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Bruno Alexandre Esperança Sepúlveda da Silva Optimização do

1. Step Controls Step Controls E Solver Controls E Solver Controls Solver Type Program Controlled Solver Type Program Controlled Weak Springs Program Controlled Weak Springs Program Controlled Large Deflection On Large Deflection Direct Inertia Relief off E Nonlinear Controls Inertia Relief Force Convergence _ Program Controlled Nonlinear Controls Moment Convergence Program Controlled Output Controls Displacement Conv Program Controlled Analysis Data Management Rotation Converge Program Controlled E Visibility Line Search Program Controlled Outout Controls d e Figura 3 17 Algumas das v rias op es pass veis de serem alteradas da sua predefini o 14 A op o presente na figura 3 18 tomada sem tornar manual qualquer outra das op es controladas automaticamente pelo programa Encontra se no menu Geometria dentro do submenu Definition Defini o Na caixa Element Control Controle de elementos opta se pela op o Manual figura 3 18 Details of Geometry q mmea gt 2 2 nl E Definition Source A S ano TESE Tese desde Setembro Exercicios no Type DesignModeler Length Unit Inches aera Gece Manual Hm E Figura 3 18 Caixa Element Control no menu Geometry Ao activar esta op o figura 3 18 dentro da janela Geometria
2. Source ANS ano TESE Tese desde Setembro Exercicios no Ansys Barra do tutorial WB Type DesignModeler Length Unit Inches Aude ae Manual Program Controlled j Figura D 6 Op o de escolha autom tica ou manual da forma de integra o 140 Anexos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Em seguida no submenu Solid Figura D 7 dever escolher a op o Full em Brick Integration Scheme Para a selec o do material da estrutura deve escolher os materiais que tem disposi o Engineering Data para esta an lise como pode ver na Figura D 7 QU C Static Structural Mechanical ANSY i File Edit View Units Tools Help Fsolve fa w A By Mworksreet P Rr Geometry Sy Point Mass Thermal Point Mass EE Outline q Project Fixo e Momento B4 C4 Geometry Jt Solid yk Coordinate Systems amp Mesh AB Body Sizing gt yE Static Structural C5 JZ Analysis Settings AB Fixed Support RB Moment 8 Solution C6 Solution Information 4 Equivalent Stress Details of Solid Graphics Properties Definition Suppressed No Stiffness Behavior Flexible Brick Integration Scheme Full Coordinate System Default Coordin
3. Details of Mesh Defaults Physics Preference Mechanical Relevance 0 amp a E E Elements 160 Mesh Metric Skewness Y Scoping Method Geometry Selection Geometry 1 Body E Definition Suppressed No Type Element Size Element Size 0 5 in Behavior Soft Figura 3 15 Propriedades gerais da malha Visto que a an lise se encontra no dom nio pl stico e para que os resultados da deforma o sejam mais pr ximas do componente real a op o Large Deflection Deflex o elevada activada para todos os diferentes momentos Define se as condi es de fronteira com a face fixa encastrada Fixed Support Suporte fixo e a face onde aplicada o momento Moment Momento referindo as indica es descritas no enunciado Figura 3 12 a Existem muitas op es presentes e poss veis de realizar em cada simula o Algumas destas s o definidas apenas de modo manual como a Large Deflection que pode ser seleccionada On Activada ou Off Desactivada estando predefinida em Off Outras s o definidas automaticamente de pelo programa Program Controlled de acordo com o tipo de estrutura e an lise a executar podendo ser alteradas manualmente 14 O resultado que se pretende verificar a Equivalent Stress Tens o equival
4. iliMetric Graph Options Project Fixo e Momento B4 C4 Coordinate Systems Dra 3 A Stati D method JB H Generate Mesh M As g 7 Preview Surface Mesh SS gt Preview Inflation Create Pinch Controls Show Sweepable Bodies Sizing W Contact Sizing amp Refinement gt Edit in CFX Mesh Details of Mesh A Clean Defaults a Rename 0 EE Mapped Face Meshing amp Match Control Pinch Inflation Physics Preferenc Relevance 0 Sizing Ens i Use Advanced Size Function Off Relevance Center Coarse Element Size Default Initial Size Seed Active Assembly Smoothing Medium Transition Fast Span Angle Center Coarse Minimum Edge Length 25 40 mm Inflation Advanced Shape Checking Standard Mechanical Element Midside Nodes Program Controlled Straight Sided Elements No Number of Retries Default 4 Rigid Body Behavior Dimensionally Reduced _ Mesh Morphing Disabled Pinch Statistics Figura D 11 Op es do menu Mesh Com a inser o do submenu Method r r poss vel alterar o tipo de elementos da malha da estrutura com a op o Method na Figura D 12 em baixo A poss vel escolher entre tetraedros hexaedros entre outros como pode verificar na Figura D 12 144 Anexos
5. Co seno Nomeclatura Gloss rio e Abreviaturas XX1 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Cunha Deflex o DesignModeler Elasticidade Elemento de elevada ordem Espa ador Estric o European Patent Office Extens o Fe Fe 360 Hourglassing in Isotr pico J KEYOPT kg km h Ibf LS DYNA Elemento para aplica o de deforma o noutra estrutura Desvio em rela o a um ponto inicial M dulo de desenho da vertente gr fica Workbench acedida atrav s do cone Geometry Deforma o n o definitiva Elemento com uma descri o por via do n mero de n s bastante completa N mero de n s varia com o tipo de elemento s lido casca entre outros Elemento de liga o entre o prumo e a barra longitudinal das barreiras de protec o rodovi ria Deforma o localizada Diminui o de sec o Institui o Europeia de Patentes Deforma o Adimensional Elemento qu mico Ferro Nome de um tipo de a o Fen meno associado aparente perda de rigidez Polegada Unidade de comprimento do sistema imperial Semelhante comportamento em diferentes direc es Joule Unidade de energia e trabalho do sistema internacional Instru o de comando para a configura o de elementos do programa ANSYS Unidade de massa Unidade derivada de Velocidade Quil metros por hora Libra de for a Unidade d
6. Barreiras de seguran a a motociclistas em baixo 3 Figura 1 6 Barreiras BHO 5 1 3 Elementos constituintes da barreira de protec o met lica Dentro de cada elemento dos tr s referidos inicialmente figura 1 1 existem diversos formatos Os formatos apresentados em seguida s o comercializados em Portugal 5 1 3 1 Prumos Os prumos comercializados t m tr s formatos diferentes 5 Dois realizam a liga o ao solo por meio de press o e um por meio de fixa o com aparafusagem este ltimo associado s barreiras de protec o obra de arte Cap tulo 1 Introdu o 5 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas O prumo UPN120 DIN 1026 6 presente em seguida na figura 1 7 semelhante ao apresentado na figura 1 1 Figura 1 7 Prumo UPN120 5 O prumo C125 DIN 10162 7 presente na figura 1 8 com fura o frontal ao contr rio do apresentado na figura 1 7 Figura 1 8 Prumo C125 5 O prumo presente na figura 1 9 o utilizado nas barreiras obra de arte O perfil do prumo como se pode verificar o mesmo que na figura 1 8 C125 Contudo a fixa o ao solo diferente do exemplo presente na figura 1 4 apenas uma placa met lica com chumbadores roscados a Figura 1 9 Prumo utilizado nas barreiras obras de arte 5 6 Cap tulo 1 Introdu o Optimiza o do comportamento dos sistemas de l
7. Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico 59 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Ed INSTRON Figura 3 4 Extens metro mec nico utilizado O provete fractura ap s um alongamento total de 16 66 mm Sintetizando M dulo de Young E 161 GPa Tens o de ced ncia 6 para extens o de 0 2 361 76 MPa Tens o de rotura 6 442 58 MPa Alongamento total para 1 215 mm 16 66 mm Alongamento total para 10 100 mm 15 56 mm O provete ap s fractura encontra se presente na figura 3 5 Figura 3 5 Provete ap s fractura Contudo o l considerado aquando a execu o do teste foi de 100 mm usualmente utilizado em ensaios onde n o importante verificar o comportamento pl stico do material A fractura obtida do tipo ta a e cone refere precisamente a um material d ctil com a figura 3 6 a representa os diferentes est gios deste tipo de fractura 10 60 Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 3 6 Diferentes est gios de uma fractura d ctil do tipo ta a e cone 10 Assim sendo necess rio proceder a um ajustamento dos valores de alongamento de modo a obter a extens o relativa a lo Da rela o presente na equa o 3 1 obt m se um valor
8. Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas fi C Static ral File Edit View Units Tools Help Q solve tE m 0 A wy WwWorksheer P amp Y tr ORO S StQQl QHQQ Ki Bl Or Mesh Update Mesh v Mesh Control wililvetric Graph SOptions Outline a E Fixo e Momento B4 C4 EB Geometry 8 Sold gt Coordinate Systems E z Mesh Automatic Method ocope Scoping Method Geometry 1 Body Definition Suppressed No Element Midside Nodes Tetrahedrons Hex Dominant Sweep MultiZone CFX Mesh Figura D 12 Submenu Method Nesta mesma figura aquando da selec o da estrutura para escolher o tipo de elementos basta seleccionar a mesma Contudo se precisar para outros motivos de seleccionar apenas pontos arestas ou faces deve seleccionar de entre os cones presentes na Figura D 13 que apresentam um seta e respectivas selec es Hh Figura D 13 cone para a escolha de diferentes formatos de selec o Anexos 145 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Em seguida avance para a configura o das cargas e suportes a aplicar como pode verificar na Figura D 14 E poss vel aplicar for as press es momentos suportes restri es entre outros Na aplica o de momentos por exemplo dever in
9. d origem a uma op o extra no menu Solid S lido No submenu Defini o gera uma caixa Brick 78 Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Integration Scheme Esquema de integra o dos elementos onde se pode optar pela op o Full Total ou Reduced Reduzida figura 3 19 O que esta op o permite a melhor defini o do elemento Tendo em conta a base fornecida pelos fundamentos te ricos esta op o aumenta o n mero de pontos onde executa a an lise de tens es e extens es Segue o mesmo formato de c lculo contudo a defini o do elemento maior pois apresenta uma maior densidade de pontos onde s o efectuados c lculos Details of Solid q Graphics Properties Definition Suppressed No Stiffness Behavior Flexible Brick Integration Scheme Full Coordinate System Reference Temperature Reduced Material Assignment Barra WBVMMECHO29 Nonlinear Effects Yes Thermal Strain Effects Yes Bounding Box Properties Statistics Figura 3 19 Caixa Brick Intregration Scheme no menu Solid S o executados testes que verificam que ao optar se pela op o Reduzida os resultados obtidos s o semelhantes aos obtidos na primeira simula o apresentados na tabela 3 5 ou seja o programa escolhia au
10. o Espanhola de Normaliza o e Certifica o As siglas NF representam a norma francesa provenientes da AFNOR Associa o Francesa de Normaliza o Por fim as siglas NP representam a norma portuguesa provenientes do IPQ Instituto Portugu s da Qualidade Isto porque alguns dos perfis utilizados em Portugal pelo menos os disponibilizados em 5 mencionados anteriormente utilizam a norma espanhola e francesa como poss vel verificar na tabela 1 1 Cap tulo 1 Introdu o 15 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Tabela 1 1 Materiais caracter sticas e normas diversas utilizadas em diversos pa ses 29 Especifica es t cnicas utilizadas na barra longitudinal em forma W Pa s Espanha Estados Unidos UNE 135121 Fran a NF P 98411 L mm L1 mm L2 mm S lar 5 D lt gt o S A o norma NF EN 10025 NF A 91121 c lal gt ID ETE 2 Z v S 8 5 mM IM E S S o a Po S eo O ARENES NISISOLO vIS S a zo e FERE a O N alala alesi TITT o a 3 0 alla D ed ca fies alelo S15 0 0 SISIE Z aae oo S S Q fo lt o mio N D Be S as ES Especifica es t cnicas do prumo Espanha UNE 135122 Fran a C100 C125 IPE80 1500 2000 1150 2000 UNE EN 10025 NF EN 10025 UNE 37508 gt o S gt oy n N q A
11. Introdu o 31 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas O tipo de barreiras propostas por Lima figura 1 36 aparenta ser uma alternativa mais eficaz que as populares e baratas barreiras met licas em w dupla onda 44 Aparenta ser tamb m mais eficaz que as barreiras New Jersey abordadas anteriormente visto que o estudo parte por base de uma barreira de bet o Para finalizar curioso verificar que as barreiras de bet o h bridas mencionadas anteriormente e com informa o importante presente no Anexo B datado de Maio de 2011 apresentam semelhan as com as barreiras desenvolvidas por Lima em 2006 Segundo a not cia 9 presente no Anexo B parecem ter um comportamento mais eficaz sendo portanto uma evolu o nos sistemas de protec o rodovi ria Figura 1 36 Barreiras de bet o h bridas propostas por Lima 44 Em seguida s o apresentados os fundamentos te ricos que possibilitam a compreens o do comportamento da estrutura analisada adiante neste trabalho 1 8 Objectivo Este trabalho tem como objectivo compreender o comportamento das actuais barreiras de protec o met licas ao n vel das liga es e verificar o seu comportamento aplica o de for a at sua deforma o pl stica total O problema est relacionado com a incorrecta absor o da energia cin tica do autom vel por via da deforma o da barreira Atrav s da verifica
12. Por fim neste cap tulo apresentada uma revis o bibliogr fica referente investiga o efectuada em torno do tema deste trabalho 1 2 Diversidade de estruturas met licas A pesquisa efectuada verifica existirem cinco tipos diferentes de barreiras consoante a fun o de protec o rodovi ria sendo elas 1 Barreiras de protec o simples apenas com uma barreira longitudinal figura 1 2 2 Barreiras de protec o dupla com duas barreiras longitudinais figura 1 3 3 Barreiras obras de arte aquando a exist ncia de desn veis entre a via e o local de fixa o por exemplo passeios figura 1 4 4 Barreiras de seguran a a motociclistas contem uma barreira met lica semi flex vel na zona inferior da protec o rodovi ria de modo a evitar o choque com os prumos figura 1 5 Cap tulo 1 Introdu o 3 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 5 Barreiras BHO aquando a exist ncia de passagens superiores ou qualquer tipo de barreira vertical utilizam se perfis UPN de modo a refor ar a estrutura figura 1 6 Figura 1 2 Barreiras de protec o simples 5 Figura 1 3 Barreiras de protec o dupla 5 Figura 1 4 Barreiras obras de arte 3 Cap tulo 1 Introdu o Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 1 5
13. das estradas o Optimiza o igacao nas Bruno Alexandre Esperan a Sep lveda da Silva UMinho 2011 Universidade do Minho Escola de Engenharia Bruno Alexandre Esperan a Sep lveda da Silva Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Outubro de 2011 N A eis l Universidade do Minho Escola de Engenharia Bruno Alexandre Esperan a Sep lveda da Silva Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Disserta o de Mestrado Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestre em Engenharia de Mec nica Trabalho efectuado sob a orienta o do Professor Doutor J os Filipe Bizarro de Meireles Outubro de 2011 DECLARA O Nome Bruno Alexandre Esperan a Sep lveda da Silva Endere o electr nico baessQsapo pt Telefone 00351 916763223 N mero do cart o do cidad o 13180045 T tulo disserta o Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Orientador Professor Doutor Jos Filipe Bizarro de Meireles Ano de conclus o 2011 Designa o do Mestrado ou do Ramo de Conhecimento do Doutoramento Ciclo de Estudos Conducente ao Grau de Mestre em Engenharia Mec nica Declaro que concedo Universidade do Minho e aos seus agentes uma licen a n o exclusiva para arquivar e tornar acess vel nomeadamente atrav s
14. hourglassing figura 2 11 se a estrutura n o tiver pelo menos duas camadas de elementos em cada direc o 16 Figura 2 11 Fen meno de hourglassing direita 16 A op o de integra o total por sua vez pode provocar um fen meno que se define com um bloqueio da deforma o da estrutura aparentando uma rigidez exagerada 46 Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas denominando se volumetric locking bloqueio volum trico Contudo para elementos de elevada ordem como o SOLID186 s prop cio que tal aconte a para materiais com coeficiente de Poisson pr ximo ou igual a 0 5 14 2 2 1 Crit rio de plasticidade von Mises Um dos aspectos mais importantes da teoria da plasticidade pois o de se estabelecerem rela es que permitam conhecer as condi es de entrada em dom nio pl stico de um material quando sujeito a uma combina o arbitr ria de tens es Se as deforma es fossem do tipo uniaxial como por exemplo o caso do ensaio de trac o seria f cil determinar o in cio da deforma o pl stica do material todavia a generalidade dos processos tecnol gicos de deforma o pl stica envolve estados de tens o do tipo biaxial ou triaxial e o problema torna se mais complexo dando origem a que tenham que existir crit rios de plasticidade no sentido lato do conceito 10 Os cr
15. o da malha 15 3220 Primeira simula o q ipesaca sescedevensosccssnnded os dessgacasuaeaaevansdcedenesdaacedess 15 2 22 Segunda simula o salas ile Rael ladies en tania 76 3 2 3 Segunda fase de valida o Defini o dos elementos 71 52 95 Terceira simulaci neen en r E RNS 79 32 92 Quarta simula o sieis rerni i aoa Ea aE E Ee 80 3 24 Discuss o da VANdA O ei a ERE E Gh 85 A gt APLICACAGAO CASO REAL aonde ess pistas dna aa Dao 87 4 1 PUC a SD BGI DS Le he 92 AVL Conclus es do prumo C125 opis ccscscisalsedetess coaastavsdcadisesscaesasdetatssussedioves 97 42 Prono UPNI20 nas tena ee aa edhe Old ial is bee at 98 ndice X Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 4 2 1 An lises alternativas ao prumo UPN120 i 103 4 2 2 gt Conclus es do prumo UPN 120 wie ete pA enieden deputados quais ancas 106 4 3 Espacador tipo Tl ecset renat io fes gates e i a S a e a a 107 AO An lise Cx Per MICA custa si alo nda aan ea 111 4 3 2 Conclus es do espa ador tipo IL 115 5 CONCLUS ES E TRABALHO FUTURO eee 117 5 1 Trabalho futuros asian sp a USA SN O 120 BIBLIOGRAFIA rsisi tnana rara EaD as Ea O ges 121 ANEXOS err de Ys sen Rd Son call A a da 125 Anexo A Patente de J A Lawson ssspasasessozasi usapsasdasaseaibr apaga ne eee aa 126 Anexo B Not c
16. o das estradas Analogamente para v equa o 2 35 49 v vi DS S1 y 2 Se Sd v 2 S3 1 Sa yy QD S 4 vy S1 S2 Vy So S3 Vo S S3 Vp Sit S4 2 35 Vo S2 S4 VR S3 S4 Analogamente para w equa o 2 36 49 w wi 2 S1 1 S1 w 2 S2 1 S2 wg 2 S3 1 S3 wy 2 S4 1 S4 4 Wu SS Wy S2 S3 wo S1 S3 wp S1 S4 236 Wg S2 S4 Wr S3 S4 Possui capacidades de plasticidade incluindo o Multilinear Isotropic Hardening utilizado na descri o do material obtido experimentalmente e utilizado na an lise num rica nomeadamente para este trabalho grande capacidade deflex o e deforma o entre outras capacidades 16 2 3 Revis o A fundamenta o te rica uma componente essencial no entendimento de todas as vari veis envolvidas neste estudo de modo a saber como as tratar e como estas se comportam por forma a atingir os resultados pretendidos Ap s a apresenta o de toda a fundamenta o te rica que sustenta este trabalho s o apresentados nos cap tulos as caracter sticas do material em estudo e a valida o do programa de elementos finitos para an lises de comportamento pl stico Por fim s o executadas an lises num ricas simula o aos elementos de liga o em estudo prumos e espa ador comparando por fim a an lise do espa ador ao ensaio experimental efectuado Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos 55 Optimiz
17. o nas barreiras de protec o das estradas Para dy na equa o 4 6 F 6883 9 dy 23666 dy 236 04 4 6 Para dv na equa o 4 7 F 2 x 1078 dy2 2 x 105 dy2 0 0109 dy 2 5743 dy 276 69 dy2 20236 HEN Para dy3 na equa o 4 8 F 6 x 1076 dy3 0 027 dy3 51 1 dys 28460 dy3 5 x 10 as O valor da for a F obtida n o pode ser superior for a m xima mencionada anteriormente de 178 500 N Em seguida feita a an lise da rela o tens o equivalente m xima for a aplicada figura 4 11 Com a for a calculada anteriormente poss vel assim verificar as tens es envolvidas 600 o Tensao equivalente m xima MPa 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 200000 F For a aplicada N Tens o Equivalente M xima Polinomial Tens o Equivalente M xima Figura 4 11 Gr fico Tens o equivalente m xima For a do prumo C125 96 Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Atrav s dos valores do gr fico da figura 4 11 obt m se a curva de tend ncia que descreve com boa aproxima o a curva de tens o equivalente m xima for a E tamb m poss vel visualizar na mesma figura a regress o da linha de tend ncia que de 0 9981 A equa o que descreve esta curva de
18. para a inser o de restri es e cargas 146 Figura D 15 Op es de solu o do menu Solution 147 Figura D 16 cone Sole tda Ra O ait bet ote 147 Figura D 17 Op es do Solution Output a es niianitantr air aa nada ua 148 Figura D 18 Op o Write Input File oxo pasa igessan dial anag asso gi saaNIgEalg assa sngiaS qual 149 Figura D 19 Op o Read Input from do Mechanical APDL 149 Fruta D 20 Menu List sa a BE es 150 Figura D 21 Execu o de an lise no Mechanical APDL 150 Figura D 22 Op o Write DB log file no menu File 151 ndice de Figuras Xvi Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas NDICE DE TABELAS Tabela 1 1 Materiais caracter sticas e normas diversas utilizadas em diversos pa ses 29 BRR NPR a SERPRO ERRO UERR A RESP ERR DAR CORRE RR BRR OR PR RR 16 Tabela 1 2 Identifica o do material segundo a norma EN 10025 31 17 Tabela 1 3 Propriedades tens o de ced ncia e de rotura do material segundo a norma EN LOOS 31 anea a a a a a e A ee Ta Siga 17 Tabela 1 4 Caracter sticas do ensaio de trac o do material segundo a norma EN OO E ses E E E E 18 Tabela 1 5 Par metros de embate de ve culos presentes na norma EN 1317 2 33 19 Tabela 1 6 Capacidade de conten o das barreiras perante os testes efec
19. 4600 596 AMARANTE Portugal La pr sente attestation est tablie dans l attente de f dition du rapport d essai que nous devons tablir et lui faire parvenir Pour valoir et servir ce que de droit A Lyon St Exup ry France le 14 02 2005 Martin PAGE Directeur Tech Arena posse D 29 Room de Crbrums 5 4 qu Capitol de 125 000 cofrac BP 552 C9125 tyon Sem Empty Mropot Stage Sociol O 29 Came de Cremes annaas Ta O4 72 48 37 20 fax 04 72 48 37 7 69 24 Colombier Seugrieu eres N SET 298 906 796 00019 ICS rOy 295 Gas 700 Come APE 7428 Anexos 133 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Anexo D Manual b sico de ANSYS 1 34 Anexos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Manual de instru o para a execu o de an lise est tica no ANSYS incluindo plasticidade e inser o de material pr prio O primeiro passo refere se inser o da curva de tens o deforma o verdadeira retirada atrav s de fun es logar tmicas e por medi o da varia o da sec o do provete em an lise enquanto decorre o ensaio indispens vel na descri o da curva ap s atingir a tens o de rotura Este ajustamento deve ser efectuado apenas para o dom nio pl stico Para tal durante a zona de deforma o pl stica uniforme da tens o de ced ncia at tens o de rotura deve utilizar
20. EDTA ja pd RSS Lh eo ket Dosti ETA REI RS E a AE TI aparatoso acidente da semana passada na VCI Porto no qual um pesado se despistou e abalroou carros que circulavam em sentido contr rio podia ter tido menores consequ ncias humanas e materiais se os separadores de bet o fossem os que Bruxelas exige na norma EN 1317 5 2007 A1 2008 desde Janeiro deste ano Embora a norma se aplique a vias novas os es pecialistas em constru o de estradas defendem a gradual substitui o dos separadores de bet o da maioria das na ustria Fran a e Holanda h quase uma d cada Embora mais seguro 60 a 70 mais caro que um separador tradicional um entrave sua generaliza o estradas por outros do tipo Delta Bloc cuja capacidade de reten o dos vei culos superior Alexandre Machado da empresa Betafiel esclarece que a grande vantagem dos novos separado res aplicado em Portugal em 5 km no IP3 e numa extens o de 600 metros da futura auto estrada transmontana est em terem uma composi o el stica a absor o da energia de um impacto de um ve culo mais eficiente e n o se despeda arem ao inv s do que ocorre com os tradicionais blocos de bet o Isto faz com que o risco e a gravidade de ferimentos se reduzam pois mino rada a probabilidade de haver intrus o de partes que se tenham soltado do separador Quando se d o embate a estrutura funciona como um corpo el stico que absorve grande parte
21. Este cap tulo visa a identifica o e compreens o do comportamento deforma o de qualquer material sob a ac o de uma for a Nesta an lise poss vel dividir a deforma o em duas formas distintas S o elas a deforma o el stica e a deforma o pl stica O gr fico presente na figura 2 1 representa a rela o de tens o extens o ou tens o deforma o convencional que adv m de um ensaio de trac o t pico 45 0 Figura 2 1 Ensaio de trac o com tens o limite de elasticidade facilmente identific vel Esta rela o apresentada pela linha 0 2 1 3 denominada linha de carregamento A linha A representa a transi o elasto pl stica transi o entre o regime el stico e o pl stico O eixo das ordenadas refere os valores de tens o exercida e o eixo das abcissas os valores de extens o ou deforma o produzidos no material No gr fico presente da figura 2 1 apresentam se alguns pontos caracter sticos como 1 Tens o de rotura 2 Tens o limite de elasticidade ou tens o de ced ncia 3 Rotura fractura do material Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos 35 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas A tens o c apresentada no gr fico figura 2 1 obtida atrav s da equa o 2 1 o 2 1 A extens o adimensional e por sua vez obtida atrav s da equa o 2 2 Al E 2 2 lo
22. Programa inform tico Padr o Nomeclatura Gloss rio e Abreviaturas xxiii Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Tenacidade Capacidade de absor o de energia Tens o de Tens o que separa o dom nio el stico do pl stico ced ncia Tens o de Tens o na qual se inicia a estric o Tens o m xima na curva de rotura engenharia Volumetric Bloqueio volum trico Locking Workbench Vertente gr fica do programa ANSYS ABREVIATURAS AEFNOR Association Fran aise de Normalisation Associa o Francesa de Normaliza o AENOR Asociaci n Espanola de Normalizaci n y Certificaci n Associa o Espanhola de Normaliza o e Certifica o APDL ANSYS Parametric Design Language Linguagem de Desenho Param trica do ANSYS ASTM American Society for Testing and Materials Associa o Americana para Teste e Materiais Organiza o de normaliza o CAD Computer Aided Design Desenho Assistido por computador CAE Computer Aided Engineering Engenharia Assistida por Computador CEN European Committee for Standartizadion Comit Europeu de Normaliza o DIN Deutsches Institut fiir Normung e V Norma de acordo com o Instituto Alem o de Padroniza o EN Norma Europeia FDM Finite Differences Method M todo das Diferen as Finitas Nomeclatura Gloss rio e Abreviaturas XX1V Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreira
23. Ra pelo qual se multiplica os valores de alongamento apresentados na folha de c lculo 15 56 Ra 0 934 3 1 Com o valor de Ra poss vel relacionar os valores de alongamento extra dos da m quina com os pretendidos para o ly de 100 mm recorrendo equa o 2 2 Atrav s do valor do alongamento final calcula se a percentagem de deforma o do provete Para o ly de 100 mm o material tem uma deforma o fractura de 15 69 A figura 3 7 apresenta o gr fico da curva de engenharia obtida Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico 61 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Tens o Deforma o LO 100mm 480 460 440 420 j 380 360 340 320 300 280 8 Tens o MPa N NN 8 88 8 8 0 00 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 09 0 10 0 11 0 12 0 13 0 14 0 15 0 16 Deforma o Strain Figura 3 7 Curva de engenharia para l A curva do dom nio pl stico portanto a nica que interessa neste estudo visto que os valores relativos ao dom nio el stico s o inseridos directamente nomeadamente o m dulo de Young e o coeficiente de Poisson ent o calculada a curva verdadeira do ensaio de trac o atrav s das equa es 2 7 2 8 2 9 e 2 10 Contudo a descri o da curva desde o ponto de for a m xima tens o de rotura da curva de e
24. Suporta deforma o plasticidade deflex o elevada e elevada capacidade de extens o entre outras caracter sticas 16 Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos 53 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 2 2 3 2 SOLID187 O elemento utilizado na an lise num rica das tr s estruturas finais dois prumos e um espa ador o elemento SOLIDI87 Segundo a refer ncia 16 este um elemento 3D de ordem elevada constitu do por 10 n s tendo 3 graus de liberdade em cada n Permite deforma o nodal em todos os eixos e especialmente aplic vel em estruturas irregulares que consequentemente ser o constitu dos por uma malha irregular O elemento encontra se representado geometricamente na figura 2 16 X Figura 2 16 Representa o geom trica do elemento SOLID187 um tetraedro de 10 n s 49 Para problemas de mec nica de s lidos o deslocamento representado pelas equa es 2 34 2 35 e 2 36 que representam as suas fun es de forma Nestas equa es u v w representam respectivamente os deslocamentos em x y z 49 u up 2 S1 1 S1 u 2 Se 1 55 ug 2 S3 1 S3 u 2 S4 1 S4 44 gt uy SiS Uy S2 S3 Uo S1 S3 Up S1 S4 2 34 uq S2 S4 Ug S3 S4 54 Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec
25. b h Mim e 4 2 The intermediate value represents a middle range moment to verify the stress results still follow the material stress strain curve There is a ratio between moments where Mjm 1 5 M In the software due to the material characteristics it should be obtained an Equivalent Stress of 36 000 psi for the first two moments and a non convergent solution for the highest moment applied which must lead the beam cross section to full plasticity The first simulations following the problem indications lead to near results but not the ones expected especially in the moments ratio that were near to 1 3 in spite of the 1 5 expected Finally is possible to validate the software through the element definition of the SOLID186 element choosing the Full Integration Scheme increasing the integration points to 14 in spite of the reduced 8 automatically chosen It is necessary to make a blend 0 025 in radius in the edges of the face where the moments are applied in order to avoid erratic deformation The results are present in table 2 Table 2 WBVMMECHO029 exercise results that validate the program Moment Results psi ap Pee Comparing the theoretical to numerical results present in table 2 it s possible to see a small error for first moment of 0 2 no error for the second moment and non convergent solution for last moment as expected The moments ratio achieved is 1 48 near the theoretical 1 5 It s now possible to tr
26. o 4 1 Com as curvas tens o for a ainda poss vel verificar as tens es equivalentes m ximas envolvidas De modo a identificar qual a for a para a qual n o existe converg ncia de solu o necess rio efectuar v rios testes para diferentes for as atrav s de tentativa erro Isto acontece porque n o pretendemos analisar o comportamento da estrutura perante determinada for a espec fica mas sim para uma vasta amplitude de for as Quanto a condi es de fronteira a simula o considera o prumo fixo representando um encastramento total no solo sem capacidade de deforma o neste Ou seja dos 1700 mm do prumo 1050 mm ser o restringidos e 650 mm s o suscept veis a deforma o Ainda no prumo aplicada uma for a na rea corresponde ao contacto com o espa ador de tipo II Para o espa ador existe fixa o na totalidade da face anterior a zona de contacto com o prumo e uma for a aplicada na face oposta onde se d o contacto com a barra longitudinal Na realidade pela visualiza o de locais de acidente figura 4 3 o comportamento dos prumos n o est de acordo com o encastramento ao solo a menos que se tratem de barreiras do tipo obras de arte Figura 1 4 Figura 4 3 Exemplo de local de acidente 3 No caso das barreiras obras de arte a fixa o aparafusada a outra placa encastrada ao solo figura 4 4 estas n o apresentam deforma o significativa 90 Cap tulo 4 Apl
