| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 20.97 MB | Adobe PDF |
Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
Composite steel/concrete slabs can be considered a union of a reinforced concrete layer located above a profiled steel sheet which may or may not be reinforced by steel bars.
This configuration allows lightness in the structure, whereas the negative mesh located on the top side of the slab needs to resist only against the concrete shrinkage; the profiled steel deck with the reinforcement bars is responsible for resisting the sagging moments.
The main objective of this work is to investigate the fire effect on the bending resistance of the composite slab with steel deck, comparing the behavior of Normal Weight Concrete (NWC) and Light Weight Concrete (LWC) when submitted to standard fire.
The Eurocode 1994 1-2 is responsible for providing the guidelines for structural design of composite slabs under fire conditions. This standard presents a simplified calculation model to determine the slab sagging moment. However, it neglects some important effects occurring during a fire situation, such as the air-gap effect and the influence of the concrete layer h1.
In order to optimize the calculation model presented by Eurocode 1994 1-2, a parametric study was performed using trapezoidal and re-entrant steel decks geometries. This study comprises two trapezoidal models (Confraplus 60 and Polydeck 59s) and two reentrant models (Multideck 50 and Bondek) with different thicknesses for h1.
This analysis consists of a non-linear transient thermal analysis using the finite element method, performed on two different software: ANSYS and MATLAB. Based on the average temperature of each component, new coefficients and calculation proposal for annex D of Eurocode 1994-1.2 are presented, and the slabs reduction load-bearing capacity is determined.
By analyzing the results provided by this study, it was possible to conclude that Eurocode 1994-1.2 simplified calculation method produces a lower temperature field than the parametric curves and the New Calculation Proposal, thus confirming the current analytical method produces unsafe results. A comparison of the estimated temperatures between the New Proposal and the temperatures of Eurocode 1994-1.2 showed an average variation of 6% for composite slabs with trapezoidal profiles and 10% for composite slabs with re-entrant profiles, and this effect is intensified for the initial fire resistance classes, which can reach up to 40%. The variation in temperatures also leads to variations in the reduction of the resistant capacity of the slabs; when comparing the two analytical models, the variation is around 3% to 20% for most fire resistance classes and can reach up to 50% for the initial rating times of 30 min and 45 min.
As lajes mistas em aço e concreto podem ser descritas pela união de uma camada de concreto armado localizada acima de um perfil de aço, podendo ou não ser reforçada por vergalhões de aço entre as nervuras. Esta configuração garante leveza à estrutura de modo que a malha negativa localizada no lado superior da laje resiste contra a retração do concreto, já o "deck" de aço perfilado e os vergalhões de reforço são responsáveis por resistir aos momentos de positivos da laje mista. O principal objetivo deste trabalho é investigar o efeito do fogo na resistência à flexão das lajes mistas com plataforma de aço colaborante, comparando o comportamento do Concreto Convencional (NWC) e do Concreto de Peso Leve (LWC) quando submetidos à uma curva de incêndio padrão ISO-834. O Eurocódigo 1994-1.2 é responsável por fornecer as diretrizes para o projeto estrutural das lajes mistas sob condições de incêndio. Esta norma apresenta um modelo simplificado de cálculo para determinar o momento positivo máximo resistente da laje. Entretanto, ela negligencia alguns efeitos importantes que ocorrem durante a fase de aquecimento, como o efeito de desplacamento ("debonding effect") entre o concreto e a plataforma de aço, e também a influência da camada de concreto h1. Para otimizar o modelo de cálculo apresentado pelo Eurocódigo 1994-1.2, foi realizado um estudo paramétrico utilizando diferentes geometrias de perfis de plataformas de aço, como: trapezoidais e reentrantes. Este estudo compreende dois modelos trapezoidais (Confraplus 60 e Polydeck 59s) e dois modelos reentrantes (Multideck 50 e Bondek) com diferentes espessuras de h1. Este estudo consiste na elaboração de análises térmicas transientes não-lineares através do Método de Elementos Finitos (MEF) em dois softwares diferentes: ANSYS e MATLAB. Com base na temperatura média de cada componente, foram apresentados novos coeficientes e proposta de cálculo para o Anexo D do Eurocódigo 1994-1.2. Por fim, foi possível determinar a redução da capacidade resistente das lajes mistas de acordo com o tempo de exposição ao fogo, comparanado os efeitos oriundos das duas abordagens analíticas: o método simplificado do Eurocódigo 1994-1.2 e a Nova Proposta de Cálculo. Por meio da análise dos resultados obtidos através deste estudo foi possível concluir que atualmente o Eurocódigo 1994-1.2 apresenta um campo de temperaturas inferior ao das curvas paramétricas e da Nova Proposta de Cálculo, demonstrando assim que o método analítico atual produz resultados inseguros. Uma comparação acerca da estimativa de temperaturas entre a Nova Proposta e as temperaturas do Eurocódigo 1994-1.2 possibilitou demonstrar uma variação média 6% para lajes com perfis trapezoidais e 10% para lajes com perfis reentrantes, de modo que este efeito é agravado para as calsses iniciais de resistência ao fogo, podendo chegar até a 40%. A variação nas temperaturas também acarreta variações na redução da capacidade resistente das lajes quando comparados os dois modelos analíticos, de forma que esta variação é na ordem de 3% a 20% para a maioria das classes de resistência ao fogo, podendo chegar até a 50% para os tempos iniciais de 30 min e 45 min.
