Abstract Lightweight precast concrete stairs can be fastened to the masonry using metal anchors, whose stability depends on the integrity of these discrete anchor points. The stairwell environment plays a vital role in the evacuation of a building in fire conditions, which justifies the study of the behavior of these elements under such conditions. Considering the information above, this work presents a numerical strategy adopted to perform simulations using the ABAQUS computational code in order to better understand the behavior of precast stairs and their anchoring system in structural masonry of concrete in fire conditions. The temperature evolution was determined at the anchor points and in the indented beam of the staircase while facing a standard fire ISO 834-1:1999 only on the opposite side of the wall to which the stairs are fixed. The results show that the temperature rise in the metallic anchor and in the indented beam does not reach levels that impose significant reduction in the steel strength, when the block cavity is grouted, and in the concrete, respectively. These results indicate important aspects in the constructive context of structural masonry systems and fire safety.

Resumo Escadas pré-moldadas leves de concreto podem ser fixadas na alvenaria com chumbadores metálicos, cuja estabilidade depende da integridade dos pontos de ancoragem. O ambiente em que está fixada a escada tem papel vital na desocupação de um edifício em situação de incêndio, o que justifica estudar o comportamento desses elementos durante um incêndio. Este trabalho apresenta estratégia numérica para realizar simulações com o código computacional ABAQUS com vistas a melhor entender o comportamento de escadas pré-moldadas e seu sistema de ancoragem em alvenaria estrutural de blocos de concreto em ambiente sob incêndio. A evolução da temperatura foi determinada nos pontos de ancoragem e na viga denteada da escada em resposta ao incêndio-padrão ISO 834-1:1999 apenas na face oposta à parede em que a escada está fixada. Os resultados mostram que as elevações de temperatura no chumbador e na viga denteada não atingem níveis que reduzam significativamente a resistência do aço, quando a cavidade do bloco está grauteada, e da resistência do concreto respectivamente. Tais resultados sinalizam aspectos importantes em contexto construtivo de sistemas de alvenaria estrutural e segurança ao incêndio.

RESUMO Na verificação de elementos estruturais em situação de incêndio por meio de equações analíticas, e mesmo via modelagem numérica, normalmente são empregados parâmetros e propriedades dos materiais simplificados. Entretanto, os resultados obtidos podem ser bastante sensíveis ao grau de simplificação adotado pelo projetista ou mesmo conforme à escolha de uma ou outra opção de propriedade dos materiais envolvidos. No presente artigo foi apresentado um estudo de sensibilidade considerando a variação das propriedades dos materiais; visando auxiliar a escolha desses parâmetros dentre as diversas opções descritas na literatura. O estudo de sensibilidade foi elaborado para pilares compostos por tubos de aço de seção circular e quadrada, vazio e preenchidos com concreto, e com as propriedades do aço e concreto indicadas pelo Eurocode ou por normas brasileiras para o dimensionamento de estruturas em situação de incêndio. Também foi analisado o comportamento do modelo conforme variações no teor de umidade do concreto e variações da emissividade da superfície de aço exposta ao fogo. O estudo foi realizado em modelo numérico desenvolvido no software ABAQUS e os resultados obtidos demonstram que os valores de 0,7 e 0,8, recomendados na literatura para a emissividade resultante, são conservadores e a alternância entre esses dois valores não altera, significativamente, o campo de temperaturas na seção transversal do elemento estrutural. Já com relação ao teor de umidade do concreto foram verificadas alterações significativas no campo de temperaturas, inclusive na temperatura do tubo de aço, com a alternância deste parâmetro. Com relação às propriedades físicas e mecânicas dos materiais, o estudo de sensibilidade sugere a adoção dos valores obtidos a partir das equações sem simplificações apresentadas no Eurocode e com o valor do calor específico do concreto determinado conforme Eurocode 4.

ABSTRACT For the dimensioning of structural elements in fire situation, simplified equations and parameters are commonly used in analytical equations or numerical models. More complex equations or simplified values can be chosen by the designer for determine materials properties in high temperature in numerical models, however, numerical modeling can be quite sensitive to the variation of some of the physical and mechanical properties. In this paper, the sensitivity of the numerical model in relation to the values according to the level of simplification chosen was evaluated, presenting an analysis in relation to the results found to contribute to the choice of these parameters and presenting the indications found in the literature. In this sense, this work presents a study of sensitivity to the variation of the values of steel and concrete properties, presented in the Eurocode and Brazilian standards, in addition to the moisture content and emissivity of the surface exposed to fire, for the dimensioning, in a fire situation, of steel tube columns, of circular and square section, filled with concrete. The studies were carried out via numerical modeling developed in the software ABAQUS. It was verified that the resulting emissivity values equal to 0.7 or 0.8, recommended in the literature, are conservative, and the choice of either does not bring significant changes in the temperature field obtained for the structural elements under analysis. It was also verified that the concrete moisture content is a relevant aspect for the formation of its temperature field, also affecting, but to a lesser extent, the steel temperature. Regarding the physical and mechanical properties of the materials, this sensitivity study suggests the adoption of the values from the equations presented in Eurocodes, without simplifications, and with the specific heat and thermal conductivity of the concrete, adopted in accordance with the Eurocode 4.

Resumo A verificação da resistência ao fogo de pilares tubulares preenchidos com concreto é necessária, uma vez que há uma drástica redução na resistência do aço e do concreto com a elevação da temperatura. A simulação numérica, com inquestionáveis vantagens econômicas em relação aos ensaios em laboratório, tem grande importância na verificação da resistência e na definição e ajustes de modelos analíticos para uso na prática de projeto. Entretanto, parâmetros intervenientes como o comportamento térmico e mecânico do concreto confinado quando aquecido ou mesmo do chamado “air-gap”, fenômeno inerente a pilares de aço preenchidos com concreto quando aquecidos, ainda carecem de melhor aprofundamento quanto à modelagem numérica. Para tanto, neste trabalho, apresenta-se o desenvolvimento de um modelo numérico no software ABAQUS (Dassault Systemes SIMULIA Corp., 2014), para análise térmico-mecânica de pilares curtos compostos por tubos de aço de seção circular e quadrada, preenchidos com concreto, considerando o efeito do“air-gap”. O fenômeno do “air-gap” é apresentado e discutido em função das possibilidades de implementação no modelo numérico e, por fim, o modelo desenvolvido é validado por meio de resultados experimentais retirados da literatura. Com base nos resultados obtidos, se conclui que o modelo numérico pode ser utilizado para avaliação, ajustes e desenvolvimento de processos simplificados para verificação de pilares mistos em situação de incêndio; sendo recomendada a análise conjunta térmico-mecânica e a utilização do solver explicit como estratégia para minimizar o tempo de processamento. Aimportância da consideração do efeito do “air-gap” foi confirmada e desprezar o seu efeito pode resultar em avaliação superestimada da capacidade resistente do tubo de aço em situação de incêndio.

Abstract The increase in temperature reduces the strength of steel and concrete, in such a way that it is essential to verify concrete-filled steel tube columns in fire situations. Numerical simulations, with lower costs than laboratory tests, have great importance in checking resistance and defining simplified methods for design practice. However, peculiarities of the thermal and mechanical behavior of heated confined concrete and the air-gap effect (a phenomenon inherent to concrete-filled steel columns) must still be better understood. Therefore, this study presents the development of a numerical model performed in the ABAQUS software (Dassault Systemes SIMULIA Corp., 2014) for the thermomechanical analysis of short columns composed of circular and square concrete-filled steel tubes considering the air-gap effect. The air-gap phenomenon is presented and analyzed according to possibilities of implementation to the numerical model and, finally, the proposed numerical model is validated with experimental results presented in the literature. According to the study results, the numerical model can be used to define and adjust simplified methods for verification of composite columns in fire situation. The importance of considering the air-gap effect in numerical modeling was confirmed, taking into account that disregarding its effect may result in overestimated responses of the steel tube resistance in fire situations. Moreover, it was suggested thermomechanical joint analysis and the use of the explicit solver as a strategy to minimize processing time.

Resumo A segurança das edificações contra incêndios é um dos requisitos a serem considerados no dimensionamento estrutural, uma vez que o aumento da temperatura causa a redução das propriedades mecânicasdos materiais. No entanto, as normas brasileiras atuais voltadas à alvenaria estrutural não contemplam a ação térmica, sendo necessária a consulta a normas estrangeiras, cujos parâmetros são definidos conforme os materiais utilizados em seus países. Nesse sentido, o presente trabalho objetiva analisar numericamente o isolamento térmico de paredes de alvenaria estrutural de blocos de concreto com base em comparações com resultados experimentais apresentados em Dupim (2019). Como estratégia, foram calibradas as propriedades térmicas dos materiais de acordo com os limites propostos pelo Eurocode e inseridas curvas de evolução de temperatura nas faces externas e internas dos blocos. Os modelos numéricos desenvolvidos permitem obter resultados de evolução de temperatura ao longo da seção transversal, tendo apresentado boa correlação com os resultados experimentais. Considerando paredes com 14 cm de espessura, o tempo de resistência ao fogo quanto ao critério de isolamento térmico entre ambientes resultou igual a 60 min, valor próximo dos 62 min obtido experimentalmente.

Abstract Fire situations must be considered in structural design to minimize risks to the safety of buildings, since high temperatures ultimately result in the decrease of the mechanical properties of building materials and lead to the spread of flames to adjacent rooms. However, Brazilian standards do not provide design procedures for evaluating structural masonry at high temperatures, therefore engineers usually apply foreign standards, which are based on the thermal properties of the materials used in their countries. This study aims to evaluate the thermal behaviour of concrete masonry walls in fire situations by means of numerical analysis, taking the experimental results presented in Dupim (2019) as reference. The thermal properties of the materials in the numerical model were calibrated according to the Eurocode, and temperature increases on the masonry surfaces were simulated by using temperature-time curves obtained in experimental tests. The numerical results are in good agreement with the experimental measurements, which were carried out at various points in the masonry cross section, with maximum temperature differences below 10%. The fire resistance of a 14 cm-thick masonry wall, according to the thermal insulation criterion, was equal to 60 min in the numerical analysis, which is close to the experimental result of 62 min taken as reference.

RESUMO: O dimensionamento de pilares de aço e mistos de aço e concreto em situação de incêndio está diretamente atrelado à redução da resistência e da rigidez, entre outras propriedades, as quais se manifestam em resposta à elevação da temperatura. Os códigos normativos que tratam do dimensionamento desses elementos sob ação do fogo consideram a ação térmica com base em aquecimento nas quatro faces do pilar, aspecto que não abrange a grande maioria dos casos nas edificações em função da presença de paredes. Nesse mesmo contexto, dada a importância da correta determinação do campo térmico para fins de dimensionamento, bem como dada a simplificação adotada pelos códigos normativos, o presente trabalho se volta exclusivamente a um estudo basicamente direcionado à obtenção de campo térmico representativo para fins de verificação termoestrutural de pilares de aço e mistos. Tendo como foco principal a análise de casos que diferem das configurações prescritas em normas, são propostos modelos numéricos puramente térmicos validados por meio de resultados experimentais, cujas análises constatam uma evidente redução da temperatura no pilar de aço quando revestido com concreto, e ainda com maior evidência quando adicionalmente inseridos em paredes enquanto elemento de compartimentação. De modo a verificar o método simplificado proposto pela ABNT NBR 14323:2013, análises comparativas entre os campos térmicos numérico e obtido pelo modelo normatizado foram realizadas para seções transversais de aço e mistas de aço e concreto. Para os pilares de aço isolados, como esperado, o método normativo se mostrou consistente, porém conservador quando voltado a pilares inseridos em paredes. Em relação aos pilares mistos, os resultados obtidos sinalizam a necessidade de ajuste nas prescrições normativas para fins de determinação de campo térmico e, consequentemente, para fins de dimensionamento desses mesmos elementos.

