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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.3.2008.tde-09022009-170059
Document
Author
Full name
Juan Carlos Galindo Orozco
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2008
Supervisor
Committee
Ruggieri, Claudio (President)
Dias, Carlos Alberto Nunes
Mattar Neto, Miguel
Title in Portuguese
Contribuição ao estudo de painéis reforçados: comparação entre o método da chapa ortotrópica e o método dos elementos finitos.
Keywords in Portuguese
Estruturas oceânicas
Método dos elementos finitos
Processos de fabricação
Tensão dos materiais
Vigas de reforço
Abstract in Portuguese
Métodos convencionais, tais como o método da chapa ortotrópica, têm sido aplicados por muitos anos no estudo de painéis reforçados pela sua simplicidade e facilidade de aplicação na determinação de tensões agentes nas fases iniciais da espiral projeto. Não estão disponíveis na literatura, porém, análises comparativas do método da chapa ortotrópica com procedimentos numéricos utilizando elementos finitos (MEF) que permitam a determinação da acurácia ou da ordem de grandeza dos desvios inerentes à aplicação desta metodologia. O presente trabalho apresenta análises comparativas entre estas duas metodologias na solução de painéis reforçados submetidos a carga lateral uniforme, tipicamente aplicados a estruturas navais (chapa em apenas um dos lados com reforçadores em T). Com este objetivo foram construídos modelos de painéis simplesmente apoiados e engastados (modelagem com elementos de viga e casca) com diferentes espaçamentos e diferentes inércias de reforçadores, configurando uma ampla matriz de análise paramétrica. Os resultados de deflexões e tensões nas vigas e chapas obtidos dos modelos MEF foram parametrizados em função das variáveis da chapa ortotrópica (razão de aspecto virtual), (coeficiente de torção) e K (parâmetro adimensional de tensões e de deflexão). Esta parametrização permite gerar curvas numéricas de tensão e deflexão dos modelos em estudo. As curvas numéricas assim geradas são comparadas com as curvas propostas pelo método da chapa ortotrópica para painéis reforçados simplesmente apoiados, de tal maneira que sua comparação permita, além de determinar a sensibilidade dos resultados numéricos em função das mudanças de inércia e espaçamento entre reforçadores, aferir o nível de desvio oriundo do uso da metodologia da chapa ortotrópica em relação ao método dos elementos finitos. Resultados mostram que as curvas derivadas da metodologia da chapa ortotrópica fornecem bons resultados para as deflexões e tensões transversais nas vigas no centro do painel reforçado. Para as tensões longitudinais nas vigas, uma curva corrigida de tensões longitudinais máximas é fornecida. No caso das curvas de tensões longitudinais e transversais na chapa, as curvas da chapa ortotrópica fornecem valores conservadores de tensão no centro do painel em relação aos valores obtidos dos modelos MEF. Adicionalmente, uma vez que o método da chapa ortotrópica só fornece curvas para chapa sem reforçadores no caso de condição de engaste, curvas numéricas das diferentes variáveis são fornecidas para esta condição. Analogias são feitas com a solução fornecida pelo método da chapa ortotrópica para painéis reforçados com razão de aspecto =, borda longitudinal engastada e borda transversal apoiada. Adicionalmente, resultados analíticos baseados na teoria de grelhas são comparados com os valores fornecidos pelas curvas numéricas para painel engastado obtendo-se resultados consistentes. Com esta análise foi possível determinar a aplicabilidade e limitações do método da chapa ortotrópica no estudo de painéis reforçados simplesmente apoiados. O estudo também fornece novas curvas numéricas para painéis reforçados engastados.
Title in English
Contribution to the study of reinforced panels: comparison between orthotropic plate method and the finite element method.
Keywords in English
Finite element method
Orthotropic plate method
Stiffened plates
Abstract in English
Conventional methods, such as the orthotropic plate, have been applied for many years in the study of stiffened plates to obtain the stresses acting on the structure in the early stages of the structural design, because of its simplicity and easy application. However, comparative analyses of the orthotropic plate method with numerical methods using finite element analyses (FEM) to determine its accuracy or inherent errors are not available in the literature. This study presents comparative analyses between the solutions of the two methodologies for reinforced panels subjected to lateral uniform load, typically applied to marine structures (plate only on one side with T beams). Models of reinforced panels were implemented for a simply supported and clamped boundary conditions with different spacing between stiffeners and different stiffeners`s inertia, setting up a broad array of parametric analysis. The deflections and stresses in beams and plate derived from the MEF analyses were parameterized as function of the orthotropic plate parameters: (virtual aspect ratio), (torsion coefficient) and K (dimensionless parameter of stress and deflection). This enables the generation of parametric numerical curves of stresses and deflections for the models under study. The numerical curves generated in this way were compared with the analytic curves proposed by the orthotropic plate theory for reinforced panels with simply supported boundary conditions. The comparisons allow, in addition to a sensitivity analysis of the numerical curves as a function of inertia and spacing between stiffeners, the assessment of inherent deviation for the orthotropic plate theory when compared with the finite element analyses. From the comparative analyses, it is possible to conclude that the curves proposed for the orthotropic theory for deflection and stresses of the transverse beam at the center of the reinforced panels have a good correlation with the numeric curves and provide accurate results. For the stresses on longitudinal beam, a revised curved for maximum stresses is provided. For the curves of plate stresses in the longitudinal and transverse directions at the center of the panels, the orthotropic plate theory provides conservative values when compared with the values of FEM models. The orthotropic plate method only provides curves for unstiffened plate under clamped boundary condition. Numerical curves for reinforced panels with clamped boundary condition are provided. Analogies are made between the solution provided by the orthotropic theory for a reinforced panel with an infinite virtual aspect ratio = , longitudinal edges clamped and transverse edges simply supported. Additionally, analytical results based on grillage theory were compared with the values provided by the numerical curves for clamped reinforced panels, obtaining a consistent results and a good correlation. This analysis provides a critic overview of the applicability and limitations of the orthotropic plate method for the analyses of reinforced panels with simply supported boundary condition. The study also provides new numerical solutions for reinforced panels with clamped boundary condition.
 
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Publishing Date
2009-02-20
 
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