Abstract This article presents a numerical formulation based on finite element procedures for application in nonlinear thermo-mechanical analyses of steel planar structures under fire condition. The mechanical properties of structural elements degrade when subjected to high temperatures, resulting in significant reductions in strength and stiffness. Under these conditions, the structures present complex behaviors associated with nonlinear models, requiring an advanced mathematical analysis. As such, a computer program called NASEN has been developed to investigate the behavior of steel structures subjected to fire, considering the effects of geometric and material nonlinearity, as well as the thermal gradients acting on the cross-section. The solution strategy is based on sequential coupling of numerical processes. Initially, the two-dimensional thermal field is determined, followed by an assessment of structural behavior. In each solution step, corrective processes are implemented to ensure convergence of the temperature and displacement nodal vectors. Numerical experiments are performed in order to evaluate the accuracy and capacity of the computer program. Results are compared with experimental tests and computer simulations found in pertinent literature. The program shows good agreement with reference solutions, indicating its accuracy and applicability for the cases studied.

RESUMO A madeira lamelada colada (MLC) possui inúmeras vantagens, podendo ser utilizada em diversos projetos com diferentes dimensões. O objetivo desta pesquisa foi avaliar as propriedades físicas e mecânicas da madeira do híbrido de E. grandis × E. urophylla visando a produção de elementos de MLC colados com os adesivos resorcinol-formaldeído (RF) e poliuretano de mamona (PUR) separadas em duas classes de densidade. A partir dos ensaios determinou-se a massa específica aparente, o teor de umidade, a retração, o inchamento, a resistência ao cisalhamento da madeira, a resistência ao cisalhamento na linha de cola, a resistência à compressão normal às fibras, o módulo de elasticidade. A partir dos resultados observou-se que a madeira do híbrido de E. grandis × E. urophylla apresentou resultados satisfatórios para ser utilizada na fabricação de elementos de MLC, sobretudo naquelas em que foram utilizadas tábuas de maior densidade aparente (≥ 0,587 g.cm-3) e colados com o adesivo resorcinol-formaldeído (RF).

ABSTRACT Glued laminated timber (glulam) has many advantages and can be used in various projects with different dimensions. The objective of this research was to evaluate the physical and mechanical properties of the timber from the hybrid E. grandis × E. urophylla, aiming at the production of glulam elements glued with the resorcinol-formaldehyde and castor polyurethane, separated in two density classes. From the tests, it was determined the apparent specific mass, the moisture content, the shrinkage, the swelling, the shear strength of the wood, the shear strength in the glue line, the resistance to normal compression to the fibers, and the modulus of elasticity. From the results it was observed that the wood of the hybrid of E. grandis × E. urophylla presented satisfactory results to be used in the manufacture of glulam elements, especially in those in which boards of greater apparent density were used (≥ 0.587 g.cm-3) and bonded with the resorcinol-formaldehyde adhesive.

resumo: O presente artigo tem como objetivo o desenvolvimento de um modelo computacional com base nos procedimentos do método dos elementos finitos. A análise avançada é capaz de estimar o comportamento de estruturas planas de concreto armado e, mistas de aço e concreto em situação de incêndio. O programa computacional implementado é denominado de NASEN e, utiliza um módulo termo-estrutural específico para análise de estruturas em condição de incêndio. Incorpora-se ao modelo os efeitos da não linearidade geométrica, não linearidade do material e gradientes térmicos não lineares, bem como a degradação das propriedades dos materiais com aumento da temperatura. A metodologia aplicada para solução tem como base o acoplamento unidirecional das soluções térmicas e mecânicas. As seções transversais dos elementos estruturais são discretizadas com malhas bidimensionais para análise térmica, enquanto a análise estrutural utiliza elemento unidimensional de viga-coluna. Exemplos numéricos são apresentados para demonstrar a precisão do código computacional desenvolvido em relação as soluções numéricas e experimentais encontradas na literatura. O programa computacional prevê adequadamente a resposta das estruturas estudadas.

abstract: This paper is concerned on the development of a computational model based on finite element procedures for advanced analysis capable of estimating the behavior of reinforced concrete and composite steel-concrete plane structures exposed to fire. The program implemented is called NASEN, the specific thermo-structural module is used to analyze structures under fire conditions. The effects of geometric nonlinearity, material nonlinearity and nonlinear thermal gradients are incorporated into the model, as well as the degradation of material properties with increased temperature. The methodology applied for the solution is based on the unidirectional coupling of the thermal and mechanical solutions. The cross-sections of the structural elements are discretized with two-dimensional meshes for thermal analysis, while the structural analysis uses a one-dimensional beam-column element. Numerical examples are presented to demonstrate the accuracy of the computational code developed in relation to the numerical and experimental solutions found in the literature. In summary, the program adequately predicted the response of the studied structures.

