Existem soluções analíticas para a determinação da carga crítica e da variação crítica de temperatura de colunas, desde que as mesmas não possuam perfurações. Se existirem o problema pode ser resolvido através de uma abordagem computacional. Então, neste trabalho, um modelo computacional verificado foi adotado para solucionar os problemas da flambagem mecânica e térmica. Para isso foi empregado o software ANSYS, que é baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF). Um estudo de caso foi realizado, empregando o método Design Construtal para a determinação da influência na carga crítica e na variação crítica de temperatura em uma coluna de aço com perfurações. A forma dessas perfurações foram variadas, mantendo fixo o volume de material retirado da coluna. Os resultados obtidos mostraram que o método Design Construtal permite a determinação de geometrias otimizadas que conduzem a performances superiores dos componentes estruturais analisados. Estudos de flambagem mecânica e flambagem térmica considerando perfurações em perfis ou placas finas têm sido abordados em trabalhos isoladamente, sem a existência de uma correlação ou ponto comum entre eles. Então surgiu a motivação para realizar o presente trabalho, determinando, ainda que isoladamente, qual seria a geometria ótima dos furos, comum à flambagem mecânica e à flambagem térmica.Palavras-chave: Flambagem; Design construtal; Modelagem computacional.
Buckling is an instability phenomenon that can happen in slender structural components when subjected to a compressive axial load. This phenomenon can occur due to an externally applied force, which when exceed a certain limit, called critical load, will promote the mechanical buckling on the structural member. Another buckling possibility happens to statically indeterminate structural elements when submitted to a positive temperature variation. As the axial displacements are restricted, if the temperature gradient is larger than the critical temperature variation, it will be generated a compressive axial load higher than the critical load of the structural component and the thermal buckling will occur. In this context, the present work presents a computational model to solve the thermal buckling problem of columns. A thin shell finite element, called SHELL93, was adopted for the computational domain discretization. It was employed a solution involving homogeneous algebraic equations, where the critical temperature variation is determined by the smallest eigenvalue and the buckled configuration is defined by its associated eigenvector. A case study was performed considering a steel column with three different support conditions at its ends: fixed-fixed, fixed-pinned, and pinned-pinned. The numerical results obtained for the critical temperature variation showed a maximum absolute difference around 2% when compared to the analytical solutions. Moreover, the buckled shape of the column, for each case, was defined in agreement with the configurations found in literature. Therefore, the computational model was verified, i.e., it is able to satisfactorily predict the mechanical behavior of the thermal buckling of columns. So, it is possible to use this numerical model in practical situations that do not have an analytical solution, as is the case of the thermal buckling of columns with cutouts.
Placas finas de aço são elementos estruturais muito utilizados em diversas aplicações de engenharia, como em plataformas offshore, pontes, navios, aviões e automóveis. Porém, em algumas situações específicas as placas podem sofrer flambagem térmica, que é uma deflexão lateral causada simplesmente por um aumento de temperatura (variação crítica de temperatura). Este artigo utilizou um modelo computacional desenvolvido no software ANSYS, que é baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF), para tratar o problema da flambagem térmica em placas. O modelo numérico foi verificado através da comparação de seus resultados com a solução analítica do problema. Foram analisadas placas com diferentes relações de H/L, sendo H a altura e L o comprimento da placa. Além disso, diferentes espessuras para a placa foram também consideradas. Os resultados indicam que o aumento da variação crítica de temperatura está relacionado tanto ao aumento da relação H/L como também com o aumento da espessura da placa. Palavras-chave: Flambagem térmica, placas finas de aço, Método dos Elementos Finitos (MEF).Thin steel plates are structural elements widely used in several engineering applications, as in offshore platforms, bridges, ships, aircrafts and cars. However, in some specific situations the plates can suffer thermal buckling, which is a lateral deflection and bending caused only by a rise in temperature (critical temperature variation). This paper uses a computational model developed in ANSYS software, that is based on the Finite Element Method (FEM), to treat the thermal buckling problem in plates. The numerical model was verified by means of the comparison of its results with the analytical solution of the problem. Plates with different H/L ratios, being H the height and L the length of the plate, were analyzed. Besides, different thickness of the plate were also considered. The results indicated that the increase in the critical thermal variation is related to the increase of the H/L ratio as well as to the increase of the plate thickness.
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