Modelação pelo Método dos Elementos Finitos do comportamento de colunas sob a acção do fogo

Abstract

A presente dissertação apresenta um estudo sobre o comportamento não linear de pilares de aço laminado a quente, com secção transversal de classe 1, em situação de incêndio. O comportamento depende essencialmente de: i) o alongamento térmico do pilar provocado pelo fogo – estando a coluna restringida axialmente, ficará sob a acção de uma força de compressão aplicada pela estrutura circundante, devido à restrição ao alongamento – e ii) pela degradação das propriedades do aço devido ao aumento severo de temperatura. Por isso, o comportamento de um pilar restringido sob a acção do fogo consiste na sequência de dois fenómenos fundamentais – instabilidade térmica e colapso plástico – em que ambos os fenómenos ocorrem enquanto as propriedades mecânicas do aço se degradam com a temperatura. Isto torna o problema em análise altamente não linear.Apesar de uma coluna real estar normalmente inserida numa estrutura global, o seu dimensionamento é feito usualmente de forma individual. Por isso, o modelo de coluna restringida em situação de incêndio contempla uma mola disposta axialmente, no topo do pilar, por forma a modelar a restrição que a estrutura circundante provoca na coluna em análise. Além disso, é aplicada uma força axial no topo da coluna por forma a representar a carga de serviço a que a coluna está submetida quando se inicia o incêndio. Este modelo estrutural será analisado através do Método de Elementos Finitos, usando o programa comercial ABAQUS.O estudo numérico é feito para duas condições de apoio distintas: i) coluna simplesmente apoiada, tomada como caso de referência, e ii) coluna biencastrada, por forma a analisar os casos práticos em que a coluna tem continuidade ao longo da estrutura, em relação ao piso em que ocorre o incêndio. Para ambos os casos foram considerados vários valores para a esbelteza reduzida λ ̅, por forma a representar uma vasta gama de casos práticos. Na análise também foram adoptados vários valores da carga de serviço e vários valores para a rigidez da mola axial. Além do aquecimento uniforme, tomado como caso de referência no estudo, foi também considerada uma variação longitudinal da temperatura, por forma a representar os casos reais em que existe condução de calor da coluna em análise para a estrutura circundante.O comportamento da coluna em condições de incêndio é definido pela curva da magnitude da força de restrição, no topo da coluna, em função da temperatura de referência na coluna.

This dissertation presents a study on the non-linear behavior of hot-rolled steel columns, with class 1 cross-section, in a fire situation. The behavior essentially depends on: i) the thermal elongation of the column caused by the fire – as the column is axially restrained, it will be under the action of a compressive force applied by the surrounding structure, due to the elongation restriction – and ii) by the degradation of the properties steel due to severe temperature rise. Therefore, the behavior of a restrained column under the action of fire consists of the sequence of two fundamental phenomena – thermal instability and plastic collapse – in which both phenomena occur while the mechanical properties of the steel degrade with temperature. This makes the problem in analysis highly nonlinear.Although a real column is normally inserted in a global structure, its dimensioning is usually done individually. Therefore, the restrained column model in a fire situation includes a spring arranged axially, on top of the column, in order to model the restriction that the surrounding structure causes on the column under analysis. In addition, an axial force is applied to the top of the column to represent the service load to which the column is subjected when the fire starts. This structural model will be analyzed using the Finite Element Method, using the commercial program ABAQUS.The numerical study is carried out for two different support conditions: i) simply supported column, taken as a reference case, and ii) bi-embedded column, in order to analyze the practical cases in which the column has continuity along the structure, in relation to to the floor where the fire occurs. For both cases, several values for the reduced slenderness λ ̅ were considered, in order to represent a wide range of practical cases. In the analysis, several values of the service load and several values for the stiffness of the axial spring were also adopted. In addition to the uniform heating, taken as a reference case in the study, a longitudinal temperature variation was also considered, in order to represent the real cases in which there is heat conduction from the column under analysis to the surrounding structure.The behavior of the column under fire conditions is defined by the curve of the magnitude of the restraining force, at the top of the column, as a function of the reference temperature in the column.