Coupled thermal and structural analysis of steel columns under fire condition

Os pilares de aço, assim como outros elementos constituídos de outros materiais, quando expostos à temperaturas elevadas têm suas propriedades mecânicas de resistência e rigidez reduzidas em resposta ao aquecimento provocado pela ação térmica, podendo ocasionar o colapso prematuro da estrutura. Com base nesse aspecto, o objetivo do presente projeto de pesquisa foi analisar numericamente o comportamento de pilares de aço em situação de incêndio, considerando condições de compartimentação do ambiente em chamas. Para tanto, foram elaborados modelos numéricos desenvolvidos com o código computacional ANSYS v9.0 para fins de realização da análise acoplada termoestrutural em caráter transiente com relação ao gradiente térmico. Foram elaborados, inicialmente modelos bidimensionais para validar as informações referentes à temperatura na seção transversal. Posteriormente, foram construídos modelos tridimensionais térmicos e estruturais que levam em conta as não linearidades do material e geométrica, na forma de imperfeição geométrica inicial do tipo global, com vistas à análise termoestrutural do elemento. Os resultados obtidos nas análises termo-estruturais foram comparados com resultados obtidos por meio de procedimentos normativos das normas ABNT NBR14323:1999 e EC3-1.2. Os métodos simplificados propostos por tais normas aplicam o fator de massividade, definido como a relação entre o perímetro exposto ao fogo e a área total da seção transversal, na determinação da temperatura máxima do elemento estrutural que, conseqüentemente, influencia no dimensionamento em temperaturas elevadas. Os resultados dos exemplos apresentados mostram que, em situações onde a distribuição da temperatura ocorre de forma não-uniforme, o fator de massividade (parâmetro que consiste de artifício matemático para a determinação de valores de temperatura máxima no elemento) conduz a valores de temperatura e conseqüente comportamento estrutural não condizente com a real situação de interesse na análise. Acredita-se que os resultados aqui obtidos poderão ser de grande importância na contribuição em futuras revisões da norma brasileira ABNT NBR 14323:1999, atualmente em vigor.The most part of materials whose constitute fire protection elements or structural elements, such as steel columns, when exposed to high temperature have their strength and elasticity modulus reduced caused by thermal action. Therefore the structure can collapse earlier than in an ambient temperature situation. Based in this aspect, the objective of the presented work is to develop steel columns numerical analysis to consider its behavior under fire situation, including compartment condition of the room. The thermal and coupled thermal structural numerical analyses were carried out using the computational code ANSYS v9.0. In an initial stage, 2-D models are proposed in order to obtain cross sections thermal gradient, considering also the numerical result of the code TCD v5.5 in sense to compare with ANSYS thermal result. Afterwards, three-dimensional models taking account coupled thermal and structural analysis, considering materials and geometric non-linearity were showed. The obtained results were compared with method proposed by standard ABNT NBR 14323:1999 and EC3-1.2, in which are used the section factor, i.e., the parameter defined by the ratio between exposed perimeter to fire and total cross section area in order to determine the maximum structural element temperature and, consequently, the design in elevated temperature with respect to the collapse load . The results, obtained by numerical analysis, drive in sense to signalize that, for the situations where non-uniform heating conditions occurs, the use of section factor (F), used as a alternative simplified parameter which the objective to determine the maximum temperature at the element, can carry out, eventually, to an unsatisfactory and non-representative response if compared with a real fire situation. These presented results can be converted to an important contribution for future reviews of Brazilian standard code ABNT NBR14323:1999 currently in action