00 CAMPUS ARISTÓTELES CALAZANS SIMÕES (CAMPUS A. C. SIMÕES) CTEC - CENTRO DE TECNOLOGIA Dissertações e Teses defendidas na UFAL - CTEC
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Tipo: Tese
Título: Mecânica do dano concentrado para análise de placas, lajes e cascas delgadas
Autor(es): Cunha, Rafael Nunes da
Primeiro Orientador: Amorim, David Leonardo Nascimento de Figueiredo
metadata.dc.contributor.referee1: Barboza, Aline da Silva Ramos
metadata.dc.contributor.referee2: Cordeiro, Sérgio Gustavo Ferreira
metadata.dc.contributor.referee3: Bosse, Rúbia Mara
metadata.dc.contributor.referee4: Barros, Rodrigo
Resumo: A busca por uma melhor compreensão e descrição matemática do comportamento das estruturas é de fundamental importância no campo da engenharia estrutural. Para uma perfeita descrição é necessário que os modelos matemáticos considerem o comportamento não linear físico dos materiais. Algumas das principais teorias que permitem levar em consideração os efeitos não lineares são a teoria da plasticidade e a mecânica do dano contínuo. Estas teorias apresentaram grandes contribuições para a engenharia estrutural, no entanto também podem cair em limitações das soluções não lineares, como a descrição do comportamento não linear no póspico ou por apresentar infinitas soluções, ao ser analisado o problema da localização de deformações. Contornando estes problemas, diferentes teorias têm sido propostas, como a mecânica da fratura, a mecânica do dano moderna, os modelos de campo de fase e mecânica do dano concentrado (MDC). A MDC foi inicialmente proposta para elementos de pórtico e posteriormente foi formulada para meios bidimensionais (elementos finitos de membrana), tem se mostrado capaz de desenvolver análises não lineares, evitando o problema de localização de deformações, sem a necessidade de qualquer técnica de regularização. Portanto, o presente trabalho tem como objetivo contribuir com o desenvolvimento das análises através da MDC, com a proposta de novos modelos para a análise de placas, lajes e cascas delgadas. Para este fim, o presente trabalho selecionou o elemento finito Discrete Kirchhoff Triangle (DKT) para a análise de placas e o Constant Moment Triangle (CMT), para análise de placas, lajes e cascas. Também foi empregado o elemento Constant Strain Triangle (CST) para a análise de cascas. Todos os elementos foram reformulados, de modo a alterar as suas variáveis cinemáticas e permitir a inclusão das considerações da MDC. Para os elementos de placa, foi admitida uma lei de evolução do dano não linear, com amolecimento com comportamento exponencial. O presente trabalho desenvolveu uma campanha experimental para moldagem de placas de concreto reforçado com fibras de aço. Desta forma, os elementos de placa foram validados com diferentes ensaios experimentais da literatura e ensaios desenvolvidos neste trabalho, apresentando respostas com alta precisão, em termos de Força vs. Deslocamento, distribuição de fissuração e abertura de fissuras. Com base no elemento de placa baseado no CMT, este trabalho apresenta a proposta de um novo modelo para avaliar placas de concreto armado (lajes). Dentro deste modelo, as variáveis inelásticas são definidas como o dano e rotações plásticas, as quais podem ser relacionadas com a resposta do concreto armado (fissuração e escoamento da armadura). Com base nisto, diferentes leis de evolução do dano e das rotações plásticas são propostas neste trabalho. O modelo foi aplicado para uma série de ensaios da literatura, cujos resultados apresentaram alta acurácia em comparação aos experimentais, em termos de Força vs. Deslocamento e iniciação e propagação de redes complexas de fissuras. Finalmente, um modelo de casca plano, para aplicação em cascas de concreto armado, é proposto neste trabalho. Os efeitos axiais são descritos pelo elemento finito CST, admitido com resposta elástica linear, e os efeitos de flexão, com o elemento de lajes proposto. O modelo é aplicado a diferentes exemplos experimentais da literatura, obtendo respostas com boa precisão, mostrando-se adequado para prever as respostas de Força vs. Deslocamento e fissuração, obtidos com um modelo de arco e com os próprios resultados experimentais.
Abstract: The search for a better understanding and precise mathematical description of the behaviour of structural behaviour is of fundamental importance in structural engineering. For an accurate representation, mathematical models must account for the physical non-linear behaviour of materials. The main theories that account for nonlinear effects include the theory of plasticity and the mechanics of continuous damage. These theories have significantly contributed to structural engineering, they also face limitations associated with nonlinear solutions. Challenges include describing post-peak non-linear behaviour or encountering infinite solutions when analysing strain localization problems. To address these issues, various alternative theories have been proposed, such as fracture mechanics, modern damage mechanics, phase field models, and lumped damage mechanics (CDM). Initially developed for frame elements, CDM was later extended to two-dimensional media (e.g., membrane finite elements). It has demonstrated the capability to perform non-linear analyses, avoiding the problem of strain localization without relying on regularization techniques. This study aims to contribute to the development of analyses using CDM by proposing new models for the analysis of thin plates, slabs, and thin shells. The study selected the Discrete Kirchhoff Triangle (DKT) finite element for plate analysis, and the Constant Moment Triangle (CMT) was chosen for the analysis of slabs, plates, and shells. Additionally, the Constant Strain Triangle (CST) element was employed for shell analysis. All the elements were reformulated to modify their kinematic variables, enabling the incorporation of CDM considerations. For plate elements, a nonlinear damage evolution law with exponential softening behaviour was adopted. This study also developed an experimental campaign involving the casting of fibre-reinforced concrete plates. The plate elements were tested against a series of experimental tests found in the literature as well as the experimental tests conducted in this study. The results demonstrated accurate performance in terms of force-displacement relationships, crack distribution, and crack opening. Based on the plate element using the CMT, this study proposes a new model for evaluating reinforced concrete plates (slabs). Within this model, inelastic variables, defined as damage and plastic rotations, are associated with the behaviour of reinforced concrete (cracking and reinforcement yielding). Accordingly, this study introduces different laws governing the evolution of damage and plastic rotation. The proposed model was tested against series of experimental tests from the literature, yielding results with high accuracy compared to experimental data, in terms of Force vs. Displacement and the initiation and propagation of complex networks of cracks. Finally, a flat shell model for application in reinforced concrete shells is proposed. Axial effects are described using the CST finite element, assumed to exhibit a linear-elastic response, while bending effects are modelled using the proposed slab element. The model was validated against various experimental examples from the literature, delivering accurate predictions of force-displacement responses and cracking behaviour, consistent with both an arch model and experimental results.
Palavras-chave: Placas delgadas
Lajes de concreto
Casca de concreto
Mecanica do dano concentrado
Localização de deformações
Thin plates
Concrete slabs
Concrete shell
Concentrated damage mechanics
Deformation localization
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Alagoas
Sigla da Instituição: UFAL
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil
Citação: CUNHA, Rafael Nunes da. Mecânica do dano concentrado para análise de placas, lajes e cascas delgadas. 2025. 180 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) - Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2024.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/16426
Data do documento: 16-dez-2024
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