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Title: Análise computacional via MDF de cascas cilíndricas com restrições bilaterais e unilaterais de contato.
Authors: Machado, Fernando Carlos Scheffer
metadata.dc.contributor.advisor: Silveira, Ricardo Azoubel da Mota
Keywords: Cascas - engenharia
Análise elástica - engenharia
Método das diferenças finitas
Mecânica do contato - contato unilateral
Otimização
Issue Date: 2013
Citation: MACHADO, Fernando Carlos Scheffer. Análise computacional via MDF de cascas cilíndricas com restrições bilaterais e unilaterais de contato. 2013. 99 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) - Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2013.
Abstract: As cascas cilíndricas são elementos estruturais bastante utilizados como tubulações enterradas, estruturas de contenção de túneis e poços, e depósitos de diversos materiais, na forma de silos ou tanques. Nessas aplicações as cascas cilíndricas interagem com o meio elástico, no caso solo ou rocha. Essa interação pode ser considerada de duas forma diferentes: com um problema de contato bilateral (PCB), quando a estrutura e o meio não perdem contato durante o processo de deformação; e como um problema de contato unilateral (PCU), quando a casca não está completamente fixa e pode perder contato com o meio para determinadas condições de carregamento. Portanto, esta tese tem como principal objetivo o desenvolvimento de uma ferramenta, ou programa computacional, para o estudo e análise de problemas envolvendo cascas cilíndricas com restrições bilaterais e unilaterais de contato impostas por bases elásticas. Essa ferramenta computacional apresenta como principais características: i. o emprego do Método das Diferenças Finitas (MDF) para aproximar as derivadas das equações diferenciais de equilíbrio do sistema casca-base elástica. Adota-se neste trabalho a Teoria de Casca de Sanders, que pode ser aplicada para cascas ou painéis cilíndricos pouco ou muito abatidos; e as bases elásticas são aproximadas pelos modelos de Winkler e Pasternak; ii. o emprego de metodologias de solução desses PCB e PCU. No caso do PCB, a região de contato Sc entre os corpos (casca-base) é conhecida a priori, e sua solução pode ser obtida de forma direta, se as hipóteses de pequenos deslocamentos e material elástico forem consideradas. No caso do PCU, tem-se como principal desafio a definição da região de contato entre os corpos, Sc, que não é conhecida a priori, e adotam-se aqui duas estratégias de solução desse problema (ES1 e ES2, respectivamente). Na primeira, a interação casca-base é avaliada considerando diretamente as restrições de contato unilateral e resolvendo-se um Problema de Complementaridade Linear (PCL). Na segunda, a região de contato Sc é inicialmente aproximada e na sequência utiliza-se o método de Newton-Raphson para corrigi-la e avaliar a participação da base elástica na obtenção de outras incógnitas do problema. Essa ferramenta computacional foi desenvolvida usando a linguagem de programação Fortran®. Diversos exemplos numéricos são apresentados e analisados com o intuito de averiguar a eficiência das metodologias implementadas para soluções dos problemas de contato. No final da tese, algumas conclusões e observações referentes ao sistema computacional desenvolvido e às metodologias numéricas propostas são estabelecidas. Além de o MDF ter se apresentado como um método de fácil implementação e utilização, as estratégias de solução não linear adotadas se mostraram semelhantes, em termos de resultados obtidos, mas com ligeiro ganho de eficiência computacional por parte da ES1. Por fim, sugestões para novas pesquisas são apresentadas.
metadata.dc.description.abstracten: Buried pipelines, containment structures for tunnels and shafts, and deposits of various materials in the form of silos or tanks all use structural elements known as cylindrical shells. Cylindrical shells interact in these applications with elastic means, in these cases soil or rock. This interaction can be considered in two ways. First, it can be considered a bilateral contact problem (BCP) where, during the deformation process, structure and base remain in contact; second, it can be considered a unilateral contact problem (UCP) where, under certain loading conditions, the shell is not completely fixed and may lose contact with the medium. The main objective of this thesis then is to develop a computational tool for the study and analysis of problems, imposed by elastic base contact, involving cylindrical shells with bilateral and unilateral restrictions. This numerical tool has as main features: i. the use of the finite difference method (FDM) to approximate the derivatives of the differential equations of equilibrium of the system’s shell-elastic base. This paper adopts Sanders’ theory for shells, which can be applied to cylindrical shells and panels, and approximates the elastic bases using Winkler’s and Pasternak’s models. ii. Employment of methodologies for solving these BCPs and UCPs. In the case of BCP, the region of contact between the bodies Sc (shell-base) is known a priori; its solution can be obtained directly if one considers the assumptions of small displacements and elastic material. In the case of UCP, the main challenge is the definition of the area of contact between the bodies Sc, which is unknown a priori; to solve this problem, the current study adopts two strategies for solving this problem (ES1 and ES2, respectively). First, the interaction shell-base is calculated by considering directly the unilateral contact constraints and solving a linear complementarity problem (LCP). Second, the contact area Sc is initially approximated and corrected, via Newton-Raphson’s method, by evaluating the participation of the elastic foundation in obtaining other unknown variables. This numerical tool was developed using the programming language Fortran ®. To determine the efficiency of these methodologies, the work presents and analyzes several numerical examples. The end of the thesis, offers some conclusions and remarks regarding the computing system developed and the proposed numerical methodologies. Besides the MDF have been presented as a method easy to implement and use, the nonlinear solution strategies adopted were similar in terms of results, though ES1 showed a slight gain in computational efficiency. Finally, suggestions for further research are presented.
Description: Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil. Departamento de Engenharia Civil, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/4387
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