STÉFANO CHARLES MARTINS DA SILVA MÉTODOS NUMÉRICOS PARA RESOLUÇÃO DE ESTRUTURAS ESTADO DA ARTE E APLICAÇÕES

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS AMBIENTAIS E TECNOLÓGICAS CURSO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA STÉFANO CHARLES MARTINS DA SILVA MÉTODOS NUMÉRICOS PARA RESOLUÇÃO DE ESTRUTURAS ESTADO DA ARTE E APLICAÇÕES MOSSORÓ-RN 2011

2 STÉFANO CHARLES MARTINS DA SILVA MÉTODOS NUMÉRICOS PARA RESOLUÇÃO DE ESTRUTURAS ESTADO DA ARTE E APLICAÇÕES Monografia apresentada à Universidade Federal Rural do Semi-Árido UFERSA, Departamento de Ciências Ambientais e Tecnológicas para a obtenção do título de Bacharel em Ciência e Tecnologia. Orientador: Prof. M. Sc. Raimundo Gomes de Amorim Neto UFERSA MOSSORÓ-RN 2011

3 Ficha catalográfica preparada pelo setor de classificação e catalogação da Biblioteca Orlando Teixeira da UFERSA S586m Silva, Stéfano Charles Martins da. Métodos numéricos para resolução de estruturas-estado da arte e aplicações/ Stéfano Charles Martins da Silva. -- Mossoró, f. il. Monografia (Graduação em Ciência e Tecnologia) Universidade Federal Rural do Semi-Árido. Orientador: Prof.M.Sc. Raimundo Gomes de Amorim Neto. 1.Métodos numéricos - Funcionamento. 2.Método dos elementos finitos. 3.Método dos elementos de contorno finitos. I.Título. Bibliotecária: Marilene S. de Araújo CRB/ CDD: 511.8

4 STÉFANO CHARLES MARTINS DA SILVA MÉTODOS NUMÉRICOS PARA RESOLUÇÃO DE ESTRUTURAS ESTADO DA ARTE E APLICAÇÕES Monografia apresentada à Universidade Federal Rural do Semi-Árido UFERSA, Departamento de Ciências Ambientais e Tecnológicas para a obtenção do título de Bacharel em Ciência e Tecnologia. DATA DA APROVAÇÃO: 04/07/2011 BANCA EXAMINADORA Prof. M. Sc. Raimundo Gomes de Amorim Neto UFERSA Presidente Prof. D. Sc. Halane Maria Braga Fernandes Brito UFERSA Primeiro Membro Prof. M. Sc. Rodrigo Nogueira Codes UFERSA Segundo Membro

5 DEDICATÓRIA Com todo meu amor e carinho, aos meus pais Célio e Rita, e a meu irmão Stênio, os quais sempre se mostraram presentes na minha caminhada até aqui.

6 AGRADECIMENTOS Primeiramente a Deus, por estar sempre presente em minha vida, por me abençoar a cada dia com saúde e capacidade suficientes para desenvolver este trabalho. Aos meus pais Mário Célio e Maria Rita, que são a base do que sou hoje, agradeço a eles pelo apoio emocional, moral e financeiro durante esses anos. A meu irmão Stênio Matheus, por sempre me tomar como exemplo. A minha namorada Vanessa Ravena, que mesmo distante nunca deixou de estar presente, mim apoiando e incentivando na realização deste trabalho. A todos os amigos do Bacharelado pela convivência agradável e enriquecedora. Em especial ao prof. Raimundo Amorim, por sua orientação realmente participativa, com o qual tive o prazer de conviver e aprender durante esse tempo, e cuja seriedade e dedicação procuro imitar.

7 As dificuldades ensinam e fortalecem; As facilidades iludem e enfraquecem. (Arnon de Mello)

8 RESUMO Muitos problemas na engenharia são caracterizados matematicamente por equações diferenciais. A dificuldade com estas equações diferenciais é que elas não podem ser resolvidas analiticamente, exceto para um conjunto restrito de casos. Assim, grande parte destes problemas só é satisfatoriamente resolvida pela aplicação dos métodos numéricos de análise. Tais métodos utilizam modelos discretos em substituição a os modelos contínuos dos métodos analíticos. Com a constante evolução dos computadores, a aplicação dos métodos numéricos na engenharia estrutural vem crescendo rapidamente. Há alguns anos atrás quando não se dispunha desta ferramenta, a análise estrutural era feita de forma bastante simplificada. Hoje, com equipamentos computacionais disponíveis, pode-se lançar mão de modelos melhores que permitem a consideração da interação entre os diversos elementos estruturais. Isto sem duvida vem fornecer cálculos mais precisos, que melhor traduzem o comportamento da estrutura. Por isto, conhecimento sobre os métodos numéricos aplicados a engenharia é de suma importância para nos estudantes, professores e profissionais que lidam com programas computacionais que utilizam os métodos. Partindo disso, foram estudados os métodos de maior importância, consequentemente os mais conhecidos dentro da engenharia em geral, são eles: o método dos elementos finitos, método dos elementos de contorno e método das diferenças finitas. Diante disso buscou-se esclarecer o funcionamento de cada método, suas vantagens e desvantagens, onde podemos aplicá-los, e por fim, mostrar a resolução de alguns problemas utilizando os mesmos. Palavras-chave: Métodos numéricos Funcionamento. Método dos elementos finitos. Método dos elementos de contorno.

