Comportamento ao fogo de lajes mistas aço-betão. 1. Novas evidências experimentais 2. Estudo paramétrico numérico do método de cálculo simplificado

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1 Comportamento ao fogo de lajes mistas aço-betão Estudo paramétrico numérico do

2 Conteúdos da apresentação 1. dos novos ensaios ao fogo Ensaios ao fogo à escala real no âmbito dos projetos: FRACOF (Ensaio 1 - fogo padrão ISO) COSSFIRE (Ensaio 2 - fogo padrão ISO) FICEB (Ensaio 3 fogo natural e vigas alveoladas) experimentais Temperaturas Deslocamentos Observações e análises s métodos de cálculo s 2

3 Justificação da realização de mais ensaios ao fogo Justificação Ensaios ao fogo de Cardington Excelente desempenho ao fogo sob condições de incêndio natural Max do aço 1150 C, duração do incêndio 60 min (> 800 C) Detalhes construtivos do Reino Unido Confirmar o bom desempenho sob incêndios de longa duração (pelo menos 90 minutos de fogo padrão ISO) Investigar o impacto dos diferentes detalhes construtivos, assim como da rede de armadura e da proteção ao fogo de vigas de bordo Validar as diferentes ferramentas de segurança contra incêndio 3

4 CANTO Conceção das amostras de ensaio Ensaio 1 (FRACOF) C O R N E R HEB260 IPE400 IPE300 IPE300 IPE400 Grelha estrutural de um edifício real Estruturas de aço adotadas para o ensaio ao fogo número 1 4

5 Parte do bordo Conceção das amostras de ensaio Ensaio 2 (COSSFIRE) IPE270 HEB200 E D G E IPE270 IPE270 P A R T Nó Pin articulado joint Grelha estrutural de um edifício real Estruturas de aço adotadas para o ensaio ao fogo número 2 5

6 Conceção das amostras de ensaio Sistemas de pavimentos mistos finais Ensaio 1 Ensaio 2 6

7 Dimensionamento dos elementos estruturais Estrutura de aço Vigas mistas de aço e betão De acordo com a Parte 1-1 do Eurocódigo 4 (EN ) Pequenos pilares de aço Laje mista Altura total De acordo com a Parte 1-2 do Eurocódigo 4 (EN ) Rede de armadura Baseada nas regras de cálculo Ligações de aço Ligações usadas normalmente: cantoneira dupla e chapa de extremidade De acordo com a Parte 1-8 do Eurocódigo 3 (EN ) 7

8 Dimensionamento dos elementos estruturais Disposição dos pernos de cabeça ao longo das vigas de aço mm 207 mm 300 mm Ensaio mm Ensaio mm 125 mm Vigas secundárias Vigas principais Tipo de pernos de aço TRW Nelson KB 3/4" 125 (Φ = 19mm; h = 125 mm; f y = 350 N/mm²; f u = 450 N/mm²) 8

9 Ligações de aço Viga secundária Cantoneiras de apoio da alma Viga-pilar Viga principal Chapas de extremidade flexíveis Viga-viga Cantoneiras de apoio da alma Classe dos parafusos de aço: 8.8 Diâmetro dos parafusos de aço: 20 mm 9

10 58 mm 155 mm Ensaio mm Ensaio 2 Dimensões dos elementos estruturais Laje mista Rede de armadura 101 mm 107 mm Dimensão da rede: 150x150 Diâmetro: 7 mm Classe de aço: S mm Distância do eixo ao topo da laje: Chapa de aço perfilada: COFRAPLUS mm 50 mm Ensaio 1 35 mm Ensaio 2 Classe de betão: C30/37 10

11 Condições de carregamento mecânico E n s a i o 1 15 sacos de areia de 1512 kg Carga uniforme equivalente: 390 kg/m² 20 sacos de areia de 1098 kg Carga uniforme equivalente: 393 kg/m² Ensaio 2 11

