2º CILASCI Congresso Ibero-Latino-Americano sobre Segurança contra Incêndio Coimbra, Portugal, 29 de Maio a 1 de Junho, 2013

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1 2º CILASCI Congresso Ibero-Latino-Americano sobre Segurança contra Incêndio Coimbra, Portugal, 29 de Maio a 1 de Junho, 2013 COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE VIGAS EM AÇO ENFORMADO A FRIO EM SITUAÇÃO DE INCÊNDIO - ANÁLISE EXPERIMENTAL Luís Laím * Estudante de Doutoramento UC - Coimbra Portugal João Paulo C. Rodrigues Professor UC - Coimbra Portugal Luis S. Silva Professor UC - Coimbra Portugal Palavras-chave: aço, enformado, frio, fogo, resistência, viga 1. INTRODUÇÃO O facto dos perfis de aço enformados a frio apresentarem elevada esbelteza das paredes das secções transversais, elevada relação entre a largura e a espessura das mesmas, e de apresentarem baixa rigidez torsional (muito inferior à rigidez de flexão) pela não coincidência dos centros de corte e de gravidade, proporcionam a ocorrência de diversos fenómenos de instabilidade. Neste sentido, muitos dos estudos existentes avaliam fundamentalmente os fenómenos de instabilidade local, distorcional e suas interacções [1, 2]. Além disso, o comportamento de vigas em aço enformado a frio em situação de incêndio é ainda um assunto muito pouco abordado, existindo uma enorme reserva no que respeita ao dimensionamento deste tipo de estruturas. A alta condutibilidade térmica do aço aliada ao elevado fator de massividade destes elementos estruturais, conduz a que a temperatura nestes rapidamente seja igual à da sua envolvente. Por sua vez, a temperatura provoca a degradação das propriedades mecânicas do aço, que são mais penalizadoras no aço enformado a frio que no aço laminado a quente. O próprio Eurocódigo 3, parte 1.2 [3] determina que as estruturas com secções transversais da classe 4 não verificam segurança ao fogo quando as suas temperaturas ultrapassam os 350 ºC. No entanto, dos poucos estudos que existem relativamente à capacidade estrutural de vigas, concluiu-se que estas apresentam capacidade portante pelo menos até os 500 ºC [4] ou até mesmo os 700 ºC [5, 6]. Um dos motivos * Autor correspondente Departamento de Engenharia Civil da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra. Rua Luís Reis Santos. Polo II da Universidade Coimbra. PORTUGAL. Telef.: Fax: luislaim@hotmail.com 37

2 Luís Laím, João Paulo C. Rodrigues, Luís Simões da Silva apontados por Lu et al [5] para este aumento de resistência ao fogo é o efeito de catenária, que permite que as vigas desenvolvam grandes extensões de tração junto dos apoios, tal como em vigas de aço laminado a quente. Outra conclusão relevante sobre o comportamento de vigas em aço enformado a frio a temperaturas elevadas é a independência da amplitude das imperfeições geométricas iniciais no decréscimo do momento último provocado pelo aumento da temperatura [7]. A maioria dos estudos realizados sobre esta temática são maioritariamente de domínio numérico, existindo poucos estudos experimentais. Além disso, a grande maioria destes estudos abordam apenas o comportamento estrutural de elementos simples, isto é, constituídos por apenas um perfil. Deste modo, o presente trabalho de investigação tem como objetivo analisar a resistência ao fogo de vigas de aço enformado a frio, com base num alargado programa de ensaios experimentais. Nestes ensaios procurou-se assim avaliar o efeito da restrição axial à elongação térmica das vigas e a influência de diferentes secções transversais das mesmas, nomeadamente, vigas C, I-enrijecido, R e 2R, ou seja, vigas com secções transversais constituídas por diferentes números de perfis em aço enformados a frio aparafusados entre si. 2. ANÁLISE EXPERIMENTAL 2.1 Programa experimental Os ensaios experimentais em vigas de aço galvanizado enformado a frio foram realizados no Laboratório de Ensaios de Materiais e Estruturas (LEME) do Departamento de Engenharia Civil (DEC) da Universidade de Coimbra (UC), em Portugal. O programa experimental englobou um total de 24 ensaios de resistência ao fogo, 12 com as vigas restringidas à elongação térmica e 12 sem qualquer restrição. Em ambas as séries foram assim ensaiadas três vigas C, I- enrijecido, R e 2R por cada secção transversal (B-C_i, B_RTE-C_i, B-I_i, B_RTE-I_i, B-R_i, B_RTE-R_i, B-2R_i e B_RTE-2R_i, onde i representa o número do ensaio, i = 1, 2 ou 3, B significa viga e RTE quer dizer que a viga foi restringida à dilatação térmica), de modo a adquirir uma melhor correlação dos resultados (Quadro 1). Neste trabalho procurou-se estudar secções transversais de vigas com o mesmo tipo e dimensão das mais comuns nos edifícios de construção metálica em perfis de aço enformados a frio em Portugal. Quadro 1: Programa experimental Vigas Número de ensaios Sem restrição axial Com restrição axial (15 kn/mm) B C B_RTE C B I B_RTE - I B - R B_RTE R B 2R B_RTE -2R