9 ABSTRACT Many engineering problems are characterized mathematically by differential equations. The difficulty with these equations is that they cannot be solved analytically, except for a restricted set of cases. Thus, most of these problems are solved by the application of numerical methods of analysis. Such methods use discrete models to replace the continuous models of analytical methods. With the constant evolution of computers, the application of numerical methods in structural engineering is growing rapidly. A few years ago when this tool was not available, structural analysis was made of very simple way. Today, with computer equipment available, one can resort to models that allow better consideration of the interaction between structural elements. This is no doubt provide more accurate calculations, that best reflect the behavior of the structure. Therefore, knowledge of numerical methods applied to engineering is very important for the students, teachers and professionals who deal with computer programs that use the methods. On this basis it was studied the methods of the utmost importance, therefore the best known in engineering in general, they are the finite element method, boundary element method and finite difference method. Given this we sought to clarify the operation of each method, its advantages and disadvantages, which we can apply them, and finally, show the resolution of some problems using them. Keywords: Numerical methods Working. Finite element method. Boundary element method.

10 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Viga engastada 2D Discretização pelo MDF Figura 2 Rede de elementos finitos Figura 3 Viga engastada 1D Figura 4 Viga engastada 1D Discretização pelo MEF Figura 5 Viga engastada 2D Figura 6 Viga engastada 2D Discretização pelo MEF Figura 7 Viga engastada 3D Figura 8 Viga engastada 3D Discretização pelo MEF Figura 9 Discretização do problema pelo MEC Figura 10 Viga engastada 1D Discretização pelo MEC Figura 11 Viga engastada 2D Discretização pelo MEC Figura 12 Viga engastada 3D Discretização pelo MEC Figura 13 Métodos numéricos aplicados a problemas de engenharia Figura 14 Sólido com múltiplas fissuras Figura 15 Chapa com fenda Geometria e carregamento Figura 16 Chapa com fenda Considerando as condições de Simetria Figura 17 Chapa com fenda Rede de elementos finitos adotada Figura 18 Chapa com fenda Tensão σ x para a rede de elementos finitos Figura 19 Chapa com fenda Tensão σ y para a rede de elementos finitos

11 Figura 20 Chapa com fenda Tensão de cisalhamento τ xy para a rede de elememtos finitos Figura 21 Viga engastada Figura 22 Viga engastada - Diagrama de deformação Figura 23 Viga engastada - Tensão σ x para a rede de elementos de contorno Figura 24 Viga engastada - Tensão σ y para a rede de elementos de contorno Figura 25 Viga engastada - Tensão de cisalhamento τ xy para a rede de elememtos de contorno... 36

12 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO OBJETIVOS GERAL ESPECÍFICOS MATERIAL E MÉTODOS REVISÃO DE LITERATURA MÉTODO DAS DIFERENÇAS FINITAS Definição Histórico de alguns trabalhos sobre o MDF Vantagens e desvantagens do MDF Aplicações MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS Definição Histórico de alguns trabalhos sobre o MEF Vantagens e desvantagens do MEF Aplicações MÉTODO DOS ELEMENTOS DE CONTORNO Definição Histórico de alguns trabalhos sobre o MEC Vantagens e desvantagens do MEC Aplicações OUTROS MÉTODOS UTILIZADOS NA ENGENHARIA DE ESTRUTURAS Método da partição Método dos elementos compostos Métodos sem malha EXEMPLOS DE APLICAÇÃO Exemplo utilizando o MEF Exemplo utilizando o MEC CONCLUSÕES REFERÊNCIAS... 38

13 11 1 INTRODUÇÃO A análise de estruturas, com emprego dos métodos numéricos, em computadores, tornou-se, hoje em dia, um procedimento absolutamente comum e instrumento até indispensável para qualquer especialista na área de engenharia de estruturas. Um dos grandes desafios do engenheiro estrutural é a concepção de um modelo matemático capaz de prever com relativa precisão o comportamento real da estrutura. Em geral, tal modelo é regido por equações matemáticas que representam três condições básicas: de equilíbrio, de compatibilidade e constitutiva. Essas equações têm por incógnitas componentes de três campos importantes para a análise da estrutura: os campos de deslocamento, de tensão e de deformação. As equações matemáticas devem ainda atender a certas restrições dadas pelas condições de contorno da estrutura. Por esse motivo, problemas desse tipo são denominados problema de valor de contorno (PVC). Apesar das hipóteses simplificadoras, a solução analítica do PVC é restrita a poucos problemas estruturais. Diante desse entrave, a busca de soluções aproximativas se justifica plenamente. Os métodos numéricos fornecem a solução aproximada do problema em pontos da estrutura que constituem sua discretização (AMORIM NETO, 2008). Historicamente e segundo uma sequência cronológica, pode-se afirmar que os principais métodos desenvolvidos e utilizados na resolução de problemas estruturais foram: o método das diferenças finitas (MDF), o método dos elementos finitos (MEF) e por último o método dos elementos de contorno (MEC). O método dos elementos finitos, segundo Assan (2003), prevê a divisão do domínio de integração, contínuo, em um número finito de pequenas regiões denominadas elementos finitos, tornando o meio contínuo em discreto. A essa divisão do domínio dá-se o nome de rede de elementos finitos. O método das diferenças finitas, segundo Proença (1981), constitui de um modo geral uma alternativa sugestiva e de grande eficiência no tratamento numérico de equações diferenciais. Tal tratamento consiste, basicamente, na determinação de valores da função desconhecida em certo número de pontos contidos no domínio de integração. No método dos elementos de contorno, segundo Freitas (2008), a solução dos problemas físicos será calculada em pontos discretos, nós, agora definidos apenas sobre o contorno. Essa característica do método leva sempre a uma redução das dimensões dos

