Behaviour of cellular beams at elevated temperatures

Cellular beams are beams that present openings in the web. The insertion of this openings can cause a good architectural characteristic, but the main reason is to improve the mechanical performance, overcoming larger spans compared to the original solid beams, reducing its weight in addition to the passage of technical installations trough the openings. However, cellular beams are subject to specific failure modes, different from solid beams, such as the Vierendeel mechanism, the web-post buckling or the 2T plastic collapse, among others. This work aims to analyse the behaviour of cellular beams at ambient and elevated temperatures, representing the effect of a fire situation. A set of experimental tests were performed in IPE220 steel beams, class S275, with openings in their webs, considering different diameters and web post widths. The cantilever beams were fixed at one end and subjected to an incremental concentrated load at the free end until the collapse, as represented in Figure 1. During experimental tests the vertical displacement at the free end was measured using a potentiometric wire gauge, and the strains around the holes and at the web post were measured by extensometers. For tests at elevated temperatures an electro-ceramic resistances were used to increase the temperatures at a heating rate of 800 [ºc/h] until a steady state regime of a constant temperature equal to 600[ºc] was attained and the mechanical load start to be applied until the collapse. The experimental results were compared with numerical results obtained from the finite element method using the software Ansys, considering nonlinear geometric and material simulations. The model includes local geometric imperfections based on the first buckling mode. An incremental and iterative procedure was used, with the Newton-Raphson method Experimental and numerical load vs displacement curves are compared and the collapse loads obtained for each beam. The experimental tests allowed to calibrate the numerical model and expand it for other geometric configurations.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Análise estrutural de um veículo motorizado para deficiente motor

Actualmente é tão elevado o nível de exigência da sociedade de consumo no que diz respeito a todos os bens, que todos os produtos têm que satisfazer uma vasta gama de requisitos. No que diz respeito ao mercado automóvel, o que se pretende é que este tenha o mínimo de consumo de combustível, seja confortável, consiga atingir um elevado patamar de velocidade, possuindo assim um perfil aerodinâmico que minimize o coeficiente de arrasto. Dado o destino especifico deste veículo, o principal requisito a ter em conta, do ponto de vista estrutural, é o factor peso total. Este factor torna-se o mais importante, pelas razões obvias que arrasta consigo, necessidade de motores com menos cilindrada para atingir um mesmo patamar de velocidade e como seria de esperar, redução do consumo de combustível. Para se obter uma redução no peso total de um veículo automóvel é necessário que todos os componentes que o constituem estejam a funcionar no limite das suas capacidades mas que, no entanto, garantam uma total segurança para todos os ocupantes. Existem essencialmente dois métodos para se avaliar o comportamento deste tipo de estruturas: o método dos elementos finitos e o baseado em testes experimentais. Neste trabalho utilizou-se o método dos elementos finitos para o projecto e análise da estrutura, através da utilização do COSMOS/M. Efectuaram-se várias análises atendendo às várias hipóteses de carregamento no veículo de forma a estabelecer uma solução possível para a execução do protótipo

Caracterização do comportamento e das propriedades termofísicas de tintas intumescentes

Este trabalho apresenta um estudo experimental e numérico efectuado em placas de aço protegidas com tinta intumescente e sujeitas a um fluxo de calor radiante proveniente de um calorímetro de cone. As placas de aço são pintadas na face exposta ao calor com diferentes espessuras de protecção e sujeitas a diferentes fluxos de calor. A variação da temperatura em ambas as faces da placa é obtida através de termopares do tipo k soldados à placa. Os resultados permitem caracterizar o comportamento térmico do intumescente, estimar a expansão volumétrica e a taxa de perda de massa. Numericamente é utilizado o MDF para resolver o problema inverso e determinar a condutividade térmica efectiva e a temperatura à superfície do intumescente

Experimental study of intumescent fire protection coatings

The use of passive protection materials is one of the measures normally adopted to prescribe structural fire resistance, which intumescent coatings represents about one third of steel fire protection costs and is growing mainly due to their use in off-site applications. The fire resistance of an insulated steel member is determined by assessing the loadbearing capacity of the component during fire exposure. Heat transfer analysis of the insulated steel member is of great importance for determining, accurately, the critical temperature of the protected structural element, which depends essentially on the protection material properties and on the bulk fire temperature. The specification of the minimum protection thickness is, normally, recommended by manufactures. These values are based on experimental fire tests, using typical structural elements (beams and columns), being the reports kept confidential. The intumescent coating behaviour is characterized by expansion and mass loss, producing a foam char with a volume that varies from 5 to 200 times its original volume. The knowledge of the coating behaviour during a fire is fundamental when this thermal protection is applied. This presentation will address a set of full-scale experimental fire resistance tests to determine the behaviour of steel beams protected with intumescent coatings, considering different dry film thicknesses. Also a set of specimens experiments are presented and compared with a numerical study based on steel plates coated with intumescent paint and subjected to a radiant heat flux inside a cone calorimeter in well-controlled conditions. The intumescence thickness and steel temperatures are measured experimentally and used in the non linear inverse numerical analysis to assess the intumescence surface temperature and the effective thermal conductivity

Estudo analítico e numérico da resistência ao fogo de perfis metálicos protegidos com tinta intumescente

