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FERNANDO ROGÉRIO GONÇALVES Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de membranas: teoria e implementação em elementos finitos. Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para a obtenção do título de Mestre em Engenharia. São Paulo 2012

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Page 1: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

FERNANDO ROGÉRIO GONÇALVES

Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de

membranas: teoria e implementação em elementos finitos.

Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para a obtenção do título de Mestre em Engenharia.

São Paulo 2012

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FERNANDO ROGÉRIO GONÇALVES

Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de

membranas: teoria e implementação em elementos finitos.

Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para a obtenção do título de Mestre em Engenharia.

Área de Concentração: Engenharia de Estruturas

Orientador: Professor Dr. Eduardo M. B. Campello

São Paulo 2012

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Aos Meus pais Maria Rosa e

Luiz Carlos e aos meus

Sobrinhos Aliny e Alexandre.

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Agradecimentos:

Ao Professor Eduardo Campello pela valiosa orientação durante o desenvolvimento desse trabalho.

Ao Professor Paulo M. Pimenta, pela acolhida ao grupo e por sugestões sobre o trabalho.

Ao Professor Ruy M. Pauletti, pelas sugestões referentes a minha pesquisa.

Aos meus pais Maria Rosa e Luiz Carlos e todos meus familiares, em especial agradeço (in memoriam) a minha tia Ana Panhota, a minha avó Beth e ao meu avô Domingos.

Aos amigos: Ana Gabi, Cleiton, Lilian, Gervásio, Érika, Edward, Wandla, Rodrigo agradeço pela compreensão por minha ausência nos últimos três anos.

Aos amigos: Renata Uchôa, Guilherme Neves, Juliana Turri, Ana Cristina, Sílvia, Cesar, Natan, Raquel, Dina, Márcio Santos, Janaína Pitteri sempre presentes em minhas lembranças.

Aos amigos da Poli: Augusto, Fábio, Mauro, Fernando Piva, Solange, Luciano.

Aos amigos do CAM: Alexandre (Tikine), Fúlvio, Renato, Ricardo (Salada), Daniel Chu, Sílvio, pela amizade alguns a mais de 25 anos.

Aos amigos: Manoel Marto, Jackson, Beth e Edely pelo apoio nos últimos anos.

Ao amigo Laílson, sua mãe Tiana e suas filhas Maria Luiza e Maria Fernanda.

A minha grande amiga Paulinha Yorozuya.

Aos meus amigos e vizinhos:Valadão, Neusa, Marina e Marcelo.

A minha prima Cristiane e meu afilhado Guilherme.

Aos amigos e compadres Luciana Lion e Ricardo, a Gabi, ao meu afilhado Felipe, e a toda turma Leila, Giovana, Luiz, Letícia, Soraia e Irani.

A Grande Família do JAC/AADP: Leonardo Lago, Paulo Nigro, Jorge Costa, Eduardo Simões, Alexandre Beletti (Higuita), Marcelo Rassy, Henrique (e Mônica), Marco Brasiel (Maguinho), Marina Lima, Kamila, Evandro, Nádia Ota e Cinthia.

Aos amigos da pós-graduação e outros laboratórios: Igor Pierin, Márcia Sato, Rodrigo, Érika Uagaia, Luís Bitencourt, Diogo, Ladislao, Plínio, Nicolau, Ricardo Oliveira, Ana Carolina e Luciana Kataoka.

A Jô, Adilson, Ramos, Guilherme em especial aos meus sobrinhos Aliny e Alexandre.

Agradeço ainda ao CNPq pelo suporte financeiro.

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ÍNDICE

RESUMO ................................................................................................................................... v 

ABSTRACT .............................................................................................................................. vi 

1.  Introdução ........................................................................................................................... 1 

1.1.  Estado da arte ............................................................................................................... 2 

1.2.  Objetivos ...................................................................................................................... 4 

1.3.  Notação utilizada ......................................................................................................... 4 

2.  Formulação de casca com implementação em elementos finitos ........................................ 6 

2.1.  Cinemática ................................................................................................................... 6 

2.2.  Estática ....................................................................................................................... 12 

2.3.  Equilíbrio ................................................................................................................... 17 

2.4.  Discretização em elementos finitos ........................................................................... 20 

3.  Descrição do Material ....................................................................................................... 25 

3.1.  Configuração e composição do material .................................................................... 26 

3.2.  Comportamento mecânico do tecido ......................................................................... 28 

3.3.  Idealização ................................................................................................................. 29 

3.4.  Modelos constitutivos propostos ............................................................................... 30 

3.4.1.  Modelo Constitutivo de Oliveira-Pimenta [5] e [8] ........................................... 32 

3.4.2.  Modelo constitutivo de Saint-Venant ( Raible [28] e [33]) ................................ 41 

4.  Calibração dos parâmetros materiais dos modelos constitutivos propostos ..................... 48 

4.1.  Calibração do modelo constitutivo de o Oliveira-Pimenta utilizando uma membrana

composta de fibras de poliéster revestida por PVC .............................................................. 51 

4.2.  Calibração do modelo constitutivo ortótropo de Saint-Venant utilizando uma

membrana composta de fibras de poliéster revestida por PVC ............................................ 54 

5.  Exemplos numéricos ......................................................................................................... 56 

5.1.  Membrana quadrada (modelo constitutivo de Oliveira-Pimenta) .............................. 56 

5.2.  Membrana quadrada (modelo constitutivo ortótropo de Saint-Venant-Pimenta) ...... 62 

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6.  Conclusões ........................................................................................................................ 68 

Anexo A .................................................................................................................................... 71 

Anexo B .................................................................................................................................. 103 

7.  Referências Bibliográficas .............................................................................................. 121 

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RESUMO

O emprego das estruturas de membrana é cada dia mais frequente em edificações de

relevância civil e arquitetônica, em especial para a cobertura de grandes vãos. Sua

aplicabilidade, contudo, vai além da construção civil, sendo igualmente importante nas

indústrias das engenharias mecânica, naval, oceânica, aeroespacial e biomédica: aeronaves,

satélites, paraquedas, airbags, velas de embarcações, moinhos de vento e até aplicações

biomecânicas com tecidos humanos ou artificiais utilizam a tecnologia das estruturas de

membrana.

O comportamento mecânico de grande parte das membranas estruturais pode ser idealizado

como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa.

O objetivo desta pesquisa de mestrado é dar continuidade aos estudos referentes às teorias de

casca geometricamente exatas desenvolvidas por [1], [2], [3] e [4], e sua generalização para o

âmbito das membranas iniciada em [5]. Pretende-se contribuir, principalmente, para o

desenvolvimento de equações constitutivas ortótropas consistentes para grandes deformações,

apresentar uma metodologia para calibração dos parâmetros materiais destas equações

constitutivas e para a análise de estabilidade com vistas ao estudo do fenômeno do

enrugamento.

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ABSTRACT

The use of membrane structures is becoming increasingly common in buildings of

architectural and civil engineering importance, especially to cover large spans. Its

applicability, however, goes beyond the construction industry being equally important in the

industries of mechanical, naval, ocean, aerospace and biomedical engineering: aircraft,

satellites, parachutes, airbags, sails of boats, windmills and even biomechanical applications

with human and artificial tissues use the technology of membrane structures.

The mechanical behavior of most structural membranes can be idealized as an isotropic thin

shell reinforced by an orthotropic membrane.

The objective of this work is to continue the studies on the geometrically exact shell theories

developed by [1], [2] , [3] and [4] and its generalization to the scope of the membranes

initially studied by [5]. It aims intended to contribute mainly to the development of consistent

orthotropic constitutive equations for large deformations, to present a methodology for the

calibration of the material parameters in those constitutive relations and for the stability

analysis in order to study the phenomenon of wrinkling.

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1. Introdução

Uma membrana estrutural é um elemento superficial que resiste aos carregamentos externos

desenvolvendo tensões normais e de cisalhamento, as quais atuam nos planos tangentes à sua

superfície em cada ponto de seu domínio.

Conforme [6], uma estrutura de membrana é aquela em que a membrana constitui dos pontos

de vista arquitetônico e estrutural, a parte principal do sistema. Neste caso, todos os demais

elementos estruturais, tais como mastros, masteletes, estais e cabos, estarão dispostos no

sistema a fim de que a membrana:

tenha uma configuração geométrica próxima àquela definida na intenção arquitetônica;

desempenhe a função para a qual foi concebida (em geral, cobrir grandes áreas livres);

seja estável;

resista aos carregamentos externos, sejam eles estáticos ou dinâmicos.

O uso das estruturas de membrana tem sido cada vez mais frequente em obras de relevância

civil e arquitetônica, em especial nas coberturas para grandes vãos. Para [7] seu emprego vai

além, como por exemplo: em aplicações de aeronaves e naves espaciais, paraquedas, airbags

de automóveis, velas de embarcações, moinhos de vento e tecidos humanos.

Segundo [8] o desenvolvimento de novos materiais aliado ao aumento das possibilidades de

se projetar, proporcionado pelas simulações computacionais, são fortemente responsáveis pelo

atual cenário das estruturas de membrana na construção civil.

No âmbito da simulação computacional uma área de importância fundamental é a

representação do material que compõe a estrutura. Para que isso aconteça da forma mais

realista possível é necessário compreender o mecanismo de resistência deste material.

Uma membrana estrutural consiste de uma rede fina de fibras revestida por finas coberturas

nas suas superfícies inferior e superior. Tais fibras são geralmente tecidas em duas direções

ortogonais, e por este motivo as características ortótropas estão presentes em seu

comportamento mecânico.

Vale destacar, que a formulação proposta neste trabalho pode não ser adequada a aplicações

arquitetônicas de membrana, pois na busca de uma intensão arquitetônica, a colagem dos

diversos padrões de corte, que apresentaram direções diferentes, provocará perda da

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ortotropia. Por outro lado, para aplicações que requerem precisão geométrica, como por

exemplo, em aplicações aeroespaciais, o tratamento adequado da ortotropia assim como do

enrugamento, se tornam essenciais.

1.1. Estado da arte

Na obra de Itskov e Basar (1999) [9] e Itskov (2001) [10] um modelo constitutivo ortótropo

hiperelástico foi desenvolvido para a simulação numérica do reforço com fibras de borracha

em tecidos biológicos. O modelo usa uma extensão não linear ortótropa do material de Saint

Venant-Kirchhoff descrevendo as direções principais dos materiais por uma função tensorial

isótropa acoplada com os tensores estruturais correspondentes. Lürding (2001) [11]

desenvolve com base na função isótropa de energia de deformação do material (dada como

uma função exponencial em termos dos invariantes principais), uma extensão para o caso

transversalmente isótropo e ortótropo.

A motivação para os trabalhos de Bonet e Burton (1998) [12], Weiss et al. (1996) [13] e

Holzapfel et al. (2000) [14] é a modelagem de processos de grandes deformação em

materiais biológicos. Um modelo constitutivo hiperelástico transversalmente isótropo para o

caso de grandes deformações é desenvolvido por Bonet e Burton (1998) [12].

Weiss et al. (1996) [13] também apresentam um modelo constitutivo isótropo, onde o foco

está na incompressibilidade.

Para a simulação das paredes arteriais, um modelo de material constitutivo ortótropo novo é

desenvolvido por Holzapfel et al. (2000) [14], em que cada camada da artéria é modelada

como um material reforçado por fibra. Os invariantes com respeito a várias direções

preferenciais são aditivamente dissociados, o que significa que o modelo proposto pode ser

considerado como uma sobreposição de diferentes modelos de materiais transversalmente

isótropos. Uma visão geral e estudo comparativo dos vários modelos mecânicos para

aplicações em sistemas biomecânicos também está incluso neste trabalho.

Um modelo para materiais transversalmente isótropos quase incompressíveis é proposto por

Rüter e Stein (2000). [15] Eles também desenvolveram um estimador de erro para a medição

do erro de discretização dentro do método dos elementos finitos.

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Com base nos trabalho de Spencer (1984) [16] e Boehler (1987) [17] uma função de energia

de deformação para materiais ortótropos não lineares é proposta por Raible et al. (2000) [18]

e Reese et al. (2001) [19]. A formulação é incluída em um elemento contínuo especial (ver

Reese (2000) [20] e Wriggers (2008)) [21]. Para identificar as propriedades específicas de

ortotropia são feitas investigações em micro escala para o material do tecido e as conclusões

são introduzidas diretamente na descrição macroscópica do material.

Com base na teoria dos invariantes, Schröder e Neff (2002) [22] desenvolvem uma

metodologia para obter funções de energia livre, que automaticamente preenchem as

condições de poli convexidade no sentido de Ball (1977) [23], a fim de garantir solução única.

As funções de energia livre e a funções de anisótropas de tensão são representados por

funções tensoriais isótropas a valores escalares e tensoriais, respectivamente. Equações

constitutivas transversalmente isótropas e ortótropas são dadas em uma estrutura aditiva, onde

os termos individuais atendem a priori a condição poli convexidade.

No nível de estruturas reais, rugas são instabilidades locais visíveis em membranas devido à

compressão local. Para descrever esse efeito, vários estudos são baseados na introdução de

uma variável cinemática adicional que mapeia a região enrugada em uma chamada

"configuração média". Roddeman (1987) [24] formula várias condições para a classificação

das regiões enrugadas e mostra que esta abordagem pode ser aplicada a deformações finitas e

modelos de materiais anisótropos. Taenzer (1997) utiliza a abordagem de Roddeman para

desenvolver uma formulação robusta de elementos finitos. Schoop et al. (2002) [25] apresenta

uma formulação alternativa à abordagem de Roddeman resultando em equações não lineares

mais simples. Baseando-se nas condições de enrugamento de Roddeman, Ziegler (2001)

desenvolve um algoritmo análogo à elasto-plasticidade de divisão aditiva com pequenas

deformações para calcular as deformações de enrugamento. Como o algoritmo requer que as

tensões e as deformações principais tenham direções idênticas, é aplicável apenas a materiais

isotrópicos.

Liu et al. (2000) [26] apresenta sua abordagem para o tratamento do enrugamento. As rugas

são resolvidas em detalhes quanto ao comprimento de onda, número e amplitude da onda com

base em duas análises: a primeira é uma análise grosseira que objetiva localizar regiões da

membrana que possam estar tensionadas, folgadas ou enrugadas. Na segunda etapa, com base

na suposição de rugas sinusoidais, uma analise mais refinada determina rugas físicas com

base em informações das tensões principais e deformações obtidas pela análise grosseira.

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Oliveira (2006) [5], simula o comportamento mecânico dos tecidos estruturais idealizando-os

como uma casca fina isótropa reforçada por uma membrana ortótropa, utilizando a teoria de

cascas geometricamente exata desenvolvida por Pimenta (1993) [1] e discretizando os

modelos com o elemento finito T6-3i desenvolvido por Campello et al (2003) [4].

Chivante (2009) [27], estuda diferentes métodos de modelagem para materiais típicos de

estruturas retesadas, com ênfase nos modelos ortótropos representados por um funcional de

energia de deformação hiperelástico.

1.2. Objetivos

Aproveitando-se das formulações de cascas e membranas desenvolvidas em [1,3,4,5],

pretende-se fundamentalmente estender os modelos existentes para incorporar leis

constitutivas ortótropas que se adequem aos materiais efetivamente utilizados na confecção

das membranas, capazes de representar o seu comportamento macroestrutural de maneira

mais apropriada. São apresentadas em detalhes a dedução das expressões que constitui a

matriz das contribuições constitutivas da parcela das equações constitutivas referentes a

ortotropia. Pretende-se também, apresentar uma metodologia para calibração de modelos

constitutivos ortótropos utilizando dados experimentais de teste de tração biaxial de

membranas reais empregadas em projetos de engenharia e iniciar o estudo da analise de

instabilidade visando o fenômeno no enrugamento.

1.3. Notação utilizada

Com relação à notação utilizada, ao longo de todo o trabalho letras minúsculas ou gregas em

itálico ( ), ,..., , ,...a b a b representam grandezas escalares, ao passo que as correspondentes em

negrito ( ), ,..., , ,...a b a b denotam vetores. Letras maiúsculas latinas ou gregas em negrito-

itálico ( ), ,...A B expressam tensores de segunda ordem no espaço Euclidiano tridimensional.

Vetores e matrizes construídos com componentes tensoriais (por exemplo, para fins

computacionais) são expressos por letras latinas em negrito não itálico ( ), ,..., , ,...A B a b .

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Adota-se ainda a convenção de somatório sobre índices repetidos, estando subentendido que

estes tomam valores entre { }1,2 para letras gregas ou entre { }1,2,3 para letras latinas.

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O campo vetorial ( )1 2ˆ , ,x x z=x x descreve a posição dos pontos materiais na configuração de

referência, dado por:

r= + ax z , (2.1)

onde

ra ax= ez (2.2)

define um ponto sobre o plano médio e

3r rz=a e (2.3)

é o vetor diretor neste ponto, normal ao plano médio, sendo ,b tH h hz é ùÎ = -ê úë û a coordenada

ao longo da espessura b th h h= + .

A base ortonormal local na configuração deformada { } 1 2 3, ,e e e é obtida pela aplicação de

uma rotação promovida pelo tensor de rotação Q à base definida na configuração de

referência, de modo que, ri i=e Qe . Essa rotação sobre a base { }rie é genérica, de modo que

o plano definido pelos vetores ea não é necessariamente tangente à superfície média

deformada e 3e não é obrigatoriamente ortogonal à mesma. Em outras palavras: a hipótese de

Reissner-Mindlin é válida para o diretor ra .

O vetor x , que representa a posição dos pontos materiais na configuração deformada, é

expresso por

= +x z a , (2.4)

onde ( )1 2ˆ ,x x=z z descreve a posição de um ponto sobre a superfície média e a representa

o vetor diretor neste ponto, obtido por através de

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r=a Qa . (2.5)

Diz-se que o vetor r T=v Q v é o equivalente retrorrotacionado de r=v Qv , para qualquer

par de vetores 3, r Îv v . O índice “r” significa que se trata de uma grandeza

retrorrotacionada para configuração de referência.

A substituição da equação (2.3) em (2.5) resulta que 3z=a e , de onde se observa que 3e

está alinhado com a e magnitude do diretor é preservada durante o movimento, desta forma

não sendo permitida a deformação da espessura no modelo adotado.

O tensor das rotações Q pode ser expresso em função do vetor das rotações q utilizando a

formula de Euler-Rodrigues

21 2( ) ( )h hq q= + +Q I Q Q (2.6)

onde

( )

( )

( )

( componentes de ),

, ,

e

1 1 2 2 3 3

2

1 2 2

3 2

3 1

2 1

sensen 1 2( ) ( )2

2

0

Skew 0 .

0

r r ri

h h

q q q q

qq

q q qq q

q qq qq q

= + +

= = =

é ù-ê úê ú= = -ê úê ú-ê úë û

e e eq q

q

Q q

(2.7)

O deslocamento dos pontos sobre o plano médio da casca é dado pelo vetor

= -u z z (2.8)

As componentes de u e q no sistema cartesiano global constituem os seis graus-de-liberdade

do modelo.

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Da equação (2.4) obtém-se o vetor posição x na configuração deformada, que derivado em

relação ao vetor posição x na configuração de referência resulta no gradiente da deformação

que pode ser escrito, fazendo uso da notação ( ) ( ),

/ aax· = ¶ · ¶ e ( ) ( ) / z¢· = ¶ · ¶ , por

( )

( )

,

3

, , 3T

r r

r r

r

a

aa

a a a

a a a

x z¶ ¶ ¶

= = Ä + Ķ ¶ ¶

¢= + Ä + Ä

= + Ä +

x x xF e e

z Q Q a e e

K a e Q

x

h

(2.9)

onde

e , ,T

a a a a a= - =z e K Q Qh (2.10)

podem ser entendidos como deformações generalizadas das seções transversais, com

, ,r

a a a= +z u e . As deformações de membrana são representadas pelas componentes de ah

nas direções be , enquanto o cisalhamento transversal pela componente em 3e . Os tensores

aK são antissimétricos e descrevem a as rotações específicas do diretor, com seus vetores

axiais designados por ( )axiala a= Kk . É possível demonstrar que

,a a= ,k Gq (2.11)

com

22 3( ) ( )h hq q= + +IG Q Q (2.12)

onde

( ) ( )13 2

1 hh

qq

q

-= . (2.13)

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Observe que as propriedades T T T= =Q QG G G e T T= =Q Q Q QG G G valem para G .

Retrorrotacionando as deformações de membrana e as rotações específicas do diretor para a

configuração de referência, encontram-se

e,

, .

r T T r

r T T

a a a a

a a a

= = -

= =

Q Q z e

Q

h h

k k G q (2.14)

Lembrando que para um tensor antissimétrico Y qualquer e seu respectivo vetor axial y a

propriedade = ´Yb y b é verdadeira, e substituindo os resultados de (2.14) em (2.9), obtém-

se a expressão

( )r r r ra a a

é ù= + + ´ Äê úë ûF Q I a eh k , (2.15)

e definindo

r r r ra a a= + ´ag h k , (2.16)

Obtém-se

( )r ra a= + ÄF Q I eg . (2.17)

Com esse resultado, F pode ser reescrito com

r=F QF , (2.18)

O tensor rF é expresso por

r r ra a= + ÄF I eg . (2.19)

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Utilizando a notação ( )·

para indicar diferenciação no tempo e aplicando essa operação sobre

a equação (2.18), resulta no gradiente das velocidades:

( )

( )

,

r r

T r r

r r

a a

a a

= +

= + Ä

= + Ä

F QF QF

QQ F Q e

F Q e

g

W g

(2.20)

onde o tensor antissimétrico T= QQW representa a velocidade angular do diretor e apresenta

vetor axial ( )axial=w W , e de modo análogo à equação (2.11) é expresso por

=w Gq . (2.21)

Para o cálculo da equação (2.20) faz-se necessário conhecer as derivadas temporais rag que

podem ser expressas por

r r r ra a a= + ´ag h k . (2.22)

As derivadas rah e r

ak são conseguidas promovendo a diferenciação temporal de (2.14).

Derivando a expressão (2.14)1 referente ao termo rah e lembrando que T = -W W , tem-se

( )

( ) ( )

( )

,

, , , ,

, , , ,

, ,

r T T T T

T T T

T

a a a a a

a a a a

a a

= + = +

= + = - ´

= +

Q z Q z Q QQ z u

Q u z Q u z

Q u Z

h

W Gq

Gq

(2.23)

onde ( ), Skewa =Z w .

Page 20: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

12

Para obtenção do termo rak , lembrando que vale a identidade ,a a a a= - +W K WK K W ,

ver [2], de onde decorre

, ,a a a a a a= ´ = + ´w k - w k k w w k . (2.24)

Diferenciando (2.14)2 no tempo, e usando (2.24)2 juntamente com a propriedade

T T= -Q Q W (que decorre de T T= - = QQW W ), encontra-se a expressão

,r Ta a= Qk w , (2.25)

e levando em conta (2.21), obtém-se

( ), ,r Ta a a= +Qk G q Gq . (2.26)

Calculando as derivadas em relação aos parâmetros ax do tensor G utilizando a equação

(2.12), e após algumas manipulações algébricas, chega-se

( ) ( )( )

( )( ) ( )( ) ,

, 2 , 3 , ,

24 , 5 ,

h h

h h

a a a a

a a

q q

q q

= + + +

+ ⋅ + ⋅

G Q QQ Q Q

q q Q q q Q

(2.27)

onde ( ), ,Skewa a=Q q e

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) e 1 2 2 3

4 52 2

2 3h h h hh h

q q q qq q

q q

- -= = . (2.28)

2.2. Estática

O primeiro tensor das tensões de Piola-Kirchhoff P é representado por

Page 21: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

13

,ri i= ÄP et (2.29)

onde os vetores-colunas it representam as tensões na configuração deformada que podem ser

expressas em função de rit , suas equivalentes retrorrotacionadas por unidade de área da

configuração de referência e atuam em planos dos quais as normais nesta configuração são

dadas por rie , pela relação ri i= Qt t , obtendo-se então

,r r ri i= Ä =P Q e QPt (2.30)

onde rP é o equivalente de P retrorrotacionado para a configuração de referência.

Ao se introduzir as hipóteses de estado plano de tensões em P , estes vetores passam a ser

designados pro it e rit , respectivamente, do qual falaremos no capítulo 3.

Usando os tensores energeticamente conjugados P e F , a potência dos esforços internos por

unidade de volume de referência vale

( ) ( )

( ) ( )

.

: :

: :

r r r ri i

T r r r ri i

r r

a a

a a

a a

é ù é ù= Ä + Äê ú ê úë û ë û

= + Ä Ä

= ⋅

P F Q e F Q e

P F Q Q e e

t W g

W t g

t g

(2.31)

O termo : : 0T= =P F PFW W , decorre do balanço do momento angular, ou segunda

equação local do movimento. Note que a potência associada a 3rt é nula devido a hipótese de

diretor com magnitude constante. Substituindo (2.22) em (2.31), tem-se

( ): r r r r ra a a a= ⋅ + ´ ⋅P F at h t k , (2.32)

e realizando a integração ao longo da espessura, obtém-se

: r r r r

Hd a a a az = ⋅ + ⋅ò P F n mh k (2.33)

Page 22: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

14

onde

e r r r r r

H Hd da a a az z= = ´ò òn m at t . (2.34)

Os vetores ran representam as forças generalizadas retrorrotacionadas atuantes na seção

transversal com normal rae , e r

am os momentos generalizados retrorrotacionados na mesma

seção, todos por unidade de comprimento da configuração de referência. O emprego do termo

generalizado foi utilizado para diferenciar dos esforços ran e r

am de seus equivalentes na

configuração deformada,

e ,r ra a a a= =n Q n m Q m (2.35)

que são os esforços verdadeiros que atuam nas seções transversais da casca.

Note que os vetores rat , r

at , rag , r

an , ram , r

ah e rak têm na base { }rie as mesmas

componentes que at , at , ag , an , am , ah e ak na base { }ie . Os primeiros são

grandezas objetivas (não são afetados por movimentos superpostos de corpo rígido).

Neste ponto, é conveniente agrupar as grandezas da seção transversal nos três vetores abaixo

, e 1 1

2 2

r rr r

r r

é ù é ù é ùê ú ê ú ê ú= = =ê ú ê ú ê úê ú ê ú ê úë ûë û ë û

ud

s es e

qs e (2.36)

tal que

e .r r

r rr ra a

a aa a

é ù é ùê ú ê ú= =ê ú ê úê ú ê úë û ë û

n

m

hs e

k (2.37)

Com auxílio destes vetores a expressão (2.33) pode ser reescrita como

: r r

Hdz = ⋅ò P F s e , (2.38)

Page 23: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

15

e com auxílio das expressões (2.23) e (2.26), a derivada temporal re é dada por

( )( )( )( )

.

1 ,1 ,1

1 1 ,1 ,1

2 2 ,2 ,2

2 ,2 ,2

r T

r r Tr

r r T

r T

é ù é ù+ê ú ê úê ú ê úé ù +ê ú ê úê ú= = =ê ú ê úê ú +ê ú ê úê úë û ê ú ê úê ú ê ú+ë û ë û

Q u Z

Q

Q u Z

Q

h Gq

e k G q Gqe

e h Gq

k G q Gq

(2.39)

Utilizando os operadores

e = ,

1

,1

1,1

,22

,2

2

T T

T T

T T

T T

x

x

x

x

é ù¶ê úê ú¶ê úê ú¶é ùê úê úê ú¶ê úê úê ú ¶= ê úê úê úê ú ¶ê úê úê úê ú ¶ê úë ûê ú¶ê úê úê úë û

Q Q

Q Q

Q Q

Q Q

I O

O O O Z G O IO G O O G

Y D I OO O O Z G

O O O G GO I

O I

(2.40)

é possível reescrever a expressão (2.39) como

r = de YD . (2.41)

Integrando a equação (2.38) no domínio W , obtém-se a potência dos esforços internos, dada

por

.

int :H

r r

r

P d d

d

d

W

W

W

z W

W

W

=

= ⋅

= ⋅

ò ò

ò

ò

P F

d

s e

s YD

(2.42)

A potência dos esforços externos pode ser definida por

Page 24: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

16

( ) extt t b b

HP d d

Wz W= ⋅ + ⋅ + ⋅ò òt x t x b x , (2.43)

onde tt e bt são respectivamente os vetores das forças externas distribuídas que atuam nas

superfícies de topo e de fundo da casca, por unidade de ária da configuração de referência, e o

vetor b as forças externas distribuídas no volume de referência. Por diferenciação no tempo

de (2.4), obtém-se

( )

.

r

r r

= + = +

= + = +

= + = + ´

x z a u Qa

u Qa u Qa

u a u a

W

W w

(2.44)

Note-se em (2.43) que t t= + ´x u aw e b b= + ´x u aw . Substituindo (2.21) em (2.44),

e o resultado desta operação em (2.43), chega-se a

( )extTP d

WW= ⋅ + ⋅ò n u mG q , (2.45)

onde

e

t b

H

t t b b

H

d

d

z

z

= + +

= ´ + ´ + ´

ò

ò

n t t b

m a t a t a b

(2.46)

são respectivamente as resultantes externas de força e momento, ambos por unidade de área

da configuração de referência. Definindo

T

é ùê ú= ê úê úë û

nq

mG, (2.47)

tem-se

Page 25: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

17

.extP dW

W= ⋅ò q d (2.48)

O vetor

T= mm G (2.49)

que aparece em (2.45), é denominado de pseudo-momento externo distribuído, em oposição

aos momentos externos verdadeiros m . O pseudo-momento m é quem está energeticamente

conjugado com as rotações q .

