Análise por elementos finitos de peças de concreto armado e protendido sob estados planos de tensão

Abstract

Este trabalho versa sobre a implementação de um modelo computacional, através do método dos elementos finitos, utilizando a plataforma ANSYS, versão 14.5, para o estudo de estruturas de concreto armado e protendido, sob estados planos de tensão. A justificativa para a realização deste trabalho vem da importância do material concreto armado dentro da engenharia estrutural, o qual é objeto permanente de estudos por comportar-se de maneira extremamente complexa e apresentar resposta altamente não-linear, quando submetido a solicitações. A diferença entre a resistência à tração e à compressão, a não-linearidade da relação tensão-deformação, a fissuração, e os fenômenos relacionados ao tempo como fluência e retração do concreto, além da plastificação do aço e do concreto são as causas desta não-linearidade. O objetivo final deste trabalho é implementar dois procedimentos distintos no modelo computacional, baseados em um modelo elasto-viscoplástico. No primeiro, a resposta da estrutura é dada para um carregamento instantâneo, considerando-se o material com um comportamento elastoplástico. No segundo, a resposta da estrutura é dada ao longo do tempo, considerando, neste caso, que o material possui um comportamento viscoelástico. A representação do concreto fissurado é feita por um modelo de fissuras distribuídas, e as armaduras são introduzidas através de uma formulação incorporada. Para isto, inicialmente estudou-se as relações constitutivas de cada material, concreto e aço, a fim de melhor representá-los no modelo numérico. Para a representação das equações constitutivas, implementou-se um novo modelo de material com a ajuda da ferramenta de customização UPF (User Programmable Features) do ANSYS, onde foram adicionadas novas sub-rotinas ao programa principal em linguagem FORTRAN. A implementação deste novo modelo possibilitou a utilização de elementos bidimensionais quadráticos de 8 nós (PLANE183) com armadura incorporada (REINF263), tornando a solução do problema muito mais rápida e eficaz. Para validar as sub-rotinas acrescentadas ao sistema, foi feita uma comparação dos resultados numéricos com os valores experimentais disponíveis na literatura técnica, a qual apresentou resultados satisfatórios.

This work presents the development of a computational model, based on the finite element method, through the ANSYS platform, version 14.5, for the study of reinforced and prestressed concrete structures, under plane stress states. This work is justified by the importance of reinforced concrete material in the structural engineering, which is subject of ongoing studies due to the very complex behavior when subjected to requests. The difference between the tension and compression strength, the nonlinearity of the stress-strain relation, the cracking, and phenomena related to time as creep and shrinkage of concrete, beyond the plasticity of steel and concrete are the causes of this nonlinearity. The ultimate goal of this work is to implement two different procedures in the computational model, based on an elasto-viscoplastic model. At the first, the response of the structure is given for an instantaneous loading, considering the material with an elastoplastic behavior. At the second, the response of the structure is given over time, considering, in this case, that the material has a viscoelastic behavior. A distributed cracking model makes the representation of the cracked concrete and the reinforcement is introduced through an embedded formulation. Initially, the constitutive relations of each constituent material were studied, in order to best represent them in the numerical model. For the representation of the constitutive equations of concrete and steel, it was implemented a new model of material with the help of the customization tool UPF (User Programmable Features) of ANSYS, where new subroutines were added to the main program in FORTRAN language. The implementation of this new model enabled the use of two-dimensional quadratic elements of 8 nodes (PLANE183) with embedded reinforcement (REINF263), making the solution of the problem faster and more effective. In order to validate the subroutines added to the system, numerical results have been compared to experimental values available on technical literature, which have shown satisfactory results.