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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/36073| Título: | Análise via método dos elementos finitos da concentração de tensão em perfis estruturais curvos submetidos à flexão |
| Título(s) alternativo(s): | Finite element method analysis of stress concentration in curved structural profiles submitted to bending |
| Autor(es): | Campos, Felipe Catai de |
| Orientador(es): | Vale, João Luiz do |
| Palavras-chave: | Método dos elementos finitos Vigas Flexão (Engenharia civil) Tensão - Concentração Finite element method Girders Flexure Stress concentration |
| Data do documento: | 22-Nov-2024 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Londrina |
| Citação: | CAMPOS, Felipe Catai de. Análise via método dos elementos finitos da concentração de tensão em perfis estruturais curvos submetidos à flexão. 2024. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Londrina, 2025. |
| Resumo: | Uma viga é um elemento estrutural que está sujeita a resistir a cargas aplicadas perpendicularmente ao seu eixo longitudinal, gerando flexão, resultando em uma região de compressão em um lado e tração no outro. Em vigas retas com perfil simétrico submetidas à flexão, a distribuição de tensões é linear e simétrica, sem concentração de tensão. Porém, em vigas curvas, surge um fator de concentrador de tensão, 𝐾𝑡, na região com o menor raio de curvatura, resultando em uma distribuição de tensão não linear e assimétrica. Para avaliar a intensidade de 𝐾𝑡 em vigas curvas em comparação com vigas retas, o Método dos Elementos Finitos (MEF) foi utilizado para o presente trabalho. Com isso, são realizadas três simulações de vigas retas e curvas com diferentes seções transversais: quadrada, tubular circular e tubular quadrada, nas quais esses perfis escolhidos são comuns para a aplicação em estruturas. No entanto, para validação desse valor de 𝐾𝑡 obtidos por meio do MEF, será realizado uma comparação com o método analítico, restrito para vigas de seção transversal quadrada. Para a viga com seção transversal quadrada, o parâmetro raio definido como raio de curvatura será variado entre 50 mm até 1000 mm com incrementos de 50 mm. Para cada medida de raio adotada, será extraído um valor da tensão máxima que será utilizado para o cálculo de 𝐾𝑡. Para enriquecer essa validação da viga de seção transversal quadrada é realizado a comparação do método analítico com o MEF em relação a distribuição de tensão ao longo da seção para os casos onde o raio é mínimo e máximo. Enquanto, para os casos das vigas com seção transversal tubular circular e tubular quadrada, os parâmetros variáveis serão o raio e a espessura. Foi apresentado uma metodologia para avaliação tanto do raio de curvatura como da espessura dos perfis, assim como, também foi apresentado uma metodologia com relação ao MEF incluindo estudos de convergência de malha. Observou-se que, quanto menores o raio e a espessura, maior é o valor do 𝐾𝑡. Além disso, identificou-se um comportamento inesperado para as seções transversais tubulares quadradas para menores raios e menores espessuras, caracterizado por uma deformação ocasionada por parede fina. Conclui-se que a espessura e o raio possuem um impacto significativo no valor do 𝐾𝑡, sendo que espessuras menores aumentam esse valor. Em todos os casos, a viga de seção transversal tubular circular mostrou-se preferível em relação à seção transversal tubular quadrada. |
| Abstract: | A beam is a structural element designed to resist loads applied perpendicular to its longitudinal axis, generating bending, which results in a compression region on one side and tension on the other. In straight beams with symmetric profiles under bending, the stress distribution is linear and symmetric, with no stress concentration. However, in curved beams, a stress concentration factor, 𝐾𝑡, arises in the region with the smallest radius of curvature, leading to a nonlinear and asymmetric stress distribution. To assess the intensity of 𝐾𝑡 in curved beams compared to straight beams, the Finite Element Method (FEM) was used in this study. Three simulations were conducted on straight and curved beams with different cross-sections: square, circular tubular, and square tubular, as these profiles are commonly used in structural applications. For validation of the 𝐾𝑡 value obtained by FEM, an analytical comparison will be performed, restricted to square cross-section beams. For square-section beams, the radius parameter, defined as the curvature radius, will range from 50 mm to 1000 mm, in increments of 50 mm. For each radius case, a maximum stress value will be extracted for calculating 𝐾𝑡. To enrich this validation, an analytical and FEM comparison is performed for square-section beams regarding the stress distribution along the section for cases with minimum and maximum radius values. For beams with circular tubular and square tubular cross-sections, the variables are radius and thickness. A methodology for evaluating both the curvature radius and profile thickness, along with an FEM approach that includes mesh convergence studies, was presented. Results showed that smaller radii and thicknesses increase 𝐾𝑡 values. Furthermore, an unexpected behavior was identified in square tubular cross-sections with smaller radii and thicknesses, characterized by thin-wall deformation. It was concluded that thickness and radius significantly affect 𝐾𝑡 values, with thinner sections increasing this value. In all cases, the circular tubular cross-section proved preferable over the square tubular cross-section. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/36073 |
| Aparece nas coleções: | LD - Engenharia Mecânica |
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