Impacto do fogo em estruturas de madeira: aplicação de otimização para treliças submetidas a incêndio
| Ano de defesa: | 2025 |
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| Tipo de documento: | Tese |
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Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos |
| Programa de Pós-Graduação: |
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil - PPGECiv
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| 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. |
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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 |
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