Numerical modelling of internal voids in fire exposed structures

The study of steel structures at elevated temperatures needs the characterisation of the thermal action and the material thermal properties variation with temperature as well as the thermal conduction problem solution in a domain with well know boundary conditions. Structures may have internal voids (figure 1) filled with air (hollow columns, profile sections thermally insulated, steel pipes,…). In the presence of internal voids, the internal air temperature will be determined with some simplified formulas deduced from heat transfer equation

Desenvolvimento de novos modelos para a análise de tensões e de deformações em estruturas tubulares

Neste artigo apresentam-se vários modelos numéricos para análise de estruturas tubulares, como uma alternativa aos elementos finitos de casca tradicionalmente utilizados em tais aplicações. Os modelos baseiam-se em diferentes campos de deslocamentos, sendo sumariamente apresentadas as formulações necessárias à sua definição. Mostram-se alguns casos de aplicação em estudo utilizando os modelos desenvolvidos e resultados comparativos experimentais

Influência da pressão interna na rigidez de sistemas tubulares. Desenvolvimento numérico

Em engenharia o uso de elementos tubulares é frequente. Estas estruturas submetidas a diversos carregamentos exigem uma análise cuidada do seu comportamento. No projecto de sistemas tubulares é importante a análise do efeito da pressão interna, por diminuir a flexibilidade dos elementos aumentando por isso a rigidez da estrutura. Apresenta-se o desenvolvimento de uma formulação para a caracterização da deformação em sistemas tubulares de parede fina usando o método dos elementos finitos. Desenvolveu-se um elemento de 2 nós, com base num campo de deslocamentos para uma casca. Apresenta-se uma formulação para obtenção da matriz rigidez de forma a poder considerar-se o efeito da pressão interna. Apresentam-se casos numéricos para cálculo do factor flexibilidade e campo de deslocamentos em estruturas submetidas a pressão interna

Validação experimental de um modelo teórico para cálculo de elevados gradientes térmicos em estruturas de parede fina

É apresentada uma formulação baseada no método dos elementos finitos para modelação de estruturas de parede fina para cálculo de temperaturas ao longo da espessura. Com base na teoria de condução de calor em corpos sólidos, foi possível desenvolver uma metodologia de cálculo simplificada para situações deste género. Pretende-se ainda validar o modelo teórico desenvolvido através da execução de ensaios como será demonstrado

Análise termo-mecânica de sistemas tubulares submetidos a pressão interna e a elevadas temperaturas

Este artigo apresenta o desenvolvimento de um elemento finito tubular com dois nós para análise térmica e mecânica de tubagens industriais. Apresenta-se o desenvolvimento de uma formulação para a caracterização da deformação em sistemas tubulares de parede fina, com base num campo de deslocamentos para uma casca e uma formulação adicional para a obtenção da matriz rigidez de forma a considerar o efeito da pressão interna em sistemas desta natureza, tal como refere Almeida (1982). No projecto de estruturas tubulares é importante a análise do efeito da pressão interna, por diminuir a flexibilidade dos elementos aumentando por isso a rigidez da estrutura, tal como referido por Fonseca et al (2003). Contabiliza-se o efeito da temperatura, considerando uma axissimetria de carregamento ao longo da secção recta tubular, verificando-se um aumento da flexibilidade e consequente diminuição da rigidez da estrutura. Apresentam-se casos numéricos para cálculo do factor flexibilidade em estruturas submetidas, simultaneamente, a pressão interna e a variações de temperatura, comparando-se os resultados com outros elementos finitos disponíveis e com as curvas de projecto ASME

Fenómenos de instabilidade em elementos tubulares submetidos à compressão

Neste artigo estuda-se o fenómeno de encurvadura por varejamento em elementos tubulares através dos resultados obtidos com um elemento finito de tubo, desenvolvido para análise não linear e com um programa comercial utilizando um elemento de viga com características não-lineares. Efectuaram-se ainda ensaios à temperatura ambiente em elementos tubulares, observando-se experimentalmente que a carga de colapso e o deslocamento lateral da estrutura apresentam comportamentos semelhantes aos resultados numéricos obtidos

