Influence of carbonization models on nonlinear geometric analysis of timber trusses in fire situation

Autor: Silva, Thiago Damasceno
Přispěvatelé: Christoforo, André Luis
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2022
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFSCAR
Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron:UFSCAR
Popis: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) In this work, a numerical study about the geometric nonlinear analysis of plane timber trusses in fire situations was carried out. The analysis was based on a positional formulation of the finite element method. The effects of fire exposure were considered by the carbonization and loss of the timber element's cross section according to the effective section method. The normative guidelines about carbonization models from the revision project of the Brazilian Standard ABNT NBR 7190, the European Standard EN 1995-1-2, and the Australian Standard AS 1720.4 were adopted in the analysis. Three truss systems were proposed for study, and five hardwoods and two softwoods were considered. In the models associated with the revision project of the Brazilian Standard, the charring rates of timber were defined according to experimental values from literature, while the charring rate values suggested by the normative guidelines were adopted in the models from European and Australian Standards. For the geometric nonlinear analysis, the finite element formulation was performed from the total potential energy minimization, whose nonlinear equations system was related to the nodal positions of the structure and solved by the Newton-Raphson method. The critical instability loads of truss systems were estimated by a procedure called iterative process of apparent critical load, which was proposed to reduce the number of iterations necessary for convergence. Computational codes were developed in the MATLAB language to process the analyses and the graphic design, as structural models and diagrams. Regarding the results obtained for a maximum time of fire exposure of 20 minutes, the geometric nonlinear analysis allowed more precise values than a simple geometric linear analysis for normal stresses, internal forces and displacements. In some cases, the results referring to the fire exposed models analyzed from the revision project of the Brazilian standard guidelines exhibited little variation relating to the Australian standard, while the final parameters obtained from the European standard procedures were less conservative in general. The iterative process of apparent critical load, when compared to a conventional procedure, promoted iterations and time reductions greater than 80% for convergence of the truss critical instability load. Neste trabalho desenvolveu-se um estudo numérico sobre a análise não linear geométrica de treliças planas de madeira em situação de incêndio, a partir de uma formulação posicional do método dos elementos finitos. A situação de incêndio foi considerada conforme a redução das dimensões da seção transversal dos elementos de madeira, devido à exposição ao fogo e consequente carbonização das camadas externas das barras, por meio do método da seção transversal reduzida. Os modelos normativos referentes ao projeto de revisão da norma brasileira ABNT NBR 7190, à norma europeia EN 1995-1-2 e à norma australiana AS 1720.4 foram adotados nas análises em situação de incêndio. Três sistemas treliçados foram propostos para estudo, e cinco madeiras folhosas e duas coníferas foram consideradas. As taxas de carbonização das madeiras foram definidas de acordo com valores experimentais mencionados na literatura para os modelos associados ao projeto de revisão da norma brasileira, enquanto nos modelos baseados nas normas europeia e australiana foram adotados valores de taxa indicados pelos próprios códigos normativos. Para a análise não linear geométrica, a formulação do elemento finito foi realizada a partir da minimização da energia potencial total, cujo sistema de equações não lineares em relação às posições nodais da estrutura foi resolvido segundo o método de Newton-Raphson. Para estimativa de forças crítica de instabilidade dos sistemas treliçados, um procedimento denominado processo iterativo da força crítica aparente foi proposto para reduzir a quantidade de iterações necessárias para convergência. Códigos computacionais foram desenvolvidos em linguagem MATLAB para possibilitar o processamento das análises, assim como a geração de diversas representações dos modelos estruturais e diagramas. Com relação aos resultados obtidos para um tempo máximo de exposição ao fogo de 20 minutos, verificou-se que a análise não linear geométrica foi pertinente, tendo possibilitado valores de tensões normais, esforços internos e deslocamentos mais precisos que uma simples análise linear geométrica. Além disso, em alguns casos, os resultados referentes à situação de incêndio de modelos analisados conforme as especificações do projeto de revisão da norma brasileira apresentaram pouca variação em relação à norma australiana, enquanto os parâmetros alcançados segundo as prescrições da norma europeia foram menos conservadores em geral. Já o processo iterativo da força crítica aparente, quando comparado a um procedimento convencional, promoveu uma redução superior a 80% na quantidade de iterações e tempo necessário para convergência da força crítica de instabilidade dos sistemas treliçados. 1770699
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: