Numerical simulation of the behavior of steel-concrete composite slabs in fire situation

As lajes mistas de aço e concreto são elementos estruturais constituídos por uma fôrma de aço nervurada conformada a frio, sobre a qual se lança o concreto. Esse sistema estrutural oferece diversas vantagens construtivas como a possibilidade de dispensa do escoramento, e a utilização da fôrma de aço como armadura positiva da laje. Por outro lado, a utilização desse sistema demanda o uso de materiais de revestimento contra fogo, devido às exigências normativas. Diversos trabalhos realizados em todo o mundo, experimentais e numéricos, vêm demonstrando que essas exigências por parte das normas são conservadoras quanto à resistência desses elementos em condições de incêndio. Esse conservadorismo se baseia, de modo geral, na não consideração da ação de membrana, que é um efeito de segunda ordem que ocorre em lajes de concreto, mistas ou não, quando submetidas a grandes deslocamentos. Com a finalidade de avaliar a influência da ação de membrana no comportamento estrutural das lajes mistas em situação de incêndio, neste trabalho foram desenvolvidos modelos numéricos no software Abaqus. Foi utilizada a estratégia de modelagem termomecânica fracamente acoplada, na qual os efeitos térmicos influenciam no desenvolvimento das tensões e deformações, porém o inverso não se aplica. Para tanto, inicialmente foram desenvolvidos modelos térmicos, no Abaqus/Standard, pelos quais obteve-se a evolução das temperaturas nodais ao longo do tempo. Esses modelos foram copiados e convertidos para a realização das análises termomecânicas no Abaqus/Explicit, onde importou-se a evolução das temperaturas no tempo, obtidas previamente. Foi considerada interação completa entre aço e concreto, o que mostrou resultados satisfatórios em trabalhos anteriores. Os resultados da simulação numérica foram comparados com resultados experimentais disponíveis na literatura. Com base nos resultados obtidos, constatou- se que, para as lajes mistas em altas temperaturas, a consideração da ação de membrana pode levar a uma resistência última superior à obtida pelos modelos de cálculo prescritos nas normas atuais, o que pode contribuir para um dimensionamento mais econômico desses elementos. Palavras-chave: Lajes mistas. Incêndio. Ação de membrana. Simulação numérica. Análise explícita.Steel-concrete composite slabs are structural elements consisting of a cold-formed steel sheeting on which is cast the concrete. This structural system provides several constructive advantages such as no need of shoring, and the use of the steel sheeting as positive slab reinforcement. On the other hand, the use of this system requires the use of fire coating materials, due to standards requirements. Several studies carried out around the world, numerical and experimental, have shown that these standard requirements are very conservative. Generally, this conservatism is based on non-consideration of membrane action, which is a second-order effect that occurs on concrete slabs, composite or not, subjected to large deflections. In order to evaluate the membrane action influence on the structural performance of the composite slabs in fire situation, numerical models were developed in software Abaqus. The weakly coupled thermal-stress analysis modeling technique was used, where the thermal effects influence the stresses and strains development, but the reverse does not apply. Therefore, initially thermal models were developed in Abaqus/Standard to obtain the evolution of nodal temperatures in time. These models were copied and converted to perform mechanical analyzes in Abaqus/Explicit, where the evolution of previously obtained temperatures was imported. It was considered complete interaction between steel and concrete, which showed satisfactory results in previous works. The numerical simulation results were compared with experimental results available in the literature. Based on the obtained results, it was found that the consideration of the membrane action can lead to a higher ultimate resistance to composite slabs in high temperatures than the calculation models prescribed in the current standards, which may contribute to a more economical design of these elements. Keyword: Composite slabs. Fire. Membrane action. Numerical simulation. Explicit analysis.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio