Comportamento ao fogo de vigas sigma em aço enformado a frio

Abstract

A crescente utilização do aço enformado a frio na indústria da construção a que se tem vindo a assistir nas últimas décadas impulsionou o desenvolvimento de métodos para o cálculo da resistência dos elementos estruturais neste material e não tardaram a surgir normas de dimensionamento à temperatura ambiente de estruturas em aço enformado a frio. No entanto, e apesar da cada vez maior popularidade destas estruturas metálicas e da absoluta necessidade de garantir a segurança em qualquer situação suscetível de ocorrer durante a sua vida útil, nomeadamente uma situação de incêndio, não foram ainda estabelecidas normas específicas para o dimensionamento ao fogo de estruturas em aço enformado a frio, lacuna que urge suprir. É neste contexto que surge este trabalho de investigação sobre o comportamento ao fogo de vigas sigma em aço enformado a frio, que compreende a avaliação experimental da resistência de vigas neste tipo de aço sujeitas a temperaturas elevadas. O estudo realizado procura avaliar os efeitos da forma da secção transversal, da restrição axial à elongação térmica e da restrição rotacional nos apoios na capacidade resistente ao fogo das vigas. A investigação experimental permitiu concluir que as vigas sigma em aço enformado a frio possuem uma modesta resistência ao fogo, sendo muito suscetíveis aos fenómenos de instabilidade lateral-torsional e distorcional, mas que a limitação da temperatura máxima a 350ºC, conforme estipulado na EN 1993-1-2:2005, é demasiado restritiva, uma vez que as vigas apresentaram temperaturas críticas bastante superiores a esses 350ºC. Por outro lado, constatou-se o efeito desfavorável da restrição à elongação térmica nas temperaturas e tempos críticos das vigas enformadas a frio, por oposição ao efeito favorável da restrição rotacional nos apoios, efeitos que podem ser mais ou menos pronunciados dependendo da relação entre a rigidez axial da viga e a restrição à elongação térmica conferida pela estrutura circundante e da relação entre a rigidez rotacional da viga e a restrição rotacional nos apoios.

The increasing use of cold-formed steel (CFS) in construction industry witnessed in the last few decades led to the development of calculation methods to predict the response of CFS structural members under loading, and soon the first design standards for CFS structures at room temperature have appeared. However, and despite of the growing popularity of these steel structures and the absolute need to ensure their safety in any situation likely to occur during their lifetime, including a fire situation, specific standards for fire design of CFS structures were not yet established, a gap that needs to be overcome. Therefore, there is an urgent need to investigate the behaviour of CFS flexural members under fire conditions. This research is focused on the experimental evaluation of the behaviour of CFS sigma beams at elevated temperatures. The study aimed to investigate the effects of the section shape, of the axial restraint to thermal elongation and the rotational restraint at beams supports in their fire resistance. The main conclusions of the experimental investigation were that CFS sigma beams have a low fire resistance and are highly susceptible to lateral-torsional and distorcional buckling phenomenon, but the limitation enforced by EN 1993-1-2:2005 that the temperature of Class 4 cross-sections should not exceed 350ºC at any time seems to be too conservative, since the beams presented critical temperatures quite higher than the aforementioned 350ºC. On the other hand, this study showed that the axial restraint to thermal elongation is responsible for a significant reduction of CFS critical times and temperatures, whereas the rotational restraint has a favourable effect on the beams fire resistance, and that these effects can be more or less pronounced depending on the relationship between the axial stiffness of the beam and the axial restraint to thermal elongation conferred by the surrounding structure and the relationship between the rotational stiffness of the beam and the rotational restraint at beam supports.