Análise numérica de colunas tubulares mistas de aço e concreto com seção transversal elíptica sujeitas a incêndio

Abstract

O objetivo deste trabalho foi fazer uma análise numérica, através do software de elementos finitos do comportamento ao fogo de colunas tubulares mistas de aço e concreto com seção transversal elíptica. Foram avaliados parâmetros de esbeltez, nível de carregamento, excentricidade, percentual de armadura do concreto, nível de restrição e curvas de aquecimento.Para execução do presente trabalho foi necessário empreender ampla revisão bibliográfica de dados experimentais já publicados e dos eventuais dados numéricos a eles relacionados. Foi feita a análise numérica dos tipos estruturais das colunas quanto a esbeltez fazendo variar os parâmetros de espessura da parede do tubo, dimensões da seção transversal e comprimento. A análise numérica do carregamento foi realizada em três níveis, 30, 50 e 70%. A excentricidade de aplicação da carga igual a um quarto e metade da semiseção das colunas. O percentual de armadura no concreto de preenchimento em dois níveis – 2 e 4%. Níveis de restrição axial de 30, 120, 500 kN/mm e curvas de aquecimento sendo uma a curva ISO 834 e a outra uma curva de hidrocarbonetos.Os resultados obtidos foram tabulados, analisados e comparados aos eventuais dados numéricos já disponíveis. Foram também avaliadas metodologias simplificadas para o cálculo deste tipo de colunas em situação de incêndio.Ao final verificou-se que os objetivos foram atendidos. Neste sentido foi verificado que relativamente a esbeltez os resultados foram, como esperado, e já apontados por outros pesquisadores para seções transversais circulares, ou seja, uma maior esbeltez conduz ao menor tempo de resistência ao fogo. Já a esbeltez da seção transversal apresentou resultados bastante inovadores.Das simulações de níveis de carregamento imposto inicialmente e de níveis de restrição axial foi possível observar, dentre outros parâmetros, as diferenças de tempo de resistência ao fogo e deformações axiais distintas para os dois tipos de solicitação.Já quanto à excentricidade da aplicação de carga foram empreendidas duas análises completas e distintas: a primeira com aplicação da carga equivalente ou conjugado de carga axial e momento, obtidas pela aplicação das rotinas do Eurocódigo e uma segunda com aplicação da carga de projeto nas excentricidades especificadas. A análise realizada neste trabalho será assim relevante para os projetistas de estruturas de aço pois fornecerá dados técnicos de comportamento ao fogo de colunas tubulares mistas de aço e concreto com seção elíptica.

The objective of this work was to make a numerical analysis, using finite element software, of the fire behavior of Composite steel and concrete columns with an elliptical cross section. This work evaluated the slimness parameters, loading level, eccentricity, concrete reinforcement percentage, restriction level and heating curves.In order to carry out this work, it was necessary to undertake a wide bibliographic review of experimental data already published and of any numerical data related to them.The numerical analysis of the structural types of the columns was made in terms of slimness, varying the parameters of the thickness of the tube wall, dimensions of the cross section and length. The numerical analysis of loading was performed at three levels, 30, 50 and 70%. The eccentricity of application of the load equal to a quarter and a half of the semisection of the columns. The percentage of reinforcement in the filling concrete in two levels - 2 and 4%. Axial restriction levels of 30, 120, 500 kN / mm and heating curves, one being the ISO 834 curve and the other a hydrocarbon curve.The results obtained were tabulated, analyzed and compared to any numerical data already available. Simplified methodologies for calculating this type of columns in a fire situation were also evaluated.At the end it was found that the objectives were met. In this sense, it was verified that in relation to slimness the results were, as expected, and already pointed out by other researchers for circular cross sections, in other words, greater slimness leads to a shorter time of fire resistance. The slimness of the cross section, on the other hand, presented quite innovative results.From the simulations of loading levels initially imposed and axial restriction levels, it was possible to observe, among other parameters, the differences in time of fire resistance and different axial deformations for the two types of load.As for the load application eccentricity, two complete and distinct analysis were carried out: the first with the application of the equivalent or combined load of axial load and moment, obtained by the application of the Eurocode routines and the second with application of the design load in the specified eccentricities. The analysis carried out in this work will therefore be relevant for steel structure designers as it will provide technical data on the fire behavior of mixed tubular steel and concrete columns with an elliptical section.