Avaliação do uso de fotoelasticidade de reflexão no estudo de ligação metálica viga-coluna

Abstract

A fotoelasticidade é uma das técnicas experimentais mais antigas. Nova atenção é dada hoje a esse método devido aos progressos da fotoelasticidade digital. Nessa dissertação é apresentada o estudo de uma ligação metálica, constituída por uma viga perfil I em balanço, ligada a coluna por meio de solda e parafusos, e sujeita a carregamento concentrado na extremidade livre. O objetivo principal desse estudo é analisar a junção metálica com a fotoelasticidade de recobrimento e avaliar a aplicabilidade dessa técnica por esse tipo de conexão. Sucessivamente são expostos os fundamentos teóricos junto com a formulação matemática da fotoelasticidade clássica e as evoluções alcançadas pela fotoelasticidade digital. Foram apresentados, também com base na literatura, os princípios teóricos do método aos elementos finitos assim como do processamento e análise digital de imagens no espaço de cor RGB, além de descrever as características das ligações metálicas com base nas normativas técnicas. A metodologia aplicada envolveu a análise teórica, experimental e numérica. O arranjo experimental é constituído por um polariscópio circular em campo escuro e com luz branca. Nos ensaios de laboratório foram produzidas manualmente as lâminas fotoelásticas em Araldite, assim como foram realizados os testes de calibração sobre os espécimes. Os testes de flexão simples sobre o corpo de prova foram executados com quatro níveis de carga. As regiões investigadas foram a mesa superior da viga, a alma e a chapa de topo. Foi feito um registro fotográfico para analisar a distribuição das franjas isocromáticas nas regiões investigadas e determinar as diferenças das tensões principais. Paralelamente foi desenvolvido um programa de tratamento de imagem, escrito em Matlab®, capaz de fornecer o valor da constante fotoelástica, para o tipo de modelo mecânico utilizado. A solução numérica, em regime elástico-linear, foi produzida com a proposta de um código escrito em Ansys®. Na mesa superior a resposta numérica comparada com a experimental mostrou um erro menor a 10 % em termos de estado de tensões. Mostra-se também o potencial didático dessa técnica com a proposta de alguns exercícios.

ABSTRACT: Photoelasticity is one of most ancient experimental techniques for stress analysis. New attention is given to this method due to progress of digital photoelasticity. This dissertation investigates a mixed steel junction beam-column by using reflection photoelasticity. A cantiliver beam I profile, bolted and welded to column, is subject to concentrated load on free extreme. Main proposal is to analyse the steel junction and assess feasibility of this technique for this kind of connection. Successively, theoeritical foundation is exposed with mathematical formulation of classic photoelasticity. Progress has been reached by digital photoelasticity. Based on literature, theoretical principles of finite element method were exposed, as well as digital image processing and analysis, in RGB colour space. Besides, caracteristics of steel junction are described with base on technical normative. The applied methodology used theoretical, experimental and numeric analyis. Experimental equipment used is a circular polariscope in black field with white light. In laboratory test photoelastic film in Araldite were prepared by hand, such as were made calibration setup testing of photoelastic film on especimens. Simple bending tests were applied wtih four level of loads on the model. Investigated areas were beam upper flange, beam web and beam plate. A photographic register was made to analyse distribution of isocromatic fringes and determinate principal stress difference. In parallel, a non comercial algorithm, written in Matlab®, process data to determinate the fringe value photoelastic constant. The finite element numerical analysis was realized considering elastic-linear conditions and was written with commercial software ANSYS®. On the beam upper flange numerical and experimental results showed a difference lower than 10 % as stress state. Didactic potential associated to this technique is showed with a proposal of some exercises.