Fire design of steel members with class 4 cross-section

Abstract

A presente tese resulta de um trabalho de investigação com o propósito de aumentar o conhecimento do comportamento ao fogo de elementos metálicos com secção transversal de Classe 4, ou seja, suscetíveis à ocorrência de fenómenos de encurvadura local. Os elementos metálicos com secção transversal de Classe 4 são amplamente utilizados na construção metálica por serem soluções bastante atrativas em termos de eficiência e economia de material. No entanto, a verificação da resistência ao fogo destes elementos carece de fórmulas simplificadas que se adequem à mais-valia proporcionada por este tipo de solução. O principal objetivo desta dissertação foca-se no desenvolvimento de metodologias de cálculo para verificação da resistência ao fogo de elementos metálicos com secção transversal de Classe 4 com base em estudos numéricos realizados com elementos finitos de casca recorrendo ao programa SAFIR através de análises material e geometricamente não lineares (GMNIA - geometrically and material non-linear analysis with imperfections). É demonstrado nesta tese que, as fórmulas atualmente propostas no Eurocódigo 3 para verificação da resistência ao fogo de elementos de Classe 4 em situação de incêndio podem ser melhoradas. No que diz respeito à capacidade resistente da secção transversal, a metodologia atual do Eurocódigo 3 subestima a resistência das secções quando constituídas simultaneamente por placas de Classe 4 e de outras classes. Por outro lado, mostra-se que os fenómenos de encurvadura local afetam também as secções de Classe 3 a altas temperaturas. Neste trabalho, ambas as classes foram tratadas como secções transversais esbeltas, tendo sido propostas novas fórmulas para o seu cálculo em situação de incêndio. No caso de vigas com secção transversal esbelta, observa-se que as formulações preconizadas no Eurocódigo 3 são também inadequadas. A proposta para o cálculo da resistência da secção transversal desenvolvida neste trabalho conduz a melhorias na verificação da segurança ao fogo destes elementos mas, não obstante, propõe-se novas expressões que consideram a interação entre a encurvadura local e o fenómeno de encurvadura lateral que ocorre nestas vigas. Assim desenvolveu-se um parâmetro de secção efetiva cuja utilização permite uma verificação ao fogo da encurvadura lateral mais eficiente. Por fim, estudam-se as vigas-coluna com secção transversal esbelta, concluindo-se que as fórmulas de interação do Eurocódigo 3 conduzem simultaneamente a resultados muito conservativos ou fora da segurança. Observou-se que este comportamento se deve essencialmente ao cálculo dos fatores de redução para o comportamento de coluna e viga, mas por outro lado, houve a necessidade de alterar os fatores de interação das curvas para que a verificação da resistência ao fogo destes elementos fosse mais segura.

This thesis is the result of a research work with the purpose of increasing the knowledge on the fire behaviour of steel members with Class 4 cross-section, that is, prone to the occurrence of local buckling phenomena. Steel members with Class 4 cross-section due to their advantages regarding their lightness and efficiency are widely used in steel constructions. However, the verification of the fire resistance of these elements lacks simplified formulas that are in agreement with the added value provided by this type of solutions. The main objective of this thesis aims to develop improved structural fire design rules for the stability check of steel members with Class 4 cross-section based on numerical investigation with shell finite elements carried out with the software SAFIR by performing geometrically and material non-linear analysis with imperfections (GMNIA). It is demonstrated in this work that, the existing design rules preconized proposed in Eurocode 3 for the design of steel members with Class 4 crosssection in case of fire could be improved. In what concerns the cross-sectional capacity, the present methodology of Eurocode 3 underestimates the resistance of the sections when they are built up simultaneous of Class 4 plates and plates of other classes. Moreover, it is demonstrated that local buckling affects also Class 3 cross-sections in case of fire. Thus, in this work, both classes are treated as slender cross-sections and proposals are made for new rules to calculate their capacity in fire situation. For beams with slender cross-sections, it is concluded that the formulae available in Eurocode 3 are also inadequate. The new proposal for the crosssectional resistance calculation leads to improvements in terms of the fire design of these members but, nonetheless, new expressions are proposed that account for the interaction between local buckling and lateral-torsional buckling that occurs in these beams. Accordingly, the effective section factor was developed allowing a better design against lateral-torsional buckling of on beams with slender cross-sections in case of fire. Finally, beam-columns with slender cross-sections are studied, and it is concluded that the present interaction formulae provided by Eurocode 3 leads simultaneous to very conservative or unsafe results. It was observed that this was mainly due to the calculation of the reduction factors for the beam and column behaviour, but besides that, there was the need to change the interaction factors so that the design rules to assess the mechanical resistance of beam-columns in case of fire be safer.