27. o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Opta se neste trabalho pelo recurso ao m todo dos elementos finitos porque se pretende obter uma lei de comportamento mec nico das liga es estruturais provocado pela utiliza o de diversas componentes do sistema de barreiras de protec o rodovi ria Completar este trabalho com uma an lise experimental aos mesmos componentes seria igualmente muito v lida mas ser alvo de trabalhos futuros 1 6 Legisla o Na rea de estudo do presente trabalho existem legisla o e normas diversas que t m de ser seguidas desde as que definem o material as caracter sticas do material utilizado EN 10025 17 EN 10027 18 e NP 1729 19 passando pela galvaniza o no caso de imers o a quente EN 1461 20 os parafusos utilizados nas liga es medidas e galvaniza o de acordo com a EN 20898 21 e EN3740 22 respectivamente dimens es dos perfis dos prumos DIN 1026 6 DIN 10162 7 UNE 135122 23 NF P 98412 24 25 e EN 10279 26 e da barra longitudinal UNE 135121 27 e NF P 98411 24 25 o funcionamento do sistema de conten o das protec es rodovi rias EN 1317 2 at acabar nos locais de coloca o das barreiras rodovi rias JAE P3 94 28 As siglas EN representam norma europeia provenientes do CEN Comit Europeu de Normaliza o As siglas UNE representam norma espanhola provenientes da AENOR Associa
28. o nas barreiras de protec o das estradas ANEXOS Anexos 1 25 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Anexo A Patente de J A Lawson 1 26 Anexos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Mar 27 1923 J A LAWSON 1 449 518 ROAD GUARD Filed Peb q 1922 Inventor Joh A Laws Anexos 127 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 10 15 40 45 Patented Mar 27 1923 UNITED STATES 1 449 518 PATENT OFFICE JOHN A LAWSON OF WEST HAVEN CONNECTICUT ROAD GUARD Application filed February 9 1922 Serial No 535 323 To all whom it may concern Be it known that I Jouw A Lawson citizen of the United States residing at West Haven in the county of New Haven and State of Connecticut have invented cer tain new and us ful Improvements in Road Guards of which the following is a specifi cation My invention relates broadly to improve ments in guard or safety devices for roads bridgeheads and the like whereby to pre vent vehicles from leaving a defined path of travel More specifically my invention con templates the provision of a cushioned guard member formed with a plurality of plates arranged to present a continuous surface and retained in position by improved sup ports part
29. 11 Espa ador de calha U 43 esa falado Paes sba Tai ia ae ea aa Topa 7 Figura 1 12 Espa ador de passagem de emerg ncia 5 7 Figura 1 13 Espa ador de barreiras de seguran a de motociclistas 5 8 Fig ra 1 14 Bamas en WO anistia ig a R a a 8 Figura 1 15 Barras de calha em U 5 ssccacsccsienecliioes das eae elie ees 9 Figura 1 16 Diversas extremidades 5 a Extremidade do tipo Cauda de Carpa b Extremidade em esp tula de amarra o ao New Jersey figura 1 19 c Extremidade em Calha U d Extremidade dupla tipo dupla Cauda de Carpa e Extremidade em barreira calandrada ccccccssessssssssssssesesssssssssssesssesesesesessseseeees 9 Figura 1 17 Barreiras longitudinais tubulares 3 10 Figura 1 18 Barreiras de cabo longitudinal 3 10 Figura 1 19 Barreiras New Jersey 8 sasasag esi cndes eaten asta Sb Ta prado geen 10 Figura 1 20 Barreiras de bet o h bridas bet o e a o 9 oo eeeeceeeeeeeeeteeeetteeeeneeees 11 Figura 1 21 Ciclo de an lise de um modelo matem tico 4 eee eeeeeeeeeeeees 12 Figura 1 22 Tipo de solu o obtida perante a velocidade de impacto 12 13 Figura 1 23 Elemento SOLID186 e outras formas prism ticas direita 16 14 Figura 1 24 Dist ncia da barreira ao solo utilizada pela Metalocar 5 20 Figura 1 25 Rotura da liga o entre bar
30. 8 93 5 8 4 2 33 2 7 T2 21 5 36 5 24 2 16 7 12 7 10 3 8 6 T3 36 6 46 7 33 8 24 7 19 4 16 0 13 6 N1 43 3 59 2 2 0 30 3 Es 19 4 16 5 2 81 9 112 0 79 4 57 2 44 7 36 7 311 H1 126 6 93 6 76 6 61 7 51 6 44 4 38 9 H2 287 5 133 0 116 8 100 4 88 1 78 5 70 8 H3 462 1 266 4 227 1 189 8 163 0 142 9 127 1 H4a 572 0 311 3 267 6 225 4 194 7 171 4 153 1 H4b 724 6 269 1 242 1 213 6 191 1 172 8 157 8 Estes valores s o calculados atrav s da seguinte equa o 4 1 53 m v sina TAE ENEA 4 1 Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real 87 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Express o obtida em fun o das condi es de embate de um ve culo como pode ser vista na figura 4 1 Figura 4 1 N veis de conten o com energia cin tica for as e deflex o da barra 53 Utilizando a equa o 4 1 em ordem velocidade v obt m se a equa o 4 2 2 F 2 csing b cosa 1 S 1 m 4 2 sin q Como este estudo incide nas liga es das barreiras de protec o rodovi ria executada a an lise aos elementos prumo e espa ador com o intuito de verificar como estes se comportam com a aplica o destas ac es Os componentes s o analisados separadamente de modo a verificar o seu comportamento individualmente aplica o da for a resultante do impacto O objectivo verificar o seu comportamento dentro de uma amplitude de for as
31. Ca w Aco norma i Z lgs ww nN Q No wo Perfil norma NF P 98412 UPN100 nes PEO S235JR NF A 91121 Q D Gaa lt S mio N O soe a 5 O material supostamente e usualmente utilizado no fabrico destas protec es s o os a os S235JR ou S275JR com um tratamento anti corrosivo obtido por galvaniza o a quente de acordo com a norma EN ISO 1461 30 24 Nos a os anteriormente mencionados a sigla S representa a aplica o do a o em causa neste caso refere um a o estrutural O valor num rico em seguida representa a tens o de ced ncia do material em megapascal MPa Por fim JR significa uma resist ncia de pelo menos 27 Joule J a uma temperatura de 20 Celsius C Na tabela 1 2 poss vel verificar que estes a os correspondem em Portugal ao material Fe 360 B e Fe 430 B respectivamente 16 Cap tulo 1 Introdu o Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Tabela 1 2 Identifica o do material segundo a norma EN 10025 31 Designa o Designa o de acordo lequivalente em com a norma EN 10025 2 2004 Portugal de acordo com a norma NP 1729 S235JR Fe 360 B S275JR Fe 430 B De seguida na tabela 1 3 poss vel verificar segundo a norma a tens o de ced ncia e de rotura dos a os S235JR e S275JR consoante a espessura da estrutura constituinte Tabel
32. Contudo a supress o do furo n o traz solu o uma diferen a substancial da for a m xima aplicada antes da n o converg ncia de solu o A for a m xima para o prumo UPN120 sem furo de sensivelmente 29 500 N Assim poss vel considerar o prumo UPN120 com furo como um representante vi vel do comportamento desta estrutura Por outro lado como o prumo verifica uma menor deforma o no sentido de aplica o da for a originando uma rota o do prumo efectuada a an lise do mesmo com uma for a remota face de liga o ao espa ador com localiza o na linha do centro de massa deste perfil figura 4 21 de modo a verificar se o comportamento do mesmo aparenta ser mais correcto resistindo a uma maior for a deformando mais e apresentando um menor momento torsor O local de aplica o da for a apresentado na figura 4 21 ral Figura 4 21 For a aplicada no prumo UPN120 na linha do centro de massa Vista de topo Assim para a uma for a remota face de aperto do espa ador aplicada na linha do centro de massa do prumo regista se que a for a m xima suportada pelo prumo de 38 500 N A figura 4 23 verifica o local de tens o equivalente m xima registada no prumo no valor de 440 11 MPa 104 Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 4 22 Localiza o da tens o equivalen
33. Rough Scope Mode Automatic Behavior Symmetric Suppressed No Advanced Formulation Interface Treatment Pure Penalty Augmented Lagrange Offset Pure Penalty Normal Stiffness MPC Update Stiffness Normal Lagrange Pinball Region Program Controlled Time Step Controls None Figura D 10 Formula o de an lise do contacto Contudo se a sua pe a for nica n o apresentar contactos deve voltar configura o da simula o atrav s da configura o da malha Dentro do menu Mesh malha pode escolher as op es na Figura D 11 em baixo ou inserir outro tipo de op es para dimensionar os elementos da malha em Sizing ou ainda escolher o tipo de elementos que quer na malha com a escolha da op o Method Com as op es presentes na Figura D 11 em baixo pode escolher o tipo de refinamento de malha em Relevance Centre com tr s hip teses distintas Coarse grosseira Medium m dia Fine fina Dentro de cada uma destas ainda pode escolher refinar de 0 a 100 em Relevance Na op o Statistics pode verificar o n mero de n s e elementos da estrutura Anexos 143 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Q C Static Structural M physics File Edit View Units Tools Help Q Zsolve ta m O A Eworksh Mesh Update Mesh Mesh Control
34. S275 However the chemical analysis confirmed that it s a steel with 99 2 of iron and 0 13 of carbon As a real tested material the characteristics presented before are the ones inserted in the finite element software used in numerical analyses performed present ahead From the stress strain curve obtained in the tensile test it s achieved the real stress strain curve through logarithmic equations and specimen measures required to introduce in the software The real curve figure 2 showed a tensile ultimate strength of 489 29 MPa and an deformation to collapse of 68 with a final stress or of 590 10 MPa The Poisson coefficient v was considered as 0 3 along with the density p of 7860 kg m True Stress MPa 8 fes 0 00 005 0 10 0 15 0 20 025 0 30 0 35 040 0 45 O50 055 060 0 65 0 70 True Strain mm mm Fig 2 True stress strain curve PLASTICITY The plastic behaviour of description is more complex than the elastic behaviour It describes the final shape of a material In material like the construction steel used in this work the plasticity isn t possible to predict even if the stress strain curve is known different structures will achieve different results unlike the elastic behaviour where is known that the final shape will be the same as the initial After the tensile yield strength the shape deformations will remain in the structure only the elastic behaviour is recovered Plasticity involves among
35. an lise galvaniza o presente no a o ensaiado a qual verificou 91 de presen a do elemento zinco Uma galvaniza o base de zinco portanto 3 2 An lise num rica O ANSYS um programa bastante amplo de op es permitindo a detalhada introdu o das caracter sticas do material E um programa que permite a execu o de an lises com comportamento n o linear permitindo abordar assim o dom nio pl stico como se pretende Este programa composto por dois principais interfaces de linguagem de comandos e programa o o Mechanical ANSYS Parametrical Design Language A P D L e o de ambiente gr fico o ANSYS Workbench O interface escolhido para a realizar as an lises foi o de ambiente gr fico Workbench Esta escolha justifica se com o facto de ser mais intuitivo e f cil de trabalhar neste ambiente desde a escolha de op es configura o da an lise Citando Azevedo 11 Devido grande complexidade associada ao desenvolvimento de modernos programas de computador dispondo de uma interface gr fica intuitiva o desenvolvimento de software tem sido cada vez mais restringido s empresas especializadas Por este motivo o utilizador programador quase desapareceu dando lugar ao mero utilizador Por predefini o no ambiente gr fico todas as vari veis s o controladas automaticamente sendo apenas definidas pelo utilizador caso este o pretenda fazer De tal modo poss vel simplesmente constru
36. ao escolher a unidade correcta do valor que pretende inserir Para a completa descri o deste material dever finalmente inserir os valores de tens o e extens o da curva verdadeira atrav s da op o Multilinear Isotropic Hardening que permite a 138 Anexos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas inser o em cima esquerda na janela Table of Properties Raw x Multilinear Isotropic Hardening Inicialmente deve escolher a temperatura a que foi efectuado o ensaio para que possa em seguida inserir os valores de extens o e tens o respectivamente sendo que o primeiro ponto deve representar apenas a extens o pl stica zero e a tens o de ced ncia O ltimo ponto representa a fractura e extens o fractura Em seguida deve retirar o visto abordado em cima da livraria do seu material e escolher a cc bi 3 A r a op o Sim quest o que lhe ser colocada relativa grava o do seu material na livraria Para terminar deve seleccionar o icone na janela Outline of General Non linear Materials ao centro de modo a adicionar o seu material an lise que ir efectuar Em seguida seleccione o cone Return to Project em cima Em seguida dever escolher a op o Geometry Figura D 1 que abrir o m dulo DesignModeler Aqui poder desenhar a estrutura atrav s da op o Sketching de
37. as equa es D 1 para o c lculo da tens o e a D 2 para o c lculo da extens o Oy Oe 1 e DI Em que Oy tens o verdadeira MPa Geng tens o da curva engenharia MPa Eeng extens o da curva de engenharia E ln 1 e 2 Em que amp y extens o verdadeira Eeng extens o da curva de engenharia Ap s a tens o de rotura deve efectuar o c lculo da tens o e extens o a cada instante atrav s das equa es D 3 e D 4 at fractura do provete F F D 3 Em que Anexos 1 3 5 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas F for a exercida no provete em cada instante N A rea da sec o do provete em cada instante mm 2 DA Ey In A D 4 Em que Ao rea da sec o do provete inicial mm A rea da sec o do provete em cada instante mm Ap s este ponto e consoante o tipo de provete que ensaiado deve rever os crit rios de c lculo da tens o na zona de estric o do provete Por fim antes da inser o do material no programa dever efectuar a subtrac o da extens o el stica em cada ponto da extens o total calculada atrav s das equa es em cima de modo a obter apenas os valores de deforma o pl stica Para tal dever utilizar a equa o D 5 Epi Er Epl D 5 Em que ep extens o pl stica Er extens o total g extens o el st
38. caracter sticas Algumas destas defini es permitem a escolha de diferentes configura es por op o atrav s de instru es de comando KEYOPT figura 2 10 ELEMENT TYPE 1 IS SOLID186 3 D 20 NODE STRUCTURAL SOLID KEYOPT 1 6 0 1 0 0 0 0 KEYOPT 7 12 0 0 0 0 0 0 KEYOPT 13 18 0 0 0 0 0 0 Figura 2 10 Configura o do elemento sob a forma de comando No exemplo da figura 2 10 exceptuando uma KEYOPT todas as restantes est o tomadas como zero portanto a configura o tomada por defeito Para o elemento SOLID186 a KEYOPT 2 a que apresenta o valor de 1 define que a tecnologia de elementos utilizada durante a simula o ser de integra o total m ximo n mero de pontos de descri o do elemento considerados na sua an lise ao inv s da op o de defeito que se apresentaria pelo valor de 0 que utiliza uma tecnologia de integra o reduzida uniforme m nimo n mero de pontos de descri o do elemento considerados na sua an lise Para este elemento SOLID186 a diferen a est em 6 pontos de integra o pois a op o reduzida considera 8 pontos 2x2x2 x y z e 14 para integra o total pois o a considera o que o ANSYS faz para integra o total ao inv s dos supostos 27 3x3x3 da E a indica o de presente na tabela 2 1 que apresenta a compara o entre pontos de integra o para alguns elementos 14 Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos 45 Optimiza o
39. como acontece nas liga es entre as barreiras de protec o rodovi ria 24 Cap tulo 1 Introdu o Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas S o executados testes de trac o para quatro tipos de liga es com dois par metros diferentes com e sem deslizamento e para cada foram executados tr s provetes O autor afirma tamb m que embora seja necess ria a folga nos furos de montagem dos parafusos das barreiras esta provoca escorregamento que afecta a transfer ncia de carga entre as barras longitudinais com vista conten o do ve culo Contudo os ensaios laboratoriais efectuados n o verificam grande diferen a entre for as de liga o Para uma liga o de quatro parafusos onde existe a maior diferen a entre a m dia dos tr s provetes com e sem deslizamento verificou se uma diferen a de aproximadamente 14 kN entre 237 67 kN para a liga o sem deslizamento e 223 57 KN para a liga o com deslizamentos Nos tr s restantes tipos de liga o a diferen a inferior a 2 KN O deslocamento da liga o por sua vez realmente maior nos ensaios com deslizamento devido ao deslizamento provocado pela folga nos furos para a montagem dos parafusos O mais importante a real ar deste trabalho que a perda da liga o entre o parafuso e a barra pode acontecer tanto por corte do metal da barra como por desencaixe do parafuso do furo onde este inserid
40. converg ncia de solu o superior da primeira an lise com uma diferen a de sensivelmente 9 300 N de 38 500 para 29 200 N Assim tendo em conta a fun o do prumo num embate directo e tendo 106 Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas em conta os deslocamentos finais obtidos poss vel considerar a primeira an lise como uma an lise v lida Embora n o seja poss vel verificar nos resultados obtidos para o prumo UPN120 a mesma confian a dos obtidos para prumo C125 poss vel ainda assim fazer o c lculo inverso e atrav s dos deslocamentos medidos calcular a for a equa es 4 10 e 4 11 e a partir desta atrav s da equa o 4 2 verificar a velocidade de embate para um ve culo conhecido E poss vel ainda atrav s das for a calculada obter a tens o equivalente m xima envolvida por via da equa o 4 12 Para tal necess rio que a for a calculada n o exceda o ponto de n o converg ncia 29 200 N e finalmente que o prumo esteja devidamente encastrado no solo 4 3 Espa ador tipo II Por fim estudado o comportamento do elemento de liga o entre o prumo e a barra longitudinal o espa ador tipo II 5 neste caso para dimens es ver Anexo G S o tomadas em conta as medidas presentes no Anexo G e elaborada uma representa o num rica do mesmo que apresenta por fim o for
41. da barra s o sujeitas a compress o e trac o existindo uma linha longitudinal neutra altura do centro de in rcia da sec o transversal neste caso ao centro onde n o existe nenhum destes esfor os A face fixa funciona como um momento contr rio ao aplicado na extremidade oposta Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico 67 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Conforme o momento aplicado aumente maior o esfor o a que est o sujeitas as linhas longitudinais da barra A barra entra em deforma o pl stica quando estas linhas longitudinais superiores e inferiores da sec o atingem a tens o de ced ncia figura 3 11 1 Este momento denominado o momento de in cio de ced ncia Mc Com o aumento do momento aplicado essa mesma tens o de ced ncia vai sendo atingida pelas linhas cada vez mais pr ximas da linha neutra Quando o momento aplicado provoca entrada ced ncia da linha neutra ocorre a plasticidade total totalmente no dom nio pl stico da sec o da barra figura 3 11 3 o denominado momento de plasticidade total Mim A representa o gr fica das v rias fases de deforma o da barra est presenta na figura 3 11 TEE b a 2 6 Figura 3 11 V rios est gios de tens es presentes numa barra sujeita a flex o pura Visto segundo a sec o transversal 51 Os tr s diferentes valores de
42. dentro destes existem deriva es de elementos consoante o n mero de n s que se pretende para o elemento Por fim existe ainda a op o pontos de integra o a considerar na execu o da an lise ou seja um elemento previamente definido pode ter a op o pois n o est dispon vel em todos est de acordo com as KEYOPT abordadas adiante neste trabalho de considerar uma integra o total ou reduzida que aumenta ou diminui respectivamente para cada elemento o pormenor da an lise Quanto maior for o n mero de n s e de pontos de integra o maior a capacidade do elemento atingir uma deforma o pr xima da real contudo essa mesma capacidade nem sempre se traduz em resultados mais precisos ou correctos 14 Em igual situa o se encontra a defini o da malha que pode ir desde grosseira a fina Uma malha mais refinada mais fina portanto nem sempre se traduz em resultados mais precisos 15 MNO PUNVWX Tetrahedra Option MNO PUMVWX Prism Option Figura 1 23 Elemento SOLID186 e outras formas prism ticas direita 16 A utiliza o da simula o num rica tem como objectivo obter melhores solu es para qualquer problema diminuindo custos relativos a ensaios experimentais preliminares A sua utiliza o n o elimina a possibilidade de execu o de ensaios pr ticos contudo permite a redu o dos mesmos figura 1 21 14 Cap tulo 1 Introdu o Optimiza
43. do espa ador tipo ID eee eeeeeeceseeeeeteeeenteeeenaees 115 Figura D 1 Componente de an lise Static Structural e suas op es 137 Figura D 2 An lise por componentes com esquema maior para a inser o de v rias an lises aara ERR DRDS E ERES PSU ORE SUR RETRO 137 Figura D 3 Esquema da op o Engineering Data para inser o das caracter sticas do maternal Sossen iiien i e RO PRORIC ERRO PRO MRE O RSS ER RR A PRA RP 138 Figura D 4 Op o Geometry a Sketching b Importar modelo noutro formato EE E Ri Tac E SO Taga Pe Bie ce hee tee ats Pile i ed Ie Ba Bh 139 Figura D 5 Ambiente grafico do Mechanical erre 140 Figura D 6 Op o de escolha autom tica ou manual da forma de integra o 140 Figura D 7 Escolha do material sas genes dale edad o Dis atua eens 141 Figura D 8 Menu Connections sccscsvicicscaiesescaaavesscavinssaeesseasacteveviacoesvasatentedeannene 141 Figura D 9 Op es de descri o de contacto 2 0 eeeeeeeeeseeceeeeeeeeeeeceeeeeceteeeeneeeeaees 142 Figura D 10 Formula o de an lise do contacto 143 Figura D 11 Op es do menu Masi ices Sey ches dude vasasso datos E sad od Papai a 144 Figura D 12 Submenu Method essi atos aa Easa AS mA Sn agi n 145 Figura D 13 cone para a escolha de diferentes formatos de selec o 145 Figura D 14 Menu Analysis Settings
44. do seu reposit rio institucional nas condi es abaixo indicadas a minha disserta o no todo ou em parte em suporte digital Declaro que autorizo a Universidade do Minho a arquivar mais de uma c pia da disserta o e a sem alterar o seu conte do converter a disserta o entregue para qualquer formato de ficheiro meio ou suporte para efeitos de preserva o e acesso Retenho todos os direitos de autor relativos disserta o e o direito de a usar em trabalhos futuros como artigos ou livros Concordo que a minha tese ou disserta o seja colocada no reposit rio da Universidade do Minho com o seguinte estatuto Disponibiliza o imediata do conjunto do trabalho para acesso mundial Universidade do Minho 31 10 2011 Assinatura ii A minha m e iii Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas AGRADECIMENTOS N o podia deixar de agradecer a todos os que me ajudaram ou apoiaram em mais uma etapa de aprendizagem que antecede o h muito esperado mercado de trabalho Professor Doutor Jos Filipe Bizarro de Meireles pelo apoio orienta o esclarecimentos prestados e material bibliogr fico disponibilizado durante todo o projecto Professor Doutor Nuno Peixinho por todos os esclarecimentos prestados ao longo do projecto Professor Doutor Pimenta Claro pela cria o deste projecto e por apoio bibliogr fico prestado Prof
45. dy 187 26 411 O valor da for a F obtida n o pode ser superior for a m xima mencionada anteriormente de 29 200 N Em seguida feita a an lise da rela o tens o equivalente m xima for a aplicada figura 4 18 Com a for a calculada anteriormente poss vel assim verificar as tens es envolvidas Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real 101 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 600 8 S 3S 300 200 o Tensao equivalente m xima MPa 100 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 F For a aplicada N Tens o equivalente m xima Polinomial Tens o equivalente m xima Figura 4 18 Gr fico Tens o equivalente m xima For a do prumo UPN120 A figura 4 18 apresenta uma linha de tend ncia da curva for a tens o equivalente m xima cujo valor de regress o de 0 9956 Valor pr ximo de 1 mas que como se pode visualizar na figura n o representa alguns m ximos e m nimos relativos da curva Contudo o seu comportamento aproximado ao da curva Os valores de tens o equivalente m xima variam visto que os pontos onde se situa essa mesma tens o no perfil UPN tamb m se alteram com a varia o de for a A equa o 4 12 representa a linha de tend ncia presente na figura 4 18 Oem 3 X 10723 F6 2 x 1018 F5 7 x 10 14 F4 4 12 1 x 107 F 6 x 1078
46. entre 0 9971 e 1 e para o deslocamento vertical dy entre 0 9983 e 1 Quando o valor da regress o atinge o valor de 1 porque atrav s da equa o da linha de tend ncia poss vel obter todos os pontos que descreveram a curva do gr fico n o necessariamente a perfei o da curva Para o c lculo da for a F atrav s do deslocamento horizontal dy existem tr s equa es que variam entre tr s intervalos de deslocamento Entre O e 18 5 mm para dy entre 18 5 e 569 mm para dp e entre 569 e 627 mm para dy3 como poss vel verificar na legenda presente na figura 4 9 As equa es polinomiais que representam estas linhas s o apresentadas nas seguintes equa es Para dg na equa o 4 3 F 48 105 dy 19934 di 308 29 4 3 Para dm na equa o 4 4 F 1x108 dy 2x 1075 dy 0 0084 dy 1 7554 dy gt 187 22 dy2 17084 ee Para dy3 na equa o 4 5 F 9x10 dys 0 0313 dys 44 845 dys 34211 dys 1 x 107 dyz 3 x 10 dys 3 x 101 8 Para o c lculo da for a F atrav s do deslocamento vertical dy existem tr s equa es que variam entre tr s intervalos de deslocamento Entre O e 2 mm para dy entre 2 e 521 mm para dv e entre 521 e 632 mm para dy3 como poss vel verificar na legenda presente na figura 4 9 Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real 95 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga
47. influ ncia da tens o interm dia 2 sobre o limite de elasticidade A representa o do crit rio de von Mises no plano de Mohr bastante mais complexa que a do crit rio de Tresca 10 A tens o interm dia 02 para o ponto de estacionaridade obtida pela equa o 2 20 10 0 03 a 2 20 Contudo esta tens o interm dia tem a possibilidade de variar at aos dois pontos extremos tomando os valores presentes na equa o 2 21 10 02 64 V 02 03 2 21 Para representar no plano de Mohr a diferen a entre os dois estados de tens o de corte octaedral cr tica Toct critica basta calcular a tens o de corte m xima Tmax associada a cada um deles Para o2 obtida pela equa o 2 20 esta obtida atrav s da equa o 2 22 10 3 Ss 2 22 Tmax 2 Toct cr tica Para 62 obtida pela equa o 2 21 a tens o de corte m xima Tmax obtida pela equa o 2 23 10 3 2 Tmax 4 Toct cr tica 2 23 A figura 2 12 apresenta o plano de Mohr com varia o de tens o de corte m xima 48 Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 3 T max 2 Toc E V crit 3V2 T max 4 t oF live 7777777777 Figura 2 12 Representa o do crit rio de von Mises no plano de Mohr 10 Esta diferen a na tens o de corte m xima tendo em conta os valores da te
48. lise feita neste ambiente atrav s da op o Write Input File presente na Figura D 18 M C Static Structural Mechanical ANSYS Multiphysics e File Edit View Units Tools Help Q Solve v tM Solution Information EMiS Tmn j Outline Read Result Files Project Solve Process Settings E Fixo e Momento Addins Geometry Options x Solid Variable Manager yk Coordinate Sy GN 8 Mesh un Macro im Automatic Method 3 A Static Structural C5 VA Analysis Settings AB Fixed Support 8 Moment E A Solution C6 J Solution Information MB Equivalent Stress Figura D 18 Op o Write Input File Se quiser ent o verificar ou obter algumas listagens que a vertente Workbench n o proporciona dever ent o abrir a vertente Mechanical APDL e seleccionar a op o Read Input from presente na Figura D 19 A ANSYS Multiphysics File Select List Plot PlotCtrls WorkPlane Parameters Macro MenuCtris Help Clear amp Start New Change Jobname Change Directory Change Title IUIT POWRGRPH Resume Jobname db a Resume from Save as Jobname db Save as Write DB log file Read Input from Switch Output to List D File Operations ANSYS File Options Import Export Report Generator Ba Figura D 19 Op o Read Input from do Mechanical A
49. o entre dom nio el stico e pl stico 40 Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Para al m da medi o da rea abaixo da curva tens o extens o existe tamb m a possibilidade de c lculos anal ticos aproximados Existe uma distin o pr via do c lculo anal tico da tenacidade para materiais fr geis e d cteis sendo do interesse deste trabalho os materiais d cteis no qual se enquadra o a o de constru o objecto de estudo deste trabalho a Comportamento d ctil Figura 2 7 Ilustra o do c lculo aproximado da tenacidade 10 Neste princ pio a equa o 2 6 apresenta o c lculo aproximado do m dulo de tenacidade Ur de um material d ctil O 0 em i 2 6 2 1 3 Tens o e extens o verdadeira O comportamento do material no dom nio pl stico tal como apresentado no ensaio de trac o n o reflecte o verdadeiro comportamento do material A curva tens o deforma o resultante do ensaio de trac o representa o comportamento do material em estudo considerando uma sec o constante do in cio ao fim do ensaio algo que n o acontece na realidade O que ocorre na realidade uma varia o da sec o do provete durante todo o ensaio principalmente durante a deforma o pl stica Desta forma embora a tens o aumente at tens o de rotura e diminua desta at fractura na
50. o 2 4 cc 2 4 Como poss vel verificar na figura 2 4 o material tipicamente d ctil apresenta melhores caracter sticas para a absor o de energia atrav s da sua maior capacidade de deforma o 2 1 2 Deforma o pl stica A deforma o pl stica alberga aspectos particulares como o efeito de Bauschinger encruamento anisotropia entre outros 47 De modo a facilitar o c lculo matem tico o comportamento anisotr pico deforma es consoante as diferentes propriedades f sicas nas diferentes direc es ignorado e considerado como isotr pico deforma es consoante as semelhantes propriedades f sicas em todas as direc es Para o material a tratar o a o a an lise isotr pica fornece resultados v lidos A figura 2 5 apresenta o comportamento de um material isotr pico para a posi o inicial e final nas diferentes direc es 04 Superf cie final q Superf cie inicial 02 O3 Figura 2 5 Superf cie inicial e final nas diferentes direc es Comportamento semelhante 14 Dentro da isotropia existe contudo o coeficiente de Poisson v que indica a rela o entre a deforma o transversal em rela o direc o de aplica o da carga tendo portanto um valor adimensional A equa o 2 5 representa o c lculo deste coeficiente Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos 39 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas De
51. o local de situa es de acidente constata se que por vezes os ve culos transp em a mesma figura 1 37 por m 32 Cap tulo 1 Introdu o Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas fixa o ao solo ou por incorrecto perda de liga o entre o prumo e espa ador Noutras situa es tamb m se verifica o romper da liga o entre as v rias barras longitudinais 37 Figura 1 37 Elementos constituintes de uma barreira de protec o rodovi ria 3 O objectivo prende se ent o com a reprodu o e an lise de um exemplo num rico de modo a verificar o comportamento do mecanismo onde se inicia o problema e se poss vel encontrar uma solu o para o mesmo O comportamento de materiais na zona de deforma o pl stica n o espect vel como acontece na deforma o el stica onde por norma a linha de tens o deforma o linear e onde o descarregamento se d pela mesma linha de carregamento do elemento em estudo Assim como se pretende entrar no estudo do comportamento pl stico este trabalho recorre ao apoio num rico atrav s do programa ANSYS O apoio num rico simplifica a reprodu o e an lise de qualquer problema que entre no dom nio da plasticidade Este trabalho enquadra se num projecto mais geral de modelar um sistema completo de barreiras de protec o com o qual se consiga prever com maior exactid o o comportamento pl stico dos
