Modelo computacional para avaliação térmica e mecânica de estruturas em madeira

Abstract

Este trabalho tem como objectivo avaliar estruturalmente duas espécies de madeira, calculando a sua resistência ao fogo para diferentes cenários de incêndio, através da redução da sua secção. Utilizando o método de elementos finitos, com recurso ao programa de cálculo Ansys®, é desenvolvido um modelo computacional térmico que permite o cálculo da camada e da velocidade de carbonização. O cálculo do perfil de temperaturas para as diferentes secções em estudo, é obtido em regime transiente, considerando as propriedades térmicas não lineares do material, obedecendo ao (EN1995-1-2, 2003). Com base ainda no programa Ansys® é efectuada uma análise numérica estrutural em vigas, solicitadas por uma carga mecânica e sob influência da redução da secção recta, função do efeito térmico, para a determinação dos estados de tensão. A resistência mecânica é obtida, considerando as propriedades mecânicas ortotrópicas da madeira e função da temperatura. Com base em equações analíticas propostas para projecto, é efectuada uma comparação com os resultados numéricos. Outro objectivo é identificar a capacidade de carga última em vigas de madeira, função da imposição de um carregamento mecânico em simultâneo com uma acção térmica, de forma a prever futuras considerações nas opções de projecto. A grande finalidade deste estudo é contribuir com regras práticas de projecto, através da apresentação de gráficos de resistência ao fogo e de uma metodologia de cálculo simplificada, para a determinação do campo de tensões e da capacidade de resistente em vigas de madeira, submetidas a acções térmicas e mecânicas. The main objective of this work is to assess the structural performance of two different timber specimens, calculating the fire resistance due different fire scenarios, through timber cross-section reduction. Using the finite element method, with Ansys® program, a computational model is developed which allows the timber charcoal thickness and the charring rate determination. The temperature evolution, in all studied timber cross-sections, is obtained using a transient thermal analysis, including the non-linear thermal properties, according (EN1995-1-2, 2003). To characterize the stress state in beam components a structural numerical analysis will be conducted with Ansys® program, where all beams are submitted to a mechanical load and with the cross-section reduction influence due thermal effect. The mechanical strength is obtained, considering the orthotropic mechanical properties of wood material, dependent of the temperature. Based on proposed analytical design equations, a comparison with numerical results will be obtained. Another objective of this work is to identify the ultimate load capacity in wooden beams, function of mechanical loading condition in simultaneous with thermal effect, in prevention to future design options. The greater purpose of this study is to contribute with design practical rules, through fire resistance charts and a simplified calculation methodology, for stresses and ultimate load capacity calculation in wooden beams submitted to thermal and mechanical loading conditions