Impacto do fogo em estruturas de madeira: aplicação de otimização para treliças submetidas a incêndio

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Moraes, Matheus Henrique Morato de
Orientador(a): Christoforo, André Luis lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil - PPGECiv
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://hdl.handle.net/20.500.14289/23209
Resumo: This work investigates the optimal design of Howe-type timber trusses under normal and fire conditions, with the objective of understanding the effects of fire on structural efficiency and on the selection of cross sections. The research is based on a gap in the literature regarding integrated methodologies that combine thermal analysis, structural modeling, and optimization applied to timber truss systems. A procedure is proposed that is capable of quantifying the influence of thermal degradation on the resistant and geometric behavior of the members, in addition to providing parameters for preliminary design under fire conditions. The methodology employs a deterministic formulation coupled with the Firefly Algorithm, which is responsible for searching for configurations with minimum structural weight, with simultaneous verification of ultimate and serviceability limit states, geometric constraints, slenderness, and minimum admissible areas. Four spans (6, 9, 12, and 15 meters) and three fire exposure times (10, 20, and 30 minutes) are analyzed, considering the thermal and mechanical properties of five timber species (Cambará-rosa, Cupiúba, Angelim-pedra, Garapa, and Jatobá). Each combination is evaluated through thirty independent runs, allowing the statistical characterization of the obtained solutions. The effects of fire are quantified by means of the Gross Area Correction Index (ICAB) and the Gross Weight Increase (IPB), used as measures of the increase in cross sections and the increase in structural mass required to compensate for the loss of resistance caused by charring. For 10 minutes of exposure, a maximum ICAB equal to 3.48 was observed, indicating localized increases greater than 240% of the initial gross area, while the maximum IPB reached 57.68%. At 20 minutes, the maximum ICAB was 2.78, associated with a maximum IPB of 97.13%, indicating the possibility of an almost doubling of the structural mass. For 30 minutes, the maximum ICAB remained at 2.78, suggesting stabilization of the geometric requirements imposed by normative constraints, while the maximum IPB reached 155.30%, indicating that the total mass of the truss may more than double. In all scenarios, the solutions remained within normative limits, with negative values of the constraint function g. The results confirm that fire exposure time exerts a decisive influence on the design of timber trusses, with IPB being highly sensitive to thermal severity, while ICAB provides an objective measure of the geometric requirements imposed by charring, offering consistent quantitative support for preliminary structural design under fire conditions.
id SCAR_428d29bd0b93f5e0a838794069d86a36
oai_identifier_str oai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/23209
network_acronym_str SCAR
network_name_str Repositório Institucional da UFSCAR
repository_id_str
spelling Moraes, Matheus Henrique Morato deChristoforo, André Luishttp://lattes.cnpq.br/7623383075429186Pereira Junior, Wanderlei Malaquiashttp://lattes.cnpq.br/2268506213083114https://lattes.cnpq.br/8465474056220474https://orcid.org/0000-0002-7285-1344https://orcid.org/0000-0002-4066-080Xhttps://orcid.org/0000-0002-7404-3666Cerqueira, Niander AguiarCampos , Cristiane Inácio deMarvila, Markssuel TeixeiraFerreira, Flávio Antôniohttp://lattes.cnpq.br/1313037582197604http://lattes.cnpq.br/1216644357418833http://lattes.cnpq.br/6558498396502163http://lattes.cnpq.br/49423426834629862025-12-15T13:37:05Z2025-12-04MORAES, Matheus Henrique Morato de. Impacto do fogo em estruturas de madeira: aplicação de otimização para treliças submetidas a incêndio. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/23209.https://hdl.handle.net/20.500.14289/23209This work investigates the optimal design of Howe-type timber trusses under normal and fire conditions, with the objective of understanding the effects of fire on structural efficiency and on the selection of cross sections. The research is based on a gap in the literature regarding integrated methodologies that combine thermal analysis, structural modeling, and optimization applied to timber truss systems. A procedure is proposed that is capable of quantifying the influence of thermal degradation on the resistant and geometric behavior of the members, in addition to providing parameters for preliminary design under fire conditions. The methodology employs a deterministic formulation coupled with the Firefly Algorithm, which is responsible for searching