52. plano 2x2 pontos de integra o a vermelho CIA O BRR E ERRO PER O RR RR ARE RD SRD NR E ERRADO E IR O garter Saiaaes 52 Figura 2 15 Elemento SOLID186 3 D de 20 n s 49 esesessesssesesisrerserersrrsreseee 52 Figura 2 16 Representa o geom trica do elemento SOLID187 um tetraedro de 10 NOS AI E A A CA A A a a 54 Figura 3 1 Equipamento de realiza o de ensaios de trac o 58 Figura 3 2 Dimens es do espa ador 25 cc ceessecesscecesececeeeeeceeceeceeececeeeeesneeeenseeees 58 Figura 3 3 Dimens es do provete suco ci ahi oe ee a ed 59 Figura 3 4 Extens metro mec nico utilizado rr 60 ndice de Figuras xiii Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 3 5 Provete ap s fractura saia iusisa essere inc doladasapiaieaphs isa dosgissdil al bada asa psadnqu da 60 Figura 3 6 Diferentes est gios de uma fractura d ctil do tipo ta a e cone 10 61 Figura 3 7 Curva de engenharia para lo cssssccssscsesssssessnresersseesnsescnccessnccesseesens 62 Figura 3 8 Descri o do material no ANSFS neta 63 Figura 3 9 Barra do exerc cio WBVMMECHO2 fixa numa extremidade e momento apicadonaoposta 16 causa aaspatisla sa adriana ss nas las gica 67 Figura 3 10 Diagrama de corpo livre da barra do exerc cio WBVMMECH029 67 Figura 3 11 V rios est gios de tens
53. que corresponde numericamente a uma solu o n o convergente 2 Assim o passo seguinte o de reproduzir o mesmo exerc cio no programa de elementos finitos Opta se por uma descri o detalhada dos pormenores envolvidos na prepara o do c lculo num rico porque a escolha das diferentes op es influenciam os resultados Inicialmente no ambiente gr fico do programa opta se pelo m dulo Engineering Data Dados de engenharia onde se introduzem as propriedades do material Para que a an lise seja feita de forma m ltipla com configura es semelhantes para todos os momentos esta op o introduzida singularmente tal acontece com a componente Geometry Geometria podendo ser transportada a sua configura o para v rias an lises com v rios momentos diferentes figura 3 13 Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico 71 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas IN Barra tutorial WBVMI 9 Work File View Tools Units Help New Open lal Save lal Save As Import p Reconnect Refresh Project Update Project Project Compact Mode EEE E Analysis Systems EM Explicit Dynamics ANSYS SA s x E 5 as erga See pm a es 9 2 9 Engineering Data V 2 Engineering Data V 2 Engineering Data Em Static Structural ANSYS tee e 31 Geometry Zi 3 Geo
54. realidade a sec o do provete vai diminuindo pelo que a tens o localizada na rea de estric o vai aumentando e o comportamento da curva de Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos 41 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas aumento durante todo o ensaio Como a tens o representa uma for a sobre rea embora a for a diminua a rea correspondente tamb m diminui pelo que a tens o acaba por aumentar A extens o tamb m necessita de ser ajustada visto que existe uma varia o da sec o do provete em todas as direc es Assim sendo existem crit rios de correc o desta curva denominada curva de engenharia para a curva tens o deforma o verdadeira LOOO TRUE STRESS a 7 TRUE STRAIN DR co e j ne ue et FROM RA WITH 800 ape Penge aad BRIDGMAN CORRECTION 4 j L asa ho 600 ENG EnG STRESS 1 E UTS pens STRAN a id ar ii CURVATURE AT NECK a Fi Ir 6 5 mml PK 200 ASI 440 STEEL HOT ROLLED STRAIN Figura 2 8 Exemplo de diferen a entre a curva de engenharia e a verdadeira para um a o AISI 4140 conformado a quente 48 A diferen a entre estas dentro do dom nio el stico muito baixo pelo que n o se procede ao ajustamento da linha Dentro do dom nio pl stico necess rio proceder ao reajustamento da linha Neste dom nio s o consideradas duas zonas distintas A primeira a zona de def
55. sofrido no espa ador no valor m ximo de d 9 96 mm 35000 30000 25000 20000 15000 For a aplicada N 10000 F 5000 0 2 4 6 8 10 d Deslocamento mm Deslocamento mma Polinomial Deslocamento Figura 4 27 Gr fico For a Deslocamento do espa ador tipo II Atrav s da curva presente no gr fico da figura 4 277 retirada a linha de tend ncia a tra o interrompido cuja regress o apresenta o valor de 0 992 A equa o 4 13 uma equa o polinomial de terceiro grau e representa a linha de tend ncia presente no gr fico da figura 4 27 F 86 346 d 1881 1 d2 13366 d 346 19 4 13 Por fim a figura 4 28 apresenta o deslocamento final apresentado pela simula o Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real 109 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 4 28 Deslocamento final do espa ador tipo II Atrav s da simula o num rica tamb m poss vel obter a seguinte curva de tens o equivalente m xima for a presente na figura 4 29 500 a D wo oOo 400 350 300 250 200 150 100 o Tensao equivalente m xima MP o 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 F For a aplicada N Tens o equivalente m xima Polinomial Tens o equivalente maxima Figura 4 29 Gr fico Ten
56. solu o para a aproxima o solu o do exerc cio Da a indica o no enunciado para a utiliza o de elementos de dimens es de 0 5 in Desta forma opta se por verificar outras configura es visto que o problema n o est na malha 76 Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 3 2 3 Segunda fase de valida o Defini o dos elementos Ap s as varia es de malha e segundo a refer ncia 14 tornam se manuais as op es que est o controladas automaticamente pelo programa sendo poss vel verificar que altera es ocorrem na solu o A refer ncia 15 apresenta tamb m outras op es nomeadamente a do m todo de cria o de malha onde poss vel escolher o tipo de elementos em vez do controlo autom tico do programa figura 3 16 Details of Automatic Method Method q Scope Scoping Method Geometry Selection Geometry 1 Body Definition Suppressed No metno EIET Element Midside Nodes Tetrahedrons Hex Dominant Sweep MultiZone CFX Mesh Figura 3 16 Defini o manual do m todo de cria o de malha O programa est a utilizar automaticamente hexaedros como poss vel verificar na figura 3 15 mas tamb m poss vel adoptar outras op es como as presentes na figura 3 16 e figura 3 17 utilizando o controlo manual Na fig
57. tend ncia uma equa o polinomial de sexto grau e est presente na equa o 4 9 Oem 6 x 10 28 F6 4x 10 22 F5 1 x 10 16 F4 4 9 1 x 10711 F3 1 x 1078 F 0 037 F 2 0311 Para a ltima for a aplicada antes da n o converg ncia de solu o antes da entrada em plasticidade total do material a tens o equivalente m xima de 547 05 MPa e encontra se como esperado pr ximo da extremidade inferior do prumo como mostra a figura 4 12 547 05 Max 486 27 425 48 364 7 303 92 243 13 182 35 121 57 60 783 2 9728e 7 Min sain x Z Figura 4 12 Localiza o da tens o equivalente m xima final C125 4 1 1 Conclus es do prumo C125 poss vel verificar que este prumo suporta grandes deforma es antes de atingir a plasticidade total da sua sec o Contudo para deforma es e deslocamentos elevados a sua funcionalidade num embate directo quase desprez vel Ainda assim para embates semelhantes aos analisados numericamente na direc o do prumo que resultem em pequenos deslocamentos a sua fun o de absor o vi vel assim poss vel fazer o c lculo inverso e atrav s dos deslocamentos medidos calcular a for a equa es 4 3 4 4 4 5 4 6 4 7 e 4 8 e a partir desta atrav s da equa o 4 2 verificar a velocidade de embate para um ve culo conhecido Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real 97 Optimiza o
58. todos aqueles que n o mencionei mas intervieram directa ou indirectamente na elabora o deste projecto Agradecimentos V Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas RESUMO A presente tese de mestrado exp e o estado da arte das barreiras de protec o rodovi ria com incid ncia mais profunda nas barreiras met licas mais usuais rea de estudo deste trabalho De modo a executar uma an lise fidedigna descrita previamente a curva do material obtida experimentalmente que posteriormente tratada de modo a obter a curva verdadeira do material para introdu o no programa As an lises executadas s o de cariz est tico estudando de forma individual estes dois elementos Como se pretende verificar o comportamento pl stico das mesmas o estudo num rico recorre ao programa ANSYS que permite o estudo n o linear e pl stico nas suas an lises Neste trabalho s o executadas an lises das liga es prumo e espa ador das barreiras de protec o rodovi ria com vista ao entendimento do seu comportamento de deforma o comparando dois tipos de perfis o UPN120 e o C125 retirando por fim as equa es que descrevem o comportamento das diferentes estruturas de modo a poder aplicar as an lises num ricas a casos reais de colis o Resumo vi Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas ABSTRA
59. verifica se atrav s de locais de acidentes que estas barreiras met licas t m um comportamento distante do que se pretende tanto por via da m fixa o dos prumos como pela n o rotura da liga o entre o prumo e o espa ador sendo esse o motivo de estudo deste trabalho Assim este estudo incide essencialmente sobre a plasticidade e comportamento das barreiras ao n vel das liga es ao solo e prumo barra Devido maior dificuldade de an lise do comportamento pl stico dos materiais este trabalho tem o apoio de software programa inform tico o ANSYS de modo a poder reproduzir e analisar um exemplo num rico com o intuito de verificar onde se encontram os maiores problemas Cap tulo 1 Introdu o 1 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 1 1 Defini o do problema A primeira barreira de protec o de estradas a ser patenteada segundo a pesquisa efectuada remonta a 27 de Mar o de 1923 data de publica o por John A Lawson Anexo A N o possui exactamente os mesmos componentes de hoje em dia mas assemelha se e tinha precisamente o mesmo objectivo Actualmente as barreiras de protec o rodovi rias apresentam se em diferentes formas desde cabos de a o a barreiras de bet o Contudo o tipo de barreiras mais frequente e que ser objecto de estudo neste trabalho s o constitu das por tr s elementos principais figura 1 1 e o material co
60. 0 600 Por fim o a o S275JR apresenta a composi o qu mica presente na tabela 3 3 Tabela 3 3 Composi o qu mica do a o S275JR em teores m ximos 50 Elemento Qu mico Carbono Mang nes F sforo Enxofre Azoto Cobre Abreviatura P S N Cu Composi o 0 045 0 045 0 014 0 600 Por compara o entre os v rios a os verifica se que o a o ensaiado laboratorialmente apresenta uma percentagem de carbono inferior dos restantes o que o torna mais d ctil Ao ser mais d ctil compreens vel que o m dulo de Young seja inferior embora n o seja poss vel quantificar o quanto inferior deveria representar essa diferen a do teor de carbono 64 Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Verifica se que o valor de percentagem de mangan s de sensivelmente 1 3 dos a os S235JR e S275JR Este elemento qu mico contribui para o aumento da dureza do material Os restantes elementos pass veis de serem comparados enxofre e azoto verificam que grande discrep ncia percentil entre a o ensaiado laboratorialmente comparativamente aos a os S235JR e S275JR E poss vel assim afirmar que a composi o qu mica do a o ensaiado n o aproximada aos dos a os S235JR e S275JR como seria expect vel Para al m da composi o qu mica foi tamb m elaborada uma
61. 006 Timoshenko S Resist ncia dos Materiais Vol II Rio de Janeiro Livros T cnicos e Cient ficos Editora S A 1975 United States Patent Office US 1449518 Road guard United States 1923 Editor J F Silva Gomes
62. 2 5 tamb m atrav s da deforma o pl stica que se procede conforma o de materiais dando lhe a forma pretendida atrav s da deforma o do material O comportamento de um material sujeito a deforma o pl stica descrito pela sua curva de tens o extens o Este entra no dom nio pl stico exist ncia de deforma o pl stica quando excede a tens o de ced ncia A partir da tens o de ced ncia as deforma es produzidas no material tornam se definitivas A linha de descarregamento por sua vez n o se d na perpendicular ao eixo da extens o como seria de esperar segmento ac mas sim de acordo com o declive correspondente ao m dulo de Young pois existe sempre a recupera o el stica do material quando descarregado seja antes ou depois da fractura Assim o descarregamento d se paralelamente linha de carregamento dentro da elasticidade segmento ab como poss vel verificar na figura 2 6 Figura 2 6 Ilustra o da linha de descarregamento linha verde segmento ab A capacidade de absor o de energia no dom nio pl stico tenacidade um par metro dif cil de definir 47 mas pode ser avaliada considerando toda a rea abaixo da linha de carregamento do ensaio de trac o na zona pl stica Portanto embora existam dois conceitos resili ncia e tenacidade quando um material sofre deforma o pl stica considera se toda a capacidade de absor o de energia como tenacidade sem distin
63. 4 pp 31 40 43 Large Plastic Deformation of W Beams Used as Guardrails on Highways Hui S K and Yu T X Sui a s n 2000 Key Engineering Materials Vols 177 180 pp 751 756 44 Lima Hugo Miguel Parente Comportamento Funcional e Estrutural das Barreiras de Seguran a Universidade do Porto s n 2006 45 Davim J P and Magalh es A G Ensaios Mec nicos e Tecnol gicos s l Estante Editora 1992 46 Silva Lucas Duarte Teresa and Antunes Viriato Problemas e Trabalho Pr ticos de Metalurgia s l FEUP Edi es 2008 47 Branco Carlos Moura Mec nica dos Materiais 2 Lisboa Funda o Calouste Gulbenkian 1994 48 Boyer H Atlas of Stress Strain Curves 2 Materials Park ASM International 1990 49 Moaveni Saeed Finite Element Analysis Theory and Application with ANSYS 2 s l Prentice Hall 2003 50 Ferpinta Online Cited Outubro 30 2011 http www ferpinta pt index php cat 26 amp PHPSESSID 808306d40af60cbcfd4e95a2814e cded 51 Timoshenko Stephen P Resist ncia dos Materiais Rio de Janeiro Livros T cnicos Cient ficos Editora S A 1975 Vol II 52 ANSYS Inc Workbench Mechanical Structural Nonlinearities Workshop Supplement 1 2009 Vol Release 12 0 53 Normaliza o Comit Europeu de EN 1317 1 1998 Road Restraint Systems Part 1 Terminology and General Criteria for Test Methods Bibliografia 123 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga
64. 5 Figura 4 23 Deslocamento final total do prumo UPN120 com for a remota Aplicada cento demassa ed hc ee a a s 105 Figura 4 24 Representa o do espa ador tipo II 107 Figura 4 25 Fixa o e for a aplicada no espa ador tipo II Vista superior 108 Figura 4 26 Amortecedor tipo II Defini o da malha grosseira 108 Figura 4 27 Gr fico For a Deslocamento do espa ador tipo II 109 Figura 4 28 Deslocamento final do espa ador tipo H eee eeeeeeeeeeeeeteeeeeteeeeneees 110 Figura 4 29 Gr fico Tens o equivalente m xima For a do espa ador tipo II 110 Figura 4 30 Localiza o da tens o equivalente maxima final do espa ador tipo II ndice de Figuras XV Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 4 31 M quina de ensaio de trac o compress o Dartec M1000 R D 112 Figura 4 32 Espa ador tipo II antes do ensaio experimental c eeseceeeseeeeeeee 112 Figura 4 33 Barra utilizada no ensaio de compress o do espa ador tipo II 113 Figura 4 34 Espa ador tipo II ap s do ensaio experimental 113 Figura 4 35 Gr fico For a Deslocamento do ensaio experimental ao espa ador tipo I i T AATRE RE EEE EE RE xe ASPIRE CR EINE ER 114 Figura 4 36 In cio de fractura
65. 5 1 7 Re yis o bibliografica sui e A E ee 21 1 8 OD ECE VO Ss seess tieneet t AAEE dasa EE N EEA REE EE 32 2 FUNDAMENTOS TE RICOS 0 scssesssssssssseesneessseesnsecseseesececseseenneesnseeseneeses 35 2 1 An lise do comportamento el stico e pl stico do material 35 ndice IX Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 21 1 Deforma o Cl stica iiss assess isa regimes sa porsiata nindin 36 212 Deforma o pl sticas i aspas saad eatin a dela 39 2 1 3 Tens o e extens o verdadeira cqrassanlgassoassacsfamatgada we Res fassa g assina pesada 41 Zo SSTMA O rante danada tao ada Said bl a Sinal ac 44 2 2 1 Crit rio de plasticidade von Mises v2 c35c8 So svecsuces nada read tase Ronin dan as dns podres 47 2 2 2 Formula o dos elementos Deslocamento puro 51 Zid Elemento Saa es te eee Rad 52 DB SS QEIDA SO aieeao eirinn uadavs tees aeeaseactenss 52 2232m SOLIDIS ena a E E A E A 54 2 3 REVIS O E EE E pas dum ju Gea 55 3 MODELA O NUM RICA DE UM SISTEMA COM COMPORTAMENTO RSS ICO err oa oe CEO PT O a eT IE 57 3 1 Desen o do material nssssssecnionirniiii nren EE NR aun 57 31 1 Composi o do Material mcsessreni geese na Eaa eke 63 3 2 Analise nUmMm Ca dice iness Get Ro laces eaha i aa e Rd Da Ta iS 65 Jedd Valida o d programa scesi e E Ra 66 3 2 2 Primeira fase de valida o Defini
66. 5 and the I beams 6 form an upright standard which is sup ported by an inclined I beam 7 the lower end of which is riveted to brackets 8 which in turn are bolted as at 9 to the block 1 d The upper end of the beam 7 is riveted to one of the plates 5 as shown in Figure 3 The plates 5 may be either welded to the beams i ae shown or riveted or bolted thereto In the present instance the inclined supporting beams 7 rise to the standards from the exposed ends of the blocks 1 but if the road is one not encircling a cliff or other abrupt declivity the beams 1 are embedded completely in the ground Extending through the plates 5 midway their ends and between the I beams 6 are a pair of large bolts 10 each carrying a coil spring 11 Between the coil springs 11 and the headed ends of the bolts 10 wherein is 70 75 no 128 Anexos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas a 1 ao are arranged plates 12 which form the ard per se The plates 12 are posi tioned about six inches from the ground or surface of the road and extend upwardly flush with the tops of the standards The scie late may be of though prefera rectangular ing plates are riveted to a strip 13 so that in effect the plates form a continuous wall which may shaped to conform to the curvature of the road The end plates are raced in any sui
67. 7 Ensaio 2 Ensaio 4 Ensaio6 M dia For a KN agi RA Aa M TAN N M al Na al AA AA 0 5 10 15 20 25 3 Deslocamento mm Figura 1 29 Gr fico do ensaio din mico 41 Cap tulo 1 Introdu o 21 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Este ensaio tem como objectivo perceber a capacidade que o aperto inicial tem para evitar o deslizamento Neste caso s o exercidas for as m ximas na ordem dos 3 kN no caso dos ensaios quase est ticos e 4 kN no caso dos ensaios din micos Hui Ruan e Yu 42 apresentam outro trabalho onde s o executadas compara es entre testes est ticos e din micos exercidos sobre uma barra longitudinal em W constru da escala de 1 3 75 Tamb m feita a an lise de dissipa o de energia nos postes mas no ensaio din mico Os ensaios s o feitos com diferentes tipos de suporte e condi es de fronteira S o considerados neste trabalho ensaios sobre superf cies de apoio rectangular no caso da an lise din mica um dos lados est fixo utilizada uma cunha que exerce a deforma o colide ao centro da barra longitudinal L 2 A massa da cunha de 12 92 kg Sentido de Cunha movimento da cunha Barra longitudinal de teste Figura 1 30 Descri o do ensaio 42 O ensaio quase est tico executado com uma velocidade de deslocamento da cunha de 5 mm min e retirada
68. CT The present master degree dissertation exhibits the state of the art of the road safety barriers with special focus in the most usual metallic barriers subject area of this work In order to perform a realistic analysis it is done an experimental test to obtain the stress strain curve which will be treated so the true stress strain curve can be obtained in order to introduce it in the software The analyses performed are static and the two structures are independently analysed In order to study the plastic behaviour in these structures this work uses software that allows the non linear and plastic behaviour in its analyses the ANSYS In this work are performed connection analyses post and spacer of the road safety barriers in order to understand their deformation behaviour comparing the two post types the UPN120 and the C125 achieving the final formulation that describes its behaviour in order to able to apply that formulation in real crash cases Abstract vii Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas PALAVRAS CHAVE An lise est tica n o linear ANSYS Barreiras de protec o rodovi ria Capacidade de conten o Deforma o pl stica EN 1317 Prumo UPN120 C125 Espa ador KEYWORDS Non linear static analysis ANSYS Road safety barriers Containment capacity Plastic deformation EN 1317 Post UPN120 C125 Spacer Palavras
69. Diferentes materiais t m diferentes comportamentos quando sujeitos a um ensaio de trac o A figura 2 1 por sua vez demonstra as diferentes formas de um provete ao longo do ensaio de trac o de um material tipicamente d ctil El stico Pl stico Plasticidade Plasticidade Tens o o uniforme n o uniforme T nsdodaroiura Instabilidade pl stica R Tens ensao limite de elasticidade Fractura Extens o e Figura 2 2 Diferentes fases de um ensaio de trac o 10 2 1 1 Deforma o el stica A deforma o el stica o primeiro estado de deforma o a que qualquer material Z el stico pode estar sujeito E preciso que este passe pela deforma o el stica antes de atingir a deforma o pl stica 36 Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas A lei de Hooke equa o 2 3 define matematicamente o comportamento el stico de um determinado material Com esta poss vel obter o M dulo de Young E ou tamb m denominado m dulo de elasticidade longitudinal de determinado material que permite identificar a rela o tens o extens o representada pela linha de carregamento dentro do dom nio el stico o E e 2 3 A principal caracter stica do regime el stico que a linha de carregamento e descarregamento do material s o as mesmas Assim sendo n o exist
70. E Management Results Tracking PROBLEM DIMENSIONALITY 3 D B Solve DEGREES OF FREEDOM UX UY UZ ROTX ROTY ROTZ Plcurrent LS ANALYSIS TYPE STATIC STEADY STATE NONLINEAR GEOMETRIC EFFECTS a mFrom LS Files PLASTIC MATERIAL PROPERTIES INCLUDED IR Soba grert Load Stop E Partial Solu NEWTON RAPHSON OPTION Manual Rezoning GLOBALLY ASSEMBLED MATRIX m Multi field Set Up ADAMS Connect LOAD STEP O m Diagnostics SOLUTION OPTIONS x SOLVE Begin Solution of Current Load Step Review the summary information in the lister window entitled STATUS Command then press OK to start the solution LOAD STEP NUMBER E Unabridged Men TIME AT END OF THE LOAD STEP General Postproc AUTOMATIC TIME STEPPING a TimeHist Postpro INITIAL NUMBER OF SUBSTEPS Topological Opt MAXIMUM NUMBER OF SUBSTEPS ROM Tool MINIMUM NUMBER OF SUBSTEPS Ea Eco MAXIMUM NUMBER OF EQUILIBRIUM ITERATIONS DesignXplorer STEP CHANGE BOUNDARY CONDITIONS Design Opt TERMINATE ANALYSIS IF NOT CONVERGED YES EXIT a Prob Design CONVERGENCE CONTROLS USE DEFAULTS Radiation Opt COPY INTEGRATION POINT VALUES TO NODE YES FOR ELEMENTS WITH Run Time Stats ACTIVE MAT NONLINEARITIES E Session Editor E Finish Figura D 21 Execu o de an lise no Mechanical APDL 150 Anexos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estra
71. E Mesh Normal Normal AB Automatic Method Shear Shear Static Structural C5 Energy Vector Principal N Analysis Settings 48 Fixed Support Vector Principal Error 48 ee 9 Thermal 6 Solution C6 y Solution Information yf Equivalent Stress 92 Equivalent Plastic Figura D 15 Op es de solu o do menu Solution Por fim ter de seleccionar o cone Solve Figura D 16 de modo a iniciar an lise por parte do programa Solve Figura D 16 cone Solve Anexos 147 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Por fim pode verificar relat rios dos passos efectuados pelo programa tanto a n vel de texto como a n vel gr fico atrav s do menu Solution Information op o Solution Output Figura D 17 C Static Structural Mechanical ANSYS Multiphysics 6 EP Worksheet Q 9 8 Ov File Edit View Units Tools Help Q ZSolve eae fy PRR BS Se QQ Solution Information Result Tracker v Outline Project 5 amp Fixo e Momento B4 C4 Geometry x Sold z Coordinate Systems 8 Mesh Ap Automatic Method VA Analysis Settings AB Fixed Support 8 Moment 6 Solution C6 AB Equivalent Stress DB T WELCOME TO THE ANSYS PROGRAM Preeti titi i titi iii iii rir iii iii rir
72. ECHO29 Esta malha ent o constitu da por 3018 elementos SOLID187 apresentando a seguinte defini o figura 4 8 w DON JN VV V VV ANA K Figura 4 8 Prumo C125 Defini o da malha grosseira Verifica se por tentativa erro que a ltima for a aplicada para a qual existe converg ncia acontece a sensivelmente F 178 500 N Em seguida na figura 4 9 s o apresentados os resultados de for as obtidas atrav s da medi o dos deslocamentos decomposto em duas componentes em rela o posi o inicial do prumo no eixo dos xx horizontal e no eixo dos yy vertical verificar eixos na figura 4 6 obtidos atrav s da simula o num rica Como as curvas de for a deslocamento n o permitem uma linha de tend ncia nica para a sua correcta descri o cada uma das componentes de deslocamento foi dividida em tr s partes como poss vel verificar na figura 4 9 Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real 93 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 200000 180000 160000 140000 120000 100000 F For a aplicada N 20000 0 100 200 300 400 500 600 700 d Deslocamento mm Deslocamento horizontal dH1 0 18 5 mm Desiocamento horizontal dH2 18 5 569 mm Desiocamento horizontal dH3 569 627 mm Deslocamento vertical dV1 0 2 mm Deslocament
73. F 0 0078 F 5 873 Para a ltima for a aplicada antes da n o converg ncia de solu o antes da entrada em plasticidade total do material a tens o equivalente m xima de 496 52 MPa como poss vel verificar na figura 4 19 102 Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 4 19 Localiza o da tens o equivalente m xima final UPN120 A figura 4 19 indica que o local de tens o equivalente m xima para a for a final de 29 200 N situa se no local do furo onde aparafusado o espa ador Sendo esta a for a final quer dizer que o material atingir plasticidade m xima nesse local 4 2 1 An lises alternativas ao prumo UPN120 Como a an lise verifica que a tens o m xima no furo de aparafusagem do espa ador e de modo a que tal situa o n o coloque em causa a an lise pois o furo pode estar a induzir em erro a an lise do comportamento do prumo efectuada nova an lise para um prumo UPN120 semelhante mas sem furo A figura 4 20 indica o novo local de tens o equivalente m xima antes da n o converg ncia de solu o cujo valor de 448 76 MPa Figura 4 20 Localiza o da tens o equivalente m xima final UPN120 sem furo Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real 103 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas
74. INRETS Equipements de la Route Entre outros pontos existem determinadas medidas estipuladas como dist ncia entre prumos 2 ou 4 metros dist ncia da barreira ao solo e medida do prumo figura 1 24 a sobreposi o das barras por sua vez ter de ter um comprimento equivalente a 300 315 ou 318 mm de acordo com o fabricante e a barreira que sobrep e outra tem de estar no sentido de movimento do tr nsito para que em caso de embate esta n o trepasse a carro aria do autom vel s o alguns pormenores importantes a ter em considera o A barreira nunca se pode iniciar acima do n vel do solo considerando o sentido do movimento do tr nsito Todas as extremidades livres devem ser firmemente ligadas ao solo ancoradas 550 1700 Figura 1 24 Dist ncia da barreira ao solo utilizada pela Metalocar 5 Os locais de instala o das barreiras de protec o rodovi ria encontram se estipulados de acordo com a norma de tra ado JAE P3 94 28 e de acordo com a Lei n 33 2004 de 28 de Julho sendo que esta ltima torna obrigat ria a coloca o de protec es inferiores de modo a que n o fique exposto o prumo muito importante para os motociclistas nos pontos de maior risco das vias rodovi rias Em Fran a existe uma ampla investiga o e desenvolvimento de seguran a das vias rodovi rias tendo institui es como o SETRA Service d Etudes Techniques de Routes et Autoroutes e o LIER Laboratoire d essai
75. Materials Da Linear Elastic 6 WD Hyperetasnc materials DE E 7 WD Magnete B H Curves DE 8 Favores Bicio E 1 1 2 CEEE Properties of Outine Row 17 Material A E EE ufe E E Thermat E Linear Soft Magnetic Material E Linear Hard Magnetic Material Noninear Sof Magnet Materia EB Noninear Hard Magnetic Material PET Thermopower E Brite Granular B Equations of state B Porosty Plastic Strain mm 1 r Mew Al Customize Ready Show Progress Show 19 Messages Figura D 3 Esquema da op o Engineering Data para inser o das caracter sticas do material Inicialmente tem que colocar o visto frente da livraria de materiais que quer adicionar na janela Outline Filter neste caso foi a livraria General Non linear Materials De seguida em baixo desta tem a janela Outline of General Non linear Materials onde pode dar o nome ao seu material escrevendo na linha Click here to add a new material Aqui pode inserir as caracter sticas com que pretende descrever o material presentes na Toolbox esquerda Neste caso foram inseridas as seguintes caracter sticas e Density Massa vol mica e Isotropic Elasticity onde pode inserir o m dulo de Young e o coeficiente de Poisson e Tensile Ultimate Strength tens o de rotura do material e Multilinear Isotropic Hardening Em todas elas deve ter cuidado
76. N with the maximum equivalent stress 547 05 MPa location 60 783 2 9728e 7 Min Fig 8 Final shape of post C125 and maximum equivalent stress location for F 178 500 N As it is possible to see in figure 8 the post behaviour deforms near to soil fixed support where the maximum stress is located The C125 steel profile deforms correctly too so it s possible to consider a valid mesh The spacer behaviour is also analysed In this case the displacement is represented by in a single value The stress analysis is the most important in order to identify the initial material collapse location which can be compared with the experimental analysis The maximum force supported by spacer before non convergence results is F 31 500N The maximum displacement observed measured d 9 96 mm and the formulation provided by the force displacement curve tendency line is present in equation 9 F 86 346 d 1881 1 d 13366 d 346 19 9 The maximum equivalent stress measured for F 31 500 N was 459 75 MPa Its location is present in figure 9 153 25 0 00027695 Min Fig 9 Final shape of spacer and maximum equivalent stress location for F 31 500 N The figure 9 is important in order to compare the numerical results with the experimental ones With this location is possible to understand that the material should start to collapse there For spacer is possible to compare results with experimental analysis The experiment l
77. N 1317 Sistemas de Reten o Rodovi ria 33 Normaliza o Comit Europeu de EN 1317 2 1998 Road Restraint Systems Part 2 Perfomance Classes Impactes Acceptance Criteria and Test Methodos for Safety Barriers 34 Metalocar Online Cited Outubro 15 2011 http www metalocar pt noticias php 35 Normaliza o Comit Europeu de EN 10002 1 Metallic Materials Tensile Testing 36 EN 10002 1 2001 Metallic Materials Tensile Testing adaptado 37 Engstrand Klas Erik Improvements to the Weak Post W Beam Guardrails Worcester Polytechnic Institute s n 2000 122 Bibliografia Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 38 Dynamic Responses of Connections in Road Safety Barriers Bayton D A F Long R and Fourlaris G Mar o 2009 Materials and Design 30 pp 635 641 39 Analysis of a Safety Barrier Connection Joint Post Testing Bayton D A F Jones T B and Fourlaris G 2008 Materials and Design 29 pp 915 921 40 Blake A What Every Engineer Should Know About Threaded Fasteners 10 Nova Iorque Marcell Dekker Inc 1986 41 Detailed Modeling of Bolted Joints With Slippage Reid John D and Hiser Nicholas R 2005 Finite Elements in Analysis and Design 41 pp 547 562 42 Dynamic Characteristics of Scaled Down W Beams Under Impact Hui T Y J Ruan H H and Yu T X 2003 International Journal of Automotive Technology No 1 Vol