2.3. Equilíbrio

Inicialmente considere que os campos u e q satisfazem as condições de contorno essenciais

na fronteira do plano médio da casca. Sejam os campos virtuais de deslocamentos e rotações

representados respectivamente por du e dq , definidos sobre o plano 2W Ì da

configuração de referência. Com esses campos se constrói T

d d dé ù= ê úë ûd u q . Procedendo de

modo análogo ao utilizado para obter a expressão (2.42), referente à potência dos esforços

internos, pode-se escrever o trabalho virtual dos esforços internos como

int ,r r rW d dW W

d d W d W= ⋅ = ⋅ò ò ds e s YD (2.50)

onde

rd d= de YD (2.51)

é obtido de modo equivalente a (2.41). O trabalho virtual dos esforços externos é obtido

semelhante a (2.48), isto é,

extW dW

d d W= ⋅ò q d , (2.52)

Page 26: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

18

de maneira que o equilíbrio estático da casca com condições de contorno essenciais nas

fronteiras pode ser formulado na forma fraca por meio do teorema dos trabalhos virtuais:

, | em int ext 0 ,W W Wd d d d d G= - = " =d d o (2.53)

sendo G a fronteira de W . Substituindo (2.50) e (2.52) em (2.53), tem-se

( ) ( )

( )

.

, , , ,

0

r r

r T r T

T

W d d

d

d

W W

a a a a a aW

W

d d W d W

d d d d W

d d W

= ⋅ - ⋅

é ù= ⋅ + + ⋅ + +ê úë û

- ⋅ + ⋅ =

ò ò

ò

ò

q d

n Q u Z m Q

n u m

s e

G q G q G q

G q

(2.54)

Integrando por partes os termos com ,adu e ( ),a

dG q , e utilizando o lema fundamental do

cálculo variacional, obtêm-se as seguintes equações locais do equilíbrio:

,

, ,

a a

a a a a

+ =

+ ´ + =

n n o

m z n m o

(2.55)

Pode-se entender o trabalho virtual Wd na equação (2.53) como um funcional dos campos d

e dd , sendo linear em relação a dd . Sua derivada de Gateaux em relação a d , segundo uma

variação d*d pertencente ao mesmo espaço de dd , resulta no operador tangente:

( ) ( )

( )

( )

,

r r

T r

T r T r

T r rT r

r

W d

d

d

d

W

W

W

W

d d d d d W

d d d W

d d d d d W

d d d d d W

* *

*

* * *

* * *

é ù= ⋅ - ⋅ê úë û

é ù= ⋅ - ⋅ê úë û

é ù= + ⋅ - ⋅ê úë û

éæ ö ù¶ ¶ ¶÷çê ú÷= + ⋅ - ⋅ç ÷çê ú÷ç ¶ ¶¶è øë û

ò

ò

ò

ò

q d

d q d

d q d

qd d d d

d d

s e

Y s D

Y s Y s D

Y s sY e D

e

(2.56)

Page 27: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

19

que depois de alguma álgebra pode-se escrever

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

.

W d

d dW

W W

d d d d W

d d W d d W

* *

* *

= ⋅ +

+ ⋅ - ⋅òò ò

d D d

d G d d L d

YD YD

D D D (2.57)

As matrizes D ,G e L são dadas por

,

1 1 1 1

1 1 2 2

1 1 1 1

1 1 2 2

2 2 2 2

1 1 2 2

2 2 2 2

1 1 2 2

1

1

2

r r r r

r r r r

r r r r

r r r r r

r r r rr

r r r r

r r r r

r r r r

u

u

q

q q

¢

¢

¢

é ù¶ ¶ ¶ ¶ê úê ú¶ ¶ ¶ ¶ê úê ú¶ ¶ ¶ ¶ê úê ú

¶ ¶ ¶ ¶ ¶ê ú= = ê ú¶ ¶ ¶ ¶ê ú¶

ê úê ú¶ ¶ ¶ ¶ê úê ú¶ ¶ ¶ ¶ê úê ú¶ ¶ ¶ ¶ë û

=

n n n n

m m m m

Dn n n n

m m m m

O O O O G

O O O O G

G O O O O G

h k h k

s h k h ke

h k h k

h k h k

e

2

1 1 2 2 1 2

,

u u

q

q q

q qq q qq qq qq

¢

¢ ¢ ¢ ¢

é ùê úê úê úê úê úê úê úê úê ú+ê úë û

é ù¶ ¶ê ú¶ ê ú¶ ¶= = ê ú¶ ¶¶ ê úê úë ¶ ¶ û

O O O O G

G G G G G G

n nq uLd

u

qm m

q

(2.58)

As matrizes D , G e L representam respectivamente as contribuições constitutivas,

geométricas dos esforços internos e geométricas dos esforços externos. As submatrizes de G

são encontradas em [2] e foram primeiramente publicadas em [1]. Para campos u e q

quaisquer, G é sempre simétrico. As submatrizes L dependem do caráter dos esforços

externos, conforme (2.58)3.

O operador tangente (2.57) é uma forma bilinear de dd e d*d , e como T=G G , resultará

simétrico se D e L também forem simétricos, isto é, sempre que a lei constitutiva presumir a

Page 28: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

20

existência de um potencial, como é o caso dos materiais hiperelásticos, e o carregamento for

conservativo.

Introduzindo os tensores tangentes

,r

rra

abb

¶=

¶C

t

g

(2.59)

e com a ajuda das derivadas

e ,r r

rr r

g ggb gb

b b

d d¶ ¶

= = -¶ ¶

I Ag g

h k (2.60)

onde abd é o delta de Kronecker e ( )Skewr r=A a , as submatrizes de D , fazendo uso da

regra da cadeia, podem ser expressas por

,

,

e

.

rr

r H

rr r

r H

rr r

r H

rr r r

r H

d

d

d

d

aab

b

aab

b

aab

b

aab

b

z

z

z

z

¶=

¶= -

¶=

¶= -

ò

ò

ò

ò

nC

nC A

mA C

mA C A

h

k

h

k

(2.61)

2.4. Discretização em elementos finitos

Diante de uma formulação de casca consistente, se faz necessário neste ponto do trabalho

utilizar um método matemático que possa ser implementado numericamente, e propicie a

resolução de problemas que admitam ser modelados por esse tipo de concepção estrutural.

Page 29: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Este

admi

O el

indef

Defin

Cons

os n

deslo

interp

Seja

As fu

trabalho re

itindo a pres

lemento fin

formada e n

nine-se ip

struído dest

nós e rotaç

ocamentos

poladas por

A a área to

unções de in

ealizou-se

sença de nã

nito consid

numerado co

Figu

( 1,..., 6i =

, i i=p u

ta forma, o

ção apenas

é feita po

r funções lin

otal do elem

nterpolação

utilizando

ão linearidad

derado será

onforme Fig

ra 2: Elemento

)6 como o v

se 1,2i =

elemento a

nos nós

or funções

neares a par

mento triang

de u podem

o método

de geométri

triangular

gura 2.

o triangular de

vetor dos gr

ou 2, 3,

apresenta gr

localizados

s quadrátic

rtir dos nós

gular e (iA

m ser expre

dos elemen

ica e materi

de seis n

e seis nós (Cam

raus de liber

ii

i

é ùê ú= ê úê úë û

up

q

raus de libe

s no meio

cas comple

intermediár

( 1, 2, 3i =

essas por

ntos finitos

al nos mode

nós, plano

mpello, 2005).

rdade do nó

, se i =

erdade de de

dos lados.

etas, enqua

rios.

)3 as áreas i

para impl

elos.

em sua co

ó i , de mod

4,5,6.

deslocament

. A interp

anto as ro

indicadas n

21

lementação,

onfiguração

o que

(2.62)

to em todos

olação dos

tações são

na Figura 2.

1

,

o

)

s

s

o

.

Page 30: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

22

( )

( )

( )

,

,

,

,

,

,

com , ,

1 1 1

2 2 2

3 3 3

4 1 2

5 2 3

6 3 1

2 1

2 1

2 1

4

4

4

1, 2, 3

u

u

u

u

u

u

ii

N L L

N L L

N L L

N L L

N L L

N L L

AL i

A

= -

= -

= -

=

=

=

= =

(2.63)

em coordenadas cartesianas iL pode ser escrito como:

( ) , , , com

,

,

,

,

,

.

1 2 3 3 2

1 2 3

1 3 2

2 3 1 1 3

2 3 1

2 1 3

3 1 2 2 1

3 1 2

3 2 1

11 2 3

2

,

,

,

i i i iL a b x c y iA

a x y x y

b y y

c x x

a x y x y

b y y

c x x

a x y x y

b y y

c x x

= + + =

= -

= -

= -

= -

= -

= -

= -

= -

= -

(2.64)

As funções de interpolação de q são dadas por:

Page 31: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

23

,

e

.

4 3

5 1

6 2

1 2

1 2

1 2

N L

N L

N L

q

q

q

= -

= -

= -

(2.65)

O elemento com tal configuração é chamado T6-3i. Note que a ausência dos graus de

liberdade q nos vértices do elemento o torna incompatível em relação ao campo de rotações.

Conforme [2], nenhum outro recurso do método dos elementos finitos foi utilizado para sua

construção e o travamento numérico não é observado devido à incompatibilidade de q e à

interpolação quadrática de u tornarem o elemento suficientemente flexível.

Conforme Oliveira [5],

“Como membranas apresentam espessuras muito pequenas, o T6-3i é

um elemento finito exatamente adequado para a análise desses

materiais, já que o travamento – dificuldade do elemento de reproduzir

estados de flexão pura sem desenvolver deformações de membrana ou

de cortante – não se manifesta.”

Definindo p como o vetor que agrupa os graus de liberdade nodais do T6-3i, e escrevendo

,

1

2

6

é ùê úê úê ú= ê úê úê úê úë û

p

pp

p

(2.66)

os campos de deslocamentos e rotações em seu interior são obtidos pela equação

,= Nd p (2.67)

onde

Page 32: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

24

1 2 3 4 5 6

4 5 6

u u u u u uN N N N N N

N N Nq q q

é ùê ú= ê úê úë û

NI I I I O I O I O

O O O O I O I O I (2.68)

é a matriz de interpolação. Fazendo a substituição de (2.67) na expressão de trabalhos virtuais

(2.50) e (2.52), e realizando a discretização do domínio eW W= È , obtém-se o vetor eP dos

esforços nodais desbalanceados

( ) ,e

T r Te d

WWé ù= -ê ú

ë ûòP N N qYD s (2.69)

onde eW representa o domínio do elemento. A matriz de rigidez é obtida diferenciando (2.69)

em relação a p . Desta operação resulta:

( ) ( ) ( ) ( ) .e

T T Te d

WWé ù= + -ê ú

ë ûòK N N N N N ND G LYD YD D D (2.70)

Devido ao modelo de casca utilizado não apresentar nenhuma rigidez associada à rotação do

diretor em torno de seu próprio eixo (drilling), que corresponde no sistema local à terceira

componente de q , assim como realizado em [2], apenas para evitar que eK resulte singular,

adota-se localmente na equação constitutiva uma rigidez fictícia de 3Eh (sendo E o módulo

de elasticidade e h a espessura da casca). Este valor é da ordem da rigidez à flexão o que

garante o bom condicionamento das matrizes.

Os vetores dos esforços nodais desbalanceados (2.69) e a matriz de rigidez (2.70) são

calculados com três pontos de integração sobre eW , situados no meio das arestas dos

elementos e coincidentes com os nós 4, 5 e 6 do elemento. Ao longo da espessura, foram

utilizados três pontos de Gauss para integração de (2.34) e (2.61).

Page 33: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

25

3. Descrição do Material

Uma membrana estrutural consiste basicamente de um tecido ou uma rede fina de fibras

revestida por finas coberturas, nas suas superfícies inferior e superior, em geral de resina

polimérica. Tais fibras são tecidas em duas direções ortogonais, como mostra a Figura 3, e

por este motivo características ortótropas estão presentes em seu comportamento mecânico.

Figura 3: Estrutura de um tecido ortótropo revestido por rezina polimérica.

Neste capítulo será apresentada uma breve caracterização da mesoestrutura do material, que

possibilita compreensão qualitativa do comportamento mecânico dos tecidos estruturais. A

descrição macroestrutural será realizada pela elaboração de modelos constitutivos que

pretendem representar o comportamento ortótropo deste tipo de material.

Page 34: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

3.1.

Os te

[28].

Mate

lamin

carbo

pode

polié

frequ

Vant

são a

Fibr

1

2

Configur

ecidos estru

Várias con

eriais como

nados. Para

ono, fibra d

em ser fun

éster, politet

uentemente

tagens e des

apresentada

ras:

1.) Compos

umidade

são infla

2.) Fibras d

custo é m

módulo d

ração e co

uturais pode

nfigurações

Figura 4: C

o poliéster e

a as fibras, p

de vinil (Vi

didos em

trafluoretile

utilizados p

svantagens p

s a seguir, c

stos de poli

e, luz solar

amáveis e m

de poliéster

maior que o

de elasticid

omposição

m ser mont

e tipologias

Configurações

e etileno-te

podem ser u

inylon) e a

laminados

eno (PTFE

para a cama

para alguns

conforme de

iamida (Nyl

e oxidação

mais suscetív

r (Trevira, T

o nylon; são

ade mais el

o do mater

tados de for

s são possív

de tecidos estr

etrafluoretile

usados fios

aramidas (K

termoplást

ou teflon),

ada de reves

s dos materi

escrito por

lon): estes

afetam sua

veis à ação d

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ruturais (figur

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de poliéste

Kevlar). Alé

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stimento [28

iais citados

[5], [29] , [

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as proprieda

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Dacron): são

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os do Nylon

pular suas pr

ra 4 mostra

ra retirada de [

) são tipica

er, Nylon, fi

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reforço. Re

polivinila (P

8] , [29] e [3

nesses itens

30] e [31].

esentam alta

ades mecâni

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o um pouco

tentes às in

n; são inflam

ropriedades

a delas.

