Análise numérica em estruturas de concreto

Para maximizar as chances de sucesso das pesquisas, tem se tornado corriqueira a utilização de ferramentas computacionais para análise numérica de problemas de engenharia. Recursos avançados de modelagem, representações gráficas, redução no tempo de processamento no que tange a extensos processos de cálculo e o consequente aumento de produtividade torna viável o estudo de problemas de engenharia estrutural.

Atualmente, existem softwares que possuem diversas ferramentas de análise estrutural. Dentre os mais conhecidos e difundidos na comunidade acadêmica estão o ANSYS®, SAP2000, MatLab, CYPECAD, ABAQUS e ATENA 3D. Todos esses programas fazem uso do Método dos Elementos Finitos (MEF) para análise linear ou não-linear.

Nesse sentido, algumas pesquisas têm demonstrado a eficiência no uso da modelagem para problemas estruturais. Um dos primeiros trabalhos voltados à análise de problemas estruturais por meio da modelagem numérica com uso do MEF remonta a década de 1950 com um estudo sobre asa-delta. Um dos livros pioneiros da área foi publicado por Zienkiewicz e Cheung, em 1967. A partir daí, diversos pesquisadores iniciaram estudos nos mais diversos ramos da engenharia (BUYUKKARAGOZ, 2010).

O uso do MEF tem sido amplamente difundido pelos pesquisadores, considerando sua eficácia quando comparados com métodos de análise, como o das diferenças finitas e analogia de grelhas. A título de exemplo de análise numérica em estruturas de concreto, tem-se que:

Cunha (2013) realizou um estudo sobre o comportamento de placas de pisos industriais de concreto simples sujeitos a carregamentos estáticos e móveis como as cargas permanentes, sobrecargas e o tráfego de empilhadeiras. Foram projetados quatro modelos de placas para experimentos. Posteriormente foram feitas análises numéricas com auxílio do software SAP2000. As deflexões e esforços críticos foram as principais variáveis avaliadas. Os resultados trouxeram discussões quanto aos métodos tradicionais de dimensionamento da espessura da placa de concreto, além da constatação da viabilidade do emprego de métodos numéricos para esse tipo de estudo.

Loprencipe e Cantisani (2015) analisaram alguns métodos numéricos de avaliação para melhorar a geometria da superfície de pisos de concreto, por meio de estudo de caso. Os autores destacaram a necessidade da manutenção das propriedades fundamentais dos pisos de concreto, como resistência ao estado de carregamento, estabilidade, durabilidade, segurança, dentre outras. Os resultados demonstraram que em determinados casos a geometria da superfície dos pisos é afetada por deficiências no processo de projeto e execução dos pisos, gerando deformações excessivas e ocasionando problemas patológicos diversos.

As pesquisas supracitadas denotam a eficiência da modelagem numérica no estudo de peças de concreto, por mais distintas que sejam as variáveis.

4.8.1 Software para modelagem e análise estrutural: ANSYS®

Neste estudo, a etapa de modelagem e análise estrutural fez uso de um software comercial de elementos finitos, o ANSYS®, em sua versão 17.0. O programa foi desenvolvido nos Estados Unidos pela Swanson Analysis Systems Inc. e atualmente é comercializado no Brasil pela empresa Engineering Simulation and Scientific Software(ESSS). Tem como foco a modelagem e análise numérica no processo de desenvolvimento de produtos da área de engenharia. Possui diversos tipos de aplicações como análise de sistemas estruturais, fluidodinâmica, transferência de calor, sistemas acústicos e elétricos, aplicações customizadas, dentre outras (ANSYS, 2013).

A respeito da sua aplicação para problemas da área de estruturas, o ANSYS® permite a modelagem e compreensão dos diferentes cenários que ocorrem no sistemas estruturais complexos. Para isso, algumas vertentes do programa podem ser utilizadas, visto que são voltadas especificamente para esse tipo de aplicação, que são o ANSYS/Structural, ANSYS/Mechanical, ANSYS/Multiphysics e ANSYS/Professional. A versão que foi utilizada nessa pesquisa fez uso da tipologia ANSYS/Workbench/Structural, que possibilita a geração de malhas com grande número de nós.

De modo geral, o software ANSYS® apresenta as seguintes características, comuns a todas as vertentes do programa:

 Desenvolvimento de modelos ou direta importação com modelos de CAD a serem analisados;

 Possibilidade de realizar análises estáticas, dinâmicas, estocásticas e determinística, lineares ou não-lineares;

 Trabalhar com diversos tipos de geometrias dos elementos, podendo ser irregulares, com deslocamentos e deformações de grande escala;

 Possibilidade de utilização de diversas tipologias de materiais, estados de carregamento e condições de contorno;

 Visualização da estrutura simulada de forma tridimensional;

 Soluções com boa aproximação comprovada frente a resultados experimentais;  Minimização ou extinção (em alguns casos) do uso de práticas experimentais para

análise de dados.

O programa possui interface gráfica intuitiva, de modo a facilitar a interação do usuário com as ferramentas, conforme se observa na Figura 44 que segue:

Figura 44 – Interface gráfica do software ANSYS®.

Fonte: ANSYS (2013).

O ANSYS® possibilita, ainda, ao usuário a observação do sistema final modelado na forma 3D, como apresentado na Figura 45.

Figura 45 – Modelagem 3D de uma laje maciça apoiada em viga metálica no ANSYS®.

Fonte: Majdi et al. (2014).

Neste exemplo, uma laje maciça com forma metálica foi modelada sobre uma viga metálica de perfil duplo com aberturas na alma. Esse tipo de representação facilita a interpretação e análise dos resultados, o que tornou bastante viável a utilização de uma ferramenta computacional para esta pesquisa.

Além dessas características, diversos tipos de análises estão implementadas no programa como a análise estática, modal, dinâmica, harmônica, espectral e de flambagem. Como o próprio nome sugere, a análise estática pode ser utilizada para a determinação de esforços cujo estado de carregamento é apenas estático. Ela pode ser linear ou não-linear. Na análise não-linear, existe a possibilidade da inserção de outras variáveis tais como a fissuração, rigidez, plasticidade, superfície de contato para fluxo de cisalhamento, dentre outras. Na análise modal, considera-se o sistema de frequências e vibrações dos elementos estruturais. A análise dinâmica procede a análise de carregamentos dinâmicos variáveis em função do tempo, podendo considerar as variáveis de origem linear ou não-linear. A análise do tipo harmônica faz referência aos carregamentos variáveis em função do tempo. A análise do tipo espectral considera pulsos espectrais de resposta ou vibrações randômicas para determinação dos parâmetros de tensão e deformação. A análise de flambagem tem foco nos parâmetros que influenciam a ocorrência de flambagem linear ou não-linear dos elementos estruturais. Um exemplo de aplicação desse tipo de análise é no estudo de flambagem de pilares em concreto armado (MARINHO, 2002).

5 MATERIAIS E MÉTODOS