78. PDL Anexos 1 49 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Pode contudo n o efectuar a an lise e retirar as listas que pretende do menu List presente na Figura D 20 A ANSYS Multiphysics Utility Menu File Select List Plot PlotCtrls Dl sala Fies ANSYS Toolt Status i SAVE DB F Keypoint Sz Eines ANSYS Main Areas E Preference Volumes mPreproces Nodes QM Elements General P Components TimeHist F Topologici ROM Tool a DesignXpll Properties a Design OP Loads gt a Prob Desic gt Radiation fi E bi Run Time Ce Parts Picked Entities E E Figura D 20 Menu List Se quiser efectuar nova an lise nesta vertente Mechanical APDL deve abrir o menu Solution esquerda e escolher a op o Solve e em seguida Current LS como se encontra na Figura D 21 Em seguida aparecer uma janela como a presenta na Figura D 21 ao qual deve seleccionar OK e a solu o ser executada A ANSYS Multiphysics Utility Menu W File Select List Plot PlotCtris WorkPlane Parameters Macro MenuCtris Help D a 9 a a 7 e gt ED _ANSYS Toolbar SAVE DB RESUM DB QUIT POWRGRPH ANSYS Main Menu O E Preferences m Preprocessor a Solution IN STATUS Ce m Analysis Type m Define Loads m Load Step Opts m S
79. Total apenas com um aumento de tempo de execu o na ordem dos 10 A quarta simula o permite a valida o do programa com o accionamento da op o Controlo de elementos como Manual e de seguida a op o Esquema de integra o dos elementos como Total O aumento de 10 relativo ao tempo de execu o para estruturas semelhantes comport vel e as diversas simula es executadas verificam que a activa o desta op o n o introduz desvantagens na an lise em rela o aos resultados expect veis teoricamente A refer ncia 14 afirma contudo que traz vantagens nomeadamente em casos onde a estrutura n o tem pelo menos duas camadas de elementos em cada direc o As desvantagens referentes sua utiliza o est o presentes em casos de estudo de materiais com coeficiente de Poisson pr ximo ou igual a 0 5 14 o que tamb m n o acontece neste trabalho O conte do presente nesta valida o cont m descri o de v rias op es a tomar que v o de encontro a um manual de utiliza o Esta descri o foi simplificada mantendo se ainda assim muito pormenorizada Contudo visto que a valida o do programa de elementos finitos um ponto muito importante para a confian a nos resultados atrav s dele obtidos e para com isso poder avan ar neste trabalho tal descri o pormenorizada foi tida como necess ria Para uma descri o mais pormenorizada o Anexo D apresenta um breve manual de ut
80. a o do comportamento de todos os elementos constituintes de uma barreira de protec o rodovi ria met lica Desenvolvimento de estudos din micos possivelmente atrav s das an lises est ticas equa es resultantes por exemplo que demonstrem o comportamento de toda a estrutura quando sujeita a impacto Desenvolvimento de componentes que possam optimizar o comportamento de todo o sistema de protec o 120 Cap tulo 5 Conclus es E Trabalho Futuro Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas BIBLIOGRAFIA 1 Lawson John Road Guard Estados Unidos da Am rica s n 1923 2 Normaliza o Comit Europeu de EN 1317 Road Restraint Systems 3 Cortesia do Doutor Jos Meireles 4 Cismasiu Corneliu Universidade Nova de Lisboa Online Cited Outubro 25 2011 http www dec fct unl pt seccoes S_Estruturas Elementos_finitos MEF pdf 5 Metalocar Online Cited Outubro 17 2010 http www metalocar pt 6 Padroniza o Instituto Alem o de DIN 1026 Hot Rolled Steel Sections Dimensions U Profile 7 DIN 10162 Cold Rolled Steel sections Dimensions 8 Online Cited Outubro 17 2011 http www ecocem ie img road_barrier jpg 9 Online Cited Outubro 15 2011 http www deltabloc fr fr Downloads attdown 2P2N9Q77mi17 attlang en html 10 Rodrigues Jorge and Martins Paulo Tecnologia Mec nica Tecnologia da Def
81. a o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 56 Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 3 MODELA O NUM RICA DE UM SISTEMA COM COMPORTAMENTO PL STICO Este trabalho aborda estudo do comportamento pl stico de estruturas sujeitas a diferentes cargas Para auxiliar esse estudo recorre se ao uso de um programa de elementos finitos capaz de executar estudos n o lineares com plasticidade O primeiro passo para a execu o do estudo prende se com a descri o e introdu o das caracter sticas do material no programa para um correcto estudo da estrutura Em segundo lugar est valida o desse mesmo programa de elementos finitos A reprodu o num rica de um exerc cio resolvido analiticamente que aborde estude o dom nio pl stico ent o essencial para essa mesma valida o Neste cap tulo ser inicialmente descrito o material com o qual se efectua a simula o do comportamento dos prumos e espa ador presentes adiante neste trabalho Em seguida efectuada a valida o do programa de elementos finitos o ANSYS na sua vertente Workbench 3 1 Descri o do material De modo a ser poss vel obter uma curva correspondente ao comportamento do material em estudo decide se executar um ensaio de trac o a provetes provenientes de uma pe a real Os ensaios s o executado
82. a rea aplica o da for a consequ ncia de um despiste que colide com a barreira precisamente no local de fixa o do prumo O objectivo final retirar as suas curvas de comportamento for a deslocamento horizontal direc o e sentido de aplica o da for a m ximo for a deslocamento vertical m ximo e ainda tens o equivalente m xima for a formula o de von Mises obtendo tamb m a equa o aproximada ao comportamento das diversas curvas atrav s de linhas de tend ncia Assim obt m se uma equa o final da qual se poder retirar o valor de for a aplicada atrav s dos deslocamentos m ximos e de tens es atrav s da for a aplicada Com estes dados poss vel verificar um local de embate numa situa o semelhante simulada e obter o valor de velocidade de impacto Atrav s da medi o do deslocamento ser poss vel obter a for a aplicada e com a for a aplicada poss vel obter a velocidade de embate do ve culo se originar baixas deforma es atrav s da inser o das medidas massa ngulo de embate do ve culo e deflex o m xima que deve ser no m ximo a dist ncia relativa altura de fixa o da barra longitudinal 550 mm para os prumos e no m ximo 200 mm seu comprimento m ximo para o caso do espa ador Para tal deve se Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real 89 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas recorrer equa
83. a 1 3 Propriedades tens o de ced ncia e de rotura do material segundo a norma EN 10025 31 Tens o de Tens o de Rotura MPa Espessura mm Espessura mm x lt 16 235 x lt 3 360 a 510 430 a 580 3 lt x lt 100 360 a 510 430 a 560 Por fim ainda dentro das propriedades do material poss vel verificar os resultados dos ensaios de trac o utilizados na elabora o desta norma consoante a espessura do provete em termos de percentagem de deforma o final para os materiais anteriormente descritos tabela 1 4 Cap tulo 1 Introdu o 17 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Tabela 1 4 Caracter sticas do ensaio de trac o do material segundo a norma EN 10025 31 Designa o de Extens o ap s fractura acordo coma lo 5 65 VAg norma Espessura mm Espessura mm EN 10027 1 3 lt x lt A0 S235JR 26 S275JR 19 23 Os parafusos de liga o entre os elementos devem por sua vez estar de acordo com as normas EN 20898 21 e EN 3740 22 em termos de dimens es material e galvaniza o 30 A escolha do tipo de barreira e seus constituintes varia entre pa ses respeitando sempre a norma Dentro de cada pa s nomeadamente Portugal existem empresas que executam a instala o das estruturas e cada uma utiliza os formatos que pretende desde que respeitem as nor
84. a 4 14 For a aplicada no prumo UPN120 Vista de topo O estudo executado apresenta a curva de rela o tens o equivalente m xima for a e curva de for a deslocamento m ximo no eixo dos zz e yy E utilizada malha grosseira com refina o de 50 na op o Relevance de modo a introduzir simetria na mesma relativamente ao prumo Esta malha ent o constitu da por 2788 elementos SOLID187 apresentando a seguinte defini o figura 4 15 FF SS S 5 S Is SI SS S J S S Y SS SS Z Figura 4 15 Prumo UPN120 Defini o da malha grosseira Verifica se por tentativa erro que a ltima for a aplicada para a qual existe converg ncia acontece a F 29 200 N Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real 99 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Na figura 4 16 s o apresentados os resultados de for a atrav s dos deslocamentos obtidos no eixo zz horizontal e no eixo dos yy vertical obtidos atrav s da simula o num rica em rela o posi o inicial do prumo verificar eixos na figura 4 13 30000 25000 20000 15000 10000 F For a aplicada N 5000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 d Deslocamento mm Deslocamento horizontal dH Deslocamento vertical dv Polinomial Deslocamento horizontal dH Polinomial Deslocamento vertical dV Figura 4 16 Gr fico For a De
85. a carga ao fim de cada 10 mm de avan o at atingir um deslocamento final de 120 mm Os gr ficos de for as resultantes est o presentes na figura 1 31 para o ensaio quase est tico e na figura 1 32 para o ensaio din mico 28 Cap tulo 1 Introdu o Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Ww 40 to For a de contacto kN to 0 20 40 60 80 Deslocamento transversal mm 100 100000 90000 80000 jm For a aplicada 70000 Deforma o 1 2 v o 60000 i plano inferior 50000 S o Deforma o 1 4 v o 40000 E plano inferior 30000 A Aa Deforma o 1 4 v o 20000 plano superior 10000 0 10000 120 Figura 1 31 Gr fico de deslocamentos do ensaio quase est tico 42 0 02 0 04 da el Ao 0 06 Tempo s 1 0 08 0 7 90 m s 120 Impacto a 4 20 m s 100 Impacto a 6 10 m s Impacto a 7 90 m s 80 Deslocamento transversal para 4 20 m s Deslocamento transversal para 6 10 m s 40 5 20 4 a o Deslocamento transversal mm Deslocamento transversal para 0 1 Figura 1 32 Gr fico de deslocamentos do ensaio din mico 42 Com estes gr ficos poss vel verificar que a for a aplicada nos ensaio din mico superior for a aplicada no ensaio quase est tico Os gr ficos de deslocamentos
86. a for a m xima aplicada ao espa ador foi de 37 786 N para um deslocamento total de sensivelmente 101 mm 40000 35000 30000 Z 25000 E 20000 Fore 15000 F 10000 5000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 d Displacement mm Dis placement d Figura 4 35 Gr fico For a Deslocamento do ensaio experimental ao espa ador tipo II O material verificou ser bastante d ctil verificando apenas o in cio de fractura presente na figura 4 36 114 Capitulo 4 Aplica o Ao Caso Real Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 4 36 In cio de fractura do espa ador tipo II 4 3 2 Conclus es do espa ador tipo II Ap s a execu o da an lise experimental poss vel verificar as diferen as desta perante a an lise num rica E poss vel verificar que a for a m xima aplicada maior no ensaio experimental 37 786 N que na an lise num rica 31 500 N O local de tens o m xima calculado na an lise num rica presente na figura 4 30 verifica que o local onde a plasticidade do material maior o local de tens o m xima aproximadamente o mesmo onde ocorre a in cio da fractura do material na figura 4 36 Contudo a deforma o medida na an lise num rica n o se assemelha deforma o total imposta no espa ador real Isto acontece porque o ensaio foi limitado em deslo
87. ade por n X u Figura 2 15 Elemento SOLID186 3 D de 20 n s 49 52 Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Para problemas de mec nica de s lidos a formula o inerente ao estudo do seu comportamento est presente nas equa es 2 31 2 32 e 2 33 que representam as suas fun es de forma Nestas equa es u v w representam respectivamente os deslocamentos em x y z 49 u gt u 1 58 1 D 1 1 os t r D u A D d n s t r D Slue s 0 0 r s t r 2 u 1 58 0 1 r Cs t r 2 lum 1 8 1 t r s t r 2 uy LADA r s t r 2 uo 1 5 1 6 1 r s t r 2 up 1 58 1 6 1 r s t r 2 u 1 53 A 6 1 r ur det dn lus 1 5 is A 1 r ur 1 8 1 A n S uy C s ADA s A t r uw 1 8 FDA dt ANS uy Is AD dr uz s 1 6 rd i uy ts H A r ug A s A t r Analogamente para o deslocamento em v equa o 2 32 49 vy v s 1 G 1n s t r 2 y 1 5 2 32 1 t r s t r 2 ite Analogamente para o deslocamento em w equa o 2 33 49 w w 1 s 1 t r s t r 2 w 1 5 2 33 1 t Q r s t r 2 ss Este elemento mais preciso para a modela o de estruturas com fronteiras curvas que o elemento de 8 n s 49
88. an lise estrutural tendo as aplica es no dom nio das tecnologias de fabrico sido apenas iniciadas nos anos 60 10 Mar al Yamada Zienkiewicz Kobayashi e respectivos colaboradores foram os primeiros investigadores a aplicarem o m todo dos elementos finitos na resolu o de problemas elasto pl sticos em deforma o plana ou axissim trica 10 A vantagem do m todo dos elementos finitos assenta na versatilidade e generalidade possibilitando estudo de quaisquer pe as independentemente na forma geom trica das matrizes e das condi es de atrito existentes entre estas e o material em deforma o 10 Por outro lado o m todo dos elementos finitos permite obter as distribui es das principais vari veis de campo no interior das pe as e nas interfaces destas com as ferramentas conduzindo a um dimensionamento correcto das pe as e das ferramentas 10 Os elementos finitos permitem a resolu o de diferentes modelos matem ticos como por exemplo se encontra ilustrado na figura 1 21 4 Cap tulo 1 Introdu o 11 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas f sico Problema f sico Altera o do problema 4 Aperfei oamento da concep o Modelo matem tico Governado por equa es diferenciais Premissas sobre geometria cinem tica lei do material carregamento condi es de fronteira etc Optim
89. ance Please Define Generate on Refresh No Nodes 1233 Elements 184 Mesh Metric Skewness Min 1 3057293693791E 10 Max 10 3 Average 2 17391305625186E 02 Zz x Standard Deviation 0 10224377485189 Figura 3 26 Detalhes da malha da quarta simula o Os resultados obtidos est o presentes na tabela 3 8 Tabela 3 8 Compara o de resultados da quarta simula o Ibf in Tens o Equivalente Tens o Equivalente 2 30000 3600 sem o o Momento Resultados psi Erro Resultado de racio final Racio M Momento atingido final Ibf in 35305 Verifica se um erro de 0 2 para o momento de 24 000 Ibf in Para o momento de 30 000 Ibf in n o verifica erro e como seria de esperar a solu o n o converge para o momento de 36 000 Ibf in 84 Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Para finalizar o r cio de momentos foi de 1 47 tendo o ltimo momento antes da n o converg ncia atingindo o valor de 35 395 Ibf in marcando a diferen a perante as simula es efectuadas anteriormente Para um r cio de momentos de 1 48 j n o existe converg ncia distanciando se da teoria presente na refer ncia 51 por 2 cent simas O valor do ltimo momento convergente aproximado sendo obtido atrav
90. and the guard for ex a pressure upon the guard 5 A device of the type described compris ing a guard a plurality of supporting stand ards for the guard each formed with front and back plates and spaced I beams form ing side plates and a plurality of retaining members loosely carried by the aforemen tioned plates and arranged between the said I beams for attaching the guard to the standards said retaining mem being ar ranged in pairs for the purpose defined 6 A device of the type described compris ing a guard formed with backwardly curved end portions supporting standards for the ard a plurality of bolts loosely carried y the standards the guard being loosely mounted on the bolts and normally resting against the heads thereof and a coil spring carried by each of the bolts and bearing di rectly against the standards and the guard for lee a sustained pressure upon the guard In testimony whereof I affix my signature hereto JOHN A LAWSON 90 o 105 Anexos 129 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Anexo B Not cia Autohoje de Maio de 2011 130 Anexos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Portugal evita aplicar norma europeia A LEI IMP E A MONTAGEM DE SEPARADORES EL STICOS PARA ESTRADAS NOVAS SE A MEDIDA TODAVIA SE APLICASSE TAMB M S VIAS ACTUAIS
91. arra L 10 polegadas 254 mm e Largura b 1 in 25 40 mm e Altura h 2 in 50 80 mm e Momentos a aplicar em diferentes an lises o 24000 Ibf in 2 71x10 N m o 30 000 Ibf in 3 39x10 N m o 36 000 Ibf in 4 07x10 N m e Elemento de malha com dimens o de 0 5 in 12 7 mm As equa es retiradas do livro 51 que s o necess rias resolu o do exerc cio WBVMMECH029 s o a equa o 3 2 para o c lculo do momento de in cio de Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico 69 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas ced ncia Mc do material da barra e a equa o 3 3 para o c lculo do momento de plasticidade total da sec o da barra Mim b h 6 M 0 3 2 O valor de Mim obtido atrav s de M considerando o valor e presente na figura 3 11 de h 2 51 b h 4 Miim Oc 3 3 De acordo com a refer ncia 51 o valor do momento que gera a total plastifica o do material 1 5 vezes superior ao momento que gera a ced ncia e inicia a deforma o pl stica do mesmo como poss vel comprovar pela equa o 3 4 ie E 3 Racio de momentos A 5 E 5 15 3 4 O Assim para este exerc cio verifica se que para a tens o de ced ncia de 36 000 psi e para as dimens es da estrutura em an lise acima referidas Mc resulta em 24 000 Ibf in preci
92. aso Real 111 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 4 31 Maquina de ensaio de trac o compress o Dartec M1000 R D A figura 4 32 apresenta o espa ador antes do ensaio de compress o Figura 4 32 Espa ador tipo II antes do ensaio experimental O ensaio foi executado com a compress o executada sobre uma barra de for a com largura de 63 5 mm figura 4 33 da a an lise num rica efectuada anteriormente consistir numa for a aplicada apenas numa rea da totalidade da face de contacto com a barra longitudinal figura 4 24 112 Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 4 33 Barra utilizada no ensaio de compress o do espa ador tipo II O ensaio foi efectuado limitando o deslocamento do cilindro de compress o levando deforma o final da face do espa ador com um deslocamento de sensivelmente 110 mm que inclu algum ajustamento inicial como se pode verificar na figura 4 34 e figura 4 35 Figura 4 34 Espa ador tipo II ap s do ensaio experimental Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real 113 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Deste ensaio poss vel retirar o gr fico de for a deslocamento presente na figura 4 35 Aqui verifica se que
93. ate System Reference Temperature By Environment Material A amp gt Nonlinear Effects Yes Structural Steel NL Thermal Strain Effects Yes Figura D 7 Escolha do material Se as geometrias introduzidas estiverem ou entrarem em contacto aparecer mais uma op o o menu Connections Figura D 8 Caso n o tenha contactos na an lise avance at configura o de malha Connections Contact v Y Spot Weld Body Interaction Outline Project Fixo e Momento B4 C4 a Geometry x barra manual 2 1 ala barra manual 2 2 vs Coordinate Systems Connections vt Bonded barra manual 2 1 To barra manual 2 2 J Mesh f Static Structural C5 VAX Analysis Settings AB Fixed Support J Moment Solution C6 g Solution Information a Equivalent Stress E a Figura D 8 Menu Connections Anexos 141 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Dentro deste est o descritas os contactos que tamb m podem ser introduzidos manualmente Existem cinco tipos de contactos Bonded ligados No Separation sem separa o Frictionless sem fric o Rough contacto forte tipo choque e Frictional com fric o ao qual ser necess rio introduzir o valor da fric o entre superf cies Figura D 9 AB Connectio
94. broken or worn The particular elements of my guard de vice employed to accomplish the above and other equally a Vi objects will be here inafter more fully described in detail and specifically pointed out in the claims a pended hereunto and forming a part of this specification In the accompanying drawin illustrated the preferred embodiment of my figure 1 is a pective view showing guard plied to a road encircling a ch Figure 2 is a side view of one guard ele ment including a ray sp and _ Figure 3 is a top plan view of an element including a portion of a guard plate and a support Ake characters of reference refer to like or similar parts throughout the several views of the drawings in which A designates a road bed constructed preferably without crown or outside gutter and B the exposed edge of the road which in the present instance is shown to be the face of a cliff Embedded a considerable distance beneath the surface of the road and in the present instance extending out wardly from the face of the cliff B are a plurality of elongated cement blocks 1 each formed with a central plate iron rein gr member 2 Attached to each of the blocks 1 by bolts 3 extendin through the members 2 are a pair o brackets 4 to which are secured by rivets the ends of vertical plates na The plates 5 rise through the road and have ar ranged therebetween a pair of spaced I beams 6 The plates
95. c E Analysis Systems Explicit Dynamics ANSYS x A hd B z Ca Statie Structural ANSYS EO MEM Eca 2 Engineerng Dats v 2 O EngnecrngData v 2 Engineering Data a Ra el ca Engineering Data 3 Geometry vas D Gomt v AUTODYN 4 8 Model 4 as Model EA re ERES cm Geometry 6 Shton Mechanical APDL o ni a Mechanical Model Ze met ge econ ee Mesh Results P D A an 2 Geometry v Geometry Figura D 2 An lise por componentes com esquema maior para a inser o de varias an lises De modo a facilitar o entendimento deste manual tenha como componente descrita na Figura D 1 Em seguida dever inserir o material que pretende analisar atrav s do m dulo Engineering Data Figura D 1 Nesta op o tem disposi o todas caracter sticas presentes na Figura D 3 Anexos 137 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas AN An lise de barra Warkbend D X Fe Edit View Toos Unts Hep New B3 Open W Save Wi Save As i Import Reconnect 8 Refresh Project 2 Update Project Return to Project Compact Mode F EX Tabe of Propertes Row 9 Multinear Isotrop o Harddentre A c D 1 2 Engineering Data 2 Contents fitered for Engineering Data Mechanical Model Static Structural ANSYS m 3 General Materiais FT Wh camera Noninear materials ff a 5 MB Exprott
96. camento e n o for a ou seja o deslocamento final n o corresponde ao in cio da fractura Na realidade inclusivamente tal deforma o como a presente na figura 4 34 n o acontece De salientar ainda que a an lise num rica n o estuda a deforma o al m da Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real 115 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas entrada em plasticidade total da sec o ao inv s do ensaio experimental que s terminou quando o curso do cilindro chegou ao limite estipulado A quest o do deslocamento tamb m n o o mais importante mas sim saber comportamento do espa ador admitindo um deslocamento exagerado de modo a levar a pe a fractura podendo assim verificar o local de tens o m xima e as for as envolvidas As diferen as ao n vel da for a m xima aplicada podem prender se com v rios motivos como por exemplo a incorrecta an lise num rica Contudo existem dois aspectos importantes que podem contribuir para esta situa o e que estiveram presentes neste ensaio Em primeiro lugar as diferen as geom tricas O espa ador foi representado a n vel num rico segundo as medidas presentes na refer ncia 25 e presentes no Anexo G que verificaram estar de acordo com as medidas presentes no espa ador real antes do ensaio contudo n o existe precis o nestas mesmas medidas aquando do fabrico da pe a sendo que os valores s o apenas aproxi
97. chave Keywords viii Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas NDICE AGRADECIMENTOS ns A A ee et Sale iv RESUMO ias aspirado ia dada a MU RS SE a Cara adia sas vi ABSTRACT seed eos ace aa Ra uate a ai gah dee cana see meade gem aauen ia vii PALAVRAS CEAY Fy e hice fara big ha nd A Gg i uote A viii KEYWORDS airsentanaia mrene ues a E A rae viii DND DI CE EEEE EEE EEE NA EEEE A ix INDICE DE FIGURAS noiou hae Ra ca tons tuidaseas drateattal xii INDICE DE TABELAS nuria en sofa fa a xvii NOMENCLATURA cassacctousd peigra pa OS Aa O GUESS aa gas xviii GLOSSARIO mni ao cate a nan E E gtucleltecehs ty xxi ABREVIATURAS renano aniisi brin Danas da AAE EEE A A OAA a XX V l INTRODUCA O manm e ha a a AE E e AR E ke 1 1 1 Defini o do problema as scam asas quase ienei rrini 2 1 2 Diversidade de estruturas met licas saias assess SCE a dna 3 1 3 Elementos constituintes da barreira de protec o met lica 5 Sd ERUOS oneee a a A ht wad candal tatada deacan 5 173 2 TESPACABOLES ie Gere cosnshssauentiartivansisyutes tats leavin dgneydeaesuadseed s aee grais 7 iso AS APEAS TOME MUGINGIS cars arandos dg Wakeman 8 134 E xtremidades coin rae aena area chien Seeley acne gala 9 1 4 Estruturas alternativas iier isce2 costed oti ied etees ddaeidens eed este Segundas 9 1 5 Analise de elementos finits qa saias a a eaa a 11 167 CEBOISIAC OS nireti a e E a eio 1
98. cidade facilmente identific vel menyres g RARO RE PER ENSEADA DS RR 35 Figura 2 2 Diferentes fases de um ensaio de trac o 10 36 Figura 2 3 Outras curvas t picas de um ensaio de trac o a Com tens o limite de elasticidade a 0 2 b Ensaio de trac o com patamar de ced ncia 37 Figura 2 4 Resili ncia e tenacidade de materiais fr geis e d cteis 38 Figura 2 5 Superf cie inicial e final nas diferentes direc es Comportamento semelhante pesna ant ai fesse tsb a sehen ES emote as eae iste 39 Figura 2 6 Ilustra o da linha de descarregamento linha verde segmento ab 40 Figura 2 7 Ilustra o do c lculo aproximado da tenacidade 10 41 Figura 2 8 Exemplo de diferen a entre a curva de engenharia e a verdadeira para um a o AISI 4140 conformado a quente 48 eee eerercaeaa 42 Figura 2 9 Elemento SOLID186 3 D de 20 n s 16 45 Figura 2 10 Configura o do elemento sob a forma de comando 45 Figura 2 11 Fen meno de hourglassing direita 16 46 Figura 2 12 Representa o do crit rio de von Mises no plano de Mohr 10 49 Figura 2 13 Crit rios de elasticidade de Tresca e de von Mises num espa o tridimensional LO sie cecsesyesessnetie a erat nas a CRIA oa des vee eared ets 49 Figura 2 14 Exemplo de um elemento
99. d ncia inferior ponto 3 A transi o elasto pl stica d se no ponto 2 A capacidade de absor o de energia do regime el stico denominada resili ncia por norma inferior da deforma o pl stica tenacidade Essa mesma capacidade mede se atrav s da dimens o da rea abaixo da respectiva linha de carregamento Como poss vel verificar por exemplo na figura 2 3 a rea abaixo da linha de carregamento 0 2 1 3 e anterior linha de transi o elasto pl stica linha A inferior rea posterior a esta que termina na linha B tamb m poss vel verificar estas mesmas reas na figura 2 4 onde a resili ncia est representada a verde e a tenacidade a rosa para dois materiais distintos com comportamento tipicamente fr gil e d ctil Fr gil Ff Err Extens o Deforma o Efd Figura 2 4 Resili ncia e tenacidade de materiais fr geis e d cteis Onde 46 F Ponto de fractura do material fr gil err Extens o total do material fr gil no instante anterior fractura do material Fa Ponto de fractura do material d ctil era Extens o total do material d ctil no instante anterior fractura do material 38 Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas E poss vel calcular matematicamente o valor da resili ncia denominado m dulo de resili ncia U atrav s da equa
100. da energia O ve culo reencaminhado ao longo da barreira e para a sua faixa de rodagem conseguindo se que n o transponhaa faixa de rodagem e evita se a projec o de peda os de bet o refere Alexandre Machado Elasticidade que segura A mais valia destes separadores est em possu rem tensores em a o e ntre cada barreira conferindo elasticidade ao conjunto Anexos 131 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Anexo C Certificado LIER da Metalocardoso 1 3 2 Anexos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas e LIER m Laboratoire d essais Inrets Equipements de la Route a ERES EEE Inrets Road Equipement Test Laboratory ATTESTATION D ESSAI Par ce document notre soci t atteste avoir proc d l essai ci apr s d crit dans les conditions expos es savoir Normes de r f rence EN 1317 1 et 2 Test 7832 Date d ex cution 10 02 05 N inteme d identification MCA GME 02 894 Nom du dispositif Glissi re de s curit type A METALOCARDOSO V hicule utilis BMW 528 Masse op rationnelle 1436 kg Angle d impact 20 0 Vitesse d impact 112 6 km h ASI 0 5 THIV 19 kmh PHD 19g Boite CEN OK pour le compte de la soci t dont la d nomination sociale et l adresse sont les suivantes METALOCARDOSO S A Eira Nova Fregim Apartado 55
101. das Anexo F Desenho t cnico do prumo UPN120 Anexos 1 5 7 po Escala Prumo UPN120 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Anexo G Desenho t cnico do espa ador tipo II Anexos 1 6 1 Vista de Corte G G Vista de Corte F F 31 10 2011 Espa ador tipo ll po PR TS Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Anexo H Artigo para confer ncia Anexos 1 65 15 International Conference on Experimental Mechanics STUDY OF THE CONNECTIONS BEHAVIOUR IN ROAD SAFETY BARRIERS 2 Bruno Silva Jos Meireles Mechanical Engineering Department DEM University of Minho Guimar es Portugal Email baess sapo pt ABSTRACT This work studies the connections behaviour of road safety barriers There are performed static numerical analyses for two components individually the post and the spacer The finite element method software in use is the ANSYS Workbench To validate the software analyses in the plastic domain it is primarily represented an analytical solved problem that obtain a successful result in the numerical analysis Finally there are made the numerical analysis with the C125 DIN 10162 post and the spacer in order to understand their behaviour with a di
102. das Ap s efectuar a an lise pode por fim retirar um texto de comandos efectuados pelo Mechanical APDL que funciona numa vertente mais voltada para a programa o de modo a programar a an lise da forma que pretende ao inv s do anterior interface gr fico Para tal basta escolher a op o Write DB log file no menu File presente na Figura D 22 E AN ANSYS Multiphysics Utility Menu File Select List Plot PlotCtrls Clear amp Start New Change Jobname Change Directory Change Title UIT Resume Jobname db Resume from Save as Jobname db Save as Write DB log file Read Input from Switch Output to List File Operations ANSYS File Options Import Export Report Generator Exige ee ee Figura D 22 Op o Write DB log file no menu File Em seguida guarda o ficheiro resultante da op o presente na Figura D 22 e pode abrir mesmo atrav s do programa Bloco de notas Anexos 1 5 1 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Anexo E Desenho t cnico do prumo C125 Anexos 1 5 3 3 o x LO Vista inferior escala 1 2 q Oo Nome Data Desenhado poi i 3 Prumo C125 ooo Escala Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estra
103. das usualmente denominadas como rails s o elementos que visam aumentar a seguran a das vias rodovi rias O objectivo das mesmas prende se com garantir a seguran a do automobilista e dos restantes utilizadores da via em caso de despiste O objectivo te rico das mesmas garantir a imobiliza o ou redireccionamento do ve culo em despiste sem que este transponha a barreira Este acontecimento visa ser atingido atrav s da transforma o do movimento do ve culo energia cin tica em deforma o da barreira de protec o Estas barreiras surgem no in cio da terceira d cada do s culo XIX onde segundo o registo de patentes online Espacenet pertencente ao European Patent Office a primeira remonta ao ano de 1922 1 Desde ent o que t m vindo a ser desenvolvidas mas a maioria mant m o registo inicial ao n vel do formato com a haste espa ador e viga longitudinal e m todo de funcionamento Quase um s culo depois verifica se uma diversidade de elementos utilizados n o seguindo portanto um modelo nico Existem barreiras constitu das por cabos de a o barreiras de bet o h bridas bet o e a o entre outras Existe contudo legisla o associada s barreiras de protec o de estradas que determina materiais tratamentos dist ncias e dimens es Portanto desde o fabrico aplica o nas vias existem normas a seguir como por exemplo a europeia EN 1317 sistemas de reten o rodovi ria 2 Contudo
