Numerical Study Via Finite Element Analysis of the Structural Behavior of Rigid Pavement of Aerodromes

The present study develops a 3D numerical model of the concrete pavement system of aerodromes in contact with the main landing gear of aircrafts using Finite Element Method (FEM). The pavement system used in the analysis consisted of six concrete slabs overlaying a subgrade medium with stiffness k. Doweled bars are considered for the pavement transverse joints while aggregate interlocks are considered for longitudinal joints. A parametric study was conducted to validate the model numerically, as well as to investigate the influence of the doweled bars, aggregate interlocks and subgrade stiffness on the pavement deflections when it is subjected to a dynamic load. About 77% decrease in deflection was attained due to the presence of doweled bars. This study additionally presents a methodology for designing the pavement thickness and the compressive strength of concrete based upon the Mohr-Coulomb’s failure criterion. It is found that for a pavement thickness of 0.305m the minimum compressive strength of concrete should be 28 MPa

Monitoramento da Integridade Estrutural de uma laje de concreto utilizando transformadas de wavelet

This paper describes the methodology to locate the damage area on the concrete slab structure. The damaged structure is numerically simulated using the Finite Element Method (FEM). The vertical displacement signal has obtained is using for location of the damage area position employing the Discrete Wavelet Transform (DWT). The mother wavelets studied were: Daubechies, Symlets and ReverseBior. The damage on the slab is numerically simulated as one stiffness reduction in the concrete and the displacement signal obtained from the static analysis is interpolated and then amplified by means of the Tikhonov regularization. The finite element is quadrilateral with corner nodes only and each node has six degrees of freedom per node, i.e. three translations and three rotations. The calibration of Tikhonov regularization parameters bj is important to amplify and smooth the perturbations of wavelet coefficients graphs. In addition, all the mother wavelets available in this paper have being able to identify the damage. Results suggest when the damage reduces the concrete modulus of elasticity more than 20% it is only necessary the knowledge of signal of damage structure to detect the damaged area position. For the smaller damage values it is required to know the different between the displacement signals about the undamaged and damaged structure.A presente contribuição utiliza uma metodologia para localizar danos em um sistema estrutural do tipo laje de concreto empregando transformadas de Wavelet. Esse sistema estrutural é modelado numericamente empregando o Método dos Elementos Finitos (MEF). O sinal da deflexão vertical da laje danificada é utilizado na localização da posição do dano empregando a transformada discreta de wavelet (TDW). As wavelets mães estudadas foram a: Daubechies, Symlets e ReverseBior. O tipo de dano implementado é dado sob a forma de perda localizada da rigidez do concreto da laje utilizando uma variável escalar de dano D. O sinal da deflexão, obtido na análise estática da laje, é interpolado e depois ampliado empregando a regularização de Tikhonov antes de ser transformado. O elemento finito utilizado na modelagem da laje apresenta quatro nós e seis graus de liberdade por nó, sendo três translações e três rotações. A calibração dos parâmetros bj da regularização de Tikhonov mostrou-se fundamental para amplificar e suavizar as perturbações nos gráficos dos coeficientes de wavelet. Além disso, todas as wavelets mães avaliadas foram capazes de identificar o dano proposto. Entretanto, quando a variável escalar de dano é maior ou igual a 0,20, somente o sinal da estrutura na condição danificada foi necessário para detectar a posição do dano. Já, para valores de dano menores que 0,20, foi necessário o emprego do sinal da diferença, obtido entre as condições da estrutura sem e com dano

Finite element modeling of composite plates incorporating piezoelectric sensors and actuators: implementation and numerical assessment

This Dissertation presents a methodology based on the Finite Element method for the modeling of laminated composite beams and plates containing piezoelectric sensors and actuators. The fundamental concepts and the theoretical developments are presented, followed by a number of numerical simulations performed in MATLAB® environment. The finite element used is a Serendipity-type element with rectangular shape, eight nodes, eleven mechanical degrees-of-freedom per node and eight electrical degrees-of-freedom per interface of piezoelectric layer. Temperature effects are neglected. A Mixed Theory is adopted, which uses a single equivalent layer for discretization of the mechanical displacement field and a layerwise representation of the electrical field. For the approximation of the mechanical displacements, two different theories are used, namely: the Higher-order Shear Deformation Theory (HSDT) and the First-order Shear Deformation Theory (FSDT). Both theories are numerically implemented and used in a number numerical simulations whose results are available in the literature. In these simulations, some relevant aspects of the static and dynamic behavior of beams and rectangular plates containing piezoelectric sensors and actuators are appraised. The main advantages and drawbacks of the theories, as applied to the modeling of intelligent composite structures are pointed-out.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoMestre em Engenharia MecânicaEsta dissertação apresenta uma metodologia baseada no Método dos Elementos Finitos (MEF) para a modelagem de estruturas compostas laminadas do tipo viga e placa dotadas de sensores e atuadores piezoelétricos. Os conceitos fundamentais e o desenvolvimento teórico são apresentados, seguidos de simulações numéricas realizadas em ambiente MATLAB® para a modelagem dessas estruturas. O elemento finito implementado é do tipo Serendipity, tem forma retangular, oito pontos nodais, onze graus de liberdade mecânicos por nó e oito graus de liberdade elétricos por interface de camada piezoelétrica. Os efeitos da temperatura são desprezados. É empregada uma Teoria Mista baseada no uso de camada equivalente única para representação do campo de deslocamentos mecânicos e em múltiplas camadas para o campo elétrico. A aproximação do campo de deslocamentos mecânicos utiliza duas teorias distintas: a Teoria da Deformação de Terceira Ordem (HSDT) e a Teoria da Deformação Cisalhante de Primeira Ordem (FSDT). As teorias em estudo são implementadas computacionalmente e confrontadas através da realização de simulações numéricas e os resultados são comparados com os disponíveis na literatura. Nestas simulações, alguns aspectos relevantes do comportamento estático e dinâmico sob vibração livre de vigas e placas retangulares dotadas de sensores e atuadores piezoelétricos são avaliados, tais como deflexão, freqüências naturais e potenciais elétricos. São discutidas as vantagens e desvantagens da utilização de cada uma dessas teorias na modelagem de estruturas inteligentes

