Experimental and numerical analysis of compressed cold-formed steel elements with sigma-plus cross-sections subjected to fire

Abstract

O aço enformado a frio tem vindo a assumir cada vez mais importância no mundo da construção civil, fato esse devido às inúmeras vantagens que pode oferecer, garantindo um bom desempenho estrutural. A crescente popularidade conseguida nas últimas décadas é devida às propriedades únicas características do aço enformado a frio como, a sua leveza, a sua alta resistência e rigidez, a sua não combustibilidade, assim como a redução tanto no tempo da sua montagem como nos custos associados.A falta de estudos e investigações em relação a elementos de aço enformado a frio é avassaladora, especialmente em colunas em situação de incêndio, e o conhecimento adquirido até à data é ainda escasso sendo necessário mais investigações nesta matéria. A ausência de estudos torna-se, mais evidente se os efeitos da restrição axial e rotacional forem considerados na investigação, fator que simula uma situação real em que a coluna é parte integrante de uma estrutura.A presente dissertação, foi elaborada como parte de um projeto de pesquisa nacional denominado FireColdSteel – Análise experimental e numérica de elementos estruturais de aço enformado a frio sujeito a incêndio – PTDC/EMC/116859/2010 (FCT) e realça a necessidade do desenvolvimento de metodologias especificas para este tipo de elementos. A norma atualmente disponível está presente na EN1993-1-2:2005 (2005) e foi especificamente desenvolvida para aços laminados a quente, e também é aplicável a elementos de aço enformado a frio com secção transversal de classe 4.Os resultados obtidos experimentalmente foram posteriormente usados na validação dum modelo de elementos finitos desenvolvido, usando o software Abaqus (2014), para reproduzir o comportamento das colunas observado nos ensaios experimentais. O modelo numérico foi validado de encontro com os dados recolhidos na análise experimental, com o objetivo de expandir as simulações a um maior número de casos para lá dos limites impostos nesta dissertação.Os testes realizados mostraram que as colunas apresentaram baixa resistência ao fogo. Durante os ensaios experimentais foi observado que para colunas compostas o colapso foi controlado pela restrição axial imposta, já para as simples o colapso parece ter sido controlado pelo aumento das temperaturas levando a uma deterioração das propriedades mecânicas do material.

The cold-formed steel has become more popular over the years in construction industry, mostly due to its innumerous advantages that this type of steel can offer, ensuring both structural behaviour. The increase popularity achieved over the last decades it is due to a number of unique properties characteristic of this steel such as, its lightness in weight, high strength and stiffness, non-combustibility, and a reduction in both erection time and construction costs.The lack of studies and researches regarding cold-formed steel members is overwhelming, specially in terms of columns in fire situation, and the knowledge achieved up to date is still scarce requiring a better understanding on this type of columns. The absence of studies regarding cold-formed steel columns is even clearer if the effects of axial and rotational restraint are considered within the research, which simulates a real-life situation when the column is an integral part of the structure.The present dissertation was conducted as part of a National Research Project entitled FireColdSteel – Experimental and Numerical Analyses of Cold-Formed Steel Members Under Fire Conditions – PTDC/EMC/116859/2010 (FCT) and enhances the need to develop specific guidelines for cold-formed steel members. The current available design standards are present in EN 1993-1-2:2005 (2005) specifically designed for hot-rolled steel members that are also applicable to cold-formed steel members with class 4 cross-section.The experimental results obtained were posteriorly used as input in order to validate the finite element models developed, using the finite element analysis Abaqus (2014), to reproduce the behaviour of the cold-formed steel specimens observed in the experimental fire tests. The finite element model was validated against the retrieved experimental data, and it is intended to expand the simulations into a larger number of elements outside of the bounds of this dissertation.The tests conducted showed that cold-formed steel columns present low fire resistance. During the experimental tests, it was observed that for built-up columns the restraint to thermal elongation seemed to control the failure, whereas for single columns the failure was due to the temperature increase leading to the degradation of the mechanical properties.