Estudo computacional via ANSYS de vigas, arcos e anéis com restrições de contato impostas por bases elásticas

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Publicada em 02/06/2016

Discente: João Felipe Araújo Carneiro de Abreu

Resumo:

Problemas onde elementos estruturais estão apoiados ou servem com suporte do solo ou rocha podem ser facilmente encontrados em diversas situações práticas na engenharia, tais como: trilhos de estradas de ferro suportados por dormentes, estacas verticais submetidas a cargas horizontais em seu topo, tubulações enterradas, tubulações em contato com o fundo do mar, pavimentos, vigas baldrames, cascas de proteção em ambientes agressivos (usinas nucleares), e sapatas corridas e isoladas. Essas situações evidenciam o caráter de alguns problemas, que não são apenas estruturais, mas também geotécnicos. Neste contexto, esta dissertação tem como principal objetivo o desenvolvimento de uma metodologia de solução numérica, através do emprego da plataforma computacional ANSYS, para análise dos problemas estruturais-geotécnicos com restrições de contato impostas por bases elásticas, que representam aqui o solo ou a rocha. O trabalho tem como principais características: i. a utilização do método dos elementos finitos (MEF) na discretização do problema de contato em questão; o emprego do modelo contínuo de Winkler na representação do solo e a sua substituição por um modelo discreto formado por molas; e a possibilidade de análise dos Problemas de Contato Bilateral (PCB) e Unilateral (PCU), onde nessa última abordagem a separação entre os corpos (estrutura-base elástica) pode acontecer, isso caracteriza o problema a ser resolvido como não linear, pois não se conhece as regiões de contato após a aplicação do carregamento. É elaborado um roteiro passo-a-passo que permite a utilização do ANSYS para a solução dos PCB e PCU. Exemplos numéricos são apresentados e analisados, onde atenção especial foi dada às vigas, arcos e anéis com restrições de contato impostas por bases elásticas, com o intuito de averiguar a eficiência da metodologia de solução proposta. Análises paramétricas foram realizadas no sentido de averiguar a influência da malha de elementos finitos na estratégia numérica proposta; adicionalmente, verificou-se a influência do parâmetro de rigidez da base elástica no comportamento do sistema de suporte e regiões de contato e perda de contato entre os corpos. Destaca-se o emprego de soluções numéricas e analíticas da literatura consagradas na validação dos resultados encontrados nesta dissertação. Por fim, são apresentadas as conclusões e observações referentes às análises realizadas, com a inclusão de sugestões de novas pesquisas visando a continuação deste trabalho.

Abstract:

Problems where structural elements are supported or serve as support to the ground/ rock can be easily found in many practical situations in engineering, like: railways supported by sleepers, vertical piles subjected to horizontal loads on its top, buried pipelines, pipes in contact with the seabed, floors, grade beams, protective shells in harsh environments (nuclear power plants), shallow foundation, etc. These situations highlight the character of some problems that are not only structural but also geotechnical. In this context, this dissertation has as main objective the development of a numerical solution methodology through the use of ANSYS computational platform for the analysis of structural and geotechnical problems with contact constraints imposed by elastic basis, which represent the soil or rock. The dissertation has as main features: i. the use of the finite element method (FEM) in the discretization of the contact problem in question ; the use of continuous model of Winkler in soil representation and its replacement by a discrete model formed by springs ; and the possibility of analyzing bilateral contact problems (BCP ) and Unilateral (UCP ) , in which this latter approach there is the possibility of separation between the bodies (structure – elastic basis ), characterizing the problem to be solved as a nonlinear , because the contact regions aren’t known and there is a contact loss after application of the load. It’s prepared a step-by - step roadmap that allows the use of ANSYS to solve the BCP and UCP. Numerical examples are presented and analyzed, where special attention was given to the beams, arches and rings with contact restrictions imposed by elastic basis, in order to ascertain the efficiency of the proposed methodology. Parametric analyzes were conducted to ascertain the influence of the finite element mesh in the numerical strategy proposed; In addition, where verified the influence of the elastic base rigidity parameter on the support system behavior and contact regions and loss of contact between bodies. Is highlighted the use of numerical and analytical solutions of the literature devoted to validate the results found in this dissertation. Finally, we present the conclusions and observations related to the analysis, with the inclusion of new research suggestions aiming this dissertation continuation.

Palavras-chave:

Problemas de contato solo-estrutura; ANSYS; Análise numérica; Restrições unilateral; Vigas, colunas e arcos; Modelo de Winkler

Áreas de Concentração:

- Mestrado: Construção Metálica

Orientadores:

- Ricardo Azoubel da Mota Silveira

Banca Examinadora:

Prof. Ricardo Azoubel da Mota Silveira, UFOP (Presidente)
Profa. Andréa Regina Dias da Silva, UFOP
Prof. Alexandre da Silva Galvão, UFSJ

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