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To analyse the load bearing capacity of stainless steel (SS) members at elevated temperatures, a set of three-point bending tests was conducted on RHS 150x100x5 beams with SS grade 1.4301. The numerical modelling of these tests has been performed at elevated temperatures, achieving close approximation to observed experimental results. The load bearing capacity difference between the numerical results and the experimental results is smaller than 10%. Analytical methods were also used to predict the load-deflection behaviour. info:eu-repo/semantics/publishedVersion

O presente artigo apresenta um estudo experimental sobre a caracterização mecânica do aço inoxidável austenítico 1.4301, à temperatura normal e a altas temperaturas. As leis constitutivas obtidas por ensaios à tração são comparadas com as preconizadas no Eurocódigo 3 (EC3), cujos respetivos modelos materiais foram recentemente sujeitos a propostas de alteração, necessitando ainda de completa validação. Por fim analisa-se a influência da aplicação das diferentes leis constitutivas na modelação numérica de vigas com secções retangulares ocas (RHS) e na respetiva resistência ao fogo. info:eu-repo/semantics/publishedVersion

Structural stainless steel elements at elevated temperatures behave differently than structural carbon steels. To analyse this behaviour, a set of three-point bending tests on 150x100 RHS, Class 1 cross-section, stainless steel grade 1.4301 beams at elevated temperatures were conducted. Numerical modelling of these tests has been afterwards performed at the measured temperatures, achieving close approximation to observed experimental results. info:eu-repo/semantics/publishedVersion

O presente artigo apresenta um estudo experimental sobre a caracterização mecânica do aço inoxidável austenítico 1.4301, à temperatura normal e a altas temperaturas. As leis constitutivas obtidas por ensaios à tração são comparadas com as preconizadas no Eurocódigo 3 (EC3), cujos respetivos modelos materiais foram recentemente sujeitos a propostas de alteração, necessitando ainda de completa validação. Por fim analisa-se a influência da aplicação das diferentes leis constitutivas na modelação numérica de vigas com secções retangulares ocas (RHS) e na respetiva resistência ao fogo. info:eu-repo/semantics/publishedVersion

Com o objetivo de analisar experimentalmente o comportamento mecânico de elementos estruturais em aço inoxidável a temperaturas elevadas, foi realizado um conjunto de ensaios de resistência ao fogo, à flexão em três pontos, a perfis com secção transversal RHS150x100x5, em aço inoxidável 1.4301, aplicando a curva de aquecimento padrão ISO 834. Os resultados são analisados e comparados com os obtidos por modelação numérica, realizada com o programa de elementos finitos SAFIR, validando o modelo numérico construído e a aplicação da lei constitutiva para o aço inoxidável a temperaturas elevadas proposta na nova geração da Parte 1-2 do EC3. info:eu-repo/semantics/publishedVersion

O objetivo fundamental deste artigo é desenvolver um modelo numérico térmico para a análise de lajes em madeira, com e sem isolamento. Será utilizado o método de elementos finitos, através do programa ANSYS para determinar os perfis de temperaturas, a espessura e a velocidade de carbonização. O cálculo dos perfis de temperaturas será obtido em regime transiente, através de uma análise não linear em que as propriedades térmicas dependem da temperatura. Estas propriedades foram estabelecidas de acordo com dados referenciados e calibrados numericamente. Pretende-se aproximar os resultados numéricos, com os resultados experimentais obtidos por Frangi [1], obtendo-se assim um modelo numérico calibrado. Serão apresentadas conclusões relevantes sobre a utilização de diferentes isolamentos em lajes de madeira, assim como a determinação das curvas típicas de carbonização. Os resultados permitirão identificar soluções de projeto, facilitando a verificação da segurança em situação de incêndio em lajes ou pavimentos de madeira com ou sem isolamento.

The main objective of this paper is to develop a numerical model for thermal analysis of wooden slabs with cavities, when subjected to the fire action. The temperature profiles, the charring depth layer and the charring rate will be determined using the finite element method with ANSYS program. The numerical calculation of the temperature profiles will be obtained through a transient and a non-linear thermal analysis, where the material properties are temperature dependent. These properties were established in accordance with the referenced data and numerically calibrated. Two different models of wooden slabs with cavities were studied. One model characterizes a wood slab with void cavities and other with insulation material. To characterize the fire resistance in wooden slabs with insulated cavities or void cavities, different typical curves of charring depth layer will be obtained. A numerical procedure is proposed to identify the heating action into the slab cavities. All numerical results permit the verification of the fire safety in wooden slabs with cavities.

This study presents the numerical simulation of the bending resistance of CSTCB in stage 1 (element made only by the self-supported steel truss and base plate). Two different base plates were considered (Steel and Concrete) and two different types of steel trusses (Type I and II). The numerical results are also compared with analytical results, assuming the full interaction between steel truss and concrete, neglecting the tensile strength of concrete, considering the effective area of concrete stressed up to the compressive resistance. The design followed the general rules for steel and concrete structures [1-9].

