Proposta de Novas Expressões para o Cálculo do Fator de Massividade para Elementos ...

244 Pages·2016·8.77 MB·Portuguese

by  Hugo Nunes

Departamento
de Engenharia Civil

Proposta de Novas Expressões para o Cálculo do
Fator de Massividade para Elementos Estruturais
de Aço em Contacto com Paredes
Dissertação apresentada para a obtenção do grau de Mestre em
Engenharia Civil – Especialização em Construção Urbana

Autora
Paula Cristiana Ribeiro Lopes

Orientador
Prof. Doutor António José Pedroso de Moura Correia
Instituto Superior de Engenharia de Coimbra

Coimbra, junho, 2016

AGRADECIMENTOS
Pretendo expressar o meu agradecimento a todas as pessoas que tornaram possível a realização
não só deste trabalho mas de todo o meu percurso académico.
Desde já, quero agradecer ao meu orientador, Professor Doutor António José Pedroso de Moura
Correia pela orientação científica deste trabalho, pela oportunidade que me deu de dar
seguimento a um estudo seu, pela disponibilidade, entusiasmo, paciência, dedicação e amizade.
Aos meus colegas de licenciatura, nomeadamente, Catarina Moreira, Pedro Fernandes e Rafael
Pinto, e de mestrado, Patrícia Mendes, Tânia Godinho, Hugo Nunes e João Pedro Pereira, com
quem partilhei horas de estudo, de trabalho e empenho e com quem discuti dúvidas e
dificuldades. Obrigada pela amizade e camaradagem.
Às minhas colegas de trabalho, Ângela Pedroso, Rita Dinis, Vanda Luís e Liliana Patrícia, e à
chefe, D. Augusta Dinis, agradeço todo o apoio e compreensão.
A todos os meus amigos, nomeadamente, à Daniela Martins, agradeço o incentivo.
À minha família, especialmente pais, tia, Zé e avós que me incentivaram e ajudaram a crescer
e a ultrapassar todos os obstáculos que foram surgindo e por último mas não menos importante,
quero agradecer ao meu namorado Hugo e ao meu filho Eduardo por todo o carinho e
compreensão pela minha ausência durante este período.

A todos, um MUITO OBRIGADA!

RESUMO Proposta de Novas Expressões para o Cálculo do Fator de Massividade
para Elementos Estruturais em Contacto com Paredes

RESUMO
No estudo da resistência ao fogo de um elemento estrutural considera-se que este já se encontra
inserido no sistema estrutural do edifício a que pertence. É muito importante contemplar o
contacto entre pilares e paredes, o que do ponto de vista do comportamento da estrutura ao fogo
se torna geralmente favorável já que ocorre a redução de temperaturas. Por outro lado, verifica-
se o efeito de “Thermal Bowing” que não é mais do que um aquecimento diferencial das secções
que pode causar momentos desfavoráveis nas mesmas provocando um efeito de arco, levando
à sua instabilidade. Assim, torna-se necessário avaliar com exatidão a evolução do campo de
temperaturas no plano da secção transversal dos elementos de aço inseridos em parede.

No Eurocódigo 3, parte 1-2, referente ao dimensionamento estrutural de elementos metálicos
em situação de incêndio, são apresentadas várias expressões para o cálculo do fator de
massividade de perfis metálicos, contudo vários casos de posicionamento pilares-paredes
poderiam ser considerados já que os gradientes térmicos nesses casos são excessivamente
elevados.

Propõem-se então expressões de cálculo de fatores de massividade para casos não inseridos no
quadro 4.2 do referido Eurocódigo 3, parte 1-2. Tal foi possível utilizando modelos numéricos
em elementos finitos com o programa ABAQUS, variando a secção transversal dos pilares,
orientação da alma dos perfis em relação às paredes, e a posição e espessura das paredes, para
obtenção dos pretendidos fatores de massividade.

Palavras-chave:
Pilares, paredes, segurança, incêndios, fator de massividade.

Paula Cristiana Ribeiro Lopes i
Proposta de Novas Expressões para o Cálculo do Fator de Massividade
para Elementos Estruturais em Contacto com Paredes ABSTRACT

ABSTRACT
In the study of fire resistance of a structural element, it is considered that it is already inserted
in the structural system of the building. It is very important to take into account the contact
between the columns and the walls, which from the point of view of fire behavior of the
structure becomes in general favourable since there is a reduction temperatures. Furthermore,
it leads to the effect of "ThermalBowing" which is not more than one differential heating in the
sections, causing unfavorable bending moments which may cause the same effect causing an
arc, leading to instability. Thus, it is necessary to assess accurately the evolution of the
temperature field in the plane of the cross section of the steel elements.

In Eurocode 3, part 1-2, the structural design of steel elements in a fire situation is shown with
expressions for calculating the massivity factor of steel profiles, but several cases of positioning
columns and the surrounding walls could be considered as causing extremely high thermal
gradients.

It is proposed in this work new massivity factors calculation expressions for cases not included
in Table 4.2 of Eurocode 3, part 1-2. This was achieved using numerical models with finite
element with the ABAQUS programme, varying the cross-section of the columns, orientation
of the web of the profiles in relation to the walls, and the position and thickness of the walls, to
achieve the desired massivity factors.

Key words:
Columns, walls, security, fire, massiveness factor.

ii
ÍNDICE Proposta de Novas Expressões para o Cálculo do Fator de Massividade
para Elementos Estruturais em Contacto com Paredes

ÍNDICE
1. INTRODUÇÃO 1
1.1. Enquadramento do Tema .................................................................................................................................. 1
1.2. Objetivos do trabalho ....................................................................................................................................... 1
1.2.1. Pilares inseridos em paredes ..................................................................................................................... 2
1.3. Organização da tese .......................................................................................................................................... 3
2. ESTADO DA ARTE 5
2.1. Considerações gerais ........................................................................................................................................ 5
2.2. Curvatura térmica e gradientes de temperatura ................................................................................................ 5
2.3. Trabalhos realizados ......................................................................................................................................... 6
2.3.1. Trabalhos experimentais ........................................................................................................................... 6
2.3.2. Trabalhos numéricos ............................................................................................................................... 17
3. AÇÕES TÉRMICAS E PROPRIEDADES DOS MATERIAIS NO
DIMENSIONAMENTO DE ESTRUTURAS 35
3.1. Introdução ....................................................................................................................................................... 35
3.2. Ações térmicas ............................................................................................................................................... 36
3.2.1. Curvas nominais de incêndio .................................................................................................................. 37
3.2.2. Cálculo das temperaturas nos elementos de aço pela EN 1993-1-2 ........................................................ 40
3.3. Propriedades dos materiais ............................................................................................................................. 43
4. MODELAÇÃO DE PILARES INSERIDOS EM PAREDES COM ELEMENTOS
FINITOS – ABAQUS 49
4.1. Introdução ....................................................................................................................................................... 49
4.2. Modelação com ABAQUS ............................................................................................................................. 49
4.2.1. Introdução ............................................................................................................................................... 49
4.2.2. Modelos Numéricos ................................................................................................................................ 51
4.2.3. Elementos Finitos, Malha, Interações; Ações Térmicas ......................................................................... 59
4.3. Resultados ...................................................................................................................................................... 60
4.3.1. Análise de temperaturas .......................................................................................................................... 60
5. RESULTADOS 63

Paula Cristiana Ribeiro Lopes iii
Proposta de Novas Expressões para o Cálculo do Fator de Massividade
para Elementos Estruturais em Contacto com Paredes ÍNDICE

5.1. Análise térmica ............................................................................................................................................... 63
5.1.1. Figuras do perfil ...................................................................................................................................... 63
5.1.2. Gráficos de temperatura .......................................................................................................................... 64
5.1.3. Resultados obtidos por elementos finitos e cálculo de temperaturas através do fator de massividade do
Eurocódigo 3 – parte 1.2. .................................................................................................................................. 67
6. PROPOSTA DE NOVAS EXPRESSÕES PARA O CÁLCULO DO FATOR DE
MASSIVIDADE 77
6.1. Caso A: p > 0.5 x b ......................................................................................................................................... 78
6.2. Caso B: p < 0.5 x b ......................................................................................................................................... 80
6.3. Caso C: p > 0.5 x h ......................................................................................................................................... 82
6.4. Caso D: p < 0.5 x h ......................................................................................................................................... 84
7. CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS 87
7.1. Conclusões...................................................................................................................................................... 87
7.1.1. Pilares de aço inseridos em paredes ........................................................................................................ 87
7.2. Trabalhos futuros ............................................................................................................................................ 89
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 91
ANEXO A. Temperaturas nos pilares com alma paralela à parede 99
A.1. Pilares inseridos em parede de 7 cm - Gráficos ............................................................................................. 99
A.2. Pilares inseridos em parede de 7 cm - Quadros ........................................................................................... 103
A.2.1. HD 320x127 ......................................................................................................................................... 103
A.2.2. IPE 180 ................................................................................................................................................ 104
A.2.3. HE 160 A ............................................................................................................................................. 105
A.2.4. HE 160 AA .......................................................................................................................................... 106
A.2.5. HE 450 M ............................................................................................................................................ 107
A.2.6. HP 360x174 ......................................................................................................................................... 108
A.2.7. HP 250x62 ........................................................................................................................................... 109
A.2.8. HP 360x152 ......................................................................................................................................... 110
A.2.9. HP 305x79 ........................................................................................................................................... 111
A.2.10. HP 400x194 ....................................................................................................................................... 112
A.2.11. IPEA 100 ........................................................................................................................................... 113
A.2.12. IPE 400 .............................................................................................................................................. 114
A.2.13. IPEA 180 ........................................................................................................................................... 115
A.2.14. IPEO 270 ........................................................................................................................................... 116
A.2.15. UBP 356x368x133 ............................................................................................................................. 117

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