deeper analysis on their unique structural behavior, specially on residual stress, geometric imperfections and coupled buckling modes. It is presented in this thesis an experimental analysis of sections usually used in Brazil (simple and lipped channels, and also single and built-up angles). Moreover, it is developed a strategy for numerical non-linear analysis, considering the effects of global and local (also distortional) geometric imperfections and residual stress as well, in order to obtain a trustable theoretical value for the axial member stength. Results show the viability of the current buckling curves for cold-formed steel members. Finally, direct strength method (DSM) was analysed for all studied members, showing good results. Special attention to angle’s elastic stability, focusing on the coincidence between local-plate and global-torsional mode, which still causes confusion in design methods. Also, due to the fact angles are not pre- qualified sections for using DSM, many options on its application were studied, where it was concluded that negleting torsion in global analysis leeds to unconservative result