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Tipo de Documento: Dissertação
Título: Análise mecânica de vigas compósitas laminadas quase-3D de alta ordem com funções zig-zag
Autor(es): Rodrigues, Jéssica Simão
Data do documento: 29-Ago-2024
Orientador: Rocha, Fábio Carlos da
Resumo: O uso extensivo de materiais compósitos laminados em diversas aplicações da engenharia tem sido impulsionado pela elevada relação entre rigidez e massa, aliada à facilidade de fabricação. A complexidade da análise de vigas compósitas laminadas, especialmente o fenômeno de zig-zag do deslocamento longitudinal da viga, motiva a necessidade de abordagens mais avançadas. Assim, para melhor descrever o comportamento mecânico de vigas compósitas laminadas, o presente trabalho propõe três modelos que visam superar as limitações das teorias clássicas de vigas O primeiro modelo utiliza funções zig-zag, que incorporam o efeito gerado pela diferença de rigidez entre as camadas, em conjunto com teorias de deformação por cisalhamento de alta ordem, incorporando o efeito quase-3D para considerar as características tridimensionais em uma análise simplificada. Essa abordagem visa evitar o uso de fatores de correção de cisalhamento e contornar o problema da descontinuidade da distribuição da tensão cisalhante na seção transversal, por meio do uso das equações de equilíbrio. O segundo modelo acrescenta uma abordagem de continuidade para a tensão de cisalhamento, obtido diretamente pela relação constitutiva. O terceiro modelo, por sua vez, utiliza uma teoria refinada zig-zag de ordem superior, e impõe a continuidade de tensões nas interfaces das camadas. Para todos os modelos são obtidas as equações diferenciais de domínio e as condições de contorno variacionalmente consistentes, por meio da imposição da nulidade da primeira variação do funcional de energia total. As soluções para as formulações fortes foram construídas pelo método de Navier e adicionalmente, para os modelos primeiro e terceiro, pelo método de Ritz-Lobatto, com o objetivo de analisar o comportamento mecânico de vigas laminadas com diferentes condições de contorno. Por fim, os resultados dos campos de deslocamentos, tensões normal e cisalhante obtidos pelos três modelos são comparados com resultados analíticos da teoria da elasticidade. Os resultados mostraram que o primeiro modelo, quando utiliza a função zig-zag hiperbólica-exponencial, fornece resultados precisos para todos os campos de resposta, quando as tensões normal transversal e de cisalhamento são calculadas pela equação de equilíbrio. O segundo modelo apresenta continuidade da tensão de cisalhamento quando calculada pela relação constitutiva, no entanto com comportamento discrepante ao de referência. O terceiro modelo proporciona uma descrição precisa dos deslocamentos e tensões calculados pelas relações constitutivas, apresentando concordância com os dados disponíveis na literatura.
Abstract: The extensive use of laminated composite materials in various engineering applications has been driven by their high stiffness-to-weight ratio, combined with ease of fabrication. The complexity of analyzing laminated composite beams, especially the zig-zag phenomenon of the beam’s longitudinal displacement, motivates the need for more advanced approaches. Thus, to better describe the mechanical behavior of laminated composite beams, this work proposes three models aimed at overcoming the limitations of classical beam theories. The first model uses zig-zag functions, which incorporate the effect generated by the difference in stiffness between layers, combined with high-order shear deformation theories, incorporating the quasi3D effect to account for three-dimensional characteristics in a simplified analysis. This approach aims to avoid the use of shear correction factors and address the discontinuity problem of the shear stress distribution in the cross-section by using equilibrium equations. The second model adds a continuity approach for shear stress, obtained directly from the constitutive relation. The third model, in turn, uses a refined higher-order zig-zag theory, imposing continuity of stresses at the layer interfaces. For all models, domain differential equations and variationally consistent boundary conditions are obtained by imposing the nullity of the first variation of the total energy functional. The solutions for the strong formulations were constructed using the Navier method, and additionally, for the first and third models, using the Ritz-Lobatto method, with the goal of analyzing the mechanical behavior of laminated beams under different boundary conditions. Finally, the results of displacement, normal, and shear stress fields obtained by the three models are compared with analytical results from elasticity theory. The results showed that the first model, when using the hyperbolic-exponential zig-zag function, provides accurate results for all response fields when transverse normal and shear stresses are calculated by the equilibrium equation. The second model presents shear stress continuity when calculated by the constitutive relation; however, it exhibits a behavior that diverges from the reference. The third model offers an accurate description of displacements and stresses calculated through constitutive relations, showing agreement with data available in the literature.
Palavras-chave: Engenharia civil
Funções (Matemática)
Vigas compósitas
Teoria zig-zag
Teorias de alta ordem
Teoria quase-3D
Composite beams
Zig-zag theory
High-order theories
Quasi-3D theory
área CNPQ: ENGENHARIAS::ENGENHARIA CIVIL
Agência de fomento: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES
Idioma: por
Sigla da Instituição: Universidade Federal de Sergipe (UFS)
Programa de Pós-graduação: Pós-Graduação em Engenharia Civil
Citação: RODRIGUES, Jéssica Simão. Análise mecânica de vigas compósitas laminadas quase-3D de alta ordem com funções zig-zag. 2024. 119 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2024.
URI: https://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/20957
Aparece nas coleções:Mestrado em Engenharia Civil

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