Análise do efeito da continuidade de lajes mistas com chapa de aço colaborante em situação de incêndio

Abstract

As estruturas mistas de aço e concreto tratam-se de uma solução frequente em edifícios altos, justo onde as exigências de segurança estrutural ao incêndio são intensificadas. No caso das lajes mistas, a exposição direta da chapa perfilada metálica incorporada (steel deck) ao ambiente e a sua sensibilidade as altas temperaturas pressupõe rápida falência ao incêndio, o que tem sido contornado com a adição de armaduras suplementares. Este estudo avaliou a influência da utilização destas armaduras no desempenho ao fogo de lajes mistas. Estima-se que a substituição das armaduras positivas (AP) por negativas (AN) otimize o consumo de aço destas estruturas, pois a chapa já funciona como AP e as AN estão termicamente mais protegidas. As AN inclusive mitigam os momentos positivos solicitantes, a responsabilidade mecânica da chapa e incorpora redundância estrutural. Esta tese realizou uma análise numérica e experimental de lajes mistas estruturalmente contínuas ao incêndio. Comparou-se a influência do uso de armaduras positivas (AP) e/ou negativas (AN) na sua performance em altas temperaturas. No estudo numérico, adotou-se dois critérios de análise: (C1) distribuição de temperatura em estado estacionário com aumento do carregamento aplicado ao longo do tempo, e (C2) distribuição de temperatura em estado transiente com carregamento constante no tempo. O C1 permitiu determinar a capacidade última da laje para determinada temperatura e tempo da ISO 834, enquanto que o C2 sua resistência ao fogo. A magnitude das tensões desenvolvidas foram medidas e discutidas para ambos os casos. A simulação numérica foi feita no software Abaqus. A parte experimental foi usada na calibração paramétrica dos modelos numéricos. Foram construídos 17 protótipos de lajes mistas em escala real especificadamente para o estudo, sendo 9 com dimensões de 886x4600 mm e 8 de 3000x4600 mm, avaliados a temperatura ambiente (ensaio de flexão simples de cinco pontos) e altas temperaturas (forno horizontal com a curva da ISO 834) com 18 meses de idade. Os protótipos foram testados com apoio intermediário rígido, formando 2 vãos de 2300 mm cada. Estes ensaios propiciaram 31 pontos de validação do modelo numérico proposto, creditando-o para este estudo. Como resultado, o C1 direcionou a respostas de perspectiva termomecânica, enquanto o C2 de vies termo-físico-mecânico. Claramente notou-se que o princípio de cálculo da EN 1994-1.2 e NBR 14323 fundamenta-se no C1. Entretanto, o C1 não permite identificar o incremento do estado de tensão na laje pelos efeitos térmicos, tal como a mobilização de membrana, o que só é possível no critério C2. O C2 ainda possibilita identificar as fissuras desenvolvidas no concreto e o desprendimento da chapa da laje durante o incêndio. O C2 mostrou resultados mais realistas, porém é mais complexo e demorado frente ao C1, pois envolve parâmetros termo-físico-mecânicos que variam no tempo, além de diversos testes para a determinação do carregamento crítico das lajes mistas. Tanto na perspectiva do C1 quanto C2 a substituição de AP por AN não foi interessante. As lajes somente com AP mostraram os melhores resultados. Retirar as AP comprometeu o momento positivo resistente, tornando-se o ponto frágil da laje ao incêndio. Nesse caso, o uso de AN foi inócuo, tornando-as sub-aproveitadas. Isso ocorreu pois o comportamento misto ao incêndio inexistiu devido ao desprendimento da chapa por volta dos primeiros 5 min de exposição às altas temperaturas. A continuidade estrutural foi, inclusive, afetada por fissuras do thermal bowing desde os primeiros 10 min. Entendeu-se necessário ajustes no método simplificado de cálculo do EN 1994-1.2 e NBR 14323, pois é baseado somente no C1. O fato motivou a proposição de novas formulações algébricas de cálculo na tentativa de incorporar simplificadamente o C2 nas equações de definição do momento resistente ao incêndio. Também se propôs uma nova metodologia para a definição das temperaturas no concreto, armaduras positivas, negativas e chapa. Uma nova tabela simplificada de definição do isolamento térmico da laje foi proposta.

Composite steel and concrete structures are an interesting solution in tall buildings, just where structural fire safety design procedures are rigorous. In the case of composite steel deck and concrete slabs, the exposure of the steel decking to the environment and its sensitivity to high temperatures presupposes rapid collapse in fire conditions, which has been resolved with the addition of reinforcements. This research evaluated the influence of the use of reinforcements on the fire performance of the composite slabs. It has been estimated that the replacement of positive (AP) by negative (AN) rebars will optimize the steel consumption of these slabs, since the steel decking already works as AP and the AN is more thermally protected. The AN also mitigate the sagging bending moments and the mechanical responsibility of the steel decking in fire, and also increasing the structural redundancy. To solve the problem, a numerical and experimental analysis of composite steel decking and concrete slabs structurally continuous in fire conditions was solved. The influence of the use of positive (AP) and / or negative (AN) rebars on the fire performance was compared. The slab without reinforcement was also analyzed. Numerically, two analysis criteria were adopted: (C1) constant temperature distribution with increased load on the slab over time, and (C2) variable temperature distribution with constant load on the slab over time. The C1 allows to determine the load capacity of the slab for a given temperature and / or time of ISO 834, while C2 its fire resistance rate (FRR). The stresses and deflections in the slabs were discussed for both C1 and C2 criteria. The numerical simulation was done in Abaqus software. The experimental research was used in the parametric calibration of the numerical models. 17 full-scale prototypes of composite slabs were built: 9 with dimensions of 886x4600 mm and 8 of 3000x4600 mm, evaluated at normal (five point bending test) and high temperatures (with horizontal furnace according the ISO 834 curve) with 540 days of age. These prototypes were tested with rigid intermediate support, forming 2 spans of 2300 mm. These tests allowed the calibration of the numerical model with 31 reading points. As a result, the C1 criterion showed thermomechanical responses, while C2 thermo-physical-mechanical. It was clearly noted that the design procedure of EN 1994-1.2 and NBR 14323 is based on C1. However, C1 does not allow to identify the increase in the stress state in the slab due to thermal effects, such as tensile membrane action, which is only possible in C2. The C2 also makes it possible to identify the concrete cracks and the detachment of the steel decking in fire. C2 showed more realistic results, but it is more complex and time-consuming than C1, as it involves thermo-physical-mechanical parameters and several tests to define the ultimate loading of the slab at each time of ISO 834. From the C1 and C2 perspective, the replacement of AP by AN was not interesting. The slabs with only AP showed the best results. Removing the AP compromised the ultimate moments of resistance for sagging bending, that becoming the weak point of the slab in fire. In this case, the use of AN was unnecessary, becoming underutilized. This is due to the loss of composite behavior in fire conditions, caused by the detachment of the decking before the initial 30 min. C2 also showed that the slabs with AP preserved the tensile membrane action for longer. The structural continuity was even affected by the concrete cracks produced by the thermal bowing since the first 10 min. Some adjustments are needed in the simplified method of EN 1994-1.2 and NBR 14323, which is based on C1. This motivated the proposal of new formulations, in an attempt to simplify the C2 phenomenons in the fire-resistant moment equations of the standard. A new method has also been proposed for the definition of temperatures in concrete, positive and negative rebars and steel decking. A new table for the definition of the thermal insulation was presented.