Thermal analysis of steel columns exposed to localised fires

Abstract

O dimensionamento ao fogo é um requisito fundamental no projeto de estruturas metálicas. O método mais utilizado para o dimensionamento ao fogo das estruturas em aço consiste em realizar o dimensionamento para a temperatura ambiente e revestir os elementos estruturais com materiais de proteção ao fogo para garantir que a temperatura no aço não atinge um valor máximo estabelecido, na eventualidade da ocorrência de incêndio. A principal limitação deste método prende-se com a assunção, de que o tempo de resistência ao fogo dos elementos estruturais obtido nos ensaios de resistência ao fogo é idêntico ao tempo de resistência a um fogo real, o qual poderá ser mais ou menos severo que o ensaio de resistência ao fogo. A curva ISO 834, a mais utilizada nos ensaios de resistência ao fogo, adequa-se a compartimentos relativamente pequenos, em que a probabilidade de ocorrência do fenómeno de flashover é alta; no entanto, em grandes compartimentos, como parques de estacionamento, terminais de aeroporto e grandes edifícios industriais, temperaturas distribuídos características de estágios de pós-flashover são totalmente improvável de ocorrer. Nos últimos anos, diversas investigações têm sido realizadas no âmbito do comportamento de vigas metálicas submetidas a fogos localizados e a EN 1991-1-2 (2002) apresenta métodos simplificados para o cálculo das temperaturas em lajes e vigas de teto numa situação de incêndio localizado. No entanto, não existem ainda modelos para o cálculo das temperaturas em colunas de aço. Neste sentido, é urgente o estudo dos efeitos dos fogos localizados em compartimentos e, especificamente, em colunas de aço. Esta investigação debruça-se sobre a análise térmica de colunas de aço expostas a fogos localizados. Este trabalho apresenta ensaios experimentaias de grande escala em colunas de aço expostas a incêndios localizados. Diferentes cargas térmicas, posições do fogo e condições de ventilação foram testados de modo a estabelecer correlações de transferência de calor. Os resultados experimentais foram analisados e validados por métodos analíticos e numéricos. Conclui-se que um incêndio localizado leva uma coluna de aço a uma distribuição assimétrica das temperaturas. Relativamente à posição relativa entre a coluna e o incêndio localizado, o gradiente térmico nas secções transversais é significativo para distâncias curtas, e menos significativo para maiores distancias. As condições de ventilação de um compartimento têm grande influência na duração de um fogo localised.

Fire design plays an essential role in the design of steel structures. The most common method for fire design of steel structures is to design the building for ambient temperature and to protect the structural members using passive fire protection materials to ensure that a specific temperature is not exceeded. The main limitation of this approach is that it often assumes that the steel members fire resistance time in standard fire tests is the same as their resistance time in a real fire, which can be more or less severe than the standard fire test depending on the characteristics of the fire enclosure. The temperature-time curve ISO 834, used in standard fire tests, is intended for relatively small compartments where flashover is likely to occur but in large compartments like car parks, airport terminals and big industrial halls, distributed temperatures characteristics of post-flashover stages are totally unlikely to occur. In these cases, the thermal actions of a localised fire must be taken into account. Concerning the localised fire effect in exposed steel members, considerable studies have been conducted regarding the flame heating of steel beams subjected to localised fires and EN 1991-1-2 (2002) presents a simplified model to calculate temperatures in a ceiling slab and in the beams supporting the slab. However, no simplified model to calculate the heat transfer to vertical elements, such as columns, is yet available. Therefore, there is an urgent need to investigate the effects of localised fires in building compartments and especially on exposed steel columns. For this purpose, this dissertation is focused in thermal analysis of steel columns exposed to localised fires. This work presents full-scale experiments on steel columns exposed to pool fires. Different fire loads, fire position and ventilation conditions were tested in order to establish heat transfer correlations. Experimental results were analysed and validated by analytic and numerical methods. As main conclusion, it was establish that localised fire leads a steel column an asymmetric distribution of temperatures along the total column height is verified. Concerning the relative position between the column and the localised fire, the thermal gradient in the cross sections is significant for short distances, whereas for larger distances it becomes less significant. The ventilation conditions within a compartment have great influence in the thermal exposure associated to a localised fire