Análise numérica de vigas de madeira laminada colada reforçadas em situação de incêndio

Abstract

A Madeira Laminada Colada (MLC) é um material estrutural amplamente utilizado em países da Europa e da América do Norte. Existe, nesses países, uma crescente tendência do uso de elementos de MLC reforçados, seja para aumentar a capacidade portante de membros ou reforçar elementos já em uso que foram danificados. Apesar dessa tendência, no Brasil, o uso deste material, reforçado ou não, ainda é reduzido. A preocupação com a combustibilidade da madeira pode ser uma das explicações para este fato, pois, quando em situação de incêndio, as vigas de MLC podem ter sua camada exterior carbonizada e seu interior aquecido, o que resulta em perda da seção transversal do elemento e redução das propriedades mecânicas da madeira, que ocasiona perda no desempenho mecânico destas. Por isso, existe a necessidade de se avaliar o comportamento da MLC reforçada em situação de incêndio. O objetivo deste trabalho é desenvolver um modelo numérico para análise de vigas de madeira laminada colada com reforços de fibra de carbono e chapa de aço em situação de incêndio a fim de estimar o tempo de falha e os deslocamentos transversais máximos das vigas. Neste trabalho, foi desenvolvido um modelo numérico termomecânico, utilizando o software ANSYS, para a obtenção da distribuição da temperatura no interior das vigas para por meio de uma análise térmica transiente e, posteriormente, por meio de uma análise mecânica, determinar os deslocamentos transversais das vigas. O tempo resistência ao fogo das vigas foi determinado utilizando o Método dos Momentos Fletores Resistentes (MMFR), que foram obtidos por meio de rotina programada no software MATLAB R2013a, e, para as vigas sem reforço, também foi utilizado o Método da Seção Reduzida (MSR). Foi avaliada também a influência dos reforços no desempenho mecânico das vigas em MLC em situação de incêndio e foi constatado que a presença de PRFC nas vigas aumentou o tempo de falha e diminuiu seus deslocamentos transversais. A presença do aço, apesar de aumentar o tempo de falha, fez com que, a partir de determinado tempo, os deslocamentos transversais da viga fossem superiores aos da viga em MLC sem reforço. O modelo numérico desenvolvido foi validado com dados experimentais obtidos na literatura e os resultados obtidos demonstraram que o modelo desenvolvido descreve adequadamente a evolução dos deslocamentos e o tempo de falhas das vigas de MLC com reforço de aço e sem reforço. Porém, para vigas com reforço de PRFC, o modelo necessita de aperfeiçoamento para a determinação do tempo de resistência ao fogo, apesar de descrever corretamente a evolução dos deslocamentos destas.<br>

Abstract: Glued Laminated Wood (glulam) is a structural material widely used in countries in Europe and North America. There is a growing tendency in these countries to use reinforced glulam elements, either to increase the carrying capacity of members or to reinforce elements already in use that have been damaged. Despite this trend, in Brazil, the use of this material, reinforced or not, is still reduced. Concern about wood combustibility may be one of the explanations for this fact, because when in fire situation, the glulam beams may have their outer layer charred and their interior heated, which results in loss of the element?s cross section and reduction of the wood?s mechanical properties, which causes loss in their mechanical performance. Therefore, there is a need to assess the behavior of the reinforced glulam in fire situation. The objective of this work is to develop a numerical model for analysis of glulam beams reinforced with carbon fiber reinforcements (CFRP) and steel plate in fire situation in order to estimate the failure time and the maximum transverse displacements of the beams. In this work, a thermomechanical numerical model was developed, using the ANSYS software, to obtain the temperature distribution inside the beams to, by means of a transient thermal analysis, and subsequently, by means of a mechanical analysis, to determine the transverse displacements of the beams. The fire resistance time of the beams was determined using the resistant bending moments method, which was obtained through a routine programmed in the MATLAB R2013a software, and for the non-reinforced beams, the reduced cross section method was also used. It was also evaluated the influence of reinforcements on the performance of glulam beams in fire and it was found that the presence of CFRP in the beams increased the failure time and decreased the transverse displacements. The presence of steel, despite increasing the failure time, made that, from a certain time, the transverse displacements of the beam were higher than those of the glulam beam without reinforcement. The developed numerical model was validated with experimental data obtained in the literature and the results showed that the developed model adequately describes the displacement evolution and the failure time of the steel reinforced and non-reinforced glulam beams, but for CFRP reinforced beams the model needs improvement for the determination of the fire resistance time, despite correctly describing the evolution of their displacements.