Finite element analysis of composite concrete-timber beams Translated title: Análise de vigas mistas de concreto e madeira pelo método dos elementos finitos

Abstract

AbstractIn the search for sustainable construction, timber construction is gaining in popularity around the world. Sustainably harvested wood stores carbon dioxide, while reforestation absorbs yet more CO2. One technique involves the combination of a concrete slab and a timber beam, where the two materials are assembled by the use of flexible connectors. Composite structures provide reduced costs, environmental benefits, a better acoustic performance, when compared to timber structures, and maintain structural safety. Composite structures combine materials with different mechanical properties. Their mechanical performance depends on the efficiency of the connection, which is designed to transmit shear longitudinal forces between the two materials and to prevent vertical detachment. This study contributes with the implementation of a finite element formulation for stress and displacement determination of composite concrete-timber beams. The deduced stiffness matrix and load vector are presented along to numerical examples. Numerical examples are compared to the analytical equations available in Eurocode 5 and to experimental data found in the literature.

Translated abstract

ResumoA madeira tem se destacado na produção de edificações sustentáveis, principalmente pela possibilidade de emprego de madeiras provenientes de florestas plantadas. A combinação de vigas de madeira com um tabuleiro de concreto armado ligados entre si por conexões flexíveis é uma alternativa que traz aumento de rigidez à estrutura, ameniza problemas de durabilidade, quando exposta às intempéries, e melhora seu desempenho acústico, se comparada à uma estrutura em madeira. As estruturas mistas são constituídas pela associação de materiais com diferentes propriedades mecânicas e seu desempenho mecânico depende da eficiência da ligação entre eles. Os conectores flexíveis são responsáveis pela transmissão de forças de cisalhamento entre os dois materiais e por evitar o desprendimento vertical. Esta pesquisa desenvolveu e implementou uma formulação de elementos finitos para cálculo dos esforços internos da estrutura mista de concreto e madeira. A matriz de rigidez e o vetor de carga deduzidos são apresentados juntamente com exemplos numéricos e seus resultados são comparados com as equações analíticas do Eurocode 5 e resultados experimentais da literatura.