Pilares de Aço e Mistos de Aço e Concreto Inseridos em Paredes em Situação de Incêndio

Abstract

Neste trabalho é apresentado um estudo experimental e numérico acerca do comportamento em situação de incêndio de pilares de aço e mistos de aço e concreto inseridos em paredes. Tendo em vista que o aquecimento ocorre em apenas uma das faces do pilar, são instaurados gradientes térmicos ao longo da seção, adicionando momentos e tensões que alteram significativamente o comportamento termoestrutural do pilar. O estudo experimental foi realizado na Universidade de Coimbra, onde foram realizados ensaios em temperaturas elevadas de pilares de aço e mistos de aço e concreto, considerando o preenchimento entre as mesas do perfil. Dentre os parâmetros analisados, foram considerados dois tipos de perfis metálicos, três espessuras de paredes e a orientação do perfil em relação à parede. Todos os ensaios consideraram o pilar com restrição axial e rotacional nas extremidades. A partir da análise experimental, foi possível observar que os pilares com o gradiente térmico ao longo das mesas do perfil, que desenvolvem um gradiente térmico menos pronunciado, apresentam um comportamento mais semelhante aos pilares aquecidos uniformemente. Já com o gradiente térmico ao longo da alma, o comportamento obtido é bastante diferente, sendo que o desenvolvimento das forças de restrição no pilar apresenta dois ramos ascendentes até o valor de pico. Considerações acerca do efeito térmico e estrutural da espessura da parede e do tipo de perfil utilizado são apresentados no trabalho. Adicionalmente, foram realizadas análise numéricas térmicas e termoestruturais em elementos finitos a fim de compreender melhor o comportamento dos pilares ensaiados previamente. Por fim, em âmbito teórico é apresentada uma metodologia para a obtenção das curvas de interação da força normal e momento fletor para os pilares de aço e mistos de aço e concreto submetidos à gradientes térmicos ao longo das mesas e da alma do perfil.

The present work presents an experimental and numerical study concerning the behaviour in fire of steel and composite steel and concrete columns embedded on walls. Considering that the heating occurs at only one side of the column, thermal gradients are developed along the cross section, adding bending moments and tensions which significantly changes the behaviour of the column in fire. The experimental study was conducted at the University of Coimbra, where tests were carried out at elevated temperatures on steel and composite columns with concrete between the flanges of the profile. Among the analysed parameters, were considered two types of steel profiles, three wall thicknesses and the column position in its two principal direction in comparison to the wall. All tests considered the column with axial and rotational restrictions on its ends. From the experimental analysis, we observed that the columns with the thermal gradient along the profile flanges, which develops a less pronounced thermal gradient, have a more similar behaviour with the columns uniformly heated. Considering the thermal gradient along the web, the behaviour obtained is quite different, with the development of axial forces presenting two ascending branches until the peak value. Considerations concerning the thermal and structural effect of wall thickness and type of profile used are presented along the results discussion. In addition, thermal and thermomechanical finite element analysis were developed in order to better understand the behaviour of the columns previously tested. Finally, in a theoretical scope a methodology for obtaining the normal force and bending moment interaction diagrams (N-M diagrams) for steel and composite columns subjected to thermal gradients along the flanges and the web is presented and compared with the experimental data.