This work compares the thermal behaviour on four different Composite Steel Truss and Concrete Beam (CSTCB), when submitted to two different fire conditions (one side and four sides of fire exposure). This analysis aims to be a preliminary assessment of a series of experimental tests. CSTCB with concrete plate delay temperature evolution on the steel truss and reinforcement, increasing fire resistance.

Composite Steel Truss and Concrete Beam (CSTCB) are composite elements designed to resist bending, consisting of a steel truss encased in concrete casted in place, with a steel base plate or pre-casted concrete plate. Design resistance moment was determined for the initial constructive stage, using simply supported truss beam with three-point bending load. Two different typologies were compared for three different beam lengths, using three dimensional finite element analyses. Critical load was determined for different buckling mode shapes, using linear elastic analysis. The first mode and two other particular buckling mode shapes were considered as initial imperfection modes. The resistance moment was calculated, based on geometric and material non-linear analysis.

Neste trabalho, a resposta estrutural de elementos esbeltos em aço inoxidável submetidos a incêndio é analisada numericamente através de programas de elementos finitos geométrica e materialmente não lineares. Com o intuito de realizar estas simulações, foram necessárias duas alterações no programa SAFIR: i) foi introduzida a lei constitutiva 2D do aço inoxidável, para ser usada em elementos de casca e ii) foi introduzida a possibilidade do programa considerar tensões residuais em elementos finitos de casca. A lei constitutiva utilizada do aço inoxidável foi a apresentada na parte 1.2 do Eurocódigo 3. Para modelar o endurecimento exibido pelos aços inoxidáveis, usando a formulação de elementos de casca, foi necessária uma aproximação à referida lei constitutiva do Eurocódigo 3. Imperfeições geométricas locais e globais foram consideradas nas simulações numéricas. Por fim, este trabalho mostrará também a influência das tensões residuais na capacidade resistente em situação de incêndio, de elementos estruturais esbeltos em aço inoxidável.

It is known that stainless steel has a better fire performance than carbon steel, which can lead to a growing utilization of this kind of steel in structures. In fact, although more expensive than the carbon steel, structures in stainless steel can be competitive because of its smaller thermal protection need. With the purpose of modelling by Finite Element Method the behaviour of a stainless steel framed structure, without any protection, submitted to fire, has been introduced in the SAFIR program, the material properties of the stainless steel. SAFIR is a finite element program with geometrical and material non-linear analysis, specially developed in the University of Liège for studying structures subjected to fire. The thermal and mechanical properties of the stainless steel, introduced in the SAFIR program are temperature dependent, according to the Eurocode 3. The stress strain relationship, the thermal conductivity and the specific heat are the most important material properties for the structure analysis at high temperatures. These properties in stainless steel are considerable different from carbon steel. The behaviour of the structure will be compared in the two different materials: stainless steel 1.4301 (also known as 304) and carbon steel S235. The benefits of using stainless steel in the fire resistance of the structure, which is 3 times higher than the one obtained with carbon steel, avoiding any fire protection material needed to fulfil the necessary fire requirements will be shown.

Os regulamentos de projecto de estruturas determinam que os elementos estruturais devem possuir uma determinada resistência ao fogo, dependente do tipo de edifício a que pertençam, para garantir a segurança dos seus ocupantes e equipas de socorro. Uma viga sem constrangimentos laterais sujeita a este tipo de acidente pode atingir o colapso pelo fenómeno de instabilidade por encurvadura lateral torsional, provocado pela diminuição da capacidade resistente. Este trabalho apresenta o procedimento experimental e os ensaios a realizar para a determinação da resistência ao fogo de vigas de aço IPE100 protegidas com tinta intumescente. São analisadas diferentes espessuras de protecção ao fogo, verificando-se um aumento da temperatura crítica e do tempo de resistência ao fogo com o incremento desta.

This paper presents a numerical investigation of the residual strength of a typical PR momentresistant multi-storey steel framed structure, subjected to a design seismic event followed by fire. In order to allow a calibration with some real results from fire tests on a natural scale, the architectural and structural definitions of the eight-storey steel Cardington building were chosen as the reference case, adapted to deal with basic seismic requirements. The seismic action was simulated with an artificial accelerogram with PGA of 0.6g, chosen to achieve significant energy dissipation in the joints. The adopted fire event is limited to an isolated compartment and it is defined as the natural fire observed during a full-scale fire test carried out at the BRE. Finally, the results are discussed in terms of robustness requirements for extreme events. Financial support from the Portuguese Ministry of Science and Higher Education (Ministério da Ciência e Ensino Superior) under contract grants from PRODEPIII (5.3) for Pedro Nogueiro is gratefully acknowledged.Financial support from the Portuguese Ministry of Science and High Education (Ministério da Ciência e do Ensino Superior) under FCT research project POCI/ECM/55783/2004 is acknowledged.

A resistência dos elementos de uma estrutura, quando submetidos a temperaturas elevadas, pode ser ver verificada no domínio da temperatura, definindo-se um valor crítico para a temperatura máxima quando o efeito das acções iguala o valor da resistência do elemento. Em elementos de viga não restringidos lateralmente, a temperatura crítica pode ser determinada em função do tipo de carregamento e grau de utilização, para uma situação de instabilidade por encurvadura lateral. Neste artigo serão apresentados resultados experimentais de ensaios realizados em perfis metálicos IPEJ 00, resultados de simulações numéricas efectuadas com o elemento SHELLJ8I do programa ANSYS e resultados propostos pelo Eurocódigo 3, parte 1.2.