104. de deforma o pl stica das barras W onde executada a an lise est tica das mesmas Tendo em conta o artigo analisado em cima 42 posterior a este de salientar devido an lise laboratorial efectuada adiante neste estudo as caracter sticas do material utilizado com m dulo de Young de 198 6 GPa e uma tens o de ced ncia de 380 MPa Uma conclus o importante a retirar que a forma como feita a instala o da barra longitudinal nos suportes desempenha um papel fundamental na performance do sistema de reten o das barreiras de protec o rodovi ria Para comprovar esta afirma o o autor executa ensaios com diferentes tipos de suporte nas extremidades da barra longitudinal Hugo Miguel Lima 44 executa um estudo de uma estrutura alternativa de bet o h brida constitu da tamb m por cabos de a o na face anterior da barra Pretende com esta estrutura proposta atingir um n vel mais aceit vel de comportamento da mesma perante o embate tanto de ve culos ligeiros como de pesados Pretende que esta seja mais eficaz do que os existentes no mercado data do seu estudo 2006 O estudo verifica que de uma forma geral o sistema funciona para solicita es de um ve culo pesado de 16 toneladas com algumas verifica es a n vel das liga es e dos cabos No que respeita aos ve culos ligeiros verifica se um amortecimento da colis o quando comparado com o choque contra uma barreira encastrada 44 Cap tulo 1
105. de liga o nas barreiras de protec o das estradas wil Figura 3 24 Deforma o total para 32 000 Ibf in na terceira simula o De forma a verificar se o problema se prende realmente com este facto efectuado um blend suaviza o de arestas em todas as arestas da face onde aplicado o momento Com este poss vel substituir a aresta viva por uma com um ligeiro raio de curvatura inserido um pequeno raio de curvatura de modo a n o criar grande transforma o na forma da barra O raio de curvatura introduzido de 0 025 in 0 635 mm Essa altera o geom trica pode ser identificada na figura 3 25 Figura 3 25 Face com ap s a inser o do raio de curvatura Ap s esta altera o s o reiniciados os testes A nova simula o utiliza a mesma configura o presente na terceira simula o apresentando apenas a altera o geom trica mencionada anteriormente e presente na figura 3 25 Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico 83 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Zz A malha aplicada a mesma sugerida no enunciado elementos com 0 5 in de dimens o contudo devido altera o geom trica esta passa a apresentar 1233 n s e 184 elementos figura 3 26 Details of Mesh Minimum Edge Length 4 7753e 002 in Inflation Pinch Toler
106. de protec o das estradas 5 CONCLUS ES E TRABALHO FUTURO O estudo efectuado sobre as liga es solo e prumo barra longitudinal prumo e espa ador respectivamente das barreiras de protec o rodovi ria permite obter uma perspectiva do comportamento de dois diferentes prumos que por observa o no terreno se verificam ser os mais comuns Este trabalho permite tamb m a interac o com um novo programa o ANSYS e a absor o de um conhecimento do estado da arte desta rea de estudo onde se incluem estruturas legisla o bibliografia entre outros A revis o bibliogr fica permite afirmar que as barreiras de protec o rodovi rias n o met licas t m uma melhor efici ncia como disso exemplo a barreira de bet o h brida presente na figura 1 20 e no Anexo B contudo custo inferior das barreiras met licas torna as mais comuns A an lise num rica efectuada neste estudo verifica que este mesmo programa permite estudar o comportamento de estruturas no dom nio pl stico com inser o de material pr prio e com caracter sticas mais elaboradas a n vel pl stico Relativamente an lise espec fica dos componentes de liga o o estudo efectuado muito espec fico pois efectua uma an lise de ordem est tica sobre ac o de uma for a que exercida precisamente no local de fixa o do prumo A an lise est tica por sua vez n o permite verificar o comportamento das estruturas ap s a entrada no dom ni
107. diversos componentes de uma barreira met lica quando sujeitos fun o para que est o previstos Para a concretiza o deste objectivo cabe neste estudo a an lise mais aprofundada dos elementos de liga o concretamente o prumo e o espa ador para a obten o da Cap tulo 1 Introdu o 33 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas informa o suficiente que permite fornecer informa o completa para posterior estudo do comportamento multicorpo do sistema completo 2 Seguidamente apresentada a fundamenta o te rica que sustenta este trabalho desde o n vel pr tico ao num rico Nos cap tulos seguintes s o apresentadas as caracter sticas do material em estudo e a valida o do programa de elementos finitos para an lises de comportamento pl stico Por fim s o executadas an lises num ricas simula o aos elementos de liga o em estudo prumos e espa ador comparando por fim a an lise do espa ador ao ensaio experimental efectuado 34 Cap tulo 1 Introdu o Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 2 FUNDAMENTOS TE RICOS Este cap tulo visa a identifica o e exposi o da componente te rica na qual est baseada o trabalho efectuado em todo este estudo tanto a n vel real como num rico 2 1 An lise do comportamento el stico e pl stico do material
108. do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas E poss vel ainda atrav s das for a calculada obter a tens o equivalente m xima envolvida por via da equa o 4 9 Para tal necess rio que a for a calculada n o exceda o ponto de n o converg ncia 178 500 N e finalmente que o prumo esteja devidamente encastrado no solo 4 2 Prumo UPN120 Este o segundo prumo a ser analisado UPN120 para dimens es ver Anexo F Na figura 4 13 poss vel verificar as condi es de fronteira aplicadas a este prumo um encastramento A que representa a fixa o do prumo abaixo da linha do solo e a for a aplicada atrav s da base de contacto com o espa ador neste caso na lateral do perfil B O cilindro onde se encontra A uma forma simplificada de representa o do encastramento do prumo ao solo e estende se por 1050mm dos 1700 mm de comprimento total do prumo A for a B aplicada na perpendicular face seleccionada direc o do eixo dos zz Figura 4 13 Prumo UPN120 Restri es aplica o de for a e sistema de eixos No caso deste prumo UPN120 as condi es s o um pouco diferentes n o s pela diferen a de perfil como pela posi o onde aplicada a for a na lateral figura 4 14 98 Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figur
109. do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Tabela 2 1 Compara o de pontos de integra o entre elementos 14 Tipo de elemento Pontos de integra o x y z Integra o N final de pontos 8 N s Hexaedro Reduzida 20 N s Hexaedro Total Esta KEYOPT 2 apenas um exemplo das possibilidades de altera o dos elementos existentes no programa Para cada elemento apenas existe a possibilidade de alterar algumas destas KEYOPT nem todas elas t m propriedades para todos os elementos No exemplo do SOLID186 para op o elemento s lido estrutural homog neo visto que existe tamb m a op o de SOLID186 em camadas apenas as KEYOPT 2 3 e 6 t m defini es intr nsecas A op o de integra o total para este elemento SOLID186 de elevada ordem traz na pr tica resultados que podem ser mais apurados consoante a geometria da pe a visto que um maior n mero de pontos de integra o inerente o maior n mero de equa es a serem calculadas representando um comportamento mais apurado Esta op o traz tamb m um incremento do tempo de an lise levado a cabo pelo programa Contudo o que mais importante verificar s o as causas que podem tornar a op o n o apropriada A op o de integra o reduzida pode provocar um fen meno que apresenta uma solu o defeituosa aparentando falta de rigidez da estrutura e superf cie irregular o denominado
110. dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas apresenta os 300 mm mas sim aproximadamente 215 mm devido s limita es dimensionais do espa ador 145 35 215 Figura 3 3 Dimens es do provete O provete obtido apresenta uma espessura de sensivelmente 3 mm mais propriamente 3 22 mm A m quina do ensaio tem a capacidade de exercer uma for a m xima nominal de 25 kN O primeiro ensaio n o correctamente conclu do A espessura do provete de 20 mm A for a m xima exercida pela m quina foi de sensivelmente de 26 560 N Contudo a for a m xima aplicada ao provete n o suficiente para atingir a tens o de rotura do mesmo z No segundo ensaio o segundo provete maquinado at atingir uma largura de 19mm e ainda assim n o suficiente para a conclus o do ensaio com sucesso repetindo se o problema ocorrido no primeiro ensaio Para o terceiro ensaio o terceiro provete maquinado at atingir uma largura de sensivelmente 17 86 mm valor medido no paqu metro A for a m xima exercida pela m quina de 25 453 N referente a uma tens o de rotura curva de engenharia de 442 58 MPa A tens o de ced ncia registada para uma extens o de 0 2 de 361 76 MPa poss vel obter o valor do m dulo de Young com um valor de sensivelmente 161 GPa medido pelo extens metro mec nico figura 3 4 utilizado durante a deforma o el stica do ensaio Cap tulo 3
111. e o E oz ox dE 1 de o o ox 0 2 27 3 de deky 2 ER Txy de SER 50 Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas De salientar que as equa es 2 27 conhecidas por equa es de Levy Mises s o fun o do invariante quadr tico do tens es desviador de tens es Jz obtido atrav s da equa o 2 17 o que significa que o crit rio de plasticidade de von Mises seja aplic vel 10 Por fim os resultados obtidos adiante na simula o num rica s o entre outros apresentados na forma de tens o equivalente Esta mesma tens o calculada atrav s da equa o 16 1 2 0 02 0 03 03 01 se 2 28 2 Esta tens o equivalente ou tens o de von Mises usualmente utilizada nas an lises num ricas porque permite que qualquer estado de tens o tridimensional possa ser representado com um nico valor de tens o 16 2 2 2 Formula o dos elementos Deslocamento puro Umas das op es que se pode alterar no estudo de um elemento a formula o utilizada na an lise atrav s da KEYOPT 6 Essa formula o tem como op o padr o o deslocamento puro Pure Displacement Formulation a qual utilizada em todas as an lises presentes neste estudo Esta formula o s tem em conta deslocamentos ou velocidades como vari veis prim r
112. e deforma o final do material ap s o descarregamento Contudo existem ensaios de trac o em que a transi o elasto pl stica n o facilmente identific vel pelo que necess rio tra ar uma linha paralela linha de carregamento inicial com o mesmo declive do M dulo de Young E do material a uma propor o de 0 2 por conven o valor a partir do qual o material sofre deforma o pl stica de deforma o 46 Neste caso o recuo considerado ainda el stico j possui uma deforma o de 0 02 portanto n o segue a linha de carregamento figura 2 3 As figuras seguintes representam outras curvas t picas de um ensaio de trac o 45 a b Figura 2 3 Outras curvas t picas de um ensaio de trac o a Com tens o limite de elasticidade a 0 2 b Ensaio de trac o com patamar de ced ncia O gr fico presente na figura 2 3 a apresenta ligeiras diferen as em rela o ao da figura 2 1 O ponto 2 representa tamb m a tens o de ced ncia mas a uma Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos 37 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas proporcionalidade de 0 2 sendo que o ponto 4 representa uma deforma o definitiva do material 0 002 correspondente tens o do ponto 2 Finalmente o gr fico presente na figura 2 3 b apresenta um patamar de ced ncia constitu do por uma tens o de ced ncia superior ponto 2 e uma tens o de ce
113. e for a do sistema imperial Programa inform tico de execu o de an lises din micas desenvolvido pela Livermore Software Technology Corporation Nomeclatura Gloss rio e Abreviaturas xxii Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Mechanical Mechanical APDL mm M dulo de Young MPa Multilinear Isotropic Hardening N Online Pa Plasticidade Prumo psi Resili ncia Rotura sin Software Standard Metro se representar uma unidade Unidade de comprimento do sistema internacional M dulo de an lise num rica da vertente gr fica Workbench Vertente de comandos programa o do ANSYS Mil metro 10 m metro Declive da recta de dom nio pl stico M dulo de elasticidade Megapascal 10 Pa Pascal Unidade de press o do sistema internacional Endurecimento Isotr pico Multilinear Op o que permite a descri o da curva de tens o extens o verdadeira de um material isotr pico pormenorizadamente Newton Unidade de for a do sistema internacional Grau Dispon vel para acesso atrav s da Internet Pascal Unidade de press o do sistema internacional Deforma o definitiva Elemento de liga o ao solo das barreiras de protec o rodovi ria Libra por polegada quadrada Unidade de press o do sistema imperial Capacidade de absor o de energia no dom nio el stico Fractura Seno
114. e longitudinal beam is fixed as it s possible to see in figure 5 see the axis system A 3 5 mm radius fillet is present in all edges between contact faces b Fig 5 Spacer a Boundary conditions b Direction of force B applied to the spacer Like for the post C125 the analyses in spacer describe the displacement and stress behaviour However for spacer the most important information is the stress behaviour in order to locate the initiation of material collapse Editor J F Silva Gomes 15 International Conference on Experimental Mechanics The element used in both the structures is the SOLID187 This element is a high order 3D element 10 node with 3 DOF per node It has plasticity large deflection and large strain capabilities and is well suited to modelling irregular meshes The mesh was left as coarse because both the numerical analyses reveal correct behaviour and results with it EXPERIMENTAL ANALYSIS A real spacer is subjected to an experimental analysis where it is compressed in a tensile test machine Dartec M1000 R D The spacer tested in not the same from where it was taken the three specimens that described the material The one tested is present in figure 1 and 6 b A 63 5 mm width bar figure 6 b is applied in the force face figure 5 a and in order to be able to compare results the area where the force is applied is the same in numerical analyses Fig 6 Spacer compress test a Test
115. ead to initial fracture located in figure 10 b ICEMIS Porto Portugal 22 27 July 2012 a Fig 10 Spacer shape after experimental analysis a Final shape b Fracture initiation Comparing the figure 9 with figure 10 b is possible to verify that the maximum equivalent stress is located in the same place of the initial collapse The force displacement curve obtained from the experimental analysis is present in figure 11 that indicates a maximum force of F 37 786 N 40000 35000 30000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 d Displacement mm Displacement d Fig 11 Force displacement curve from spacer experimental analysis These results indicates a valid numerical simulation with some difference in forces values from 37 786 N to 31 500 N that can be related to different material proprieties and different geometrical conditions since the spacers aren t precisely constructed despite of presenting the Editor J F Silva Gomes 15 International Conference on Experimental Mechanics same general dimensions of the numerical constructed The spacer construction involves weld and non connected faces ignored in numerical modelling Despite these differences the resulted forces are not much different staying in a same sort of forces Both structures can be related to equation present in EN 1317 1 however the spacer role isn t to absorb energy in full intention in fact t
116. ect the w beams between themselves never break Engstrand 2000 However the bolt connections between spacer and beam or between beams can fail by shear or bolt tear Bayton et al 2009 From this metallic barrier here are presented the studies made in the post C125 and the spacer in order to understand its behaviour with different forces With this data are obtained the force displacement curves than can be characterized with a tendency line represented by a polynomial equation Relating with the European Standard 1317 1 equation it may be possible to understand in a singular case the impact characteristics from the post and spacer displacement ICEMIS Porto Portugal 22 27 July 2012 MATERIAL DESCRIPTION The material description considered in the numerical analyses is obtained from a real spacer component used in road safety barriers From this component similar to the ones present in figure 1 are retired three specimens to be tested in a tensile testing machine Instron 8874 capable of producing 25 kN of nominal force The specimens are obtained from the top straight face with no deformation a Fig 1 Road safety barriers spacer tested The first two specimens aren t able to produce a correct tensile test The 25 kN of force isn t enough to break the specimens cross section with a thickness of 3 22 mm for 20 mm and 19 mm width for the first two tests The last test with 17 86 mm width finally produce c
117. eld Strength psi v E 0 5 Tangent Modulus 0 Pa v E o 0 001 0 002 0 003 0 004 0 005 0 006 Strain m m 1 Figura 3 14 Configura o do material WBVMMECH029 Ap s a configura o do material procede se ao desenho da barra na componente Geometria figura 3 13 que abre o m dulo Design Modeler Modelador de Desenho Apesar de ser poss vel a importa o de modelos a partir de programas de desenho de modo a eliminar completamente a possibilidade de incompatibilidade em caso de resultados n o esperados e devido simplicidade da mesma opta se por construir a viga rectangular no pr prio programa FEM dentro da componente Geometria O passo seguinte passa pela configura o de todo o problema com a defini o do material a utilizar malha for as a aplicar tipo de resultado pretendido entre outros Todas estas op es s o executadas dentro do m dulo Mechanical Mec nica A malha tal como descrito no enunciado constitu da por elementos SOLID186 de 0 5 in especificada atrav s da op o Body Sizing Dimensionamento dos elementos da malha onde se pode especificar o tamanho dos elementos da malha Esta malha apresenta um total de 1077 n s e 160 elementos figura 3 15 Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico 73 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas
118. ent dV3 521 632 mm Fig 7 Displacement force curve Horizontal and vertical displacement Each kind of displacement is divided in three curves with an interval of displacement associated as it s possible to see in the right side of figure 7 For each displacement is associated one of the follow equations taken from the respective tendency lines of each force displacement curves These equations 3 to 8 should be used in order to obtain force depending of displacement measured choosing if it s preferable to measure horizontal dy or vertical displacement dy and finally verifying the values in order to choose the correct interval and corresponding equation verify displacement intervals in the right side of figure 7 F 48 105 dy 1993 4 dy 308 29 3 F 1x 10 8 dy 2 x 105 dy 0 0084 dy gt 1 7554 dy 187 22 dy2 17084 4 F 9x 10 6 dy3 0 0313 dy 44 845 dy 34211 dys 1x 107 dys G x 10 dy3 3 x 107 F 6883 9 dy 23666 dy 236 04 5 6 F 2x 10 8 dy 2 x 10 5 dy 0 0109 dy 2 5743 dy 276 69 dy 20236 7 F 6x10 dys 0 027 dys 51 1 dy 28460 dy3 5x10 8 Editor J F Silva Gomes 15 International Conference on Experimental Mechanics The figure 8 presents the final deformation for F 178 500
119. enta resultados mais pr ximos da realidade Para al m do ensaio experimental efectuado para o espa ador do tipo II conveniente a an lise experimental de ambos os prumos com vista valida o dos resultados num ricos Tal n o foi poss vel por falta de tempo aquando o surgimento de meios Dartec M1000 R D que inclusivamente possibilitam a an lise experimental ao espa ador tipo II aqui apresentada Outro motivo prende se com o facto dos meios dispon veis ainda assim poderem ser insuficientes visto que a deforma o do prumos se espera mais elevada e o curso m ximo que o equipamento de trac o compress o permite pode n o ser suficiente aproximadamente 150 mm Encontra se no Anexo H um artigo referente a esta tese que pretende estar presente na 15 Confer ncia Internacional de Mec nica Experimental a realizar no Porto entre 22 e 27 de Julho de 2012 Cap tulo 5 Conclus es E Trabalho Futuro 119 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 5 1 Trabalho futuro Para trabalho futuro no mbito da continua o do estudo de comportamento de barreiras de protec o rodovi ria met lica sugere se o seguinte Realiza o de ensaios experimentais para prumos C125 e UPN120 com vista valida o dos resultados num ricos Estudo conjunto da componente barreira longitudinal Estudo do comportamento dos parafusos de liga o Conjug
120. ente na barra tal como mencionado no enunciado do exerc cio 74 Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 3 2 2 Primeira fase de valida o Defini o da malha 3 2 2 1 Primeira simula o Ap s as defini es gerais apresentadas em cima Inicia se a primeira fase de testes Foram corridas an lises para o material WBVMMECH029 figura 3 14 com a malha com 0 5in de dimens o por elemento com Deflex o elevada Activa Todas as restantes op es foram deixadas predefinidas Para tais defini es s o obtidos os resultados presentes na tabela 3 5 Tabela 3 5 Compara o de resultados da primeira simula o din DI 200 so sms Ds 30000 3600 somo 0 ER Momento Resultados psi Erro Resultado de racio final Racio M Momento atingido final Ibf in 30 000 Para finalizar atrav s de tentativa erro procede se ao c lculo do r cio de momentos entre o momento de ced ncia e o momento que leva plasticidade total do material de sensivelmente 1 25 bastante longe dos 1 5 indicados pela refer ncia 51 Comparando com a tabela 3 4 verifica se um erro para Mc 24 000 Ibf in de 8 elevado quando comparado com os 0 164 expect veis O erro para 1 25 M 30 000 Ibf in contudo inferior correspondendo exactamente teoria 0 de e
121. ento A que representa a fixa o do prumo abaixo da linha do solo e a for a aplicada B correspondente base de contacto com o espa ador O cilindro onde se encontra A uma forma simplificada de representa o do encastramento do prumo ao solo e estende se por 1050 mm dos 1700 mm de comprimento total do prumo A for a est aplicada B apenas a uma rea de 200 mm de altura correspondente altura da face do espa ador em contacto com o prumo Figura 4 6 Prumo C125 Restri es aplica o de for a e sistema de eixos A for a B aplicada na perpendicular face seleccionada direc o do eixo dos xx como poss vel verificar na figura 4 7 ml Figura 4 7 For a aplicada no prumo C125 Vista de topo 92 Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas O estudo feito por simula o num rica para diferentes valores de for a est presente na figura 4 11 que apresenta a curva de rela o tens o equivalente m xima for a utilizada malha grosseira pois demonstra um correcto comportamento podendo depois limitar os resultados a uma amplitude de for as menor Com malha mais fina a deforma o menor levando a uma menor capacidade de an lise para al m do facto dos erros relacionados ao aumento da defini o de malha aquando da valida o do programa com o exerc cio WBVMM
122. erior do espa ador Tal tamb m n o acontece para o prumo C125 cuja tens o equivalente m xima para a for a que gera plasticidade total de sec o do espa ador 31 500 N de sensivelmente 508 MPa portanto j dentro do dom nio pl stico 2 Tendo em conta que o objectivo do prumo ceder rompendo a liga o com o espa ador como poss vel verificar na figura 4 2 pelo menos o prumo C125 demonstra um correcto funcionamento Uma das principais mais valias a retirar deste trabalho com aplica o realidade t m que ver com a medi o dos deslocamentos d dy e dy no prumo e atrav s das equa es 118 Cap tulo 5 Conclus es E Trabalho Futuro Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas de for a deslocamento obter as for as F envolvidas no embate A partir destas para um embate de baixa energia cin tica na direc o do prumo e com caracter sticas do ve culo conhecidas conhecer a sua velocidade de embate Para tal basta utilizar a equa o 4 2 Passivel de ser aplicado no prumo UPN120 essencialmente direccionada para o prumo C125 que apresenta um comportamento de deforma o mais pr ximo do esperado As equa es obtidas na an lise num rica podem tamb m servir para a programa o do comportamento destas estruturas em an lises din micas atrav s de programa o e ter o real impacto numa an lise que por si s apres
123. es I claim 1 A device of the type described com prising longitudinal base members vertical supporting members each engaging one of the base members braces for retaining the supporting members upon the base members guard ony size Adjoin b 1 449 518 a guard member and means for resiliently connecting the guard member with the sup porting members 2 A device of the type described compris ing longitudinal base members a pair of vertical plates secured to the base members eams arranged between the plates a brace for the plates bolts carried by the plates and extending between the beams a guard mem ber carried by the bolts and coil springs in terpolated between the guard member and the adjacent plates _ 3 A device of the type described compris ing a guard formed with curved end por tions supporting standards for the guard means loosely engaging the guard and the standards for retaining the guard thereon and resilient means arranged upon the afore mentioned means and directly engaging the Go 5 70 standards and guard for exerting sustained 75 pressure upon the guard 4 A device of the type described compris ing a guard supporting standards for the guard a plurality of loosely mounted bolts carried by the standards and the guard be ing loosely mounted on the bolts and limited in movement in one direction by the heads of the bolts and resilient means directly en gaging the standards
124. es presentes numa barra sujeita a flex o pura Visto segundo a sec o transversal S1 i3 c0ses andes Bieta enle eeaeaiel 68 Figura 3 12 Material el stico perfeitamente pl stico Declive zero no dom nio plastico O sa eea an tateauacuaatus E a E 69 Figura 3 13 Ambiente Workbench para a resolu o do exerc cio WBVMMECH029 IEE lunesta ERR DARI PORRA PRDC juts a e eh RR ERROR PRE A RP ONPRRRO PRP i RR 72 Figura 3 14 Configura o do material WBVMMECH 029 000 eee eeeeeeceteeneeenee 73 Figura 3 15 Propriedades gerais da malha ccccsssscsssssssenescsesnscssnencesnecceenneeses 74 Figura 3 16 Defini o manual do m todo de cria o de malha 77 Figura 3 17 Algumas das v rias op es passiveis de serem alteradas da sua Predeiini o IA sa car teias Tila A E SA Lanna ale 78 Figura 3 18 Caixa Element Control no menu Geometry 78 Figura 3 19 Caixa Brick Intregration Scheme no menu Solid 79 Figura 3 20 Ilustra es de contacto com aresta viva entre superf cies 52 a Deforma o com comportamento defeituoso b Concentra o de tens es 81 Figura 3 21 Ilustra es de contacto com raio de curvatura entre superf cies 52 a Visualiza o do raio de curvatura b Deforma o total da pe a 82 Figura 3 22 Aplica o do momento na barra verificar a
125. essor Doutor Delfim Soares pela an lise qu mica gratuita do material traccionado Professora Doutora C ndida Vilarinho pelos esclarecimentos e bibliografia prestada Fernando Ara jo pela ajuda prestada durante a realiza o dos ensaios experimentais V tor Neto pela maquinagem efectuada com vista produ o de provetes para os ensaios experimentais minha m e por todo o apoio a todos os n veis ao longo de toda a minha vida Aos meus av s pelo apoio prestado ao longo dos anos Ao meu pai pelo incentivo prestado Ana Gameiro da Silva por ter sido ao longo de tr s anos e meio o catalisador de todos os meus sucessos Carlos Mendes pela amizade e por ter sido ao longo destes anos de educa o superior uma presen a constante no dia a dia nos bons e maus momentos Agradecimentos iv Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Jo o Tavares pela entreajuda devido ao facto de ter sido um parceiro deste mesmo projecto embora com outro enfoque Marco Dourado por esclarecimentos de n vel pr tico e do artigo presente neste trabalho Lu s Farias pela amizade e apoio prestado Jos Gomes e Humberto Gon alves pela partilha de sentimentos positivos e negativos ao longo dos nossos respectivos projectos da mesma especializa o que decorreram no mesmo intervalo de tempo e pela amizade A todos os meus amigos pelo apoio manifestado A
126. fferent range of forces The final displacement force curve can be used in dynamic analyses or related with European Standard 1317 which in a singular case can identify the vehicle impact speed through the displacement present in the post and spacer INTRODUCTION The metallic road safety barriers have the objective to deform in order to absorb the kinematic energy of the vehicle crashing This barriers behaviour is important to minimize the damage and avoid other collisions The first barrier found by research in the Espacenet the online search website from the European Patent Office is from 1923 with the name of Road Guard patented by J A Lawson Lawson 1923 This work focus in the metallic barriers constitute with the post spacer and the longitudinal beam with the w beam as the most common All these barriers should be in accordance with the European Standard 1317 Road Restrain Systems that certifies it as capable of contain different levels of impact However from the observation of real crash scenarios it is possible to claim that these barriers don t work as expected The first problem is that the barrier doesn t break the joint between the post and the spacer following the vehicle in motion as expected Contrary to this in some scenarios the vehicle passes over the barrier This might be related with the second problem the post constrain The post isn t properly fixed into the ground The M16 bolts that conn
127. ficos da rea de estudo a que se prende este trabalho as liga es das barreiras de protec o rodovi rias segundo uma an lise est tica sempre importante mencionar a sua an lise at porque existem alguns que apresentam descri o de comportamento importantes ou aplic veis presente rea de estudo Cap tulo 1 Introdu o 21 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas A pesquisa obt m resultados diversos uns espec ficos relativos s barreiras de protec o rodovi ria outros mais generalizados mas com alguma informa o importante Klas Erik Engstrand 37 trata de uma an lise din mica n o est tica tendo informa o importante a retirar deste trabalho O estudo refere se s barreiras nos Estados Unidos da Am rica pelo que a legisla o e normas seguidas v o de encontro s utilizadas no pa s Este estudo compara uma an lise experimental realizada no Instituto de Transporte do Texas com uma num rica de sua autoria recorrendo ao programa LS DYNA relativa ao comportamento din mico das barreiras Tem como objectivo segundo o autor analisar e melhorar o comportamento das barreiras tendo em conta a sua fraca presta o na conten o de ve culos Neste estudo poss vel verificar que o sistema de protec o rodovi rio em causa n o utiliza a componente de espa ador pelo que o prumo se encontra directamente ligado barra longi