14 12 problemas analisados, o que significa menor quantidade de dados de entrada, diminuição do tempo de processamento e menor área auxiliar para armazenamento das informações necessárias no processamento. O MDF é pouco utilizado hoje em dia. Os elementos finitos e os elementos de contorno tornaram-se ao longo das últimas décadas as principais entre as ferramentas de análise estrutural, em virtude de sua simplicidade, eficiência e boa precisão. Atualmente não é de interesse dos estudantes de engenharia conhecer o funcionamento dos métodos, como foram criados e suas vantagens e desvantagens. A grande justificativa da escolha do tema é incentivar estudantes, professores e profissionais da área a conhecer os métodos, como um programa deu aquela resposta tão desejada e despertar o interesse para futuros estudos sobre os métodos numéricos.

15 13 2 OBJETIVOS 2.1 GERAL Por meio de uma pesquisa bibliográfica de forma descritiva o trabalho tem o intuito de conhecer e apresentar para a comunidade acadêmica a importância dos métodos numéricos na engenharia de estruturas, os tipos de métodos, vantagens e desvantagens. 2.2 ESPECÍFICOS Esclarecer o funcionamento do método dos elementos finitos, do método dos elementos de contorno e do método das diferenças finitas; Mostrar alguns problemas aos quais os mesmos, estes métodos, podem ser aplicados; Apresentar outros métodos numéricos utilizados na engenharia de estruturas.

16 14 3 MATERIAL E MÉTODOS O presente trabalho consiste de uma pesquisa bibliográfica em teses, dissertações e livros, de modo a descrever o estado da arte dos métodos numéricos aplicados em problemas estruturais, focando essencialmente nos métodos clássicos MDF, MEF e MEC. Apontando suas vantagens e desvantagens, visando aplicar alguns dos seus conceitos em problemas simples, de modos a usar os métodos para resolução estrutural.

17 15 4 REVISÃO DE LITERATURA 4.1 MÉTODO DAS DIFERENÇAS FINITAS Definição O método das diferenças finitas (MDF) constitui de um modo geral, uma alternativa sugestiva e de grande eficiência no tratamento numérico de equações diferenciais (PROENÇA, 1981). Tal tratamento consiste, basicamente, em substituir uma função, conhecida apenas em pontos isolados, por um polinômio (de interpolação) de grau n, a fim de substituir as derivadas da função pelas derivadas do polinômio. A literatura clássica, em geral, aborda o assunto segundo a formulação lagrangeana e, além disso, mediante a utilização de rede de malhas regulares, que corresponde, naturalmente, a uma configuração com pontos igualmente espaçados. A Figura 1 ilustra como funciona a discretização desse método. Figura 1 Viga engastada 2D Discretização pelo MDF Fonte: Autoria própria

18 Histórico de alguns trabalhos sobre o MDF O MDF é um método numérico pouco utilizado, pois com o avanço da tecnologia dos computadores, o MDF saiu de cena dando lugar ao MEF e ao MEC, que são métodos bem mais recentes e com melhor precisão de resultados. Devido a esse motivo, são poucos os trabalhos que envolvem as diferenças finitas, alguns deles são: Proença em 1981 realizou um trabalho que tem como objetivo primordial mostrar a viabilidade e eficiência do emprego do MDF, mediante malhas arbitrárias, na integração numérica das equações diferenciais resultantes da aplicação da técnica do meio continuo no estudo de estruturas de edifícios altos. Debs em 1976 realizou um trabalho no qual apresenta uma contribuição ao cálculo das cascas de revolução, sujeitas a carregamento de revolução em regime de flexão, mediante diferenças finitas. Procura-se, também, fornecer alguns subsídios para o projeto e cálculo dessas estruturas, focalizando um tipo de reservatório elevado. Marques em 1983 estudou em seu trabalho, através da técnica do meio contínuo, o comportamento estrutural do sistema tubular, quando solicitado por um carregamento de momento torçor, proveniente da ação do vento. Além da estrutura tubular básica, foram também analisadas algumas variações desta, tais como a inclusão de núcleos estruturais e painéis paredes. Os casos aqui abordados recaem em sistemas de equações diferenciais não homogêneas de terceira ordem. E a solução escolhida foi por meio do uso de diferenças finitas Vantagens e desvantagens do MDF O MDF é o mais simples entre os três métodos e relativamente fácil de programar. Sua principal desvantagem, em problemas práticos, é que ele não é apropriado para geometrias irregulares, e em problemas cujas incógnitas variam rapidamente, como problemas de concentração de tensões.