[28]).

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ibra de vidr

materiais, fi

esinas polim

PVC) e bor

30].

s, para fibra

a recuperaç

icas (envelh

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o mais resist

ntempéries;

máveis.

26

s mecânicas

izados para

ro, fibras de

ios de aços

méricas de

rrachas, são

as e resinas,

ção elástica;

hecimento);

o poliéster.

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apresentam

6

s

a

e

s

e

o

,

;

;

u

m

Page 35: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

27

3.) Fibra de Vidro (Fiberglass): apresenta alta resistência à tração e ao fogo; seu módulo

de elasticidade é bastante elevado quando comparado ao de outros tipos de tecido; são

translúcidos e bastante flexíveis; por outro lado não aceitam costuras e possuem baixa

resistência à abrasão.

4.) Compostos de fibra de vinil (Vinylon): apresentam resistências próximas aos tecidos

de fibra de vidro, quando recoberto por Hypalon (tipo de borracha sintética); quando o

cobrimento for de PVC, a resistência é mais baixa, comparável ao poliéster do tipo

(Trevira); apresenta baixo custo.

Revestimento (resinas poliméricas):

1.) PVC (cloreto de polivinila): sensível a intempéries; apresenta baixa elasticidade;

quando transparente a vida útil é reduzida; rígidos em clima frio.

2.) Composto de borracha sintética (Polietileno e Clorosulfanato, Hypalon ou

policloroprene, Neoprene): revestimentos de Hypalon são resistentes à ação de

ácidos, oxidação, ozônio, calor e luz; apresenta boas propriedades mecânicas com

excelente resistência à abrasão; baixa absorção de água; boa retenção das cores de

pigmentação; baixo custo; pouca resistência a baixas temperaturas;

3.) Politerafluoretileno (PTFE – nome comercial: Teflon): duráveis e altamente

resistentes à tração; impermeáveis; misturado a aditivos aumenta sua flexibilidade e

resistência à abrasão.

4.) Silicone: excelente resistência a ação de raios UV, alta flexibilidade; resistência ao

fogo; alta resistência à tração.

Destacam-se entre as principais composições de membranas estruturais:

1.) Poliéster revestido com PVC: vida útil de 15 a 20 anos; não propaga chamas.

2.) Fibra de vidro revestido com Teflon: vida útil em torno de 30 anos; translúcido; não

combustível.

3.) Fibra de vidro revestida com Silicone: mais flexível que o teflon; apresenta elevada

translucidez, que proporciona aproveitamento de iluminação natural.

Page 36: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

28

3.2. Comportamento mecânico do tecido

As fibras, que compõem o tecido, estão diretamente relacionadas ao comportamento mecânico

das membranas estruturais. Conforme [5] e [8], as fibras são comumente tecidas em duas

direções ortogonais entre si, o que introduz no material, do ponto de vista macroscópico, um

comportamento mecânico tipicamente ortótropo.

Durante o processo de fiação do tecido, em uma das direções, denominada urdume ou

urdidura (warp), os fios são mantidos numa posição retilínea e num estado retesado. Enquanto

isso, de acordo com [32], os fios da outra direção, denominada de trama (weft ou fill), são

passados alternadamente por cima e por baixo de cada fio do urdume, apresentando, portanto,

uma ondulação mais acentuada que estes últimos fios. O urdume acaba por ondular-se, porém

em menor grau do que a trama, em decorrência da interação entre os fios, como pode ser

observado na Figura 5.

Figura 5: Comportamento do tecido (figura adaptada de [28]).

Observa-se na Figura 5 que a direção do urdume apresenta maior rigidez à tração que a da

trama. Isto ocorre devido ao fato de que os fios do urdume, na configuração livre de tração,

apresentam ondulação muito baixa quando comparados com os fios da trama. Note que,

tracionando um tecido igualmente nas duas direções, o aumento da ondulação do urdume

reflete a grande influência das interações com os fios da trama e pode gerar tensões de

compressão naquela direção, caso a trama apresente grandes deformações. Já o revestimento

polimérico fornece pequena rigidez à compressão, flexão e ao cisalhamento transversal [5].

A pequena rigidez fornecida pelo revestimento desempenha papel fundamental na obtenção

do equilíbrio em estruturas que apresentem flexão ou enrugamento da membrana estrutural. A

flexibilidade desses materiais aliado ao surgimento de pequenas tensões de compressão,

proporciona como resposta estrutural surgimento de dobras e rugas.

Page 37: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

3.3.

Este

na Fi

é ide

ortót

apres

defor

reves

Neste

comp

adici

A dis

do te

Idealizaç

trabalho se

igura 6,

ealizada com

tropa e de

sentado na

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stribuição c

ecido e reve

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e um reves

Figura 7. E

ecífica em d

ótropo.

Fi

o revestim

lexão e ao c

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contínua das

stimento, ta

ização prop

ura 6: Direções

posição de e

stimento q

Essa superp

duas parcela

igura 7: Idealiz

mento polim

cisalhament

a. Estas são

s fibras, com

ambém são

posta por [5]

s de ortotropia

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que funcion

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as distintas,

zação do tecido

mérico contr

to, enquanto

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m seção tran

hipóteses le

], na qual a

a (figura adapt

m tecido qu

na como u

dá pela dec

, uma refere

o (figura retira

ribui com u

o o tecido or

s básicas as

nsversal e ri

evadas em c

membrana

tada de [33])

ue funciona

uma casca

composição

ente ao tecid

ada de [5])

uma pequen

rtótropo com

ssumidas ne

igidez idênt

conta nessa

estrutural, a

a como uma

fina isótr

o aditiva da

do ortótropo

na rigidez

m uma rigid

essa idealiza

tica e a perf

idealização

29

apresentada

a membrana

opa, como

energia de

o e outra ao

à tração, à

dez à tração

ação.

feita adesão

o.

9

a

a

o

e

o

à

o

o

Page 38: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

30

3.4. Modelos constitutivos propostos

Os tecidos revestidos por resina polimérica apresentam comportamento mecânico complexo.

Sendo assim, fatores como plasticidade, viscosidade, relaxação e envelhecimento poderiam

ser levados em consideração para uma melhor representação do comportamento mecânico do

material.

Neste trabalho, optou-se por simplificação, utilizar apenas modelos constitutivos referentes a

materiais hiperelásticos.

Segundo Pimenta [34], pode-se definir um material hiperelástico como:

“Um material é dito hiperelástico se existir uma função escalar ( )y E ,

denominada energia de deformação específica, que serve de potencial

para as tensões tal que y¶

SE

.”

Nesse caso, S é o segundo tensor das tensões de Piola-Kircchoff e E o tensor das

deformações de Green. Estas grandezas são energeticamente conjugadas e equações

constitutivas formuladas a partir destas, respeitam os princípios da objetividade, ou seja, as

forças internas não são afetadas por movimentos superpostos de corpo rígido [34].

Levando em conta a idealização proposta no item 3.3, a energia de deformação específica será

expressa por

.iso ortoy y y= + (3.1)

Como consequência da decomposição da energia de deformação específica, decorre que

e

,

iso orto

iso orto

= +

= +

S S S

P P P

(3.2)

onde =P FS é o primeiro tensor das tensões de Piola-Kirchhoff.

Lembrando de (2.29) e (2.30), pode-se escrever

Page 39: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

31

e

.

,

iso

orto

r ri i

r riso ii

r rorto ii

= Ä

= Ä

= Ä

P Q e

P Q e

P Q e

t

t

t

(3.3)

E, a partir de (3.3), tem-se

( ) ,iso orto

r r r r ri i ii i

= Ä = + ÄP Q e Q et t t (3.4)

resultando portanto em

.iso orto

r r ri i i

= +t t t (3.5)

Esse resultado significa que os vetores de tensão totais podem ser obtidos por uma simples

soma das suas contribuições isótropa e ortótropa.

Uma consequência imediata de (3.5) é que os esforços internos atuantes nas seções

transversais, dados por (2.34), podem ser escritos como

e .r r r r riso orto isoa a a a a= + =n n n m m (3.6)

E a matriz dos módulos constitutivos de rigidez tangente (dada por (2.58)1) como

.iso orto= +D D D (3.7)

A seguir, apresentaremos dois modelos constitutivos formulados a partir desse

equacionamento. No primeiro a energia de deformação específica foi proposta por Oliveira e

Pimenta em [5] e no segundo foi proposta por Raible em [28].

Page 40: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

32

3.4.1. ModeloConstitutivodeOliveira‐Pimenta[5]e[8]

Parcela isótropa:

A parcela isótropa considerará uma energia de deformação isótropa proposta por Simo-Ciarlet

em [35,36]. A energia de deformação específica proposta é expressa como uma função dos

invariantes do tensor das deformações de Cauchy-Green, dado por

,T=C F F (3.8)

para o qual os invariante adotados são:

,

e

.

1

22

:

:

det

I

I

J

=

=

=

I C

I C

F

(3.9)

A energia de deformação é definida por

( ) ( ) ( )21 1

1 1 1, 1 ln 3 2 ln ,

2 2 2iso I J J J I Jy l mé ùê ú= - - + - -ê úë û

(3.10)

onde l e m são constantes generalizadas de Lamé generalizadas, que em função do módulo

de elasticidade E e do coeficiente de Poisson n são dadas por:

( )( ) ( )

e .1 1 2 2 1

E Enl m

n n n= =

+ - + (3.11)

O segundo tensor de Piola-Kirchhoff para a parte isótropa é dado então por

1

1

2 2 .iso iso iso isoiso

I J

I J

y y y yæ ö¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ÷ç ÷= = = +ç ÷ç ÷ç¶ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶è øS

E C C C (3.12)

Page 41: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

33

Utilizando a relação iso iso=P FS , e em seguida obtendo o equivalente retrorrotacionado

para configuração de referência risoP juntamente com a imposição de estado plano de tensão

( )33 3 3 0rt = ⋅ =Pe e , é possível chegar a (ver [4] para detalhes)

( ) ( )( )

( )( ) ( )

e22 11 22

1 21 12 21

13

12 12 21

2 11 22 11

23

1

1 ,

riso

riso

mJ g m g gmJg m g g

mg

mJg m g gmJ g m g g

mg

é ù+ + -ê úê ú= - + -ê úê úê úë û

é ù- + -ê úê ú= + + -ê úê úê úë û

t

t

(3.13)

onde ijg são as componentes do vetor de deformação rg (vide equação (2.16)) e

( ) ( )

( )( )

e3

3

11 22 12 21

1 2 1

2

1 1 .

J J

J J

J

l mJ

l m

g g g g

- + -=

+

= + + +

(3.14)

A partir de (3.13) é possível obter, para a parte isótropa, as forças e momentos generalizados

risoan e r

isoam de (3.6), que atuam na seção transversal de normal rae , e deste último a matriz

isoD de (3.7). Suas expressões foram desenvolvidas pela primeira vez em [4] e serão omitidos

por questão de simplicidade.

Parcela ortótropa:

A parcela ortótropa afeta exclusivamente as deformações de membrana do gradiente da

deformação. Dessa forma, é conveniente expressar F (ou equivalente , rF , ver (2.18)) e

apenas com estas deformações. Sendo assim, este será expresso por

,11 21

12 22

1 0

1 0

0 0 1

r

h hh h

é ù+ê úê ú= +ê úê úê úë û

F (3.15)

Page 42: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

34

onde abh são as componentes do vetor rah definido em (2.14)1.

Lembrando que TT r r=C F F = F F e que ( )1

2= -E C I , o tensor das deformações de

Green, resulta em

( )

( )

( ) ( )

com

,

e

.

11 12

21 22

2 211 11 12

2 222 22 21

12 21 11 21 22 12

0

0

0 0 0

11 1

2

11 1

2

11 1

2

E E

E E

E

E

E E

h h

h h

h h h h

é ùê úê ú= ê úê úê úë û

é ù= + + -ê úë û

é ù= + + -ê úë û

é ù= = + + +ë û

E

(3.16)

A energia de deformação específica (por unidade de volume) ortótropa ortoy pode ser escrita

em função da energia de deformação por unidade de área ˆortoy , da seguinte forma

,1 ˆ

orto ortohy y= (3.17)

com h representando a espessura da membrana na configuração indeformada e que

permanecerá constante. Como consequência,

e .1 1ˆ ˆ

orto orto orto ortoh h= =S S P P (3.18)

Sejam as direções locais de ortotropia, na configuração de referência, dada pelos versores 1rh

(direção do urdume) e 2rh (direção da trama), de modo que 1 2 0r r⋅ =h h . É possível definir os

chamados tensores estruturais aH (vide por exemplo [28]), da seguinte forma

Page 43: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

35

.r ra a a= ÄH h h (3.19)

A função energia de deformação ortótropa por unidade de área pode ser escrita em função de

quatro invariantes nas direções da ortotropia ( )11 12 21 22ˆ , , ,orto orto I I I Iy y= , sendo eles:

e

,

11 1

12 2

221 1

222 2

:

:

:

:

I

I

I

I

=

=

=

=

H E,

H E,

H E

H E

(3.20)

que podem ser reescritos da seguinte forma

e

11 11

12 22

2 221 11 12

2 222 22 12.

I E

I E

I E E

I E E

=

=

= +

= +

,

,

(3.21)

Com auxílio de

e ,1 2I Ia aa a a

¶ ¶= = +

¶ ¶H H E EH

E E (3.22)

o tensor ˆortoS é então dado por

( ).1 2

ˆ ˆˆ orto ortoorto I Ia a a

a a

y y¶ ¶= + +

¶ ¶S H H E EH (3.23)

Page 44: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

36

A função de energia de deformação ortótropa por unidade de área, proposta por [5] e [8] e

adotado aqui, é a seguinte:

( ) ( )( )

( )

2 211 12 21 22 11 12 11 12

4 3 2 2 3 411 11 12 11 12 11 12 11

21 22

ˆ , , ,

,

orto I I I I aI bI cI I

hI kI I lI I mI I nI

I I

y

m

= + + +

+ + + + + +

+ + (3.24)

com a , b , c , h , k , l , m , n e m sendo os parâmetros do material. Nesse caso, o tensor

ˆortoS pode ser reescrito como

( )ˆ ,orto a a a aj m= + +S H H E EH (3.25)

onde

e

.

