Estudo das propriedades mecânicas e térmicas a altas temperaturas do aço enformado a frio S280GD+Z

Abstract

A utilização de estruturas de aço enformado a frio aumentou consideravelmente, sendo usado para fins residenciais, comerciais e industriais, uma vez que, apresentam inúmeras vantagens devido ao seu reduzido peso, às suas reduzidas espessuras, a sua proteção contra corrosão e eficiência estrutural. O aumento da procura do aço enformado a frio como solução, leva à necessidade de garantir a segurança destes elementos durante a sua vida útil para as mais variadas ocorrências, em especial, em situação de incêndio. No entanto, até ao momento a investigação sobre o desempenho de estruturas de elementos de aço enformado a frio em situações de incêndio é ainda escassa, traduzindo-se na ausência de métodos específicos para a verificação de segurança deste tipo de estruturas na normalização atual, nomeadamente na NP EN 1993-1-2:2010 (2010). A NP EN 1993-1-2 (2010) prevê que os métodos existentes para elementos de aço laminado a quente sejam também aplicáveis a elementos de aço enformado a frio e que os fatores de redução para as propriedades mecânicas em função da temperatura sejam os mesmos para aços laminados a quente da Classe 4. Neste contexto, surge este trabalho de investigação para avaliação das propriedades mecânicas e térmicas do aço enformado a frio S280GD+Z a elevadas temperaturas. Pretende-se obter os fatores de redução para as propriedades mecânicas (Tensão de Cedência, Módulo de Elasticidade, Tensão de Proporcionalidade e Tensão Última) em função da temperatura, através da realização de ensaios de tração e ainda, avaliar experimentalmente as propriedades térmicas do aço S280GD+Z, também, em função da temperatura. Todos os resultados experimentais foram comparados com os modelos presentes na NP EN 1993-1-2:2010 (2010) e com modelos propostos por outros autores. Por fim, com base nos resultados experimentais foram propostos novos modelos para as propriedades mecânicas e térmicas em função da temperatura e realizada uma breve análise numérica da influência destas propriedades em colunas de aço enformado a frio com dilatação térmica restringida em situação de incêndio. Nestas simulações foram testados os modelos propostos neste estudo e os modelos presentas na NP EN 1993-1-2:2010 (2010).

The use of CFS (Cold-Formed Steel) structures has increased considerably in the past few years especially for residential, commercial and industrial purposes since they present several advantages due to their light weight, their reduced thickness, its corrosion protection and structural efficiency. The increase demand of CFS leads to necessity to ensure the safety of these structures in any situation likely to occur during their lifetime, including a fire situation. However, to date research on the performance of structures of CFS elements in fire situations is still scarce, resulting in the absence of specific methods for the security check of such structures in the current standardization, particularly the EN 1993-1-2:2005 (2005). EN 1993- 1-2:2005 (2005) stipulates that existing methods for the hot-rolled steel elements also apply to CFS elements and that the reduction factor for the mechanical properties as a function of temperature are the same for hot-rolled steel Class 4. In this context, this research work aims to assess the mechanical and thermal properties of CFS steel S280GD+Z at elevated temperatures. It is intended to determine the reduction factors for mechanical properties (yield strength, elastic modulus, proportional limit and ultimate strength) as a function of temperature, by conducting tensile tests and also to experimentally assess the thermal properties of steel S280GD+Z also a function of temperature. All experimental results were compared with models present in the EN 1993-1-2:2005 (2005), other design codes and with models proposed by other authors. New models based on the experimental results have been proposed for the mechanical and thermal properties as a function of temperature. Finally a brief numerical analysis was performed in order to assess the influence of these properties in the prediction of the structural behavior of a CFS column with restrained thermal elongation in case of fire. In this study the proposed models determined in the scope of this work and the models presented in the EN 1993-1-2: 2005 (2005) were tested.