19 Aplicações Por ser um método antigo e difícil de encontrar trabalhos que o aborde, o MDF tem sua formulação pouco utilizada para resolução dos problemas de engenharia da atualidade. Entretanto alguns anos atrás ele era bastante aplicado em problemas que envolviam a ação dos ventos em edifícios altos, descrevendo o comportamento da estrutura, era também aplicado à teoria de flexão. 4.2 MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS Definição Os métodos numéricos fornecem a solução aproximada do problema em pontos da estrutura que constituem sua discretização. Dentre estes métodos existentes na literatura, o método dos elementos finitos (MEF) é o mais utilizado dado sua simplicidade e capacidade de proporcionar soluções próximas da solução analítica. Surgiu como uma nova possibilidade para resolver problemas da teoria da elasticidade, superando as dificuldades e problemas inerentes de outros métodos como, por exemplo, o MDF. O MEF, comumente utilizado, prevê a divisão do domínio de integração, contínuo, em um número finito de pequenas regiões denominadas elementos finitos, tornando o meio contínuo em discreto, (ASSAN, 2003), como mostra o elemento hachurado da Figura 2.

20 18 Figura 2 Rede de elementos finitos Fonte: ASSAN (2003) A cada divisão do domínio, dá-se o nome de rede de elementos finitos. A malha desse reticulado pode ser diminuída ou aumentada variando o tamanho dos elementos finitos. Os pontos de interseção das linhas dessa rede são chamados de nós. Para esclarecer o funciona do MEF é usada uma viga engastada, e é representada sua discretização para os casos de uma dimensão, duas dimensões e três dimensões. Para o caso 1D, onde a viga é representada simplesmente por uma reta, Figura 3, seus pontos de discretização estarão sobre a mesma e os elementos finitos serão barras separadas pelos nós, como mostra a Figura 4. Figura 3 Viga engastada 1D Fonte: Autoria própria

21 19 Figura 4 Viga engastada 1D Discretização pelo MEF Fonte: Autoria própria Para o caso 2D, onde a viga é representada em forma retangular, Figura 5, seus pontos de discretização estarão sobre as arestas do retângulo, os elementos finitos terão a mesma dimensão da viga e são formados por barras ligadas pelos nós, formando pequenos triângulos ou retângulos, como mostra a Figura 6. Figura 5 Viga engastada 2D Fonte: Autoria própria Figura 6 Viga engastada 2D Discretização pelo MEF Fonte: Autoria própria

22 20 Para o caso 3D, onde a viga é representada em forma prismática, Figura 7, seus pontos de discretização estarão sobre as arestas e no interior do prisma, os elementos finitos terão a mesma dimensão da viga e são formados por barras ligadas pelos nós, formando pequenos cubos ou tetraedros, como mostra a Figura 8. Figura 7 Viga engastada 3D Fonte: Autoria própria Figura 8 Viga engastada 3D Discretização pelo MEF Fonte: Autoria própria Histórico de alguns trabalhos sobre o MEF O MEF, segundo Assan (2003), teve sua formulação estabelecida da forma como hoje é conhecida com a publicação do trabalho de Turner, Clough, Martin e Topp, em Embora sua formulação já fosse conhecida desde o início dos anos 50, o MEF passou a ser

23 21 difundido e aplicado nas diversas áreas além da engenharia estrutural com a rápida evolução e expansão dos computadores. Hoje, muitos trabalhos já foram elaborados buscando esclarecer e resolver vários tipos de problemas relacionados à engenharia, principalmente a engenharia de estruturas. A seguir são apresentados alguns trabalhos, fazendo assim um breve histórico sobre o MEF. Oliveira (2004) utilizou o MEF para encontrar uma solução computacional para seu trabalho que tinha como objetivo estudar o comportamento e apresentar a modelagem de materiais sujeitos à deformação lenta ou creep. Desenvolveu-se uma formulação para a solução de problemas bidimensionais no estágio secundário, também denominado creep estacionário. O trabalho de Góis (2004) trata da combinação entre a formulação Híbrida-Mista de Tensão (FHMT), para a elasticidade plana, com o Método dos Elementos Finitos Generalizados (MEFG). O MEFG se caracteriza como uma forma não convencional do MEF que resulta da incorporação a este, de conceitos e técnicas dos métodos sem malha. Ainda no trabalho de Góis, o MEF é entendido como uma técnica sistemática de geração de funções interpoladoras que podem ser utilizadas nas diferentes formas, nas quais o PVC é expresso, com o objetivo de gerar uma solução aproximada. Sabe-se que o MEF em sua forma convencional é uma ferramenta poderosa no cálculo estrutural moderno. Porém, se o problema apresenta singularidades, como os efeitos de borda tipicamente introduzidos pelos vínculos nas estruturas em casca, a análise pode exigir alto refinamento da malha. Procurando resolver mais eficientemente esse tipo de problema, especificamente em estruturas com simetria de revolução como os tubos cilíndricos e as cascas esféricas, Nirschl (2005) apresentou em seu trabalho, alternativas não convencionais para o emprego do MEF. O trabalho de Argôlo (2010) trata da utilização de formulações não convencionais de elementos finitos na obtenção de fatores de intensidade de tensão associados a múltiplas fissuras distribuídas num domínio bidimensional. O uso do MEF em sua forma convencional pode requerer um refinamento excessivo da rede nesse tipo de problema, aumentando o custo computacional da análise.