12 Preparação do ensaio ao fogo

13 Comportamento do pavimento durante o incêndio Antes do ensaio Depois do ensaio Vigas secundárias não protegidas Laje mista 13

14 Estrutura do ensaio 3 (FICEB) Viga-3 Viga-4 Viga de alma cheia Pilar GL-D Viga-1 Pilar GL-A Viga-5 14

15 Estrutura do ensaio 3 (Pilar GL-A) (Viga 3/4/5) (Viga 1/2) (Pilar GL-D) (Viga de secção transversal cheia) 15

16 Estrutura do ensaio 3 Ligações viga-viga Laje terminada Nível 3000 Laje terminada Nível ϕ c/c 16

17 Estrutura do ensaio 3 Ligações viga-pilar Laje terminada Nível 3000 Laje terminada Nível 3000 Peça em T de 305x165x40 UB com uma abertura de ϕ22 para suporte CHS 8 90 c/c 8 90 c/c Peça em T de 305x165x40 UB com uma abertura de ϕ22 para suporte CHS 17

18 Estrutura do ensaio 3 Rede de armadura A393, diâmetro 10mm Interação total: entre laje e vigas, conseguida através de conectores de corte, diâmetro 19 mm, h=95mm São adicionados varões em forma de U para assegurar um reforço correto da laje. 18

19 Estrutura do ensaio 3 Vista do topo da laje 19

20 Estrutura do ensaio 3 Densidade de carga de incêndio de valor igual a 700MJ/m 2 A carga de incêndio foi obtida usando 45 paletes de madeira (1m x 1m x 0.5 m) distribuídas uniformemente por todo o compartimento (9.0m x 15.0m). Localização das paletes de madeira WOODEN CRIBS LOCATION 20

21 experimentais Evolução da temperatura Aquecimento de vigas de aço não protegidas Aquecimento de elementos de aço protegidos Aquecimento da laje mista Deformação do piso Observações sobre o comportamento dos sistemas de pavimento misto Fissuração e esmagamento do betão Rotura da rede de armadura durante o ensaio Colapso das vigas de bordo 21

22 Temperatura Temperature (ºC) ( C) experimentais Evolução da temperatura ISO834 Ensaio 1 FRACOF Ensaio 2 COSSFIRE Time Tempo (min) (min) 22

23 Temperatura (ºC) Temperatura (ºC) experimentais Ensaio 3: evolução da temperatura Evolução da temperatura no meio do compartimento Compartimento centro Curva de incêndio paramétrica Curva de incêndio paramétrica deslocada Curva do modelo OZone Curva deslocada do modelo Ozone Evolução da temperatura no compartimento Canto superior esquerdo Canto inferior esquerdo Centro Canto superior direito Canto inferior direito Tempo (min) Tempo (min) 23

24 Temperatura Temperature (ºC) ( C) experimentais Aquecimento de vigas de aço não protegidas Tempo Time (min) (min) Ensaio FRACOF 1 Ensaio COSSFIRE 2 A B C A B C 24

25 Temperature Temperatura (ºC) ( C ) experimentais Ensaio 3: aquecimento de vigas de aço não protegidas 1200 Beam Viga 4 Zona Zone 3 Centro Centre A B C D E F Time (min) Tempo (min) 25

26 Temperatura Temperature (ºC) ( C) Temperatura Temperature (ºC) ( C) experimentais Aquecimento de vigas de aço protegidas Ensaio COSSFIRE A B C FRACOF Ensaio Tempo Time (min) A B C Tempo Time (min) Observação Vigas muito mais quentes no ensaio C e uma viga secundária de bordo aqueceu até mais de 600 C 26

27 Temperatura Temperature (ºC) ( C) Temperatura Temperature (ºC) ( C) experimentais Aquecimento da laje mista D and E: reinforcing em aço steel D e E: Armadura A' C E D F Tempo Time (min) (min) A B C D E F DD and e E: E: Armadura reinforcing em aço steel Tempo Time (min) Ensaio 1 Ensaio 2 27

