Fire behaviour of GFRP sandwich panels for the rehabilitation of building floors

Pietro Mazzuca

Key information

Authors:

Supervisors:

João Pedro Lage da Costa Firmo (João Pedro Lage da Costa Firmo); João Pedro Ramôa Ribeiro Correia (João Pedro Ramôa Ribeiro Correia); Luciano Ombres

Published in

September 27, 2022

Abstract

A substituição de pisos degradados (sobretudo de madeira) por soluções tradicionais, como o aço e o betão armado, introduz cargas significativas nas construções existentes, aumentando a sua vulnerabilidade sísmica. Neste contexto, os painéis sanduíche com lâminas de polímeros reforçados com fibra de vidro (GFRP) e núcleo de espuma polimérica apresentam várias vantagens, nomeadamente o seu elevado desempenho mecânico, leveza, durabilidade e custos cada vez mais competitivos. Apesar desse potencial, um dos desafios da utilização destes painéis sanduíche como elementos estruturais em edifícios está relacionado com o seu comportamento termomecânico quando submetidos a temperaturas elevadas ou ao fogo. Este problema, que ainda não foi estudado de forma aprofundada, tem impedido a utilização destes painéis em pisos de edifícios, onde têm de ser cumpridos requisitos de segurança ao fogo bastante exigentes. Neste contexto, o principal objectivo desta tese consistiu em estudar a resistência ao fogo de painéis sanduíche constituídos por laminados de GFRP e dois materiais de núcleo diferentes, nomeadamente espuma de poliuretano (PUR) e espuma de polietileno tereftalato (PET), produzidos por infusão a vácuo. A investigação desenvolvida teve como objectivo avaliar os seguintes três aspectos principais: (i) a caracterização das propriedades mecânicas e termofísicas a temperatura elevada dos materiais constituintes dos painéis; (ii) a influência de diferentes materiais de núcleo e configurações de laminados de GFRP na sua resistência ao fogo, e (iii) a eficácia de diferentes sistemas de proteção passiva contra incêndio para permitir a sua utilização estrutural em edifícios. Numa primeira fase, foram realizados estudos experimentais, analíticos e numéricos para avaliar as propriedades termofísicas e mecânicas dos materiais constituintes dos painéis de GFRP (nomeadamente, GFRP e espumas poliméricas, PET e PUR) em função da temperatura. A investigação sobre o comportamento mecânico dos laminados de GFRP e das espumas poliméricas incluiu ensaios mecânicos (tração, compressão e corte) a temperaturas elevadas, até 300 °C. Estes ensaios permitiram determinar a variação com a temperatura das propriedades mecânicas (resistência e rigidez) dos materiais. Em relação às propriedades termofísicas, recorreu-se a análises numéricas inversas utilizando um modelo de transferência de calor unidimensional (1D) e considerando as distribuições de temperatura experimentais. Essas propriedades termofísicas dependentes da temperatura foram utilizadas como dados de input em modelos de elementos finitos (EF) para simular a resposta térmica de painéis sanduíche sujeitos ao fogo. Em relação ao comportamento mecânico, os resultados obtidos confirmaram que as propriedades à compressão e ao corte das espumas de PET e PUR apresentam reduções significativas com a temperatura, o que geralmente ocorre quando a temperatura de transição vítrea (Tg) do material polimérico é atingida e ultrapassada. Tais reduções ocorrem a temperaturas inferiores na espuma de PET quando comparadas às da espuma de PUR, o que se deve principalmente ao facto de a sua Tg ser inferior. Tal como para as espumas poliméricas, as propriedades mecânicas dos laminados de GFRP apresentaram reduções consideráveis de resistência e rigidez, principalmente devido ao amolecimento da matriz polimérica (de natureza orgânica), causado pelo processo de transição vítrea. Para o material GFRP considerado neste estudo, as propriedades de tração e o módulo de elasticidade em compressão apresentaram menor susceptibilidade à temperatura quando comparados ao módulo de distorção e à resistência à compressão. Por fim, os resultados obtidos a partir da análise numérica inversa confirmaram que o calor específico e a condutividade térmica dos laminados de GFRP e das espumas (PET e PUR) são afetados pelo aumento da temperatura. Numa segunda fase, foram realizados ensaios de resistência ao fogo em painéis sanduíche de GFRP com diferentes configurações e sistemas de protecção. Neste contexto, os painéis de GFRP foram submetidos simultaneamente a uma carga de serviço e à curva de incêndio padrão da norma ISO 834. A influência do uso de diferentes materiais de núcleo e a presença de nervuras longitudinais em GFRP foi investigada. Para além disso, foi avaliada a eficácia de diferentes sistemas de proteção passiva contra