ANÁLISE DE ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMADO VIA MODELOS DE BIELAS E TIRANTES E TÉCNICAS DE OTIMIZAÇÃO TOPOLÓGICA

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Publicada em 01/11/2019

Discente: Artur Hallack Ladeira

Resumo:

O Modelo de Bielas e Tirantes (MBT) pode ser uma excelente alternativa para o dimensionamento de elementos estruturais em concreto armado submetidos a estado plano de tensão e para regiões que apresentem descontinuidade de ordem geométrica ou estática. Nesse sentido, o modelo permite uma melhor representação do comportamento estrutural e mecanismos de resistência nas estruturas de concreto. Para tornar a concepção do modelo menos dependente da experiência do projetista, o presente trabalho tem como objetivo a aplicação do modelo de bielas e tirantes em elementos estruturais e seu dimensionamento considerando a não-linearidade dos materiais, aliando a técnica de otimização topológica ESO (Evolutionary Structural Optimization) ao Método dos Elementos Finitos. O critério de evolução do método de otimização topológica adotado considera a eliminação de elementos/armadura menos solicitados e ocorre em duas etapas. Em um primeiro momento essa remoção é feita em nível de tensão, considerando uma análise linear, a qual gera o MBT e a configuração inicial para disposição das armaduras. Em seguida, é feita uma análise não linear onde são excluídas as armaduras dos elementos com menores níveis de deformação, obtendo-se a configuração final e a consequente distribuição de armadura procurada. Nesse contexto, é possível obter soluções otimizadas de problemas complexos envolvendo o concreto estrutural. São apresentados exemplos de cada etapa deste trabalho para comprovação e validação das técnicas implementadas. Os MBT’s obtidos apresentam boa concordância com os modelos normativos e com aqueles encontrados na literatura. Além disso, com a consideração da não linearidade dos materiais foi possível reduzir sobremaneira o consumo de aço em relação à análise linear.

Abstract:

The Strut-and-Tie Models (STM) can be an excellent alternative for the design of reinforced concrete structural elements submitted to plane stress state and for regions with geometric or static discontinuity. In this sense, the model allows a better representation of structural behavior and resistence mechanisms in concrete structures. In order to make the concept of the model less dependent on the experience of the designer, the present work aims the automatic generation of the strut-and-tie models in structural elements and its dimensioning considering the physical nonlinearity of the materials, combining the topological optimization technique ESO (Evolutionary Structural Optimization) to the Finite Element Method. The evolution criterion of the adopted topological optimization method considers the elimination of less requested elements and occurs in two stages. At first, this removal is made at a stress level, considering a linear analysis, wich generates the STM and the initial configuration for steel bars arrangement. Then, a nonlinear analysis is performed where the reinforcement of the elements with the lowest deformation levels is exclude, obtaining the final configuration and the consequent reinforcement distribuition sought. In this context, it is possible to obtain optimized solutions of complex problems involving structural concrete. Examples of each step of this work are presented to prove and validate the implemented techniques. The STM obtained show good agreement with the normative models and with those found in the literature. Moreover, by considering the nonlinearity of the materials it was possible to greatly reduce the steel consumption compared to the linear analysis. Keywords: Strut-and-Tie Model, Finite Element Method, Topological Optimization, Reinforced Concrete

Palavras-chave:

Modelo de Bielas e Tirantes, Método dos Elementos Finitos, Otimização Topológica, Concreto Armado

Áreas de Concentração:

- Mestrado: Estruturas e Construção

Orientadores:

- Amilton Rodrigues da Silva

Banca Examinadora:

Prof. Amilton Rodrigues da Silva (UFOP, Presidente)
Prof. Walliston dos Santos Fernandes (UFOP)
Prof. Ígor José Mendes Lemes (UFLA)

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