Parâmetros que afetam o comportamento ao fogo de colunas com perfis em sigma de aço enformados a frio

Abstract

A elevada procura de elementos em aço enformado a frio na indústria da construção levou à criação de normas de dimensionamento à temperatura ambiente. No entanto, ainda não foram estabelecidas normas de dimensionamento específicas para este tipo de elementos em caso de incêndio, situação em que as estruturas de aço são suscetíveis de sofrer fenómenos de instabilidade e degradação das suas propriedades mecânicas.Este trabalho teve como objetivo avaliar o comportamento de colunas simples e compostas de aço enformado a frio, respetivamente colunas de secção transversal Sigma e 2 Sigma, em situação de incêndio. Os perfis em sigma apresentam maior capacidade resistente em relação à encurvadura quando comparadas com perfis semelhantes (em C) devido à presença de reforços na alma. Para esta avaliação foi utilizado o software Abaqus, recorrendo ao método de elementos finitos. Os modelos numéricos utilizados foram calibrados com base em ensaios experimentais já realizados no laboratório de estruturas do Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Coimbra.Este trabalho foi dividido em duas partes, a primeira consistiu na calibração do modelo numérico que foi criado a partir dos resultados dos ensaios experimentais, e a segunda teve como objetivo analisar a influência de alguns parâmetros não avaliados experimentalmente, como as dimensões da secção transversal (espessura, largura e altura), comprimento das colunas, diferentes níveis de carregamento, restrição e condições de apoio.Apesar do comportamento das colunas compostas de aço enformado a frio em situação de incêndio ser relativamente desconhecido, estas apresentam vantagens estruturais e económicas. Todavia, em situação de incêndio, as metodologias de dimensionamento presentes na EN 1993-1-2 (2005) necessitam de verificação, pois adotam coeficientes de redução das propriedades mecânicas do aço laminado para secções de Classe 4 e limitam os elementos a uma temperatura crítica de 350 ºC, o que não se verificou ser adequado nem nos resultados dos ensaios experimentais realizados nem para alguns dos casos estudados nesta dissertação.

The high demand for cold-formed steel elements in the construction industry led to the creation of design guidelines when at room temperature. However, it hasn’t been yet established any design guidelines for this kind of structural elements related to its behaviour under fire conditions, in which case these steel structures are at risk of instability phenomenon and degradation of their mechanical properties.This study aimed at evaluate the behaviour of simple and built-up columns of cold-formed steel in a fire situation, columns of sigma and 2 sigma cross-section respectively. The sigma profiles represent a greater resistance to buckling when compared to similar profiles (in C) due to the presence of reinforcements in its web. This evaluation was made with the Abaqus software, using the finite elements method. The numeric models used were calibrated based on prior experimental trials already performed at the Civil Engineering Department Laboratory of the University of Coimbra.The methodology in this study was undertaken in two parts, the first one consisted on the calibration of the numeric model that was created with the experimental trial, and the second one consisted on the analysis of the influence of other non-experimentally tested parameters, such as crossed section design (thickness, width and height), length of columns, different levels of loading, restriction and support conditions.Despite the behavior of build-up columns of cold-formed steel under fire conditions is still relatively unknown, these elements still reveal both structural and economic advantages. Therefore, under fire conditions, the design guidelines presented in the EN 1993-1-2 (2005) might require verification, as they adopt mechanical properties’ reduction coefficients of rolled steel for Class 4 sections, and limit the elements to a critical temperature of 350 ºC, which has not been adequate for every situation as it was observed on the experimental trials’ results and in some of this dissertation results.