Structural behavior of lipped I and box built-up cold formed steel columns under high temperature

No contexto da construção civil brasileira, é reconhecido o fato de que os perfis de aço formados a frio têm grande demanda em diversos tipos de sistemas estruturais. Uma das aplicações refere-se às barras com seções transversais compostas em duplo U enrijecido, comumente presente no sistema de vigas e pilares de edificações. Quando submetido à ação térmica decorrente de um incêndio, o comportamento dos perfis formados a frio se torna de avaliação relativamente complexa, pois há ocorrência de dois fenômenos que levam à perda da sua capacidade portante: a ocorrência dos modos de instabilidade e a redução da resistência do material. Dessa forma, neste trabalho foi desenvolvido um estudo sobre perfis de aço formados a frio submetidos a temperaturas elevadas. As seções transversais adotadas foram do tipo I enrijecido e tubular retangular do tipo caixão, compostas por dois perfis U enrijecido unidos por solda intermitente. A ação mecânica aplicada consistiu em uma compressão centrada, bem como uma ação térmica, cuja taxa de aquecimento segue a curva de incêndio padrão definida pela International Organization for Standardization. A investigação aqui apresentada foi desenvolvida em campo experimental e numérico. Foram realizados ao todo 17 ensaios de compressão, cinco à temperatura ambiente e 12 com aplicação da ação térmica. A ação mecânica dos ensaios termoestruturais, ao ser aplicada, foi mantida constante em patamares de 40% e 70% da capacidade resistente à temperatura ambiente. Em seguida foram desenvolvidos modelos numéricos calibrados com parâmetros obtidos experimentalmente, com vistas a futuras análises paramétricas a partir desta pesquisa. Por fim, tais resultados foram comparados com valores obtidos por procedimentos de cálculo das principais normas em vigor. Com base nesta investigação e no conjunto de resultados apresentados, é possível avaliar a viabilidade da aplicação de tais procedimentos normativos diretamente aos perfis de aço formados a frio, bem como propor adequações onde houver necessidade. Deve-se ressaltar que o trabalho aqui apresentado é o primeiro a realizar ensaios termoestruturais em perfis formados a frio com abordagem na realidade brasileira da construção civil e reconhece a necessidade de abranger novos estudos.Due to its known versatility, cold formed steel has been widely used in civil construction as load bearing members in several types of structural systems. Built-up lipped I and box cross section are often used as beams and columns of commercial and even industrial buildings. When such structural cold formed steel members are submitted to a thermal load arising from a fire condition, their structural behavior becomes complex, inasmuch as two phenomena that lead to loss of strength is likely to occur: the reduction of materials properties of the cold formed steel and the buckling modes thin walled steel are susceptible. Hence, in this doctoral thesis, a study on the behaviour of built-up cold formed steel subjected to compression load and submitted to high temperature is presented. In the first stage of this research, 21 specimens were subjected to axial compression load; in which 11 specimens were lipped I and 10 were box built-up cross section. Five tests of the total amount were carried out at ambient temperature and 16 in hugh temperature. Such tests in high temperature were carried out in thermal transient condition whose magnitude of the applied compression load was equivalent to 40% and 70% of the one obtained at ambient temperature. Thus, the ultimate time and temperature of the specimens were determined. In the second phase of this research, numerical analysis was developed and the numerical models were validated by the comparison with experimental results. Since this numerical strategy has considered geometric and material non linearity varying according to increasing thermal load, it has shown to be suitable for future parametric analysis. Regarding to standard codes, based on this reseach, the suitability of design method for fire condition recommended by Brazilian, European and North American standards applied to cold formed steel were evaluated. The ultimate load capacity obtained from Brazilian and European fire design codes resulted conservative in comparison with experimental results. The Direct Strength Method available in North American, Brazilian and Australian standards, considering appropriated reduction of materials properties according to its temperature conducted to satisfatory results for built-up lipped I and box cold formed steel columns. In addition, this thesis emphasizes the need for an extensive research on cold formed steel structures under fire condition in accordance with Brazilian civil construction