As lajes mistas em aço e concreto podem ser descritas pela união de uma camada de concreto armado localizada acima de um perfil de aço, podendo ou não ser reforçada por vergalhões de aço entre as nervuras. Esta configuração garante leveza à estrutura de modo que a malha negativa localizada no lado superior da laje resiste contra a retração do concreto, já o "deck" de aço perfilado e os vergalhões de reforço são responsáveis por resistir aos momentos de positivos da laje mista. O principal objetivo deste trabalho é investigar o efeito do fogo na resistência à flexão das lajes mistas com plataforma de aço colaborante, comparando o comportamento do Concreto Convencional (NWC) e do Concreto de Peso Leve (LWC) quando submetidos à uma curva de incêndio padrão ISO-834. O Eurocódigo 1994-1.2 é responsável por fornecer as diretrizes para o projeto estrutural das lajes mistas sob condições de incêndio. Esta norma apresenta um modelo simplificado de cálculo para determinar o momento positivo máximo resistente da laje. Entretanto, ela negligencia alguns efeitos importantes que ocorrem durante a fase de aquecimento, como o efeito de desplacamento ("debonding effect") entre o concreto e a plataforma de aço, e também a influência da camada de concreto h1. Para otimizar o modelo de cálculo apresentado pelo Eurocódigo 1994-1.2, foi realizado um estudo paramétrico utilizando diferentes geometrias de perfis de plataformas de aço, como: trapezoidais e reentrantes. Este estudo compreende dois modelos trapezoidais (Confraplus 60 e Polydeck 59s) e dois modelos reentrantes (Multideck 50 e Bondek) com diferentes espessuras de h1. Este estudo consiste na elaboração de análises térmicas transientes não-lineares através do Método de Elementos Finitos (MEF) em dois softwares diferentes: ANSYS e MATLAB. Com base na temperatura média de cada componente, foram apresentados novos coeficientes e proposta de cálculo para o Anexo D do Eurocódigo 1994-1.2. Por fim, foi possível determinar a redução da capacidade resistente das lajes mistas de acordo com o tempo de exposição ao fogo, comparanado os efeitos oriundos das duas abordagens analíticas: o método simplificado do Eurocódigo 1994-1.2 e a Nova Proposta de Cálculo. Por meio da análise dos resultados obtidos através deste estudo foi possível concluir que atualmente o Eurocódigo 1994-1.2 apresenta um campo de temperaturas inferior ao das curvas paramétricas e da Nova Proposta de Cálculo, demonstrando assim que o método analítico atual produz resultados inseguros. Uma comparação acerca da estimativa de temperaturas entre a Nova Proposta e as temperaturas do Eurocódigo 1994-1.2 possibilitou demonstrar uma variação média 6% para lajes com perfis trapezoidais e 10% para lajes com perfis reentrantes, de modo que este efeito é agravado para as calsses iniciais de resistência ao fogo, podendo chegar até a 40%. A variação nas temperaturas também acarreta variações na redução da capacidade resistente das lajes quando comparados os dois modelos analíticos, de forma que esta variação é na ordem de 3% a 20% para a maioria das classes de resistência ao fogo, podendo chegar até a 50% para os tempos iniciais de 30 min e 45 min.
Description
Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Keywords
Composite slabs Normal weight concrete Lightweight concrete Numerical model