Modelação Numérica do Comportamento ao Fogo de Colunas Mistas de Secção Circular de Dupla-Pele e Duplo-Tubo

Abstract

Nos últimos anos, a utilização de elementos mistos de aço e betão tornou-se cada vez mais popular, em particular as colunas mistas de perfil tubular de aço preenchidas com betão. A dispensa de cofragens, maior capacidade resistente axial e as reduzidas dimensões da secção transversal são algumas das razões para o sucesso deste tipo de coluna. Porém, num mercado onde se constrói edifícios cada vez mais altos, a utilização de elementos esbeltos implica a existência de soluções que assegurem sua capacidade resistente não só em temperatura ambiente como também em situação de incêndio. Na busca deste tipo de soluções, surgiram estudos experimentais e numéricos em colunas mistas de duplo-tubo, uma variação das colunas mistas de dupla-pele já utilizados em situação de sismo. As colunas de dupla-pele são compostas por dois tubos de aço, um externo e outro interno, com o anel entre eles preenchido por betão, enquanto nas colunas de duplo-tubo a seção é completamente preenchida por betão. Desta forma, nas colunas de duplo-tubo, o núcleo de betão e o tubo interno podem proporcionar uma maior capacidade resistente em situação de incêndio, visto que se encontram submetidos a temperaturas relativamente mais baixas que o tubo externo e o anel de betão. O trabalho consiste numa análise numérica, pelo Método de Elementos Finitos, de colunas de dupla-pele e duplo-tubo em situação de incêndio e que tinham sido ensaiados anteriormente na Universidade de Coimbra. Os estudos experimentais e numéricos tiveram como objetivo analisar o nível de carregamento e a rigidez axial e rotacional em situação de incêndio. Os resultados numéricos são então comparados com os resultados experimentais para se validar o modelo, analisando os deslocamentos axiais e as forças de restrição, e a influência de diversos parâmetros na capacidade de resposta do modelo.

In recent years, the use of composite elements of steel and concrete has become increasingly popular, in particular concrete filled steel tubular composite columns. Dispensing with formwork, greater axial strength and reduced cross-sectional dimensions are some of the reasons for the choice of this type of columns. However, in a market where increasingly taller buildings are built, the use of slender elements implies the existence of solutions that ensure their loadbearing capacity not only at ambient temperature but also in a fire situation. In the search for this type of solutions, experimental and numerical studies on double-tube composite columns emerged, a variation of the double-skin composite columns already used for earthquake situation. The double-skin columns are composed of two steel tubes, one external and the other internal, with the ring between them filled with concrete, while in the double-tube columns the section is completely filled with concrete. Thus, in double-tube columns, the concrete core and the inner tube can provide a greater loadbearing capacity in a fire situation, as they are subjected to relatively lower temperatures than the outer tube and the concrete ring. The work consists in a numerical analysis, using the Finite Element Method, of double-skin and double-tube columns fire tested some years ago at the University of Coimbra. The experimental and numerical studies aimed to analyze the influence of the loading level and axial and rotational stiffness in fire situation. The numerical results are then compared with the experimental results to validate the model, the axial displacements and restraint forces, and the influence of several parameters on the responsiveness of the model are analyzed.