O aço inoxidável tem reconhecidamente uma resistência ao fogo superior ao aço carbono pelo que é de prever uma crescente utilização deste tipo de aço para fins estruturais. De facto, embora mais caro que o aço carbono, o aço inoxidável pode conduzir a estruturas competitivas em virtude de necessitarem de uma menor quantidade de material de protecção térmica ou mesmo, em alguns casos, não ser necessária protecção contra incêndio, como sucede na estrutura apresentada neste artigo. Com o objectivo de modelar pelo Método dos Elementos Finitos o comportamento de uma estrutura porticada de um edifício em aço inoxidável em situação de incêndio, introduziu-se a sua lei constitutiva no programa SAFIR, um programa de elementos finitos para análise não-linear geométrica e material, especialmente desenvolvido na Universidade de Liège para estudo de estruturas sujeitas à acção do fogo. Neste programa as propriedades térmicas e mecânicas do aço são função da temperatura, de acordo com o Eurocódigo 3. Compara-se o comportamento da estrutura em aço inoxidável 1.4301 (também conhecido como 304) com o comportamento que teria se a estrutura fosse em aço carbono S235 e realçam-se os benefícios da utilização do aço inoxidável resultantes da sua maior resistência ao fogo.

Quando uma viga sem constrangimentos laterais se encontra sujeita a um carregamento mecânico e é simultaneamente submetida ao efeito de temperaturas elevadas, pode ocorrer instabilidade por encurvadura lateral torsional devido à diminuição da capacidade resistente. São determinadas as equações diferenciais de equilíbrio para a encurvadura lateral e as respectivas condições de fronteira de elementos sujeitos a restrições e a temperaturas elevadas. São apresentadas análises não lineares de geometria e material, realizadas no programa ANSYS, em vigas de aço IPE220 de diferentes comprimentos, sujeitas a um estado de flexão uniforme, correspondente a graus de utilização de 40 % e 60%. É analisado o efeito da rigidez da restrição axial no comportamento das vigas e da sua temperatura crítica. Na fase inicial de aquecimento, vigas com restrição axial possuem deslocamentos superiores aos ocorridos em vigas sem restrições. Para temperaturas mais elevadas, os esforços de reacção mantêm a estabilidade do elemento devido à capacidade resistente axial.

Uma viga sem constrangimentos laterais submetida a um carregamento mecânico e sujeita a um aumento de temperatura, por exemplo proveniente de um incêndio, pode atingir o colapso pelo fenómeno de instabilidade por encurvadura lateral torsional, originado pela diminuição da capacidade resistente. Este trabalho apresenta o procedimento experimental e os ensaios realizados para a determinação da resistência ao fogo de vigas de aço IPE100 protegidas com tinta intumescente. São analisadas diferentes espessuras de protecção ao fogo, verificando-se experimentalmente, como seria de esperar, um aumento da temperatura crítica e do tempo de resistência ao fogo com o aumento da espessura do intumescente. Com base nos resultados experimentais é apresentada a evolução da condutividade térmica da tinta intumescente com a temperatura. Finalmente compara-se a espessura de tinta intumescente obtida à custa da condutividade térmica avaliada experimentalmente com a espessura proposta pelo fabricante.

A utilização de elementos estruturais em aço inoxidável tem vindo a crescer nos últimos anos, devido quer à sua maior resistência à corrosão quer à sua maior resistência mecânica ao fogo, quando comparado com o aço carbono. Com o objectivo de modelar pelo Método dos Elementos Finitos a encurvadura lateral de vigas I em aço inoxidável sujeitas a altas temperaturas, introduziram-se as leis constitutivas de diferentes tipos de aço inoxidável no programa SAFIR. Trata-se de um programa de elementos finitos para análise não-linear geométrica e material, especialmente desenvolvido na Universidade de Liège para o estudo de estruturas sujeitas à acção do fogo. Neste trabalho pretende-se efectuar uma breve comparação das propriedades mecânicas do aço carbono com as do aço inoxidável a altas temperaturas e os resultados numéricos obtidos com esta nova versão do programa SAFIR, adaptado para tratar o aço inoxidável, com resultados obtidos com o programa comercial ANSYS, utilizando elementos finitos de viga e de casca.

This work presents a finite element formulation to model the thermal behaviour of structural piping systems under fire conditions. The study of steel structures at elevated temperatures needs the thermal action characterisation and the non-linear material behaviour, according to the Eurocodes standards. The surrounding fire temperature in structural systems is in accordance with ISO 834. Structural piping systems may have also, internal voids filled with air that needed to be simulated. In this domain, the internal temperature may be calculated with some simplified formulas obtained from heat transfer equations. For small values of the pipe thickness-mean radius ratio, the thermal behaviour may be determined with high accuracy using one dimensional mesh approach, for axisymmetric thermal boundary conditions, across pipe sections. The transient temperature evolution in piping systems and the internal temperature in the voids will be calculated. Conclusions are presented regarding the importance of the temperature field obtained in structural piping systems using one and two dimensional finite element meshing and results will be discussed for various study cases. Numerical results will be compared with other finite element commercial code, Cosmos/M, for the same situation.

