Study, modelling, and dynamic analysis of construction solutions for doors and windows of buildings

Abstract

Recentes exigências do mercado levaram a que portas e janelas compostas por vidros e caixilhos com corte térmico sejam produzidas pela JFAN Steel com dimensões não abrangidas pelas classes de certificação dadas pelo fornecedor do caixilho (Secco). As classes de certificação, acompanhadas pela marcação CE, são dadas com base num conjunto de testes que uma porta ou uma janela deve suportar. Para aumentar as hipóteses destes sistemas passarem nos testes estruturais, foi selecionado um caso de estudo de um sistema porta com duas folhas para testar a influencia de diferentes reforços. Os testes à resistência do sistema às cargas verticais, à torção estática, e à carga de vento foram escolhidos como os mais críticos. Foi também criado um critério para avaliar o desempenho do sistema exposto a um terramoto, devido à preocupação relativamente ao comportamento vibratório dos sistemas em certas regiões geográficas do mercado. Primeiramente, os caixilhos, que têm uma secção composta por dois componentes metálicos (latão, aço corten, aço galvanizado, ou aço inoxidável) separados por um núcleo polimérico (poliamida no meio e poliuretano nos lados), tiveram algumas propriedades do latão, aço inoxidável, e poliamida verificadas através de ensaios de tração e densidade, enquanto as propriedades dos outros materiais foram verificadas em paralelo pela empresa. Um caixilho foi testado à flexão em três pontos após ter sido utilizado para uma análise modal experimental, e os dados destas experiências foram utilizados para avaliar os modelos do caixilho. Um modelo analítico, um de elementos de viga, um de elementos sólidos, e um que utiliza elementos de viga e de casca foram utilizados para capturar o comportamento estático e dinâmico do caixilho. Este último mostrou os resultados mais promissores, e foi selecionado para integrar o modelo do caso de estudo. Em seguida, os três testes mencionados foram simulados com o modelo do sistema caso de estudo, onde foram testadas diferentes configurações de reforços colocados dentro do caixilho com módulos de elasticidade distintos, bem como algumas melhorias da vidraça. As melhorias da vidraça, apesar de aumentarem muito o peso do sistema, provaram ser a melhor opção para aumentar o seu desempenho. Simulações simplificadas através de análises harmónicas deram confiança na resistência do sistema a um terramoto de intensidade instrumental V, no entanto, foram utilizadas algumas simplificações no próprio modelo. Finalmente, uma análise térmica numérica baseada na normalização europeia mostrou alterações insignificantes na transmitância térmica do sistema com a introdução dos reforços internos de aço.

Recent market demands require JFAN Steel to produce doors and windows comprised of glazing and frames with a thermal break and with dimensions that are not covered by the certification classes given by the frame’s supplier (Secco). The certification classes, accompanied by the CE marking, are given based on a set of tests that a door or a window must endure. To increase the structural test passing rate, a case study of a double leafed door system was selected and used in this work to test out the influence of different reinforcements. The tests of the system’s resistance to vertical loads, static torsion, and wind load were isolated as the most critical ones. Additionally, a criterion to evaluate the performance of the system exposed to an earthquake was created as a concern regarding the vibratory behaviour of the systems in certain geographic regions of the company’s market. Firstly, the multi-material beams, that have a section comprised of two metallic components (brass, corten steel, galvanized steel, or stainless steel) separated by a polymeric core (polyamide in the middle and polyurethane at the sides) had some properties of brass, stainless steel, and polyamide verified through tensile and density tests, while the properties of the other materials were parallelly verified by the company. A multi-material beam underwent a three-point bending experiment after being used for experimental modal analysis, and the data from these experiments was later used to evaluate the models of the beam. An analytical model, a beam elements model, a solid elements model, and a model that uses beam and shell elements were used to capture the static and dynamic behaviour of the multi-material beam. The latter showed the more promising results and was selected to integrate the model of the case study system. Then, the three mentioned tests were simulated with the model of the case study system, where different configurations of reinforcements placed inside the frames with distinct elastic modulus as well as some glazing improvements were tested. Despite increasing the weight of the system, the glazing improvements proved to be the best option for increasing the overall performance. Simplified simulations through harmonic analyses gave confidence in the strength of the system to withstand an earthquake of instrumental intensity V, however, some simplifications were used in the model itself. Lastly, a numerical thermal analysis based on the European standardization showed insignificant changes in the thermal transmittance of the system with the introduction of the internal steel reinforcements.