Resistência ao fogo de colunas tubulares de secção circular e elíptica com restrição à dilatação térmica

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Civil apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.Nos últimos anos, os elementos estruturais de aço e mistos, aço - betão, têm sido cada vez mais utilizados e com maior destaque no mercado mundial da construção. A preferência por estes elementos estruturais deve-se à sua graciosidade, elevada capacidade de carga e comportamento melhorado em termos sísmicos e de incêndio. Todavia, devido aos inúmeros casos de estruturas ameaçadas e destruídas por incêndios, os elementos estruturais quando expostos a elevadas temperaturas e a restrições axiais e rotacionais à dilatação térmica, apresentam comportamentos e aspetos que ainda se encontram por conhecer e que, por isso, devem ser objeto de estudo e investigação. Nesta dissertação, o assunto tratado foi o estudo experimental de colunas tubulares em aço e mistas, de secções circulares e elípticas, uma vez que, ainda há poucas investigações sobre este tipo de colunas aplicadas a situações reais de incêndio, ou seja restringidas à dilatação térmica. Assim foram realizados uma série de ensaios experimentais, com restrição à dilatação axial e rotacional térmica, de colunas tubulares circulares e elípticas, em aço carbono, mistas de aço e betão armado, e em aço inoxidável austenítico com condições de apoio semi-rígidas e rotuladas. Nestes ensaios, variaram-se alguns parâmetros como a esbelteza e o nível de carregamento. Os perfis circulares apresentaram diâmetros de 193,7 mm e 273 mm e os perfis elípticos 320 mm x 160 mm, com uma espessura de parede de 8 mm e 10 mm para as secções circulares e 12,5 mm para as secções elípticas. Relativamente ao nível de carregamento, foram ensaiadas colunas com 30% e 50% do valor de cálculo da carga de encurvadura à temperatura ambiente. Da pesquisa efetuada, concluiu-se que para os 3 elementos estudados, o aço inoxidável foi aquele que apresentou maiores forças de restrição devido à menor rigidez da coluna e os mistos de aço e betão armado foram os que tiverem maior resistência ao fogo, com a interação entre o aço e o betão, a condutibilidade dos materiais e a maior rigidez destas colunas a terem um papel importante neste desempenho. Comparando os ensaios realizados com a restrição à dilatação térmica e o obtido, por outros autores, sem restrição à dilatação térmica, verificou-se que para o caso em estudo os valores de deslocamento axial são menores. Os resultados obtidos poderão ser usados na calibração e validação de um modelo numérico com o objetivo de futuramente se estabelecerem novos métodos de cálculo simplificadosIn the last years, the structural elements of steel and composite (steel – concrete), have been increased and more used in the global construction market. The preference for these structural elements are due to their characteristics such as attractive appearance, high loading capacity and the improved behavior in terms of seismic and fire. However, with the numerous accidents by fire, these structural elements when exposed to high temperatures and with restrained thermal elongation, have limitations and different behaviors that are not known yet and for that reason should be studied. Since there are few studies in real fire conditions, which means restrained to thermal elongation, during this thesis, an experimental study of tubular columns with circular sections and elliptical sections was made to understand their behavior when exposed to that situations. Therefore, various tests were done to see the fire resistance of each material. For the tests were used three different tubular elements, carbon steel, composite steel and reinforced concrete, and austenitic stainless steel, with circular and elliptical sections. All of these tubular elements with axial and rotational restraining to thermal elongation. The support conditions of these elements will be semi-rigid and pinned end. In these tests, the variations in some parameters such as the slenderness and the load level of the column were studied. The circular specimens have a diameter of 193.7 mm and 273 mm and the elliptical specimens 320 mm x 160 mm, with a wall thickness of 8 mm and 10 mm to the circular sections and 12.5 mm to the elliptical sections. With regard to the load level the columns will be tested with 30% and 50% of the design value of the buckling load at room temperature. In this research, it was concluded for the 3 elements studied, the stainless steel had the greater value of relative restraint axial force because of his low stiffness and the best fire resistance was noticed in composite steel and reinforced concrete. For this performance the interaction between steel and concrete, the materials conductivity and the greater stiffness had an important role. Comparing this experimental study with obtained by other authors, the restraint to thermal elongation lead to a reduction in the axial displacement of the tested columns. The results of this research allows the development of a numerical model at a later stage to establish a new simple calculation model