Mesquita, L.M.R.Nunes, Marina Rocha Pinto PortelaSouza, Jean Marcos Teixeira de2021-02-182021-02-1820212019http://hdl.handle.net/10198/23322Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do ParanáCurved steel beams and arches are structures originated from mechanical processes of curving straight members, usually I or H profiles, in order to get a desired geometry to attend aesthetics or project requirements. This type of elements behave differently when compared to regular straight members, with specific instability modes and different responses to various types of loading conditions. For these reasons, such structural members may react distinctively when submitted to fire conditions or elevated temperatures. This paper studies the stability and collapse load of steel curved beams and arches, curved by their major axes, through numerical Finite Element analyses for in-plane buckling at natural and elevated temperatures, simulating a fire event. Firstly, it was developed an analytical method to compute the internal forces based in energy methods for pin-supported arches under two point loads applied at one fourth of the length measured from the supports. Subsequently, linear elastic and nonlinear elasto-plastic buckling and ultimate load analyses were performed at both natural and elevated temperature conditions with the ANSYS Mechanical APDL Finite Element software package, for a variety of span and rise-to-span ratio values, support conditions and steel classes. These results were then compared to critical buckling load formulations found in the literature and to simplified methods presented in Eurocode 3 for elements under bending moments and axial forces. It is seen that support conditions play an important role in the thermo-mechanical response of steel arches, where fixed supports yielded much higher critical load results for every geometry and temperature case. However, even though superior steel classes provide higher resistant loads, regarding responses to thermal loads it was found that support condition is also more significant in this case. Moreover, the standard Eurocode 3 methodology for straight members was compared to the numerical results, which showed a good fit for lower bound loads except for higher slendernesses under elevated temperatures, where numerical solutions yielded result points under the standard resistance curves. Also, an analytical and experimental study on the cold-curving process of straight steel beams into arches using point loads was conducted, aiming to analytically define a post-curving residual stress profile and investigate the influence of elastic springback in the final shape of an arch.Vigas curvas e arcos de aço são estruturas originadas de processos mecânicos de curvamento de membros retos em curvos, geralmente perfis I ou H, a fim de obter a geometria desejada para atender a requisitos estéticos ou de projeto. Esse tipo de elemento comporta-se de maneira diferente quando comparado a membros retos regulares, com modos de instabilidade específicos e respostas diferentes a várias condições de carregamento. Por esses motivos, esses membros estruturais podem também reagir diferentemente quando submetidos a condições de incêndio ou temperaturas elevadas. Este trabalho estuda a estabilidade e a carga de colapso de vigas e arcos curvos de aço, curvados em seus eixos de maior resistência, através de análises numéricas de elementos finitos para encurvadura no plano à temperaturas ambiente e elevadas, simulando um evento de incêndio. Primeiramente, foi desenvolvido um método analítico para calcular as forças internas baseadas em métodos de energia para arcos bi-rotulados sob cargas pontuais aplicadas em um quarto do comprimento medido a partir dos suportes. Posteriormente, foram realizadas análises de encurvadura linear elástica e de carga última não-linear elasto-plástica em condições de temperatura naturais e elevada com o pacote de software ANSYS Mechanical APDL de elementos finitos, para uma variedade de valores de vão e relação altura-vão, condições de suporte e classes de aço. Esses resultados foram comparados com as formulações de carga crítica de encurvadura encontradas na literatura e com os métodos simplificados apresentados no Eurocódigo 3 para elementos submetidos a momentos fletores e forças axiais. Observa-se que as condições de suporte desempenham um papel importante na resposta termomecânica dos arcos de aço, onde os suportes fixos produzem resultados de carga crítica muito mais altos para cada caso de geometria e temperatura. Ademais, embora classes de aço superiores proporcionem maior resistência mecânica, em relação às respostas à cargas térmicas, verificou-se que a condição de suporte também é mais significativa neste caso. Além disso, a metodologia padrão do Eurocódigo 3 para membros retos foi comparada com os resultados numéricos, que mostraram um bom ajuste com os limites impostos pela metodologia padrão, exceto para esbeltezas mais altas sob temperaturas elevadas, onde as soluções numéricas produziram resultados abaixo das curvas de resistência padrão. Também, um estudo experimental e analítico foi conduzido acerca do processo de curvamento a frio de vigas de aço retas em arcos utilizando cargas concentradas, com objetivo de definir analiticamente um perfil de tensões residuais póscurvamento e investigar a influência do retorno elástico na forma final de um arco.engCurved beamsArchesSteelTemperatureFinite element methodmaster thesis202641953