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Título: Instabilidade termo-mecânica de vigas submetidas a temperaturas elevadas. Estudo experimental e numérico
Autor: Mesquita, L.M.R.
Issue Date: 2004
Editora: Universidade do Porto, Faculdade de Engenharia
Citação: Mesquita, L.M.R. (2004) - Instabilidade termo-mecânica de vigas submetidas a temperaturas elevadas. Estudo experimental e numérico. Porto: FEUP. Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica, área de especialização de Construções Mecânicas
Resumo: Um elemento estrutural, em equilíbrio, sob a acção de um carregamento, quando submetido a temperaturas elevadas, como as ocorridas durante a acção de um incêndio, pode atingir o colapso por perda da sua capacidade resistente. Se o elemento não possuir constrangimentos laterais, pode ocorrer o colapso por encurvadura lateral. A necessidade de garantir o nível de segurança, para a salvaguarda de vidas humanas, requer que os edifícios sejam projectados de modo a garantir um período mínimo de resistência ao fogo, sendo este definido regulamentarmente. Para tal é fundamental conhecer a máxima temperatura que o elemento estrutural consegue suportar quando se encontrar sob a acção de um incêndio. Esta temperatura é designada de temperatura crítica. O código de projecto de estruturas metálicas, Eurocódigo 3 parte 1.2, inclui um método de cálculo simplificado de verificação a encurvadura lateral no domínio da temperatura. No método apresentado, a temperatura crítica é calculada em função do grau de utilização do elemento. Quando o elemento é sujeito a fenómenos de instabilidade, a aplicação directa da equação não é possível, obrigando a utilização de um processo iterativo de cálculo. Neste trabalho é apresentado um estudo sobre o efeito da acção do fogo em estruturas metálicas, tendo sido elaborado um estudo numérico e experimental do fenómeno de instabilidade por encurvadura lateral torsional de vigas a temperaturas elevadas. Foram efectuados ensaios em vigas IPE100, apoiadas em apoios de forquilha e sujeitas a uma carga concentrada a meio vão, correspondendo a um grau de utilização de aproximadamente 60%. O efeito da acção do fogo foi conseguido através de um equipamento electro-resistivo de elevada potência. Os valores da temperatura crítica obtidos são superiores aos preconizados pelo Eurocódigo 3 parte 1,2, devido à possível existência de urna distribuição de temperatura não uniforme e ao efeito dos apoios, que produzem um aumento de rigidez. São apresentados resultados de análises numéricas, do fenómeno de encurvadura lateral a temperaturas elevadas, utilizando os programas de elementos finitos Ansys e SAFIR. Em ambos os modelos, de características não linear geométrica e material, foram utilizados elementos do tipo casca, submetidos a uma taxa de aquecimento de 800 [°C/h]. E analisada a influência das imperfeições, de geometria e de material, do diagrama de momentos e do valor do grau de utilização na temperatura critica. Para a solicitação por flexão uniforme, para qualquer valor do grau de utilização, os valores da temperatura crítica, preconizados pelo Eurocódigo 3 parte 1.2, mostram-se inseguros quando comparados com os valores obtidos numericamente. Os resultados numéricos do carregamento experimental são superiores aos do Eurocódigo 3 parte 1.2, mas inferiores aos obtidos experimentalmente. Os resultados numéricos permitem concluir que, para o mesmo grau de utilização, a temperatura crítica varia com a distribuição do diagrama de momentos. A solicitação por flexão uniforme é a situação menos conservativa e o caso de uma carga a meio vão o mais conservativo. Any structural loaded element when subjected to elevated temperatures, as accidental fire conditions, can reach the collapse by the loss of its load bearing capacity. Laterally unrestrained beam elements may collapse by lateral instability under similar conditions. For safety level reasons, the safeguard of human lives, requires a minimum period of time for buildings fire resistance. The maximum temperature, time or load bearing capacity during fire conditions became important parameters to be determined. The European design code of steel structures, Eurocode 3 part 1.2, includes a simple calculation method for the verification of lateral buckling resistance in the temperature domain. In this method, the critical temperature is function of the degree of utilisation, and for stability phenomena an interactive procedure must be applied. This work presents numerical and experimental analysis of the lateral torsional buckling of steel structures submitted to fire conditions. A set of experimental full-scale tests has been carried out on IPE 100 commercial profiles with lengths varying from 1,5 to 4,5 meter. Mid span concentrated load was applied, corresponding to a degree of utilisation of approximately 60%. The beams were heated, by means of electro ceramic resistances, protected by an insulation mat, till collapse. Critical temperatures have been measured, being greater than the specified values according to Eurocode 3 part 1.2. This fact can be related with insufficient insulation near supports due to the non-uniform temperature distribution throughout the beam length, which may produce increasing stiffness. The numerical results obtained are greater than the specified values of Eurocode 3 part 1.2, but lower than the measured values. Numerical analysis based on geometric and material non-linear characteristics, with Ansys and SAFIR finite element programmes have been done. Parametric studies have been conducted for measuring the influence, in the beam critical temperature, of geometric and material imperfections, moment diagram and degree of utilisation. For the same degree of utilisation, the critical temperature decreases with the increase of the beam length subject to the maximum moment. The uniform moment loading shows to be less conservative and the mid span concentrated load more conservative.
URI: http://hdl.handle.net/10198/2140
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