Análise numérica via Ansys do equilíbrio não linear e estabilidade elástica de estruturas com restrições de contato

Fazer Download...

Publicada em 23/08/2016

Discente: Laura Camelo Santos

Resumo:

Elementos estruturais em contato com o solo ou rocha funcionam como suporte para o próprio solo ou como elementos a serem suportados pelo solo. Em ambos os casos é importante avaliar as movimentações do sistema de maneira conjunta para promover a otimização de projetos, tornando-os mais eficientes e competitivos. Como exemplos clássicos dessa classe de problemas, destacam-se: tubulações enterradas, vigas baldrames, túneis, cascas de proteção em ambientes agressivos (usinas nucleares), elementos de fundação, entre outros. Adicionalmente, a partir do constante desenvolvimento tecnológico e da necessidade de redução de custos em obras, as estruturas vêm se tornando mais esbeltas e, consequentemente, sujeitas a apresentarem problemas de instabilidade. A medida que o elemento estrutural se torna mais esbelto, a não linearidade geométrica se torna cada vez mais relevante dando origem a vários fenômenos que não são encontrados em sistemas lineares. Nesse contexto, esta dissertação tem como principal objetivo o desenvolvimento de uma metodologia numérica de solução não linear, através da plataforma computacional ANSYS, de problemas de equilíbrio e estabilidade elástica envolvendo alguns tipos de estruturas com restrições de contato impostas por bases elásticas, que representam aqui o solo ou rocha. As principais características deste trabalho são: i. a utilização do método dos elementos finitos (MEF) na discretização do problema de contato em questão; ii. a modelagem do meio através do modelo discreto de molas seguindo hipóteses de base elástica de Winkler; iii. a possibilidade de análise considerando as restrições bilaterais (sistema estrutura-base fixo) e as restrições unilaterais de contato (possibilidade de perda de contato do sistema estrutura-base). As fontes de não linearidade do sistema são a geométrica (no caso da estrutura) e as condições de contorno (no caso de contato unilateral). É elaborado um roteiro passo a passo que permite a utilização do software ANSYS para a solução desses problemas de contato. Através de vários exemplos apresentados envolvendo vigas, colunas, arcos e anéis com restrições de contato, foi possível testar, validar e verificar a eficiência da metodologia numérica proposta nesta dissertação. Os resultados obtidos aqui apresentaram boa concordância com aqueles da literatura. As conclusões referentes à metodologia numérica proposta e análises realizadas são apresentadas no final do trabalho, assim como as sugestões de pesquisas visando dar continuidade a esta dissertação.

Abstract:

Structural elements in contact with soil or rock acts as support for the soil itself or as elements to be supported by the soil. In both cases it is important to evaluate the system movements jointly to promote design optimization, making them more efficient and competitive. As classic examples of this class of problems, include: buried pipes, grade beams, protective shells in harsh environments (nuclear power plants), foundation elements, among others. Additionally, from the constant technological development and the need of cost reduction in construction, the structures are becoming slenderer and therefore subject to problems of instability. As the structural element becomes slenderer, the geometric nonlinearity becomes increasingly relevant, giving rise to several phenomena that are not found in linear systems. In this context, this work has as main objective the development of a numerical methodology of nonlinear solution, by ANSYS computational platform, of equilibrium and elastic stability problems involving some types of structures with contact constraints imposed by elastic basis, which represents here the soil or rock. The main characteristics of this work are: i. the use of the finite element method (FEM) in the discretization of the contact problem; ii. modeling the medium through discrete springs model following the hypotheses of Winkler; iii. the possibility of analysis considering the bilateral contact (fixed structure-soil system) and unilateral contact constraints (possibility of loss of contact in the structure-soil system). The sources of nonlinearity of the system are the geometric (in the case of the structure) and the boundary conditions (in the case of unilateral contact). It is developed a step by step guide that allows the use of ANSYS software for the solution of these contact problems. Through several examples presented involving beams, columns, arches and rings with contact constraints, it was possible to test, validate and verify the efficiency of the numerical methodology proposed in this dissertation. The results here showed good agreement with those of literature. The conclusions with regard in the numerical methodology proposed and performed analyzes are presented at the end of the work, as well as the suggestions aiming to continue this dissertation.

Palavras-chave:

Problema de contato, Análise Não Linear Geométrica, Ansys, Interação solo-estrutura, 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. Christianne de Lyra Nogueira, UFOP
Profa. Áurea Silva de Holanda, UFC

Voltar