Fire resistance may be determined by simple calculation models applied to individual members and should be based on safe results. This safety can be verified on three distinct domains, such as, temperature domain, load bearing domain and time domain. The temperature domain was chosen to show how a beam element might achieve the design limit state by lateral instability, for a specified degree of utilisation. A set of uncouple numerical simulations using ANSYS software will be presented, regarding that mechanical deformation does not produce temperature change in the structural material (no explicit creep is considered in the mechanical model). The thermal deformation, due to temperature increase, is responsible for the introduction of mechanical stresses, which means that first is necessary to define the fire and than, for each mechanical load increment, update deformation field, under an iterative procedure (mechanical response model). The numerical model is based on geometric and material nonlinearities. The numerical tests use shell finite elements, with initial out-of-straightness and material behaviour in accordance to the Eurocode 3. The beam element will be tested with two forks supports and with a concentrated mid span dead load Q, with increasing temperature, based on 800 [ºC/h] heating rate. A set of results for different beam lengths will be presented and demonstrate that all critical temperatures are greater than the specified value according to Eurocode 3. For critical temperature validation, a set of experimental full-scale tests will be presented.

O projecto de elementos de viga sem constrangimento lateral pode ser limitado pelo fenómeno de encurvadura, que induz deslocamentos de flexão fora do plano com rotação da secção transversal. Este fenómeno ocorre para uma grande gama de perfis, em que a esbelteza e as imperfeições geométricas do perfil assumem extrema importância e pode ser severamente agravado em caso de incêndio. Numa situação real de incêndio os elementos estruturais, sob a acção das cargas aplicadas, são influenciados pela acção térmica. Tal situação provoca um aumento das deformações térmicas e submete o elemento estrutural a um estado não linear, geométrico e material, que é acompanhado pela diminuição progressiva da capacidade resistente. Devido à degradação das propriedades mecânicas é previsível que uma situação de instabilidade seja atingida para uma dada temperatura limite, designada por temperatura crítica. ....

Neste trabalho é apresentada uma aplicação da técnica de Moiré para a medição de campos de tensões. O caso em estudo consiste na medição do campo de deslocamentos na superfície de um provete sob tracção, possuindo um furo passante no seu centro. As redes são obtidas por impressão laser num papel especial. A replicação da rede na superfície do provete é feita por um processo térmico com pressão controlada. Foram ensaiados provetes de alumínio. A rede registada na superfície do provete foi fotografada em diferentes fases do ensaio, estas fotografias são tratadas num programa de processamento de imagem. Os valores obtidos experimentalmente são comparados com os valores calculados com o código de elementos finitos ANSYS.

O fenómeno de instabilidade estrutural associado a elementos de estrutura tipo viga, pode ocorrer no domínio elástico e plástico do material. Normalmente associado a grandes deslocamentos da estrutura, este fenómeno pode ser controlado através da divisão da alma do perfil em painéis com reforços transversais, aumentando a resistência à encurvadura lateral. Embora represente um custo acrescido de mão de obra, estes reforços aumentam a rigidez à torção e à flexão. Na prática, o efeito relativo do reforço no momento de segunda ordem é desprezável, sendo significativo o efeito relativo no valor da constante de torção. A posição dos reforços condiciona a resistência à instabilidade deste tipo de elementos, sendo tanto mais efectiva, quanto mais próximo o reforço se encontrar das extremidades do apoio do elemento estrutural. Serão apresentados resultados experimentais dos ensaios efectuados à escala real sobre perfis comerciais do tipo IPE100, aço S275 JR, submetidos a estados de flexão pura no plano da alma, com vários reforços espaçados ao longo do vão do elemento.

In this paper the influence of the restrained thermal elongation in the behaviour of steel I— beams being part of a frame has been studied. In fact there is a significant difference between the case of a beam acting as a single element free lo exhibit axial thermal elongation or being pan of a frame where the stiffness of the remaining strucure contributes with some restraint to the free elongation of the beam. A numerical study of the behaviour of steel I-beams subjected to fire and a combination of axial force and bending moments has been presented. A geometrical and material non-linear finite element program, specially established at the University of Liège for the analysis of structures submitted to fire, has been used to determine the resistance of a beam-column at elevated temperature, using the material properties of Eurocode 3. part 1-2. The numerical results have been compared with those obtained with the Eurocode 3, part 1-2 (1995) and the new version of the same Eurocode (2002). The results have confirmed that the new proposal for Eurocode 3 (2002) is more conservative than the ENV-EC3 (1995) approach.

Este trabalho apresenta um estudo numérico do comportamento de vigas-coluna I metálicas com dilatação térmica restringida. Foi usado um programa de elementos finitos com análise não linear geométrica e material especialmente desenvolvido para o estudo de estruturas sujeitas à acção do fogo, para determinar a resistência de vigas-coluna a temperaturas elevadas, usando as propriedades mecânicas do aço de acordo com a parte 1-2 do Eurocódigo 3. Os resultados numéricos foram comparados com os resultados do método simplificado da versão de 1995 da parte 1-2 do Eurocódigo 3 e com a nova versão daquele Eurocódigo.