ABSTRACT: The design of steel and steel and concrete composite columns in a fire situation is directly linked to the reduction of strength and stiffness, among other properties, which are manifested in response to rising temperatures. The normative codes that deal with the design of these elements under the action of fire consider the thermal action based on heating on the four faces of the column, an aspect that does not cover most cases in buildings due to the presence of walls. In this context, given the importance of the correct determination of the thermal field for design purposes, as well as given the simplification adopted by the normative codes, the present work deals exclusively with a study basically aimed at obtaining a representative thermal field for purposes of thermo-structural verification of steel and steel and concrete composite columns. With the focus on the analysis of cases that differ from the prescribed configurations in standards, purely thermal numerical models are proposed, validated through experimental results, whose analyses show an evident reduction in temperature in the steel column when encased with concrete, and with even greater evidence when additionally inserted into walls as a compartmentalizing element. To verify the simplified method proposed by ABNT NBR 14323: 2013, comparative analyses between the numerical thermal fields and obtained by the standardized model were carried out for steel and steel and concrete composite cross sections. For the isolated steel columns, as expected, the normative method proved to be consistent, but conservative when it came to columns inserted into walls. In relation to the composite columns, the results obtained indicate the need for adjustment in the standards for purposes of determining the thermal field and, consequently, of design these elements.

RESUMO A alvenaria estrutural vem sendo amplamente difundida no Brasil, principalmente nas últimas três décadas. Em fase de projeto, as ações térmicas devem também ser consideradas para garantir a sua segurança estrutural contra incêndios, uma vez que altas temperaturas reduzem as propriedades mecânicas dos materiais, o que não é contemplado nas normas brasileiras. Assim, os projetistas tendem a recorrer a normas estrangeiras, as quais se baseiam em parâmetros de suas respectivas abrangências. Considerando tais problemas, este trabalho teve como objetivo desenvolver, a partir do software ABAQUS, modelos numéricos estruturais e termoestruturais de pequenas paredes compostas por blocos vazados de concreto, a fim de avaliar seu comportamento em temperatura ambiente e em situação de incêndio. Foi utilizada a estratégia de micromodelagem detalhada, ou seja, os modelos foram desenvolvidos considerando a representação individual dos blocos e juntas de argamassa, além da interface entre os materiais. Primeiramente, foram realizadas análises não lineares com paredes sob compressão à temperatura ambiente, cujos resultados indicaram boa concordância com ensaios experimentais disponíveis na literatura. No caso das análises termoestruturais, os elementos foram expostos ao Incêndio-Padrão proposto na ISO 834-1:1999 e a quatro diferentes níveis de tensão de compressão (0% a 80% de sua resistência à temperatura ambiente); também foram testadas variações referentes às condições de contorno, a fim de obter o tempo de resistência ao fogo para diferentes situações. Considerando as paredes submetidas a carregamento equivalente a 40% de sua resistência, os tempos mínimos de resistência ao fogo resultantes das análises numéricas foram de 70 e 59 minutos, segundo os critérios de resistência mecânica e isolamento térmico, respectivamente. No entanto, os resultados indicam que a resistência ao fogo da alvenaria depende fortemente do carregamento e condições de vinculação, observando-se diferenças de até 81% entre as situações analisadas.

ABSTRACT Structural masonry has been widely used in Brazil, especially during the last three decades. In its design process, it is also necessary to consider the thermal actions to ensure structural fire safety, since the elevated temperatures tend to decrease the mechanical properties of the materials. Brazilian standards do not include procedures for designing of structural masonry in fire. So designers usually apply foreign codes, which are based on parameters inherent of their respective countries. Considering these shortcomings, this work aimed to develop, by using the software ABAQUS, structural and thermo-structural numerical models of small walls composed of hollow concrete blocks, in order to evaluate their behaviour at both normal and high temperatures. Detailed micro-modeling strategy was applied, i.e., the numerical models were developed considering an individual representation of each concrete block and mortar joints, as well as the interface between them. Firstly, nonlinear analyses were performed with members under compression at room temperature, which results indicated good agreement with experimental tests available in literature. For the thermo-mechanical analyses, the elements were exposed to the standard fire proposed in ISO 834-1:1999 and four compression load levels (0% to 80% of their compression strength at normal temperature); variations related to boundary conditions were also tested, in order to obtain the fire resistance time for different situations. Considering members with 40% of compression load as a reference, the minimum fire resistance times resulting from the numerical analysis were about 70 and 59 minutes, according to the mechanical resistance and thermal insulation criteria, respectively. However, the results indicate that the fire resistance strongly depends of both mechanical loads and boundary conditions, with differences of up to 81% among the situations analysed.

