Análise numérica de vigas de aço enformado a frio com reforços longitudinais em situação de incêndio

Abstract

O aumento significativo da utilização do aço enformado a frio na construção levou a uma necessidade de compreensão do mesmo. Esta compreensão é transmitida através de métodos de cálculo que foram surgindo e que segundo os seus autores se aproximam melhor das capacidades em serviço e/ou de instabilidade dos elementos estruturais. Estes métodos levaram à criação de normas específicas de dimensionamento à temperatura ambiente, o que já não sucede em situação de incêndio. Neste trabalho avaliou-se o comportamento estrutural em situação de incêndio de vigas simples e compostas de aço enformado a frio, vigas de secção transversal sigma e 2 sigma, respetivamente. Para esta avaliação utilizou-se o software Abaqus recorrendo ao método dos elementos finitos. Os modelos numéricos foram calibrados com base nos resultados de ensaios experimentais realizados no Laboratório De Ensaio de Materiais e Estruturas do Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Coimbra. Os elementos estruturais de aço enformado a frio por serem enformados à temperatura ambiente são constituídos por espessuras reduzidas, apresentando, assim, um comportamento altamente não-linear e consequente complexidade no seu dimensionamento. Este estudo foi dividido em duas partes: calibração e estudo paramétrico. Deste modo, o primeiro objetivo consistiu na calibração dos modelos numéricos e o segundo teve como foco analisar o efeito da variação de alguns parâmetros, como o comprimento das vigas (esbelteza), os níveis de restrição axial e rotacional à dilatação térmica e os níveis de carregamento inicial. Com a realização desta calibração procurou-se determinar um modelo de previsão para novos estudos numéricos, bem como, para o desenvolvimento de investigações experimentais. A EN1993-1-2:2005 sugere que para elementos de aço enformado a frio em situação de incêndio sejam aplicados os mesmos coeficientes de redução das propriedades mecânicas do aço laminado a quente de secções de classe 4, para as quais a temperatura crítica é limitada a 350ºC, o que não se verificou nas vigas em estudo. Também ficou demonstrado que a variação dos níveis de restrição axial durante a exposição ao fogo provocam alterações significativas no comportamento estrutural das vigas.

The significant increase in the use of cold-formed steel in construction has led to a need of its understanding. This understanding is transmitted through calculation methods that were emerging and that approach to its best capabilities in service and/or collapse of the structural elements according to the authors. These methods have led to the creation of specific design methods at room temperature, which no longer succeeds in fire. In this work the behaviour of simple and composite cold-formed steel beams in situation of fire was evaluated, respectively the sigma and 2 sigma cross-section beams. The software Abaqus was used for this evaluation through the finite element method. The numerical models were calibrated based on the results of experimental tests performed in the laboratory of Testing Materials and Structures of the Civil Engineering Department of Coimbra University. The coldformed steel structural elements for being shaped at room temperature are constituted of reduced thickness, thus presenting a highly non-linear behaviour and a consequent complexity on its design. This study was divided into two parts. The first goal was to calibrate the numerical models and a second which focus was to analyse the effect of variation of some parameters such as the length of the beams, the axial and rotational restraint levels and load levels. With this calibration it was tried to set a prediction model for new numerical studies as well as for the development of experimental investigations. The EN1993-1-2:2005 suggests that in case of fire must be applied the same reduction coefficients for the mechanical properties of hot rolled steel sections of class 4 in the coldformed steel elements, whereas for this ones the critical temperature is limited to 350ºC, which was not observed in the beams under study. It was also demonstrated that the variation of axial restraint levels in fire condition cause significant changes in the behaviour of beams.