A parte 1-1 do Eurocódigo 3 foi recentemente alterada relativamente à verificação da segurança de vigas-coluna e de vigas sujeitas a encurvadura lateral. A fim de se estudar a possibilidade de se ter, na parte 1-1 e na parte 1-2 daquele Eurocódigo, a mesma abordagem para a verificação de vigas-coluna, foi realizado pelos autores, num artigo anterior, um estudo numérico, que concluiu que a nova abordagem (parte 1-1) pode ser usada em caso de incêndio. Foi também proposto, pelos autores noutro artigo recente, uma melhoria da análise da encurvadura lateral de vigas em situação de incêndio, usando uma abordagem similar à utilizada na parte 1-1 do Eurocódigo 3. No presente artigo foi usada a nova abordagem para a encurvadura lateral, com as fórmulas de verificação da segurança de vigas-coluna a temperaturas elevadas baseadas na prEN 1993-1-1 bem como com as fórmulas da prENl993-1-2. Em ambos os casos os resultados melhoraram significativamente relativamente aos resultados numéricos.

Quando uma viga não possui rigidez lateral suficiente ou não se encontra constrangida lateralmente para que sejam assegurados deslocamentos apenas no plano, esta pode encurvar lateralmente. Este fenómeno de instabilidade pode ocorrer para vigas de diferentes comprimentos e para diferentes estados do material. Para uma viga ideal, sem imperfeições geométricas, não existem deformações fora do plano até que o valor do momento aplicado iguala o momento resistente à encurvadura elástico. Este comportamento é normalmente atingido no caso de vigas esbeltas, sem constrangimentos laterais, onde o colapso é atingido devido à existência de tensões resultantes do momento de encurvadura elástico. No entanto, para vigas de esbelteza intermédia o material pode ceder, antes de se atingir o momento de encurvadura elástico. Esta situação pode ocorrer com a existência de flexão no plano e tensões residuais iniciais que provocam encurvadura no domínio não elástico. Para vigas menos esbeltas, o momento de resistência à encurvadura pode ser superior ao momento resistente plástico da secção. Estas três fases distintas explicam o comportamento do elemento estrutural submetido a tensões de compressão, que devem ser analisadas tendo em consideração o estado limite, segundo os códigos de projecto apresentados. O objectivo principal deste artigo é a comparação entre os diferentes códigos de projecto apresentados, tendo em consideração a encurvadura lateral de vigas e introduzir uma comparação por elementos finitos (ANSYS e SAFIR), utilizando elementos finitos de casca apropriados para uma análise não linear geométrica e material.

O fenómeno de encurvadura lateral torsional de vigas I metálicas é apresentado sob o ponto de vista analítico, numérico e complementado com uma descrição experimental dos ensaios realizados. A capacidade de resistência destes elementos estruturais à flexão pode ser limitada pelo fenómeno de instabilidade, em função de possíveis restrições laterais, do vão do respectivo elemento, da rigidez à torção, entre outros factores de constrangimento, nomeadamente nos apoios. A utilização de reforços nas almas aumenta a capacidade resistente do elemento à encurvadura lateral, através de um aumento local da rigidez à torção e à flexão. Estes reforços transversais também podem ser utilizados para aumentar a capacidade resistente dos elementos à instabilidade distorsional da secção recta, acoplando a rotação de ambas as flanges no plano. É ainda efectuado um estudo paramétrico sobre o reforço da secção recta dos perfis, para uma gama de comprimentos de viga, número, posição e espessura das placas de reforço, soldadas na alma e banzos destes elementos. O estudo é desenvolvido numericamente, utilizando um modelo de cálculo não linear geométrico e material, sendo complementado por ensaios experimentais à escala real.

A análise da encurvadura lateral torsional de vigas metálicas IPE 100 sujeitas a diferentes condições de apoio será apresentada. tendo em consideração o resultado de análises numéricas e experimentais. A utilização de perfis comerciais à escala real, caracterizados experimentalmente em função do material, das tensões residuais e das imperfeições geométricas, serve de base ao estudo experimental e numérico. Os valores médios das grandezas medidas serão utilizados no modelo de elementos finitos, com recurso a elementos de viga 3D do programa SAFIR, desenvolvido na Universidade de Liège. Os resultados que relacionam o deslocamento lateral e vertical a meio vão em função do valor incremental do momento factor aplicado na extremidade, serão apresentados para as duas condições de apoio em estudo. Demonstrar-se-á que quanto maior for o constrangimento do elemento estrutural, maior será o valor da carga critica à encurvadura lateral. Este trabalho foi realizado no âmbito do projecto PRAXIS/P/ECM/14176/1998 intitulado Encurvadura Lateral de Vigas Metálicas. Sujeitas à ação do Fogo. Os autores agradecem os apoios da FCT -Fundação para a Ciência e a Tecnologia, da Firma J. Soares Correia bem como ao LOME - Laboratório de Óptica e Mecânica Experimental da FEUP.

