Análise termomecânica de colunas tubulares mistas de secção quadrada e retangular em situação de incêndio

Abstract

As colunas tubulares de aço preenchidas com betão têm vindo a assumir um papel de maior relevância na construção civil, uma vez que garantem a conjugação de algumas das melhores características que ambos os materiais constituintes do elemento podem oferecer, tornando-o uma solução estruturalmente vantajosa e eficaz. Esta dimensão mundial, alcançada ao longo dos últimos anos, deve-se sobretudo à alta capacidade de carga, à resistência sísmica, esbelteza e aos tempos e custos de construção reduzidos que o elemento confere. Apesar da existência de um vasto número de estudos e investigações relacionadas com a resistência estrutural deste tipo de colunas, o estudo e o conhecimento do seu comportamento ao fogo não se encontra ainda hoje completamente definido. A escassez de resultados é ainda mais acentuada quando considerado o efeito da restrição axial e rotacional da coluna em análise, situação passível de ocorrer quando esta é parte integrante de uma estrutura real. A presente dissertação, inserida a sua realização num projeto Europeu denominado FRISCC (EU RFSR-CT-2012-00025), surge da necessidade de revisão da atual norma europeia em vigor EN 1994-1-2 (2011), para o dimensionamento ao fogo de colunas tubulares mistas de aço e betão. Neste sentido, é aqui efetuado um estudo experimental e numérico de colunas de secção quadrada e retangular, com diferentes níveis de esbelteza, carregamento e restrição à dilatação axial promovida pela estrutura circundante. Os resultados obtidos nos ensaios experimentais são usados na calibração e validação de um modelo numérico, por via da utilização do software de elementos finitos ABAQUS (2010), para que posteriormente seja possível alargar as simulações a um vasto número de elementos não ensaiados experimentalmente. Este modelo numérico demonstra uma apreciável exatidão de resultados, em comparação com a respetiva análise experimental. A rigidez da estrutura circundante não assume uma influência siginifcativa no tempo crítico de resistência ao fogo dos elementos em estudo, no entanto, as forças de restrição geradas nas respetivas colunas, como resultado da sua dilatação térmica, registam um maior acréscimo quanto maior for a rigidez da estrutura periférica. O dimensionamento ao fogo de colunas tubulares mistas de aço e betão com base na atual norma em vigor é confrontado com os resultados obtidos a nível experimental, demonstrando que a EN 1994-1-2 (2011) determina resultados pouco conservadores e inadequados.

Concrete filled steel tubular columns are increasingly assuming a greater role in civil construction. This is due to the combination of some of the best features each material has to offer, making it structurally advantageous and an efficient solution. This global dimension, achieved over the past few years, is explained by a number of characteristics of these columns that include a high load capacity, seismic resistance, slenderness and reduction on both time and construction costs. Despite the existence of a large number of studies and research related to the structural resistance of such columns, the analysis undertaken and knowledge developed up to date on its behavior during fire situations is still incomplete. The lack of results is even more pronounced if the study considers the effects of axial and rotational restraint to the element, a situation likely to occur when the column is an integral part of a building. This thesis was carried out inserted in an European project named FRISCC (EU RFSR-CT-2012-00025), and arises from the need to revise the current European standard (EN 1994-1-2 (2011)) that is currently in force. This standard is used for fire design of concrete filled steel tubular columns that are subject to axial compressive forces. In this regard, this thesis guides you through experimental and analytical studies of both square and rectangular columns with different levels of slenderness and restraining to thermal elongation. The results obtained in the experiments are used in the calibration of a numerical model, through the use of the finite element ABAQUS (2010) software. This allows us at a later stage to expand the simulations into a large number of elements that were not experimentally tested. The numerical model shows an appreciable accuracy of results when compared to the respective experimental analysis. The stiffness of the restraining frame does not assume a major influence on the critical time of the elements under study. However, it should be noted that any restraining forces generated in the respective column - as a result of its thermal elongation – will increase in tandem with the stiffness of the surrounding structure. The fire design of concrete filled steel tubular columns based on the current European standard is then confronted with the results of the experimental tests. This thesis demonstrates that the EN 1994-1-2 (2011) leads to results that are rather non conservative.