28 Temperatura (ºC) experimentais Ensaio 3: aquecimento da laje mista Laje terminada Nível 3000 Transferência de calor Zona B2 T/C na laje / Conector de corte Tempo Tempo (min) (min) 28

29 experimentais Transdutores de deslocamento para deformação D3 800 mm 1300 mm D3 D6 D7 D4 D2 D mm D5 D8 D2 D mm 1660 mm D4 Ensaio 1 Ensaio 2 29

30 Vertical Deslocamento displacement vertical (mm) Vertical Deslocamento displacement vertical (mm) (mm) experimentais Deformação dos pavimentos D1 D2 D3 D Tempo Time (min) Extrapolated extrapolados results D1 D3 D2 D4 D5 D7 D8 D Tempo Time (min) Ensaio 1 Ensaio 2 30

31 experimentais Ensaio 3: Transdutores de deslocamento para deformação LOCALIZAÇÃO DOS APARELHOS DE MEDIDA (T/C & LVDT) 31

32 Deformação (mm) experimentais Ensaio 3: Deformação do pavimento Deformação da viga 5 (LVDT 12-8) Vão (m) Esquerda para direita 32

33 experimentais Fissuração do betão (Ensaio 1) Observação Excelente estabilidade global do pavimento apesar da rotura da rede da armadura 33

34 experimentais Fissuração do betão (Ensaio 3) Fissura no betão Observação Excelente estabilidade global do pavimento apesar do aparecimento da fissura 34

35 experimentais Instabilidade da alma da viga (Ensaio 3) 35

36 experimentais Esmagamento do betão (Ensaio 2) Observação A estabilidade global do pavimento manteve-se adequada apesar da rotura de uma viga de bordo 36

37 Comparação com as regras de dimensionamento Comparação com o método de cálculo Classificação ao fogo (min) Deformação (mm) Ensaio Ensaio 1 Ensaio 2 Métodos de cálculo Ensaio Métodos de cálculo > > (*) (*) Observação experimentais: Classe de resistência ao fogo > 120 minutos 37

38 Conclusões gerais relativas aos novos ensaios ao fogo Excelente desempenho dos sistemas de pavimento misto comportando-se sob ação de membrana durante a exposição ao fogo padrão ISO (>120 minutos); Nível elevado de robustez do sistema de pavimento misto apesar de algumas falhas locais; Deve prestar-se especial atenção aos detalhes construtivos, nomeadamente à rede da armadura, de forma a assegurar um bom desempenho no que diz respeito ao critério de estanquidade; O está do lado da segurança em comparação com os resultados dos ensaios; Não houve nenhum sinal de rotura dos sistemas de pavimento misto durante a fase de arrefecimento. 38

39 Conteúdos da apresentação 1. Estudo paramétrico numérico do do Propriedades do Análises de elementos finitos Validação do modelo numérico Efeito de continuidade na fronteira do painel do Estudo paramétrico numérico do

40 do Propriedades do Análises de elementos finitos Validação do modelo numérico Efeito das condições fronteira do Bases de cálculo FRACOF (Ensaio 1)- COSSFIRE (Ensaio 2) ensaios ao fogo padrão à escala real Excelente desempenho ao fogo dos sistemas de pavimento misto (presença de ação de membrana de tração) Max do aço 1000 C, duração do fogo 120 min Detalhes construtivos Franceses Deformação 450 mm FICEB (Ensaio 3) ensaio ao fogo natural à escala real com Vigas Alveoladas Objetivo Verificação do Método de Cálculo Simplificado em todo o seu domínio de aplicação (usando modelos de cálculo avançados) Limite de deformação do piso Extensão da armadura em aço Estudo paramétrico numérico do