Este trabalho apresenta dois métodos analíticos para determinar a evolução da temperatura no aço, baseadas no teorema de Duhamel e no método das funções de Green. Estas soluções são baseadas no modelo unidimensional de condução de calor aplicado ao material de protecção, considerando uma condição de fronteira não homogénea na interface em contacto com o incêndio, estabelecidas para propriedades térmicas constantes e posteriormente adequadas a propriedades dependentes da temperatura através de um processo incremental. São comparados os resultados experimentais e os determinados por via analítica e numérica, utilizando o método dos elementos finitos. É ainda comparada a evolução da temperatura de vários perfis, considerando diferentes espessuras de protecção

Numerical analysis of cellular steel beams failure modes in fire conditions

Cellular beam generally originates from steel hot-rolled I-section member, which the web is cut, displaced and subsequently welded (Westok method) to obtain openings in the web spaced regularly, with different forms like circular, sinusoidal or hexagonal, see Figure 1. The procedure results in a deeper beam, approximately 40-60% deeper than its parent solid section, [1]. This type of beam is increasingly used because it is capable to support long spans, it can have a bending resistance up to 2.5 times higher than its parent section and its openings allow the passage of technical equipment and ventilation systems through their web, which reduces the floor height and therefore the overall height of building. The presence of the opening influences in the failure modes of the beam. Vierendeel mechanism and web post buckling (WPB) are examples of failure modes originate due the openings, while already existing failure modes on solid beams are modified in cellular beams, such as lateral-torsional buckling (LTB), [2]. Besides that, exposure to high temperatures has a detrimental effect on the steel resistance, which added to the initial imperfections of the beam results in the combination of failure modes previously mentioned. For that reason, the main purpose of the study will be to define the failure modes, in particular WPB and LTB, and the beam resistance, relating the temperature with variant geometric parameters, comparing the results obtained by simple calculation methods proposed by Eurocode 3 and Steel Construction Institute (SCI) with numerical results. For this purpose, a finite element model is developed in the software Ansys to study the influence of different geometric parameters, considering geometric imperfections and residual stresses in the beams. Results are compared considering different geometric characteristics and temperatures with design values obtained from the Eurocode EC3-1-2 and the Eurocode new draft EC3-1-13, [3].info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Medição e validação da temperatura crítica em elementos parcialmente embebidos com betão sob acção do fogo

Neste trabalho são apresentados resultados de ensaios realizados sob acção do fogo em elementos mistos de aço e betão, constituídos por perfis laminados, parcialmente revestidos com betão armado. Os ensaios foram realizados de acordo com a norma europeia de ensaios de resistência ao fogo EN1363 parte 1. Os elementos foram ensaiados à flexão sob acção da curva de incêndio padrão ISO834. A temperatura crítica e a resistência ao fogo foram determinadas para o estado limite último de doze elementos, para três graus de utilização (40, 60 e 80%) e para diferentes configurações dos estribos (soldados e não soldados). Foi utilizado um modelo de elementos finitos para validar a temperatura medida nos diferentes materiais (aço do perfil, betão e reforço) e o deslocamento sofrido pelo elemento. O modelo termo-mecânico foi comparado com os ensaios realizados, utilizando elementos tridimensionais e elementos de interface para simular a transferência de calor e a adesão entre os blocos de betão armado e o perfil metálico. Os resultados numéricos confirmam as medições experimentais em todas as vertentes, quando comparados deslocamentos e temperaturas

Estudio analítico de la inestabilidad por pandeo lateral de vigas parcialmente embebidas expuestas a fuego ISO 834

En base a un modelo de elementos finitos (EF) capaz de simular el comportamiento de las vigas analizadas en el trabajo de Piloto et al. [1], este estudio aborda el análisis numérico de vigas parcialmente embebidas (VPE) generadas en base a un perfil IPE100, sometidas a flexión en tres puntos y expuestas a fuego normalizado ISO834 [2]. El resultado numérico del instante de inestabilidad por pandeo lateral (PL) y de fallo según la norma UNE-EN 1363-1:2015 [3], sirve de base para valorar el ajuste del resultado analítico de resistencia a flexión de VPE considerando inestabilidad por PL, obtenido a través de un procedimiento de cálculo que adapta la formulación de la norma UNE-EN 1993-1-2:2011 [4] a las VPE.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Numerical analysis of cellular steel beams failure modes in fire conditions

Beams with long spans are increasingly used in the steel building constructions and usually are used with openings for technical equipment and ventilations systems cut in their web. These elements are structural steel beams that are deeper than normal rolled sections, with distributed circular openings, or other like squared or hexagonal, that are produced by cutting and welding hot rolled steel sections (Westok method). The split halves are then offset and welded together to form a deeper beam with full circular or hexagonal shaped web openings, which results in a beam approximately 40-60% deeper than its solid parent section, [1], see Figure 1. This method reduces the floor height and therefore the overall height of building.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Análise térmica de um forno de resistência ao fogo

A classificação de produtos de construção em relação ao comportamento ao fogo é determinada pelas normas vigentes, utilizando um forno com curvas de incêndio normalizadas, como são exemplo as curvas de padrão 150 834, ASTM E119, hidrocarbonetos, etc. Neste trabalho pretende-se efectuar uma análise técnica do volume interno do forno de resistência ao fogo, efectuando a medição de temperaturas em l6 pontos geometricamente distribuídos, com a utilização de termopares de placas. Estas medições deverão ser comparadas com os resultados obtidos por simulação numérica, utilizando as equações de conservação de energia, de momento e de massa, associados a modelos de turbulência e de radiação