incêndio, incluindo placas de silicato de cálcio (SC) (i) aplicadas diretamente na face inferior dos painéis de GFRP ou (ii) suspensas na face inferior, formando uma cavidade de ar. Foram avaliados os perfis de temperatura, a evolução do deslocamento a meio vão, a resistência ao fogo e os modos de rotura dos painéis. Por fim, foram desenvolvidos modelos numéricos bidimensionais (2D) e tridimensionais (3D) com o objetivo de entender com maior profundidade o comportamento ao fogo de painéis sanduíche de GFRP. Em particular, os modelos de EF foram utilizados para obter um melhor entendimento sobre aspectos térmicos e termomecânicos, incluindo a evolução de deslocamentos e deformações, e a variação das distribuições de tensões com o aumento da temperatura/tempo. Além disso, foi estudada a influência do uso de diferentes sistemas de proteção passiva contra incêndio, bem como diferentes materiais de núcleo e arquitecturas de painel. Os resultados obtidos confirmaram que o tipo de material do núcleo, bem como os sistemas de proteção passiva contra o fogo e as configurações da seção transversal afetam significativamente a resposta térmica e mecânica dos painéis ao fogo. De um modo geral, as placas de silicato de cálcio mostraramse eficazes em retardar o aumento da temperatura nos painéis, melhorando assim a sua resistência ao fogo. Como exemplo, para o painel sanduíche sem nervuras e com núcleo de PET, a resistência ao fogo aumentou de 8 min (sem protecção) para 48 min (protegido com placas de SC aderentes); a resistência ao fogo dos painéis sanduíche com nervuras aumentou de 28 min (sem protecção) para 70 min (protegido com placa de SC aderente) e 96 min (protegido com placa SC suspensa). Os resultados dos modelos de EF desenvolvidos apresentaram boa concordância com os medidos experimentalmente em termos de respostas térmicas e mecânicas. O critério de Hill utilizado para simular o comportamento ortotrópico da espuma de PET permitiu simular a degradação próximo da interface entre a face inferior e a espuma de PET (de acordo com o que foi observado no estudo experimental). Os resultados numéricos mostraram que o aquecimento progressivo ao longo da espessura dos painéis levou a uma significativa transferência de tensão da parte inferior (mais degradada) para a parte superior (menos degradada). The replacement of degraded floors (namely timber ones) with traditional materials, such as steel and reinforced concrete, introduces significant dead loads in existing constructions, increasing their seismic vulnerability. In this context, glass fibre reinforced polymer (GFRP) sandwich panels present several advantages, namely their high mechanical performance, lightness, durability and increasingly competitive costs. In spite of this great potential, a challenging issue regarding the use of GFRP composite sandwich panels as buildings structural members is related with their thermomechanical performance when subjected to elevated temperature and fire. This issue is yet to be addressed in a comprehensive manner and has hampered their widespread use in buildings, where strict fire performance requirements have to be met. In this context, this thesis centres on the fire resistance behaviour of sandwich panels composed of GFRP face sheets and longitudinal webs, and two different core materials, namely polyurethane (PUR) foam and polyethylene terephthalate (PET) foam, produced by vacuum infusion. The investigations developed in this thesis aimed at evaluating three main aspects of the fire behaviour of these composite sandwich panels: (i) the characterisation of the mechanical and thermo-physical properties at elevated temperature of their constituent materials; (ii) the influence of different core materials and GFRP configurations on their fire resistance, and (iii) the effectiveness of different passive fire protection systems in enabling their structural use in buildings. In a first stage, experimental, analytical and numerical studies were performed to evaluate the thermophysical and mechanical properties of the constituent materials of GFRP panels (namely GFRP and polymeric foams, PET and PUR) as a function of temperature. The research about the mechanical behaviour at elevated temperature of the GFRP laminates and polymeric foams comprised small-scale mechanical tests (tension, compression and shear) at elevated temperatures (up to 300 °C). These tests allowed determining the variation with temperature of the mechanical properties (strength and stiffness) of the materials. With respect to the thermophysical properties, an inverse numerical analysis was developed using a one-dimensional (1D) heat transfer model together with experimental thermal data.