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Análise inelástica e de segunda ordem de estruturas com restrições bilaterais e unilaterais de contato.
(2021) Silva, Jéssica Lorrany e; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Lemes, Igor José Mendes; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Lemes, Igor José Mendes; Nogueira, Christianne de Lyra; Araújo, Francisco Célio de; Gonçalves, Paulo Batista; Ferreira, Walnório Graça
Este trabalho apresenta uma metodologia numérica com base em uma formulação em deslocamento para simular o comportamento não linear 2D de elementos estruturais em aço, de concreto e mistas de aço e concreto. São abordadas fontes de não linearidades, como: os efeitos de segunda ordem e a inelasticidade. Vale ressaltar a adoção do referencial corrotacional na formulação não linear geométrica de elementos finitos, baseadas na separação explícita entre movimentos de corpo rígido e os que causam deformação. A inelasticidade é modelada considerando a plasticidade concentrada nos nós dos elementos finitos. Assim, a simulação do comportamento não linear dos materiais, incluindo a determinação da capacidade resistente das seções é abordada através do Método de Compatibilidade de Deformações, onde as relações constitutivas dos materiais são utilizadas explicitamente. Além disso, a presente abordagem numérica não se limita a uma tipologia transversal específica e pode ser usada para análise de diferentes seções transversais. Em conjunto é realizado um estudo da resposta não linear de sistemas envolvendo a interação solo-estrutura (solo/rocha), com o intuito de fornecer uma modelagem numérica mais realística do problema de engenharia (estrutural/geotécnico). Essa interação pode ser considerada de duas formas diferentes em função da resposta do meio geológico, como: bilateral e unilateral. Finalmente, apresentam-se análises numéricas avançadas de estruturas de aço, de concreto e mistos de aço e concreto, para diferentes seções transversais; e análises de sistemas mecânicos com interação solo-estrutura. Os resultados obtidos são comparados com respostas numéricas e experimentais presentes na literatura. Verificou-se nos exemplos simulados que a formulação numérica proposta é estável com boa concordância com dados numéricos e experimentais da literatura.
Formulações corrotacionais 2D para análise geometricamente não linear de estruturas reticuladas.
(2016) Silva, Jéssica Lorrany e; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Silva, Andréa Regina Dias da; Alvarenga, Arthur Ribeiro de; Galvão, Alexandre da Silva
Com o propósito de tornar os sistemas estruturais mais econômicos tem-se um aumento da utilização de estruturas cada vez mais esbeltas em várias áreas da engenharia. Para a concepção de estruturas mais esbeltas, a realização de análises não lineares geométricas, em que os efeitos de segunda ordem são explicitamente incluídos, torna-se cada vez mais comum. Nesse âmbito, com esta dissertação tem-se a finalidade principal o desenvolvimento de formulações para estruturas reticuladas 2D, que consideram o comportamento não linear geométrico, dentro do contexto do Método dos Elementos Finitos. As implementações foram realizadas no programa computacional CS-ASA (Computational System for Advanced Structural Analysis), com o qual é possível a realização de análises avançadas de estruturas considerando vários efeitos não lineares. As formulações de elementos finitos geometricamente não lineares implementadas aqui estão adaptadas à metodologia de solução que usa o método de Newton-Raphson acoplado às estratégias de incremento de carga e de iteração. Essas estratégias permitem a ultrapassagem de pontos críticos (bifurcação e limite) ao longo da trajetória de equilíbrio. Vale enfatizar a adoção nessas formulações não lineares de elementos finitos do referencial corrotacional, que permite a separação explícita entre os movimentos de corpo rígido e os deformacionais. Nesse tipo de abordagem, somente os deslocamentos que causam deformações estão presentes e, dessa forma, os deslocamentos e rotações medidos nesse sistema local corrotacional podem ser considerados pequenos e permitem a consideração de medidas de deformação lineares sem perda de precisão. Essas formulações utilizam a teoria de viga de Euler-Bernoulli e também a teoria de Timoshenko. Os resultados obtidos no presente trabalho foram avaliados através do estudo de problemas estruturais clássicos de estabilidade fortemente não lineares encontrados na literatura.
Inelastic second-order analysis of steel columns under minor-axis bending.