3 2 2 31 11 12 11 11 12 11 12 12

3 2 2 32 12 11 11 11 12 11 12 12

2 4 3 2

2 2 3 4

aI cI hI kI I lI I mI

bI cI kI lI I mI I nI

j

j

= + + + + +

= + + + + +

(3.26)

O primeiro tensor das tensões de Piola-Kirchhoff, por sua vez, é obtido via ˆ ˆôrto ôrto=P FS ,e

seus vetores-coluna resultam em

( )( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ( )

( ) ( ) ( )( )( )( ) ( ) ( )

e

21 11 11 21 11 21 12 22

21 1 11 12 22 11 21 22 12

2

2 12 21 11 21 22 11 122

2 2 12 22 21 12 11 12 22

2 1 1 11

2 1 1 1

0

2 1 1 11

2 1 1 1

0

rorto

rorto

I

Ih

I

Ih

j m h mh h mh h h

j m h m h h h m h h

j m h m h h m h h h

j m h mh h h mh h

é ù+ + + + + +ê úê úê ú= + + + + + +ê úê úê úë û

é ù+ + + + + +ê úê úê ú= + + + + + +êêêë û

t

t .úúú

(3.27)

Page 45: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

37

Recorrendo a (2.34)1, encontra-se as forças generalizadas retrorrotacionadas atuantes na

seção transversal de normal rae , da parcela ortótropa, dadas por

( )( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ( )

( ) ( ) ( )( )( )( ) ( ) ( )

e

.

21 11 11 21 11 21 12 22

21 1 11 12 22 11 21 22 12

2

2 12 21 11 21 22 11 122

2 2 12 22 21 12 11 12 22

2 1 1 1

2 1 1 1

0

2 1 1 1

2 1 1 1

0

rorto

rorto

I

I

I

I

j m h mh h mh h h

j m h m h h h m h h

j m h m h h m h h h

j m h mh h h mh h

é ù+ + + + + +ê úê úê ú= + + + + + +ê úê úê úë û

é ù+ + + + + +ê úê úê ú= + + + + + +ê úê úê úë û

n

n

(3.28)

A resultante total das forças e momentos generalizados (retrorrotacionados) que atuam na

seção transversal de normal rae , finalmente é dada por:

e .r r r r riso orto isoa a a a a= + =n n n m m (3.29)

As expressões de risoan não foram apresentadas aqui, mas podem ser encontradas em [4].

Vale ressaltar que a parcela ortótropa não contribui em ram .

A matriz dos módulos constitutivos de rigidez tangente da parcela ortótropa é calculada a

partir de (2.58)1 e vale:

= .

1 1

11 121 2

21 222 2

1 2

r rorto ortor r

orto orto

orto r rorto ortoorto orto

r r

hh hh

hh hh

é ù¶ ¶ê úê ú é ù¶ ¶ê ú ê úê ú ê úê ú ê ú= ê ú ê ú¶ ¶ê ú ê úê ú ê ú

¶ ¶ê ú ê úë ûê úê úë û

n nO O

D O D O

O O O O O O O OD

D O D On nO O

O O O O

O O O O

h h

h h

(3.30)

onde

Page 46: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

38

1 1

2 2

1 1

2 2

1 1

11 12

1 1111

1 11 12

1 1

21 22

1 1112

2 21 22

0

0 ,

0 0 0

0

0

0 0 0

r rorto orto

r r

r rrorto ortoorto

orto r r r

r rorto orto

r r

r rrorto ortoorto

orto r r r

n n

n n

n n

n n

hh

hh

h h

h h

h h

h h

é ù¶ ¶ê úê úê ú¶ ¶ê úê ú¶ ¶¶ ê ú= = ê ú¶ ¶ ¶ê úê úê úê úê úê úë û

é ¶ ¶

¶ ¶¶ ¶¶

= =¶ ¶ ¶

nD

nD

h

h

e

1 1

2 2

1 1

2 2

11 12

2 2221

1 11 12

2 2

21 22

222

2

,

0

0

0 0 0

0

r rorto orto

r r

r rrorto ortoorto

orto r r r

r rorto orto

r r

rorto

orto r

n n

n n

n n

n

hh

hh

h h

h h

h h

ùê úê úê úê úê úê úê úê úê úê úê úê úê úë û

é ù¶ ¶ê úê úê ú¶ ¶ê úê ú¶ ¶¶ ê ú= = ê ú¶ ¶ ¶ê úê úê úê úê úê úë û

¶ ¶

¶ ¶¶¶

= =¶

nD

nD

h

h2 22 2

21 22

0 .

0 0 0

r rorto orto

r r

n

h h

é ùê úê úê úê úê ú¶ê úê ú¶ ¶ê úê úê úê úê úê úë û

(3.31)

As expressões explícitas dessas submatrizes são:

Page 47: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

39

( ) ( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

1

1

2

2

1 2111 11 1 11 21

11 11

1 112 11 21 22

12 12

1 111 12 21 22

11 11

1 11

12 12

2 1 1 2 ,

2 1 1 ,

2 1 1 ,

2

rorto

r r

rorto

r r

rorto

r r

rorto

r r

nI

n

n

n

jm h h j m mh

h h

jmh h mh h

h h

jm h h mh h

h h

jmh

h h

¶ é ù¶ê ú= + + + + + +ê ú¶ ¶ê úë û

¶ é ù¶ê ú= + + + +ê ú¶ ¶ê úë û

¶ é ù¶ê ú= + + + +ê ú¶ ¶ê úë û

¶ ¶= +

¶ ¶( ) ( )22 12 1 11 222 1 ,Ih j m m h

é ùê ú + + + +ê úê úë û

(3.32)

( ) ( ) ( )

( )

( )( )

( )

1

1

2

2

1 111 21 11 12 22

21 21

1 122 12 21

22 22

1 112 11 22

21 21

1 112 11

22 22

1 2 1 1 ,

1 ,

1 1 ,

1

rorto

r r

rorto

r r

rorto

r r

rorto

r r

n

n

n

n

jh mh h mh h

h h

jh mh h

h h

jh m h h

h h

jh m h h

h h

¶ é ù¶ê ú= + + + + +ê ú¶ ¶ê úë û

¶ é ù¶ê ú= + +ê ú¶ ¶ê úë û

¶ é ù¶ê ú= + + +ê ú¶ ¶ê úë û

¶ é ù¶ê ú= + +ê ú¶ ¶ê úë û( )21 22 122 1 ,m h h+ +

(3.33)

Page 48: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

40

( ) ( )

( ) ( )( )

( )

( )

1

1

2

2

2 221 21 11 12 22

11 11

2 221 22 11 22

12 12

2 222 21 12

11 11

2 222

12 12

2 1 1 ,

1 1 1 ,

1 ,

1 1

rorto

r r

rorto

r r

rorto

r r

rorto

r r

n

n

n

n

jh mh h mh h

h h

jh h m h h

h h

jh mh h

h h

jh m

h h

¶ é ù¶ê ú= + + + +ê ú¶ ¶ê úë û

¶ é ù¶ê ú= + + + +ê ú¶ ¶ê úë û

¶ é ù¶ê ú= + +ê ú¶ ¶ê úë û

¶ é ù¶ê ú= + +ê ú¶ ¶ê úë û( ) ( )11 21 22 122 1 ,h h m h h+ + +

(3.34)

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

1

1

2

2

22 221 21 2 12 11

21 21

2 222 21 11 12

22 22

2 221 22 12 11

21 21

2 22

22 22

2 2 1 ,

2 1 1 ,

2 1 1 ,

2 1

rorto

r r

rorto

r r

rorto

r r

rorto

r r

nI

n

n

n

jmh h j m m h

h h

jm h h m h h

h h

jmh h mh h

h h

jm h

h h

¶ é ù¶ê ú= + + + + +ê ú¶ ¶ê úë û

¶ é ù¶ê ú= + + + +ê ú¶ ¶ê úë û

¶ é ù¶ê ú= + + + +ê ú¶ ¶ê úë û

¶ ¶= + +

¶ ¶( ) ( ) ( ) 2

2 22 2 12 121 2 ,Ih j m mhé ùê ú + + + +ê úê úë û

(3.35)

onde as derivadas r

g

ab

j

h

¶ que aparecem em (3.32), (3.33), (3.34) e (3.35) são dadas por:

Page 49: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

41

( )( )

( )

( )

( )( )

( )( )

2111 11 12 12 11

11

2111 11 12 12 12

12

2 2111 11 12 12 21

21

2 2111 11 12 12 22

22

2 2211 11 12 12 11

11

2

12

2 12 6 2 1

2 12 6 2

3 4 3

3 4 3 1

3 4 3 1

3

r

r

r

r

r

r

a hI kI I lI

a hI kI I lI

c kI lI I mI

c kI lI I mI

c kI lI I mI

c

jh

h

jh

h

jh

h

jh

h

jh

h

j

h

¶= + + + +

¶= + + +

¶= + + +

¶= + + + +

¶= + + + +

¶= +

¶( )

( )

( )( )

2 211 11 12 12 12

2 2211 11 12 12 21

21

2 2211 11 12 12 22

21

4 3

2 2 6 12

2 2 6 12 1

r

r

kI lI I mI

b lI mI I nI

b lI mI I nI

h

jh

h

jh

h

+ +

¶= + + +

¶= + + + +

(3.36)

Finalmente a matriz “total” dos módulos constitutivos de rigidez tangente é total é finalmente

dada por:

.iso orto= +D D D (3.37)

onde mais uma vez remete-se a [4] para expressão de isoD .

3.4.2. ModeloconstitutivodeSaint‐Venant(Raible[28]e[33])

Esse modelo faz uma generalização da equação constitutiva isótropa de Saint Venant, a qual

relaciona linearmente o Segundo Tensor de Piola-Kirchhoff S com o Tensor das

Deformações de Green-Lagrange E , para um material ortótropo. Segundo [28], foi sugerida

Page 50: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

42

por [37], fazendo a adaptação da função de energia específica com comportamento linear para

o caso de comportamento não linear através da substituição do tensor das pequenas

deformações e pelo tensorE . Expressando E em função do Tensor das Deformações de

Cauchy-Green C , os invariantes envolvidos para o caso não linear serão:

e2 3 2 21 1 2 2 .tr tr tr tr tr tr trC, C , C , H C, H C , H C H C (3.38)

Os tensores C e aH são os mesmos definidos no item 3.4.1.

Parcela isótropa

A parcela isótropa considera o material hiperelástico isótropo de Saint-Venant, cuja função

energia de deformação específica é dada por

( ) ( )2 21 1tr 3 tr 2 tr 3

8 4isoy l m= - + - +C C C (3.39)

onde l em são as constantes de Lamé.

O segundo tensor de Piola Kirchhoff para a parte isótropa é obtido análogo a (3.12),

resultando em:

( ) ( )12 tr 3

2iso

iso

yl m

¶= = - + -

¶S C C I

C. (3.40)

Utilizando a relação iso iso=P FS e em seguida obtendo o equivalente retrorrotacionado para

configuração de referência risoP , juntamente com a imposição de estado plano de tensão

( )33 3 3 0r rS = ⋅ =e Se , é possível chegar em (ver [4] para detalhes):

Page 51: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

43

( )

( )

( )

e

11 11 22 3 3 21 12

1 22 12 12 11 22 3 3

13 13 11 3 3 23 12

11 1

2

11 2

21

2 12

12 2

2

2 1

riso

riso

E E E E

E E E E

E E

E

a a

a a

a a

g n g g mg

m g g n g g

mg mg g g mg

m g

é æ æ öö ù÷÷ç çê ú+ + - +÷÷ç ç ÷÷÷÷ç çê úè è øøê úæ æ ööê ú÷÷ç ç= + + + - ÷÷ê úç ç ÷÷÷÷ç çê úè è øøê úæ öê ú÷ç+ - +÷çê ú÷÷çè øê úë û

+

=

t

t ( )

2 21 22 11 3 3

22 22 11 3 3 12 12

23 23 22 3 3 13 12

1

21

1 2 .2

12 2

2

E E E

E E E E

E E

a a

a a

a a

g n g g

g n g g mg

mg mg g g mg

é æ æ ööù÷÷ç çê ú+ + - ÷÷ç ç ÷÷÷÷ç çê úè è øøê úæ æ ööê ú÷÷ç ç+ + - +÷÷ê úç ç ÷÷÷÷ç çê úè è øøê úæ öê ú÷ç+ - +÷çê ú÷÷çè øê úë û

(3.41)

onde

( )

( )

( )

( )

,

e

3 3

3 33 3

2

33 33

2

1 2

1,

21

121

1 1 ,2

E

E

E

E

ab ab ba ag bg a b

a a

m ln

n l m

g g g g g g

g g

g

= =- +

= + + +

= +

é ù= + -ê úë û

(3.42)

com

33 3 32 1

1 1 .1 2aa ab ab a a

ng g g g g g

n

æ ö÷ç= - + - -÷ç ÷÷ç- è ø (3.43)

A partir de (3.41) é possível obter, para a parte isótropa, as forças e momentos generalizados

risoan e r

isoam , respectivamente, e destes último a matriz isoD . Novamente, por questão de

simplicidade, suas expressões não serão apresentadas aqui, mas podem ser encontradas em

[4].

Page 52: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

44

Parcela ortótropa:

Como já dito, a parcela ortótropa afeta exclusivamente as deformações de membrana do

gradiente das deformações. Desta forma, é conveniente expressar, F ou rF , o tensor das

deformações de Green-Lagrange, a energia de deformação específica ortótropa e os tensores

de Piola Kirchhoff pelas equações (3.15), (3.16), (3.17) e (3.18) respectivamente.

Neste caso, a função energia de deformação específica para a ortotropia é dada por (vide

[28,37])

( ) ( ) ( )

( ) ( )( ) ( ) ( )( )

( )( ) ( )( )

( )( ) ( )( )

1 1 1 2 2 2

2 21 1 1 1 2 2 2 2

2 21 1 1 2 2 2

12 1 1 2 2

1ˆ tr tr tr 34

1tr 2 tr tr tr 2 tr tr

2

1 1tr tr tr tr

8 8

1tr tr tr tr ,

4

ortoy a a

m m

b b

b

é ù= - + - - +ë û

é ù+ - + + - + +ê úë û

+ - + - +

+ - -

H C H H C H C

H C H C H H C H C H

H C H H C H

H C H H C H

(3.44)

onde as constantes 1a , 2a , 1m , 2m , 1b , 2b e 12b são parâmetros do material.