24 Vantagens e desvantagens do MEF O MEF tem sido amplamente utilizado em todos os problemas físicos que são governados por equações diferenciais. Diversas vantagens apresentadas na utilização deste método têm contribuído com o aumento da sua utilização. Segundo Góis (2004), algumas das principais vantagens são: As propriedades dos materiais não precisam ser necessariamente as mesmas em elementos adjacentes, o que possibilita a utilização de corpos compostos por diversos materiais. Fronteiras irregulares podem ser aproximadas usando elementos com lados estreitos ou representadas com exatidão utilizando elementos com fronteiras curvas. O tamanho dos elementos pode ser variado. Esta propriedade permite que os elementos tenham tamanhos adaptados ao gradiente da função objetivo. O MEF tem se destacado como sendo uma ferramenta de uso geral, eficaz e de alto desempenho. Apesar disso, segundo Argôlo (2010), o MEF pode apresentar alguns percalços: Sensibilidade à distorção dos elementos; O emprego de funções polinomiais para a construção da aproximação da solução exige um grande refinamento da rede em problemas que contenham singularidades, elevando o custo computacional; Perda de precisão nos níveis superiores de derivadas da aproximação como, por exemplo, ao determinar os campos de deformações e de tensões devidos à derivação da solução em deslocamento. A principal desvantagem da utilização do MEF é relacionada à necessidade de programas de computador. Além da necessidade de um computador, o método necessita de uma grande quantidade de memória para a solução de grandes problemas complicados. Na verdade essa desvantagem foi motivo de preocupação durante algumas décadas, porém na atualidade, com o avanço da tecnologia e a redução de preço dos equipamentos, consideram-se neste grupo os computadores, tal desvantagem quase que desaparece. Atualmente, a centenas de programas computacionais comerciais de uso corrente em diversas áreas do conhecimento que utilizam esse método para análise linear e não linear. O

25 23 MEF esta hoje completamente agregado às atividades do engenheiro, de modo que seu aprendizado é essencial para que se possa lidar com lucidez com os programas comerciais disponíveis em quase todos os escritórios de projetos Aplicações Atualmente o MEF encontra aplicação em praticamente todas as áreas de engenharia, como na análise de tensões e deformações, transferência de calor, mecânica dos fluidos e reologia, eletromagnetismo, etc, inclusive recebendo designações específicas como na mecânica dos fluidos computacionais (CFD) e no eletromagnetismo computacional (CEM). O MEF pode ser combinado com programas de CAD facilitando a modelação dos Sólidos e a Geração de Malhas. 4.3 MÉTODO DOS ELEMENTOS DE CONTORNO Definição O método dos elementos de contorno (MEC) constitui uma alternativa importante no conjunto das técnicas numéricas mais utilizadas, como o MEF ou o MDF. O MEC, segundo Fudoli (1999), consiste numa ferramenta numérica para a resolução das equações integrais que governam o problema, fazendo-se aproximações da geometria do contorno (discretização) do domínio em elementos e dos valores de contorno. A aproximação da geometria é mostrada na Figura 9.

26 24 Figura 9 Discretização do problema pelo MEC. Fonte: FUDOLI (1999) Isso reduz de uma unidade as dimensões de problemas lineares analisados, o que leva a menores quantidades de dados de entrada e, consequentemente, menor sistema de equações algébricas. Para esclarecer o funciona do MEC, usa-se, como no método dos elementos finitos, uma viga engastada e é representada sua discretização para as três dimensões. Para o caso 1D, onde a viga é representada simplesmente por uma reta, como mostrado na Figura 3, seus pontos de discretização estarão sobre a mesma, a diferença para o MEF é que só terá dois nós como mostra a Figura 10, formando assim uma única barra, ou seja um só elemento finito. Figura 10 Viga engastada 1D Discretização pelo MEC Fonte: Autoria própria Para o caso 2D, onde a viga é representada em forma retangular, como mostrado na Figura 5, seus pontos de discretização estarão sobre as arestas do retângulo, e os elementos finitos terão uma dimensão menor que a viga, ou seja, os elementos finitos terão uma única dimensão e são formados por barras ligadas pelos nós, percorrendo o contorno da vaga, como mostra a Figura 11.

