Experimental and numerical analysis on the structural behaviour of cold-formed steel beams subjected to fire

Abstract

A construção metálica é uma tecnologia cada vez mais corrente na construção civil que se baseia essencialmente na utilização de perfis pré-fabricados de aço estrutural. Estes, por sua vez, encontram-se em três formas distintas, nomeadamente, em perfis laminados a quente, em perfis soldados ou em perfis enformados a frio. Estes últimos, relativamente aos outros, têm fundamentalmente a vantagem de facilidade de produção, montagem e transporte, devido ao baixo peso dos perfis, conferido pelas espessuras reduzidas dos mesmos. No entanto, o facto de estes apresentarem estas espessuras pode originar a ocorrência de fenómenos de instabilidade local e distorcional. Neste sentido, diversos autores estudam experimental e numericamente estes fenómenos à temperatura ambiente.

Outro fenómeno também problemático é quando os elementos de aço enformados a frio estão sujeitos ao fogo, existindo neste caso muito poucos estudos. Deste modo, este trabalho de investigação teve como objectivo estudar o comportamento de vigas em aço galvanizado enformadas a frio em situação de incêndio, com base num vasto programa de ensaios experimentais. Ensaios de flexão de quatro pontos foram assim realizados com o intuito de avaliar a influência (i) do tipo de secção transversal das vigas (secções C, I-enrijecido, R e 2R), (ii) da restrição axial à elongação térmica (0 e 15 kN/mm) e (iii) da restrição rotacional nos apoios (0 e 150 kN.m/rad). Por outro lado, como referência, ainda foram efectuados ensaios à temperatura ambiente para a determinação da carga de instabilidade das respectivas vigas, assim como, dos seus modos de instabilidade que foram responsáveis pela perda de capacidade de carga da mesma, a fim de comparar com os ensaios a altas temperaturas. Estas vigas, normalmente utilizadas nos edifícios com perfis aço enformados a frio, tinham 3000 mm de vão e eram compostas por um ou mais perfis de aço enformados (perfis C e U) aparafusados entre si, os quais tinham 2.5 mm de espessura, 43 mm de banzo e 250 mm de altura para os perfis C e 255 mm para os perfis U.

O estudo experimental foi também complementado por uma intensiva análise numérica através do programa de elementos finitos ABAQUS. Neste domínio foi realizado um estudo paramétrico de modo a avaliar ainda o efeito da altura (entre 200 e 300 mm) e da espessura (entre 1,5 e 2,5 mm) das secções transversais das vigas, do comprimento do vão das mesmas (entre 2000 e 5000 mm) e, ainda, de outros valores de rigidezes de restrição axial (entre 0 e infinita) e rotacional (entre 0 e 1200 kN.m/rad) no desempenho estrutural deste tipo de vigas quando submetidas ao fogo. Finalmente, com recurso a esta base de dados procurou-se comparar os resultados com as disposições estabelecidas no Eurocódigo 3, para o aço laminado a quente, e propor possíveis novas equações simplificadas de cálculo para o dimensionamento de vigas em aço enformadas a frio, em situação de incêndio.

As principais conclusões deste trabalho de investigação foram essencialmente que as vigas de aço enformadas a frio correntemente utilizadas neste tipo de edifícios apresentam uma resistência ao fogo baixa (inferior que 30 minutos), mas temperaturas críticas elevadas (maiores que 350 ºC, isto é, temperaturas superiores ao limite recomendado pelo Eurocódigo 3, Parte 1.2, para elementos de classe 4), na maioria das situações. Por outro lado, verificou-se que as temperaturas críticas das vigas podem reduzir substancialmente (30% em alguns casos) quando são restringidas à elongação térmica. Contudo, esta diminuição pode ser atenuada quando a restrição à rotação dos apoios da viga é significativa, comparativamente com a restrição rotacional da respectiva viga.

The steel construction is increasingly an important technology for civil building. Actually, the steel industry is constantly in search of more and better uses for steel. The uses of hot-rolled, welded and cold-formed steel elements in the construction of buildings are ones of the solutions that can easily replace the traditional technology of construction. Indeed, cold-formed steel is one of which are becoming a very popular material in construction because they provide a high strength to weight ratio, are easy to produce, transport and assembly when compared to thicker hot-rolled steel members. Another advantage is the great variety of profiles available on the market which allow the building of different member cross-sections.

However, they may behave poorly under fire conditions, especially when they are unprotected in fire case, due to the combination of the high thermal conductivity of steel and section factor of these structural members (small wall thickness), both of which lead to a rapid rise of temperature in steel in fire situation. In addition, cold-formed steel members usually have complex buckling behaviour, involving local, distortional, global buckling and their interactions.

Studies on fire performance of cold-formed steel members are still fairly rare, are mostly of a numerical nature and are based on the structural behaviour of single and short elements at elevated temperatures. Hence, this research work intended to study the behaviour of cold-formed galvanized steel beams under fire conditions, basing on the results of a large programme of experimental tests. Four-point bending tests on cold-formed steel C-, lipped I-, R- and 2R-section beams were performed, both under fire conditions, under flexural loading conditions and under simply supported boundary conditions (roller and pinned supports) with different restraining conditions, including no restraints, partial axial restraint to the thermal elongation of the beam (15 kN/mm) and partial rotational restraint at the beam supports (150 kN.m/rad). In other words, it was investigated the influence of the cross-sections, the axial restraining to the thermal elongation of the beam and the rotational stiffness of the beam supports. These beams, commonly used in CFS buildings, had a span of 3000 mm and were made of one or more cold-formed steel profiles (channel, U, and lipped channel, C, profiles), which were 2.5 mm thick, 43 mm wide and 250 mm tall for C sections and 255 mm for the U sections. On the other hand, as reference, four-point bending tests on the same type of beams at room temperature and under simply supported boundary conditions were also carried out to assess their ultimate bending strength and to compare with the failure modes. A numerical study was still performed by the finite element program ABAQUS. So a great number of numerical simulations aimed to carry out a parametric study outside the bounds of the original experimental tests, in other words, to find out the effect of thickness (from 1.5mm to 3.5mm) and height (from 200mm to 300mm) of the beam cross-sections, of the beam spans (from 2000mm to 5000mm) and of other values of axial (from zero to infinite) and rotational stiffness (from zero to 1200kN.m/rad) of the surrounding structure to the beam.

Finally, the results of the experimental tests and the numerical simulations were the basis of an analytical study for the development of simplified calculation equations for fire design of cold-formed steel beams.

The main conclusions of this research study were that the cold-formed steel beams commonly used in this kind of buildings may have a quite low fire resistance (less than 30 minutes), but high critical temperatures (higher than 350 ºC - limitation enforced by Eurocode 3, Part 1.2) in most of the cases. On the other hand, the critical temperature may drop significantly (30% in some cases) with the axial restraint to thermal elongation of the beam. This decreasing is however minimized when the rotational restraint at beam supports is relevant comparing with rotational stiffness of the beam.