O correspondente segundo tensor das tensões Piola-Kirchhoff, resulta em:

( )( ) ( ) ( )

( ) ( )

( )( ) ( )( )

( )( ) ( )( )

+

+

+ .

1 1 2 2 1 1 1 2 2 2

1 1 1 1 2 2 2 2

1 1 1 1 2 2 2 2

12 1 2 2 1 1 2

ˆ 2

1 1tr 3 tr tr

2 4

2 2

1 1tr tr tr tr

2 2

1tr tr tr tr

2

ortoorto

y

a a a a

m m

b b

b

¶= =

é ù= + - + - + -ë û

+ - + + - +

- + - +

é ù- + -ë û

SC

H H C H C H H C H I +

H C CH H H C CH H

H C H H H C H H

H H C H H C H H

(3.45)

Page 53: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

45

O primeiro tensor das tensões de Piola-Kirchhoff é obtido via ˆ ˆôrto ôrto=P FS , e seus vetores-

coluna resultam

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )( )

e

1 1 1 11 1 2 12 22 11 1 2 12 21

1 1 2 12 22 1 1 1 11 1 2 12 22 12

1 2 12 11 1 2 12 11 2 2 2 22 12

2 1 2 12 11

2 4 (1 ) 21

2 (1 ) 2 4

0

2 (1 ) 2 41

rorto

rorto

E E E

E E Eh

E E E

Eh

a m b a a b h m m h

m m h a m b a a b h

m m h a a b a m b h

a a b

é ùé ù+ + + + + + + +ë ûê úê úé ù= + + + + + + + +ê úë ûê úê úë û

é ù+ + + + + + + +ë û= + + +

t

t ( ) ( ) ( )2 2 2 22 22 1 2 12 212 4 1 2 .

0

E Ea m b h m m h

é ùê úê úé ù+ + + + +ê úë ûê úê úë û

(3.46)

Novamente, recorrendo a (2.34)1, encontram-se as forças generalizadas retrorrotacionadas

atuantes na seção transversal de normal rae , da parcela ortótropa, dadas por

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )( )

e

1 1 1 11 1 2 12 22 11 1 2 12 21

1 1 2 12 22 1 1 1 11 1 2 12 22 12

1 2 12 11 1 2 12 11 2 2 2 22 12

2 1 2 12 11 2

2 4 (1 ) 2

2 (1 ) 2 4

0

2 (1 ) 2 4

2

rorto

rorto

E E E

E E E

E E E

E

a m b a a b h m m h

m m h a m b a a b h

m m h a a b a m b h

a a b a

é ùé ù+ + + + + + + +ë ûê úê úé ù= + + + + + + + +ê úë ûê úê úë û

é ù+ + + + + + + +ë û= + + + +

n

n ( ) ( ) ( )2 2 22 22 1 2 12 214 1 2 .

0

E Em b h m m h

é ùê úê úé ù+ + + +ê úë ûê úê úë û

(3.47)

A resultante total das forças e momentos generalizados (retrorrotacionados), são obtidas de

forma análoga a (3.29), lembrando que a parcela ortótropa não contribui em ram .

A matriz dos módulos constitutivos de rigidez tangente da parcela ortótropa é obtida

analogamente a (3.30) e (3.31). Suas submatrizes são constituídas pelas seguintes expressões

explicitas:

Page 54: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

46

( ) ( )

( ) ( )

1

1

2

2

11 1 1 11 1 2 12 22

11

1

12

1

11

11 1 1 11 1 2 12 22

12

2 4 ,

0,

0,

2 4 ,

rorto

r

rorto

r

rorto

r

rorto

r

nE E

n

n

nE E

a m b a a bh

h

h

a m b a a bh

¶= + + + + +

¶=

¶=

¶= + + + + +

(3.48)

( )

( )

1

1

2

2

11 2 12

21

1

22

1

21

11 2 12

22

2

0,

0,

2 ,

rorto

r

rorto

r

rorto

r

rorto

r

nE

n

n

nE

m mh

h

h

m mh

¶= +

¶=

¶=

¶= +

(3.49)

( )

( )

1

1

2

2

21 2 12

11

2

12

2

11

21 2 12

12

2

0,

0,

2 ,

rorto

r

rorto

r

rorto

r

rorto

r

nE

n

n

nE

m mh

h

h

m mh

¶= +

¶=

¶=

¶= +

(3.50)

Page 55: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

47

( ) ( )

( ) ( )

1

1

2

2

21 2 12 11 2 2 2 22

21

2

22

2

21

21 2 12 11 2 2 2 22

22

2 4 ,

0,

0,

2 4 ,

rorto

r

rorto

r

rorto

r

rorto

r

nE E

n

n

nE E

a a b a m bh

h

h

a a b a m bh

¶= + + + + +

¶=

¶=

¶= + + + + +

(3.51)

Finalmente matriz total dos módulos constitutivos de rigidez tangente pode ser obtida

analogamente a (3.37).

Page 56: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

48

4. Calibração dos parâmetros materiais dos modelos constitutivos

propostos

Os modelos constitutivos propostos no item 3.4, foram implementados no programa PEFSYS.

O PEFSYS é um programa de elementos finitos, implementado em linguagem Fortran 90,

para análise não linear de sólidos e estruturas, desenvolvido na Escola Politécnica da

Universidade de São Paulo, pelos professores Paulo de Mattos Pimenta, Ruy Marcelo de

Oliveira Pauletti e Eduardo de Morais Barreto Campello. Como pré-processador e pós-

processador é utilizado o programa GID desenvolvido pelo CIMNE (Centro Internacional de

Métodos Numéricos en Ingeniería) da Universidade Politécnica da Catalunha.

A calibração dos parâmetros materiais presentes na idealização do item 3.4 será realizada

utilizando dados obtidos em ensaios físicos de tração biaxial de membranas, disponíveis na

literatura, em corpos de prova cruciformes. A Figura 8 detalha as dimensões dos corpos de

prova ensaiados, os carregamentos aplicados, as condições de contornos e o modelo

computacional utilizado para efetuar as calibrações.

Figura 8: Teste de tração biaxial (figura adaptada de [8]).

0.16

7 m

0.15

0 m

0.16

7 m

0.167 m0.150 m0.167 m

SYMMETRY

WARP

WE

FT

F1

F2

Point A

E = 0.2 GPa

h = 0.5 mm

= 0.3

x

y

q2

q2

q1

q1

Page 57: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Além

deslo

apres

No p

comp

[38].

2q v

direç

se es

resul

Note

estira

por l

Leva

m das cond

ocamentos t

sentará rota

presente trab

posta por fi

O ensaio b

versus defor

ção do urdu

sses carrega

ltados estão

Fi

e que no e

amento. O e

1aal = +

ando em con

ições de co

transversais

ação, ou seja

balho, que

ibras de po

biaxial de [3

rmação 2 p

ume (direção

amentos em

apresentad

igura 9: Curva

eixo das o

estiramento

aae , onde l

nsideração a

ontorno apr

s ao plano d

a, =Q I .

os dados ut

oliéster reve

38] fornece

para carrega

o 1 ) da tram

m três razõ

dos Figura 9

as experimenta

ordenadas

está diretam

aal são os e

a hipótese q

resentadas n

do corpo de

tilizados pa

estidas por

apenas as

amentos apl

ma (direção

ões diferent

9 a seguir.

ais: Carregame

dos gráfico

mente relac

estiramentos

que =Q I

na figura F

e prova são

ara a calibra

PVC, obtid

curvas 1q v

icados nas

o 2). Os en

es: 1 2:q q

ento x Estiram

os apresen

cionado com

s e aae as d

na equação

Figura 8, fo

nulos, dest

ação referem

dos nos catá

versus defor

direções 1

saios foram

1 : 1= , 1q

mento (Shelter-

tados Figu

m a deforma

deformaçõe

o (2.14)1 obt

oi consider

ta forma o

m-se a uma

álogos de p

rmação na d

e 2 simult

m realizados

1 2: 1 :q =

-Rite) [38].

ura 9, refe

ação linear,

es lineares.

teremos:

49

ado que os

diretor não

a membrana

produtos de

direção 1 e

taneamente:

s aplicando-

2 e , e os

erem-se ao

sendo dado

9

s

o

a

e

e

:

-

s

o

o

Page 58: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

50

111 11

1, , ,

222 22

2

r

r r r r

r

u

ua a a a a a a

h ex

h ex

ì ¶ïï = =ïï ¶ï= - = + - = íï ¶ï = =ïï ¶ïî

z e u e e uh , (4.1)

ou seja, as deformações de membrana raah equivalem as deformações lineares aae . Sendo

assim, os valores porcentuais referentes ao estiramento nas curvas da Figura 9, são as

parcelas das deformações lineares na expressão do estiramento.

O modelo matemático utilizado para calibração dos parâmetros materiais é semelhante ao

utilizado em [27].

O objetivo da calibração é obter os parâmetros materiais (coeficientes dos polinômios das

funções de energia de deformação específica) do modelo constitutivo que melhor aproximam

as curvas experimentais.

Primeiramente, escolhidos os k pontos das curvas experimentais que serão ajustados,

calculam-se os resíduos para as curvas 1 1q deformação´ e 2 2q deformação´ , que serão

dados por:

e

( ) ( )( ) ( ) ( )

1,2,..., 1,2,

r k r kk k r r r r kiso iso k orto orto k iso orto

pontos

r q q n n

k n

a aa a a a a a a a a

a

= - ⋅ - ⋅ = - -

= =

n e n e

(4.2)

onde ( )kra é o resíduo no k-ésimo ponto na direção a , qa é o valor do carregamento

experimental na direção a no k-ésimo ponto, ( )r kison

aa e ( )r korton

aa são respectivamente as

componentes dos esforços internos risoan e r

ortoan na direção a no k-ésimo ponto.

Note que as componentes ( )r kison

aa e ( )r korton

aa de risoan e r

ortoan são funções das deformações de

membrana rh (vide suas expressões no item 3.4), também conhecidos nas curvas

experimentais.

A soma dos resíduos quadráticos é dada por:

Page 59: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

51

( ) ( )2 2( ) ( )1 2

1

pontosnk k

k

S r r=

é ùê ú= +ê úë û

å (4.3)

onde S é a soma dos resíduos quadráticos que será a função objetivo a ser minimizada

visando a obtenção dos parâmetros materiais que melhor ajustam a função.

Para a minimização da função S , será utilizado o algoritmo GRG2 (Gradientes Reduzidos

Generalizados), implementado no SOLVER do software Excel 2010. Este algoritmo foi

desenvolvido por Leon Ladson, da Universidade do Texas em Austin e Allan Waren, da

Universidade Estadual de Cleveland [39], com a finalidade de resolver problemas de

programação não linear. Maiores informações sobre este algoritmo podem ser encontradas em

[40].

Observa-se que através da minimização serão obtidos apenas os parâmetros materiais

referentes à parcela ortótropa, sendo previamente arbitrados os parâmetros E e n (ou seus

correspondentes parâmetros de Lamé).

Apesar de ser possível determinar, via minimização, também os parâmetros da parcela

isótropa, optou-se pela estratégia de fixar tais parâmetros em valores arbitrários, objetivando

ter um controle parcial da calibração. Além disso, diminui a sensibilidade das variáveis no

problema de minimização.

Levando em conta as considerações acima, optou-se pela estratégia de calibrar os parâmetros

ortótropos utilizando diferentes valores fixos ( ),i jE n , com o intuito de investigar aqueles que

melhor se ajustam aos dados experimentais.

4.1. Calibração do modelo constitutivo de o Oliveira-Pimenta utilizando uma

membrana composta de fibras de poliéster revestida por PVC

Neste seção, será feita a calibração da equação constitutiva de Oliveira-Pimenta utilizando o

material de [38].

O teste biaxial foi computacionalmente simulado conforme ilustrado na Figura 8, levando em

conta a simetria do modelo. A malha utilizada é apresentada nesta figura, a qual é composta

por 384 elementos finitos do tipo T6-3i. A membrana estudada tem espessura de 0,50 mm

Page 60: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

52

(sugerida em [5,8]). Neste teste biaxial, as deformações 11h e 22h componentes de rah para

cada carregamento foram medidas no ponto A conforme ilustrado na Figura 8

Seguindo a estratégia descrita anteriormente, utilizou-se para a calibração do material,

diferentes valores fixos para o modulo de elasticidade e para o coeficiente de Poisson parcela

isótropa { } 3 3 3 4 5 6 7 81 10 , 2 10 , 5 10 , 1 10 , 1 10 , 1 10 , 1 10 , 1 10E = ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ todos

em 2/N m e { } 0,00, 0,15, 0,30, 0,45n = . Os resultados obtidos em cada um desses casos

são apresentados no Anexo A.

Os melhores resultados, no sentido de se ter curvas mais aderentes as curvas experimentais,

ocorre para valores de 7 21 10 /E N m= ´ para quaisquer valores de n . Nesse caso, os

valores resultantes dos parâmetros da parcela ortótropa e as curvas carregamento versus

deformação correspondente para cada razão de carregamento estão apresentados na Figura 10

a seguir.

Page 61: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figura 10: Resultaddos da calibraçção obtida parra 1 1E = ´ N/m - 7 210 n

0, 00= (Ma

aterial de Oliv

53

veira-Pimenta)

3

Page 62: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

54

Analisando as curvas do Anexo A, observa-se que as curvas com razão de carregamento 1:1

não são totalmente ajustadas para valores de módulo de elasticidade inferiores a

N/m7 21 10E = ´ . Ainda observando a curva com razão de carregamento 1:1, quando é

adotado N/m8 21 10E = ´ , nota-se que a curva gerada pelo PEFSYS inicia uma perda de

aderência em relação às curvas experimentais.

Outro fato importante é a influência praticamente nula do coeficiente de Poisson n no ajuste

das curvas. Desta forma, para esse material, pode-se adotá-lo nulo. Os parâmetros do modelo

ortótropo estão cumprindo o papel de representar o efeito Poison neste caso.

4.2. Calibração do modelo constitutivo ortótropo de Saint-Venant utilizando

uma membrana composta de fibras de poliéster revestida por PVC

Nesta seção será feita a calibração da equação constitutiva de Saint-Venant utilizando o

mesmo material da seção anterior, isto é, [38], cujo comportamento é representado pelas

curvas da Figura 9.

Seguindo a mesma estratégia de fixar valore de E e n , variando-os conforme

{ } 3 3 3 4 5 6 7 81 10 , 2 10 , 5 10 , 1 10 , 1 10 , 1 10 , 1 10 , 1 10E = ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ valores em

2/N m e { } 0,00, 0,15, 0,30, 0,45n = , obteve-se os resultados apresentados no Anexo B.

Nota-se que os melhores resultados no sentido de ter curvas mais aderentes, ocorreu para

7 23,75 10 /E N m= ´ e 0,45n = . Os valores resultantes dos parâmetros da parte

ortótropa, nesse caso, e as curvas carregamento versus deformação correspondente, estão

apresentados na Figura 11 a seguir.

Page 63: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Fiigura 11: Resuultados da cali

E

n

a1

a2

m1

m2

b1

b2

b12

ibração obtidaa para 3E =Venant

3,750E+07

0,45

4,724E+07

1,508E+07

1,109E+08

4,807E+07

2,752E+07

1,187E+07

‐8,956E+0

Parâmetr

N/73,75 10´t).

7

7

7

8

7

7

7

06

ros

/m - 2 0n =

[N/m²

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

0, 45 (Material

²]

]

]

]

]

]

]

]

55

l de Saint-

5

Page 64: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

5. E

5.1. M

Utiliz

ao m

Figu

urdum

Para

dos e

finito

como

exist

carre

O en

imple

possi

imple

estad

atrav

Exemplos

Membran

zando os pa

material apr

ura 12, cons

me já a segu

as situaçõe

elementos d

os do tipo T

o o real car

tem pequen

egamento de

nrugamento

ementação

ibilitar a ob

ementado n

dos de enru

vés da utiliz

numérico

na quadrad

arâmetros ca

esentado na

siderando d

unda a traçã

es analisada

da aresta on

T6-31, total

rregamento

as forças tr

e tração, qu

é um fenô

de um m

btenção das

no PEFSYS

ugamento é

ação de forç

os

da (model

alibrados pa

a Figura 9

duas situaçõ

ão ocorre na

Figur

a utilizou-se

nde ocorre a

lizando 477

aplicado n

ransversais

e tem a funç

ômeno de in

método da c

trajetórias d

S nenhum m

provocand

ças muito p

lo constitu

ara o model

9 analisou-s

ões: a prime

a direção da

ra 12: Membra

e 1,00 kN p

a tração. O

73 nós. A F

nos nós que

ao plano da

ção de indu

nstabilidade

continuação

de equilíbrio

método da

do uma pert

pequenas co

utivo de O

lo constituti

se o compo

eira a tração

as fibras da

ana quadrada.

para as forç

modelo foi

Figura 13 r

totalizam a

a membrana

uzir o enrug

e e para trat

o, como p

o do model

continuação

turbação tra

mparadas c

Oliveira-Pi

ivo de Olive

ortamento d

o ocorre na

trama.

ças de traçã

i discretizad

representa a

a força de t

a, cada forç

amento da m

tar esse fen

or exemplo

o. Até este p

o. Uma for

ansversal ao

om o carreg

imenta)

eira-Piment

do modelo

a direção da

ão distribuíd

do por 2316

a malha uti

tração. Vale

ça na ordem

membrana.

nômeno é n

o, o arc-le

ponto do tr

rma de obte

o plano da

gamento de56

ta, referente

descrito na

as fibras do

das nos nós

6 elementos

ilizada bem

e notar que

m de 1% do

necessário a

ength, para

abalho, não

er possíveis

membrana

e tração. 6

e

a

o

s

s

m

e

o

a

a

o

s

a

Page 65: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

57

Figura 13: Malha e carregamento aplicado na membrana.

Após o processamento no programa PEFSYS obteve-se as configurações deformadas

apresentadas na Figura 14.

Os deslocamentos transversais ao plano da membrana podem ser observados na Figura 15 e

os deslocamentos horizontais na Figura 16. Analisando as duas figuras, percebe-se que a

direção do urdume é mais rígida que a direção da trama, como era esperado, pois as fibras na

direção do trama que partem de uma situação mais ondulada e quando tracionada tem mais a

se retificar. Quanto a amplitude das rugas, a trama por se esticar mais na direção horizontal,

apresentará rugas com amplitude menores que as que surgem quando o tracionamento é

realizado na direção do urdume

A Figura 17 mostra que as regiões com maiores tensões normais na horizontal são as que

apresentam maior deformação, como era esperado. Na Figura 18, observa-se diversos pontos

de compressão na região do enrugamento. Estas tensões surgem da interação entre as fibras e

colaboram para formação de rugas.

Page 66: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

58

(a)

(b)

Figura 14: Configuração deformada com tração na direção:(a) urdume; (b) trama.

Page 67: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

59

(a)

(b)

Figura 15: Deslocamentos transversais ao plano da membrana com tração na direção: (a) urdume; (b) trama.

Page 68: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

60

(a)

(b)

Figura 16: Deslocamentos horizontais com tração na direção: (a) urdume; (b) trama.

Page 69: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

61

(a)

(b)

Figura 17:Tensões normais na direção horizontal com tração na direção: (a)urdume; (b) trama.

Page 70: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

62

(a)

(b)

Figura 18: Tensões normais na direção vertical com tração na direção: (a)urdume; (b) trama.

5.2. Membrana quadrada (modelo constitutivo ortótropo de Saint-Venant-

Pimenta)

Utilizando os parâmetros calibrados para o modelo constitutivo ortótropo de Saint-Venant,

referente ao material apresentado na Figura 9, simulou-se o mesmo modelo realizado na

seção (5.1), com a diferença que o carregamento de tração utilizado neste caso foi 0,60 kN ,

Page 71: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

63

visto que a utilização do carregamento de 1,00 kN apresentou grande dificuldade para

finalização da simulação. Como é sabido, o modelo constitutivo de Saint-Venant não é poli-

convexo, desta forma só serve para o caso de pequenas deformações, podendo ter sido este o

motivo da dificuldade de finalização da simulação.

Após o processamento no programa PEFSYS obteve-se as configurações deformadas

apresentadas na Figura 19.

(a)

(b)

Figura 19: Configuração deformada com tração na direção:(a) urdume; (b) trama.

Page 72: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

64

Os deslocamentos transversais ao plano da membrana aparecem na Figura 20 e os

deslocamentos horizontais na Figura 21. Novamente mostrando que a tração na direção do

urdume apresenta-se mais rígida e suas rugas com maior amplitude.

(a)

(b)

Figura 20: Deslocamentos transversais ao plano da membrana com tração na direção: (a) urdume; (b) trama.

Page 73: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

65

(a)

(b)

Figura 21: Deslocamentos horizontais com tração na direção: (a) urdume; (b) trama

A Figura 22 apresenta as tensões normais na direção horizontal, mostrando que as tensões se

uniformizam na região central da membrana devido as baixas deformações que ocorrem nessa

região. A região das extremidades da membrana, apresentam deformações maiores.

Page 74: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

66

(a)

(b)

Figura 22: Tensões normais na direção horizontal com tração na direção: (a)urdume; (b) trama.

Na Figura 23, observa-se diversos pontos de compressão na região do enrugamento. Estas

tensões surgem da interação entre as fibras e colaboram para formação de rugas.

Page 75: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

67

(a)

(b)

Figura 23: Tensões normais na direção vertical com tração na direção: (a)urdume; (b) trama.

Page 76: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

68

6. Conclusões

Neste trabalho, utilizou-se de uma cinemática de uma teoria de casca geometricamente exata

desenvolvida em [1,2,4] e posteriormente generalizada em [5] para descrever o

comportamento mecânico de membranas que é idealizado como a superposição de efeitos de

uma casca isótropa de pequena espessura com o reforço de um tecido ortótropo.

Os modelos constitutivos, estudados neste trabalho, são hiperelásticos e a energia de

deformação específica é decomposta aditivamente em uma parcela isótropa e outra ortótropa.

A parte isótropa contribui com rigidez a tração, compressão, flexão e cisalhamento enquanto a

parte ortótropa é responsável por uma rigidez adicional a tração na direção das fibras do

tecido, direções estas expressas pelos tensores estruturais apresentados na equação (3.19).

Dois modelos constitutivos com características ortótropas foram utilizados neste trabalho:

modelo de Oliveira-Pimenta [5,8] e modelo de Saint-Venant [28,33]. A primeira utiliza para a

parte isótropa a função energia de deformação específica de Simo-Ciarlet e para parte

ortótropa a função de energia de deformação específica é dada por um polinômio onde as

variáveis são invariantes do tensor das deformações de Green-Lagrange E nas direções de

ortotropia. Já para o modelo de Saint-Venant, a parte isótropa é representada pela função

energia de deformação específica de Saint-Venant e a parte ortótropa por um polinômio

formado por invariantes do tensor das deformações de Cauchy-Green C nas direções de

ortotropia.

Para os dois modelos estudados, foram obtidos a partir de suas respectivas funções energia de

deformação específica os tensores das tensões de Piola-Kirchhoff S e P , retrorrotacionando

P para a configuração de referência foi obtido rP e através de sua decomposição espectral

obteve-se os vetores-colunas rat que representam as tensões nas seções transversais com

normal rae e a partir destas tensões encontrou-se as forças e momentos generalizados

respectivamente ran e r

am nestas seções, e destas finalmente obteve-se a matriz dos módulos

constitutivos de rigidez tangente D . Devido todas as grandezas apresentadas serem obtidas a

partir da função energia de deformação específica e lembrando que esta pode ser decompostas

aditivamente em uma parcela isótropa e outra ortótropa, temos como consequência estas

grandezas também podem ser decompostas aditivamente em uma parcela isótropa e outra

ortótropa.

Page 77: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

69

Os modelos constitutivos foram implementados dentro do programa de elementos finitos

PEFSYS e os modelos físicos foram discretizados utilizando o elemento finito T6-3i que é

um elemento triangular de seis nós puro em deslocamento, que garante as propriedades de

convergência e estabilidade, e com ausência nos vértices dos graus de liberdades referente à

rotação, o que o torna incompatível em relação ao campo de rotações. O travamento numérico

não é observado visto que a incompatibilidade das rotações e a interpolação quadrática dos

deslocamentos tornam o T6-3i suficientemente flexíveis o que torna desnecessário a

utilização de técnicas como por exemplo integração reduzida, AES e ANS para evitar o

travamento do elemento.

Após a implementação dos modelos constitutivos ortótropos no PEFSYS tornou-se necessário

a calibração dos dois modelos. Para isso foi escolhido uma membrana de poliéster revestida

por PVC [38] cujo comportamento mecânico está representado na Figura 9. A calibração foi

feita fixando valores de E e n da parte isótropa e os coeficientes dos polinômios da parte

ortótropa foram obtidos através da minimização da soma dos resíduos quadráticos ( )kra .

Procedendo desta forma, os melhores resultados para calibração do modelo de Oliveira-

Pimenta foram alcançados fixando 7 21 10 /E N m= ´ e 0,00n = cujos parâmetros

materiais da parcela ortótropa são apresentados na Figura 10. Para o modelo de Saint-Venant

os melhores resultados de calibração foram obtidos fixando 7 23,75 10 /E N m= ´ e

0, 45n = , para estes valores os parâmetros materiais são apresentados na Figura 11 .

Para o modelo de Oliveira-Pimenta, observou-se que para o material calibrado, o coeficiente

de Poisson não apresentou influência nos resultados. Observou-se ainda que a curva de

carregamento com razão 1:1 não é perfeitamente aderida para valores de modulo de

elasticidade equivalente inferiores a 7 21 10 /E N m= ´ . Além disso, para valores superiores

a 7 21 10 /E N m= ´ , as curvas calibradas, através da simulação utilizando o PEFSYS, que

representam comportamento mecânico do material começam perder aderência das curvas

experimentais, mostrando que a partir desse valor a parcela isótropa começa a superar o

domínio da parcela ortótropa no comportamento mecânico do material.

Já o modelo de Saint-Venant, as curvas de calibração não apresenta uma aderência tão boa em

relação aos dados experimentais, mas considerando a ordem de grandeza das deformações,

consegue representar o comportamento mecânico da membrana calibrada.

Page 78: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

70

Em relação aos exemplos numéricos, é essencial para o tratamento do enrugamento a

implementação de um método da continuação para uma análise mais criteriosa. O artificio de

induzir a formação de ruga não é uma forma adequada de tratar o problema de instabilidade.

Talvez, se a geração das perturbações fosse condicionada a uma análise prévia de autovalores,

conhecer iam-se os graus de liberdade que se instabilizariam, podendo as imperfeições ser

aplicadas nesses pontos, melhorando a configuração deformada. Porém, a utilização deste

artificio serviu para observar qualitativamente os efeitos devido a interação das fibras da

membrana, mostrando que os modelos constitutivos conseguem representar este

comportamento.

No geral, tanto o modelo de elementos finitos adotado para analise da membrana, a

idealização dos modelos constitutivos e a metodologia de calibração adotada foram

satisfatórias para obtenção dos resultados finais apresentados nesta dissertação.

Sugestões para futuros trabalhos

Segue algumas sugestões para estudos futuros:

1. Influência da ortotropia no enrugamento de membranas; 2. Estudo da poli convexidade das funções energia de deformação da parcela ortótropa; 3. Busca de configurações enrugadas utilizando métodos de continuação como, por

exemplo, arc-length ou controle de deslocamentos. 4. Aplicações de membranas ortótropas em biomecânica; 5. Interação fluido-estrutura em membranas. 6. Verificar se o problema do enrugamento pode ser tratado como um problema

dinâmico. 7. Utilizar algoritmos genéticos para calibrar equações constitutivas ortótropas.

