Julio Cesar Gonçalves da Silva
Título
Modelo para Análise Fluido-Termo-Mecânica de Estruturas Metálicas e Mistas Aço-Concreto sob Incêndio
Resumo
Este trabalho apresenta a investigação numérico-computacional de um procedimento de acoplamento unidirecional entre modelos de fluido e termo-mecânico para a análise de estruturas mistas aço-concreto em incêndio. A primeira etapa da análise consiste no desenvolvimento da dinâmica de incêndio, que é calculada por um modelo 3D de Dinâmica de Fluidos Computacional (programa Smartfire). A variação de temperatura em função do tempo nos elementos expostos ao incêndio é realizada na segunda etapa da análise. Finalmente, o comportamento estrutural é analisado por um modelo baseado no Método dos Elementos Finitos (programa Vulcan), e inclui a variação das relações constitutivas dos materiais, para diferentes temperaturas, conforme as partes 1.2 dos Eurocodes. O modelo estrutural 3D utilizado permite a identificação de modos de falha locais e globais para pilares, vigas e lajes sob ação de carregamentos externos e de incêndio, no qual, efeitos não-lineares de segunda ordem como membrana e catenária são considerados na análise. Um estudo de caso real é analisado com a ajuda do procedimento computacional proposto. Os resultados obtidos indicam que modelos acoplados 3D como os tratados neste trabalho, podem ser incorporados em análises de projeto em situação de incêndio, representando verificações mais realísticas e econômicas do que as usualmente realizadas.
Abstract
This paper presents a numerical investigation on an unidirectional coupling procedure between fluid and thermo-mechanical modeling for assessing composite steel-concrete structures under fire conditions. The first stage of the analysis consists of the evaluation of fire dynamics, which is performed by a 3D Computational Fluid Dynamics (CFD) model (Smartfire program). The temperature variation of fire-exposed members is performed on the second-phase of the analysis, accounting for the fire elapsed time, obtained CFD heat fluxes, and temperature-dependent thermal properties of materials. Finally, structural behavior is evaluated by a FE-based approach (Vulcan program) including stress–strain-temperature relationships for steel and concrete, as covered by parts 1.2 of Eurocodes. The performed 3D-FEM structural model allows for the identification of local and global failure modes for columns, beams, and slabs. In which, second order effects, such as membrane and catenary actions are accounted for in the non-linear mechanical analysis. A real case study is analyzed with help of the proposed CFD-FEM approach. Obtained results indicate that coupled 3D fluid-thermal-mechanical models can be incorporated into current fire-design analysis, representing a more realistic and economical fire-design verifications.
