Estudo numérico da estabilidade elástica de placas de aço enrijecidas utilizando a geometria clothoidal como enrijecedor
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Resumo
O emprego de elementos caracterizados como placas de aço esbeltas é corriqueiro na concepção estrutural de projetos de construção civil, justificado pela alta resistência mecânica, redução do peso próprio e consumo eficiente de material. Assim sendo, o presente trabalho apresenta uma análise comparativa, por meio do Método dos Elementos Finitos (MEF), utilizando o software Abaqus, da estabilidade elástica de placas enrijecidas com enrijecedor de formato plano e clothoidal, sendo o último formato normalmente utilizado como conector de cisalhamento na composição de elementos estruturais mistos de aço e concreto. O estudo avalia casos com diferentes razões de tensões normais, posições do enrijecedor, rigidez relativa à flexão, razão de aspecto entre os lados do painel e diferentes padrões do formato clothoidal, controlado pelo passo ex. Além disso, também se consideram essas variações para o caso de modelos submetidos ao cisalhamento puro. De maneira geral, constatou-se que para valores elevados de rigidez, isto é, de modo que o enrijecedor se comporta como rígido, não há diferenças significativas no comportamento do painel. Contudo, quando se avalia patamares menores de rigidez, os modelos com enrijecedores de formato composto com parcela plana e clothoidal apresentam melhor desempenho, se comparado ao convencional com apenas parte plana, indicando que a parcela geométrica clothoidal confere acréscimo de rigidez ao enrijecedor em função do seu passo ex. Diante disso, realizou-se um processo iterativo de maneira a definir uma equação que estabeleceu uma relação entre o trecho clothoidal a uma parcela plana equivalente em função do parâmetro ex, que se mostrou funcional para todos os parâmetros analisados no estudo. Por fim, os resultados da análise concluíram que enrijecedores com formato clothoidal podem ser utilizados de maneira conservadora como se fossem planos considerando apenas a parcela plana ou com melhor aproveitamento de material utilizando a equação de acréscimo de largura equivalente proposta neste trabalho.
Abstract
The use of elements characterized as slender steel plates is common in the structural design of civil construction projects, justified by their high mechanical strength, weight reduction and efficient material consumption. Therefore, this work presents a comparative analysis, by means of the Finite Element Method (FEM), of the elastic stability of stiffened plates with flat and clothoidal stiffeners, the latter format being normally used as a shear connector in composite steel and concrete structural elements. The study evaluates cases with different normal stress ratios, stiffener positions, relative bending stiffness, aspect ratio between panel sides, and different patterns of the clothoidal shape, controlled by the ex step. In addition, these variations are also considered for the case of models subjected to pure shear. In general, it was found that for high stiffness values, i.e., so the stiffener behaves as rigid, there are no significant differences in the behavior of the panel. Nevertheless, when lower ranges of stiffness are considered, the models with clothoidal stiffeners present improved performance when compared to the conventional flat design, indicating that the clothoidal geometric portion confers increased stiffness to the stiffener as a function of its ex step. Thus, an iterative process was conducted in order to define an equation that established a relationship between the clothoidal section to an equivalent flat portion as a function of the parameter ex, which proved to be functional for all parameters analyzed in the study. Finally, the results of the analysis concluded that clothoidal shaped stiffeners can be used conservatively as if they were flat, considering only the flat part, or with better material utilization using the equivalent width increment equation proposed in this work.
Assunto
Engenharia de estruturas, Conectores de cisalhamento, Flambagem (Mecânica), Placas (Engenharia)
Palavras-chave
Placas enrijecidas, Conector clothoidal
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