Confiabilidade estrutural de ligações de múltiplos parafusos de estruturas de madeira em situação de incêndio

Abstract

No dimensionamento de estruturas de madeira em situações normal e de incêndio, as ligações são geralmente os elementos críticos, em função da concentração de tensões imposta pela transmissão de esforços entre elementos da estrutura. Apesar disso, existem poucos trabalhos que apresentam análise probabilística de ligações e de elementos de madeira em geral, dificultando a realização de análises baseadas em desempenho. Esta tese propõe um modelo termomecânico para a análise da confiabilidade estrutural de ligações aço-madeira com múltiplos parafusos, com dois planos de cisalhamento, expostas à ação térmica segundo a curva de incêndio padrão, para a determinação do tempo de falha de forma probabilística. Um modelo termomecânico foi desenvolvido em duas fases desacopladas: uma para a determinação do campo de temperatura e outra para a determinação da capacidade mecânica da ligação. A determinação do campo de temperatura foi baseada no método dos elementos finitos, considerando as propriedades térmicas da madeira e do aço como isotrópicas e dependentes da temperatura, enquanto a determinação da capacidade de carga foi baseada na teoria de Johansen, modificada para incluir o método das propriedades reduzidas, que considera a influência da temperatura nas propriedades termomecânicas dos materiais. Foi calculado o erro do modelo termomecânico para a determinação do tempo de falha das ligações, comparando resultados experimentais e do modelo apresentado. Este cálculo do erro do modelo termomecânico é importante devido à grande variedade de espécies vegetais que dão origem a madeira e pela falta de ensaios de caracterização das propriedades físico-mecânicas das ligações analisadas. A análise da confiabilidade estrutural do tempo de falha foi realizada por meio de simulações de Monte Carlo, esta análise probabilística do comportamento de ligações em situação de incêndio pode levar a uma melhor avaliação das incertezas envolvidas e da influência delas no projeto de estruturas de madeira. Por meio da análise de sensibilidade, através dos índices de Sobol, mostrou-se que o erro do modelo termomecânico é a variável aleatória com maior importância relativa. A avaliação, pelo método Taguchi, dos principais fatores que influenciam no tempo de falha das ligações indicou a carga aplicada em situação de incêndio e a relação entre a espessura do elemento de madeira e o diâmetro do pino como fatores principais. A partir desta análise foram desenvolvidos ábacos de tempo de falha das ligações para a média e o percentil de 20% dos tempos de falha das distribuições de probabilidade que podem ser consultados para o pré-projeto de estruturas de madeiras em situação de incêndio.

Abstract: In the design of timber structures in normal and fire situations, connections are generally the critical elements given by the stress concentration in these elements imposed by the transmission of efforts between the elements of the structure. Despite this, there are few works on the probabilistic analysis of connections and timber elements in general, making performance-based analysis difficult. In this thesis is proposed a thermomechanical model for the analysis of the structural reliability of steel-timber connections with multiple dowels, with two shear planes, exposed to thermal action according to the standard fire curve, in order to determine the failure time in a probabilistic way. A thermomechanical model was developed in two uncoupled phases: one for the determination of the temperature field and the other for the determination of the mechanical capacity of the connection. The determination of the temperature field was based on the finite element method, considering the steel and timber thermal properties as isotropic and temperature dependent, while the determination of the load capacity was based on Johansen's theory, modified to include the reduced properties method, that consider the influence of temperature on the thermomechanical properties of materials. The thermomechanical model error for determining the failure time of connections was calculated by comparing theoretical and experimental results. This calculation of the thermomechanical model error is important due to the wide variety of plant species that give rise to timber and due to the lack of characterization tests of the physical-mechanical properties of the timber of the connections analyzed. The analysis of the structural reliability of the failure time was performed using Monte Carlo simulations, this probabilistic analysis of the behavior of connections in a fire situation can lead to a better assessment of the uncertainties involved and their influence on the design of timber structures. Through a sensitivity analysis, using the Sobol indices, it was shown that the thermomechanical model error is the random variable with the greatest relative importance. The evaluation of the main parameters that influence the failure time of the connections by the Taguchi method indicated the main parameters are the applied load in fire situation and the relationship between the thickness of the timber element and the diameter of the dowel. From this analysis, connections failure time charts were developed for the mean and the 20th percentile of the failure times of the probability distributions which could be used for the pre-design of timber structures in fire situation.