resumo: O presente trabalho tem como objetivo investigar, por meio de análises experimentais, o comportamento térmico e as propriedades mecânicas residuais da alvenaria estrutural de blocos vazados de concreto e seus materiais componentes em situação de incêndio. Foram realizados ensaios de compressão com elementos representativos da alvenaria (blocos, prismas e pequenas paredes) antes e após serem expostos por 70 minutos ao Incêndio-Padrão proposto na ISO 834-1:1999, o qual foi aplicado por meio de um forno a gás natural instrumentado com termopares para a medição das temperaturas em seu interior e também nos corpos de prova. A influência da resistência inicial do concreto no comportamento da alvenaria foi avaliada considerando-se blocos com diferentes resistências características à temperatura ambiente. Além disso, a forma de exposição ao incêndio foi também investigada, sendo ensaiados elementos sem revestimento e com fogo atuando em uma ou em ambas as faces. Os resultados apontam significativa perda de capacidade resistente da alvenaria quando em temperaturas elevadas, principalmente nos casos em que o fogo atua em ambas as faces, onde a resistência residual à compressão resultou entre 20% e 27% para os blocos e em torno de 14% para prismas e pequenas paredes, em média. Seu desempenho com fogo atuando em apenas uma face se mostra bem melhor, com resistência residual média da alvenaria igual a 46% em relação à sua resistência à temperatura ambiente. Os resultados encontrados também são úteis para a avaliação da alvenaria quanto aos critérios de estanqueidade e isolamento térmico, este último atingido com pouco mais de 60 minutos de ensaio.

abstract: This paper aims to analyze the thermal behavior and residual mechanical properties of concrete hollow-blocks structural masonry and its component materials in fire situation using experimental investigation. Compression tests were carried out on blocks, prisms and small walls at room temperature and after being exposed for 70 minutes to the ISO 834 Standard Fire. The test at high temperatures was run using a furnace powered by natural gas and instrumented with thermocouples to measure temperatures in the specimens. The influence of the initial concrete strength on masonry behavior was evaluated considering the use of blocks with different strengths at room temperature. In addition, exposure to fire was also investigated considering masonry elements with no coverings and submitted to two different fire exposure conditions: one or both sides. The results indicate a substantial loss in the masonry load capacity at high temperatures, especially in cases of fire exposure on both sides, where the residual compressive strength resulted, on average, between 20% and 27% for the blocks and approximately 14% for prisms and small walls. Its performance with fire heating up on only one face is much higher, with an average residual masonry strength equal to 46% compared to its strength at room temperature. The obtained results are also useful for evaluating masonry regarding the integrity and thermal insulation criteria, the latter achieved with little over 60 minutes of testing.

RESUMO Incêndios em edificações são frequentes em todo o mundo. Um sistema construtivo amplamente empregado no Brasil e pouco estudado em situação de incêndio é a alvenaria estrutural constituída por blocos de concreto. Em temperatura ambiente pode-se estimar a resistência à compressão axial da alvenaria através da compressão axial de prismas. Além disso, por meio de prismas é possível representar a perda de resistência mecânica devida à deterioração térmica. Assim, o presente trabalho tem como objetivo analisar, em contexto puramente numérico, a resistência mecânica de prismas constituídos por blocos de concreto submetidos à compressão e em situação de incêndio, por meio de simulação termomecânica. Inicialmente, foi simulado um prisma sob compressão à temperatura ambiente com o intuito de validar as propriedades dos materiais nessa condição. Posteriormente, em elevadas temperaturas, foram empregadas propriedades encontradas na literatura técnica. As condições de contorno foram variadas, aplicaram-se dois níveis de carregamento e verificaram-se os casos de prisma com uma e duas faces expostas ao incêndio. Nas simulações numéricas, a aplicação de um nível maior de carregamento, a restrição de deslocamento vertical e a exposição ao incêndio de duas faces antecipou a ruptura do prisma. A falta de restrição rotacional gerou um modo de ruptura diferente do caso com restrição rotacional e em tempo inferior de exposição ao fogo. O emprego de propriedades encontradas na literatura técnica levou a um resultado de tempo de resistência mecânica favorável à segurança.

ABSTRACT Fires in buildings are frequent in the world. Concrete blockwork masonry is a constructive system widely used in Brazil and poorly studied in a fire situation. At room temperature, the axial compressive strength of the masonry can be estimated by axial compression of prisms. In addition, by means of prisms, it is possible to represent the loss of mechanical resistance due to thermal deterioration. Thus, the purpose of the current study is to verify, in purely numeric context, the mechanical resistance of prisms with concrete blocks under compression in a fire situation, through thermomechanical simulation. Initially, the compression of the prism was simulated at room temperature with the objective of validate the materials’ properties. Posteriorly, it was adopted in the study properties based on the technical literature, at high temperatures. The boundary conditions were varied, two levels of loading were applied and cases of prism with one and two faces exposed to fire were verified. In the simulations, the application of a higher loading level, the vertical displacement restriction and the double-sided fire exposure anticipated the prism failure. The lack of rotational restraint generated a mode of rupture different from the case with rotational restraint and in less time of fire. The use of properties found in the technical literature led to a time of mechanical resistance favorable to safety.

Abstract Here-in, a numerical analysis based on the Finite Element Method (FEM) is proposed in order to investigate cold-formed steel back-to-back double angle structural behavior under compression. Considering non-linear analysis, an investigation was performed to analyze the influence of some aspects, such as the loading condition (concentric and eccentric axial compression), the boundary conditions, the global slenderness, the global and local geometric imperfections, the angle thickness and the number of packing plates. The numerical results signalize that the compression strength obtained in accordance with the standards ABNT NBR 14762:2010 and ANSI/AISI S100 (2012) may be quite conservative, mainly in the lower global slenderness cases. Additionally, the connection spacing (bolted connection with stitch plates in-between the angles) and the presence of a connection at mid-length change the buckling mode, as well as cause a significantly increase in the axial compression strength of the member. The numerical analysis also indicates that the design proposed by ABNT NBR 8800:2008 for the case involving angles under compression connected by one flap can also be applied to cold formed steel angles.

Thermal action on timber causes it to degrade through combustion of its chemical components, which leads to the release of vapors, combustible gases and char. This diminishes its load capacity due to the reduction of its cross section by charring and to changes in its mechanical properties of strength and stiffness as a function of its exposure to high temperatures. This paper discusses a numerical and experimental study of the behavior of Eucalyptus beams exposed to fire, in which the properties of strength and stiffness were evaluated as a function of evolving temperatures, allowing for an analysis of the effect of the section factor on the internal rise in temperature of structural Eucalyptus beams

La acción térmica sobre la madera causa su degradación a través del proceso de combustión de sus componentes y de la liberación de vapor, gases combustibles y carbón. Esto reduce su capacidad de carga debido a la disminución de la sección transversal por carbonización y a las variaciones de sus propiedades de resistencia y rigidez, ocasionadas por la exposición a altas temperaturas. En este trabajo, se presenta un estudio numérico y experimental sobre el comportamiento de vigas de eucalipto expuestas a la acción del fuego, en el cual, la resistencia y la rigidez de la viga fueron evaluadas en función de los cambios de temperatura, permitiendo de esta forma, analizar el efecto del factor de sección sobre el aumento interno de temperatura de las vigas de eucalipto