No presente trabalho, destaca-se a utilização de técnicas computacionais avançadas com o intuito de investigar a capacidade resistente de pórticos em aço em situação de incêndio. A modelação do comportamento deste fenômeno exige conhecimento do desempenho estrutural sob condições altamente não lineares, onde estão presentes grandes deformações, degradação dos materiais, instabilidades numéricas, etc.
É importante ressaltar que os estudos numéricos desta dissertação se dividiram em duas grandes etapas: a primeira para modelagem do fenômeno de transferência de calor e a segunda para avaliação da parte termomecânica acoplada ao fenômeno da transferência de calor.
A simulação da termocinética envolveu o emprego de diversos perfis metálicos, onde observou- se o comportamento do fluxo de calor no interior de vigas e colunas. Foi identificado que a variação de temperatura experimentada pelas colunas é maior do que àquela experimentada pelas vigas. Neste estágio foram aplicados os conceitos gerais envolvendo o fenômeno do incêndio e os fenômenos da transferência de calor.
O estudo numérico da transferência de calor foi crucial não somente pelo entendimento fornecido à cerca da propagação de energia térmica no interior do elemento estrutural, mas também, por fornecer como dados de saída (output) a temperatura do aço. De fato, a ação térmica obtida é utilizada como condição predefinida (predefined field) no step 2 da modelagem termomecânica, sendo de vital importância sua determinação para esta análise. A temperatura dos elementos do pórtico, também, pode ser determinada com a utilização de expressões analíticas fornecidas por normas, no Brasil pela ABNT NBR 14323:2013.
Para o estudo termomecânico, foram utilizados os resultados do ensaio experimental de Rubert e Schaumann (grandemente difundido na literatura). Neste teste, os pórticos em aço foram carregados (até uma carga limite que foi mantida constante) e aquecidos por dispositivos elétricos. Numericamente, esta sequência de passos foi tomada, para simular a resposta estática, o solver Static General foi adotado, enquanto que a resposta termomecânica (campo de temperatura sobre um campo de deformações previamente estabelecidos), foi obtida pelo algoritmo Dynamic Implicit.
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A boa concordância entre as curvas numéricas e experimentais mostram que a metodologia empregada nesta dissertação é capaz de simular o comportamento de pequenas estruturas em aço em situação de incêndio. Os resultados deste estudo tendem a convergir para a temperatura crítica do sistema estrutural, onde as limitações do algoritmo não permitem identificar os mecanismos de colapso estrutura tais como: redistribuição de esforços, ação de membrana e catenária, processo de formação de rótulas plásticas, etc.
Nesse sentido, é importante destacar, também, que o estudo do comportamento de elementos estruturais isolados sob altíssimas temperaturas é fundamental na análise da degradação propriedades mecânicas e térmicas das peças estruturais. Através dele é possível compreender como os efeitos térmicos desencadeiam o surgimento de tensões adicionais e grandes deformações na estrutura, deixando-a mais propícia à formação de um mecanismo de ruptura. Entretanto, a resposta de qualquer estrutura submetida a ação do fogo depende, também, das interações entre os elementos da estrutura.
Dado um incêndio em um edifício de múltiplos pavimentos, é fundamental estimar o tempo de resistência ao fogo dessa estrutura (TRRF). Isto porque, não somente a vida das pessoas que estão na edificação encontra-se em risco, mas também, a integridade da equipe de resgate (corpo de bombeiros, brigada de incêndio, etc). Com esta preocupação, neste trabalho, procurou-se, fornecer bases para o desenvolvimento de ferramentas computacionais que sejam capazes de capturar, de forma rápida e confiável, o tempo que uma estrutura em aço leva para eclodir.
De fato, ao longo da dissertação, foi possível elencar e testar uma série de recomendações práticas para esta finalidade:
Os elementos articulados do tipo beam, utilizados para desenhar os pórticos, proporcionam redução no custo computacional e nas técnicas de modelagem em comparação com outro modelo utilizando elementos volumétricos do tipo sólido; O algoritmo de resolução implícito é um método de manuseio com curva de
aprendizagem mais acentuada quando se comparado com o método explícito, pois não exige domínio das técnicas de redução do tempo de processamento (time scaling e mass scaling), comumente, observadas nas análises explícitas;
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A aplicação do conceito do fator de massividade, por dispensar a modelagem dos fenômenos da transferência de calor, também contribui para uma avaliação mais acelerada do fenômeno;
Pela complexidade à cerca do manuseio do software ABAQUS, observou-se a necessidade em desenvolver as simulações em softwares mais acessíveis aos escritórios de engenharia, tais como SAP2000, FTOOL, ANSYS, entre outros, pela sua versatilidade.
Finalmente, acredita-se que através dos estudos numéricos desenvolvidos nesta dissertação e com os resultados obtidos foi possível obter uma melhor compreensão à cerca do comportamento de configurações estruturais conjuntas e elementos isolados sob altíssimas temperaturas colaborando, desse modo, para o estudo dos danos em estruturas metálicas provocados pelo fogo.
Baseado no que foi apresentado, são elencados como propostas de trabalhos futuros os seguintes de temas:
Resolver o mesmo problema pelo método dinâmico explícito e expandir para estruturas maiores, em seguida validar com outros dados experimentais com objetivo e simular o colapso progressivo;
Desenvolver, através de cálculos por aproximações sucessivas, um algoritmo que possibilite estimar o tempo que uma edificação de andares múltiplos leva para ruir, quando o incêndio se instala em um ou vários de seus compartimentos;
Realizar ensaios experimentais com o aquecimento da estrutura conduzido por termopares e confrontar com os resultados obtidos por outros testes em estruturas aquecidas por incêndios reais;
Estudar a influência dos tipos de ligações viga-pilar para a situação excepcional de incêndio;
Modelar o comportamento de uma estrutura global 3D (com elementos volumétricos do tipo sólido) com objetivo de avaliar, de modo mais preciso, o desempenho termomecânico e computacional.
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