27 25 Figura 11 Viga engastada 2D Discretização pelo MEC Fonte: Autoria própria Para o caso 3D, onde a viga é representada em forma prismática, como mostrado na Figura 7, seus pontos de discretização estarão sobre as arestas do cubo, os elementos finitos terão dimensão 2D, ou seja, menor que da viga e são formados por barras ligadas pelos nós, formando pequenos planos no contorno da viga, como mostra a Figura 12. Figura 12 Viga engastada 3D Discretização pelo MEC Fonte: Autoria própria Em relação a outros métodos numéricos, o MEC apresenta menor necessidade de entrada de dados (entrada somente das coordenadas inicial e final dos nós dos elementos) e melhor aproximação dos problemas quando definidos por regiões infinitas e problemas de concentração de tensões (mecânica da fratura), (VICENTINI, 2006). A Figura 13 mostra a principal diferença na discretização dos três métodos.

28 26 Figura 13 Métodos numéricos aplicados a problemas de engenharia Fonte: BACARJI (2001) Histórico de alguns trabalhos sobre o MEC Segundo Fudoli (1999) o método dos elementos de contorno teve seu início com Betti em 1872 nos estudos de problemas utilizando equações integrais, aplicadas à teoria da elasticidade. Com o avanço dos computadores vários pesquisadores realizaram trabalhos envolvendo o método dos elementos de contorno. A seguir são citados alguns trabalhos e seus objetivos. Barcarji (2001) utiliza em seu trabalho uma formulação do MEC para a análise de pavimentos de edifícios, dando-se particular ênfase à análise de lajes cogumelo feita com a incorporação da não linearidade física. Nesta formulação são consideradas as tensões normais e cisalhantes possibilitando, assim, a determinação da resistência última da estrutura. Fudoli (1999) teve como objetivo básico em seu trabalho estender a formulação elastoplástica do MEC, de modo a incorporar a análise de corpos sujeitos ao fenômeno da localização de deformações. É utilizado um modelo de plasticidade com gradiente a fim de se evitarem as dificuldades associadas ao contínuo local.

29 27 No contexto do método dos elementos de contorno, Vicentini (2006) comparou três formulações em distintos aspectos. Visando a análise de sólidos bidimensionais no campo da mecânica da fratura, primeiramente é estudada a equação singular ou em deslocamentos. Em seguida, a formulação hiper-singular ou em forças de superfície é avaliada. Por último, a formulação dual, que emprega ambas equações, é analisada. Freitas (2008) desenvolveu em seu trabalho um programa capaz de analisar as variáveis envolvidas na construção de túneis profundos através de um modelo numérico bidimensional baseado no MEC, implementando técnicas numéricas tais como: subelementação, técnica da sub-região e modelagem de inclusão e enrijecedores. O modelo numérico bidimensional foi calibrado para considerar o efeito tridimensional do problema de túneis no que se refere ao avanço da frente de escavação, para dois casos a saber: i) túneis sem suporte e ii) túneis com suporte. Os resultados mostraram grande precisão quando comparados com os resultados analíticos mesmo utilizando um número pequeno de elementos, provocando uma redução significativa no tempo de processamento se comparado com outros métodos. Senna (2003) descreve uma formulação em 2D no domínio do tempo, que emprega a solução fundamental correspondente a uma função constante no tempo. O procedimento numérico emprega uma discretização por elementos lineares no contorno e células triangulares no domínio (quando necessário). O potencial e sua derivada normal possuem variação linear no tempo e no espaço e, como é usual em formulações do MEC dependentes do tempo, a integração no tempo é realizada analiticamente Vantagens e desvantagens do MEC O MEC, ferramenta numérica alternativa ao MEF, é bastante eficiente em problemas que apresentam concentrações de tensões (VICENTINI, 2006). Especialmente no caso da fratura, o emprego de soluções singulares como ponderadora consegue simular a presença de singularidades na ponta da fissura com maior precisão. Segundo Freitas (2008) algumas vantagens do MEC em relação a outros métodos são: Menos dados: No MEC, menos dados são necessários para executar um programa de forma eficiente.

30 28 Menor tempo: No MEC, menos tempo será necessário para a solução de um problema devido a um pequeno sistema de equação. Não é caro: Desde que a discretização é apenas na superfície. Assim a quantidade de dados é pequena. É por isso que tal técnica não é cara. O MEC possui duas vantagens principais em relação ao MEF e ao MDF (FUDOLI, 1999). Uma delas é a da possibilidade de redução de uma unidade na dimensionalidade do problema, como já foi explicado anteriormente. No entanto, essa redução de uma forma completa nem sempre é simples, sendo em muitos casos problemática para certos problemas ou termos das equações governantes. A segunda vantagem parece ser mais importante e inequívoca: as equações integrais que servem de base para o método dos elementos de contorno partem de uma representação exata das quantidades físicas do problema ao contrário do que ocorre com os elementos finitos ou diferenças finitas. É verdade porém que essa vantagem não é obtida gratuitamente, e um preço deve ser pago no tratamento das singularidades das equações integrais básicas dos elementos de contorno. Essas singularidades nas equações integrais certamente constituíramse num dos principais obstáculos ao desenvolvimento do método dos elementos de contorno no mesmo passo que o alcançado pelos elementos finitos. Mas são justamente essas dificuldades que se encontram imbricadas às possibilidades de se obterem soluções aproximadas relativamente melhores. São poucas as desvantagens encontradas nesse método, uma delas é a exigência do cálculo de integrais singulares, outra é que comercialmente é menos utilizado e sua aplicação prática é relativamente recente, não é tão conhecido como o MEF pelos usuários Aplicações Uma das principais características do MEC é sua diversidade em aplicações, cobrindo muitas áreas da Física e da Engenharia, como por exemplo em mecânica estrutural, mecânica das fraturas, plasticidade, viscoplasticidade, geomecânica, entre outras áreas. O MEC tem aplicação destacada na análise de problemas da elastodinâmica. Suas características permitem analisar problemas da elastodinâmica no espaço tridimensional

31 (infinito ou semi-infinito) com consideráveis avanços em comparação a outros métodos numéricos OUTROS MÉTODOS UTILIZADOS NA ENGENHARIA DE ESTRUTURAS Método da partição O Método da Partição, segundo Alves (2010), foi introduzido para a análise de múltiplas fissuras em problemas de engenharia, como sendo um método de resposta confiável e precisa, além de baixo custo computacional no confronto com métodos similares. A motivação para este tipo de análise são os acidentes em aeronaves associados a rupturas de carenagens decorrentes da interação entre múltiplas fissuras que se localizam, em especial, nas regiões de rebites. O problema básico do Método da Partição está representado na Figura 14 e consiste num sólido contendo certo número de vazios e fissuras (uma por vazio, mas poderia ser mais) submetido a tensão σ aplicadas na superfície S de contorno. Na Figura 14, Si, Sci e ai referemse, respectivamente, às superfícies do contorno do vazio, a fissura i e ao comprimento da fissura i. Figura 14 Sólido com múltiplas fissuras Fonte: ALVES (2010)

32 Método dos elementos compostos O método dos Elementos Compostos (MC), segundo Hoefel (2002), é uma variação do MEF para análise de vibrações em estruturas. Este método combina o MEF convencional com a Teoria Clássica. Resultados numéricos obtidos em trabalhos realizados por pesquisadores foram comparados ao MEF, onde de concluiu que o MC é mais preciso que o MEF com o mesmo número de graus de liberdade Métodos sem malha Métodos numéricos para a solução de problemas de valor de contorno, PVC, cujas equações básicas de governo do modelo discreto independem, ou quase, da definição de uma malha de elementos finitos (BARROS, 2002). Em resumo, a solução aproximada do problema, em um espaço de dimensão finita, é construída sem que a conectividade entre os pontos nodais desta aproximação seja pré-estabelecida.

33 EXEMPLOS DE APLICAÇÃO Exemplo utilizando o MEF Este exemplo, apresentado por Amorim Neto (2008) e também por Góis (2004), consiste em uma chapa carregada nas faces laterais, e que possui uma fenda na sua região interna conforme mostra a Figura 15. Figura 15 Chapa com fenda Geometria e carregamento. Fonte: AMORIM (2008) Como se pode observar é possível explorar os dois eixos de simetria que existem no seu plano, de modo a diminuir a discretização para o problema. Depois de impostas as condições de simetria o exemplo se mostra conforme a Figura 16.

34 32 Figura 16 Chapa com fenda Considerando as condições de Simetria. Fonte: AMORIM (2008) Figura 17 Chapa com fenda Rede de elementos finitos adotada. Fonte: AMORIM (2008) Com a presença da fenda, espera-se que haja uma forte concentração de tensões na ponta da mesma. A rede de elementos finitos tem discretização refinada com elementos distorcidos na região à frente da ponta da fenda. A Figura 18 apresenta a resposta para a tensão σ x. A Figura 19 apresenta a resposta para a tensão σ y. A Figura 20 apresenta a resposta para a tensão de cisalhamento τ xy.

35 33 Figura 18 Chapa com fenda Tensão σ x para a rede de elementos finitos. Fonte: AMORIM (2008) Figura 19 Chapa com fenda Tensão σ y para a rede de elementos finitos. Fonte: AMORIM (2008)

36 Figura 20 Chapa com fenda Tensão de cisalhamento τ xy para a rede de elememtos finitos. 34 Fonte: AMORIM (2008) Exemplo utilizando o MEC Como exemplo de aplicação do MEC, mostra-se um exemplo já estudado em Vicentini (2006), uma viga engastada no plano 2D, como mostra a Figura 21, e expressa-se os resultados obtidos para as tensões na direção x, direção y e cisalhante em xy. Figura 21 Viga engastada Fonte: VICENTINI (2006)

37 35 A discretização no problema foi: 68 elementos de mesmo tamanho, 72 nós (mistos), 45 pontos internos, h = 40cm, l = 300cm, q =1KN cm 2. A Figura 22 apresenta a resposta para a deformação da viga. A Figura 23 apresenta a resposta para a tensão σ x. A Figura 24 apresenta a resposta para a tensão σ y. A Figura 25 apresenta a resposta para a tensão de cisalhamento τ xy. Figura 22 Viga engastada - Diagrama de deformação Fonte: VICENTINI (2006) Figura 23 Viga engastada - Tensão σ x para a rede de elementos de contorno Fonte: VICENTINI (2006)