Este trabalho descreve uma nova proposta de cálculo simples da resistência à encurvadura lateral de vigas metálicas cm situação de incêndio bem como os resultados obtidos no âmbito de um projecto de investigação destinado a validá-la. Foram efectuados 120 ensaios experimentais e modelações numéricas baseadas nas características mecânicas e geométricas de vigas IPE 100 submetidas a temperaturas que variaram entre os 20 °C e os 600 °C. Demonstrar-se-á que esta nova proposta é mais segura que a preconizada na parte 1.2 do Eurocódigo 3 (1995). Este trabalho desenvolveu-se no âmbito do projecto PRAXIS/P/ECM/14176/1998 financiado pela FCT -Fundação para a Ciência e a Tecnologia. Agradece-se os apoios do Prof. Mário Vaz no trabalho experimental e da firma J. Soares Correia pela cedência da totalidade dos perfis metálicos ensaiados.

This paper presents a numerical study of the behavior of steel I-beams with restrained thermal elongation. A geometrical and material non-linear finite element program, specially established for the analysis of structures submitted to finite, has been used to determine the resistance of a beam-column at elevated temperature, using the material properties of Eurocode 3, part 1-2. The numerical results have been compared with those obtained with the Eurocode 3, part 1-2 (1995) and the new version of the same Eurocode (2002).

A análise da encurvadura lateral torsional de vigas metálicas IPE 100 sujeitas a diferentes condições de apoio será apresentada, tendo em consideração o resultado de análises numéricas e experimentais. Á utilização de perfis comerciais à escala real, caracterizados experimentalmente em função do material, das tensões residuais e das imperfeições geométricas, serve de base ao estudo experimental e numérico. Os valores médios das grandezas medidas serão utilizados no modelo de elementos finitos, com recurso a elementos de viga 3D do programa SAFIR, desenvolvido na Universidade de Liège. Os resultados que relacionam o deslocamento lateral e vertical a meio vão em função do valor incremental do momento flector aplicado na extremidade, serão apresentados para as duas condições de apoio em estudo. Demonstrar-se-á que quanto maior for o constrangimento do elemento estrutural, maior será o valor da carga critica à encurvadura lateral.

The numerical and experimental determination of the buckling design moment of steel I beams is influenced by the type of support and load restrain during the mechanical and thermal load. As a result of beam temperature rise the axial movement will be allowed and the type of load and support restrain will be compared from fully to unrestrained state. For this study a simple supported beam is bent about its axis of greatest flexural rigidity. Taking into account the geometric and material imperfections, the beam may twist before it reaches its strength limit state. This flexural stability limit state is most commonly referred to as lateral torsional buckllng of a beam. The twisting af the beam Occurs when the compression flange becomes unstable as a result of being subjected to flexural induced axial stresses. The design rules in Eurocode 3 related to design of steel structures in fire conditions presents their expressions as a function of the type of support and load. A particular attention will be paid to the type of experimental support and to the numerical finite element model used. The aim of this work is to investigate the value of the effective buckling length of steel 1 beam under the mentioned conditions. A relation between the beam buckling resistance and the lateral bending stiffness will be presented.

When a beam is bent about its greatest flexural resistance axis it may twist and move laterally, before it reaches its strength limit. Although this problem of lateral-torsional buckling of steel beams at room temperature is well known, the same problem at elevated temperature is not. This paper summarises the results obtained in the scope of a research project entitled “lateral buckling of steel I-beams under fire conditions”, where a set of 120 experimental and numerical tests were performed on IPE 100 beams, submittted to temperatures varying from 20 °C to 600 °C, to validate a new proposal for the buckling resistance moment of a laterally unrestrained beam under tire conditions The numerical and experimental results for the lateral-torsional buckling of steel I-beams have been compared to those from the simple model presented in Eurocode 3, Part 1-2. This Eurocode simple model promotes safety levels that depend mainly on the non-dimensional slenderness of the beams. The analytical results provided by flue Eurocode 3, for a certain range of the slenderness, would now appear to be unsafe when compared with the numerical and experimental results. It will be shown that the new proposal is safer than the Eurocode 3 formulas.

When a beam is bent about its greatest flexural resistance axis it may twist and move laterally, before it reaches its strength limit. Although this problem of lateral torsional buckling of steel beams at room temperature is well known, the same problem at elevated temperature is not. This paper summarises the results obtained iii the scope of a research project entitled “Lateral buckling of steel I beams under fire conditions”, where a set of 120 experimental and numerical tests were performed on IPEIOO beams, submitted to temperature varying from 20 °C to 600 GC, to validate a new proposal for the buckling resistance moment of a laterally unrestrained beam under fire conditions. It will be shown that this new proposal is safer than the Eurocode 3 formulas.