128. he deformation produced in it can be ignored if compared with the post C125 According to EN1317 2 in impact the joint between the spacer and the post should break following the car in motion with the longitudinal beam supported by other posts and spacers of the near road safety barrier working as a multibody energy dissipation system Relating the equations 3 to 8 with the equation present in the EN 1317 1 in order to velocity it s possible to understand the impact velocity v of a known vehicle that collides with the barrier right in the post location equation 10 It s possible to include equation 9 however it s not possible to understand the deformation behaviour of the two structures together The spacer deformation is many times smaller than the post and is better to be ignored in this calculus 1 2 m 10 E c sina b cosa 1 Sl v sina It s easier to understand the equation 10 with the figure 12 c sin a b cos a Fig 12 Equation 10 description from EN 1317 1 These results may not be valid for great impacts but for low velocity impacts with low displacement it can achieve realistic results just need to use equations 3 to 8 depending on displacement measured and obtain force values Knowing the vehicle characteristics beam deflection and impact angle considering a force applied normal to post location it s finally possible to identify the vehicle velocity Finally t
129. his data and formulation can be used for further analyses including dynamic behaviour and all structures assembled together since is now know its behaviour with trust in software results which includes a successful comparison with a real experimental quasi static analysis ICEMIS Porto Portugal 22 27 July 2012 The metallic road safety barriers are the most common barriers due to its cheap price however they aren t the most efficient Lima 2006 Studies like this can help to improve and develop better metallic road safety barriers but their real capacities are limited ACKNOWLEDGMENTS The authors gratefully acknowledge the Centre for Mechanical and Materials Technologies Centro de Tecnologias Mec nicas e de Materiais CT2M REFERENCES Ara jo GJS Estudo anal tico do tipo de barreiras de protec o rodovi rias Universidade do Minho 2008 Bayton DAF Jones TB Fourlaris G Analysis of a safety barriers connection joint post testing Materials and Design 2008 29 915 921 Bayton DAF Long R Fourlaris G Dynamic responses of connections in road safety barriers Materials and Design 2009 30 p 635 641 British Standards Institute BS EN 1317 1 2 5 Road restraint systems London BSI Publications 1998 Engstrand KE Improvement to the weak post w beam guardrail Worcester Polytechnic Institute 2000 Lima HMP Comportamento funcional e estrutural das barreiras de seguran a Universidade do Porto 2
130. ia Autohoje de Maio de 2011 130 Anexo C Certificado LIER da Metalocardoso 132 Anexo D Manual b sico de ANSYS cresc ceneeracenascentanea 134 Anexo E Desenho t cnico do prumo C125 eee 153 Anexo F Desenho t cnico do prumo UPNI2O 157 Anexo G Desenho t cnico do espa ador tipo IL 161 Anexo H Artigo para confer ncia secas paisiasi saias ago Linda as DANS aTeTanto pagas isa edas 165 ndice xi Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas NDICE DE FIGURAS Figura 1 1 Elementos constituintes de uma barreira de protec o rodovi ria 3 2 Figura 1 2 Barreiras de protec o simples 5 eee 4 Figura 1 3 Barreiras de protec o dupla 5 ssiuaaissss qeantado tenet de os quanta fuciaa atenas 4 Figura 1 4 Barreiras obras de arte 3 as gu cise dee eh ek as 4 Figura 1 5 Barreiras de seguran a a motociclistas em baixo 3 5 Fisura 1 6 Barreiras BHO O sisin etie Ses ctl soiste Stage ae E asa Sta 5 Fig ra 17 Promo VPNTO O ana dale Sa US gui SMS 6 Figura 1 8 Prunio C125 5 sussa ssaini cagada sagas las iain latakuawiauals ieee 6 Figura 1 9 Prumo utilizado nas barreiras obras de arte 5 0 eee eeseeeseeeeeeereeenneeees 6 Figura 1 10 Espa ador Lipo S sane nin lee erent allele ae 7 Figura 1
131. ias desconhecidas 16 Tens es e deforma es entre outros s o derivadas dos deslocamentos 16 A equa o 2 29 obtida atrav s da conjuga o de outras equa es consistindo na formula o final do deslocamento puro Ouk Duk Ox OX Dow dei Cir Dem dV fo Ge Dex dv 2 29 V V a formula o mais amplamente utilizada sendo capaz de suportar a maior parte dos problemas de deforma o n o linear 16 Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos 51 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 2 2 3 Elementos O estudo num rico do comportamento dos elementos efectuado atrav s dos n s e pontos de integra o defini o do elemento Para qualquer elemento estrutural a os deslocamentos u s o obtidos atrav s dos n s a preto na figura 2 14 As tens es e extens es o s o obtidas atrav s dos pontos de integra o a vermelho na figura 2 14 q v m S u Figura 2 14 Exemplo de um elemento plano 2x2 pontos de integra o a vermelho 14 A partir dos deslocamentos poss vel obter por exemplo as extens es ocorridas atrav s da equa o 2 30 14 te B u 2 30 2 2 3 1 SOLID186 O elemento SOLID186 utilizado na valida o do programa de elementos finitos utilizado presente na figura 2 15 define se com um elemento de elevada ordem de tr s dimens es 20 n s com tr s graus de liberd
132. ica Em seguida deve abrir o programa ANSYS Workbench Para a execu o de uma an lise est tica nica dever escolher a op o Static Structural ANSYS em Analysis Systems na Toolbox esquerda Figura D 1 Neste componente poder inserir desenhar e analisar o mesmo material atrav s das suas diferentes op es 1 3 6 Anexos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas New gf Open lal Save lal Save As lImport Reconnect Refresh Project 7 Update Project Project Compact Mode Project Schematic E Analysis Systems Explicit Dynamics ANSYS E B Static Structural ANSYS a ent Systems 1 Baca TONE AUTODYN 2 Engineering Data Va Engineering Data 3 e Geometry Pa M Geometry 4 Model P Mechanical APDL 5 Setup 2 Mechanical Model Mesh 6 Solution ee Results 7 Results Static Structural ANSYS Figura D 1 Componente de an lise Static Structural e suas op es Contudo pode escolher componentes individualmente para o caso de querer utilizar o mesmo material ou a mesma geometria para diferentes an lises Figura D 2 JN An lise de barra Workbench File View Tools Units Help New Ef Open ll Save lal Save As Import Reconnect Refresh Project Update Project 3 Project Compact Mode Toolbox x Project Schemati
133. ica o Ao Caso Real Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 4 4 Prumo utilizado nas barreiras obras de arte 5 O LIER utiliza sensores para medi es nos testes experimentais os quais se deformam e cujo encastramento semelhante ao da barreira obra de arte e como poss vel verificar na figura 4 5 com este n vel de encastramento n o existe deforma o na fixa o ao solo apenas no prumo Figura 4 5 Sensores LIER 30 Sem uma correcta fixa o dos prumos n o existe nenhuma for a resistente ao impacto do ve culo dessa forma a barreira deforma se em solidariedade com o solo figura 4 3 e acaba por n o existir o rompimento ou acontece tardiamente da liga o como se pretende figura 4 2 Durante a simula o s o aplicadas diferentes for as at ao ponto de n o converg ncia de solu o quando tal acontece porque o material entra totalmente no dom nio pl stico E necess rio salientar que todas as an lises num ricas efectuadas t m activa a op o deflex o elevada Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real 91 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 4 1 Prumo C125 Este o primeiro prumo a ser analisado C125 para dimens es ver Anexo E Na figura 4 6 poss vel verificar as condi es de fronteira aplicadas a este prumo um encastram
134. icularly adapted for positioning the guard along the exposed edge of a road bordering an abrupt declivity such as is presented by the face of a cliff or the side of a mountain Safety devices heretofore known and used such as fences and guard rails have proved ineffectual on account of inapt con struction or inherent fragility and cement or stone walls are usually too expensive for general purposes My invention as distin guished from these affords a positive cush ioned guard which is bape Pages rey to the particular curvature of road or the approach to bridgeheads and which pre sents a continuous wall like surface through which no vehicle could pass Furthermore the supports and the guard per se are formed of parts which are simple few in number pe de which may be replaced with facility when they become worn or broken To the foregoing advan and func tions may be added first the particular adaptability of my guard surface for the re ception of advertising matter and roa signs second the arrangement of the guard with respect to a road bed which primarily eliminates the use of a gutter and dome crown third the interpolation of spring ele ments between the guard plates and sup ports which prevents excessive shock both to a vebicle and to the guard and fourth the arrangement and construction of the arts comprising the supports which facili ates setting up the guard and renewing those parts which might become
135. iga o nas barreiras de protec o das estradas 1 3 2 Espa adores Em termos de espa adores tamb m se comercializa tr s diferentes tipos 5 O primeiro apresentado o espa ador tipo II figura 1 10 para executar a liga o com elementos barra longitudinal em W tamb m observ vel na figura 1 1 entre outras Figura 1 10 Espa ador tipo II 5 O espa ador de calha U figura 1 11 para fazer a liga o com o elemento barra de calha em U presente adiante na figura 1 15 Figura 1 11 Espa ador de calha U 5 E ainda o espa ador de passagem de emerg ncia figura 1 12 Permite uma desmontagem r pida representando uma solu o para situa es de emerg ncia por exemplo sempre que haja necessidade de abrir uma passagem entre duas faixas de auto estrada Figura 1 12 Espa ador de passagem de emerg ncia 5 Existem mais um para o caso das barreiras com protec o para motociclistas como se pode ver na figura 1 13 e anteriormente na figura 1 5 Tem assim como fun o fixar a Cap tulo 1 Introdu o 7 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas barra longitudinal inferior que evita em caso de acidente o contacto de motociclistas com os prumos verticais Figura 1 13 Espa ador de barreiras de seguran a de motociclistas 5 1 3 3 Barras longitudinais Quanto s barras longitudinais comercializam se
136. iliza o do ANSYS 86 Capitulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 4 APLICA O AO CASO REAL Como j foi referido o presente trabalho encontra se enquadrado num projecto de estudo do comportamento de barreiras de protec o rodovi ria Contudo tem como intuito estudar apenas o comportamento das liga es especificamente os elementos prumo e espa ador Para executar tal an lise preciso verificar primeiro duas situa es A norma para perceber que tipo de ac o se dever aplicar tendo em conta os par metros apresentados na tabela 1 5 e analisar alguns locais de acidentes que envolvam o embate com as barreiras de protec o para perceber o comportamento destes dois elementos em estudo A tabela 4 1 apresenta os valores de for as m dias envolvidas em colis es consoante os n veis de conten o abordados anteriormente a deflex o da barreira de protec o rodovi ria Contudo a norma 53 afirma que na ancoragem a for a pode chegar a valores de for a 2 5 vezes superiores aos presentes na tabela 4 1 Tabela 4 1 N veis de conten o de todo o sistema com energia cin tica for as e deflex o da barra 53 N vel de Energia Deflex o da Barreira de Protec o Rodovi ria Conten o C e a 0 1 04 0 8 1 2 1 6 20 For a M dia F kN Ti 6 2 16
137. in Titanium Alloy Anodized MoS 23 Certifica o Associa o Espanholda de Normaliza o e UNE 135122 Barreras met licas de seguridad Elementos accesorios de las barreras met licas Materiales dimensiones formas de fabricaci n y ensayos 24 Grupisa Online Cited Outubro 2011 30 http www grupisa es index asp MP 4 amp MS 0 amp MN 1 amp TR C amp IDR 44 25 Viapor Online Cited Outubro 30 2011 http www viapor com pt defensa_simples pdf 26 Normaliza o Comit Europeu de EN 10279 Hot Rolled Steel channels Tolerances on Shape Dimensions and Mass 27 Certifica o Associa o Espanholda de Normaliza o e UNE 135121 Barreras met licas de seguridad para contenci n de veh culos Valla de perfil de doble onda Materiales geometr a dimensiones y ensayos 28 Estradas Junta Aut noma das Norma de Tra ado JAE P3 94 29 Grupisa adaptado Online Cited Outubro 30 2011 http www grupisa es index asp MP 4 amp MS 0 amp MN 1 amp TR C amp IDR 44 30 Ara jo Gon alo Estudo Anal tico do Tipo de Barreiras de Protec o Rodovi rias Universidade do Minho s n 2008 31 Normaliza o Comit Europeu de EN 10025 2 2004 Hot Rolled Products of Structural Steels Part 2 Technical Delivery Conditions for Non Alloy Structural Steels adaptado Online Cited Outubro 30 2011 http pt scribd com doc 39880280 BS EN 10025 2 2004 32 Qualidade Instituto Portugu s da NP E
138. ir uma pe a definir o material o estudo que se Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico 65 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas pretende fazer e correr a an lise que vari veis como a integra o mesh malha elementos entre muitas outras op es s o controladas automaticamente de acordo com as caracter sticas da pe a e an lise executada Estas defini es autom ticas est o sujeitas a erros mas numa fase inicial da abordagem ao tema como esta ajuda na elimina o de algumas vari veis com vista mais r pida integra o nas funcionalidades do programa 3 2 1 Valida o do programa Assim sendo pretende se elaborar um estudo que seja considerado v lido com confian a nos resultados obtidos Tendo em conta que o presente estudo entra no dom nio da deforma o pl stica a valida o do programa de acordo com o tipo de estudo que se pretende efectuar adiante obrigat ria Para tal a primeira fase baseia se na procura de um exemplo resolvido ou pass vel de ser resolvido analiticamente que seja poss vel representar no programa comparando em seguida os resultados Tanto o modo de linguagem de comandos como o ambiente gr fico t m exemplos resolvidos dispon veis na Ajuda Estes est o contidos num manual de apoio Verification Manual um manual de exerc cios resolvidos anal tica e numerica
139. irri ri ii ANSYS 12 1 LEGAL NOTICES TOS a idk kkk ee Details of Solution Information e e COPYRIGHT AND TRADEMARK INFORMATION ha Solution Information n Solution Output E Copyright 2009 SAS IP Inc All rights reserved Newton Raphson Residuals Unauthorized use distribution or duplication is Update Interval Force Convergence prohibited Display Points Max DOF Increment pray See the ANSYS Inc online documentation or the ANSYS Inc documentation CD for the complete Legal Notice Time Increment FEI IE FE IF TIE FE FE TITS FE ITE FH FEKETE TK FEKETE HRT TTT HEHEHE DISCLAIMER NOTICE m b Graphics Worksheet Figura D 17 Op es do Solution Output Na op o Solver Output pode verificar a lista de passos efectuados pelo programa e algumas decis es tomadas Poder verificar aqui o tipo de elemento espec fico utilizado Chegado aqui tem toda a informa o necess ria execu o de uma an lise est tica na vertente Workbench para uma estrutura nica 148 Anexos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Pode contudo em seguida conjugar a informa o retirada desta vertente gr fica do ANSYS o Workbench para a vertente de comandos o Mechanical ADPL Para tal necess rio obter o ficheiro de dados da an
140. it rios de plasticidade s o essencialmente rela es emp ricas comprovadas por um conjunto consistente de ensaios experimentais 10 O crit rio de plasticidade de von Mises considera que a deforma o pl stica tem in cio quando o valor da energia el stica de distor o por unidade de volume W atinge um valor cr tico equa o 2 16 10 h Wi 2 G Weritico 2 16 Na equa o 2 16 J2 representa o segundo invariante do tensor desviador das tens es o qual dado pela equa o 2 17 10 1 h 6 o 02 02 03 0 03 Gap A determina o do valor cr tico da energia el stica de distor o por unidade de volume efectua se considerando o in cio da deforma o pl stica de um estado de trac o uniaxial 61 62 62 03 0 obtido pela equa o 2 18 10 1 Weritico 6 G n de 2 18 Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos 47 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Substituindo este resultado obtido na equa o 2 18 na equa o 2 16 e considerando a defini o do segundo invariante do tensor desviador das tens es equa o 2 17 obt m se a seguinte forma para o crit rio de von Mises equa o 2 19 10 2 00 01 02 02 03 0 03 2 19 E importante salientar que o crit rio de plasticidade de von Mises ao contr rio do crit rio de Tresca considera a
141. iza o estrutural Solu o em Elementos Finitos Escolha tipo de elementos finitos densidade da malha par metros da solu o Representa o carregamento condi es de fronteira Aperfei oamento Avalia o da precisao LY da solu o em elementos finitos do Interpreta ao dos resultados modelo matem tico Y l Refinamento da malha par metros da solu o etc Refinamento da an lise Solu o em Elementos Finitos do Modelo Matem tico do modelo matem tico Figura 1 21 Ciclo de an lise de um modelo matem tico 4 A an lise de elementos finitos F E A representa o estudo num rico efectuado a partir do m todo dos elementos finitos que por sua vez obtido atrav s resolu o de sistemas de equa es diferenciais parciais S o disso exemplo as equa es de equil brio de tens es que na aus ncia de for as m ssicas distribu das pelo volume do corpo s o representadas pelas equa es 1 1 10 00x X OT OT yx ZX 0 oY j OZ Ody OTzy OY OZ Oty doz _ o OY daz Ou sob a forma abreviada equa o 1 2 10 00 X 1 1 1 2 A formula o do m todo dos elementos finitos varia consoante o problema em an lise contudo esta pode ser baseada no m todo dos deslocamentos em modelos de equil brio ou em m todos h bridos e mistos 11 Ao m todo dos desloca
142. l mica p 7860 kg m M dulo de Young E 161 GPa Coeficiente de Poisson v 0 3 Tens o de ced ncia o para extens o de 0 2 361 76 MPa Tens o de rotura o 489 29 MPa Tens o a que se d a fractura do material or 590 10 MPa Extens o fractura er 0 68 3 1 1 Composi o do material De modo a verificar o porqu de o material ensaiado ter um m dulo de Young baixo para o que espect vel de um a o sensivelmente 200 GPa e uma tens o de ced ncia t o Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico 63 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas elevada quando comparada com o os a os S235JR e S275JR com tens es de ced ncia de 235 e 275 MPa respectivamente executada uma an lise qu mica do material ensaiado O a o ensaiado laboratorialmente apresenta a composi o qu mica presente na tabela 3 1 Tabela 3 1 Composi o qu mica do a o ensaiado laboratorialmente Elemento Qu mico Carbono Mang nes F sforo Enxofre Abreviatura P S Composi o 0 008 S lt 0 010 Por sua vez o a o S235JR apresenta a composi o qu mica presente na tabela 3 2 Tabela 3 2 Composi o qu mica do a o S235JR em teores m ximos 50 Elemento Qu mico Carbono Mang nes F sforo Enxofre Azoto Cobre Abreviatura P S N Cu Composi o 0 045 0 045 0 014
143. lacas com 2 64 mm de espessura entre a cabe a do parafuso e a barra longitudinal figura 1 26 a verifica se que apenas uma camada de barra longitudinal figura 1 26 b e uma f mea roscada leva ao arranque da rosca do parafuso a b Figura 1 26 37 a Parafuso com duas placas sobre a barra b Uma camada de barra no aperto ao prumo Cap tulo 1 Introdu o 23 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Por sua vez o mesmo teste mas com um parafuso de di metro 6 35 mm A307A para as mesmas condi es com a adi o de uma f mea roscada para evitar o arranque da rosca do parafuso e uma anilha entre a f mea roscada e o prumo leva fractura do parafuso De salientar que na europa utilizam se parafusos M16 na liga o entre barras e entre a barra e o espa ador Segundo o autor nos Estados Unidos tamb m se utilizam parafusos de di metro 16 mm para as liga es entre barras mas de 8 mm para a liga o entre barra e o prumo de modo a que este parta e permita que a barra se liberte do prumo de modo a que a absor o de energia funcione como pretendido Ainda no mesmo estudo s o executados ensaios de trac o liga o prumo barra verificaram que consoante o ngulo de aplica o de for a na barra longitudinal entre O e 30 graus levavam rotura da liga o para for as entre 17 7 e 27 kN Para al m de v rios tipos de comportamento que
144. levam rotura das liga es poss vel verificar neste trabalho que de facto poss vel acontecer a rotura completa da barra longitudinal para impactos elevados velocidade ngulo e massa elevados desde que a barreira em si acompanhe o autom vel ou seja que este n o a sobreponha no primeiro contacto Para que tal aconte a a quebra do parafuso de 8 mm de di metro que liga o prumo barra funcionando como fus vel important ssimo No artigo Dynamic response of connections in road safety barriers de Bayton Long e Fourlais referente a 2008 38 efectuado um estudo sobre o comportamento din mico com taxas de deforma o compar veis s observadas em testes de colis o das liga es das barreiras de protec o rodovi ria Visto que as liga es entre o espa ador e a barra longitudinal se d o por meio de furos com folga para se poderem aparafusar duas barras sobrepostas O sistema quando sujeito ao choque sofre um deslizamento at que o parafuso contacte com a extremidade do furo presente na barra Este estudo executa modelos de elementos finitos n o lineares dos provetes de teste constru dos para os ensaios laboratoriais Quando comparados os resultados laboratoriais verifica se que os valores de rigidez inicial for a m xima e deslocamentos das liga es aparafusadas apresentavam valores semelhantes aos previstos pelo modelo de elementos finitos Os testes efectuados apresentam apenas um plano de corte tal
145. lgumas op es presentes na figura 3 17 contudo sem sucesso o r cio de momentos n o aumenta pela altera o destas op es 3 2 3 2 Quarta simula o Desta forma e ap s uma verifica o mais minuciosa da Ajuda do programa bem como da refer ncia 14 poss vel verificar que a quest o poderia n o ser das op es tomadas na an lise mas sim de problemas geom tricos De acordo com exerc cios presentes na refer ncia 14 e 52 verifica se que geometrias com arestas vivas em que estas est o em contacto vivo com outra superf cie ou em que a deforma o ocorre especialmente nessa rea pode levar ao surgimento de 80 Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas um problema localizado de exagerada deforma o que causa resultados err ticos ou at uma n o solu o A refer ncia 52 denomina tal problema de singularidades ou seja acontecimentos n o frequentes mas poss veis e sugere para sua resolu o a introdu o de pequenos raios de curvatura Verifique se o exemplo presente na figura 3 20 a b Figura 3 20 Ilustra es de contacto com aresta viva entre superf cies 52 a Deforma o com comportamento defeituoso b Concentra o de tens es Ap s a inser o de um raio de curvatura figura 3 21 no local da aresta viva figura 3 20 ve
146. m the ANSYS Verification Manual with the name of WBVMMECH029 The theory behind the solution to this problem is based in Timoshenko formulation Timoshenko 1975 This problem uses Imperial System units and in order to avoid converting approximations was decided to keep it in the problem reproduction A beam with a rectangular cross section area of b h is constrained in one cross section face and subjected to a moment introduced in the opposite face The elastic perfectly plastic material is represented by a bilinear stress strain curve with a Young modulus E of 3x10 psi and tensile yield strength oc of 36 000 psi Em x a t Stress psi x ON 1206 3 240 3 3 60F 4408 0 i K Strain in in a b Fig 3 Images from problem WBVMMECH029 R p Ht a Beam boundary conditions b Material stress strain curve The text indicates an element mesh size of 0 5 in There are applied three different moments 24 000 30 000 and 36 000 Ibf in that lead the beam to the yield strength values plastic deformation and collapse in this order These three moments result from the Tymoshenko formulation present in equation 1 where is obtained the moment that generates the initial plastic deformation M Editor J F Silva Gomes 15 International Conference on Experimental Mechanics 1 With equation 2 is obtained the moment that leads the structure to total cross section plasticity Mim
147. machine Dartec M1000 R D b Spacer with force bar applied The test was executed under quasi static conditions with consequently slow deformation in way to be able to compare with the static analyses in ANSYS The test was limited to a maximum displacement introduced by operated in order to be sure of verifying fracture In this case is not possible to compare displacement values The displacement wasn t the objective to achieve in this test but the maximum force and the fracture location RESULTS AND CONCLUSIONS For the post C125 it s done a displacement and stress analyses The force is applied in the normal direction to the post face in the area where it contacts with the spacer The results of the force displacement curve for post C125 are present in figure 7 The 2 curves show the horizontal dy continuous line and vertical displacement dy dashed line The numerical analyses proceeded identified a maximum force of F 178 500 N until the C125 post enters in non convergence results ICEMIS Porto Portugal 22 27 July 2012 200000 180000 160000 140000 120000 100000 Force N F 0 100 200 300 400 500 d Displacement mm 600 Horizontal displacement dH1 0 18 5 mm Horizontal displacement dH2 18 5 569 mm Horizontal displacement dH3 569 627 mm Vertical displacement dV 1 0 2 mm Vertical displacement dV2 2 521 mm Vertical displacem
148. mados na pe a real Existe ainda soldadura e portanto o espa ador n o uma pe a nica nem todas as faces est o em contacto Em segundo lugar est o as caracter sticas do material A an lise do material executada anteriormente neste trabalho elaborada com provetes retirados de outro espa ador que n o o ensaiado o que consequentemente pode levar a diferen as nas caracter sticas do material Apesar disto e com a possibilidade de varia o de resultados devido s quest es mencionadas anteriormente os resultados obtidos entre a an lise num rica e experimental do espa ador s o muito pr ximos com uma for a m xima da mesma ordem de grandeza com uma diferen a de sensivelmente 6286 N e uma localiza o de tens o equivalente m xima semelhante em ambas as an lises o que credibiliza a an lise num rica poss vel de forma semelhante verificar atrav s da equa o 4 13 acima as for as e deslocamentos contudo e relacionar com a equa o 4 2 contudo como os resultados obtidos ter o pouco validade real visto que em caso de embate e por via da verifica o de cen rios de colis es a deforma o do espa ador desprez vel quando em compara o com o prumo poss vel tamb m para este caso verificar as tens es envolvidas atrav s da for a calculada por via da equa o 4 13 116 Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras
149. mas existentes Por exemplo ao escolher o material S235JR este tem de estar de acordo com a respectiva norma EN 10025 17 a o estruturais conformados a quente se escolher as barras longitudinais em W estas t m de estar de acordo com a respectiva norma NF P 98411 24 25 para dimens es EN 10025 17 para o a o NF A 91121 24 para a galvaniza o Por fim s o executados testes abordados adiante na tabela 1 5 a essas mesmas barreiras de acordo com a norma EN 1317 sistemas de reten o rodovi ria se respeitarem a mesma poder o ser aplicadas nas vias rodovi rias A pesquisa efectuada verifica que qualquer barreira de seguran a rodovi ria tem de estar homologada de acordo a norma portuguesa NP EN 1317 32 partes 1 a 6 ou europeia EN 1317 2 partes 1 a 6 Para tal s o efectuados testes com diferentes par metros presentes na tabela 1 5 A norma de onde foram retirados estes par metros EN 1317 2 1998 33 foi revista apenas recentemente mais propriamente em 2010 A sigla HGV representa ve culo pesado de mercadorias 18 Cap tulo 1 Introdu o Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Tabela 1 5 Par metros de embate de ve culos presentes na norma EN 1317 2 33 Velocidade ngulo de Massa total Teste de impacto impacto do ve culo Tipo de ve culo graus Pesado de mercadorias r gido Pesado de mercadorias r gido Au
150. mato presente na figura 4 24 Nesta mesma figura poss vel verificar as condi es de fronteira a fixa o A encastramento e a for a aplicada B Figura 4 24 Representa o do espa ador tipo II Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real 107 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Na vista superior do espa ador a fixa o feita na face anterior do espa ador A e a for a aplicada na face oposta B na direc o do eixo dos xx como poss vel verificar na figura 4 25 verificar tamb m o sistema de eixos Figura 4 25 Fixa o e for a aplicada no espa ador tipo II Vista superior O estudo feito para diferentes valores de for a apresenta a curva de rela o tens o equivalente m xima for a e curva de for a deslocamento utilizada malha grosseira pois demonstra um correcto comportamento Esta malha ent o constitu da por 8780 elementos SOLID187 apresentando a seguinte defini o figura 4 26 NY W Figura 4 26 Amortecedor tipo II Defini o da malha grosseira Verifica se por tentativa erro que a ltima for a aplicada para a qual existe converg ncia acontece a F 31 500 N 108 Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Na figura 4 27 encontra se o gr fico representante do deslocamento
151. mente no ANSYS no qual se compara os resultados obtidos em ambos Deste escolhido o exemplo WBVMMECHO29 cujo t tulo denomina se Elasto plastic analysis of a rectangular beam Este exerc cio tem por base teoria presente na refer ncia 51 Neste livro poss vel verificar as equa es necess rias ao c lculo da deforma o de barras de diversos formatos Este exerc cio consiste numa barra de sec o rectangular cujas condi es de fronteiras consiste num encastramento numa face ou seja uma face fixa e um momento aplicado na face oposta como poss vel verificar na figura 3 9 66 Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Fixed Support Figura 3 9 Barra do exerc cio WBVMMECHO2 fixa numa extremidade e momento aplicado na oposta 16 A barra apresenta um comprimento de 254 mm e uma sec o com largura b de 25 4 mm e altura h de 50 8 mm Os momentos aplicados variam entre 24 000 30 000 e 36 000 Ibf in O diagrama de corpo livre da barra representado na figura 3 10 Fixa numa extremidade encastrada e com um momento aplicado na extremidade oposta Figura 3 10 Diagrama de corpo livre da barra do exerc cio WBVMMECHO29 A raz o deste exerc cio prende se o estudo do comportamento da barra sujeita a flex o pura onde a as linhas longitudinais
152. mentos est o associados conceitos como graus de liberdade matriz de rigidez da estrutura for a condi es de apoio entre outros 11 Essa mesma an lise pode ser efectuada segundo diversos par metros como a an lise est tica ou din mica de uma estrutura obtendo uma solu o impl cita ou expl cita respectivamente figura 1 22 12 Cap tulo 1 Introdu o Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Solu o Velocidade de Taxa de Impacto m s Deforma o s Impl cita lt 105 Estatico 105 102 El stico Elasto Pl stico resist ncia do 1 491 50 1000 10 10 material significativa Essencialmente pl stico 1000 3000 105 106 press o iguala ou excede a resist ncia do material Hidrodin mico press o muitas 3000 12000 vezes superior resist ncia do material Vaporiza o dos s lidos em Expl cita gt 12000 ga colis o Figura 1 22 Tipo de solu o obtida perante a velocidade de impacto 12 A modela o de uma estrutura pode ser executada num programa de engenharia assistida por computador C A E que possua a capacidade de modela o ou num programa de desenho assistido por computador C A D transferindo posteriormente o modelo para um programa CAE para que possa ser efectuada a an lise Ap s a modela o executada a cria o da malha para esse mesmo modelo estrutura Esta malha e
