Advanced Analysis of Three-Dimensional Steel Frames

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Civil apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaA quota de mercado da construção metálica em Portugal tem evoluído bastante nas últimas décadas, essencialmente pela competitividade do aço enquanto material, rapidez de construção e facilidade de exportação. A alta resistência do aço em proporção com o seu peso permite minimizar o peso próprio das estruturas e, consequentemente, os custos associados ao material. Com as estruturas cada vez mais otimizadas surgem os inevitáveis fenómenos de instabilidade, tornando-se imprescindível a verificação da estabilidade global da estrutura ou de algumas das suas sub-estruturas. De acordo com o Eurocódigo 3, parte 1-1, esta verificação deverá ser efetuada considerando os efeitos de 2ª ordem e as imperfeições. Os programas de análise de estruturas pelo método dos elementos finitos vieram potenciar a realização de análises numéricas avançadas para a determinação da resistência última de estruturas. No entanto, pela sua maior complexidade e a falta de regulamentação específica, este tipo de análise não é ainda o preferido dos projetistas. Nesta dissertação estudou-se o comportamento de pórticos em aço para estruturas porticadas de edifícios, com ênfase no comportamento geometrica e materialmente não linear com imperfeições (GMNIA). Os resultados foram objeto de uma avaliação crítica por comparação com as recomendações da nova prEN1993-1-14, em elaboração. Numa primeira fase foi realizada a modelação e análise de uma viga simples, com o objetivo de perceber a influência da escolha do tipo de elemento finito e do fenómeno de encurvadura lateral torsional. Posteriormente, realizou-se a modelação e análise de um exemplo desenvolvido no âmbito do comité técnico TC8 – Estabilidade da ECCS.The market share of metallic construction in Portugal has evolved considerably in recent decades, essentially due to the competitiveness of steel as a material, construction speed and ease of export. The high strength of steel in proportion to its weight makes it possible to minimize the weight of the structures and, consequently, the costs associated with the material. With structures increasingly optimized, the inevitable phenomena of instability arise, making it essential to check the overall stability of the structure or some of its sub-structures. According to Eurocode 3, part 1-1, this check must be carried out considering 2nd order effects and imperfections. Structural analysis programs using the finite element method have enhanced the performance of advanced numerical analyzes to determine the ultimate strength of structures. However, due to its greater complexity and the lack of specific regulation, this type of analysis is still not preferred by designers.In this dissertation, the behavior of steel frames for frame structures of buildings was studied, emphasizing the geometrically and materially nonlinear behavior with imperfections (GMNIA). The results were critically evaluated by comparison with the recommendations of the new prEN1993-1-14, in preparation.In a first phase, the modeling and analysis of a simple beam was carried out to understand the influence of the choice of the finite element type and the torsional lateral buckling phenomenon. Subsequently, the modeling and analysis of an example developed within the scope of the technical committee TC8 – Stability of the ECCS was carried out