O presente trabalho documenta as análises numéricas de vigas “1” de aço sujeitas ao fenómeno da flambagem lateral, em situação de incêndio, tendo por base os resultados obtidos do programa SAFIR. O SAFIR é um programa de elementos finitos que faz a análise não-linear geométrica e do material, especialmente desenvolvido para o estudo de estruturas sujeitas à acção do fogo. Os resultados obtidos por esse programa são comparados aos resultados obtidos pelo método simplificado de dimensionamento apresentado na parte 1-2 do EUROCODE 3. Esse último modelo conduz a níveis de segurança que dependem do Índice de esbeltez reduzido dos elementos estruturais, não estando os resultados do lado da segurança para unia certa gama de valores dessa esbeltez, quando comparados aos resultados numéricos. Neste estudo foi considerada toda a gama de perfis da série europeia IPE em aço 5235, para uma viga simplesmente apoiada, submetida exclusivamente ao esforço do momento puro nas extremidades, considerando imperfeição geométrica do tipo senoidal e ainda tensões residuais. Com base neste estudo foi possível analisar também a validade de uma nova proposta de modelo de cálculo simples, que garante resultados mais seguros, relativamente àqueles determinados por meio do modelo apresentado na versão actual do Eurocode 3— parte 12.

Neste trabalho é apresentado um elemento finito de viga 3D que permite a modelação do fenómeno de encurvadura lateral de vigas. Calcula-se a resistência à encurvadura lateral de vigas 1 metálicas a elevadas temperaturas através da utilização de um programa de elementos finitos para análise não-linear geométrica e material, especialmente desenvolvido para estudo de estruturas sujeitas à acção do fogo. As imperfeições geométricas e as tensões residuais devidas ao processo de fabrico e ao armazenamento são avaliadas e tidas em conta nos cálculos efectuados. Comparam-se os resultados numéricos obtidos para diferentes temperaturas com os valores que se obt8m tendo como base o modelo de cálculo simples apresentado na Parte 1-2 do Eurocódigo 3. Foi considerado um perfil IPE 220 era aço $235, um tipo de carregamento, e dez níveis de temperatura como solicitação térmica Este estudo permite mostrar que o Eurocódigo 3 dá resultados que não estão do lado segurança quando comparados com os resultados numéricos para uma gama alargada de esbeltezas adimensionais e para temperaturas superiores a 200 E°C).

When a beam is bent about its axis of greatest flexural rigidity it may twist before it reaches its strength limit state. This flexural stability limit state is most commonly referred to as lateral torsional buckling of a beam. The twisting of the beam occurs when the compression flange becomes unstable as a result of its being subjected to flexural induced axial stresses. Lateral torsional buckling is of importance when the compression flange is laterally unsupported as is often the case in continuous beams, cantilever beams, frame beams and frame columns. The aim of this work is to develop a simple model, i. e., an analytical method to be used by designers for the calculation of the resistance moment of steel I-beams failing by lateral torsional buckling when submitted to the fire. A particular attention has been paid to the possibility to use the same model as the one proposed in Eurocode 3 – Part 1-1, simply modifying material properties according to the temperature. This is the procedure currently proposed in Eurocode 3 – Part 1-2, although its accuracy has never been demonstrated and can indeed be questioned. Due to the fact that higher temperatures usually develop at the end of the flanges than in the rest of the section, the decrease of the bending stiffness in case of fire is faster around the weak axis than around the strong axis of the section. The method has been developed from a set of experimental results performed at elevated temperatures. As it is known any analytical, numerical or theoretical model is much more likely to be accepted if it is backed and supported by a set of experimental tests. Comparison of the simple model has been made with laboratory test results obtained in the framework of this work. A set of experimental full-scale tests were performed on IPE100 profiles at elevated temperature for several length specimens from 0.5 meter to 6.5 meters of buckling length. Residual stresses, geometrical imperfections and material strength were measured for each tested element. The load was applied after the heating of the beams. The beams were electric heated by means of ceramic mat elements. Automatic control on different heating devices was presented in order to ensure a uniform temperature distribution along the length of the elements. The temperature field has been measured with thermocouples welded on the beams. A Set of experimental results are presented, relating the critical load with the mid span movement of the beam cross section, when submitted to a constant moment distribution and to a uniform distributed load, due to the ceramic mat and the insulation material weight.

In this paper, experimental tests on lateral torsional buckling of steel I Beams under fire conditions are presented. The beam, spans varies from 0.5 to 6.5 [m] length and the temperature was risen up to 600 [ºC]. The initial conditions of the steel beams were measured. The residual stress state was characterized by the hole drilling method, using specific strain gauges, The geometric imperfections was measured by means of a laser beam and the cross section of the beams was dimensionally controlled. The methodology to the thermo-mechanical load was first heat the beam and let it expand for controlling the mechanical load position, and finally increase the load step by step. The aim of this work is to validate the proposal for lateral torsional buckling design resistance suggested in ref.[1] based on numerical results. A set of experimental results• are presented, relating the collapse load with the mid span movement of the beam cross section, when submitted to concentrated moments at the ends and to a uniform distributed load, duo to the ceramic mat, the insulation material weight and the self weight of the beams.

