Numerical analysis of timber-concrete composite beams in fire situation

As vigas mistas de madeira e concreto são formadas pela união de vigas de madeira a lajes de concreto armado por meio de conectores de cisalhamento. Quando os pisos mistos de madeira e concreto são comparados aos pisos construídos unicamente em madeira ou àqueles confeccionados somente em concreto armado é possível destacar algumas vantagens, incluindo o bom desempenho em situações de incêndio. Os elementos estruturais quando submetidos a ações térmicas sofrem redução de resistência e rigidez, sendo, desta forma, necessário conhecer as modificações sofridas por cada um de seus componentes, que para o caso estudado são: a madeira, o concreto e os conectores de cisalhamento. Desta forma, foi elaborada uma estratégia de modelagem numérica para o estudo de vigas mistas de madeira e concreto em situação de incêndio, utilizando o programa computacional ABAQUS, o qual é baseado no método dos elementos finitos. Em uma primeira etapa da pesquisa foram realizadas modelagens numéricas de vigas de madeira e mistas de madeira e concreto em temperatura ambiente, encontrando-se boa correlação entre as curvas força versus deslocamento no meio do vão obtida numericamente e por meio de ensaios disponíveis na literatura. Em seguida procedeu-se a calibração das propriedades térmicas e mecânicas da madeira brasileira, alcançando-se resultados numéricos próximos aos experimentais, seja em relação às temperaturas do elemento analisado seja em relação à curva de deslocamento vertical em função do tempo de incêndio. Por fim, a estratégia de modelagem termoestrutural desenvolvida para a viga mista de madeira e concreto forneceu curva de deslocamento vertical em função do tempo de incêndio semelhante à curva obtida por meio de modelo analítico disponível na literatura. Por meio do modelo elaborado foi possível observar que a elevação do nível de carregamento reduz o tempo de resistência do elemento estrutural e que a proteção térmica do concreto é essencial para aumentar o tempo até a ruptura da viga.Timber-concrete composite beams are formed by the union of timber beams to reinforced concrete slabs through of shear connectors. When timber-concrete composite floors are compared to timber floors or reinforced concrete floors it is possible to highlight some advantages, including good performance in fire situations. When subjected to thermal actions, structural elements suffer strength and stiffness reductions, being, therefore, necessary to know the modifications suffered by each of its components, which for the case studied are: timber, concrete and shear connectors. Thus, it is developed a numerical modeling strategy using the computational program ABAQUS, which is based on the finite element method, for the study of timber-concrete composite beams in fire situation. In the first stage of the research it was carried out a numerical modeling of timber beam and timber-concrete composite beam at room temperature, finding good correlation between the force versus displacement curves in the middle of the span obtained numerically and through tests available in the literature. Then, it was carried out the calibration of the thermal and mechanical properties of the Brazilian wood, reaching numerical results close to the experimental ones, either in relation to the temperatures of the analyzed element or in relation to the vertical displacement curve as a function of the fire time. Finally, the thermo-structural modeling strategy developed for the timber-concrete composite beam provided a vertical displacement curve as a function of the fire time similar to the curve obtained through an analytical model available in the literature. Through of the elaborated model it was possible to observe that the load level increase reduces the resistance fire time of the structural element and that the thermal protection of the concrete is essential to increase the rupture time of the beam