Resumo Os Polímeros Reforçados com Fibras de Carbono (CFRP) possuem excelente desempenho à flexão no reforço e reabilitação de estruturas de concreto armado. No entanto, sabe-se que os sistemas de reforço de CFRP são muito vulneráveis à alta exposição térmica. Para fornecer uma melhor compreensão do seu comportamento em incêndio e preencher lacunas da área, o estudo propõe o desenvolvimento de um modelo tridimensional de elementos finitos consistente, capaz de simular o comportamento à flexão de vigas de concreto armado, reforçadas com CFRP, sob condições de temperatura ambiente e de incêndio. Para atingir os objetivos, simulações numéricas, térmicas e mecânicas, foram realizadas para validar os modelos desenvolvidos. Resultados experimentais relatados em dois estudos paralelos foram utilizados para a validação do modelo. O modelo numérico foi satisfatoriamente validado e os resultados tiveram uma boa previsibilidade aos resultados experimentais, em termos de comportamento térmico e mecânico.

Abstract The Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) has excellent flexural performance on strengthening and rehabilitation of reinforced concrete (RC) structures. However, it is known that CFRP strengthening systems are very vulnerable to high thermal exposure. To provide a better understanding of its fire behavior and fulfill gaps in this field, this investigation proposes the development of an accurate three-dimensional (3D) Finite Element (FE) model capable of simulating the CFRP-strengthened RC beams flexural behavior at ambient temperature and under fire conditions. To achieve the goals, thermal and mechanical numerical simulations have been performed to validate the developed FE models. Experimental results reported in two parallel studies were used to model’s validation. The numerical model has been satisfactorily validated and the results had a good predictability with the experimental results in terms of thermal and mechanical behavior.

Resumo As aberturas e furos em vigas de concreto são corriqueiramente exigidas em virtude das instalações prediais (de água, elétrica, etc). Elas fragilizam a seção e, em situação de incêndio, podem amplificar o campo térmico do elemento estrutural. A NBR 15200 não faz menção à essa situação. Este estudo avaliou a influência de aberturas retangulares no Tempo de Resistência ao Fogo (TRF) de vigas de concreto pelo Método Simplificado da NBR 15200. O método combina a definição de uma análise térmica não linear (isotermas) com o cálculo manual da resistência a flexão destas vigas. As isotermas foram obtidas por um modelo térmico resolvido pela teoria dos elementos finitos com auxílio do software Abaqus. Os resultados foram comparados com o TRF obtido em vigas sem aberturas pelo Método Tabular normatizado. Doze vigas de 60 cm de altura e com diferentes larguras e dimensões de aberturas foram avaliadas. As vigas com aberturas tiveram um TRF até 60 min inferior às sem aberturas. Quanto maior a dimensão da abertura, tanto maior foi a degradação mecânica da viga ao incêndio. O Método Tabular se mostrou inseguro nessa circunstância. Prescrições a vigas com aberturas devem ser apresentadas na NBR 15200.

Abstract Openings in reinforced concrete (RC) beams may be required due to building installations (electrical, water, etc.). They weaken its cross-sectional area and, in case of fire, can increase the thermal field of the structure. NBR 15200 does not consider this. The paper evaluated the influence of rectangular openings on the Fire Resistance Rating (FRR) of RC beams by the Simplified Method of NBR 15200. This method combines a non-linear thermal analysis (isotherms) with the evaluation of the flexural strength of the beams using a manual design calculation method. The thermal field were obtained by a thermal model solved by finite element analysis (FEA) with Abaqus software. Thermal parameters of NBR 15200 were used. This FRR was compared with equivalent beams without openings solved by the Tabular Method of NBR 15200. Twelve 60 cm high beams with different widths and dimensions of openings were studied. Beams with openings had a FRR up to 60 min lower than the equivalent beam without openings. The larger the size of the rectangular opening, the greater the mechanical degradation of the beam in fire. NBR 15200 Tabular Method proved to be unsafe in this case. Prescriptions for beams with openings must be shown in NBR 15200.

resumo: Com o objetivo de avaliar o comportamento de vigas mistas semicontínuas em situação de incêndio considerando diversos fenômenos desprezados em análises simplificadas como não linearidade geométrica, não linearidade das propriedades térmicas e mecânicas dos materiais e efeitos da dilatação térmica, incluindo esforços solicitantes indiretos, foram desenvolvidos seis modelos numéricos em elementos finitos no programa de computador ABAQUS com geometrias distintas, alterando as dimensões do perfil de aço e laje que compõe a viga mista. Para cada um dos seis modelos foram analisadas três condições de contorno, sendo elas: simplesmente apoiada (livre axialmente), biapoiada (restringida axialmente) e semicontínua, totalizando 18 análises. Os resultados das diferentes condições de contorno foram comparados entre si, além do TRF do caso semicontínuo encontrado por método simplificado, que seguiu recomendações normatizadas.

abstract: To evaluate the behavior of semi-continuous composite beams in fire, six finite elements numerical models with several steel profiles and slab dimensions were developed in ABAQUS software. The models took into account several behaviors usually suppressed in simplified analyzes such as: geometric and materials non-linearity properties and thermal expansion effects, including indirect stresses. Three support conditions were analyzed: simply supported (axial released), axial restrained and semi-continuous, totaling 18 analyzes. The different support conditions results were compared to each other and to the fire resistance time designed by simplified methods, which followed design code recommendations.

A segurança estrutural, em situação de incêndio, é verificada quando o valor de cálculo do esforço resistente de cada um dos elementos da estrutura é maior ou igual ao valor de cálculo dos respectivos esforços solicitantes. No domínio das temperaturas, essa verificação significa que a temperatura crítica do elemento estrutural deve ser superior ou igual à temperatura atuante. As atuais normas brasileiras NBR 14323:1999 - "Dimensionamento de estruturas de aço de edifícios em situação de incêndio - Procedimento" e NBR 14432:2000 - "Exigência de resistência ao fogo de elementos construtivos de edificações - Procedimento", ambas em revisão, fornecem informações que possibilitam verificar a segurança estrutural nessa condição excepcional de ações. São apresentados métodos simplificados e recomendações para o emprego de métodos avançados de análise térmica e estrutural. Os métodos simplificados não são, economicamente, apropriados às estruturas externas às edificações, para os quais a NBR 14323:1999 recomenda, sem detalhar, um procedimento proposto pelas normas européias EUROCODE 1 e 3. Nesse trabalho, será apresentada uma ferramenta computacional (EXTEELFIRE 2.0) desenvolvida pelos autores, com base nos procedimentos recomendados pela EUROCODE, que possibilita determinar a temperatura atuante em elementos de aço externos a edifícios em situação de incêndio. A temperatura pode ser determinada a partir de características geométricas do compartimento em chamas, tais como: altura, largura, profundidade, dimensões das janelas, valor de cálculo da carga de incêndio, posição e dimensões básicas das estruturas externas. Também fazem parte desse trabalho sugestões para a futura revisão da NBR 14432.

Fire-structural safety is demonstrated when the design value of the resistance of each structural member is greater or equal to the design value of the effects of the actions, meaning the critical temperature of the structure must be greater or equal to the temperature of the steel. The current Brazilian standards NBR 14323:1999 - "Dimensionamento de estruturas de aço de edifícios em situação de incêndio" (Steel structures fire design) and NBR 14432:2000 - "Exigência de resistência ao fogo de elementos construtivos de edificações" (Required Fire Resistance for Buildings) give detailed information for the fire structural safety verification by simplified methods and allow the use of advanced methods but without specifying them. The simplified methods are not economically suitable for external structures. This paper presents a computational tool to determine the steel temperature based on the more advanced procedures prescribed by Eurocodes 1 and 3, regarding the features of the fire compartment such as: height, width, length, windows´ dimensions, design fire load, place and basic sizes of the external structures. Some suggestions for the future revision of NBR 14432 also are included in this work.

É descrito o comportamento da estrutura de perfis formados a frio (PFF) submetida ao incêndio ocorrido em um apartamento de um conjunto habitacional de baixo custo, com quatro blocos idênticos de quatro pavimentos e oito apartamentos por andar. Cada apartamento tem 44 m² de área total. Segundo a Norma Brasileira, esse tipo de edifício é isento de verificação estrutural em situação de incêndio. Foram realizados ensaios para a caracterização do aço empregado nos pilares e vigas e ensaios metalográficos para estimar a temperatura atingida pelo aço durante o incêndio. O modelamento CFD (Computational Fluid Dynamics) do cenário do incêndio foi feito utilizando-se o programa de computador SMARTFIRE. A análise térmica da estrutura de aço em situação de incêndio foi realizada por meio do programa SUPERTEMPCALC. A verificação estrutural foi feita empregando-se as expressões da Norma Brasileira para o projeto dos PFF em temperatura ambiente, com base no AISI/USA, mas usando os fatores de redução de resistência recomendados pelo Eurocode 3 part1.2.

This paper describes the behavior of a cold-formed steel (CFS) framed structure in response to a real fire that occurred in a residential apartment. A set of residential buildings is composed by four identical four-story blocks of eight apartments per floor, housed by poor people; each apartment has 44 m² of total area. The Brazilian Code does not require that this type of building be checked for fire safety. A real fire in a residential apartment was modeled, as well the structural fire resistance; the maximum fire temperature reached during the burning on the structural material was assessed by scanning electron microscopy tests for the further comparative analysis between the theoretical and actual results. A CFD scenario representative of the actual building geometry, materials and fire behavior was modeled by means of the software SMARTFIRE. A steel thermal analysis in fire situation was conducted by means the software SUPERTEMPCALC, and the structural analysis of the steel frame was performed according to the expressions recommended by the Brazilian Standard for design of CFS for room temperature, based on the AISI/USA, but using the strength reduction factors recommended by Eurocode 3 part1.2.