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Cold-formed steel and concrete composite beams: study of beam-to-column connection and region of hogging bending

By Raphael Mairal

Abstract

No Brasil, o emprego de estruturas de aço constituídas por perfis formados a frio tem crescido consideravelmente, em virtude da ampla disponibilidade de laminados planos no mercado (chapas finas), bem como pela busca de soluções estruturais mais competitivas. Nesse cenário, pode-se destacar as estruturas mistas de aço e concreto destinadas aos edifícios habitacionais de pequeno porte, em que os tradicionais perfis laminados são substituídos por perfis formados a frio tanto nas vigas como nos pilares. Embora o sistema de vigas mistas possa ser considerado consolidado no campo dos perfis laminados e soldados, o comportamento estrutural no caso de perfis formados a frio necessita de investigação mais aprofundada, de modo a verificar os modos de ruína e a viabilidade do emprego dos modelos teóricos clássicos. Nesse trabalho foi desenvolvido um estudo teórico e experimental sobre as vigas mistas em perfis formados a frio duplo U enrijecido, focalizando a ligação mista (ligação viga-pilar) e consequentemente a resposta estrutural da região de momento fletor negativo. O programa experimental consistiu da análise de dois protótipos cruciformes para determinar a curva momento-rotação, o momento resistente, a rigidez, a capacidade de rotação e identificar modos de falha. Foi possível constatar maior capacidade de rotação da ligação com cantoneiras de assento e de alma quando comparada a uma ligação totalmente soldada. Comparando com o modelo experimental o método dos componentes avaliou de forma razoável a rigidez em serviço, já o método proposto por Leon et. al. superestimou muito esse parâmetro, a capacidade de rotação foi avaliada de forma satisfatória pelos dois métodos. O momento resistente negativo da viga mista obtido experimentalmente apresentou um valor intermediário entre os valores teóricos obtidos por processo plástico e elástico.In Brazil, the cold-formed steel structures have been widely used justified by the large availability of steel sheets in the market (thin sheets) and the search for more competitive structural solutions. Thus as steel and concrete composite structures are applied in small constructions the traditional hot-rolled one is replaced by cold-formed members in the beams and columns. Even though the composite beams system is known in the hot-rolled and welded shapes field, the structural behavior of the cold-formed steel still needs more accurate investigation to verify the failure modes and the viability of the classic theoretical models. In this work a theoretical and experimental study about cold-formed steel and concrete composite beams was developed, focusing on the beam-to-column connection and the structural behavior on the region of hogging bending. For the experimental program two cruciform models of beam-column connections were analyzed to obtain the moment-rotation curves, the stiffness, and the rotation capacity. It was possible to verify the largest rotation capacity of the connection with the steel seat and web angle when compared with the totally welded connection. In the case of connection the method of the components estimates well the secant stiffness and the rotation capacity presenting a value closer to the ones obtained experimentally, Leon et al. procedures estimated well the initial stiffness and the rotation capacity, but the value of the secant stiffness is much larger than the experimental one. In the case of composite beam the ultimate strength (Mmax) experimentally obtained presented an intermediate value to the ones obtained by the plastic and elastic method

Topics: Cold-formed steel, Composite beams, Composite connections, Ligação mista de aço e concreto, Perfis de aço formados a frio, Viga mista, Estruturas
Publisher: Universidade de São Paulo
Year: 2010
OAI identifier: oai:agregador.ibict.br.BDTD_USP:oai:teses.usp.br:tde-23122010-090347
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