(2019) Gonçalves, Gilney Afonso; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Silva, Andréa Regina Dias da; Silva, Jéssica Lorrany e
The inelastic second-order behavior of steel structural columns under minor-axis bending is presented in this article. To study this behavior, a nonlinear frame element formulation is adopted in which the steel's plasticity process is accompanied at the nodal points of each finite element through the refined plastic-hinge method (RPHM). A tangent modulus approach is employed in order to consider the stiffness degradation in function of the internal forces' variation, and the second-order effects, residual stresses and geometric imperfections are considered in the modeling of column behavior. As a criterium for defining the ultimate limit state of the column cross-section, strength surfaces are adopted. These surfaces describe the interaction between the axial force and bending moment (N-M interaction diagrams). To solve the nonlinear equilibrium equation for the structural system, the Newton-Raphson method is used, coupled with continuation strategies. Columns with different slenderness, boundary and loading conditions are analyzed, and the results obtained are comparable to those found by other researchers. The results lead to the conclusion that the numerical approach adopted in this study can be used for a better behavioral understanding of the steel column under weak-axis bending.
Influence of residual stress models prescribed in design codes for steel I-section behavior.
(2022) Lemes, Igor José Mendes; Silva, Jéssica Lorrany e; Batelo, Everton André Pimentel; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota
Non-uniform cooling of steel cross-sections during the manufacturing process generates a state of residual stresses in the cross-section. Design codes describe the distribution of these stresses in different ways. This work aims to numerically investigate the influence of these models on the behavior of bare steel and steel-concrete composite sections by the curves: flexural stiffness-bending moment, moment-curvature and yield curves (initial and full yield). These procedures are important for the study of the simplified curves used in some methodologies of the refined plastic hinge method (RPHM) analysis. The study will use the strain compatibility method (SCM), where, if the axial strain of the cross-section point is known, the section stiffness is obtained using the tangential Young's modulus derived from the materials constitutive relationship. A fiber discretization algorithm is applied and the residual stresses are explicitly inserted into the fibers automatically. The methodology was calibrated using the moment-curvature relationship and the flexural stiffness-bending moment curve. These results were numerically stable and good convergence with literature data was obtained. In general, the residual stress model of the American standard (AISC, 2016) defines a larger elastic region within the interaction diagrams then European model (CEN, 2005). The results obtained showed that the initial yield curves for steel I-sections under minor axis bending require revision for application to RPHM, mainly due to the loss of symmetry in relation to the ''M'' axis in the normal force-bending moment (''NM'') interaction diagram.
Plastic analysis of steel arches and framed structures with various cross sections.
(2021) Silva, Jéssica Lorrany e; Deus, Lidiane Rodrigues Reis Maia de; Lemes, Igor José Mendes; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota
This paper presents a displacement-based numerical methodology following the Euler-Bernoulli theory to simulate the 2 nonlinear behavior of steel structures. It is worth emphasizing the adoption of co-rotational finite element formulations considering large displacements and rotations and an inelastic material behavior. The numerical procedures proposed considers plasticity concentrated at the finite elements nodes, and the simulation of the steel nonlinear behavior is approached via the Strain Compatibility Method (SCM), where the material constitutive relation is used explicitly. The SCM is also applied in determining the sections bearing capacity. Moreover, the present numerical approach is not limited to a specific structural member cross-sectional typology, with the residual stress models introduced explicitly in subareas of steel cross-sections generated by a 2D discretization. Finally, results consistent with the literature and with low processing time are presented.
Second-order inelastic analysis of shallow and non-shallow steel arches.
(2020) Deus, Lidiane Rodrigues Reis Maia de; Silveira, Ricardo Azoubel da Mota; Lemes, Igor José Mendes; Silva, Jéssica Lorrany e
This work presents a second-order inelastic analysis of steel arches. The analysis of shallow and non-shallow arches with several cross sections and boundary and loads conditions are discussed. The computational platform used is the homemade CS-ASA, which performs advanced nonlinear static and dynamic analysis of structures. The nonlinear geometric effects are considered using a co-rotational finite element formulation; the material inelasticity is simulated by coupling the Refined Plastic Hinge Method (RPHM) with the Strain Compatibility Method (SCM), and the static nonlinear solution is based on an incremental-iterative strategy including continuation techniques. In the simulated nonlinear steel arch models, special attention is given to the equilibrium paths, the influence of rise-to-span ratio, support and loading conditions and full yield curves among other factors. The numerical results obtained show good agreement with those from literature and highlight that the arch rise-to-span ratio has great influence on the structure resistance and that the shallow arches can lose stability through the snap-through phenomenon.