Encurvadura lateral em vigas com alma corrugada em situação de incêndio

Abstract

A presente dissertação tem como propósito o aumento do conhecimento relativo ao comportamento ao fogo de vigas em I com almas de nervuras trapezoidais ou sinusoidais (almas corrugadas), suscetíveis à ocorrência de fenómenos de instabilidade, em particular de encurvadura lateral. São conhecidas as vantagens em termos de eficiência e economia de material dos perfis metálicos com alma plana com secção transversal de Classe 4. Uma alternativa que se mostra capaz de potencializar estas vantagens surge na substituição da alma plana por uma alma corrugada de menor espessura. No entanto, a verificação da resistência ao fogo destes elementos carece de fórmulas simplificadas que se adeqúem à mais-valia proporcionada por este tipo de solução. O principal objetivo desta dissertação direciona-se ao estudo de metodologias de cálculo para a verificação da resistência ao fogo de vigas metálicas com alma corrugada, com base em estudos numéricos realizados com elementos finitos de casca, com recurso ao programa SAFIR, através de análises material e geometricamente não lineares (GMNIA - geometrically and material nonlinear analysis with imperfections), e ao programa RUBY + Cast3M para a execução de análises lineares de encurvadura (LBA - Linear Buckling Analysis). Para além da metodologia atual do Eurocódigo 3 para a verificação da resistência ao fogo de elementos de Classe 4, esta tese assenta numa “Nova proposta” de acordo com a qual é demonstrado que aquela metodologia “subestima a resistência das secções quando constituídas simultaneamente por placas de Classe 4 e de outras classes”, e onde são propostas novas expressões que consideram a interação entre a encurvadura local e o fenómeno de encurvadura lateral que ocorre nestas vigas. Paralelamente, é analisada qual a influência que a corrugação da alma tem para a resistência à encurvadura lateral. Esta resistência depende fundamentalmente do momento crítico. Por sua vez, este é fortemente influenciado pelas constantes de torção e de empenamento, as quais não estão bem definidas para vigas com alma corrugada. Neste sentido, inclui-se um método desenvolvido por outros autores para o cálculo do momento crítico elástico para a encurvadura lateral de vigas com alma corrugada.

The present thesis aims to increase the knowledge of the fire behaviour of steel I-shaped girders with (trapezoidally/sinusoidally) corrugated webs, prone to the occurrence of instability phenomena, particularly the lateral-torsional buckling. The advantages in terms of material efficiency and economy are known for steel members with Class 4 cross-sections. Nevertheless, an alternative that proves to be able to leverage such benefits emerges by replacing the flat web panel by a corrugated one, with a reduced thickness. However, the verification of the fire resistance of these elements lacks simplified formulas upholding the added value provided by this type of solution. The main objective of this thesis aims to study the structural design rules for the fire stability check of steel girders with corrugated webs, based on a numerical investigation with shell finite elements carried out with the software SAFIR, by performing geometrically and material non-linear analysis with imperfections (GMNIA), and with the software RUBY + Cast3M, by executing linear buckling analysis (LBA). Apart from Eurocode 3’s current methodology for the design of steel members with Class 4 cross-sections in case of fire, this study is based on a “New proposal”, according to which it is stated that the previous approach "underestimates the resistance of the sections when they are built up simultaneously of Class 4 plates and plates of other classes”, and where new expressions are proposed to account the interaction between local buckling and lateral-torsional buckling that occurs in these beams. At the same time, it is analysed what is the influence that the corrugated web panel has on the resistance against the lateral-torsional buckling. This resistance depends mainly from the critical buckling moment. In its turn, that value is strongly influenced by the torsion and warping constants, which are not well established for girders with corrugated webs. As such, in this report it is included a method developed by others researchers to calculate the critical buckling moment of corrugated web beams.