Modélisation par éléments finis de plaques composites: contribution à l etude de l amortissement, endommagement et prise en compte d incertitudes

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoDoutor em Engenharia MecânicaNo estado tecnológico atual, os materiais compostos são cada vez mais utilizados em produtos de alta tecnologia, sobretudo no setor aeroespacial, em virtude de sua resistência/peso superior às dos materiais metálicos, e em virtude de sua elevada rigidez e resistência mecânica à fadiga. Além disso, devido ao seu melhor comportamento ao choque mecânico e à combustão química, as estruturas em material composto oferecem uma boa condição de segurança. Estruturas fabricadas em material composto ou metálico são submetidas a uma grande variedade de carregamentos mecânicos ao longo de sua vida útil, que podem ser dependentes ou independentes do tempo, quer dizer, de natureza estática ou dinâmica. Acima das condições de serviço para as quais elas são concebidas, no domínio estático ou dinâmico, as estruturas compostas podem desenvolver diferentes formas de dano em seus elementos constitutivos. Nas ultimas décadas, devido a sua capacidade de absorver e dissipar sob a forma de calor uma parte da energia de vibração dos sistemas estruturais, os materiais viscoelásticos vêm sendo intensamente empregados para reduzir os níveis de vibração e sonoros indesejáveis no domínio da dinâmica das estruturas. Nesta tese, estes materiais são aplicados sob a forma de tratamento interno em estruturas compostas, que permite o aumento das deformações por cisalhamento da camada viscoelástica e, assim, a dissipação da energia de vibração e a diminuição do dano. Interessa-se também, neste trabalho, o estudo de um mecanismo interno de dano ao nível da matriz polimérica no domínio dinâmico. Este mecanismo de dano é muito comum nos materiais estratificados constituídos de fibras orientadas em uma única direção. Nesta tese, é apresentada a modelagem por elementos finitos utilizando os elementos retangulares Serendipity, a oito pontos nodais, de placa composta, considerando três diferentes teorias para a aproximação do campo de deslocamento mecânico: FSDT (First-order Shear Deformation Theory), HSDT (Higher-order Shear Deformation Theory) e Layerwise-FSDT. As duas primeiras teorias permitem a modelagem de estruturas com multicamadas e a segunda é formulada para uma configuração assimétrica formada por três camadas, cuja formulação é obtida pela imposição da continuidade dos deslocamentos ao longo da espessura do estratificado. Estas teorias são implementadas em ambiente MATLAB® para a modelagem de modelos EF de estruturas compostas de geometria simples. Para considerar a dependência no domínio da freqüência e do tempo das propriedades dos materiais viscoelásticos, a aproximação através do uso do Modulo Complexo é utilizada. No entanto, para levar em conta sua dependência no domínio do tempo e da temperatura utiliza-se a aproximação através do uso de Derivadas Fracionárias. Utiliza-se também, neste trabalho, o emprego do Modelo Histerético Complexo (independente do tempo, da temperatura e da freqüência) para considerar o amortecimento natural das camadas do estratificado. Além disso, esta tese propõe o uso de uma metodologia de propagação de incertezas em estruturas compostas. Para isso, adota-se a aproximação de Karhunen-Loève para a discretização do campo aleatório bidimensional. E, através de diversas simulações numéricas, são ilustrados os temas abordados ao longo deste trabalho de tese

Optimization of parameters of a modal active control in a beam of composite material

The present work proposes the active vibration control in a beam of composite material, using electromagnetic actuators, in order to obtain a reduction in the response of the displacement of the system associated to a reduction in energy consumption. The control theory used was the linear quadratic regulator solved by linear matrix inequalities. The electromagnetic actuator was then linearized using a methodology similar to that used in magnetic bearings. The work also proposes to study the optimization of parameters applied in this active control, by means of the heuristic optimization methods. From numerical simulations, the system´s response was obtained in the time domain that demonstrated the efficiency of the proposed technique in the active control of vibrations

Optimization of parameters of a modal active control in a beam of composite material

The present work proposes the active vibration control in a beam of composite material, using electromagnetic actuators, in order to obtain a reduction in the response of the displacement of the system associated to a reduction in energy consumption. The control theory used was the linear quadratic regulator solved by linear matrix inequalities. The electromagnetic actuator was then linearized using a methodology similar to that used in magnetic bearings. The work also proposes to study the optimization of parameters applied in this active control, by means of the heuristic optimization methods. From numerical simulations, the system´s response was obtained in the time domain that demonstrated the efficiency of the proposed technique in the active control of vibrations