Embora o fenómeno de encurvadura lateral seja bem conhecido à temperatura ambiente, o mesmo não acontece para situações de temperaturas elevadas. Assim é necessário validar com resultados numéricos e/ou experimentais o estudo deste fenómeno para que seja possível utilizar modelos simplificados em normas, como do caso do Eurocódigo. Neste artigo será feita uma comparação numérica com vários programas de elementos Mitos, nomeadamente o Cosmos/M, o ANSYS 5.5 e o SAFIR, este último desenvolvido na Universidade de Liège para análise de estruturas sujeitas à acção do fogo. Para tal será necessário recorrer a modelações de geometria e de material com comportamentos não lineares. Utilizaram-se vários comprimentos de encurvo4ura e um tipo de secção recta de perfil comercial, IPE100. Para cada simulação será determinado o carregamento que leva ao colapso do elemento estrutural em estudo. Para cada simulação será imposto um carregamento térmico a temperatura constante e um posterior carregamento mecânico até que o elemento estrutural atinja o colapso. Serão comparados os deslocamentos a meio vão da viga obtidos com os três programas utilizados. Os momentos resistentes à encurvadura lateral obtidos com aqueles programas são também comparados com os resultados do Eurocódigo 3 e a nova proposta de Paulo Vila Real. Para cada programa de elementos finitos utilizado será apresentado um resumo da formulação dos elementos em utilização, tendo em consideração o número de graus de liberdade e o respectivo campo de soluções previsto.

Neste trabalho, calcula-se a resistência à encurvadura lateral de vigas I metálicas, em situação de incêndio, através da utilização de um programa de elementos finitos para análise não-linear geométrica e material, especialmente desenvolvido para estudo de estruturas sujeitas à acção do fogo. Comparam-se os resultados obtidos por esta via com os que se obtêm com base no modelo de cálculo simples apresentado na Parte 1-2 do Eurocódigo 3. Este modelo de cálculo simples conduz a níveis de segurança que dependem da esbelteza adimensional das vigas, não estando os resultados do lado da segurança para valores intermédios daquela esbelteza, quando comparados com os resultados numéricos. Foram considerados dois tipos de aço, um perfil 1 da série europeia, um tipo de carregamento, imperfeição geométrica das vigas do tipo sinusoidal, tensões residuais e quatro períodos de exposição à curva de incêndio padrão 150 634. Com base neste estudo foi possível obter uma nova proposta de modelo de cálculo simples, diferente do sugerido no Eurocódigo 3 e que garante resultados seguros quando comparados com os resultados numéricos.

Este trabalho foi desenvolvido no âmbito do projecto n.º PBIC/C/CEG/2446/95 financiado pela FCT intitulado Modelação Numérica do Comportamento das Estruturas Metálicas Sujeitas a Altas Temperaturas. Neste trabalho apresenta-se um conjunto de informação relativa às propriedades térmicas e mecânicas do aço quando sujeito a altas temperaturas, de acordo com o Eurocódigo 3. Desenvolveu-se um programa de elementos finitos FEMSEF98 – ‘Finite Element Modelling of Structures Exposed to Fire 98’, que permite o estudo do comportamento termo-elastoplástico de componentes em aço sujeitas à acção do fogo. Fez-se o estudo do comportamento termo-mecânico de um tubo cilíndrico espesso de aço submetido externamente à acção do fogo, tendo sido utilizada para o efeito a curva de incêndio padrão ISO 834. Apresenta-se a evolução, no tempo, do campo de temperaturas e de tensões térmicas, em regime não-linear, obtida com o código FEMSEF98, sendo os resultados obtidos comparados com os que se obtêm com o programa comercial COSMOS.

Neste trabalho calcula-se a resistência ao fogo de uma estrutura metálica utilizando-se, para o efeito, um programa de elementos finitos para análise não-linear geométrica e material, especialmente desenvolvido para o estudo de estruturas em situação de incêndio. O procedimento adoptado enquadra-se nos chamados métodos avançados de cálculo preconizados nos Eurocódigos. Para dar satisfação às exigências de resistência ao fogo estabelecidas na regulamentação nacional de segurança contra incêndios em edifícios, foi necessário recorrer à utilização de material de protecção ao fogo de modo a aumentar a resistência ao fogo da estrutura analisada.

This paper presents finite element algorithms developed to simulate the thermoelastoplastic behaviour of steel profiles under high temperatures, in particular those arising from fire conditions. Transient analyses of the temperature field and the mechanical response at each instant have been done. The thermal response obtained with the finite element formulation and the results obtained using the simplified heat conduction equation according to the Eurocode 3 have been compared for several series of hot-rolled steel profiles. The nonlinearity of the problem due to the thermal dependence of the material properties has been taken into account and an elastoplastic model has been used. This work was done within the framework of the project nº PBIC/C/CEG/2446/95 supported by FCT and entitled “Numerical Modelling of Steel Structures Behaviour Under High Temperatures”.

Neste trabalho calcula-se a resistência ao fogo de uma estrutura metálica utilizando-se para o efeito, um programa de elementos finitos para análise não-linear geométrica e material, especialmente desenvolvido para o estudo de estruturas em situação de incêndio. O procedimento adoptado enquadra-se nos chamados Métodos Avançado, de Cálculo preconizados nos Eurocódigos. Para dar satisfação às exigências de resistência ao fogo estabelecidas na regulamentação nacional de segurança contra inc8ndi~s em edifícios, foi necessário recorrer à utilização de material de protecção ao fogo de modo a aumentar a resistência ao fogo da estrutura analisada.