Page 79: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

AAnexo A

Figu

E

b

c

h

k

l

m

 n

ura 24: Calibraação 1E = ´

1,000E+0

0,00

2,134E+0

6,983E+0

3,813E+0

2,515E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,336E+

2,542E+0

Parâmet

N/m - 3 210´

03

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

0, 00n =

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

711

Page 80: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

E

nu

b

c

h

k

l

m

 n

2,000E+0

0,00

2,134E+0

6,983E+0

3,813E+0

2,515E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,336E+

2,542E+0

Parâmet

03

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

722

Page 81: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

nu

b

c

h

k

l

m

 n

ura 25: Calibraação 2E = ´

5,000E+0

0,00

2,134E+0

6,983E+0

3,813E+0

2,515E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,336E+

2,542E+0

Parâmet

N/m -3 210´

03

05

04

04

07

+07

07

+06

06

tros

- 0, 00n =

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

m²]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

733

Page 82: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

nu

b

c

h

k

l

m

 n

ura 26: Calibraação 5E = ´

1,000E+0

0,00

2,134E+0

6,983E+0

3,813E+0

2,515E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,336E+

2,542E+0

Parâmet

N/m -3 210´

04

05

04

04

07

+07

07

+06

06

tros

- 0, 00n =

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

m²]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

744

Page 83: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

Figu

E

nu

b

c

h

k

l

m

 n

ura 27: Calibra

ura 28: Calibra

ação 1E = ´

ação 1E = ´

1,000E+0

0,00

2,134E+0

6,981E+0

3,813E+0

2,515E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,336E+

2,542E+0

Parâmet

N/m -4 210´

N/m -5 210´

05

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

- 0, 00n =

0, 00n =

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

755

Page 84: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

nu

b

c

h

k

l

m

 n

ura 29: Calibraação 1E = ´

1,000E+0

0,00

2,132E+0

6,960E+0

3,813E+0

2,515E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,336E+

2,544E+0

Parâmet

N/m -6 210´

06

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

0, 00n =

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

766

Page 85: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figuura 30: Calibraação 1E = ´ N/m -7 210´

- 0, 00n =

777

Page 86: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

nu

b

c

h

k

l

m

 n

ura 31: Calibraação 1E = ´

1,000E+0

0,00

1,895E+0

4,627E+0

3,768E+0

2,542E+0

‐8,747E+

6,432E+0

‐3,290E+

2,695E+0

Parâmet

N/m -8 210´

08

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

- 0, 00n =

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

788

Page 87: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

nu

b

c

h

k

l

m

 n

ura 32: Calibraação 1E = ´

1,000E+0

0,15

2,134E+0

6,983E+0

3,813E+0

2,515E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,336E+

2,542E+0

Parâmet

N/m -3 210´

03

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

- 0,15n =

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

799

Page 88: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

nu

b

c

h

k

l

m

 n

ura 33: Calibraação 2E = ´

2,000E+0

0,15

2,134E+0

6,983E+0

3,813E+0

2,515E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,336E+

2,542E+0

Parâmet

N/m -3 210´

03

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

- 0,15n =

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

800

Page 89: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

b

c

h

k

l

m

 n

ura 34: Calibraação 5E = ´

5,000E+0

0,15

2,134E+0

6,983E+0

3,813E+0

2,515E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,336E+

2,542E+0

Parâmet

N/m -3 210´

03

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

- 0,15n =

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

811

Page 90: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

b

c

h

k

l

m

 n

ura 35: Calibraação 1E = ´

1,000E+0

0,15

2,134E+0

6,983E+0

3,813E+0

2,515E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,336E+

2,542E+0

Parâmet

N/m -4 210´

04

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

- 0,15n =

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

822

Page 91: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

b

c

h

k

l

m

 n

ura 36: Calibraação 1E = ´

1,000E+0

0,15

2,134E+0

6,981E+0

3,813E+0

2,515E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,336E+

2,542E+0

Parâmet

N/m -5 210´

05

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

- 0,15n =

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

833

Page 92: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

b

c

h

k

l

m

 n

ura 37: Calibraação 1E = ´

1,000E+0

0,15

2,132E+0

6,959E+0

3,805E+0

2,515E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,336E+

2,544E+0

Parâmet

N/m -6 210´

06

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

- 0,15n =

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

844

Page 93: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

b

c

h

k

l

m

 n

ura 38: Calibraação 1E = ´

1,000E+0

0,15

2,110E+0

6,743E+0

3,733E+0

2,517E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,330E+

2,558E+0

Parâmet

N/m -7 210´

07

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

- 0,15n =

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

855

Page 94: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figuura 39: Calibraação 1E = ´ N/m -8 210´

- 0,15n =

866

Page 95: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

b

c

h

k

l

m

 n

ura 40: Calibraação 1E = ´

1,000E+0

0,30

2,134E+0

6,983E+0

3,813E+0

2,515E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,336E+

2,542E+0

Parâmet

N/m -3 210´

03

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

- 0, 30n =

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

877

Page 96: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figuura 41: Calibraação 2E = ´ N/m -3 210´

- 0, 30n =

888

Page 97: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

b

c

h

k

l

m

 n

ura 42: Calibraação 5E = ´

5,000E+0

0,30

2,134E+0

6,983E+0

3,813E+0

2,515E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,336E+

2,542E+0

Parâmet

N/m -3 210´

03

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

- 0, 30n =

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

899

Page 98: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

b

c

h

k

l

m

 n

ura 43: Calibraação 1E = ´

1,000E+0

0,30

2,134E+0

6,983E+0

3,813E+0

2,515E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,336E+

2,542E+0

Parâmet

N/m -4 210´

04

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

- 0, 30n =

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

900

Page 99: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

b

c

h

k

l

m

 n

ura 44: Calibraação 1E = ´

1,000E+0

0,30

2,134E+0

6,981E+0

3,812E+0

2,515E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,336E+

2,542E+0

Parâmet

N/m -5 210´

05

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

0, 30n =

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

911

Page 100: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

b

c

h

k

l

m

 n

ura 45: Calibraação 1E = ´

1,000E+0

0,30

2,131E+0

6,958E+0

3,797E+0

2,515E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,335E+

2,544E+0

Parâmet

N/m -6 210´

06

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

0, 30n =

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

922

Page 101: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figuura 46: Calibraação 1E = ´ N/m -7 210´

- 0, 30n =

933

Page 102: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

b

c

h

k

l

m

 n

ura 47: Calibraação 1E = ´

1,000E+0

0,30

1,874E+0

4,417E+0

2,163E+0

2,544E+0

‐8,735E+

6,443E+0

‐3,195E+

2,726E+0

Parâmet

N/m -8 210´

08

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

- 0, 30n =

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

944

Page 103: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figuura 48: Calibraação 1E = ´ N/m -3 210´

- 0, 45n =

955

Page 104: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

b

c

h

k

l

m

 n

ura 49: Calibraação 2E = ´

2,000E+0

0,45

2,134E+0

6,983E+0

3,813E+0

2,515E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,336E+

2,542E+0

Parâmet

N/m -3 210´

03

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

- 0, 45n =

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

966

Page 105: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figuura 50: Calibraação 5E = ´ N/m -3 210´

- 0, 45n =

977

Page 106: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figuura 51: Calibraação 5E = ´ N/m -4 210´

- 0, 45n =

988

Page 107: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

b

c

h

k

l

m

 n

ura 52: Calibraação 1E = ´

1,000E+0

0,45

2,134E+0

6,980E+0

3,811E+0

2,515E+0

‐8,743E+

6,427E+0

‐3,336E+

2,542E+0

Parâmet

N/m -5 210´

05

05

04

04

07

+07

07

+06

06

ros

0, 45n =

[N/m²]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

[N/m]

]

999

Page 108: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figuura 53: Calibraação 1E = ´ N/m -6 210´

0, 45n =

1000

Page 109: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figuura 54: Calibraação 1E = ´ N/m -7 210´

- 0, 45n =

1011

Page 110: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figuura 55: Calibraação 1E = ´ N/m -8 210´

- 0, 45n =

1022

Page 111: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

AAnexo B

Figu

E

n

a1

a2

m1

m2

b1

b2

b12

ura 56: Calibraação 1E = ´

1,000E+

0,00

8,811E+

5,610E+

1,252E+

6,215E+

3,113E+

1,579E+

2,553E+

Parâmet

N/m -3 210´

+03

0

+07

+07

+08

+07

+07

+07

+07

ros

- 0, 00n =

[N/m²

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

²]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

1033

Page 112: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

n

a1

a2

m1

m2

b1

b2

b12

ura 57: Calibraação 2E = ´

2,000E+

0,000E+

8,872E+

5,608E+

1,249E+

6,229E+

3,105E+

1,524E+

2,494E+

Parâmet

N/m -3 210´

+03

+00

+07

+07

+08

+07

+07

+07

+07

ros

- 0, 00n =

[N/m²

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

²]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

1044

Page 113: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

n

a1

a2

m1

m2

b1

b2

b12

ura 58: Calibraação 5E = ´

5,000E+

0,00

8,836E+

5,617E+

1,250E+

6,227E+

3,141E+

1,515E+

2,521E+

Parâmet

N/m -3 210´

+03

0

+07

+07

+08

+07

+07

+07

+07

ros

- 0, 00n =

[N/m²

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

²]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

1055

Page 114: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

n

a1

a2

m1

m2

b1

b2

b12

ura 59: Calibraação 1E = ´

1,000E+

0,00

8,797E+

5,615E+

1,254E+

6,204E+

3,067E+

1,609E+

2,563E+

Parâmet

N/m -4 210´

+04

0

+07

+07

+08

+07

+07

+07

+07

ros

- 0, 00n =

[N/m²

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

²]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

1066

Page 115: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

n

a1

a2

m1

m2

b1

b2

b12

ura 60: Calibraação 1E = ´

1,000E+

0,00

8,770E+

5,698E+

1,253E+

6,184E+

3,132E+

1,513E+

2,506E+

Parâmet

N/m -5 210´

+05

0

+07

+07

+08

+07

+07

+07

+07

ros

0, 00n =

[N/m²

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

²]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

1077

Page 116: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figuura 61: Calibraação 1E = ´ N/m -5 210´

0, 00n =

1088

Page 117: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

n

a1

a2

m1

m2

b1

b2

b12

ura 62: Calibra

ação 1E = ´

1,000E+

0,000E+

8,790E+

5,597E+

1,227E+

5,985E+

3,152E+

1,522E+

2,587E+

Parâmet

N/m -7 210´

+07

+00

+07

+07

+08

+07

+07

+07

+07

ros

- 0, 00n =

[N/m²

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

²]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

1099

Page 118: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figuura 63: Calibraação 1E = ´ N/m -8 210´

- 0, 00n =

1100

Page 119: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

111

As séries de calibrações para 0,15n = , 0, 30n = repetem os resultados apresentados para a

série gerada com 0, 00n = . Utilizando 0, 45n = , a série continua repetindo os resultados

das séries anteriores, exceto para N/m8 21 10E = ´ . Observe a seguir os resultados das três

ultimas calibrações desta série:

Page 120: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

n

a1

a2

m1

m2

b1

b2

b12

ura 64: Calibraação 1E = ´

1,000E+

0,45

8,711E+

5,549E+

1,248E+

6,156E+

3,086E+

1,556E+

2,404E+

Parâmetr

N/m -6 210´

+06

+07

+07

+08

+07

+07

+07

+07

ros

0, 45n =

[N/m²

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

²]

]

]

]

]

]

]

]

1122

Page 121: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

n

a1

a2

m1

m2

b1

b2

b12

ura 65: Calibraação 1E = ´

1,000E+

0,45

7,750E+

4,500E+

1,211E+

5,870E+

3,065E+

1,384E+

1,621E+

Parâmet

N/m -7 210´

+07

5

+07

+07

+08

+07

+07

+07

+07

ros

- 0, 45n =

[N/m²

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

²]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

1133

Page 122: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figu

E

n

a1

a2

m1

m2

b1

b2

b12

ura 66: Calibraação 1E = ´

1,000E+

0,45

‐2,172E+

‐5,321E+

8,762E+

2,436E+

2,170E+

6,229E+

‐6,567E+

Parâmet

N/m -8 210´

+08

+07

+07

+07

+07

+07

+06

+07

ros

- 0, 45n =

[N/m²

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

²]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

1144

Page 123: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

115

Observando no Anexo B as três últimas calibrações para 0, 45n = , pode-se notar que, até as

curvas obtidas com N/m7 21 10E = ´ , não houve alteração significativa e o comportamento

obtido não está de acordo com os dados experimentais. Já para N/m8 21 10E = ´ ocorreu

uma alteração brusca no comportamento. Desta forma, tornou-se necessário uma averiguação

mais cautelosa no intervalo entre N/m7 21 10E = ´ e N/m8 21 10E = ´ , refinando este

intervalo. O novos valores de módulo de elasticidade utilizados para o refinamento foram

{ }, , , , N/m7 22, 50 3,75 5, 00 6,25 7,50 10E = ´ , 0, 45n = , cujos resultados também se

encontram no Anexo B.

Page 124: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figura

E

n

a1

a2

m1

m2

b1

b2

b12

a 67: Calibraçãão 2,50E =

2,500E+07

0,45

6,066E+07

2,892E+07

1,157E+08

5,268E+07

2,904E+07

1,317E+07

2,577E+06

Parâmetr

N/m7 20 10´

7

7

7

8

7

7

7

6

ros

- 0, 45n =

[N/m²

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

5

²]

]

]

]

]

]

]

]

1166

Page 125: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figura

E

n

a1

a2

m1

m2

b1

b2

b12

a 68: Calibraçãão 3,75E =

3,750E+07

0,45

4,724E+07

1,508E+07

1,109E+08

4,807E+07

2,752E+07

1,187E+07

‐8,956E+0

Parâmetr

N/m7 25 10´

7

7

7

8

7

7

7

06

ros

- 0, 45n =

[N/m²

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

²]

]

]

]

]

]

]

]

1177

Page 126: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figura

E

n

a1

a2

m1

m2

b1

b2

b12

a 69: Calibraçãão 5, 00E =

5,000E+

0,45

3,332E+

1,487E+

1,064E+

4,344E+

2,608E+

1,016E+

‐2,024E+

Parâmet

N/m7 20 10´

+07

5

+07

+06

+08

+07

+07

+07

+07

ros

- 2 0, 45n =

[N/m²

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

5

²]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

m]

1188

Page 127: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figura

E

n

a1

a2

m1

m2

b1

b2

b12

a 70: Calibraçãão 6,25E =

6,250E+07

0,45

1,940E+07

‐1,217E+0

1,017E+08

3,857E+07

2,533E+07

9,544E+06

‐3,145E+0

Parâmetr

N/m7 25 10´

7

7

07

8

7

7

6

07

ros

- 0, 45n =

[N/m²

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

5

²]

]

]

]

]

]

]

]

1199

Page 128: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

Figura

E

n

a1

a2

m1

m2

b1

b2

b12

a 71: Calibraçã

ão 7,50E =

7,500E+07

0,45

5,370E+06

‐2,567E+0

9,714E+07

3,380E+07

2,425E+07

8,240E+06

‐4,271E+0

Parâmetr

N/m7 20 10´

7

6

07

7

7

7

6

07

ros

- 2 0, 45n =

[N/m²

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

[N/m

5

²]

]

]

]

]

]

]

]

1200

Page 129: Equações constitutivas ortótropas para a modelagem de ... · como uma casca isótropa de pequena espessura reforçada por uma membrana ortótropa. O objetivo desta pesquisa de

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