for configurations with minimum structural weight, with simultaneous verification of ultimate and serviceability limit states, geometric constraints, slenderness, and minimum admissible areas. Four spans (6, 9, 12, and 15 meters) and three fire exposure times (10, 20, and 30 minutes) are analyzed, considering the thermal and mechanical properties of five timber species (Cambará-rosa, Cupiúba, Angelim-pedra, Garapa, and Jatobá). Each combination is evaluated through thirty independent runs, allowing the statistical characterization of the obtained solutions. The effects of fire are quantified by means of the Gross Area Correction Index (ICAB) and the Gross Weight Increase (IPB), used as measures of the increase in cross sections and the increase in structural mass required to compensate for the loss of resistance caused by charring. For 10 minutes of exposure, a maximum ICAB equal to 3.48 was observed, indicating localized increases greater than 240% of the initial gross area, while the maximum IPB reached 57.68%. At 20 minutes, the maximum ICAB was 2.78, associated with a maximum IPB of 97.13%, indicating the possibility of an almost doubling of the structural mass. For 30 minutes, the maximum ICAB remained at 2.78, suggesting stabilization of the geometric requirements imposed by normative constraints, while the maximum IPB reached 155.30%, indicating that the total mass of the truss may more than double. In all scenarios, the solutions remained within normative limits, with negative values of the constraint function g. The results confirm that fire exposure time exerts a decisive influence on the design of timber trusses, with IPB being highly sensitive to thermal severity, while ICAB provides an objective measure of the geometric requirements imposed by charring, offering consistent quantitative support for preliminary structural design under fire conditions.Este trabalho investiga o dimensionamento ótimo de treliças de madeira do tipo Howe em condições normais e de incêndio, com o objetivo de compreender os efeitos do fogo sobre a eficiência estrutural e a seleção das seções transversais. A pesquisa parte da lacuna existente na literatura quanto a metodologias integradas que combinem análise térmica, modelagem estrutural e otimização aplicada a sistemas reticulados de madeira. Propõe-se um procedimento capaz de quantificar a influência da degradação térmica no comportamento resistente e geométrico das barras, além de fornecer parâmetros para o pré-dimensionamento em situação de incêndio. A metodologia emprega uma formulação determinística acoplada ao algoritmo Firefly Algorithm, responsável pela busca de configurações de menor peso estrutural, com verificação simultânea dos estados limites último e de serviço, das restrições geométricas, da esbeltez e das áreas mínimas admissíveis. São analisados quatro vãos (6, 9, 12 e 15 metros) e três tempos de exposição ao fogo (10, 20 e 30 minutos), considerando propriedades térmicas e mecânicas de cinco espécies de madeira (Cambará-rosa, Cupiúba, Angelim-pedra, Garapa e Jatobá). Cada combinação é avaliada por meio de trinta execuções independentes, permitindo a caracterização estatística das soluções obtidas. Os efeitos do incêndio são quantificados por meio do Índice de Correção de Área Bruta (ICAB) e do Incremento de Peso Bruto (IPB), utilizados como medidas da ampliação das seções e do aumento da massa estrutural necessários para compensar a perda resistente causada pela carbonização. Para 10 minutos de exposição, observou-se ICAB máximo igual a 3,48, indicando aumentos pontuais superiores a 240% da área bruta inicial, enquanto o IPB máximo atingiu 57,68%. Aos 20 minutos, o ICAB máximo foi 2,78, associado a um IPB máximo de 97,13%, evidenciando a possibilidade de quase duplicação da massa estrutural. Para 30 minutos, o ICAB máximo manteve-se em 2,78, sugerindo estabilização das exigências geométricas impostas pelas restrições normativas, enquanto o IPB máximo alcançou 155,30%, indicando que a massa total da treliça pode mais do que dobrar. Em todos os cenários, as soluções permaneceram dentro dos limites normativos, com valores negativos da função de restrição g. Os resultados confirmam que o tempo de exposição ao fogo exerce influência decisiva no dimensionamento de treliças de madeira, sendo o IPB altamente sensível à severidade térmica, enquanto o ICAB fornece uma medida objetiva das exigências geométricas impostas pela carbonização, oferecendo subsídios quantitativos consistentes para o pré-dimensionamento estrutural em situação de incêndio.Não recebi financiamentoporUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Civil - PPGECivUFSCarhttps://doi.org/10.3390/f16101578https://doi.org/10.54033/cadpedv22n1-056Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL::ESTRUTURAS9. Indústria, Inovação e Infraestrutura11. Cidades e Comunidades