3 Comportamento estrutural de vigas de aço enformado a frio em situaçã de incêndio análise experimental 2.2 Provetes de ensaio Os provetes de ensaio consistiram assim em vigas C, I-enrijecido, R e 2R, as quais eram ainda formadas por um ou mais perfis de aço galvanizado enformado a frio, nomeadamente, por perfis U e C (fig. 1). Ambos estes perfis tinham 2,5 mm de espessura e banzos com 43 mm de largura. O raio interno das dobras dos respetivos perfis e os enrijecedores nas extremidades dos banzos dos perfis C mediam respetivamente 2 e 15 mm. Por fim, a altura da secção transversal dos perfis C era de 250 mm, enquanto a dos perfis U era de 255 mm, de modo a que os perfis C pudessem ser encaixados entre os banzos dos perfis U, como se pode visualizar na Figura 1. O vão das vigas era ainda de 3 m, devido às limitações geométricas do forno horizontal e resistência ao fogo disponível no LEME da UC. Note-se que as vigas I- enrijecido consistiam em dois perfis C aparafusados um no outro pelas almas, as vigas R em um perfil C e um perfil U encaixados um no outro em forma de caixão e aparafusados pelos banzos e, por fim, as vigas 2R em duas vigas R aparafusadas pelas almas dos perfis C. Todos estes perfis eram aparafusados uns nos outros através de parafusos auto-perfurantes S- MD03Z 6,3x19 da Hilti com afastamentos entre si ao longo da viga de aproximadamente 1 m. Os perfis eram ainda da classe estrutural S280GD+Z e os parafusos da classe S Sistema experimental Figura 1: Esquema dos provetes de ensaio (unidades em mm) Na Figura 2 apresenta-se várias vistas do sistema experimental utilizado nos ensaios de resistência ao fogo das respetivas vigas. Este era essencialmente constituído por um pórtico de reação (1), um macaco hidráulico (2), um forno eléctrico (3) e por dois apoios, um simples e outro duplo (4), de modo a obter uma viga isostática simplesmente apoiada. Como se pode visualizar o carregamento foi aplicado na viga (5) em dois pontos de modo a dividir a viga em três troços de igual comprimento (1 m, i.e., um terço do vão) e fazendo com que esta no troço intermédio apresentasse flexão pura. O carregamento foi aplicado por um macaco hidráulico de duplo efeito (2), que por sua vez estava suspenso num pórtico de reacção HEB 300 (1) e era controlado por uma central servo-hidráulica W+B NSPA700/DIG2000. O carregamento aplicado no provete foi ainda medido através de uma célula de carga F204 da Novatech com 250 kn de capacidade (6). Entre o macaco hidráulico de duplo efeito (2) e o provete de ensaio (5) foi instalado um sistema de redistribuição de carga constituída por um pilar HEA 160 (7) e uma viga HEB 140 (8), ambos preenchidos entre os banzos com betão leve de proteção ao fogo, de modo a manter a integridade destes elementos durante todos os ensaios de resistência ao fogo. O pilar HEA 160 (7) permitiu assim transmitir a carga proveniente do macaco hidráulico 39

