Fire Resistance of Steel and Composite Steel-Concrete Columns

Abstract

O fogo é uma acção extrema a que uma estrutura pode ser sujeita, e portanto deve ser dimensionada para lhe resistir. Os Eurocódigos estruturais disponibilizam métodos de cálculo para permitirem garantir às estruturas a resistência ao fogo adequada. O objectivo deste trabalho foi estudar pilares de aço e mistos aço-betão em edifícios, em situação de incêndio. A influência de diversos parâmetros, tais como o contacto com as paredes de tijolo, a rigidez da estrutura circundante, o nível de carregamento, e a esbelteza do pilar, foram alvo de um estudo paramétrico realizado experimental e numericamente no presente trabalho. Resultados dos ensaios experimentais foram comparados com os estudos numéricos reproduzindo as condições usadas nos ensaios experimentais, com a finalidade de fornecer dados valiosos para o desenvolvimento ou melhoria de métodos de dimensionamento de pilares em situação de incêndio. O principal objectivo foi reproduzir, tanto quanto possível, em laboratório, as condições a que opilar está sujeito, num edifício real em incêndio. O programa experimental comportou a realização de ensaios em pilares de aço de secção H embebidos em paredes, pilares de aço e mistos aço-betão parcialmente preenchidos com betão com dilatação térmica restringida. Os ensaios experimentais referenciados foram realizados na Universidade de Coimbra. Os resultados foram comparados com os de ensaios realizados no Bundesanstaltfür Material-forschungund- prüfung (BAM), em Berlim, Alemanha. A modelação numérica dos ensaios foi realizada utilizando os programas de computador de elementos finitos SUPERTEMPCALC e ABAQUS. Foi realizada uma análise geométrica e material não-linear. Foi feita uma modelação numérica minuciosa tendo sido obtida uma boa concordância entre os resultados experimentais e numéricos, tanto em termos de temperaturas, forças de restrição e deformada dos pilares. Para os pilares de aço embebidos nas paredes, o estudo incidiu sobre a influência das paredes na distribuição de temperaturas ao longo da secção dos pilares. Os pilares embebidos em paredes, comportam-se de maneira diferente em situação de incêndio, devido ao gradiente térmico, e à restrição. Para os pilares de aço isolados, a principal conclusão foi sobre a influência real da restrição à dilatação, considerada simultaneamente com a restrição à rotação. Concluiu-se que estas duas rigidezes têm um efeito contrário na resistência ao fogo dos pilares. O parâmetro que maior influencia teve na resistência ao fogo dos pilares foi o nível de carregamento. Para os pilares mistos aço-betão, a principal conclusão foi que a restrição à dilatação só influencia a resistência ao fogo para níveis de carregamento baixos. Os principais resultados deste trabalho de investigação, foram a proposta de métodos para a avaliação da evolução da temperatura na secção transversal de pilares com aquecimento diferencial em contacto com as paredes, diagramas de interacção Esforço Axial – Momento Flector, para pilares com aquecimento diferencial, bem como propostas para o cálculo da temperatura crítica e resistência ao fogo de pilares de aço.

Fire is an extreme action, to which a structure may be submitted, and therefore, must be designed to resist. The Eurocodes provide methods for the design of structures, to ensure the required fire resistance. The purpose of this work was to study steel and composite steel-concrete columns in buildings, under fire situation. The influence of several parameters such as the contact with brick walls, the stiffness of the surrounding structure, the load level, and the slenderness of the columns, were the target of the parametric study carried out in the present research. Results of the experimental tests were compared with numerical studies reproducing the conditions used in the tests, with the purpose of providing valuable data for the development or improvement of analytical designing methods. The main goal was to reproduce as much as possible, in the laboratory, the conditions to which the column is subject to, in a real building. The experimental programme was composed of tests on steel H columns embedded on walls, bare steel H columns with restrained thermal elongation and composite steel-concrete partially encased H columns with restrained thermal elongation.The experimental tests performed at the University of Coimbra, were then compared with tests performed at the Federal Institute for Materials Research and Testing, in Berlin. The numerical modelling of the tests was performed using the finite element computer programs SUPERTEMPCALC and ABAQUS. A geometrical and material non-linear analysis was performed. A very accurate modelling of the experimental tests was done, with a very good agreement between experimental and numerical results, both in terms of temperatures, forces and deformed shapes of the columns. For the steel columns embedded on walls, the study focused on the influence of the walls on the temperature distribution along the cross section of the columns. Columns embedded on walls, behave differently in fire situation, due to the thermal gradient, and the restraint. For the steel bare columns, the main conclusion was about the real influence of the axial restraint considered simultaneously with the rotational restraint. It was concluded that these two stiffnesses have an opposite effect on the fire resistance of the columns. The parameter with greater influence of the fire resistance of the columns was the load level. For the composite steel-concrete columns, the major conclusion was that the restraint to thermal elongation only affects the fire resistance of the columns for low load levels. The major outcomes of this research, were proposals of methods for the assessment of the temperature evolution within the cross-section of unevenly heated steel columns in contact with walls, axial force – bending moment interaction diagrams for columns with differential heating, as well as proposals for the calculation of the critical temperatures and fire resistance of steel bare columns.