153. metry 7 El Component Systems 4 8 Model 7 4 9 Model EA AuTODYN Foo e Momento 5 Gt Stu 4 eta 5 Soutin 7 Engineering Data 71 Rents Geometry Mechanical APDL Mechanical Model Mesh Results 24 000 Ibf in Large Deflection ON S S SSS 35395 Ibf in Large Deflection ON Geometry T View All Customize IA Messages e Ready Figura 3 13 Ambiente Workbench para a resolu o do exerc cio WBVMMECHO29 Dentro do m dulo Dados de engenharia s o efectuadas as configura es presentes na figura 3 14 iguais s referidas no enunciado do exerc cio nomeadamente o m dulo de Young coeficiente de Poisson tens o de ced ncia e curva de deforma o pl stica bilinear correspondente a um material el stico perfeitamente pl stico 72 Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Outine of Schematic A2 B2 C2 D2 E2 F2 Engin ieee RE EM E Material Barra WBVMMECH029 Chart of Properties Row 9 Bilinear I x 2 5 Bilinear Isotropic Hardening msm B amp Isotropic Elasticity 2 Derive from Young s Modulus and Poi v e Young s Modulus 3E 07 psi v T Poisson s Ratio 0 Z Bulk Modulus 6 8948E 10 Pa v Shear Modulus 1 0342E 11 Pa Boa a amp Bilinear Isotropic Hardening E Yi
154. modo a iniciar o desenho Figura D 4 a ou poder importar a pe a desenhada noutro programa Figura D 4 b E A Static Structural ANSYS Designa EP A Static Structural ANSYS Desiorvioceier lil File Create Concept Tools View Help File Create Concept Tools View Help x 2al a Select y ky 0 A Refresh Input hy tf amp a Start Over XYPlane v None fool 4 Load DesignModeler Database Generate eExtrude Revolve Sweep Skin Loft evolve Sweep Skin Loft d bel Save Project Sketching Toolboxes E Export Draw 8 Attach to Active CAD Geometry N Line Import External Geometry File t Lii 8 Tees are amp Write Script Sketch es of Active Plane 6 Line by 2 Tangents i E Sk Run Script A Polyline Polygon Print Rectangle gt E Auto save Now Rectangle by 3 Points Restore Auto save File amp Oval Circle Recent Imports d Circle by 3 Tangents Close DesignModeler Arc by Tangent Arc by 3 Points Arc by 3 Points o Arc by Center Arc by Center Modify Modify Dimensions Dimensions Constraints Constraints Settings Settings Sketching Modeling Sketching Modeling a b Figura D 4 Op o Geometry a Sketching b Importar modelo noutro formato De qualquer das formas ap s a importa o ou desenho da pe a dever seleccionar o cone Generate Figura D 4 a Em seguida feche a janela Anexos 1 39 Optimiza o do c
155. momentos aplicados barra neste exerc cio exercem sobre esta efeitos semelhantes aos presentes na figura 3 11 1 2 e 3 para Mc 1 25 Mc e 1 5 Mc respectivamente A curva de tens o extens o do material considerado para estes c lculos bilinear e tem um declive de valor de zero para a linha correspondente ao dom nio pl stico figura 3 12 b A este tipo de material dado o nome de material el stico perfeitamente pl stico Este exerc cio apresenta uma extremidade fixa e um momento na oposta equivale a ter dois momentos contr rios como se pode verificar na figura 3 12 a O problema inicial est definido em unidades inglesas e nesta representa o opta se por manter este mesmo sistema de unidades sistema imperial de modo a evitar erros de arredondamento durante a resolu o do exerc cio com vista a uma melhor compara o de resultados 68 Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Stress psi a na t Ft E O m tate HE 430 6 093 Strain in in Figura 3 12 Material el stico perfeitamente pl stico Declive zero no dominio pl stico 16 Para a resolu o deste exerc cio s o fornecidos os seguintes par metros e M dulo de Young 3x10 psi 2 07x10 MPa e Coeficiente de Poisson 0 0 e Tens o de ced ncia 36 000 psi 248 21 MPa e Comprimento da b
156. ndo com o n mero de eixos em que feito o ensaio Isto acontece devido altera o dimensional em todas as direc es Assim sendo para um teste uniaxial a tens o real aquando a exist ncia de estric o tamb m ela reajustada Desta forma o valor da tens o que interessa para este trabalho obtido atrav s da rela o presente na equa o 2 11 presenta na refer ncia 10 V3 gt o 2 11 Ov e E necess rio real ar que poss vel utilizar as equa es 2 9 e 2 10 para descrever toda a curva ou seja tamb m poss vel aplicar as mesmas na zona pl stica de deforma o uniforme Obter se o resultados ainda mais precisos contudo a aproxima o logar tmica suficiente e menos complicada de executar Com todas as equa es de reajustamento presentes em cima poss vel criar ponto a ponto a curva real do material que se pretende analisar Contudo s o necess rias medi es Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos 43 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas instant neas da varia o das dimens es do provete em todas as direc es para uma correcta descri o Existem outros m todos de obten o da curva real do material no dom nio pl stico que t m em conta par metros inerentes a cada material e que se encontram tabelados ou que se obt m tamb m eles atrav s da an lise instant nea da varia o da sec o du
157. ngenharia at ao ponto de fractura feita apenas por esses mesmos dois pontos visto n o ter sido poss vel monitorizar a varia o da instant nea da sec o do provete ao longo do ensaio Assim poss vel obter uma curva tens o extens o n o totalmente descrita mas aproximada figura 3 8 Por fim s o retirados os valores da extens o el stica aos valores totais de modo a obter apenas a extens o pl stica com valor inicial de zero para o ponto de tens o de ced ncia como indica o programa O declive da curva entre pontos tamb m nunca pode ser inferior a zero ou seja o ponto seguinte tem de apresentar sempre uma tens o igual ou superior anterior N o poss vel calcular o valor do coeficiente de Poisson pelo que tomado o valor de 0 3 valor usual para o a o O valor de massa vol mica de 7860 kg m tamb m foi assumido sendo este material um a o 62 Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Assim poss vel obter a curva de deforma o pl stica no programa estando desta forma descrito o material figura 3 8 Tens o MPa 460 o 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 03 0 35 04 0 45 0 5 0 55 0 6 0 65 Extens o Deforma o mm mm Figura 3 8 Descri o do material no ANSYS O material ent o descrito da seguinte forma segundo a curva verdadeira Massa vo
158. nha de tend ncia mm m mm m mm m mm m mm m GPa Pa N GPa Pa mm m MPa Pa MPa Pa mm m in mm m mm m mm m N m Ibf in N m Ibf in N m Ibf in Nomeclatura Gloss rio e Abreviaturas XX Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Ra R cio de alongamentos Sb Deflex o da barreira m u Deslocamento no eixo dos xx mm m U M dulo de resili ncia MPa Pa Ur M dulo de tenacidade MPa Pa V Volume do corpo deformado mm m v Velocidade deslocamento no eixo dos yy m s mm m Ww Deslocamento no eixo dos zz mm m wi Energia el stica de distor o por unidade de volume GLOSS RIO ANSYS Programa de simula o de engenharia A307A Classe A do a o A307 segundo a ASTM Axissim trica Sim trica em rela o a um eixo Barra Elemento longitudinal com comprimento entre sensivelmente longitudinal 2 3 metros e 4 3 metros que tem como fun o absorver a energia Barreira de bet o h brida Barreira New Jersey Calandragem Celsius cos dos ve culos em despiste atrav s da sua deforma o e transfer ncia de energia entre elementos semelhantes e redireccionar os mesmos Forma usual em W dupla onda Constitu da por mais que um elemento Bet o e a o neste caso Barreira de Bet o Processo de conforma o pl stica para introdu o de curvatura Escala de temperatura relativa medida em graus
159. ns 8 Bonded barra manual 2 1 To barra manual 2 2 ABB Mesh B 42 Static Structural C5 YR Analysis Settings Fixed Support AB Moment E 68 Solution C6 y2 Solution Information Equivalent Stress Details of Bonded barra manual 2 1 To barra manual 2 2 7 Scope Scoping Method Geometry Selection Contact 1 Face Target _ i 1 Face Contact Bodies Target Bodies Definition Bonded No Separation Frictionless Rough iH Frictional Normal Stiffness Program Controlled Update Stiffness Never Pinball Region Program Controlled Scope Mode Behavior Suppressed Advanced Formulation Figura D 9 Op es de descri o de contacto 142 Anexos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Existem ainda diferentes tipos de formula o de an lise do contacto que se podem escolher na op o Formulation dentro da descri o do contacto Figura D 10 8a Connections 8 Rough barra manual 2 1 To barra manual 2 2 t Mesh Static Structural C5 VA Analysis Settings AB Fixed Support J Moment Solution C6 Solution Information 48 Equivalent Stress Details of Rough barra manual 2 1 To barra manual 2 2 q Scope Scoping Method Geometry Selection Contact 1 Face Target 1 Face Target Bodies Definition Type
160. ns o interm dia podem chegar a uma diferen a de 15 5 como se pode verificar na equa o 2 24 10 3 Eai adiar RE i Toct cr tica 55 2 24 DD a aoad Tmax menor 3V2 4 E Toct cr tica A figura 2 13 ilustra a diferen a entre os crit rios de plasticidade de Tresca e von Mises Tresca von Mises Corte por um plano O 0 0 Cte i i k Corte por um plano J 9 0 Figura 2 13 Crit rios de elasticidade de Tresca e de von Mises num espa o tridimensional 10 49 Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Como poss vel verificar na figura 2 13 as transi es para o crit rio de Tresca s o definidas por uma recta sendo descritas de forma el ptica para o crit rio de von Mises Verifica se que para estados de tens o de corte puro a diferen a entre o crit rio de Tresca e de von Mises de aproximadamente 15 5 com a tens o limite de elasticidade em corte puro k a ser obtida pela equa o 2 25 para o crit rio de Tresca 10 k 2 25 Para o crit rio de von Mises a tens o limite de elasticidade para corte puro obtida pela equa o 2 26 10 0 pa 2 26 V3 Por sua vez as equa es de Levi Mises constitutivas para o dominio pl stico encontram se presentes nas equa es 2 27 10 de 1 de Fe Jox 5 oy 22 Oe p _ dEe 1 d
161. ns o de rotura MPa Pa Oy Tens o verdadeira MPa Pa Oy e Tens o verdadeira durante a estric o MPa Pa Ox Oy Oz Tens es nos eixos x y Z MPa Pa T Tens o de corte MPa Pa Tnax Tens o de corte m xima MPa Pa Toct cr tica Tens o de corte octaedral cr tica MPa Pa Txy Tens o de corte normal ao plano xy MPa Pa Tyz Tens o de corte normal ao plano yz MPa Pa Tzx Tens o de corte normal ao plano zx MPa Pa v Coeficiente de Poisson A rea da sec o transversal do provete mm m Nomeclatura Gloss rio e Abreviaturas X1X Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Ao dy dy VL lo L1 L2 rea da sec o transversal inicial do provete Largura da sec o da barra Tensor de constitui o do material Dist ncia deslocamento deflex o Diferencia o Deslocamento horizontal Varia o do deslocamento Deslocamento vertical M dulo de Young Tensor de deforma o For a M dulo de elasticidade transversal Altura de sec o da barra Segundo invariante das tens es Tens o limite de elasticidade em corte puro Constante de rigidez Comprimento Comprimento de refer ncia inicial do provete Comprimento entre prumos alternativa 1 Comprimento entre prumos alternativa 2 Momento Momento de in cio de ced ncia do material Momento que origina a total plasticidade do material Coeficiente de encruamento Regress o da li
162. nstituinte o a o Para al m destes elementos existem ainda os parafusos de liga o entre os diversos elementos Figura 1 1 Elementos constituintes de uma barreira de protec o rodovi ria 3 Os tr s elementos presentes na figura 1 1 s o 1 Prumo polo vertical de fixa o ao solo 2 Espa ador 3 Barra longitudinal 2 Cap tulo 1 Introdu o Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas No campo da resolu o de problemas matem ticos existem v rios m todos de discretiza o sendo os mais conhecidos o m todo dos elementos finitos F E M o m todo das diferen as finitas F D M m todo dos volumes finitos F V M 4 Para este trabalho utilizado o m todo de discretiza o dos elementos finitos O programa inform tico utilizado para tal denomina se ANSYS Neste s o executadas apenas an lises est ticas embora o mesmo programa permita a execu o de outro tipo de an lises incluindo as din micas Estas mesmas an lises t m como objectivo obter resultados de plasticidade com a introdu o de um material pr prio analisado durante este trabalho Existe ainda a quest o da legisla o devendo ser seguidas todas as normas que definem o elemento em estudo pelo que esta abordada neste cap tulo De real ar a norma que verifica a capacidade de conten o das barreiras de protec o rodovi ria a norma EN 1317 2
163. nt o constitu da por v rios elementos Com a an lise do comportamento da estrutura atrav s do conjunto de elementos finitos ligados entre si a malha obt m se a solu o num rica obtida por an lise de elementos finitos O programa inform tico utilizado neste trabalho denomina se ANSYS A empresa de igual nome foi fundada em 1970 e possui um conjunto de trabalho possuindo n vel de Mestre ou Doutor maior que qualquer outro fornecedor de programas de simula o 13 Um dos motivos que leva tomada de op o por este programa de simula o prende se com o facto de possuir capacidade de solu o de problemas que envolvam deforma o pl stica algo que n o est presente em todos os restantes programas de engenharia CAE Cap tulo 1 Introdu o 13 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Os elementos constituintes do modelo variam consoante o tipo de estrutura ou por op o do operador Estruturas tipo casca utilizam elementos Shell Cascas enquanto estruturas s lidas utilizam frequentemente elementos Solid S lidos entre muitos outros consoante tamb m o tipo de an lise a executar Fluid Flu dos Thermal T rmicos entre muitos outros Dentro do tipo de elementos existem ainda varia es destes conforme a forma do elemento que se pretende hexaedros tetraedros entre outras formas prism tica ver figura 1 23 Ainda
164. o significativa antes de atingir as for as de n o converg ncia de solu o como poss vel visualizar atrav s dos deslocamentos finais na figura 4 17 com um valor m ximo de deslocamento na direc o de aplica o da for a de 31 12 mm em compara o com os 627 04 mm do prumo C125 Para o prumo UPN120 tal n o corresponde totalmente realidade visto que o ve culo ao embater poderia originar a rota o do prumo mas contudo iria continuar a exercer for a neste mesmo que n o aplicada especificamente na face inicial de aplica o da for a A an lise efectuada ao espa ador tipo II verifica uma deforma o n o muito significativa como ali s de esperar A observa o de locais de embate verifica que a deforma o do espa ador em compara o com o prumo quase desprez vel Em compara o com o ensaio pr tico verificam se for as aplicadas da mesma ordem de grandeza entre 30 e 40 kN e o semelhante localiza o do local de tens o m xima onde se originar a fractura comparando com o ensaio experimental pelo que se pode considerar v lida a an lise experimental ao mesmo N o poss vel assumir um conjunto de duas pe as na an lise est tica efectuada para qualquer uma das configura es Tal acontece porque a for a m xima suportada pelo espa ador tipo II for superior que gera o in cio da plasticidade no prumo para ambos os casos Para o prumo UPN120 a for a m xima suportada inclusive inf
165. o ap s o in cio da deforma o pl stica do furo figura 1 27 a b Figura 1 27 38 a Rotura do material b Desencaixe do parafuso Outro trabalho analisado o Analysis of a safety barrier connection joint post testing por Bayton Jones e Fourlaris de 2007 39 Neste artigo executado um estudo para examinar o efeito do impacto de um ve culo nas liga es barra a barra longitudinal tanto no material da barra como no parafuso S o feitos ensaios baseados na norma EN 1317 2 para o par metro TB32 tabela 1 5 e para Cap tulo 1 Introdu o 25 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas o material a o S275 de acordo com norma EN 10025 17 Verifica se a deforma o da rea circundante ao furo para al m da compress o gerada pelo aperto inicial O parafuso sofre apenas um pequena deforma o da rosca com remo o de um pouco da sua galvaniza o D se tamb m a deposi o de galvaniza o pertencente barra longitudinal na rosca do parafuso Contudo n o se verificam deforma es significativas no corpo do parafuso Outro autor Blake 40 a afirma que por raz es pr ticas prefer vel o corte do material que o desencaixe do parafuso aquando da rotura do sistema O autor afirma tamb m que este tipo de liga es prop cio exist ncia de deslizamentos e que os efeitos desse deslizamento no parafuso podem levar r
166. o pl stico de toda a sec o da estrutura pelo que n o poss vel observar a real forma final da pe a O estudo efectuado pe a a pe a pelo que tal n o corresponde realidade e o sistema antes de chegar ao espa ador e ao prumo j dissipa alguma energia por deforma o do mesmo Esta an lise est tica traz contudo informa o importante embora que num ambiente restrito A an lise permite verificar que o prumo C125 tem melhores capacidade de absor o de energia que o prumo UPN120 Tal deve se ao facto de as laterais do prumo em rela o direc o de aplica o de for a serem diferentes entre estes dois tipos de prumo No C125 as laterais s o sim tricas pelo que o comportamento de deforma o do prumo mant m sempre a direc o da for a Por sua vez o prumo UPN120 est posicionado Cap tulo 5 Conclus es E Trabalho Futuro 117 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas lateralmente em rela o direc o de aplica o da for a o que origina um momento torsor Nem mesmo a for a aplicada na linha do centro de massa permite um comportamento diferente At plasticidade total da sec o do UPN120 este verifica uma capacidade de deforma o bastante inferior ao C125 que permite uma aplica o de for a de sensivelmente 178 500 N longe dos 29 200 N do UPN120 A deforma o presente neste ltimo prumo UPN120 tamb m n
167. o vertical dV2 2 521 mm Deslocamento vertical dV3 521 632 mm Polinomial Deslocamento horizontal dH1 0 18 5 mm Polinomial Deslocamento horizontal dH2 18 5 569 mm Polinomial Deslocamento horizontal dH3 569 627 mm Polinomial Deslocamento vertical dV1 0 2 mm Polinomial Deslocamento vertical dV2 2 521 mm os Polinomial Deslocamento vertical dV3 521 632 mm Figura 4 9 Gr fico For a Deslocamento horizontal dy e vertical dy do prumo C125 Os deslocamentos atingem um valor m ximo de dy 627 04 mm na direc o do eixo dos xx deslocamento horizontal em rela o posi o inicial e de dv 632 35 mm na direc o do eixo dos yy deslocamento vertical em rela o posi o inicial para uma for a m xima anteriormente mencionada de 178 500N A figura 4 10 apresenta o deslocamento final total n o decomposto do prumo C125 onde se verifica uma grande capacidade de deforma o antes do in cio de plasticidade total Figura 4 10 Deslocamento final total do prumo C125 visualizando segundo o eixo dos zz 94 Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Atrav s do gr fico da figura 4 9 s o tiradas as linhas de tend ncia a tra o interrompido e como poss vel verificar na figura A regress o R destas linhas de tend ncia varia para o deslocamento horizontal dy
168. omportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas De volta ao esquema da Figura D 1 seleccione a op o Model onde que abrir o m dulo Mechanical onde poder configura a malha as cargas e o tipo de resultados que pretende obter ou seja neste m dulo que obt m os resultados Figura D 5 File Edit View Units Tools Help E tw POMS S STAQADQAQE MS Or Geometry point Mass Bi Project E it Fixo e Momento B4 C4 Details of Solid E Graphics Properties Definition Suppressed No Sufness Behavior Flexible Brick Integration Scheme Full Coordinate System Default Coordinate System Reference Temperature By Environment Material Assignment Material A Nonlinear Effects Yes Thermal Strain Effects Yes Bounding Box Properties Statistics Press Fi for Help No Messages No Selection Metric mm kg N s mV mA Degrees rad s Celsius 4 Figura D 5 Ambiente gr fico do Mechanical Para uma an lise com mais pontos de an lise por elemento mas tamb m mais demorada deve escolher a op o Manual na Figura D 6 dentro do menu Geometry C Static Structural ical ANS e File Edit View Units Tools Help Q Solve ta mb EP workshe Geometry Point Mass Thermal Point Mass amp Outline 4 8 Project Fixo e Momento B4 C4 5 Geometry Hy Coordinate Systems
169. orma o uniforme at tens o de rotura e a zona de deforma o n o uniforme com in cio na tens o de rotura e fim no instante de fractura do material Na zona de deforma o pl stica uniforme o ajustamento da tens o elaborado pela equa o 2 7 10 Oy Seng 1 Eeng 2 7 A extens o na zona de deforma o pl stica uniforme tamb m necessita de ser reajustada Este elaborado pela equa o 2 8 10 42 Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas ev In l e v kg 2 8 Ap s a tens o de rotura a curva entra na zona de deforma o pl stica n o uniforme Nesta zona inicia se a estric o da sec o do provete existindo deforma o localizada em todas as direc es na regi o onde ir ocorrer a fractura Nesta o reajustamento feito atrav s de outra equa o 2 9 que tem em conta a varia o de sec o Assim para o c lculo da tens o a cada instante recorre se equa o 2 9 at fractura do provete 10 Oy 2 9 DI A extens o nesta zona de deforma o pl stica n o uniforme obtida tamb m de acordo com a varia o dimensional do provete Utiliza se esta equa o 2 10 at fractura do mesmo 10 Ao Ey ln 2 10 Contudo na regi o onde ocorre a estric o do provete necess rio efectuar reajustamentos equa o 2 9 varia
170. orma o Pl stica Lisboa Escolar Editora 2005 Vols I Fundamentos Te ricos 11 Azevedo lvaro M todo dos Elementos Fintios 1 s l Faculdade de Engenharia da Faculdade do Porto 2003 12 ANSYS Inc Workbench Explicit Dynamics Training Manual 1 2009 Vol Release 12 0 13 ANSYS Online Cited Setembro 15 2011 http www ansys com About ANSYS 14 ANSYS Inc Workbench Mechanical Structural Nonlinearities Training Manual 1 2009 Vol Release 12 0 15 Lee Huei Huang Finite Element Simulations with ANSYS Workbench 12 s l Schroff Development Corporation Publications 2010 16 ANSYS Inc ANSYS 12 1 Vol Release 12 1 17 Normaliza o Comit Europeu de EN 10025 Hot Rolled Products of Structural Steels 18 EN 10027 Designation Systems for Steels 19 Qualidade Instituito Portugu s da NP 1729 Produtos Sider rgicos A os de Constru o de Uso Geral Defini es Classifica o Caracter sticas e Condi es de Recep o 20 Normaliza o Comit Europeu de EN 1461 Hot Dip Galvanized Coatings on Fabricated Iron and Steel Articles Specifications and Test Methods Bibliografia 121 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 21 EN 20898 Mechanical Properties of Fasteners Bolts Screws and Studs 22 EN 3740 Bolts Shouldered Thin Hexagonal Head Close Tolerance Shank Short Thread
171. orrect results with a maximum force of 25 453 N registered For a 1 100 mm are obtained the follow results e Young modulus E 161 GPa e Tensile yield strength 0 2 0c 361 76 MPa e Tensile ultimate strength o 442 58 MPa e Deformation to collapse 15 6 It was expected to obtain results close to S235JR steel according to EN 1317 5 which has tensile yield strength of 235 MPa According to Ara jo it s possible to expect a S275JR steel Ara jo 2008 and finally according to Bayton it s possible to expect a S275 steel Bayton et al 2008 which both present a tensile yield strength of 275 MPa The table 1 shows the chemical constitution for these four materials Table 1 Steels chemical composition Maximum values Tested material chemical Element Mn Si Cr 0 a 0 506 TIR 0G 0 174 0 012 ST R chemical Element Mn N 0 1 500 0 0 0 014 chemica Element Mn N 0 T 1 600 0 E 0 TE 0 014 ae Chemical Element C Mn P S Si N 0 250 1 600 0 050 0 050 0 500 0 012 Editor J F Silva Gomes 15 International Conference on Experimental Mechanics The steels use to have a Young modulus near to 200 GPa too so a chemical analysis was necessary to identify the tested specimens The chemical analyses demonstrate that the material tested has less percentage of Carbon about 1 3 of Manganese 1 5 of Phosphorus and less than 1 4 of Sulphur The Silicon is about 1 3 of the present in
172. ossui barreiras semelhantes da figura 1 1 Cap tulo 1 Introdu o Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 1 17 Barreiras longitudinais tubulares 3 Barreiras com cabo de a o a desempenhar o papel de barra longitudinal sem utiliza o de espa ador figura 1 18 Figura 1 18 Barreiras de cabo longitudinal 3 Existem tamb m as barreiras de bet o denominadas barreiras New Jersey figura 1 19 S o utilizadas em zonas de obras mas n o s tamb m t m aplica o definitiva tanto como fun o de barreira como de separador central Figura 1 19 Barreiras New Jersey 8 10 Cap tulo 1 Introdu o Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Barreiras de bet o h bridas constru das por bet o e a o no seu interior 9 s o bastante eficientes segundo a not cia presente no Anexo B Exteriormente assemelham se com as New Jersey Figura 1 20 Barreiras de bet o h bridas bet o e a o 9 1 5 An lise de elementos finitos O desenvolvimento do m todo dos elementos finitos F E M data do final da d cada de 50 ligado aos trabalhos de Turner Argyris Kelsey e Clough o qual introduziu primeira vez o termo elemento finito 10 As primeiras aplica es do m todo dos elementos finitos foram efectuadas na resolu o de problemas de
173. other characteristics anisotropy which considers that a physical propriety varies with the direction resulting in different behaviour and deformations In contrary there is isotropy that considers similar physical proprieties in all direction resulting in same behaviour and deformations in any direction Deformation is a consequence of energy absorption and that is the major characteristic that makes plasticity so important Contrary to elasticity plasticity can absorb a much more energy In steel like this a ductile material the energy absorption can almost ignore the ICEMIS Porto Portugal 22 27 July 2012 elastic capacity The energy absorption capacity can be measured by the area beneath the stress curve line In strain involving definitive deformation the energy absorbed is called tenacity which varies from low values in brittle materials to high values in ductile material like steel In deformation like the one present in road safety barriers the tenacity is important in order to absorb the kinematic energy for vehicle collisions In this study the isotropic behaviour is considered because it s a good starting judgement and still provides valid results The steel used and described before presents as most of steels a ductile behaviour with high tenacity SOFTWARE VALIDATION In order to validate the software for finite element plastic analyses is selected a solved plastic analysis exercise The problem is taken fro
174. otura prematura do sistema Conclui se assim deste trabalho que a liga o cede por rotura da barra por corte do material ou desencaixe e n o por colapso do parafuso Reid e Hieser 41 apresentam um trabalho que tem como objectivo o estudo do comportamento de deslizamento de liga es aparafusadas tendo em conta o aperto inicial N o trata especificamente liga es de barreiras de protec o rodovi ria Neste artigo s o executados testes em liga es com apenas um plano de corte e em que o parafuso pode romper a liga o sem que para isso tenha de romper material O furo de aperto aberto num dos elementos para que o parafuso possa romper por esse canal Basicamente o que mant m a liga o apenas a for a de aperto inicial S o executados ensaios quase est ticos e ensaios din micos para uma liga o constitu da por um parafuso I3UNC com aperto inicial introduzido por um momento de aperto de 35 N m Os resultados est o presentes nos gr ficos da figura 1 28 para os ensaios quase est ticos e figura 1 29 para os ensaios din micos 26 Cap tulo 1 Introdu o Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Ensaios Quase Est ticos Ensaio 1 Ensaio 4 Ensaio 2 Ensaio 5 Ensaio 3 M dia For a kN Deslocamento mm Figura 1 28 Gr fico do ensaio quase est tico 41 Ensaios Din micos Ensaio 1 Ensaio 3 Ensaio 5 Ensaio
175. por sua vez est o presentes na figura 1 33 para o ensaio quase est tico e na figura 1 34 para o ensaio din mico Cap tulo 1 Introdu o 29 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas mm Deslocamento nn Sk m Original 30mm 60mm 90mm 120mm transversal em a pe Figura 1 33 Gr fico de deslocamentos do ensaio quase est tico 42 45 mm Original Impacto a 4 24m s Impacto a 5 98m s Impacto 7 90m s Figura 1 34 Gr fico de deslocamentos do ensaio din mico 42 Com as duas figuras anteriores referente ao deslocamento da estrutura poss vel verificar que o deslocamento e consequente forma final da barra bastante semelhante entre os dois ensaios quase est tico e din mico respectivamente como ali s poss vel verificar em seguida na figura 1 35 Na figura 1 35 apresenta se o aspecto final das barras longitudinais em W ap s os ensaios 30 Cap tulo 1 Introdu o Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 5 Ensaio Ensaio din mico quase est tico Ensaio quase est tico a b Figura 1 35 42 a Vista de topo b Vista de frente O artigo Large plastic deformation of w beams used as guardrails on highways 43 referente a dois dos autores do artigo 42 apresenta uma gran
176. posi o dos eixos 82 Figura 3 23 Tens o equivalente para 32 000 Ibf in na terceira simula o 82 Figura 3 24 Deforma o total para 32 000 Ibf in na terceira simula o 83 Figura 3 25 Face com ap s a inser o do raio de curvatura 83 Figura 3 26 Detalhes da malha da quarta simula o 84 Figura 4 1 N veis de conten o com energia cin tica for as e deflex o da barra OBS i CGR NONE E SEE BENG tall asi Se RIR PAR C O PERENE ARO ADIADO REAR RPE 88 Figura 4 2 Sistema de funcionamento das barreiras de protec o 33 Deflex o da Dae THA RES says URI RR RU RPE RO PRP RIA PAES PERDE RO DROP E O OPEN SR RD E RR 89 Figura 4 3 Exemplo de local de acidente 3 20 124 502i quo cedo eee ea a 90 Figura 4 4 Prumo utilizado nas barreiras obras de arte 5 eee eeeeeseceeeeeeeeeeneees 91 ndice de Figuras X1V Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 4 5 Sensores LIER 30 cas sasaiaiueiss ossmaa pisa dela fasastasan lh das dosgapadia sibrdd dass talit ana 91 Figura 4 6 Prumo C125 Restri es aplica o de for a e sistema de eixos 92 Figura 4 7 For a aplicada no prumo C125 Vista de topo 92 Figura 4 8 Prumo C125 Defini o da malha grosseira s 93 Figura 4 9 Gr fico For a Deslocamento horizontal dy e ve
177. que termina na n o converg ncia de solu o por via da entrada do material sec o em estudo em plasticidade total de modo a construir um gr fico de comportamento retirando por fim a equa o aproximada da curva de for a deslocamentos e tens es Assim poss vel identificar a velocidade de embate dado ve culo atrav s dos deslocamentos finais dos prumos essencialmente para velocidades baixas visto que o objectivo de funcionamento das barreiras prende se com a dobragem do prumo rotura da liga o com a barra longitudinal deixando esta a funcionar como sistema de reten o atrav s da transfer ncia de for as entre as barras figura 4 2 88 Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 4 2 Sistema de funcionamento das barreiras de protec o 33 Deflex o da barreira Relativamente aos elementos de liga o entre o solo e o espa ador os prumos s o analisados os C125 e UPN120 para o mesmo material de modo a ver qual tem o melhor comportamento Quanto liga o entre o prumo e a barra longitudinal realizada pelo espa ador elaborado um estudo do seu comportamento para uma estrutura do tipo II 5 presente na figura 1 10 de modo a verificar o comportamento a n vel de tens es e deslocamento aplica o de for a A simula o considera a rea de contacto entre o espa ador e o prumo como
178. rante o ensaio de trac o Existem mais do que uma equa o para a descri o da curva verdadeira formuladas por diferentes autores A equa o de Hollomon 2 12 47 Ooy K g 2 12 A equa o de Swift 2 13 47 dy K5 Ec Ey 2 13 A equa o de Ludwik 2 14 47 Op Oc K e 2 14 Embora equa es como a de Swift e Ludwik sejam matematicamente mais complicadas que a de Hollomon e nomeadamente a de Ludwik produza resultados mais rigorosos na maior parte dos casos a equa o de Hollomon suficientemente exacta para descrever a curva de tens o extens o verdadeira 47 Por fim uma equa o 2 15 simples que ser necess ria adiante neste estudo 47 Ep Er Epl 2 15 2 2 Simula o A simula o levada a cargo pelo programa de elementos finitos ANSYS tem a possibilidade de ser alterada atrav s de diferentes configura es Cada um dos elementos como o presente na figura 2 9 t m defini es pr prias e configura es pass veis de serem alteradas 44 Cap tulo 2 Fundamentos Te ricos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 2 9 Elemento SOLID 186 3 D de 20 n s 16 O exemplo da figura 2 9 define se com um elemento de elevada ordem de tr s dimens es 20 n s com tr s graus de liberdade por n Suporta plasticidade deflex o elevada e elevada capacidade de extens o entre outras
