Numerical simulation of composite slabs with steel deck under fire conditions

A composite steel-concrete slab consists of a concrete topping cast on the top of a profiled steel deck. Normally, the concrete is reinforced with an anti-crack mesh positioned on the upper part and individual reinforcing bars placed within the ribs. The steel deck acts as a permanent formwork and the composite action between the steel and concrete is generally achieved by indentations or embossments in this component. Composite slabs play an important role in the overall stability of buildings during fire exposure, and should be designed in accordance with regulations and standards. The fire rating of this structural element is defined with respect to fire exposure from below and is normally determined through standard fire tests. Three different criteria should be taken into consideration: load bearing (R), integrity (E) and thermal insulation (I). The Annex D of the EN 1994 – 1-2 and the Annex C of the NBR 14323 provide guidelines for the calculation of the fire resistance (I), as well as the temperature of the rebars and the parts of the steel deck of unprotected fire exposed composite slabs. However, no revisions were made to these methods during the last two decades. The underlying work presents the development of numerical models for 3-D thermal analysis in the software ANSYS Mechanical APDL 18.2, and MATLAB R2018a through the PDE Toolbox. A total of 208 numerical simulations should be performed considering perfect thermal contact between all the materials, with the aim to investigate the influence of different parameters on the fire resistance (I) and the temperature of the steel components. During experimental fire tests, the steel deck separates from concrete, which increases the thermal resistance in this interface. In order to simulate debonding effects, another thermal model is established for more 40 numerical simulations, including an air gap with a constant thickness between the steel deck and concrete topping. The thermal models shall be validated against the results of different experimental fire tests. It is concluded that the calculation rules given in the European and Brazilian standard are generally on the unsafe side and do not consider important parameters. This work proposes improved equations for the estimation of the fire resistance (I) and the temperature of the parts of the steel deck and the rebars as well.Uma laje mista aço-concreto consiste em uma cobertura de concreto no topo de uma chapa de aço. Geralmente, o concreto é reforçado com uma malha anti-fissuração posicionada na parte superior e barras de reforço individuais colocadas dentro das nervuras. A chapa de aço atua como fôrma permanente e a ação composta entre o aço e o concreto é normalmente obtida por entalhes ou mossas neste componente. As lajes mistas desempenham um papel importante na estabilidade dos edifícios durante a exposição ao fogo, e devem ser projetadas de acordo com regulamentos e normas. A classificação de incêndio deste elemento estrutural é definida com relação à exposição ao fogo em sua parte inferior e é normalmente determinada por meio de testes de incêndio padrão. Três diferentes critérios devem ser levados em consideração: capacidade de carga (R), integridade (E) e isolamento térmico (I). O Anexo D do Eurocódigo EN 1994 - 1-2 e o Anexo C da NBR 14323 fornecem instruções para o cálculo da resistência ao fogo (I), bem como a temperatura das barras de reforço e das partes da chapa de aço de lajes mistas em situação de incêndio, sem material de revestimento contra fogo. Entretanto, nenhuma revisão foi feita a estes métodos durante as duas últimas décadas. Este trabalho apresenta a descrição de modelos numéricos para análise térmica 3-D nos programas ANSYS Mechanical APDL 18.2, e MATLAB R2018a através da PDE Toolbox. Assim, 208 simulações serão realizadas considerando contato térmico perfeito entre os materiais, com o objetivo de investigar a influência de diferentes parâmetros na resistência ao fogo (I) e na temperatura dos componentes do aço. Durante testes experimentais, a chapa de aço separa-se do concreto, o que aumenta a resistência térmica nessa interface. Para simular os efeitos da descolagem, outro modelo térmico é empregado para mais 40 simulações numéricas, incluindo uma camada de ar com espessura constante entre a chapa de aço e a cobertura de concreto. Os modelos térmicos devem ser validados com base nos resultados de diferentes testes experimentais. Conclui-se que as regras de cálculo dadas na norma Europeia e Brasileira são geralmente inseguras e não levam em consideração parâmetros importantes. Este trabalho propõe novas equações para a estimativa da resistência ao fogo (I) e da temperatura das partes da chapa de aço e das barras de reforço