Resistência ao fogo de colunas de aço enformado a frio com secção em sigma

Abstract

Over the past few years, a growing usage of AEF members has been observed in the construction industry, which led to the establishment of design standards for this type of elements. However, specific design standards in fire situation are not yet established for AEF members. When subjected to high temperatures, AEF elements show a decrease of its mechanical properties, which may lead to a low fire resistance. Even though specific fire design rules have not been established yet, EN 1993-1-2 (2005) allows its application to Class 4 cross sections, which involves the vast majority of cold-formed members, although the design standard is mainly aimed to hot-rolled steel sections. However, its application to AEF members may not lead to conservative results.Therefore, an experimental and numerical investigation was performed in cold-formed Σ shaped columns subjected to high temperatures, with restrained thermal elongation. The influence of the cross-section and boundary conditions on the columns was assessed. Additionally, the influence of the web stiffeners in the columns fire behaviour was also studied. Based on the experimental results, numerical models were developed by the finite element software Abaqus, in order to obtain models capable of representing the experimental results.The obtained results suggest that columns with higher axial stiffness have a tendency to fail due to the generated restraining forces, whereas columns with lower axial stiffness show a higher sensitivity to the increase of temperature and its reduction of mechanical properties. When compared to cross-sections with less corners, Σ shaped columns presented a weaker fire resistance, with lower values of critical temperature. The higher sensitivity of corners to the reduction of mechanical properties led to a decrease of the columns’ axial stiffness, which led to its premature failure. Regarding the numerical models, the input of geometric imperfections, hinges with rotational stiffness and small eccentricities on the loading led to the calibration of the models, thus allowing future parametric studies........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

Ao longo dos últimos anos, tem-se verificado um uso crescente de elementos em aço enformado a frio (AEF) na construção, crescimento esse que impulsionou a criação de normas de dimensionamento específicas para este tipo de elementos. No entanto, ainda não foram estabelecidas normas de dimensionamento ao fogo direcionadas para elementos de AEF, situação em que o aumento de temperatura se faz acompanhar de uma degradação das propriedades mecânicas do aço, comprometendo assim a sua resistência à encurvadura. Apesar disso, a norma EN 1993-1-2 (2005), relativa ao dimensionamento ao fogo de estruturas metálicas em aço laminado a quente, permite a sua aplicação a elementos com secção de Classe 4, na qual se inserem a vasta generalidade das secções enformadas a frio. No entanto, esta aplicação pode conduzir a resultados não conservadores.Neste contexto, foi levada a cabo uma análise experimental e numérica em colunas de AEF com secção em sigma (Σ) sujeitas a altas temperaturas, com restrição à dilatação térmica. Foi estudada a influência da secção transversal e condições de apoio das colunas no seu comportamento estrutural, avaliando ainda o efeito dos reforços presentes na alma dos perfis na sua resistência ao fogo. A análise numérica foi realizada através do software de elementos finitos Abaqus, com o intuito de desenvolver modelos capazes de reproduzir os resultados obtidos experimentalmente. Os resultados obtidos sugerem que o aumento da rigidez axial das colunas conduza a um colapso prematuro face ao desenvolvimento das forças de restrição, enquanto colunas com menor rigidez axial apresentem maior sensibilidade ao aumento de temperatura e respetiva degradação das propriedades mecânicas. Quando comparado a secções com menos dobras, as colunas em Σ apresentaram um pior comportamento ao fogo, atingindo o colapso para menores temperaturas. A maior suscetibilidade à degradação das propriedades mecânicas nas dobras levou a uma perda significativa da rigidez das colunas, contribuído assim para a antecipação do seu colapso. Relativamente à modelação numérica, a introdução de imperfeições geométricas, rotulas com rigidez rotacional e de pequenas excentricidades na aplicação do carregamento permitiu a calibração dos modelos, permitindo assim a realização futura de estudos paramétricos.......................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................