Fire resistance of cold-formed steel columns

Abstract

A construção de edifícios com estrutura constituída por perfis de aço galvanizado enformados a frio aumentou significativamente nos últimos anos, especialmente em edifícios com utilização residencial e de média altura. O aumento da sua quota de mercado no ramo da construção deve-se às inúmeras vantagens que esta solução apresenta em comparação com outras mais tradicionais, nomeadamente o peso reduzido, ótima eficiência estrutural traduzida pelo elevado rácio entre a sua resistência mecânica e o seu peso, pré-fabricação e rapidez de montagem. No entanto, em resultado da reduzida espessura dos perfis utilizados surgem problemas adicionais no âmbito do projeto devido à maior suscetibilidade a fenómenos de instabilidade local e distorcional. A investigação e desenvolvimento de produto conduzida no passado levou à publicação da EN 1993-1-3:2006. Existem, no entanto, algumas limitações, nomeadamente em relação ao dimensionamento elementos estruturais de secção transversal composta (dois ou mais perfis acoplados entre si) tradicionalmente utilizados na construção. Incêndios em edifícios ocorrem com alguma regularidade, causando inúmeros danos materiais e num cenário mais gravoso a perda de vidas. Para combater este cenário a Engenharia de Segurança ao Incêndio passou a ter uma importância fulcral no âmbito do dimensionamento estrutural. Diversos trabalhos de investigação de relevo foram realizados no campo da segurança de estruturas em situação de incêndio, no entanto, na sua a maioria focados em estruturas de aço laminado a quente. A investigação em elementos estruturais constituídos por perfis de aço enformado a frio em situação de incêndio é ainda escassa, e além disso os modos de instabilidade caraterísticos deste tipo de perfis foram, na maioria dos casos, estudados de forma individual, sem considerar a sua possível interação. A influência da estrutura envolvente no comportamento de colunas constituídas por perfis de aço enformado a frio em situação de incêndio também ainda não havia sido investigada. Também o material, aço estrutural enformado a frio S280GD+Z, carece de investigação aprofundada a temperaturas elevadas. Para responder aos problemas apresentados uma extensa análise experimental e numérica foi realizada em colunas de aço enformado a frio, quer à temperatura ambiente, quer em situação de incêndio com restrição à expansão térmica da coluna de aço. Este trabalho foi desenvolvido no âmbito do projeto de investigação nacional FireColdFSteel – Análise experimental e numérica de elementos estruturais de aço enformado a frio sujeito a incêndio – PTDC/ECM/116859/2010. O aço estrutural S280GD+Z foi devidamente caraterizado através de ensaios experimentais de tração axial para determinação das suas propriedades mecânicas quer à temperatura ambiente quer a elevadas temperaturas. As propriedades térmicas do aço foram também avaliadas experimentalmente. Numa segunda fase foi conduzida uma extensa investigação experimental em colunas de perfis de aço enformado a fio à temperatura ambiente e em situação de incêndio. Foram realizados 24 ensaios para avaliação da capacidade de suporte de carga de colunas com diferentes secções transversais e diferentes condições de suporte à temperatura ambiente. Em situação de incêndio com dilatação térmica da coluna restringida por ação da estrutura envolvente, 96 ensaios foram realizados. Foram avaliadas diferentes secções transversais, a influência do nível de carregamento, do nível de restrição à dilatação térmica imposto pela estrutura circundante e diferentes condições de apoio. Todos os resultados obtidos na campanha experimental foram posteriormente utilizados como dados a introduzir nos modelos de elementos finitos ou como dados para validação do próprio modelo de elementos finitos desenvolvido com recurso ao software ABAQUS. Os modelos desenvolvidos e validados poderão ser usados no futuro para realização de extensos estudos paramétricos para avaliar a influência de diversos parâmetros fundamentais no comportamento de colunas de perfis de aço enformado a frio. Globalmente, observou-se que colunas de perfis de aço enformado a frio, sem proteção externa, apresentam uma baixa resistência ao fogo. A restrição à expansão térmica de colunas tem um papel relevante no comportamento global de colunas isoladas de perfis de aço enformado a frio em situação de incêndio. Por exemplo, observou-se que aumentando o nível de restrição à expansão térmica o comportamento da coluna é controlado pelo aumento das forças axiais geradas devido à restrição imposta, enquanto para níveis de restrição baixos o comportamento da coluna é controlado pelo aumento de temperatura e pela consequente degradação das propriedades mecânicas do aço S280GD+Z. Concluiu-se, portanto, que níveis elevados de restrição à expansão térmica de colunas conduzem a valores mais elevados de forças de restrição geradas e eventualmente a menores valores de temperatura e tempo crítico.