41 Propriedades do (1/3) Propriedades do Análises de elementos finitos Dimensão da grelha do pavimento Vigas principais Vigas secundárias protegidas Vigas interiores não protegidas Validação do modelo numérico 6 m x 6 m 6 m x 9 m 9 m x 9 m 6 m x 12 m 9 m x 12 m 7.5 m x 15 m 9 m x 15 m Efeito das condições fronteira do Níveis de carga Combinação de cargas em situação de incêndio para edifícios de escritório, de acordo com o EC0: G (Carga permanente) Q (Carga imposta) G= Peso Próprio kn/m² Q= 2.5 & 5 kn/m² Estudo paramétrico numérico do

42 Propriedades do (2/3) Propriedades do Condição de ligação entre o pavimento e os pilares de aço Análises de elementos finitos Laje de betão Laje de betão Validação do modelo Painel da laje numérico Painel da laje Efeito das condições fronteira Pilar Viga Conector Pilar Viga do Com ligação mecânica entre a laje e os pilares Conector Sem ligação mecânica entre a laje e os pilares Estudo paramétrico numérico do

43 Temperatura Temperature [ºC] [ C] Propriedades do (3/3) Propriedades do Classificação ao fogo: R30, R60, R90 e R Análises de elementos finitos Validação do modelo numérico R30 R60 R90 R120 Aquecimento das vigas fronteira (Max. 550 C) 400 Efeito das condições fronteira 200 do Tempo Time [min] Estudo paramétrico numérico do

44 Modelo de elementos finitos Propriedades do Análises de elementos finitos Modelo híbrido baseado em vários tipos de Elementos Finitos com o programa ANSYS SHELL91 (6 DOF multi-camada): parte sólida da laje de betão Validação do modelo numérico Efeito das condições fronteira do BEAM24 : Pilar de aço PIPE16 (6 DOF elemento uniaxial): Ligação entre a viga de aço e a laje de betão BEAM24 : viga de aço, chapa de aço e nervura de betão Estudo paramétrico numérico do

45 Modelo de elementos finitos Propriedades do Análises de elementos finitos Modelo híbrido baseado em vários tipos de Elementos Finitos com o programa SAFIR Elemento de VIGA (BEAM) Elemento de CASCA (SHELL) Validação do modelo numérico Efeito das condições fronteira do Estudo paramétrico numérico do

46 58 mm Propriedades do painel da laje Propriedades do Análises de elementos finitos Validação do modelo Vigas de aço S235 Chapa de aço perfilada COFRAPLUS60 (0.75 mm de espessura) Betão normal C30/37 Rede de armadura S500 Posição média da rede de armadura (a partir do topo da superfície) = 45 mm numérico Efeito das condições fronteira mm mm 120 mm (R30) 130 mm (R60) 140 mm (R90) 150 mm (R120) 62 mm do Estudo paramétrico numérico do

47 Stress Tensão [MPa] [MPa] Propriedades termo-mecâncias (1/2) Propriedades do Análises de Propriedades termo-mecânicas do aço: Propriedades térmicas a partir do EC4-1-2 Densidade independente da temperatura (ρ a = 7850 kg/m 3 ) Relações Tensão-Extensão: elementos finitos Validação do modelo numérico Efeito das condições fronteira do Strain Extensão [%] 20 C 100 C 200 C 300 C 400 C 500 C 600 C 700 C 800 C 900 C 1000 C 1100 C 1200 C Estudo paramétrico numérico do

48 Reduction factor Propriedades termo-mecâncias (2/2) Propriedades do Análises de elementos finitos Propriedades termo-mecânicas do betão: Propriedades térmicas a partir do EC4-1-2 Densidade em função da temperatura de acordo com o EC4-1-2 Critério de rotura Drucker-Prager Fatores de redução de compressão a partir do EC4-1-2: Validação do modelo numérico 1.2 1,2 1 Efeito das condições fronteira 0.8 0, ,6 do 0.4 0, , Temperatura Temperature [ C] Estudo paramétrico numérico do

49 Propriedades do Validação do modelo numérico ANSYS vs Ensaio 1 (1/2) Comparação com ensaio ao fogo (análise de transferência de calor) Análises de elementos finitos C B A Validação do modelo numérico Vigas de aço não protegidas Vigas secundárias protegidas Efeito das condições fronteira do Vigas principais protegidas Laje mista Estudo paramétrico numérico do

50 Displacement Deslocamento (mm) Propriedades do Validação do modelo numérico ANSYS vs Ensaio 1 (2/2) Comparação com ensaio ao fogo (deformação) Simulação da deformação do pavimento após o ensaio Análises de elementos finitos Validação do modelo numérico Efeito das condições fronteira do Central Parte central part Mid-span Meio vão de of of of do the pavimento floor unprotected vigas não protegidas beams central secondary beams Mid-span Meio vão of de protected vigas principais primary protegidas beams Test Ensaio Simulation Simulação Meio Mid-span vão de vigas of secundárias protected de edge bordo secondary protegidas beams Tempo Time (min) Comparação da deformação (laje e vigas) Estudo paramétrico numérico do

51 Validação do modelo numérico SAFIR vs Ensaio 1 (1/2) Comparação com ensaio ao fogo (análise de transferência de calor) Propriedades do Análises de C B A elementos finitos Validação do modelo numérico Vigas de aço não protegidas Efeito das condições fronteira do E D C A F B Laje mista Estudo paramétrico numérico do

52 Propriedades do Validação do modelo numérico SAFIR vs Ensaio 1 (2/2) Comparação com ensaio ao fogo (deformação) Simulação das tensões na extremidade da laje ensaiada Análises de elementos finitos Validação do modelo numérico Efeito das condições fronteira do Comparação da deformação (laje e vigas) Estudo paramétrico numérico do

53 Validação do modelo numérico SAFIR vs Ensaio 2 (1/2) Comparação com ensaio ao fogo (deformação) Propriedades do Análises de C B A elementos finitos Validação do modelo numérico Vigas de aço não protegidas E D C A F B Efeito das condições fronteira do Laje mista Estudo paramétrico numérico do

54 Propriedades do Validação do modelo numérico SAFIR vs Ensaio 2 (2/2) Comparação com ensaio ao fogo (deformação) Simulação das tensões na extremidade da laje ensaiada Análises de elementos finitos Validação do modelo numérico Efeito das condições fronteira do Comparação da deformação (laje e vigas) Estudo paramétrico numérico do

55 Propriedades do Validação do modelo numérico SAFIR vs Ensaio 3 (1/3) Comparação com ensaio ao fogo (análise de transferência de calor) Análises de elementos finitos Validação do modelo numérico Vigas de aço não protegidas Efeito das condições fronteira do Laje mista Estudo paramétrico numérico do

56 Fatores Reduction de redução factors Fatores de redução Reduction factors (x 1E-3) Propriedades do Análises de elementos finitos Validação do modelo numérico SAFIR vs Ensaio 3 (2/3) Modelo híbrido para ter em consideração a WPB (pós encurvadura da alma) com o elemento de VIGA 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 k Ea,θ k ap,θ k ay,θ T superior Validação do modelo numérico Antes da pós-encurvadura da alma 0, Temperatura Temperature ( (ºC) 1 Efeito das condições fronteira 0,8 0,6 k Ea,θ k ay,θ T inferior do 0,4 0,2 k ap,θ Depois da pós-encurvadura da alma Temperatura Temperature ( (ºC) Estudo paramétrico numérico do

57 Propriedades do Validação do modelo numérico SAFIR vs Ensaio 3 (3/3) Comparação com ensaio ao fogo (deformação) F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 Diamond 2009.a.4 for SAFIR FILE: UlsterH1 NODES: 2031 BEAMS: 260 TRUSSES: 0 SHELLS: 1664 SOILS: 0 IMPOSED DOF PLOT N1-N2 MEMBRANE FORCE PLOT TIME: sec - Membrane Force + Membrane Force Simulação das tensões na extremidade da laje ensaiada F0 F0 F0 Análises de F0 F0 F0 F0 elementos finitos F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 F0 Z F0 F0 Validação do X Y F0 F0 F0 modelo numérico Efeito das condições fronteira do Comparação da deformação Estudo paramétrico numérico do

