Modelação numérica de pilares de betão armado com dilatação térmica restringida sujeitos a incêndio

Abstract

Os elementos estruturais, quando submetidos à ação do fogo, aumentam a sua temperatura, provocando diminuição da resistência e rigidez dos materiais, bem como esforços adicionais nas estruturas hiperestáticas, induzidos pelas deformações térmicas. Em situação de incêndio, as estruturas devem atender a um tempo mínimo de resistência ao incêndio (normalizado) requerido por legislação, a fim de garantir a minimização de prejuízos. A realização de ensaios experimentais para determinação da resistência ao fogo em pilares de betão armado à escala real são morosos e acarretam custos elevados. Por estes factos, a utilização de métodos avançados de cálculo apresentam, atualmente, um crescimento significativo. Esta evolução foi fomentada pela entrada em vigor da parte 1-2 da EN1992, na qual para além da verificação utilizando métodos tabelados e simplificados de cálculo e verificação experimental, permite a verificação através da utilização de métodos avançados de cálculo, aplicados à globalidade da estrutura ou a elementos isolados. Assim neste trabalho desenvolveram-se modelos numéricos de elementos finitos com o programa de computador Abaqus para simular o comportamento de pilares de betão armado ao fogo. As variáveis em estudo nos ensaios experimentais foram a taxa de armadura longitudinal, a esbelteza do elemento, a rigidez da estrutura circundante, o nível de carregamento e a excentricidade de aplicação do mesmo. Neste trabalho realizaram-se simulações numéricas de pilares de secção transversal quadrada e circular. Nos primeiros, a taxa de armadura longitudinal variou entre 1,23% e 3,14%, a esbelteza entre 50,5 e 90,9 e a rigidez da estrutura circundante entre 13,1 KN/mm e 45 KN/mm. Nos segundos, a taxa de armadura situou-se entre 1,38% e 3,84%, a esbelteza entre 47 e 57 e a rigidez da estrutura circundante entre 13,1 KN/mm e 128,3 KN/mm. No que se refere ao nível de carregamento apenas se simulou para 70% do esforço axial resistente. As simulações efetuadas conseguiram reproduzir a evolução da temperatura na secção com um grau satisfatório. No que se refere à força de restrição e deslocamentos, em alguns dos modelos as simulações afastaram-se dos resultados experimentais. No tempo de resistência, de uma forma geral, as simulações conseguiram aproximar-se dos resultados experimentais. O betão é um material altamente complexo, apresentando um comportamento não linear e fenómenos que os modelos dos materiais previstos na biblioteca do Abaqus não conseguem retratar e que influenciam de forma significativa os resultados, exemplo destes são a fissuração e o spalling

The structural elements, when submitted to the action of fire, raise their temperature provoking the decrease of the resistance and stiffness of materials as well as provoking additional strain in the hyperstatic structures which is induced by the thermic deformations. In case of fire, structures must respond to a minimal time of fire resistance (standardized) which is required by legislation in order to guarantee the minimization of hazard. The realization of experimental trials for the determination of fire resistance in reinforced concrete pillars in full-scale is slow and expensive. For this reason, the use of advanced calculation methods represents a significant increase nowadays. This development was fomented by the implementation of the 1-2 part of the EN1992, in which the verification using simplified methods and the experimental verification allow the verification through the utilization of advanced calculation methods applied to the global structure or to isolated elements. Thus, in this project, there were developed numerical models of finite elements using the Abaqus software in order to simulate the behavior of reinforced concrete pillars to fire. The variables in study during the experimental trials were the longitudinal reinforcement ratio, the slenderness of the element, the rigidity of the surrounding structure, the level of load and the eccentricity of its application. In this project there were made numerical simulations of square and circular transversal section pillars. In first ones, the longitudinal reinforcement ratio ranged between 1,23% and 3,14%, the slenderness ranged between 50,5 and 90,9 and the rigidity of the surrounding structure ranged between 13,1 KN/mm and 45 KN/mm. In the second ones, the reinforcement ratio was between 1,38% and 3,84%, the slenderness ranged between 47 and 57 and the rigidity of the surrounding structure ranged between 13,1 KN/mm e 128,3 KN/mm. In which refers to the load level it was only simulated for 70% of the resistant axial strain. The simulations were able to reproduce the development of temperature in the section in a satisfactory level. In what refers to the restraining force and displacements, in some of the models the simulations drifted from the experimental results. As for the resistance time, the simulations were able to globally match the experimental results. Concrete is a highly complex material which show a nonlinear behavior and phenomena which the models of materials previewed in the Abaqus database can’t represent, and which influence the results in a significant manner, are for example cracking and spalling.