Simulação do comportamento mecânico de tubos em PRFV submetidos à pressão hidrostática

Abstract

Com crescente tendência de aplicação nos mais diversos setores, os materiais compósitos necessitam de um correto estudo para seu dimensionamento estrutural. Apesar de já estarem superados os obstáculos iniciais da tecnologia; e terem grande parte de suas aplicações já reguladas por normas, simplificações tem sido adotadas em cálculos estruturais envolvendo o uso destes materiais. Os materiais compósitos, porém, podem apresentar assimetria e comportamento não isotrópico, tensões residuais e também, mesmo quando submetidos apenas a solicitações mecânicas no plano (tensões de membrana), gerar momentos fletores com efeitos inesperados que, dependendo de sua magnitude, podem ter maior influência na estrutura do material, com conseqüências no processo de falha. Neste contexto, simulações numéricas baseadas no método dos elementos finitos, tem grande potencial para avaliar as tensões mecânicas que ocorrem em tubulações comerciais de Plástico Reforçado com Fibras de Vidro (PRFV), por exemplo, as quais são o foco deste estudo. As possíveis influências, desconsideradas pelas simplificações de uso comum na produção comercial de tubos em PRFV, foram estudadas no presente trabalho, utilizando o programa computacional COMPSHELL, que faz uso do Método dos Elementos Finitos (MEF) para cascas finas, analisando o comportamento de tubos encontrados comercialmente quando submetidos à pressão hidrostática interna. Os resultados foram comparados com resultados experimentais obtidos na literatura. As simulações revelaram correlação de até 97% com experimentos para a obtenção da pressão hidrostática de falha. Foram claramente percebidos os efeitos dos picos de resultantes de tensão e momento fletor na pressão de ruptura teórica de falha, mostrando a importância de não se desprezar seus efeitos; e tendo o MEF como uma ferramenta disponível com grande aplicabilidade nestes casos, podendo evitar equívocos desconsiderados por simplificações empiricamente utilizadas, bem como perdas por superdimensionamento. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT

With the growing demand for applications in many sectors, composite materials need a correct study for their structural design. Despite the initial obstacles of the technology were already overcome and having a significant part of its applications ruled by standards, simplifications have been used in structural calculation involving these materials. Composite materials, however, may not be symmetric and also present non-isotropic behavior, residual stresses and also, even when subjected only to in-plane mechanical loads (membrane stresses), generate unexpected bending moments, with effects that, depending on their magnitude, may have great influence in the structure of the material, with consequence on the failure process. So, numerical simulations based on finite element method have great potential to assess, in more detail, mechanical stresses that occur in commercial GFRP – Glass-Fiber- Reinforced Polymer – pipes, which are the focus of this study. The possible influences which are not considered by simplifications, commonly used at commercial GFRP pipes production, were studied in the present work using the program COMPSHELL, which uses Finite Element Method (FEM), for the analysis of the behavior of commercial pipes, submitted to internal hydrostatic pressure. The results were compared to experimental ones, taken from the literature. The simulations presented up to 97% of correlation with experiments of destructive hydrostatic tests. It was clearly observed the effect of stress resultant and bending moment peaks, showing the importance of considering these effects; and having the FEM as an available tool with great application in these cases, being able to avoid mistakes not considered by simplifications, or even loss due to overestimation.