Avaliação das propriedades mecânicas a temperaturas elevadas de aços enformados a frio

Abstract

The use of cold-formed steel structures in construction has been growing past the years. However, the fire design of cold-formed steel has some limitations with the design standards. EN 1993-1-1 (2010) classifies the majority of this type of steel as being class 4 and, consequently EN 1993-1-2 (2010) suggests a fire design based on the same methodology of class 4 hot rolled steel, using the same reduction factors for both types, the proposal results prove to diverge in general (Outinen, 2004; Li, 2017). Therefore, an investigation was carried out to study the reduction factors of the mechanical properties of cold-formed steels: S280GD+Z and S350GD+Z. Fifty-four tensile coupon tests were performed, both steady state and transient state tests were conducted. The transient tests were considered more realistic and were concluded that transient state test proposes greater reduction factors for the mechanical properties of the cold-formed steel. Both grades of steel studied in the scope of this instigation it was determined that for the lower temperature ranges (up to 200ºC) and for the higher ones (above 600ºC) the proposed reduction factors are similar, the difference lies in the temperature that each class begins to lose their mechanical properties. Regarding the difference between grades, it was concluded that the lower grade steel loses their properties for lower temperatures. The test results were compared with current standards, such as EN 1993-1-2 (2010), BS 59508 (1990) and AS 4100 (1998). In general, the results obtained does not fit with the propose reduction factors in the standards. The stress-strain curves were also confronted with the models proposed by EN 1993-1-2 (2010) and other researcher’s models (Chen e Young, 2007; Kankanamge, 2011). New predictive equations were proposed to predict the behaviour of coldformed steel at high temperatures.

A utilização de estruturas em aço enformado a frio na construção tem vindo a crescer de uma forma notável nos últimos anos. No entanto, o dimensionamento ao fogo deste tipo de aço ainda carece de informação a nível regulamentar. A EN 1993-1-1 (2010) classifica a esmagadora maioria das secções de aço enformado a frio como sendo de classe 4 e, consequentemente a EN 1993-1-2 (2006) sugere um dimensionamento ao fogo através da mesma metodologia de aços laminados a quente com esta classificação, propondo os mesmos coeficientes de redução para ambos os dois tipos de aço, aspeto que se revela pouco coerente (Outinen, 2004; Li, 2017). Assim sendo, realizou-se uma investigação com vista a estudar a degradação das propriedades mecânicas de aços enformados a frio: S280GD+Z e S350GD+Z. Foram levados a cabo 54 ensaios, entre eles ensaios em regime estacionário e regime transiente. Os ensaios em regime transiente são considerados mais realistas e foram determinados como mais penalizadores nas propriedades mecânicas do aço. Entre as duas classes de aço estudadas foi determinado que para os intervalos de temperaturas mais baixas (até aos 200ºC) e para os mais altos (acima dos 600ºC) os fatores de redução propostos são semelhantes, a diferença reside na temperatura para qual o aço começa a perder as suas propriedades mecânicas de forma mais acentuada. Neste aspeto, concluiu-se que o aço de menor classe tende a degradar as suas propriedades para temperaturas mais baixas. Os fatores de redução obtidos foram comparados com diversas normas nomeadamente, a EN 1993-1-2 (2010), a BS 5950-8 (1990) e a AS 4100 (1998). Para alguns intervalos de temperatura, propõem fatores de redução divergentes daqueles que foram obtidos experimentalmente. Foram ainda comparadas as curvas tensão-extensão obtidas experimentalmente com as propostas pelo modelo da EN 1993-1-2 (2010) e por modelos de outros autores (Chen e Young, 2007; Kankanamge, 2011). No final foram propostas novas formulações matemáticas para o S350GD+Z que permitem traduzir o comportamento do aço enformado a frio a temperaturas elevadas.