Sustentáveis12. Consumo e Produção Responsáveistreliças de madeiraincêndio em estruturascarbonização da madeiraotimização estruturalImpacto do fogo em estruturas de madeira: aplicação de otimização para treliças submetidas a incêndioImpact of fire on timber structures: optimization application for trusses subjected to fireinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALMatheus Morato - Tese Doutorado.pdfMatheus Morato - Tese Doutorado.pdfapplication/pdf4647304https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/d5443b1f-b172-4d48-8207-6a7b21e7396a/download199b66247db9de4c75d1f5fd10b5027fMD51trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8906https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/02e9b3ac-5d56-4e1e-805f-e6e964b5f790/downloadfba754f0467e45ac3862bc2533fb2736MD52falseAnonymousREADTEXTMatheus Morato - Tese Doutorado.pdf.txtMatheus Morato - Tese Doutorado.pdf.txtExtracted texttext/plain106102https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/299c8512-613b-43bd-b4b3-e17fea7d7a73/download7d695494b28bf9bf8d1655259eb06627MD53falseAnonymousREADTHUMBNAILMatheus Morato - Tese Doutorado.pdf.jpgMatheus Morato - Tese Doutorado.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4051https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/66eb2755-147e-4b6e-b694-1d59dfc6ffda/download7cd268be34077251bb4e460add168c32MD54falseAnonymousREAD20.500.14289/232092025-12-16T03:07:36.025782Zhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/23209https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-12-16T03:07:36Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
dc.title.none.fl_str_mv Impacto do fogo em estruturas de madeira: aplicação de otimização para treliças submetidas a incêndio
dc.title.alternative.eng.fl_str_mv Impact of fire on timber structures: optimization application for trusses subjected to fire
title Impacto do fogo em estruturas de madeira: aplicação de otimização para treliças submetidas a incêndio
spellingShingle Impacto do fogo em estruturas de madeira: aplicação de otimização para treliças submetidas a incêndio
Moraes, Matheus Henrique Morato de
ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL::ESTRUTURAS
treliças de madeira
incêndio em estruturas
carbonização da madeira
otimização estrutural
9. Indústria, Inovação e Infraestrutura
11. Cidades e Comunidades Sustentáveis
12. Consumo e Produção Responsáveis
title_short Impacto do fogo em estruturas de madeira: aplicação de otimização para treliças submetidas a incêndio
title_full Impacto do fogo em estruturas de madeira: aplicação de otimização para treliças submetidas a incêndio
title_fullStr Impacto do fogo em estruturas de madeira: aplicação de otimização para treliças submetidas a incêndio
title_full_unstemmed Impacto do fogo em estruturas de madeira: aplicação de otimização para treliças submetidas a incêndio
title_sort Impacto do fogo em estruturas de madeira: aplicação de otimização para treliças submetidas a incêndio
author Moraes, Matheus Henrique Morato de
author_facet Moraes, Matheus Henrique Morato de
author_role author
dc.contributor.authorlattes.none.fl_str_mv https://lattes.cnpq.br/8465474056220474
dc.contributor.authororcid.none.fl_str_mv https://orcid.org/0000-0002-7285-1344
dc.contributor.advisor1orcid.none.fl_str_mv https://orcid.org/0000-0002-4066-080X
dc.contributor.advisor-co1orcid.none.fl_str_mv https://orcid.org/0000-0002-7404-3666
dc.contributor.referee.none.fl_str_mv Cerqueira, Niander Aguiar
Campos , Cristiane Inácio de
Marvila, Markssuel Teixeira
Ferreira, Flávio Antônio
dc.contributor.refereeLattes.none.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/1313037582197604
http://lattes.cnpq.br/1216644357418833
http://lattes.cnpq.br/6558498396502163
http://lattes.cnpq.br/4942342683462986
dc.contributor.author.fl_str_mv Moraes, Matheus Henrique Morato de
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Christoforo, André Luis
dc.contributor.advisor1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/7623383075429186
dc.contributor.advisor-co1.fl_str_mv Pereira Junior, Wanderlei Malaquias
dc.contributor.advisor-co1Lattes.fl_str_mv http://lattes.cnpq.br/2268506213083114
contributor_str_mv Christoforo, André Luis
Pereira Junior, Wanderlei Malaquias
dc.subject.cnpq.fl_str_mv ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL::ESTRUTURAS
topic ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL::ESTRUTURAS
treliças de madeira
incêndio em estruturas
carbonização da madeira
otimização estrutural
9. Indústria, Inovação e Infraestrutura
11. Cidades e Comunidades Sustentáveis
12. Consumo e Produção Responsáveis
dc.subject.por.fl_str_mv treliças de madeira
incêndio em estruturas
carbonização da madeira
otimização estrutural
dc.subject.ods.none.fl_str_mv 9. Indústria, Inovação e Infraestrutura
11. Cidades e Comunidades Sustentáveis
12. Consumo e Produção Responsáveis
