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Projeto de estruturas de concreto reforçado com fibras utilizando otimização topológica

Processo: 20/07557-4
Linha de fomento: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
Assunto(s):Otimização topológica   Algoritmos   Concreto reforçado com fibras   Tensão dos materiais   Deformação estrutural   Método dos elementos finitos

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)

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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. Citações Web of Science: 0.

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