Comportamento estrutural de painéis Cross-Laminated Timber sob cargas perpendiculares ao seu plano : abordagem experimental e numérica

Abstract

Painéis de Madeira Lamelada Colada Cruzada (MLCC) têm se destacado no contexto das construções sustentáveis tanto na comunidade científica quanto tecnológica. Atraentes pelo seu baixo impacto ambiental e sua excelente relação peso-resistência, essas placas permitem edificar em grande altura empregando um material renovável. Devido ao seu comportamento estrutural complexo, em função das múltiplas camadas posicionadas e coladas em direções ortogonais entre si, diversas pesquisas acadêmicas têm sido realizadas a fim de obter melhores considerações de cálculo. Tendo em vista que as normas, NBR 7190 e Eurocode 5, encontramse atualmente em revisão para incluir esse produto de madeira engenheirada, ainda encontramse diversos focos de estudo na medida em que a arquitetura ganha confiança nesse material. Uma situação de carregamento que chama a atenção em prédios de grande altura, é a de flexão e/ou compressão localizadas em lajes de CLT. Neste trabalho, investigou-se o comportamento estrutural de placas em flexão uni e biaxial em regime elástico, por meio de modelos numéricos em elementos finitos de casca e sólidos. Por outro lado, foi investigado seu comportamento em compressão perpendicular ao plano na configuração de carregamento parede-laje-coluna. Para tal, foram fabricadas e ensaiadas placas de madeira plantada Pinus elliottii, de acordo à norma EN 16351, e logo após simuladas numericamente através de um modelo elastoplástico. Por fim, o critério de falha anisotrópico de Tsai-Wu foi avaliado nesse contexto e contrastado com as observações experimentais. Na flexão, foi recomendado trabalhar com uma relação de esbeltez mínima de 15 e desejável de 20 ao empregar elementos finitos de casca. Na compressão, verificou-se a equivalência entre um método analiticamente exato e um simplificado de distribuição de tensões através dos coeficientes kc,90,CLT, bem como a forte influência numérica quanto à colagem lateral de lamelas. Obtendo uma concordância coerente com os resultados experimentais, o critério de escoamento de Hill combinado com endurecimento isotrópico bilinear resultou eficaz na determinação das propriedades pertinentes a nível de projeto estrutural de acordo à normativa. Por último, o critério de falha resultou útil para avaliar a integridade estrutural das camadas da placa CLT sob diferentes níveis de carregamento.

Cross-laminated timber panels have stood out in the context of sustainable buildings in both scientific and technological communities. Attractive due to their low environmental impact and excellent strength to weight ratio, these panels allow the construction of tall buildings by using a renewable material. Due to its complex structural behavior given its multilayer crosswise configuration, a great number of academic researches have been carried out in order to obtain better calculation considerations. In light of the NBR 7190 and Eurocode 5 standards being currently under review to include this engineered wood product, there are still many unexplored areas of study as architecture confidence increases in this material. A loading condition in highrise buildings that concerns engineers is that of localized bending and/or compression on CLT slabs. In this work, the out-of-plane bending structural behavior of CLT panels was investigated in the elastic regime, by means of two different finite element models employing shell and solid elements. On the other hand, its performance in compression perpendicular to plane in the wallslab-column loading configuration was investigated. For this purpose, planted Pinus elliottii CLT panels were manufactured and tested, according to the EN 16351 standard, and afterward they were numerically simulated using an elastoplastic model. Finally, Tsai-Wu's anisotropic failure criterion was evaluated in this context and contrasted with experimental observations. Regarding bending, it was recommended to work with a minimum slenderness ratio of 15 and a desirable ratio of 20 when using shell finite elements. Concerning compression, the equivalence between an analytically exact and a simplified stress dispersion model was verified through kc,90,CLT factors, as well as the strong numerical influence regarding the lateral gluing of lamellae. Having obtained a reasonable agreement with the experimental results, the Hill flow criterion combined with bilinear isotropic hardening was effective in determining relevant structural design properties according to regulations. Finally, the failure criterion was useful to assess the structural integrity of CLT plate layers under different loading levels.