Behaviour of cold-formed steel members in case of fire

Abstract

This thesis has the objective to contribute to increase the knowledge on the structural behaviour of cold-formed steel profiles in case of fire. These elements application, with thin-walled sections, is increasingly while maintaining a significant load bearing capacity. These slender cross-sections provide greater susceptibility to the occurrence of local instability phenomena in the respective cold-formed profiles. Additionally, the global instability of the elements and the distortional buckling related to the existing of reinforcements in the section are also very common collapse modes in these profiles. These instability phenomena are intensified when the profiles are subjected to high temperatures, such as the ones in case of fire. The present study, which focuses on the determination of the ultimate strength of coldformed steel columns, beams and beam-columns at high temperatures, is based on non-linear numerical analyses with imperfections, using the finite element software SAFIR. In order to validate the different numerical models applied, numerical analysis of different cold-formed profiles experimental tests at normal and high temperatures was performed. Subsequently, a parametric study was carried out to understand the influence of different parameters for numerical modelling (such as initial imperfections, residual stresses and the corner enhancements) and to stablish case studies to be considered in the validation of cold-formed steel columns, beams and beam-columns design proposals. Through the parametric studies performed varying the cross-sections slendernesses, temperatures, steel grades and loading types, the ultimate loads numerically obtained are compared with the resistances provided by Eurocode 3 prescriptions, for these profiles. And finally, following the observations obtained with such comparisons, new design formulations are proposed that improve the analytical predictions of the different structural elements at high temperatures

A presente dissertação tem como objetivo contribuir para o aumento do conhecimento do comportamento estrutural de perfis em aço enformados a frio em situação de incêndio. A aplicação destes elementos, com secções transversais de paredes finas, é cada vez mais comum mantendo uma significativa capacidade de suporte de cargas. Estas secções transversais esbeltas proporcionam uma maior suscetibilidade à ocorrência de fenómenos de instabilidade local nos respetivos perfis enformados a frio. Adicionalmente, a instabilidade global dos elementos e a encurvadura distorcional relacionada com a existência de reforços na secção são também modos de colapso muito comuns nestes perfis. Estes fenómenos de instabilidade são intensificados quando os perfis estão sujeitos a elevadas temperaturas, tais como as que ocorrem em caso de incêndio. O presente estudo, que se foca na determinação das capacidades resistentes últimas de colunas, vigas e vigas-coluna em aço enformados a frio a altas temperaturas, é baseado em análises numéricas não lineares com imperfeições, aplicando o programa de elementos finitos SAFIR. Com o intuito de validar os diferentes modelos numéricos aplicados, foram analisados numericamente ensaios experimentais da literatura a diferentes perfis enformados a frio à temperatura normal e a elevadas temperaturas. Posteriormente foi realizado um estudo paramétrico para compreensão da influência de diferentes parâmetros para aferição dos modelos numéricos (como as imperfeições geométricas iniciais, as tensões residuais e os cantos com resistência aumentada) e para estabelecimento de casos de estudo, a considerar na validação de propostas de dimensionamento de colunas, vigas e vigas-coluna em aço enformados a frio. Através dos estudos paramétricos concretizados variando esbeltezas de secções, temperaturas, tipos de aço e tipos de carregamento, as cargas últimas obtidas numericamente são comparadas com as resistências fornecidas pelas prescrições do Eurocódigo 3, para estes perfis. E por fim, seguindo as observações obtidas com as referidas comparações, são propostas novas formulações de cálculo que melhoram a previsão analítica dos diferentes elementos estruturais a altas temperaturas