4 Luís Laím, João Paulo C. Rodrigues, Luís Simões da Silva (2) à viga HEB 140 (8) e esta, consequentemente, teve como função de redistribuir a carga sobre o provete de ensaio (5) em dois pontos equidistantes relativamente ao seu centro. Além disso, neste sistema de redistribuição foram também instaladas duas rótulas (9, 10) com o intuito de acomodar o carregamento aplicado às deformações locais e globais da viga (1) durante o respetivo ensaio, em especial às deformações laterais. As vigas ensaiadas foram assim submetidas a altas temperaturas através de um forno horizontal modular elétrico de resistência ao fogo (3). Este tinha 4,5 m de comprimento e 1 m de largura e altura e ainda uma temperatura máxima de aquecimento até aos 1200 ºC. Note-se que as vigas foram apenas diretamente aquecidas numa extensão de aproximadamente 2,6 m do seu vão, uma vez que os apoios foram protegidos com lã cerâmica a fim de preservá-los durante todos os ensaios. Este sistema de apoios era composto por um apoio simples (que permitia rotação e deslocamento na direção longitudinal da viga) (11 na fig. 3) e um duplo (que permitia apenas rotação) (4) em aço refractário A310, e ambos com restrição à rotação lateral. Finalmente, nos ensaios de resistência ao fogo de vigas com restrição à dilatação térmica foram ainda incorporados no sistema experimental duas vigas transversais ao provete de ensaio, uma com baixa rigidez de flexão (cerca de 18 kn/mm) próxima do apoio simples (fig. 3a) e outra com elevada rigidez (cerca de 80 kn/mm) próxima do apoio duplo (fig. 3b), as quais restringiam a viga à dilatação térmica com uma rigidez final de aproximadamente 15 kn/mm. As forças de restrição axial desenvolvidas nas vigas durante os ensaios foram ainda monitorizadas com o auxílio de uma célula de carga F204 da Novatech com 500 kn de capacidade (12). Figura 2: Sistema experimental de ensaios de resistência ao fogo de vigas Figura 3: Sistema de restrição axial das vigas nos apoios simples (a) e duplo (b) 40

5 Comportamento estrutural de vigas de aço enformado a frio em situaçã de incêndio análise experimental 2.4 Procedimento de ensaio Todos os ensaios foram efetuados em duas etapas. Primeiro, os provetes de ensaio foram carregados à velocidade constante de 1 kn/s até atingir 50 % do valor de cálculo do respetivo momento resistente, calculado de acordo com o Eurocódigo 3, Partes 1.1 e 1.3 [8, 9]. Posteriormente foi aplicada a ação térmica através do forno, com uma taxa de aquecimento igual à preconizada pela curva padrão ISO 834 [10]. Nestes ensaios mediram-se temperaturas no forno e em algumas secções do provete, deslocamentos axiais e verticais, extensões e forças de restrição geradas nas vigas devido à dilatação térmica das mesmas, a fim de determinar a resistência ao fogo das vigas assim como a respetiva temperatura crítica. A aquisição de dados foi realizada com um Data Logger TDS 530 da TML. Relativamente aos deslocamentos verticais, estes foram medidos com transdutores de deslocamento DP 1000E (LVDT) da TML, que por sua vez foram montados no piso inferior à da realização do ensaio, de modo a protege-los das altas temperaturas geradas no interior do forno (fig. 4). E, em relação à medição das extensões e das temperaturas, utilizaram-se respectivamente extensómetros ZFLA-6-11 da TML para altas temperaturas (temperatura de funcionamento entre -20 e 300 ºC) e termopares tipo K em vários pontos das seções em estudo, ilustrados na Figura 5. Figura 4: Instrumentação dos provetes de ensaio Figura 5: Localização de extensómetros e termopares nas seções transversais das vigas 41

6 Luís Laím, João Paulo C. Rodrigues, Luís Simões da Silva 2.5 Apresentação e discussão de resultados A Figura 6 apresenta a evolução das temperaturas no forno de alguns ensaios de resistência ao fogo, a título de exemplo. Nesta verifica-se que as temperaturas no forno apresentaram apenas um pequeno atraso nos primeiros minutos de ensaio relativamente às preconizadas pela curva ISO 834, devido ao forno ser eléctrico. Contudo, a partir dos 9 minutos de ensaio as temperaturas do forno apresentam uma boa correlação com as temperaturas do incêndio padrão. Por outro lado, como todos os ensaios de resistência ao fogo apresentaram evoluções de temperatura dentro do forno semelhantes, significa que os resultados destes são comparáveis. Uma das primeiras constatações recolhidas destes ensaios foi que a evolução de temperaturas em função do tempo nas vigas de seção aberta era muito mais rápida que nas vigas de seção oca, como era espetável. A taxa de crescimento das temperaturas nas vigas R, I e C foi respetivamente maior em cerca de 20, 50 e 95 %, relativamente à medida nas vigas 2R. Note-se que, a partir dos 100 ºC, as temperaturas das vigas 2R, R, I e C aumentaram em média, pela mesma ordem, por volta dos 36, 43, 55 e 70 ºC/min (fig. 7). Figura 6: Evolução de temperaturas no forno nos ensaios de resistência ao fogo sem restrição à elongação térmica Figura 7: Evolução da temperatura média das vigas nos ensaios de resistência ao fogo sem restrição à elongação térmica Nas Figuras 8 e 9 apresentam-se o desenvolvimento das deformações verticais a meio vão das vigas ensaiadas em função do tempo e da temperatura média das respetivas vigas, respetivamente. Nestes gráficos pode-se visualizar que as vigas do mesmo tipo sem restrição à dilatação térmica tiveram um comportamento muito semelhante entre ambas e que as suas 42

