Pilares de aço inseridos em paredes

O presente trabalho desenvolvido teve como principais objetivoss:

- Compreender a resistência ao fogo de um pilar de aço inserido em paredes de diferentes espessuras;

- Avaliar os gradientes térmicos desenvolvidos na secção transversal dos pilares analisados; - Comparar as temperaturas dos perfis de aço em contacto com paredes com as temperaturas dadas pelo Eurocódigo 3;

- Propor novas expressões para o cálculo do fator de massividade para perfis de aço inseridos em paredes.

A avaliação da temperatura de elementos estruturais sujeitos a aquecimento diferencial é essencial para o desenvolvimento de métodos analíticos para prever e sugerir novas expressões de cálculo para o fator de forma destes. No princípio deste estudo foram realizados diversos testes de simulação numérica com o programa ABAQUS para a avaliação térmica anteriormente citada. A evolução térmica nos diferentes pontos da secção transversal obtida a partir de cálculos realizados com o programa de elementos finitos foi comparada com o método de cálculo simplificado apresentado na EN 1993- 1-2 (2005) cuja finalidade é a mesma. Esta comparação levou-nos a constatar que o método prescrito na EN 1993-1-2 (2005), pela curva padrão ISO 834, sugere temperaturas mais elevadas que as obtidas através das simulações numéricas.

Quando estamos perante um perfil com a alma paralela à parede de 7 cm verificamos que as temperaturas acompanham o crescimento da curva padrão mas com valores inferiores, geralmente diferem entre os 700ºC e 1000ºC para MBNA-ALMA-MBA.

Nos perfis inseridos em paredes de 7 cm com a posição da alma perpendicular às paredes constatamos que, de forma geral, apenas o BA atinge temperaturas muito próximas às da curva ISO 834 a partir de determinado instante de tempo, dependendo do caso estudado. A evolução de temperaturas entre BA e ALMA apresentam valores, para t=120 min, com cerca de 400ºC no limite máximo e de 200ºC no limite inferior. Os diferenciais de temperatura entre ALMA e BNA, para t=120 min, rondam valores entre 200 e 1000ºC. Neste caso as temperaturas não elevam muito para o BNA pois este encontra-se protegido pela parede.

Quando estamos perante um perfil com a alma paralela à parede de 15 cm verificamos que as temperaturas acompanham o crescimento da curva padrão mas com valores inferiores, geralmente diferem entre os 600ºC e 1000ºC para MBNA-ALMA-MBA.

Nos perfis inseridos em paredes de 15 cm com a posição da alma perpendicular às paredes constatamos que, de forma geral, apenas o BA atinge temperaturas muito próximas às da curva ISO 834 a partir do instante 30 ou 45 min, dependendo da situação. A evolução de temperaturas entre BA e ALMA apresentam valores, para t=120 min, com cerca de 400ºC no limite máximo e de 200ºC no limite inferior. Os diferenciais de temperatura entre ALMA e MBNA, para t=120 min, rondam valores entre 200 e 1000ºC. No BNA as temperaturas não são muito elevadas porque o pilar enconrtra-se resguardado pela parede, com já referido anteriormente.

Podemos verificar que a norma Europeia já referida sobrestima as temperaturas na secção transversal do perfil de aço, quando este se encontra incorporado nas paredes, fato observado pela curva padrão que esta impõe. Posto isto, confirma-se que, se tivermos em conta apenas a distribuição de temperaturas, (desprezando o efeito do “Thermal Bowing”, que não era o objetivo deste estudo) é uma norma conservadora na estimativa da verdadeira resistência ao fogo do elemento e que, assim, atua pelo lado da segurança.

De forma geral, para casos em que a alma se encontra perpendicular à superfície da parede, observa-se que as temperaturas para os banzos expostos ao fogo apresentam valores semelhantes quer pela EN 1993-1-2 (2005), quer pelos resultados das simulações numéricas. O mesmo já não acontece quando se trata da alma e do banzo não exposto, cujas temperaturas neste último se verificam bastante inferiores. A norma já citada prevê uma temperatura exponencial mas uniforme ao longo de todo o perfil de aço cuja veracidade não se verifica com este estudo. Conclui-se, então, que o definido no Eurocódigo 3 para secções de aço inseridos em paredes não é o mais adequado. Os estudos debruçados sobre esta temática têm a finalidade de representar este fator com maior fidelidade.

Como previsto, em pilares de aço em contacto com paredes, os banzos diretamente expostos ao fogo apresentam temperaturas mais elevadas comparando com as do banzo não exposto. Isto provocará maior expansão no banzo aquecido, induzindo momentos de flexão na secção transversal do pilar, provocando assim curvatura térmica.

Foi provado que a formulação EN 1993-1-2 (2005), para o fator de forma pode ser usada, embora seja válida apenas para o banzo exposto ao fogo. Em todos os outros casos, a temperatura em cada zona da secção transversal pode ser calculada em função da temperatura da superfície exposta. A temperatura na zona correspondente é obtida multiplicando a temperatura do banzo exposto por fatores de redução que foram calculados ao longo deste trabalho.

As propostas de novas expressões de cálculo para o fator de massividade de pilares de aço inseridos em paredes surgem com a introdução dos fatores de redução referidos no capítulo anterior.

Comparando as duas orientações da alma em relação á parede, observou-se que a parede com maior espessura apresenta um papel fulcral não só na redução das temperaturas no meio-banzo não exposto ao fogo mas também na redução térmica de todo o perfil. Para situações em que a alma é perpendicular à superfície da parede foi observado um resultado muito interessante: na face não exposta do banzo, as temperaturas eram ligeiramente mais elevada com a parede mais espessa. Pelo contrário no banzo expostos as temperaturas foram mais elevadas para as paredes mais finas.

No âmbito desta investigação, foi apresentada uma proposta de novas expressões para o cálculo do fator de forma em elementos estruturais em contacto com paredes. Grande número dos pilares de edifícios reais tem uma parte incorporada nas paredes do mesmo. Foram apresentadas fórmulas para o caso da alma paralela e perpendicular à superfície da parede nesta tese. Este estudo abordou a questão de cálculo de temperaturas em elementos de aço nas secções transversais com gradientes térmicos, em contradição com as formulações da norma EN 1993- 1-2 (2005) que considera a distribuição de temperatura uniforme. O método de cálculo simplificado proposto é válido para todas as secções transversais de aço com dimensões proporcionais às espessuras paredes como nos casos estudados. Outros casos de proporcionalidade entre as dimensões do perfil de aço e da espessura da parede têm que ser estudados.