Análise térmica e mecânica de ligações aço-madeira solicitadas à tração e ao fogo

Com a crescente preocupação das alterações climáticas, a utilização da madeira na construção é apresentada como uma solução a este problema. A principal razão prendese com a contribuição positiva no ciclo de carbono, sendo que para além deste aspeto, a madeira consegue apresentar boas características de resistência ao fogo como também uma boa relação entre a resistência mecânica e a massa volúmica. Com este trabalho, inicialmente efetuou-se uma revisão bibliográfica dos temas inerentes à análise termomecânica de três tipos de ligações aço-madeira com cavilhas metálicas, nomeadamente: ligações totalmente em madeira (WWW) e ligações com elementos internos ou externos em aço (WSW e SWS). Abordaram-se os temas relativos às propriedades mecânicas e térmicas dos materiais das ligações; os processos envolvidos na combustão da madeira; as normas aplicáveis no dimensionamento das ligações e os modos de transferência de calor envolvidos numa situação de incêndio. Após essa revisão de literatura, concluiu-se que existe uma lacuna de estudos na quantificação da resistência da madeira ao fogo, comparativamente a outros materiais. Adicionalmente, a revisão bibliográfica, possibilitou um conhecimento e a compreensão para uma base mais clara do tema a ser desenvolvido na dissertação de mestrado. Para o desenvolvimento do tema de dissertação, apresentou-se uma análise numérica termomecânica de diferentes tipos de ligações aço-madeira com cavilhas em aço, solicitadas à tração quando expostas ao fogo. Foram considerados três tipos de materiais de madeira com massa volúmica distinta. As simulações realizadas permitem determinar o campo de tensões de origem térmica e mecânica, através de um problema de análise conjunta numérica. Inicialmente calculou-se o campo de temperaturas nas ligações, através de uma análise térmica em regime transiente. O perfil de temperatura calculado, correspondente a um determinado instante de exposição ao fogo, que em conjunto com uma carga de tração incremental, permitiu determinar a resistência mecânica máxima da ligação. Além disso, os resultados numéricos permitiram verificar a influência da massa volúmica da madeira, na resistência mecânica da ligação exposta ao fogo. Como conclusão geral, a capacidade de carga diminui com a exposição ao fogo e com a menor massa volúmica do material em madeira.With the growing concern about climate change, the use of wood in construction presents itself as a solution to this problem. The main reason is related to the positive contribution to the carbon cycle, and in addition to this aspect, wood can present good fire resistance characteristics, as well as a good relationship between mechanical strength and density. With this work, a bibliographic review was initially carried out on the themes inherent to the thermomechanical analysis of three types of steel-wood connections with steel dowels, namely: connection only in wood material (WWW) and connections with internal or external steel plate elements (WSW and SWS). Topics related to the mechanical and thermal properties of connection materials were addressed; the processes involved in the combustion of wood; applicable standards in the design of connections and the modes of the heat transfer involved in a fire situation. After this literature review, it was concluded that there is a gap in studies for the wood fire resistance and its quantification, compared with other materials. In addition, the literature review enabled knowledge and understanding for a clearer basis of the subject to be developed in the master thesis. For the development of the thesis subject, a thermomechanical numerical analysis of different types of steel-wood connections with steel dowels, in tensile when exposed to fire, was presented. Three types of wood materials with different densities were considered. The simulations carried out make it possible to determine the thermal and mechanical stresses, through a numerical analysis problem. Initially, the temperature field in the connections was calculated, through a transient and thermal analysis. The calculated temperature profile, corresponding to a given time instant of fire exposure, which together with an incremental tensile load, allowed the determination of the maximum mechanical strength of the connection. Furthermore, the numerical results made it possible to verify the influence of wood density on the mechanical strength of the connection exposed to fire. As a general conclusion, the load-bearing capacity in the connection decreases with fire exposure and with lower wood density