Análise experimental de encurvadura em situação de incêndio de colunas de aço enformado a frio com secção Sigma

Abstract

Nowadays, Cold-Formed Steel (CFS) has been increasingly used in civil construction, stands out due to its lightness, possibility of pre-manufacturing, quick assembly and transportation, thus becoming a more economical solution. Due to the growing usage of this kind of elements, some specific guidelines of such structural elements at ambience temperature were developed. However, there are no specific fire guidelines for CFS. EN 1993-1-2:2005 aims the hot-rolled steel, but allows its application to Class 4 cross-section elements (mostly CFS sections), though the reduction factors used for mechanical properties of steel are the same for hot-rolled or cold-formed steel. The European standard also establishes limits for the critical temperature at 350ºC. At elevated temperature a degradation of the mechanical properties of CFS occurs, which could lead to their premature collapse. There are only a few studies on this subject, so it’s still an area that needs a great deal more of research in order to develop new simplified fire design methodologies.Therefore, an experimental investigation was performed with the aim to study the behaviour of CFS columns with web and flange stiffeners (sigma and sigma-plus) submitted to elevated temperatures, with different boundary conditions and different levels of axial restrained thermal elongation. The influence of the axial and rotational restrained thermal elongation of the columns was assessed, the failure modes associated to each column was observed and compare the structural behaviour with more common cross-sections (C and I) and with the suggested critical temperature of EN1993-1-2:2005.From the results found it was possible to reach the conclusion that built-up columns have the tendency to fail prematurely due to the generated restraining forces, whereas single columns showed a higher sensitivity to the increase of temperature and its degradation of mechanical properties. The columns with double edge stiffeners showed better behaviour in fire situations. The main failure modes observed was the global flexural buckling around the minor axis and distortional buckling approximately at mid-height of the columns. The web stiffeners, generally, didn’t improve the behaviour in fire situation. Comparing to EN1993-1-2:2005, the critical temperatures were lower than the value suggested, leading it to non-conservative results and far from being secure.

Atualmente, o aço enformado a frio (AEF) tem vindo a ser cada vez mais utilizado na construção civil, destacando-se pelo seu peso reduzido, possibilidade de pré-fabricação, rapidez de montagem e transporte, tornando-se assim uma solução mais económica. Devido à utilização crescente deste tipo de elementos, foram desenvolvidas normas de dimensionamento específicas à temperatura ambiente. No entanto, não existem normas específicas de dimensionamento ao fogo para o AEF. A norma EN-1993-1-2:2005 dirige-se para o aço laminado a quente, no entanto permite a sua aplicação a elementos com secção de Classe 4 (maioria das secções enformadas a frio), porém os fatores de redução para as propriedades mecânicas do aço utilizados não têm em consideração se os elementos são laminados a quente ou enformados a frio. Esta norma também limita a temperatura crítica a 350ºC. A temperatura elevada ocorre uma degradação das propriedades mecânicas do AEF, podendo levar ao colapso prematura dos mesmos. Os estudos realizados são ainda muito escassos, sendo assim uma área que requer maior investigação para o desenvolvimento de metodologia de cálculo a elevadas temperaturas.Neste contexto, foi desenvolvida uma análise experimental com o objetivo de estudar o comportamento de colunas de AEF com reforços longitudinais na alma e nos banzos (sigma e sigma-plus) sujeitas a elevadas temperaturas, com diferentes condições de apoio e diferentes níveis de restrição axial à dilatação térmica. Deste modo, procurou-se avaliar a influência da restrição axial e rotacional ao alongamento térmico das respetivas colunas, observar os modos de instabilidade associados a cada coluna, comparar o comportamento estrutural com o de colunas sem reforços adicionais na alma, e, ainda comparar com os valores de cálculo de dimensionamento propostos na EN 1993-1-3:2005.Dos resultados obtidos concluiu-se que colunas com secção composta tendem a colapsar prematuramente devido ao aumento das forças de restrição, enquanto as colunas com secção simples tendem a colapsar devido à degradação das propriedades mecânicas com o aumento da temperatura. As colunas com reforços adicionais nas extremidades dos banzos (Σ+ e 2Σ+) apresentaram melhor comportamento ao fogo. O modo de encurvadura predominante foi a encurvadura global por flexão em torno do eixo de menor inércia e a encurvadura distorcional aproximadamente a meia altura das colunas. Os reforços adicionais na alma, de um modo geral, não melhoraram o comportamento ao fogo. Comparativamente à EN 1993-1-3:2005, as temperaturas críticas foram inferiores ao valor indicado pela norma, conduzindo esta a resultados não conservativos, não estando, neste estudo, do lado da segurança.