38 36 Figura 24 Viga engastada - Tensão σ y para a rede de elementos de contorno Fonte: VICENTINI (2006) Figura 25 Viga engastada - Tensão de cisalhamento τ xy para a rede de elememtos de contorno Fonte: VICENTINI (2006) As tensões na região próxima ao engaste indicam que ocorre maior tração na parte superior e compressão na parte inferior, condizente com a deformada da viga apresentada. O diagrama de tensão cisalhante apresenta-se também coerente, com valores próximos à zero na extremidade em balanço que vão crescendo em direção ao engaste.

39 37 5 CONCLUSÕES Este trabalho buscou oferecer uma contribuição ao estudo dos métodos numéricos na engenharia. Esclarecendo o funcionamento do método dos elementos finitos (MEF) e do método dos elementos de contorno (MEC), que são os principais e mais utilizados na resolução de problemas. Não se esquecendo de ressaltar o método que atualmente é pouco utilizado, mas é o pioneiro de todo estudo desenvolvido até hoje com os métodos numéricos na engenharia, que é o método das diferenças finitas (MDF). Foram citados outros métodos utilizados na engenharia de estruturas, esses menos utilizados, apenas em problemas específicos. Por esse motivo não buscou esclarecer o funcionamento desses métodos e sim o conhecimento de sua existência e campos de aplicação. O trabalho mostrou alguns problemas onde o MEF e MEC podem ser aplicados, deixando mais claro o objetivo dos mesmos, concluindo que o método a ser utilizado depende do problema a ser resolvido, mas o MEF em geral é o mais preciso entre os métodos aqui estudados.

40 38 REFERÊNCIAS ALVES, MICHELL. Método da partição na análise de múltiplas fissuras. São Carlos, p. Tese (Doutorado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. AMORIM, RAIMUNDO. Sobre formulações não-convencionais de elementos finitos: revisão e análise numérica. São Carlos, p. Dissertação (Mestrado em engenharia de estruturas) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. ARGÔLO, HIGOR. Emprego de formulações não-convencionais de elementos finitos na análise linear bidimensional de sólidos com múltiplas fissuras. São Carlos, p. Dissertação (Mestrado em engenharia de estruturas), Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. ASSAN, ALOISIO. Método dos elementos finitos: primeiros passos. 2ª ed. Campinas, SP: Editora da Unicamp, BACARJI, EDGAR. Aplicação do método dos elementos de contorno a análise de pavimentos de edifícios. São Carlos, p. Tese (Doutorado em engenharia de estruturas) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. BARROS, FELÍCIO. Métodos sem malha e método dos elementos finitos generalizados em análise não-linear de estruturas. São Carlos, p. Tese (Doutorado) - Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. DEBS, MOUNIR. Contribuição ao cálculo das cascas de revolução mediante diferenças finitas. São Carlos, p. Dissertação (Mestrado em engenharia de estruturas) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. FREITAS, JOÃO. Método dos elementos de contorno aplicado à análise de escavação em túneis utilizando modelos aproximados bidimensionais. São Carlos, p. Dissertação (Mestrado em engenharia de estruturas) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. FUDOLI, CARLOS. Formulação do método dos elementos de contorno e plasticidade com gradiente. São Carlos, p. Tese (Doutorado em engenharia de estruturas) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo.

41 39 GÓIS, WESLEY. Método dos elementos finitos generalizados em formulação variacional mista. São Carlos, p. Dissertação (Mestrado em engenharia de estruturas) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. HOEFEL, SIMONE. Método dos elementos compostos aplicados à análise de vibrações de viga de timoshenko. Curitiba, p. Dissertação (Mestrado em métodos numéricos em engenharia). Universidade Federal do Paraná. MARQUES, JOÃO. Estruturas tubulares de edifícios altos submetidos a torção. São Carlos, p. Dissertação (Mestrado em engenharia de estruturas) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. NIRSCHL, GUSTAVO. Método dos elementos finitos e técnicas de enriquecimento da aproximação aplicados à análise de tubos cilíndricos e cascas esféricas. São Carlos, p. Dissertação (Mestrado em engenharia de estruturas) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. OLIVEIRA, PAULO. Análise não linear de deformação lenta utilizando o método dos elementos finitos. São Carlos, p. Dissertação (Mestrado em engenharia de estruturas) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. PROENÇA, SÉRGIO. Diferenças finitas na integração das equações de técnica do meio contínuo. São Carlos, p. Dissertação (Mestrado em engenharia de estruturas) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo. SENNA, ANA. Uma nova formulação do método dos elementos de contorno para a análise de propagação de ondas escalares. Rio de Janeiro, p. Tese (Doutorado em engenharia de estruturas)-universidade Federal do Rio de Janeiro. VICENTINI, DANIANE. Formulação do método dos elementos de contorno para análise de fratura. São Carlos, p. Dissertação (Mestrado em engenharia de estruturas) Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo.