Estudo numérico aplicado à melhoria do comportamento mecânico de placas finas de aço com enrijecedores submetidas à flexão

Abstract

Placas finas de aço são elementos estruturais amplamente empregados em engenharia e especialmente em estruturas navais e offshore. Isso se deve ao fato de que estes componentes são capazes de resistir mecanicamente aos esforços que são submetidos possuindo um peso relativamente baixo. O estudo das placas finas de aço sob flexão sempre foi um problema complexo. A quantidade de variáveis que são consideradas na resolução de problemas de engenharia envolvendo placas retangulares excede o número de equações disponíveis para a solução analítica, impossibilitando a obtenção de resultados exatos. Nesse contexto, o presente trabalho analisou numericamente o comportamento mecânico de uma placa fina de aço, quadrada, sob flexão, simplesmente apoiada nos quatro lados, inicialmente sem enrijecedores, sendo seus valores máximos de deslocamento transversal e de tensão de von Mises usados como referência. Na sequência, empregou-se o parâmetro de fração de volume dos enrijecedores (φ), que representa a relação entre o volume de enrijecedores e o volume total do componente estrutural placa/enrijecedores. Então, foi adotado φ = 0,50 e a placa de referência (sem enrijecedores) teve o material referente à metade de sua espessura transformado em enrijecedores, sendo preservadas as medidas de comprimento e largura da placa de referência. Dessa forma, o volume de aço usado na placa sem enrijecedores foi o mesmo utilizado na placa de referência, o que permitiu avaliar a influência do número, disposição e dimensões dos enrijecedores no comportamento mecânico da placa submetida à flexão. Então, tendo como objetivo, minimizar o máximo deslocamento transversal da placa e minimizar a máxima tensão na placa, diferentes configurações de enrijecedores longitudinais e transversais, foram comparadas entre si e com a placa de referência, visando determinar qual configuração geométrica, dentre as avaliadas, conduz ao melhor comportamento mecânico. Para tanto, o grau de liberdade he/te, que relaciona a altura do enrijecedor (he) e sua espessura (te) foi considerado, além disso um modelo computacional baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF), desenvolvido no software ANSYS, foi utilizado. Os resultados obtidos indicaram que é possível melhorar o desempenho mecânico, em até 600% quando a melhor configuração geométrica é comparada com a pior.Thin steel plates are structural elements widely employed in engineering and especially in naval and offshore structures. This is due to these components are capable of mechanically resisting the stress that are submitted having relatively low weight. The study of thin steel plates under bending has always been a complex problem. The number of variables considered in solving engineering problems involving rectangular plates exceeds the number of equations available for the analytical solution, making it impossible to obtain accurate results. In this context, the present work numerically analyzed the mechanical behavior of simply supported square steel plates submitted to bending, initially without stiffeners. Its maximum values of transversal displacement and von Mises stress are used as reference. Then, the stifffeners volume fraction parameter (φ), which represents the ratio between stiffeners volume and the total volume of the structural component plate - stiffeners. To do so, φ = 0,50 (without stiffeners) was adopted. Thus, the length and width dimensions of the reference plate were preserved. The steel volume used in the plate without stiffeners was the same one used in the plates with them. It allowed to evaluate the influence of the number, arrangement and dimensions of the stiffeners on the mechanical behavior of the plate submitted to the bendidng. Therefore, in order to minimize the maximum transverse displacement of the plate and to minimize the maximum plate tension, different configurations of longitudinal and transverse stiffeners were compared among each other and with the reference plate, aiming to establish which geometric configuration, among those evaluated, leads to the best mechanical behavior. The degree of freedom he/te, which relates the height of the stiffener (he) and its thickness (te) was applied, as well as, a computational model based on the Finite Element Method (MEF), developed in ANSYS software, was used. The results indicated that it is possible to improve the mechanical performance, up to 600% when the best geometric configuration is compared to the worst one.