Análise numérica de cascas de concreto ligadas com conexão deformável a vigas de aço usando elementos finitos de casca e interface

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Publicada em 06/05/2016

Discente: Luís Eduardo Silveira Dias

Resumo:

Com o crescente uso do aço na construção civil no Brasil, em especial na confecção de pilares e vigas em edifícios de múltiplos andares, é cada vez mais comum a presença de elementos mistos formados pela associação mecânica entre elementos de superfície de concreto e vigas de aço na construção civil. Geralmente essa associação mecânica é feita por conectores soldados ao elemento de aço e envolvidos pelo elemento de concreto. Devido à deformabilidade existente na ligação surgem deslocamentos relativos entre os elementos conectados. Esses deslocamentos poderão ser mais ou menos significativos dependendo da rigidez da ligação, ou seja, do número e do tipo de conectores utilizados. Nesse trabalho foram desenvolvidos três elementos finitos de interface capazes de associar elementos planos de casca em três diferentes combinações: elementos em planos paralelos sobrepostos; planos ortogonais; e elementos paralelos pertencentes ao mesmo plano. Esses elementos de interface podem ser utilizados para evitar a sobreposição de áreas, ou alteração das dimensões da seção transversal, quando se utiliza um modelo de discretização em elementos de casca para uma análise estrutural qualquer. Eles também têm a função de ligar os elementos de cascas de uma seção mista e simular o comportamento mecânico da conexão deformável. Os elementos de interface deverão ter graus de liberdade compatíveis com os graus de liberdade dos elementos de cascas aos quais serão conectados. Nesse trabalho será utilizado o elemento de casca com nove nós, o elemento unidimensional e bidimensional de interface de seis nós e dezoito nós, respectivamente, sendo todos com cinco graus de liberdade por nó (a nível local). Para viabilizar a montagem do arquivo de entrada de dados usando os elementos finitos propostos, foi desenvolvido um gerador de malha de elementos finitos. Por exemplo, para o caso de uma viga mista, definida a superfície de concreto, sua espessura, as posições das vigas de aço, forma e dimensões de sua seção transversal, o gerador de malha irá discretizar em elementos de casca a superfície de concreto e as vigas de aço inserindo elementos de interface nas regiões de contato entre as vigas de aço e a superfície de concreto. Na validação dos elementos implementados foram utilizadas soluções analíticas, resultados numéricos obtidos de softwares comerciais e resultados experimentais e numéricos da literatura.

Abstract:

Due the increasing use of steel in civil construction in Brazil, especially in beams and columns confection of multistory buildings, it is becoming more common in constructions the mixed elements presence formed by mechanical association between concrete surface elements and steel beams. Normally this mechanical association is made by connectors welded to the steel element and surrounded by the concrete element. Due to the deformability that exists in the connection, relative displacements appear between the connected elements. Those displacements can exhibit different levels of significance depending on the connection stiffness, in other word, depending on number and the type of the connector used. In this work, three interface finite elements were developed. They are able to associate flat shell elements in three different combinations: elements in overlapping parallel plane; orthogonal planes; and parallel elements belonging to the same plane. These interface elements can be used to prevent overlapping areas, or changes on the dimensions of the cross section when using a discretized model of shell elements for any structural analysis. They also have the function of connecting shells elements of a composite section and simulating the mechanical behavior of the deformable connection. The interface elements should have compatible degree of freedom related to the shell elements degree of freedom that they are going to be connected. In this work it is going to be used a shell element with nine nodes, the one-dimensional element six nodes interface and two-dimensional eighteen nodes interface, and all of them with five freedom levels by node (locally). A mesh generator of finite elements was developed to facilitate file input mounting using finite elements proposed. For a composite beam case for example, after defined its concrete surface, its thickness, its position, its shape and its cross section dimensions; the mesh generator will discretize in shells elements the concrete surface and the steel beams by inserting interface elements in the contact regions between steel beams and the concrete surface. Analytical solutions, numerical results obtaining from commercial software and numerical and experimental literature results were used to implemented elements validation.

Palavras-chave:

Estrutura mista, conexão deformável, elemento de casca, elemento de interface

Áreas de Concentração:

- Mestrado: Construção Metálica

Orientadores:

- Amilton Rodrigues da Silva

Banca Examinadora:

Prof. Amilton Rodrigues da Silva, UFOP (Presidente)
Prof. Francisco de Assis das Neves, UFOP
Prof. José Carlos Lopes Ribeiro, UFV

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