Estudo numérico do comportamento térmico e mecânico de estruturas em madeira

Os materiais em madeira apresentam uma utilização recente em aplicações estruturais. Para o cumprimento das normas de segurança, este tipo de elementos devem possuir resistência mecânica suficiente para garantir as condições de projecto. A madeira é um material natural e é sujeito a constantes alterações. A grande vulnerabilidade da madeira, em situação de acidente, requer uma avaliação térmica e mecânica rigorosa, bem como a sua determinação. A combustão e os fenómenos químicos que ocorrem na madeira durante uma situação de incêndio, conduzem a um estudo de um caso complexo. Quando estruturas em madeira são expostas a altas temperaturas é formada uma camada superficial de carvão que perde as suas características, mas actua como um isolante, impedindo a propagação do calor para o interior da secção. Neste trabalho é apresentado um modelo numérico térmico não linear para o cálculo da espessura da camada carbonizada e velocidade de carbonização das espécies de pinheiro e cedro vermelho, utilizando o método dos elementos finitos. Os resultados obtidos são comparados com os valores simplificados do Eurocódigo 5 (EC5) e com valores obtidos analiticamente por outros autores. É apresentado um método experimental para determinação da camada carbonizada na madeira sendo os resultados comparados com o modelo numérico. Apresenta-se ainda uma metodologia de cálculo simplificado para a determinação do campo de tensões em elementos estruturais de madeira submetidos a altas temperaturas, baseado na determinação da secção resistente do elemento. Este modelo analítico é comparado com os resultados numéricos obtidos através de uma análise por elementos finitos com base num modelo térmico e mecânico, utilizando as propriedades ortotrópicas do material. Timber materials present a new use for structural applications. In compliance with the safety rules, this type of elements should have sufficient mechanical resistance to guarantee the design functions. Timber is a natural material and is subject to constantly changing influences. The high timber vulnerability, due accidental situation, requires the rigour of the thermal and mechanical assessment and their determination. During an accidental situation, the combustion and the chemical phenomena developed in this type of material are a complex study issue. When timber structures are exposed to high temperatures, the burned wood is transformed in a char layer, which loses all strength, and insulates the core of the element. This work presents a thermal non-linear numerical model, for calculating the char layer thickness and charring rate of the pine and white cedar, using the finite element method. The results are compared with the simplified values according to the Eurocode 5 (EC5), and analytical values from others authors. Is presented an experimental method for the charring rate determination and the results are compared with the numerical method. Is also presented a simplified method, for determining the stresses field in structural timber components, when submitted to high temperatures, based on effective cross-section determination. This analytical model is compared with the numerical results from the finite elements, based in the thermal and mechanical analysis, using orthotropic material properties