Structural behavior of prestressed hollow-core slabs exposed to fire : a numerical study

Prestressed hollow-core slabs (HC) have been commonly used in recent years due to their several advantages compared to other traditional construction techniques. Generally, concrete shows higher fire resistance than steel does. Therefore, the flexural behavior of HC slabs, under fire conditions, is mainly governed by the temperature rise in the prestressing strands. However, HC slabs can exhibit tension shear failure modes at low strand temperatures. The experimental approach for evaluating the fire resistance of HC slabs through laboratory tests is time consuming and expensive. Therefore, developing a numerical model to evaluate the structural response of HC slabs, under fire conditions, allows the researchers to implement less demanding, less costly, and less time-consuming studies. Moreover, such a numerical model allows performing parametric studies to better study the parameters that influence the structural behavior of HC slabs exposed to fire. In this study, an iterative approach for studying the thermal response of HC slabs was proposed, accounting for the heat transfer through the core voids. Thermal response models were developed using the software ABAQUS (6.12). The data from two fire tests that were previously performed on HC slabs, with different type of concrete and different geometry, were used to implement thermal response parameters in the numerical model of the studied slabs. The temperature fields obtained from the analyses were validated against the results from the fire tests. In general, the developed thermal response model showed a good agreement with the results from the fire tests, which indicates that the model is capable of accurately predicting the thermal response of HC slabs exposed to fire. In addition, the proposed iterative approach was considered to develop a three-dimensional fully-coupled thermo-mechanical finite element model for evaluating the fire performance of HC slabs. For this purpose, the software ABAQUS was used. The 3D model accounts for the prestressing stress in the strands, the material and geometric nonlinearities, and the temperature-dependent properties of concrete and prestressing steel. As a case study, which the model is based on, a previously tested HC slab was chosen. The load level, as a crucial parameter governing the mechanical behavior under fire conditions, was varied in this study. Based on the predicted response parameters, including temperatures, steel stresses and deflections, it was concluded that the developed model is capable of capturing bending and shear failure modes. However, the model is not proven to capture other failure modes, such as anchorage or bond failure.

Le lastre alveolari precompresse (Hollow-Core,HC) sono state comunemente utilizzate negli ultimi anni per via dei diversi vantaggi rispetto alle tradizionali tecniche di costruzione. In generale, il calcestruzzo mostra una maggiore resistenza al fuoco rispetto all'acciaio. Pertanto, il comportamento a flessione delle piastre HC, in caso d'incendio, è governato principalmente dalla temperatura dei trefoli precompressi. Tuttavia, le lastre HC possono presentare dei casi di rottura a taglio per trefoli a basse temperature. L'approccio sperimentale per la valutazione della resistenza al fuoco delle lastre HC attraverso prove di laboratorio è lungo e costoso. Pertanto, lo sviluppo di un modello numerico per valutare la risposta strutturale delle lastre di HC, in caso d'incendio, consente ai ricercatori di implementare, in modo meno costoso e in tempi piu' brevi, il loro lavoro e i loro studi. Inoltre, tale modello numerico consente di effettuare studi migliori dei parametri che influenzano il comportamento strutturale di lastre HC esposte al fuoco. In questa tesi, è stato proposto un approccio iterativo per lo studio della risposta termica delle lastre HC, il quale prende in considerazione il trasferimento di calore attraverso i fori. I modelli di risposta termica sono stati sviluppati utilizzando il software ABAQUS (6.12). I dati di due prove al fuoco precedentemente eseguite su lastre HC, con diversi tipi di calcestruzzo e geometrie differenti, sono stati usati per implementare i parametri di risposta termica nel modello numerico delle lastre studiate. I campi di temperatura ottenuti dalle analisi sono stati convalidati contro i risultati delle prove al fuoco. In generale, il modello di risposta termica sviluppato mostra una buona concordanza con i risultati delle prove d'incendio, il che indica che il modello è in grado di prevedere con precisione la risposta termica delle lastre HC esposte al fuoco. Inoltre, l'approccio iterativo proposto consente di sviluppare un modello tridimensionale termomeccanico, completamente accoppiato, degli elementi finiti per valutare il comportamento al fuoco delle lastre HC. A questo scopo, è stato utilizzato il software ABAQUS. Il modello 3D rappresenta lo stress di precompressione dei trefoli, le non-linearità geometriche e del materiale e le proprietà dipendenti dalla temperatura del calcestruzzo e dell'acciaio di precompressione. Come caso di studio, sul quale si basa il modello, è stata scelta una lastra HC testata in precedenza. Il livello di carico è stato variato in questo studio, essendo il parametro fondamentale che caratterizza il comportamento meccanico in caso di incendio. Sulla base dei parametri di risposta previsti, incluse le temperature, le tensioni e le deformazioni dell'acciaio, si è concluso che il modello sviluppato è in grado di catturare le modalita' di flessione e taglio a rottura. Tuttavia, il modello non è dimostrato per catturare altre modalita' di rottura, come l'ancoraggio o i distacchi.