Obtenção do fator de intensidade de tensão utilizando várias formulações via método dos elementos finitos

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 1997.A importância da análise de integridade estrutural considerando a existência de trincas dentro das estruturas tem crescido substancialmente nos últimos anos. Seguindo essa tendência, o Departamento de Engenharia Civil da UnB inicia com o presente trabalho uma linha de pesquisa na investigação e análise da integridade de estruturas. Para as situações onde o escoamento do material na ponta da trinca é muito pequeno, a análise elástica linear indica que os campos de tensão e deslocamentos na ponta da trinca são singulares, e dependem de um parâmetro conhecido como fator de intensidade de tensão, K. Além dos métodos experimentais para a obtenção de K, existem várias formulações numéricas e analíticas para a avaliação do fator de intensidade de tensão. As formulações analíticas apresentam o inconveniente de estarem limitadas a um pequeno número de casos. Neste contexto, as técnicas numéricas despontam como ferramentas rápidas, econômicas e eficientes na determinação de K. Dentre as técnicas numéricas, destacam-se aquelas que se baseiam no MEF e no MEC. As mais utilizadas técnicas com o MEF são aquelas que calculam o fator de intensidade de tensão através da extrapolação de valores nodais, cálculo da integral J e cálculo da taxa da energia de deformação elástica liberada. No presente trabalho, desenvolveu-se um código computacional, FRACTIS, capaz de calcular o fator de intensidade de tensão, via MEF, utilizando as três diferentes técnicas numéricas citadas no parágrafo anterior. Foi escolhido o elemento isoparamétrico de Bar- soum para modelar os campos singulares de tensão e deslocamentos que surgem na ponta da trinca. Na parte final desse trabalho, testou-se o código FRACTIS para cinco diferentes situações estruturais, contendo diferentes configurações de trinca. Os resultados obtidos permitem comparar a eficiência das três diferentes técnicas, assim como também verificar a validade do código FRACTIS para os casos de trincas em elasticidade plana. As conclusões oriundas da análise dos resultados são apresentadas no último capítulo dessa dissertação, onde também se encontram as sugestões para a realização de trabalhos futuros.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES).The importance of fracture mechanics techniques for the integrity analysis of structures containing cracks has increased considerably over the recent years. Following this trend the Civil Engineering Departament of UnB start with the present work a research branch about the integrity of structures. For situations where yielding in the region of the crack tip is very restricted, linear elastic. stress analysis implies that the local field of stresses and displacements depend on a parameter termed stress intensity factor, K. In addition to the experimental techniques of K evaluation, there are several numerical and analytical formulations on obtaining the stress intensity factor. The experimental techniques are expensive, and the analytical formulations are restricted to a few number of cases, lnto this grain, the numerical techniques are launched as economic and efficient tools on the evaluation of stress intensity factor. The most used numerical techniques on obtaining K are based on FEM and BEM. The most used within FEM are those which evaluate the stress intensity factor trhougout displacement extrapolation, J integral evaluation and strain release rate evaluation. In the present work, a computational code named FRACTIS was developed to evaluate stress intensity factor, using FEM, througout the three different numerical techniques before mentioned. The isoparametric element developed by Barsoum was used to model the singular stresses and displacement fields at the crack tip. On the final part of this work, the computational code FRACTIS was tested for five different structural situation with different cracks configuration. The results obtained from the studied cases allow us to compare the three different techniques performance and to verify the code validation for crack in plane elasticity range. Conclusions and suggestions based on this work are presented on the last chapter of this dissertation