179. ras por via de um ensaio de trac o 37 23 Figura 1 26 37 a Parafuso com duas placas sobre a barra b Uma camada de barra DO APTS do Primos ote patio nas gos auf ai Fugas aero e e eea a ee 23 Figura 1 27 38 a Rotura do material b Desencaixe do parafuso 25 Figura 1 28 Gr fico do ensaio quase est tico 41 27 Figura 1 29 Gr fico do ensaio din mico 41 ceseceeeeeeeeeeseeceaeceeeeseeeeaeees 27 ndice de Figuras xii Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 1 30 Descri o do ensaio 42 suis caspa pisa doladacapraseaphsl ao iosodtasiadhbadada sa dtalii asa 28 Figura 1 31 Gr fico de deslocamentos do ensaio quase est tico 42 29 Figura 1 32 Gr fico de deslocamentos do ensaio din mico 42 29 Figura 1 33 Gr fico de deslocamentos do ensaio quase est tico 42 30 Figura 1 34 Gr fico de deslocamentos do ensaio din mico 42 30 Figura 1 35 42 a Vista de topo b Vista de frente ee eeeceeceseceeeeeceeeseeeeeaeeees 31 Figura 1 36 Barreiras de bet o h bridas propostas por Lima 44 32 Figura 1 37 Elementos constituintes de uma barreira de protec o rodovi ria 3 33 Figura 2 1 Ensaio de trac o com tens o limite de elasti
180. rifica se um comportamento esperado da estrutura figura 3 21 Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico 81 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas A Singularity Model Static Structural WIN Total Deformation Type Total Deformation Unit mm Time 1 4 3 2009 9 16 AM 2 175 Max 1 9334 1 6917 1 45 1 2084 0 96668 0 72501 0 48334 0 24167 0Min 0 225 0 675 a b Figura 3 21 Ilustra es de contacto com raio de curvatura entre superf cies 52 a Visualiza o do raio de curvatura b Deforma o total da pe a Na barra em estudo o momento aplicado da forma presente na figura 3 22 p _ sil Figura 3 22 Aplica o do momento na barra verificar a posi o dos eixos Ao verificar o comportamento da barra perante a aplica o do momento verifica se que a tens o equivalente m xima d se na zona superior da face perto da aresta onde aplicada o momento na figura 3 23 ad Figura 3 23 Tens o equivalente para 32 000 Ibf in na terceira simula o Como poss vel verificar atrav s da introdu o da solu o Deforma o total a deforma o m xima figura 3 24 d se tamb m no mesmo local da tens o m xima presente na figura 3 23 82 Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico Optimiza o do comportamento dos sistemas
181. rro Assim poss vel concluir que embora exista um erro de 8 para 24 000 Ibf in o problema principal deve se ao r cio de momentos que est bem abaixo do indicado pela bibliografia As defini es base n o s o portanto aceit veis Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico 15 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 2 Tal solu o n o aceit vel N o poss vel validar o programa atrav s desta simula o 3 2 2 2 Segunda simula o Ap s esta primeira simula o opta se por variar apenas a malha aumentando a sua defini o Assim opta se por refinar a malha para Medium M dio Desta forma os n s passaram a ser 6761 e os elementos 1280 Com estas novas defini es procede se a uma nova simula o num rica dando origem aos resultados presentes na tabela 3 6 Tabela 3 6 Compara o de resultados da segunda simula o TRE aplicado Erro ofin 125 wow 3600 Nao converge RE Resultado de racio final Racio M Momento atingido final Ibf in Como poss vel verificar pelos resultados a refina o da malha diminu a a percentagem de erro do momento 24 000 Ibf in para 1 5 Contudo esta diminui tamb m o r cio de momentos para 1 17 at porque a ced ncia continua a ocorrer por volta dos 24 000 Ibf in como seria expect vel ou seja a refina o da malha n o a
182. rtical dy do prumo CO nano dial sad ileso TT 94 Figura 4 10 Deslocamento final total do prumo C125 visualizando segundo o eixo TOS Lai ga pa EN a da 94 Figura 4 11 Gr fico Tens o equivalente m xima For a do prumo C125 96 Figura 4 12 Localiza o da tens o equivalente m xima final C125 97 Figura 4 13 Prumo UPN 120 Restri es aplica o de for a e sistema de eixos 98 Figura 4 14 For a aplicada no prumo UPN120 Vista de topo 99 Figura 4 15 Prumo UPN120 Defini o da malha grosseira tt 99 Figura 4 16 Gr fico For a Deslocamento horizontal dy e vertical dy do prumo DEN TOO ouso insana e Ba Bi a O a 100 Figura 4 17 Deslocamento final do prumo UPN 120 visualizando segundo o eixo dos TEN ls Sarl pees BA Sa a a a does o o e Da a 101 Figura 4 18 Gr fico Tens o equivalente m xima For a do prumo UPN120 102 Figura 4 19 Localiza o da tens o equivalente m xima final UPN120 103 Figura 4 20 Localiza o da tens o equivalente m xima final UPN120 sem furo Figura 4 21 For a aplicada no prumo UPN120 na linha do centro de massa Vista de OPO SGAN RE SPT CD ON RV ESG E SR RI E PAT PRE 104 Figura 4 22 Localiza o da tens o equivalente m xima final no prumo UPN120 com for a remota 38 5 KN aplicada na linha centro de massa 10
183. s a Angulo alfa Al Varia o de comprimento alongamento OW Trabalho interno virtual E Extens o ou deforma o Ec Extens o ou deforma o no ponto de tens o ced ncia do material Ee Extens o ou deforma o equivalente EEI Extens o ou deforma o el stica Eeng Extens o ou deforma o da curva de engenharia Ef Extens o ou deforma o total do material no instante anterior fractura Efa Extens o ou deforma o total do material d ctil no instante anterior fractura Eff Extens o ou deforma o total do material fr gil no instante anterior fractura Ep Extens o ou deforma o pl stica Er ER Extens o ou deforma o no ponto tens o de rotura do material ET Extens o ou deforma o total Ey Extens o ou deforma o verdadeira Unidade mm m Nomeclatura Gloss rio e Abreviaturas xviii Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Ex Extens o ou deforma o na direc o transversal ao ensaio x Ey Extens o ou deforma o na direc o transversal ao ensaio y Ez Extens o ou deforma o na direc o de trac o do ensaio Z p Massa vol mica Kg m o Tens o MPa Pa Ol 02 03 Tens es principais MPa Pa Oc Tens o de ced ncia MPa Pa psi Ge Tens o equivalente MPa Pa psi Geng Tens o da curva de engenharia MPa Pa Gij Tensor das tens es OEM Tens o equivalente m xima MPa Pa Or OR Te
184. s o equivalente m xima For a do espa ador tipo II poss vel verificar na figura 4 29 a linha de tend ncia da curva tens o equivalente m xima for a que tem um valor de regress o de 0 9975 falhando a representa o de alguns m ximos e m nimos relativos 110 Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas A equa o polinomial que descreve esta linha de tend ncia de sexto grau e tem como express o a equa o 4 14 Ogm 6x 10 74 F6 7 x 10 79 F7 3 x 10714 F 4 14 7x 10 19 F3 5 x 1076 F 0 0213 F 4 3289 Os valores de tens o equivalente m xima variam visto que os pontos onde se situa essa mesma tens o no espa ador tamb m se alteram com a varia o de for a A figura 4 30 indica a localiza o da tens o equivalente m xima antes da n o converg ncia de solu o cujo valor de 459 75 MPa 0 00027695 Min Figura 4 30 Localiza o da tens o equivalente m xima final do espa ador tipo II De salientar que an lise executada no espa ador n o feita em conjunto com os prumos mas sim individualmente 4 3 1 An lise experimental efectuada uma an lise experimental de compress o a um espa ador semelhante a este tipo II na m quina de ensaio de trac o compress o Dartec M1000 R D figura 4 31 Cap tulo 4 Aplica o Ao C
185. s INRETS Equipements de la Route Neste 20 Cap tulo 1 Introdu o Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas ltimo s o realizados testes onde as 4 vari veis factores fundamentais s o a velocidade ngulo de embate massa do ve culo e tipo de ve culo Por fim ainda no cap tulo da legisla o de acordo com a norma EN 10002 35 Materiais met licos Ensaio de trac o os provetes que fazem parte deste estudo e que ser o abordados a posteriori devem ser dimensionados e verificados os resultados de acordo com um l 80mm Embora a norma apresente uma f rmula de c lculo para o c lculo do lo esta admite a execu o de provetes com medidas n o proporcionais ou seja n o de acordo com f rmulas de c lculo mas sim medidas standard para um material espec fico Para os a os S235JR e S275JR o l standard de 80 mm Tabela 1 7 Dimens es de provetes standards na tabela D 2 da norma EN 10002 36 Provetes planos com espessura igual ou superior a 3 mm D 2 3 2 Provetes n o proporcionais Provetes n o proporcionais podem ser utilizados se especificados como standard para o producto Tabela D 2 Dimens es t picas do provete 1 7 Revis o bibliogr fica Para a execu o deste trabalho efectuada uma revis o bibliogr fica de trabalhos efectuados por terceiros na rea de estudo do presente trabalho Mesmo que n o espec
186. s de tentativa erro Para um momento de 35 400 Ibf in segundo as mesmas configura es j n o existe converg ncia de solu o 3 2 4 Discuss o da valida o Posteriormente efectuada uma nova simula o com o raio de curvatura presente na figura 3 25 mas com a op o Reduzida Reduced presenta na figura 3 19 Tal situa o verifica uma n o converg ncia para qualquer um dos momentos aplicados assim como para o caso de deixar a op o de Controlo de elementos Element Control figura 3 18 controlada automaticamente pelo programa A integra o reduzida entra em conflito com o raio de curvatura introduzido presente na figura 3 25 Com isto poss vel afirmar que nem todas as op es tomadas automaticamente s o as mais correctas por vezes n tida a necessidade de tomar decis es manualmente Como foi poss vel verificar para este caso espec fico a altera o geom trica importante contudo essencial que em conjunto com esta as op es Controlo de elementos seja definida como Manual e a op o Esquema de integra o dos elementos como Total Esta op o pode levar ao aumento do tempo de realiza o de simula es 14 Contudo garante sempre um resultado capaz de obter melhores resultados visto que cada elemento tem mais pontos de integra o defini o do elemento para o c lculo de tens es e extens es justificando uma melhor reprodu o do comportamento da estrut
187. s de protec o das estradas FEA FEM FVM HGV IPQ ISO JAE LIER NCHRP NF NP SETRA UNE UNC UTS Finite Element Analysis An lise de Elementos Finitos Finite Element Method M todo de Elementos Finitos Finite Volume Method M todo dos Volumes Finitos Ve culo pesado de mercadorias Instituto Portugu s da Qualidade International Organization for Standardization Norma de acordo com a Organiza o Internacional de Padroniza o Junta Aut noma das Estradas Laboratoire d essais INRETS Equipements de la route Laborat rio de teste de Equipamento Rodovi rio do Instituto nacional Franc s de pesquisa em transportes e sua seguran a National Cooperative Highway Research Program Programa de Pesquisa e Coopera o Nacional de Auto estradas Estados Unidos da Am rica Norma Francesa Norma Portuguesa Service d Etudes Techniques de Routes et Autoroutes Servi o de Estudos T cnicos de Estradas e Auto estradas Institui o francesa Norma Espanhola Unified Coarse Rosca grosseira unificada nacional Estados Unidos da Am rica Segundo a normaliza o UTS Unified Thread Standard Norma de roscas unificadas Usada essencialmente nos Estados Unidos da Am rica e Canad Nomeclatura Gloss rio e Abreviaturas XXV Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas 1 INTRODU O As barreiras de protec o de estra
188. s na m quina de ensaio de trac o Instron 8874 figura 3 1 dispon vel no laborat rio de ensaio de materiais L E M do Departamento da Engenharia Mec nica D E M da Universidade do Minho Capitulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico 57 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 3 1 Equipamento de realiza o de ensaios de trac o Para tal utilizado um espa ador semelhante ao da figura 3 2 Do plano superior do mesmo retirada uma amostra de chapa rectil nea para a execu o de tr s provetes Contudo uma das reas onde se d a amarra o dos provetes foi retirada da sec o correspondente ap s a dobragem visto que a deforma o a n vel microsc pico do provete nessa rea n o introduz erros ao ensaio de trac o ES AMORTECEDOR espessura 3mm raios interiores 6mm 100 Figura 3 2 Dimens es do espa ador 25 Os provetes s o maquinados atrav s de um molde com as dimens es respeitando a norma EN 10002 para largura do provete de 20 mm apresentado anteriormente na tabela 1 7 Aquando do uso do termo largura do provete adiante neste trabalho este refere se dist ncia de 20 mm presente na figura 3 3 Contudo o comprimento total do provete n o 58 Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico Optimiza o do comportamento
189. samente o primeiro valor de momento fornecido no enunciado Espera se ent o que para este momento a deforma o a viga rectangular j esteja submetida a tens es de 36 000 psi O segundo valor do momento presente no enunciado de 30000 Ibf in que representa um r cio de 1 25 vezes o valor de Mc 24 000 Ibf in Assim poss vel verificar o resultado no programa para um material cujo declive da linha do dom nio pl stico zero ou seja a tens o m xima deve se manter nos 36 000 psi Por fim o terceiro valor de momento proposto de 36 000 Ibf in que representa o valor para o qual se espera que o material atinja a plasticidade total apresentando um r cio de 1 5 vezes o valor de Mc Aqui como o material entra em totalmente no dom nio pl stico espera se que o resultado no programa seja a n o converg ncia da solu o No fim do enunciado est presente uma tabela com os resultados anal ticos para estes momentos bem como os resultados num ricos esperados Essa mesma tabela encontra se representada na tabela 3 4 70 Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Tabela 3 4 Compara o de resultados do exerc cio WB VMMECH029 Momento Resultados psi R cioM aplicado Erro afin l 36 000 36 059 is oa a No momento final 36 000 Ibf in n o se obt m resultado o
190. serir o valor do momento no eixo de rota o do mesmo Q C Static Structural Mechanical AN File Edit View Units Tools Help 9 Solve ta mi 3 A Environment Inertial v Loads Pesupporis v E Outline Pressure Project ER Hydrostatic Pressure Fixo e Momento B Force a Geometry 2 Remote Force Solid Bearing Load v2 Coordinate Syste wi Bolt Pretension Mesh 2 Moment AB Automatic M Generalized Plane St 2 Static Structur Line Pressure JAX Analysis Seti 1 Thermal Condition Fixed Suppc Joint Load FEI T Fixed Support Displacement Remote Displacement Velocity Impedance Boundary Frictionless Support Compression Only Support g Cylindrical Support Simply Supported Fixed Rotation Elastic Support ta Coupling Moment Fluid Solid Interface 6 Solution C6 4 Solution Information Equivalent Stress Constraint Equation Details of Analysis Settings Step Controls Number Of Steps L Current Step Number 1 Step End Time Ls Auto Time Stepping Program Controlled Solver Controls Solver Type Program Controlled Weak Springs Program Controlled Large Deflection On Inertia Relief Off Nonlinear Controls Output Controls Analysis Data Management Visibility Figura D 14 Menu Analysis Settings para a inser o de re
191. slocamento horizontal dy e vertical dy do prumo UPN120 Para o caso dos deslocamentos estes atingiram um valor m ximo de dy 38 12 mm no eixo dos zz deslocamento horizontal em rela o posi o inicial e de dy 2 15 mm no eixo dos yy deslocamento vertical em rela o posi o inicial 100 Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 4 17 Deslocamento final do prumo UPN120 visualizando segundo o eixo dos xx Para o gr fico presente na figura 4 16 s o tiradas as linhas de tend ncia a tra o interrompido cuja regress o para o deslocamento horizontal dy de 0 9999 e de 0 9998 para o deslocamento vertical dv Como poss vel verificar as linhas de tend ncia representam o comportamento das curvas de deslocamento de um forma bastante pr xima como poss vel verificar pelo valor de regress o das mesmas A equa o 4 10 representa a linha de tend ncia para a curva de for a deslocamento horizontal e uma equa o polinomial de quinto grau F 0 0005 dy 0 0781 dy 3 4017 dy 22 769 dy 1661 7 dy 106 23 4 10 Por sua vez para a curva de for a deslocamento vertical a equa o 4 11 representa a respectiva curva de tend ncia com uma equa o polinomial do quarto grau 4 3 2 F 9980 dy 34349 dy 23128 dy 27960
192. stri es e cargas Dentro do menu Analysis Settings pode escolher a op o Large Deflection como On para o caso de pretender uma deforma o realista da estrutura Figura D 14 Nesse caso ser o feitos ajustamentos matriz de rigidez da estrutura para ter em conta as varia es de geometria durante a an lise mais indicada para casos que incluem deforma o pl stica ou comportamento n o linear Ao seleccionar as faces de aplica o das cargas poder seleccionar mais do que uma face utilizando a tecla Ctrl 146 Anexos Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Na Figura D 15 pode verificar todo o tipo de solu es que pode obter resultante de toda a configura o feita at ent o Gc Setur Vc EE File Edit View Units Tools Help lt sove fe w O A By Mworksheet R fr he Solution Si Detomations Strain q arized Stress v Probe v ITools v User C 2 Equivalent von Mises Outline Total Bred 4 Directional Maximum Principal Fi Total Velocity amp Middle Principal 9 Minimum Principal E e Directional Velocity Total Acceleration Maximum Shear Stress Equivalent von Mises Maximum Principal Middle Principal amp Minimum Principal Maximum Shear E 44 Directional Acceleration Intensity Intensity
193. table manner by the sup port 14 In assembling the guard formed by the plates upon the standards the bolts 10 are passed through the plates and the coil springa 11 aa ereon whereupon they are passed through the standards and the nuts applied It will be seen that im pact upon the guard will be compensated by the coil sp ings 11 thus materially lessen ing shocks both to a vehicle and to t and supports In the present embodiment the ends of the guard are bent back as at 15 to prevent ac cidental contact with an approaching vehi ele and the general curved conformation of the guard is simply shown by way of illus tration as it may well be straight or other wise curved to conform to the particular na ture of the road where used The surface of the guard may be utilized for advertising matter not shown or it may be painted a distinctive color such as white to nequaint an approaching vehicle at night with the proximity of a dangerous curve While in the foregoing there has been illustrated and described such combination and arrangement of elements as constitute the preferred embodiment of my invention it is nevertheless desired to emphasize the fact that interpretation of the invention should only be conclusive when made in the light of the subjoined claims ving described my invention and its ob jects with such attention to detail as will thoroughly acquaint one skilled in the art br its construction and advantag
194. tamb m dois tipos diferentes 5 As barras em W figura 1 14 ou de dupla onda das quais existem diversas dimens es normalizadas conforme o distanciamento entre prumos 2 metros da o furo central na barra intermedi ria ou 4 metros tamb m eles pr definidos S o porventura o tipo de barras longitudinais mais utilizadas 2200 e No uma a Ba n t gt SSS SSS SSS Ee e sagas w 2 E 2909 o 099 amp 6 E DE o e TE Figura 1 14 Barras em W 5 As barras de calha em U figura 1 15 utilizadas por exemplo em barreiras rodovi rias obra de arte figura 1 4 8 Cap tulo 1 Introdu o Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 1 15 Barras de calha em U 5 1 3 4 Extremidades Existem ainda as extremidades da figura 1 16 com diversas formas consoante os a a b c restantes acess rios e localiza o d e Figura 1 16 Diversas extremidades 5 a Extremidade do tipo Cauda de Carpa b Extremidade em esp tula de amarra o ao New Jersey figura 1 19 c Extremidade em Calha U d Extremidade dupla tipo dupla Cauda de Carpa e Extremidade em barreira calandrada 1 4 Estruturas alternativas Em seguida est o presentes alguns dos outros tipos de barreiras mencionados anteriormente Barreiras tubulares figura 1 17 situadas na cidade de Guimar es A rea circundante imagem p
195. te m xima final no prumo UPN120 com for a remota 38 5 kN aplicada na linha centro de massa Os deslocamentos por sua vez registaram valores m ximos de dy 31 35 mm no eixo dos zz deslocamento horizontal em rela o posi o inicial e de dy 1 55 mm no eixo dos yy deslocamento vertical em rela o posi o inicial como poss vel verificar na figura 4 25 Figura 4 23 Deslocamento final total do prumo UPN120 com for a remota aplicada no centro de massa Cap tulo 4 Aplica o Ao Caso Real 105 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas poss vel verificar que a for a m xima suportada por este prumo com for a remota aplicada na linha do centro de gravidade do perfil UPN120 superior do prumo estudada inicialmente Contudo embora origine uma rota o menor essa diferen a n o muito significativa podendo se verificar inclusivamente que os deslocamentos finais s o inferiores aos efectuados na primeira an lise Como na realidade a for a aplicada no prumo n o realmente aplicada sobre a linha do centro de massa e tendo em conta a diferen a de resultados considera se a primeira an lise mais coerente 4 2 2 Conclus es do prumo UPN120 poss vel assim concluir que o prumo UPN120 apresenta uma menor capacidade de deforma o que o C125 para o mesmo tipo de embate A rota o origina plasticidade para uma for a menor Con
196. tocarro Pesado de mercadorias r gido Pesado de mercadorias r gido Pesado de mercadorias articulado Os par metros utilizados na tabela 1 5 s o posteriormente analisados e enquadrados relativamente capacidade de conten o da barreira como poss vel verificar na tabela 1 6 Nesta a capacidade de conten o aumenta de T1 baixa conten o at H4b elevad ssima conten o O par metro TB 21 referente ao ve culo mais leve de 900 kg de massa pretende verificar que as barreiras de elevada conten o para ve culos pesados s o tamb m elas seguras para ve culos leves Tabela 1 6 Capacidade de conten o das barreiras perante os testes efectuados presentes na norma EN 1317 2 33 N veis de conten o Testes de aceita o Conten o a baixo ngulo Conten o muito elevada H4a H4b Capitulo 1 Introdu o 19 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Em Portugal existem empresas de instala o de elementos de seguran a rodovi ria como o caso da Metalocar mencionada anteriormente a Metalocardoso a Viapor entre outras Estas encontram se de acordo com a EN 1317 2 A refer ncia 34 apresenta informa o quanto certifica o da Metalocar e o Anexo C apresenta o certificado disponibilizado pela Metalocardoso segundo o cumprimento do par metro TB32 Todos estes testes s o executados no LIER Laboratoire d essais
197. tomaticamente a op o Reduzida para este caso 3 2 3 1 Terceira simula o Desta forma opta se a op o manual Total Full figura 3 19 por forma a verificar se os resultados se aproximam aos esperados Com esta op o e mantendo a configura o da primeira simula o s o obtidos os seguintes resultados presentes na tabela 3 7 Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico 19 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Tabela 3 7 Compara o de resultados da terceira simula o Momento Resultados psi R cio M aplicado Erro Ibf in Tens o Equivalente Tens o Equivalente 1 24 000 36 000 36 067 Resultado de racio final Racio M Momento atingido final bf in 1 33 32 000 Em compara o com a tabela 3 4 verifica se um erro para Mc 24 000 Ibf in de 0 2 quase igual aos 0 164 expect veis O erro para 1 25 M agora de 1 8 n o muito afastado dos 0 8 expect veis O valor do r cio de momentos por sua vez aumenta para 1 33 Embora os resultados n o sejam ainda perfeitos tendo em conta o erro para o momento de 30 000 Ibf in 1 25 M e o r cio de momentos que se mant m bem abaixo dos 1 5 expect veis estes mesmos resultados tabela 3 7 indicam que este o caminho a seguir de modo a atingir resultados mais concordantes Assim voltam se a executar combina es com a
198. tuados presentes na norma EN 1317 2435 cassa sectcai teenaged 19 Tabela 1 7 Dimens es de provetes standards na tabela D 2 da norma EN 10002 CBO sacs rasa uia ai a a a a 21 Tabela 2 1 Compara o de pontos de integra o entre elementos 14 46 Tabela 3 1 Composi o qu mica do a o ensaiado laboratorialmente 64 Tabela 3 2 Composi o qu mica do a o S235JR em teores m ximos 50 64 Tabela 3 3 Composi o qu mica do a o S275JR em teores m ximos 50 64 Tabela 3 4 Compara o de resultados do exerc cio WBVMMECHO2D 71 Tabela 3 5 Compara o de resultados da primeira simula o 0 0 0 eee eeeeeeee etree 75 Tabela 3 6 Compara o de resultados da segunda simula o ee eee eeeeeeeeeeeree es 76 Tabela 3 7 Compara o de resultados da terceira simula o 0 0 ee eeeeeeeeeeeeeeeeeees 80 Tabela 3 8 Compara o de resultados da quarta simula o 84 Tabela 4 1 N veis de conten o de todo o sistema com energia cin tica for as e deflex o da barra 33 sam a A DE As Sess iv A ATE TT 87 ndice de Tabelas xvii Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas NOMENCLATURA S mbolo Defini o des Incrementos de extens o pl stica B Matriz de extens o deslocamento u Vector de deslocamentos e Vector de extens e
199. tudinal Os ensaios s o executados segundo par metros existentes naquele pa s em semelhan a aos presentes na Europa representados na tabela 1 5 Verifica se que ensaios com um ve culo de 2000 kg de massa a uma velocidade de 100 km h a um ngulo de 25 graus par metro denominado de NCHRP Report 350 test designation 3 11 semelhan a dos presentes na tabela 1 5 para a Europa resultam numa rotura da barra longitudinal com origem num dos furos de apertos dos parafusos que ligam as diversas barras Tal situa o leva o autor a fazer um ensaio de trac o a duas barras ligadas por interm dio de parafusos O ensaio verificou que n o houve fractura dos parafusos mas sim o corte do material e desencaixe dos parafusos por via da deforma o do furo de aperto figura 1 25 isto para uma for a exercida superior a 400 kN 22 Capitulo 1 Introdu o Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Figura 1 25 Rotura da liga o entre barras por via de um ensaio de trac o 37 Este estudo verifica a introdu o de concentra o de tens es nos topos transversais da barra longitudinal por via do contacto directo com o prumo tendo em conta a deforma o de todo o sistema de reten o O estudo tamb m efectua testes aos parafusos Para parafusos de di metro 7 94 mm A307A no caso de ensaios experimentais com o par metro NCHRP Report 350 test designation 3 11 com duas p
200. tudo necess rio verificar que a an lise n o contabiliza a capacidade de deforma o do prumo perante a for a de impacto do ve culo para al m da total plastifica o da sec o do prumo onde resiste contudo a uma muito menor for a at deforma o final ou total fractura do mesmo tamb m necess rio verificar que o prumo apenas um elemento de sustenta o das barreiras e que a sua fun o no local de embate n o a de deformar e suster o ve culo mas sim deformar e deixar a barreira funcionar como sistema multicorpo sendo que os restantes prumos esses sim devem suportar a for a aplicada pela barra longitudinal Estes prumos podem ser importantes ainda assim tal como no prumo C125 para for as aplicadas de baixo valor onde para pequenos choques possa suportar o ve culo A an lise feita ao prumo sem furo para aperto do espa ador verifica que a diferen a de for a m xima suportada pelo prumo n o relevante com valores na ordem de 300 N e com a localiza o da tens o equivalente m xima a variar muito pouco De tal forma que poss vel considerar a primeira an lise como v lida Finalmente a segunda an lise alternativa com for a aplicada na linha do centro de massa figura 4 21 verifica que o tipo de deforma o presente no prumo semelhante apresentando rota o e deslocamentos verticais e horizontais da mesma ordem de valores Contudo verifica se que a for a m xima obtida antes da n o
201. ura ainda que o resultado final possa n o conter altera es 14 Neste exemplo o elemento utilizado foi o SOLID186 apresentado nos fundamentos te ricos que numa op o Total constitu do por 14 pontos e numa op o Reduzida por 8 pontos de an lise como pass vel de verificar na fundamenta o te rica 2 Desta forma efectuada uma compara o de tempo entre tr s simula es apresentadas anteriormente a primeira terceira e a quarta para os 3 diferentes momentos A an lise efectuada com as mesmas defini es de performance do computador para todas as tr s simula es S o registados os seguintes tempos Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico 85 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas e A primeira simula o defini es base regista um tempo de aproximadamente 59 segundos e A terceira simula o Esquema de integra o dos elementos como Total regista um tempo de aproximadamente 1 minuto e 6 segundos e A quarta simula o Esquema de integra o dos elementos como Total e geometria alterada com a introdu o do raio de curvatura regista um tempo de aproximadamente 1 minuto e 23 segundos Entre a primeira e a terceira simula o poss vel obter a melhor perspectiva da influ ncia da op o Esquema de integra o dos elementos como
202. ura 3 18 e figura 3 19 est o presentes as op es que introduzem realmente diferen as que v o de encontro com os resultados pretendidos Cap tulo 3 Modela o Num rica De Um Sistema Comportamento Pl stico 7 Optimiza o do comportamento dos sistemas de liga o nas barreiras de protec o das estradas Details of Mesh E EDetails of Mesh Defaults Daras Step Controls Physics Preference Mechanical Physics Preference Mechanical A Relevance 0 Relevance 0 Numb Advanced E Relevance Center Coarse Hi tnitation Advanced Element Size Default Shape Checking Standard Mechanical Shape Checking Aggressive Medea e Dropped Initial Substeps Solid Element Midside Nodes E Straight Sided Elements Program Controlled Minimum Substeps Straight Sided Elements Electromagnetics Number of Retries i Initial Size Seed CFD Rigid Body Behavior Dimensionally Reduced Solver Controls Smoothing Explicit Mesh Morphing Disabled Nonlinear Controls Transition Fast Pinch Output Controls Statistics 4 Statistics Analysis Data Management isibility a b c Details of Analysis Settings
203. ust the results obtained from plastic analyses in ANSYS Workbench NUMERICAL ANALYSES After the software validation it s now conceivable to analyse the post and the spacer as desired The first analysis tests the post C125 The post total length is 1700 mm and 1050 mm of them are under the ground line In order to reproduce the soil constrain A considering a solid foundation without movements it was addicted a cylindrical form in the structure as it s possible to see in figure 4 see the axis system It s also applied a force B in the normal direction to the C125 post face where the spacer is in contact ICEMIS Porto Portugal 22 27 July 2012 b Fig 4 Post C125 a Boundary conditions b Direction of force applied to post The displacement present in the results ahead in this paper is divided in two components horizontal dy related to x axis and vertical dy related to y axis to the initial position The displacement is the most important information obtained from post C125 to be compared with the equation present in EN 1317 1 The stress analysis is also important to understand the location of the maximum equivalent stress and consequently the initiation of plasticity until fracture material collapse The second analysis studies the spacer This structure have similar boundary conditions a constrain A representing the contact as fixed with the post and a force B applied in the opposite face where th

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