description This work investigates the optimal design of Howe-type timber trusses under normal and fire conditions, with the objective of understanding the effects of fire on structural efficiency and on the selection of cross sections. The research is based on a gap in the literature regarding integrated methodologies that combine thermal analysis, structural modeling, and optimization applied to timber truss systems. A procedure is proposed that is capable of quantifying the influence of thermal degradation on the resistant and geometric behavior of the members, in addition to providing parameters for preliminary design under fire conditions. The methodology employs a deterministic formulation coupled with the Firefly Algorithm, which is responsible for searching for configurations with minimum structural weight, with simultaneous verification of ultimate and serviceability limit states, geometric constraints, slenderness, and minimum admissible areas. Four spans (6, 9, 12, and 15 meters) and three fire exposure times (10, 20, and 30 minutes) are analyzed, considering the thermal and mechanical properties of five timber species (Cambará-rosa, Cupiúba, Angelim-pedra, Garapa, and Jatobá). Each combination is evaluated through thirty independent runs, allowing the statistical characterization of the obtained solutions. The effects of fire are quantified by means of the Gross Area Correction Index (ICAB) and the Gross Weight Increase (IPB), used as measures of the increase in cross sections and the increase in structural mass required to compensate for the loss of resistance caused by charring. For 10 minutes of exposure, a maximum ICAB equal to 3.48 was observed, indicating localized increases greater than 240% of the initial gross area, while the maximum IPB reached 57.68%. At 20 minutes, the maximum ICAB was 2.78, associated with a maximum IPB of 97.13%, indicating the possibility of an almost doubling of the structural mass. For 30 minutes, the maximum ICAB remained at 2.78, suggesting stabilization of the geometric requirements imposed by normative constraints, while the maximum IPB reached 155.30%, indicating that the total mass of the truss may more than double. In all scenarios, the solutions remained within normative limits, with negative values of the constraint function g. The results confirm that fire exposure time exerts a decisive influence on the design of timber trusses, with IPB being highly sensitive to thermal severity, while ICAB provides an objective measure of the geometric requirements imposed by charring, offering consistent quantitative support for preliminary structural design under fire conditions.
publishDate 2025
dc.date.accessioned.fl_str_mv 2025-12-15T13:37:05Z
dc.date.issued.fl_str_mv 2025-12-04
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.citation.fl_str_mv MORAES, Matheus Henrique Morato de. Impacto do fogo em estruturas de madeira: aplicação de otimização para treliças submetidas a incêndio. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/23209.
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://hdl.handle.net/20.500.14289/23209
identifier_str_mv MORAES, Matheus Henrique Morato de. Impacto do fogo em estruturas de madeira: aplicação de otimização para treliças submetidas a incêndio. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/23209.
url https://hdl.handle.net/20.500.14289/23209
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.relation.uri.none.fl_str_mv https://doi.org/10.3390/f16101578
https://doi.org/10.54033/cadpedv22n1-056
dc.rights.driver.fl_str_mv Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
dc.publisher.program.fl_str_mv Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil - PPGECiv
dc.publisher.initials.fl_str_mv UFSCar
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFSCAR
instname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron:UFSCAR
instname_str Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
instacron_str UFSCAR
institution UFSCAR
reponame_str Repositório Institucional da UFSCAR
collection Repositório Institucional da UFSCAR
bitstream.url.fl_str_mv https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/d5443b1f-b172-4d48-8207-6a7b21e7396a/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/02e9b3ac-5d56-4e1e-805f-e6e964b5f790/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/299c8512-613b-43bd-b4b3-e17fea7d7a73/download
https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/66eb2755-147e-4b6e-b694-1d59dfc6ffda/download
bitstream.checksum.fl_str_mv 199b66247db9de4c75d1f5fd10b5027f
fba754f0467e45ac3862bc2533fb2736
7d695494b28bf9bf8d1655259eb06627
7cd268be34077251bb4e460add168c32
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
MD5
MD5
MD5
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)
repository.mail.fl_str_mv repositorio.sibi@ufscar.br
_version_ 1853669973112651776