The market share of light steel framing using cold-formed steel profiles has increased significantly in the past few years since it has been recognized they can be used effectively as primary structural elements, especially for residential and mid-rise buildings. Its growing popularity in building construction industry is due to several advantages over other construction materials such as lightness, high strength to weight ratio and ease of fabrication and transportation. However, the use of thinner sections may lead to additional design problems not commonly found in traditional structural steel design, since thinner sections are traditionally susceptible to various buckling modes including local and distortional buckling that may govern its ultimate strength. Research and product development carried out in the past lead to the implementation of design specifications for cold-formed steel structures at ambient temperature, such as the EN 1993-1-3:2006. However, some limitations still exist, especially regarding the design of built-up cold-formed steel members, commonly used in the building construction industry. Fire is an accidental action that regularly affects buildings, causing significant loss of properties and in the worst case scenario loss of lives. Hence, structural fire safety design has received greater attention in the past few decades. Relevant research has been conducted, however mainly on hot-rolled steel members. This led to the assumption that the developed design guidelines, based on research conducted on hot-rolled steel, may also be used in fire safety design of cold-formed steel structures. Moreover, the available research on cold-formed steel members under fire conditions is usually focused on individual buckling modes, without considering their possible interaction and without taking into consideration the influence of the surrounding structure on the overall behaviour of the cold-formed steel member. Also the physical properties of steel itself are not accurately characterized in the literature at elevated temperatures, since the available data still show some significant scatter. In order to address some of the mentioned issues regarding the behavior of cold-formed steel members an extensive experimental and numerical analysis on single and built-up cold-formed steel columns at both ambient and elevated temperatures was undertaken in the scope of a National Research Project entitled FireColdFSteel – Experimental and Numerical Analysis of Cold-Formed Steel Members Under Fire Conditions - PTDC/ECM/116859/2010. An experimental investigation on the material characterization was conducted in order to determine accurately both mechanical and thermal properties of the S280GD+Z steel at both ambient and elevated temperatures. In a second phase an extensive experimental research on the behaviour of single and built-up cold-formed steel columns at both ambient and elevated temperature was undertaken. Four different cross-section shapes were tested. At ambient temperature twenty-four buckling tests were undertaken to assess the buckling load of the tested columns. Under fire conditions ninety-six fire tests with restraint to thermal elongation were conducted. In these tests the influence of the cross-section shape, initial applied load level, end-support conditions and levels of restraint to thermal elongation imposed by the surrounding structure to the cold-formed steel columns were investigated. All experimental test results available were then used as input or as data for validation of the finite element models developed to accurately reproduce the behaviour of the tested cold-formed steel columns at both ambient and fire conditions. At this point the developed finite element model was validated against the experimental results. Using the available data and finite element models it is intended to undertake in the near future extensive parametric studies. The ultimate goal of the overall investigation is to improve/develop available/new design methodologies for cold-formed steel columns at both ambient and elevated temperatures. Generally, it was found the cold-formed steel columns commonly used in the building construction industry, without any external protection, present low fire resistance. It seems that restraint to thermal elongation play a relevant role on the behavior of isolated cold-formed steel columns. For instance, it was observed that increasing the level of restraint to thermal elongation the failure of cold-formed steel columns may be controlled by the generated axial restraining forces, whereas for lower levels of restraint the failure may be controlled by temperature increase and consequent degradation of the mechanical properties. Hence, higher levels of imposed restraint to thermal elongation will lead to higher values of generated restraining forces and eventually to lower values of critical temperature and time.