Análise do Comportamento a Temperaturas Elevadas de Elementos de Aço Formados a Frio Comprimidos Considerando Restrição ao Alongamento Térmico

Tese de doutoramento em Engenharia de Segurança ao Incêndio, da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, ao abrigo do acordo de doutoramento em regime de cotutela celebrado entre a Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra e a Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, BrasilNo presente trabalho se desenvolve como proposta principal, uma investigação experimental sobre o comportamento de elementos de aço formados a frio comprimidos em temperaturas elevadas considerando a influência da restrição ao alongamento térmico. Nessa investigação foram avaliadas as distribuições de temperaturas no contorno da seção transversal e ao longo do comprimento dos elementos. Outrossim, avaliou-se a influência da restrição ao alongamento térmico sobre o comportamento mecânico dos elementos, em especial sobre o desenvolvimento das forças de restrição que surgem durante a fase de aquecimento dos mesmos. Concernente ao comportamento térmico, os resultados indicam que a temperatura resistente de elementos expostos ao calor por todos os lados deve ser determinada com base nas medições realizadas em seções a meia altura do elemento devido à distribuição não uniforme de temperatura ao longo do comprimento. Com relação ao comportamento mecânico, os resultados experimentais mostraram que a resistência pós-crítica em temperaturas elevadas desses elementos é pequena e nesse sentido é mais coerente considerar como temperatura resistente a temperatura correspondente ao momento da perda de estabilidade dos elementos. Em caráter complementar e exploratório foram realizadas análises numéricas para melhorar o entendimento do comportamento em temperaturas elevadas dos elementos de aço formados a frio investigados experimentalmente no presente trabalho. Nas análises numéricas foi avaliada uma estratégia de modelagem em elementos finitos para simular a restrição ao alongamento térmico axial em elementos comprimidos submetidos a temperaturas elevadas. Os resultados apontam que os modelos numéricos foram eficientes para prescrever força de compressão resistente em temperaturas elevadas e o tempo resistente. Por outro lado não foram eficientes para prescrever as temperaturas críticas. No âmbito normativo foram realizadas as avaliações do método de cálculo simplificado proposto na ABNT NBR 14323 (2012) e da possibilidade de adequar o método simplificado de cálculo do EUROCODE 3 parte 1.3 (2006) para o dimensionamento em temperaturas elevadas desses elementos. Os resultados sugerem que o método de cálculo simplificado da ABNT NBR 14323 (2012) foi capaz de fornecer satisfatoriamente a força de compressão resistente dos elementos investigados que se enquadravam nas exigências do método. Outrossim, sugerem que o uso do método simplificado do EUROCODE 3 parte 1.3 (2006) com redução da resistência ao escoamento e módulo de elasticidade do aço para o dimensionamento em temperaturas elevadas de elementos de aço formados a frio carece de mais investigações.The main proposal of this work was an experimental investigation on the behavior of cold-formed steel compressed members at elevated temperatures considering the influence of restraining to the thermal elongation. In this investigation, it was evaluated the temperature distributions on the cross section and along the height of the members. Furthermore, it was evaluated the influence of restraining to the thermal elongation on the mechanical behavior of these members, in particular on the development of restraining forces during their heating phase. Concerning the thermal behavior, the results indicate the critical temperature of members exposed to heat from all sides should be determined based on measurements performed on sections located at mid-span of the members due to the non uniform temperature distribution along the height. With regards to mechanical behavior, the experimental results showed that the post-buckling resistance at elevated temperatures of these members is small and the critical temperature should be considered as the temperature corresponding to the buckling temperature. Additionally numerical analyzes were performed to better understand the behavior of the cold-formed steel members at elevated temperatures that were experimentally investigated in this study. In the numerical analyzes a modeling strategy was evaluated on finite elements to simulate the axial restraining to the thermal elongation in compressed members subjected to high temperatures. The results show that the numerical models were effective to prescribe the ultimate loads at elevated temperatures and the critical time considering the influence of the axial restraining to the thermal elongation. On the other hand, the numerical models were not effective to prescribe the critical temperature. Within the normative scope, the design method proposed in the ABNT NBR 14323 (2012) (project revision) was evaluated as well the possibility of adapting the EUROCODE 3 part 1.3 (2006) design guidelines to the design of cold-formed steel members at elevated temperatures. The results suggest that the design method proposed in the ABNT NBR 14323 (2012) (project revision) was able to accurately predict the ultimate test loads of the members that were within the requirements of the method. On the other hand, it was found that the use of the EUROCODE 3 part 1.3 (2006) design guidelines with reduction of the mechanical properties at elevated temperatures (yield strength and elastic modulus of steel) for design of compressed cold formed steel members at elevated temperature needs further investigation