Robustness of open car parks under localised fire

Abstract

O número crescente de carros a circularem na Europa nas últimas décadas, bem como o aumento de grandes centros comerciais, aeroportos e estações ferroviárias, aumentou consideravelmente o número de parques de estacionamento abertos. Uma maneira fácil e de baixo custo para a construção é a utilização de uma estrutura mista aço-betão. Em situação de incêndio, a combustão generalizada (flash-over) é improvável de ocorrer nesses espaços abertos, e devem ser considerados incêndios localizados. Um incêndio localizado, que se desenvolve num parque de estacionamento misto sem protecção contra incêndio, conduz ao aquecimento dos elementos estruturais mais próximos do incêndio: ligações, vigas e colunas. O colapso de uma coluna sujeita a incêndio localizado provoca grandes deslocamentos verticais nos andares superiores. Para atingir um equilíbrio nesta configuração deformada, e assim evitar o colapso progressivo do edifício, desenvolvem-se forças de membrana nas lajes e nas vigas. Portanto, durante este evento, as ligações viga-coluna estão sujeitas a sequências particulares de carregamento, envolvendo principalmente momentos flectores e esforços axiais. Essas ligações devem resistir à nova distribuição de esforços e ter ductilidade suficiente para poder sustentar grandes rotações, sem rupturas. Para tal, a estrutura deve ser dimensionada tendo em conta a robustez necessária para este evento acidental. O trabalho de investigação apresentado nesta tese está inserido no projecto Europeu RFCS ROBUSTFIRE, e no projecto Nacional IMPACTFIRE. As diversas fases deste trabalho estão relacionadas com um caso de estudo que envolve uma configuração estrutural de um edifício típico de parque de estacionamento aberto. O cenário considerado é o colapso de uma coluna devido a um incêndio localizado (combustão de veículos), e são consideradas as restrições axiais devidas à estrutura não afectada pelo incêndio. Este trabalho tem como principal objectivo o estudo detalhado do comportamento de uma ligação mista aço-betão viga-coluna com placa de extremidade, aquecida pelo incêndio localizado, quando está sujeita a momentos flectores e esforços axiais variáveis. Numa fase inicial, realiza-se uma revisão das regras práticas actuais, e o estado da arte sobre a concepção e avaliação de parques de estacionamento abertos sujeitos a um incêndio localizado. Em seguida, a investigação centra-se em estudos experimentais, numéricos e analíticos: i) Realizam-se sete ensaios experimentais em ligações mistas aço-betão viga-pilar sob diferentes combinações de momentos flectores e esforços axiais, considerando não só condições isotérmicas, mas também um cenário de temperatura transitória. ii) Desenvolvem-se modelos numéricos 3D detalhados da ligação mista, de forma a reproduzir os ensaios experimentais. iii) Finalmente, é estudado a influência de alguns parâmetros que afectam a robustez deste tipo de edifícios (tais como temperatura, vão da viga, tamanho da ligação, etc....), usando os modelos numéricos desenvolvidos e um procedimento analítico existente na bibliografia.

The growing number of cars in Europe during the last decades, as well as the amount of large shopping centres, airports and railway stations, have considerably increased the number of open car park buildings. An easy and low cost way for the construction of these open car park buildings is to use a composite steel-concrete structure. Under fire situation, flash-over is unlikely to occur in these opened compartments and localised fires should be considered. When a localised fire develops in an unprotected steel composite car park, it leads to the heating of some of the nearby structural elements: connections, beams and columns. The loss of a column under localised fire induces large vertical displacements in the above floors. To reach equilibrium in the deformed configuration and avoid progressive collapse of the building, membrane forces in the slabs, and catenary forces in beam elements should develop. So, during the event, the beam-to-column connections are subject to particular load sequences mainly involving bending moments and axial forces. These connections are also required to have sufficient ductility in order to sustain large rotations without brittle damages. Therefore, sufficient robustness should be provided to the structure at the design stage. The research work presented in this thesis is based on the European RFCS ROBUSTFIRE project, and the National IMPACTFIRE project. The various stages of this work are related to a case study involving a structural configuration that represents a typical open car park building. The considered scenario is the loss of a column due to a localised fire (burning cars), and the strong restraints to the beams provided by part of the building not directly affected by this accident are taken into account. The behaviour of steel-concrete composite beam-to-column joints in open car park buildings under column loss scenario, due to fire, is investigated in detail. The main objective is to provide a detailed analysis of the heated joint behaviour subject to variable bending moments and axial loads when the column fails. First, a review of current practice and state of the art in the design and assessment of open car parks subject to localised fire is performed. Then the investigation is based on experimental, numerical and analytical results: i) Seven experimental tests are performed on composite steel-concrete beam-to-column joints under different combinations of bending moments and axial forces, considering isothermal conditions, and also one transient temperature scenario. ii) Detailed 3D numerical models of the heated joint are developed to reproduce the experimental tests. iii) Finally, the influence of some parameters that affect the robustness of this type of building (such as temperature, beam span, joint size, etc.…) are studied using the developed numerical models and an existing analytical procedure.