Behaviour of stainless steel structures in case of fire

Abstract

A presente tese resulta de um trabalho de investigação, cujo objectivo se centrou no aumento de conhecimento do comportamento estrutural do aço inoxidável, na construção. O aço inoxidável tem várias características desejáveis num material estrutural. Embora inicialmente mais caras que em aço carbono convencional, estruturas em aço inoxidável podem ser competitivas em virtude de necessitarem de uma menor quantidade de material de protecção térmica, e de terem um custo de ciclo de vida mais baixo, contribuindo assim para uma construção mais sustentável. O principal objectivo desta tese consiste em realizar uma avaliação numérica da resistência ao fogo de estruturas em aço inoxidável. Os estudos numéricos foram efectuados através do programa de elementos finitos SAFIR com análises material e geométrica não lineares, que foi especialmente desenvolvido na Universidade de Liège para o estudo de estruturas em situação de incêndio. Estas análises numéricas enquadram-se na metodologia habitualmente designada por GMNIA - geometrically and materially non-linear imperfect analysis. O programa foi também objecto de modificações tendo em vista a realização desses estudos. É demonstrado que, devido às diferenças existentes entre as leis constitutivas do aço carbono e do aço inoxidável, não é possível utilizar em ambos os materiais as mesmas fórmulas para o cálculo da estabilidade de elementos, como é proposto no Eurocódigo 3. Os resultados mostram também que, para alguns elementos estruturais, as fórmulas, preconizadas nessa norma europeia, não estão do lado da segurança, existindo assim necessidade de as melhorar. Estes estudos foram realizados em colunas, vigas e vigas-coluna em aço inoxidável tanto à temperatura ambiente como a altas temperaturas, resultando em novas propostas de dimensionamento para esses elementos. O comportamento de vigas em aço carbono sujeitas a temperaturas elevadas foi também analisado, devido a não ser suficientemente conhecido e as propostas apresentadas nesta tese, para vigas em aço inoxidável, terem sido baseadas nesse comportamento. Esta tese contém também um estudo em elementos de paredes finas em aço inoxidável sujeitos a incêndio, onde é avaliada a influência das tensões residuais nas suas cargas últimas. Por fim apresenta-se uma análise do comportamento estrutural global de duas estruturas em aço inoxidável sujeitas a incêndio, comparando os resultados obtidos com o comportamento das mesmas estruturas em aço carbono.

This thesis is a research work aimed at increasing the knowledge of the structural behaviour of the stainless steel in construction. The stainless steel has countless desirable characteristics for a structural material. Although initially more expensive than conventional carbon steel, stainless steel structures can be competitive because of its smaller need for thermal protection material, and lower life-cycle cost, thus contributing to a more sustainable construction. The main objective of this thesis consists in making a numerical evaluation of the fire resistance of stainless steel structures. The numerical studies were performed using the finite element program SAFIR, with non-linear material and geometric analysis, which was specially developed at the University of Liege, for the study of structures in case of fire. These numerical analyses fit the methodology usually designated GMNIA - geometrically and materially non-linear imperfect analysis. The program was also object of some modifications in order to enable those studies. It is demonstrated that, due to the existing differences in the constitutive laws of carbon steel and stainless steel, it is not possible to use in both materials the same formulae for the member stability calculation, as proposed in Eurocode 3. Moreover, the results show that, the formulae, prescribed on that european norm, are not on the safe side for some structural elements, being necessary their improvement. These studies were made in stainless steel columns, beams and beam-columns at room temperature and at high temperatures, resulting in new design proposals for those members. The behaviour of carbon steel beams at elevated temperatures was also analysed, due to not being sufficiently known and to the proposals presented in this thesis, for stainless steel beams, being based on that behaviour. This thesis contains also a study on thin-walled stainless steel elements in case of fire, where it is evaluated the influence of the residual stresses on their ultimate loads. Finally, an analysis on the global structural behaviour of two stainless steel structures subjected to fire is presented, followed by a comparison of their results with the behaviour of the same structures in carbon steel.