A new finite element for generalized in-plane pipe loading. Experimental and numerical comparison

In structural engineering, the geometry of a large number of structural details may involve the combination of straight and curved parts in order to meet requirements of functionality and/or attractive design. Piping systems are structural elements used in the chemical industry, aeronautical and aerospace engineering, conventional and nuclear power plants and fluid transport in general-purpose process equipment. This paper presents a new finite element pipe with 19 degrees of freedom, where shape functions are set-up from the displacement field parallel to a local reference system. A displacement-based formulation was developed with Fourier series for increasing the structural element distortion capabilities. A finite element pipe may be considered as a part of a toroidal shell. The stress field distribution may be calculated for any cylindrical section pipe. Experimental set-up will be presented for in-plane piping system loading case and experimental stress measurement will be compared with the numerical stresses results obtained with this formulation and with other different commercial codes. The main advantage of this formulation is associated with timeless mesh generation with low number of elements and nodes. Considerable computational effort may be reduce with the use of this finite element pipe

Analytical and numerical methodologies to study four different hot-rolled steel profiles under fire

The main goal of this paper is to calculate the temperature distribution in four different hot-rolled steel profiles (IPE, HEM, L and UAP), during a thermal and transient process due an accidental fire situation. This work presents the lumped capacitance method, according to the section factors effect, and compares all results with the finite element method, using Ansys® numerical program. The basis of the lumped capacitance method is that temperature of the solid body is uniform at any given time instant during heat transient process. This methodology is compared with the numerical results and allows the calculation of the temperature evolution in steel profiles under fire, like an easy way to follow. The results comparison allows to verify an agreement between the used methodologies. This find enabled to conclude that the lumped capacitance method is accurate and could be easily applied. This method allows to calculate a constant temperature distribution for any profile, at any time instant. It was also intended to understand the relationship between the increase in the cross-section and the temperature difference in the profiles. In the studied profiles ranges with the larger cross-section, a lower temperature field was obtained. As conclusion, members with low section factors will heat up more slowly.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Analytical equations applied to the study of steel profiles under fire according to different nominal temperature-time curves

Some analytical methods are available for temperature evaluation in solid bodies. These methods can be used due to their simplicity and good results. The main goal of this work is to present the temperature calculation in different cross‐sections of structural hot‐rolled steel profiles (IPE, HEM, L, and UAP) using the lumped capacitance method and the simplified equation from Eurocode 3. The basis of the lumped capacitance method is that the temperature of the solid body is uniform at any given time instant during a heat transient process. The profiles were studied, subjected to the fire action according to the nominal temperature–time curves (standard temperature‐time curve ISO 834, external fire curve, and hydrocarbon fire curve). The obtained results allow verifying the agreement between the two methodologies and the influence in the temperature field due to the use of different nominal fire curves. This finding enables us to conclude that the lumped capacitance method is accurate and could be easily applied.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Computational model to predict the temperature distribution produced by bone cement

Bone is the third frequent location for haematogenous dissemination of malignant tumors. Patients with multiple bone metastases are exponentially growing. Bone metastases, which are frequently diagnosed late, are associated to imminent and pathological bone fractures. Metastatic disease translates an advanced tumor stage and it has a high impact in patients’ quality of life and survival. The main objective is to study the thermal effect induced by the bone cement polymerization, in the bone metastatic tumor reduction and to understand the role of such procedure and its biomechanical stabilization. To assess the clinical effect, it is important to test this methodology before its application and obtain sustained results. In this work, a computational model was developed to predict the temperature distribution produced by cement polymerization, and verify the reduction of the metastatic tumor area due the thermal effect. Different simulations produced to evaluate the necrosis effect for two cement amount sizes introduced in a cortical and spongy bone tumor. The same computational models were reproduced introducing an endomedular nail in titanium and a femoral stem in cobalt-chrome material in pathological bone fractures.info:eu-repo/semantics/publishedVersio