Projeto de estruturas de concreto reforçado com fibras utilizando otimização topológica

• Processo: 20/07557-4
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Vigência (Início): 01 de novembro de 2020
• Vigência (Término): 29 de fevereiro de 2024
• Área do conhecimento: Engenharias - Engenharia Mecânica - Projetos de Máquinas
• Pesquisador responsável: Emílio Carlos Nelli Silva
• Beneficiário: André Luis Ferreira da Silva
• Instituição Sede: Escola Politécnica (EP). Universidade de São Paulo (USP). São Paulo , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 14/50948-3 - INCT 2014: tecnologias ecoeficientes avançadas em produtos cimentícios, AP.TEM
• Bolsa(s) vinculada(s): 22/13994-3 - Projeto de estruturas de concreto reforçado com fibra utilizando otimização topológica, BE.EP.DR
• Assunto(s): Otimização topológica Algoritmos Concreto reforçado com fibras Tensão dos materiais Deformação estrutural Método dos elementos finitos
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Concreto Reforçado com Fibras | Elementos Finitos | Estruturas compósitas | otimização topológica | Otimização de projeto

Resumo

Este trabalho se insere no escopo do Instituto Nacional em Tecnologias Cimenticias Ecoeficientes Avançadas (INCT CEMTEC), projeto FAPESP: 2014/50948-3, e se enquadra na linha de pesquisa de Compositos Reforçados com Fibras (CRF). CRF pertencem a uma classe de compositos cuja utilização em aplicac'oes de engenharia tem aumentado ao longo dos ultimos anos. Por serem fabricados a partir da combinação de dois ou mais materiais, podem ser projetados, por exemplo, para obter-se um material com baixa massa específica e boa resistencia a esforços. O concreto armado e um exemplo de material composito, onde as armaduras de aço servem para melhorar a resistência a tração. Atualmente, estuda-se a possibilidade de substituir as armaduras de aço por fibras. Com o advento da manufatura aditiva, novas tecnologias capazes de fabricar estas estruturas com configurações complexas estao surgindo, e em função disto, diversos trabalhos focam na otimização destes materiais incluindo a orientação das fibras. Os trabalhos de otimização de materiais compositos encontrados na literatura consideram a hipotese de pequenas deformações, limitando a aplicação a problemas onde comportamento e linear elastico. Além disso, a consideração de restrições de projeto visando viabilizar a manufatura e a continuidade das fibras sao importantes tanto para manufatura quanto para evitar concentrações de tensão. Todas estas questões podem ser exploradas utilizando otimização topológica, com a qual e possível determinar a distribuição de material e orientação de fibra em uma estrutura reforçada com fibras, de forma a maximizar ou minimizar uma função de custo especificada. Assim, o objetivo deste trabalho e desenvolver um algoritmo de otimização topológica capaz de distribuir o material e orientar as fibras em estruturas de concreto de forma otimizada, respeitando restrições de volume, restrições de projeto e controlando a continuidade das fibras. A relação entre tensão e deformação considerada neste trabalho e baseada na tensão efetiva das fibras e foi obtido por meio de programação genética. Além disso, a distribuição de material e orientação das fibras são realizadas simultaneamente com modelos baseados em pseudo-densidade e em ângulos candidatos. A continuidade e controlada por meio da aplicação de um filtro baseado na equação modificada de Helmholtz e em uma restrição que considera uma analogia a um escoamento fluídico. A implementação numérica e realizada na plataforma FEniCS, juntamente com as bibliotecas Dolfin-Adjoint, para determinação das sensibilidades, e IPOPT, para a realização da otimização. (AU)

Publicações científicas

(Referências obtidas automaticamente do Web of Science e do SciELO, por meio da informação sobre o financiamento pela FAPESP e o número do processo correspondente, incluída na publicação pelos autores)

SALAS, RUBEN ANDRES; FERREIRA DA SILVA, ANDRE LUIS; NELLI SILVA, EMILIO CARLOS. HYIMFO: Hybrid method for optimizing fiber orientation angles in laminated piezocomposite actuators. COMPUTER METHODS IN APPLIED MECHANICS AND ENGINEERING, v. 385, NOV 1 2021. (20/07557-4, 14/50279-4, 11/19979-1)