Modelagem computacional e método constructal design aplicados à flambagem elástica de tubos estruturais perfurados

Abstract

Tubos estruturais são componentes empregados como colunas em estruturas metálicas devido à sua boa relação peso/resistência mecânica. Porém, quando submetidos a um carregamento de compressão axial os mesmos podem sofrer um fenômeno de instabilidade elástica conhecido como flambagem. Para uma coluna sem perfurações, existem equações analíticas para a determinação da carga crítica de flambagem. Entretanto, se existirem perfurações, somente análises experimentais ou numéricas podem ser empregadas para obter o valor desta carga crítica. Sendo assim, nesse trabalho, um modelo computacional desenvolvido no software ANSYS, que é baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF), foi usado na determinação da carga crítica de um tubo estrutural perfurado. Além disso, o método Constructal Design foi aplicado para avaliar a influência da inserção de perfurações retangulares e elípticas ao longo do tubo estrutural na carga crítica de flambagem. O objetivo consistiu em determinar a geometria ótima para essas colunas perfuradas submetidas à flambagem elástica, de forma a maximizar a carga crítica suportada. Foi considerado (razão entre o volume removido e ovolume total da coluna) de 0,05; 0,10; 0,15; 0,20 e 0,25, com variações da razão entre asdimensões características das perfurações (H0 / L0 ) . Os resultados indicaram que valores menores de 0 0 / HLconduzem a maiores valores de carga crítica.

Structural tubes are components that are used as columns in metallic structures due its good relation mechanical resistance/weight. However, when they are submitted to an axialcompression loading, they may suffer an elastic instability phenomenon known as buckling. For a column without perfurations openings, there are analytical equations for determining the critical load of buckling. However, if there perfurations openings, only experimental or numerical analysis can be used to get the value of this critical load. Thus, in this study, a computational model developed in the ANSYS software, which is based on the Finite Element Method ( FEM), was used in determining the critical load of a perforated structural tube. Furthermore, the Constructal Design method was applied to evaluate the influence of the insertion of rectangular and elliptical perfurations openings along the structural tube in the critical load of buckling. The goal is to determine the optimal geometry for those perforated columns submitted to elastic buckling , in order to maximize the supported critical load. It was considered (ratio between the removed volume and the total volume of the column) of 0,05; 0,10; 0,15; 0,20 and 0,25, with ratio variations between the holes characteristic dimensions (H0 / L0 ) . The results indicated that smaller values of 0 0 / HL lead to higher critical load.