58 CANTO Efeito das condições fronteira Propriedades do Condições de restrição Análises de elementos finitos S1 S2 9 m S1 S2 Validação do modelo numérico Efeito das condições fronteira S3 S4 C O R N E R 9 m 9 m 9 m Grelha da estrutura de um edifício real S3 S4 Modelo ANSYS do É mais importante prever a deformação no canto da grelha com 2 bordos contínuos no que nas outras 3 grelhas com 3 ou 4 bordos contínuos. Estudo paramétrico numérico do

59 Método de cálculo SDM [MCS] limit (mm) [mm] Inseguro Unsafe do (1/4) Propriedades do Análises de elementos finitos Validação do modelo numérico Comparação da deformação FEA com a deformação máxima permitida de acordo com o MCS (Método de Cálculo Simplificado) Seguro Safe Efeito das condições fronteira R 30 R 60 R 90 R 120 do Advanced Modelo numérico numerical avançado model [mm] (mm) Com ligação mecânica entre a laje e os pilares em cálculos avançados Estudo paramétrico numérico do

60 Método de cálculo [MCS] SDM limit (mm) [mm] Inseguro Unsafe do (2/4) Propriedades do Análises de elementos finitos Validação do modelo numérico Comparação da deformação FEA com a deformação máxima permitida de acordo com o MCS (Método de Cálculo Simplificado) Safe Seguro 10% Efeito das condições fronteira R 30 R 60 R 90 R 120 do Advanced Modelo de numerical cálculo avançado model [mm] (mm) Sem ligação mecânica entre a laje e os pilares em cálculos avançados Estudo paramétrico numérico do

61 do (3/4) Propriedades do Comparação do tempo a que a deformação da FEA (análise de elementos finitos) atinge vão/30 com a resistência ao fogo de acordo com o MCS (Método de Cálculo Simplificado) Análises de elementos finitos Validação do modelo numérico Efeito das condições fronteira t vão/30 t Span/30 / t Fire resistência Resistance ao fogo 3 2 6m x 6m 6m x 9m 9m x 9m 6m x 12m 9m x 12m 7.5m x 15m 9m x 15m R 30 R 60 R 90 R 120 do 1 0,5 2,5 4,5 6,5 8,5 10,5 12,5 14,5 O critério vão/30 não é atingido na FEA durante toda a duração da resistência ao fogo prevista pelo MCS Estudo paramétrico numérico do

62 Max. mechanical Extensão máxima strain da of reinforcing armadura steel do (4/4) Propriedades do Capacidade de extensão da armadura 6m x 6m 6m x 9m 9m x 9m 6m x 12m 9m x 12m 7.5m x 15m 9m x 15m 0,5 1,5 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 Análises de elementos finitos 5% 4% Validação do modelo numérico 3% 2% Efeito das condições fronteira 1% 0% R 30 R 60 R 90 R 120 do Extensão da armadura 5 % = Min. capacidade de extensão permitida de acordo com o EC Estudo paramétrico numérico do

63 Propriedades do Análises de elementos finitos Validação do modelo numérico Efeito das condições fronteira do O MCS (Método de Cálculo Simplificado) está do lado da segurança em comparação com os resultados de cálculos avançados; No que diz respeito à extensão da rede da armadura, esta permanece geralmente abaixo de 5 %; As ligações mecânicas entre a laje e os pilares podem reduzir a deformação de um sistema de pavimento misto em situação de incêndio, mas não são necessárias como um detalhe construtivo; O MCS é capaz de prever de forma segura o comportamento estrutural de um pavimento misto de aço e betão sujeito ao fogo padrão. Estudo paramétrico numérico do