Análises termomecânicas via método dos elementos finitos de vigas de madeira de Pinus sp. reforçadas com barras de aço: Influência do reforço no aumento do tempo de exposição ao fogo

A crescente demanda por soluções construtivas sustentáveis tem impulsionado o uso de materiais renováveis na construção civil, entre os quais a madeira destaca-se por suas qualidades estruturais, baixo impacto ambiental e excelente desempenho térmico. No Brasil seu uso estrutural obteve avanços, embora persistam desafios que limitam sua adoção em larga escala, em contraste com países de tradição consolidada em sua utilização. O advento da madeira engenheirada possibilitou seu emprego em estruturas intricadas submetidas a diferentes tipos de carregamentos. No que concerne à complexidade, a madeira é um material anisotrópico com comportamento ortotrópico, impondo reptos adicionais para sua análise estrutural. Em situações de incêndio, a madeira sofre degradação progressiva por carbonização, o que afeta diretamente sua resistência mecânica. Nesse tocante, a NBR 7190:2022 não dedica uma seção para abordagem sobre esse assunto, evidenciando uma lacuna normativa. Todavia, ao contrário de materiais como o aço, a madeira possui uma taxa de perda de desempenho mais lenta, o que pode resultar em tempos significativos de resistência ao fogo, desde que suas propriedades sejam corretamente consideradas em projeto. Nesse contexto, o reforço de elementos estruturais de madeira com barras de aço ou compósitos vem sendo investigado como alternativa para aumentar a resistência mecânica, controlar deformações e ampliar o tempo de colapso sob exposição ao fogo. Conforme delineado na literatura, reforços podem atuar de forma sinérgica com o comportamento da madeira, especialmente quando embutido na zona tracionada da seção transversal. Entretanto, a interação entre materiais distintos, com diferentes coeficientes de dilatação térmica, e o comportamento da interface adesiva sob temperatura elevada ainda carecem de estudos mais aprofundados. Realizou-se neste trabalho um levantamento robusto da literatura acadêmica e de bases de dados de propriedades intelectuais, reproduziu-se computacionalmente ensaios experimentais extraídos da literatura, validou-se modelos numéricos em temperatura ambiente e em altas temperaturas e alvitrou-se uma abordagem termomecânica acoplada para o estudo paramétrico. A posteriori, investigou-se o comportamento termomecânico de vigas de madeira reforçadas com barras de aço, por meio de um estudo paramétrico sólido com 168 configurações distintas (variações geométricas, posição dos reforços, diâmetro das barras) submetidas ao processamento numérico, e, adicionalmente, se propôs, via regressão simbólica, uma expressão matemática altamente interpretável, com coeficiente de determinação R² = 0,9845 para determinação do tempo de ruptura de vigas de madeira de Pinus sp., reforçadas ou não, em condição de incêndio. O resultado do levantamento da literatura identificou uma inópia crítica de trabalhos com proposta de análise do comportamento da madeira reforçada em situações de incêndio, sobretudo em escala real. Em relação aos resultados termomecânicos, esses sugerem uma tendência monotônica no aumento do tempo de resistência ao fogo de vigas reforçadas com barras de aço com menor inércia de até 122,90% e uma tendência não-linear clara para vigas de maior inércia, onde os ganhos estão mais concentrados na esfera mecânica. Observou-se que a taxa de redução gradual da rigidez tem forte dependência do vão da viga durante o processo de degradação térmica. Vigas de menor seção apresentaram maior sensibilidade a degradação térmica, enquanto vigas de maior seção exibiram ganhos relativamente modestos no tempo de resistência ao fogo. Não obstante, o aumento do diâmetro das barras favorece a distribuição das tensões da seção remanescente e que a alocação na zona mais tracionada resulta em um melhor desempenho. Conclui-se que o reforço metálico constitui uma solução eficaz e viável, fornecendo subsídios sólidos para o dimensionamento seguro de estruturas de madeira em situação de incêndio.

Resumo (inglês)

The growing demand for sustainable construction solutions has driven the use of renewable materials in civil engineering, among which timber stands out due to its structural qualities, low environmental impact, and excellent thermal performance. In Brazil, its structural use has advanced, although challenges persist that limit its large-scale adoption, in contrast to countries with a well-established tradition in timber construction. The advent of engineered wood has enabled its application in complex structures subjected to different types of loading. Regarding its complexity, timber is an anisotropic material with orthotropic behavior, imposing additional challenges for structural analysis. Under fire conditions, timber undergoes progressive degradation through charring, which directly affects its mechanical strength. In this regard, ABNT NBR 7190:2022 does not dedicate a specific section to this subject, highlighting a normative gap. However, unlike materials such as steel, timber exhibits a slower rate of performance degradation, which may result in significant fire resistance times, provided that its properties are properly considered in design. In this context, the reinforcement of timber structural elements with steel bars or composites has been investigated as an alternative to enhance mechanical resistance, control deformations, and extend the time to collapse under fire exposure. As outlined in the literature, reinforcements may act synergistically with timber behavior, especially when embedded in the tension zone of the cross-section. Nevertheless, the interaction between distinct materials with different thermal expansion coefficients, as well as the behavior of the adhesive interface under elevated temperatures, still require further investigation. This study proposed a comprehensive survey of academic literature and intellectual property databases, the computational reproduction of experimental tests reported in the literature, the validation of numerical models at ambient and elevated temperatures, and the proposal of a coupled thermomechanical approach for parametric analysis. Subsequently, the thermomechanical behavior of timber beams reinforced with steel bars was investigated through a robust parametric study comprising 168 distinct configurations (geometric variations, reinforcement position, and bar diameter) processed numerically. Additionally, a highly interpretable mathematical expression was proposed via symbolic regression, with a coefficient of determination R² = 0.9845, to estimate the failure time of Pinus sp. timber beams, reinforced or not, under fire conditions. The literature survey revealed a critical scarcity of studies addressing the behavior of reinforced timber under fire, particularly at full scale. Regarding the thermomechanical results, a monotonic trend was observed in the increase of fire resistance time for beams with lower inertia, reaching gains of up to 122.90%, whereas a clear non-linear trend was identified for beams with higher inertia, where improvements are more concentrated in the mechanical domain. It was also observed that the gradual reduction in stiffness is strongly dependent on the beam span during thermal degradation. Beams with smaller cross-sections showed higher sensitivity to thermal degradation, while larger sections exhibited relatively modest gains in fire resistance time. Furthermore, increasing the bar diameter enhances stress redistribution in the residual cross-section, and placing the reinforcement in the most tensioned zone leads to improved performance. It is concluded that steel reinforcement constitutes an effective and viable solution, providing solid support for the safe design of timber structures under fire conditions.

Palavras-chave

Desempenho termomecânico , Resistência ao fogo , Madeira reforçada com aço , Simulação termomecânica acoplada , Vigas de madeira Pinus

Idioma

Português

Citação

MENEGHETTI, Ezequiel Menegaz. Análises termomecânicas via método dos elementos finitos de vigas de madeira de Pinus sp. reforçadas com barras de aço: influência do reforço no aumento do tempo de exposição ao fogo. 2026. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Universidade Estadual Paulista (UNESP), Faculdade de engenharia, Ilha Solteira, 2026.