Resumo O diafragma externo na ligação entre viga metálica de seção I e pilar metálico tubular de seção circular tem por objetivo o aumento na eficácia da transferência dos esforços. A proposta é dar alternativas ao uso desse sistema estrutural, reduzindo a limitação imposta por sua simples ligação ao se adicionar esse elemento, similar a um anel, que envolve o pilar e é conectado à mesa da viga. As pesquisas com diafragma externo tiveram início na década de 1970 no Japão, onde foram feitas análises teóricas e experimentais de sua aplicação. No Brasil os primeiros estudos ocorreram em 2005, porém as normas de estruturas em aço brasileiras ainda não abordam esse assunto. Neste trabalho são feitas análises numéricas da ligação com diafragma externo entre viga de seção I e pilar tubular de seção circular para diferentes larguras e espessuras desse enrijecedor, em que é constatado o considerável aumento da resistência e da rigidez da ligação.

Abstract The external diaphragm in the connection between an I metal beam section and a hollow section tubular column is designed to increase efficiency in transfer of its efforts. This study aims at offering alternatives to the use of this structural system, reducing the limit imposed by its simple connection when this element is added, like a ring that surrounds the column and is connected to the beam flange. Studies investing the external diaphragm began in the 1970s in Japan, where theoretical and experimental analyses of its application were carried out. In Brazil, the first studies took place in 2005, but Brazilian steel structure standards have not yet addressed this issue. In this study numerical analyses were performed on connections with external diaphragm between I-beam section and hollow section tubular column for different widths and thicknesses of this stiffener. The analyses showed that there was considerable increase in the strength and stiffness of the connection.

A segurança estrutural, em situação de incêndio, é verificada quando o valor de cálculo do esforço resistente de cada um dos elementos da estrutura é maior ou igual ao valor de cálculo dos respectivos esforços solicitantes. No domínio das temperaturas, essa verificação significa que a temperatura crítica do elemento estrutural deve ser superior ou igual à temperatura atuante. As atuais normas brasileiras NBR 14323:1999 - "Dimensionamento de estruturas de aço de edifícios em situação de incêndio - Procedimento" e NBR 14432:2000 - "Exigência de resistência ao fogo de elementos construtivos de edificações - Procedimento", ambas em revisão, fornecem informações que possibilitam verificar a segurança estrutural nessa condição excepcional de ações. São apresentados métodos simplificados e recomendações para o emprego de métodos avançados de análise térmica e estrutural. Os métodos simplificados não são, economicamente, apropriados às estruturas externas às edificações, para os quais a NBR 14323:1999 recomenda, sem detalhar, um procedimento proposto pelas normas européias EUROCODE 1 e 3. Nesse trabalho, será apresentada uma ferramenta computacional (EXTEELFIRE 2.0) desenvolvida pelos autores, com base nos procedimentos recomendados pela EUROCODE, que possibilita determinar a temperatura atuante em elementos de aço externos a edifícios em situação de incêndio. A temperatura pode ser determinada a partir de características geométricas do compartimento em chamas, tais como: altura, largura, profundidade, dimensões das janelas, valor de cálculo da carga de incêndio, posição e dimensões básicas das estruturas externas. Também fazem parte desse trabalho sugestões para a futura revisão da NBR 14432.

Fire-structural safety is demonstrated when the design value of the resistance of each structural member is greater or equal to the design value of the effects of the actions, meaning the critical temperature of the structure must be greater or equal to the temperature of the steel. The current Brazilian standards NBR 14323:1999 - "Dimensionamento de estruturas de aço de edifícios em situação de incêndio" (Steel structures fire design) and NBR 14432:2000 - "Exigência de resistência ao fogo de elementos construtivos de edificações" (Required Fire Resistance for Buildings) give detailed information for the fire structural safety verification by simplified methods and allow the use of advanced methods but without specifying them. The simplified methods are not economically suitable for external structures. This paper presents a computational tool to determine the steel temperature based on the more advanced procedures prescribed by Eurocodes 1 and 3, regarding the features of the fire compartment such as: height, width, length, windows´ dimensions, design fire load, place and basic sizes of the external structures. Some suggestions for the future revision of NBR 14432 also are included in this work.