modelação por elementos finitos de ligações rebitadas...

Modelação por elementos finitos de ligações rebitadas com múltiplos rebites

Abílio M. P. de Jesus, Manuel P.G. Rodrigues, Rui M.G. Pereira

Introdução• A fadiga é uma das principais causas de falha nas estruturas metálicas.

• As pontes metálicas rebitadas são susceptíveis de apresentarem danos de fadiga elevados. Muitas destas pontes são centenárias, tendo sido originalmente projectadas sem ter em consideração critérios de fadiga.

•Ao longo dos anos estas estruturas viram agravadas as suas sobrecargas. Por razões económicas, tem-se procurado prolongar o tempo de operação destas estruturas.

•Necessário realizar estudos detalhados de vida residual à fadiga, para apoiar as decisões de prolongamento do tempo de operação das pontes.

Introdução•Os procedimentos habituais para análise à fadiga de pontes rebitadas consistem na utilização de curvas S-N.

•Limitada disponibilidade de curvas para todos os tipos de ligações, motivado pela pouca investigação recente sobre este tipo de ligações.

• O EC3 já não faz referência explícita às ligações rebitadas. Documentos de apoio sugerem a utilização da Classe de resistência 71.

A. Jesus et al., Strain, 2009 (in press)

Introdução•As abordagens locais, baseadas na Mecânica da Fractura ou nas Curvas S-N ou ε-N dos materiais base, são ferramentas alternativas que apresentam significativa flexibilidade, pois podem ser teoricamente aplicadas a qualquer ligação.

•As abordagens locais requerem uma análise detalhada de tensões nas ligações rebitadas. J. Correia & A. Jesus, 7ICSB - SteelBridges, 2008.

A. Jesus et al., Int. J.of Fatigue, to appear.

Objectivos

• Apresentação de uma metodologia para análise de tensões locais por elementos finitos em ligações rebitadas com múltiplos rebites.

• São propostos modelos de elementos finitos 3D de ligações com múltiplos rebites, com elementos sólidos e de contacto;

• São determinadas as concentrações de tensões, em função do pré-esforço nos rebites;

• É apresentado um estudo preliminar de uma ligação rebitada com único rebite, para qual existe na literatura estudos similares.

Resumo

Modelação por Elementos Finitos de uma Ligação com Rebite Único

B

A

D

C

• A ligação foi modelada recorrendo ao código comercial ANSYS®.

• As placas e rebite foram modelados usando elementos isoparamétricosde 20 nós.

• O contacto entre as chapas e entre as placas e o rebite foi modelado através de elementos de contacto.

• Comportamento elástico dos materiais.

• Modelação de ¼ da geometria.


B

A

D

C

• A face AB foi solicitada alternativamente com pressão imposta (30MPa) e com deslocamento imposto (0.1mm).

• Foram testadas diversas condições de atrito (µ=0; µ=0.3; µ=0.6).

• O pré-esforço no rebite foi simulado impondo variação de temperatura no rebite e assumindo propriedades de expansão térmica ortotrópicas.

• Testados vários valores de FKN e FTOLN.

• 248 simulações!


0.0

25.0

50.0

75.0

100.0

125.0150.0

175.0

200.0

225.0

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275.0

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275

Variação de temperatura, ∆T [ºC]

Pré-

tens

ão m

édia

no

rebi

te [M

Pa]

FKN=1.0

FKN=0.1

FKN=0.01

FKN=1.0

FKN=0.1

FKN=0.01

FKN=1.0

FKN=0.1

FKN=0.01

µ=0.0

µ=0.3

µ=0.6

FTOLN=0.1-0.01, δ=0.1 mm

• Variação da tensão média de pré-esforço no rebite com a variação de temperatura


• Variação do factor de concentração de tensões no furo da peça central, em função da pré-tensão média no rebite

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

0 50 100 150 200 250

Pré-tensão média no rebite [MPa]

Fact

or d

e co

ncen

traçã

o de

tens

ões,

Kt FKN=1.0

FKN=0.1

FKN=0.01

FKN=1.0

FKN=0.1

FKN=0.01

FKN=1.0

FKN=0.1

FKN=0.01

µ=0.0

µ=0.3

µ=0.6

FTOLN=0.1-0.01, δ=0.1 mm

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

0 50 100 150 200 250

Pré-tensão média no rebite [MPa]

Fact

or d

e co

ncen

traçã

o de

tens

ões,

Kt

FKN=1.0

FKN=0.1

FKN=0.01

FKN=1.0

FKN=0.1

FKN=0.01

µ=0.3

µ=0.6

FTOLN=0.1, p=30 MPa


• Factores de concentração de tensões, Kt, na ligação com rebite único (p=30 MPa)

Localizações F G HFKN=1.0 2.70 2.96 2.95FKN=0.1 2.67 2.86 3.13

FKN=0.01 2.81 2.87 3.14Média 2.73 2.90 3.07

2.19 2.19 2.171.97 1.75 2.6819.6 24.2 29.227.8 39.7 12.7

Este estudo, FTOLN=0.1-0.01

[8][11]

[11] - Desvio (%)[8] - Desvio (%)

[11] – Shivakumar & Newman, Nasa Tecnical Paper 3192, 1992.[8] – Boulent, PhD Thesis, 2006.

Modelação de Ligações com Múltiplos Rebites

Rebite 2 Rebite 4

A CRebite 1 Rebite 3

B D

8/16 rebites(2 ou 4 filas de rebites)

B

A

D

C

Rebite 1 Rebite 2 Rebite 3 Rebite 4

8/16 rebites(1 ou 2 filas de rebites)

Modelação de Ligações com Múltiplos Rebites• Modelos de Elementos Finitos

• As simulações foram realizadas para um coeficiente de atrito igual a 0.3 e 0.6.

• Imposição de um deslocamento de 0.1 mm na face AB, na direcção longitudinal.

• Foram considerados os parâmetros de contacto propostos por defeito pelo ANSYS®: FKN=1.0 e FTOLN=0.1.

• Todos os rebites da ligação foram sujeitas ao mesmo ∆T → aprox. mesmo pré-esforço.


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2

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0 50 100 150 200 250 300 350

Tensão de Pré-esforço média nos rebites (MPa)

Fact

or d

e C

once

ntra

ção

de T

ensõ

es, K

t

Kt (Rebite 1)Kt (Rebite 2)Kt (Rebite 3)Kt (Rebite 4)Kt (Rebite 1)Kt (Rebite 2)Kt (Rebite 3)Kt (Rebite 4)

µ=0.3

µ=0.6

Ligação com 16 rebites(4 filas de rebites)


0

0.5

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0 50 100 150 200 250 300 350


Fact

or d

e C

once

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ção

de T

ensõ

es, K

t


µ=0.3

µ=0.6



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0 50 100 150 200 250 300 350


Fact

or d

e C

once

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ção

de T

ensõ

es, K

t


µ=0.3

µ=0.6

Ligação com 8 rebites(1 fila de rebites)

Conclusões

• Foi apresentado um metodologia para análise por elementos finitos de ligações rebitadas com múltiplos rebites.

• Os modelos de elementos finitos permitem analisar o efeito do atrito e pré-esforço dos rebites na distribuição de tensões locais, necessárias à aplicação dos métodos locais.

• O aumento do pré-esforço e atrito tem como consequência a redução da concentração de tensões nos furos dos rebites, localizações preferenciais para a iniciação de fendas de fadiga.

• Nas ligações com múltiplos rebites, os rebites mais solicitados são os que se encontram mais próximos do bordo das placas. A redução da concentração de tensões é acentuada, à medida que a distância ao bordo aumenta.

• Estes modelos, apesar das suas potencialidades, apresentam um grande inconveniente, que tem a ver com o elevado custo computacional associado.

Agradecimentos

Os autores agradecem à FCT pelos meios financeiros disponibilizados através do projecto de investigação PTDC/EME-PME/78833/2006.

[email protected]

www.utad.pt/~pontesfct

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modelação por elementos finitos de ligações rebitadas...

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