Análise computacional para a avaliação da resistência ao fogo em elementos construtivos de suporte em aglomerado de madeira com proteção

Abstract

A madeira representa um dos materiais mais utilizados pela humanidade há vários séculos e, desde muito cedo, tomou um lugar preponderante na engenharia e construção de edifícios. Com o desenvolvimento dos materiais de construção e da regulamentação relacionada com a segurança contra incêndio, a utilização de elementos em madeira tornou-se improvável. A madeira, sendo um material cujas propriedades variam consoante as condições de humidade, temperatura, carga, entre outros, é particularmente suscetível a alterações induzidas pelas elevadas temperaturas. Quando exposta a uma situação de incêndio, as propriedades da madeira degradam-se, fazendo com que ocorra a carbonização. A carbonização, apesar de garantir a proteção do núcleo interno da madeira, diminui a sua secção resistente, fazendo com que a resistência ao fogo dos elementos construtivos seja comprometida. A avaliação do comportamento da madeira sob condições de fogo é possível recorrendo a testes experimentais, modelos analíticos simplificados e, ainda, numéricos. De modo a colmatar eventuais dificuldades, na elaboração de testes experimentais e das aproximações realizadas aos métodos analíticos, os modelos numéricos permitem aumentar a verificação e a avaliação da resistência ao fogo de diferentes elementos construtivos em madeira de forma paramétrica. Assim, a presente dissertação aborda temáticas como as propriedades dos materiais em estudo, a ação do fogo e a sua relação com os elementos construtivos, bem como as metodologias realizadas por investigadores na avaliação da resistência ao fogo de elementos em madeira, considerando as normas europeias, eurocódigos, livros e estudos científicos sobre as diversas temáticas em função do principal objetivo dos três estudos realizados. O primeiro estudo apresenta um modelo numérico de validação experimental, aplicando o método dos elementos finitos. A validação dos resultados tem como base a evolução do campo de temperaturas, da carbonização e respetiva secção residual, assim como a aplicação do critério de isolamento térmico, de acordo com a norma EN 1363-1:2020. A metodologia utilizada permitiu obter um modelo numérico que verifica e se aproxima às condições existentes num ensaio experimental. Posteriormente, o segundo estudo consiste na avaliação da influência dos parâmetros geométricos associados aos modelos construtivos de suporte em madeira com proteção em gesso na resistência ao fogo. A metodologia aplicada permitiu concluir que, em simultâneo, uma menor distância entre centros, uma maior dimensão do montante de madeira em altura e largura, assim como uma maior espessura da placa de gesso, garantem um melhor desempenho da solução construtiva, quando exposta a condições de fogo padrão. Por último, no terceiro estudo apresentam-se duas aplicações analíticas de um método simplificado proposto, para a análise da resistência ao fogo de elementos construtivos de madeira protegidos com placas de gesso. A análise apresentou resultados inferiores ao expectável, reconhecendo que o método simplificado proposto adota um critério conservativo, quando comparado com os testes experimentais e análises numéricas obtidas.

Wood has been one of the most widely used materials by humanity for several centuries and since early on took a leading place in the engineering and buildings construction. With the development of building materials and fire safety regulations, the use of wood elements has become unlikely. Wood is a material whose properties vary depending on the conditions of moisture, temperature, and load, among others, particularly susceptible to changes induced by high temperatures. When exposed to fire situation, the wood properties degrade causing a char layer. Despite ensuring the protection of the internal core of the wood, char layer reduces its resistant section. Thus, compromising the fire resistance of the construction elements. The evaluation of wood behavior under fire conditions is possible using experimental tests, simplified analytical models, and numerical models. In order to overcome difficulties in the development of experimental tests and the approximations made to analytical methods, numerical models allow the verification and evaluation of the fire resistance of different wooden building elements in a parametric way. Thus, this dissertation addresses topics such as the properties of the materials under study, the fire action, and its relationship with building elements, as well as the methodologies carried out by researchers to assess the fire of wooden elements, considering European Standards, Eurocodes, books, and scientific studies on the various topics according to the main goal of the three studies carried out. The first study presents a numerical model for experimental validation, using the finite element method. The validation of the results is based on the evolution of the temperature field, char layer, and its residual section, as well as the application of the thermal insulation criterion according to EN 1362-1:2020. The methodology used made it possible to obtain a numerical model that verifies and approximates the existing conditions in an experimental test. The second study evaluates the influence of the geometric parameters associated with constructive models of wooden with gypsum plasterboard on fire resistance. The methodology applied led to the conclusion that, at the same time, a smaller distance between centers, a larger dimension of the wooden frame in height and width, as well as a greater thickness of gypsum plasterboard, guarantee a better performance of the constructive solution, when exposed to standard fire conditions. Finally, in the third study, two analytical applications of a proposed simplified method are presented for analyzing the fire resistance of wooden elements protected with gypsum plasterboard. The analysis showed lower than expected results, recognizing that the proposed simplified method adopts a conservative criterion, when compared to the experimental tests and numerical analyses obtained.