7 Comportamento estrutural de vigas de aço enformado a frio em situaçã de incêndio análise experimental resistências ao fogo são muito baixas (inferiores a 30 minutos), como era espetável. Note-se que a resistência ao fogo das vigas C, I-enrijecido, R e 2R foi respetivamente, em média, de 13,7; 15,9; 20,5 e 23,2 minutos, correspondendo às seguintes temperaturas críticas: 718, 691, 735 e 731 ºC. Por outro lado, relativamente às vigas com restrição à dilatação térmica observou-se ainda uma diminuição da resistência ao fogo, comparativamente com as vigas sem restrição devido à nova combinação de esforços impostas nas vigas (esforços de flexão e compressão), como era de esperar. Note-se que as vigas sujeitas a flexão composta são mais sensíveis às imperfeições do que as vigas sujeitas apenas a flexão simples, uma vez que o nível de compressão é maior nas vigas restringidas à elongação. Este facto pode assim ter sido a razão pela qual os resultados das vigas com restrição à dilatação térmica apresentaram maiores flutuações, no entanto, ligeiras. Nestes ensaios, constatou-se que a resistência ao fogo das vigas C, I- enrijecido, R e 2R com restrição axial de aproximadamente 15 kn/mm foi respetivamente, em média, de 7,5; 12,0; 12,9 e 19,6 minutos, correspondendo às seguintes temperaturas críticas: 302, 411, 413 e 595 ºC. Ou seja, a temperatura crítica destas vigas devido a esta restrição reduziu em 58, 41, 44 e 19 %, respetivamente. Como também se pode observar pela Figura 10, estas temperaturas críticas coincidiram com o instante da perda de capacidade das vigas resistirem à restrição imposta à sua elongação. Figura 8: Evolução da deformada a meio vão das vigas C, I-enrijecido, R e 2R função do tempo 43

8 Luís Laím, João Paulo C. Rodrigues, Luís Simões da Silva Da análise dos resultados, verificou-se ainda que as forças máximas de restrição geradas nas vigas C, I-enrijecido, R e 2R foram respetivamente, em média, de 57, 107, 95 e 93 kn. As forças de restrição foram assim menores nas vigas C e maiores nas vigas I-enrijecido, coincidindo com a particularidade do facto de que o decréscimo dessas mesmas forças ser mais lento nas vigas C e mais rápido, para não dizer brusco, nas vigas I (fig. 10). Por fim, é de salientar que as diferenças constatadas nos gráficos das Figuras 8b e 9b, relativamente às vigas com restrição à dilatação térmica, devem-se exclusivamente ao valor destas restrições, ou seja, enquanto as vigas B_RTE-I_1 e B_RTE-I_2 foram axialmente restringidas com uma rigidez aproximadamente igual a 3 kn/mm, a viga B_RTE-I_3 foi restringida com uma rigidez aproximadamente igual a 15 kn/mm, como todas as outras vigas. Logo, pode-se inferir que mesmo para níveis de restrição baixos as vigas I podem ser significativamente afetadas, correspondendo neste caso a uma redução de 21% na temperatura crítica, comparativamente com as vigas sem restrição (isto é, uma descida de 691 para 544 ºC). Note-se que esta perda de resistência deveu-se apenas a uma força de restrição de aproximadamente 32 kn. Figura 9: Evolução da deformada a meio vão das vigas C, I-enrijecido, R e 2R em função da temperatura média das vigas 44

9 Comportamento estrutural de vigas de aço enformado a frio em situaçã de incêndio análise experimental 2.6 Modos de rotura Figura 10: Evolução das forças axiais de restrição geradas nas vigas Nos ensaios de resistência ao fogo das vigas em estudo sem restrição à dilatação térmica, verificou-se que as vigas C colapsaram essencialmente por encurvadura lateral-torsional (fig. 11a), as vigas I por encurvadura lateral-torsional e distorcional do banzo comprimido de um dos perfis C das respetivas vigas (fig. 11b), e as vigas R e 2R por encurvadura distorcional do banzo comprimido do perfil U (figs. 11c e 11d). Note-se que nas vigas de seção oca (vigas R e 2R) o colapso da alma das respetivas vigas só ocorreu após a instabilidade por distorção. Por fim, observou-se também que estas configurações de deformada foram semelhantes às obtidas quer nos ensaios de resistência ao fogo das vigas com restrição à dilatação térmica quer nos ensaios de referência realizados à temperatura ambiente [11, 12]. Figura 11: Configuração da deformada após ensaio das vigas C (a), I-enrijecido (b), R (c) e 2R (d) sem restrição à dilatação térmica 3. CONCLUSÕES Esta investigação experimental permitiu assim concluir fundamentalmente e como era de esperar que este tipo de vigas apresenta uma resistência ao fogo baixa e que são muito suscetíveis a fenómenos de instabilidade global e distorcional. De salientar ainda, que os fenómenos de instabilidade global foram os principais responsáveis pelo colapso das vigas de secção aberta e que os fenómenos de instabilidade distorcional foram os das vigas de secção oca. Por outro lado, observou-se que este último tipo de vigas obteve um comportamento ao fogo significativamente melhor do que as vigas de secção aberta. Além disso, note-se que a temperatura crítica das respetivas vigas sem restrição axial foi bem superior à temperatura 45

10 Luís Laím, João Paulo C. Rodrigues, Luís Simões da Silva preconizada pelo Eurocódigo 3, parte 1.2, para elementos com secção de classe 4. Por fim, no caso de vigas com restrição axial constatou-se que esta teve uma influência muito significativa na resistência ao fogo das vigas, em especial nas vigas de secção aberta, onde uma restrição de aproximadamente 15 kn/mm provocou uma redução de 40 e 60 % na temperatura crítica das vigas I-enrijecido e C, respetivamente. Neste sentido, no futuro serão realizados ensaios deste tipo de vigas com perfis sigma com o intuito de minimizar este problema. 4. AGRADECIMENTOS Os autores expressam os seus agradecimentos à Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) do Ministério Português da Ciência e do Ensino Superior (MCES) no âmbito do projecto de investigação PTDC ECM/116859/2010, à Universidade de Coimbra e à empresa PERFISA SA pelo apoio financeiro prestado para o desenvolvimento desta investigação científica. REFERÊNCIAS [1] Chu, X., Ye, Z., Li, L. & Kettle, R. - Local and distortional buckling of cold-formed zedsection beams under uniformly distributed transverse loads, International Journal of Mechanical Sciences, vol. 48, 2006, p [2] Dinis, P. B. & Camotim, D. - Local/distortional mode interaction in cold-formed steel lipped channel beams, Thin-Walled Structures, vol. 48, 2010, p [3] EN , Eurocode 3- Design of steel structures - Part 1-2: General rules - Structural fire design, CEN, Brussels, [4] Kankanamge, N. D. - Structural behaviour and design of cold-formed steel beams at elevated temperatures, Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy, School of Urban Developments, Queensland University of Tecnology, Brisbane, Queensland, Australia, 2010, 499 p. [5] Lu, W., Mäkeläinen, P. & Outinen, J. - Numerical simulation of catenary action in coldformed steel sheeting in fire, Journal of Structural Mechanics, vol. 40, no.3, 2007, p [6] Laím, L. & Rodrigues, J. P. C. - Comportamento ao fogo de vigas em aço enformado a frio para pavilhões industriais, 1º Congresso Ibero-Latino-Americano em Segurança Contra Incêndio, Natal, Brasil, vol. 1, 2011, p [7] Alves, M. C. - Análise avançada de perfis formados a frio sob acção de incêndio, Tese de Doutoramento em Ciências em Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, 2006, 281 p. [8] EN , Eurocode 3 - Design of steel structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings, CEN, Bruxelas, [9] EN , Eurocode 3 - Design of steel structures - Part 1-3: General rules, Supplementary rules for cold-formed members and sheeting, CEN, Bruxelas, [10] EN , Eurocode 1- Actions on structures - Part 1-2: General actions - Actions on structures exposed to fire, CEN, Brussels, [11] Laím, L. & Rodrigues, J. P. C. - Avaliação experimental do comportamento estrutural de vigas em aço enformado a frio, Actas do VIII Congresso de Construção Metálica e Mista, Guimarães, Portugal, 2011, p. II-315-II-324. [12] Laím, L. & Rodrigues, J. P. C. - Análise numérica do comportamento estrutural de vigas em aço enformado a frio, Actas do VIII Congresso de Construção Metálica e Mista, Guimarães, Portugal, 2011, p. II-305-II