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ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Deslocamentos em Estruturas Energia Potencial de Deformação: Nas seções transversais das barras de uma estrutura reticulada atuam os esforços N, Vx, Vy, T, Mx e My,. Desprezando as deformações devidas aos esforços cortantes, a energia potencial de deformação acumulada num elemento infinitesimal da barra de área A e comprimento dz (variação da energia) é: yyxx dMdMTdNdwdU 2 1 E U ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Deslocamentos em Estruturas Energia Potencial de Deformação: yyxx dMdMTdNdwdU 2 1 , EA Ndz dw , x x x EI dzM d y y y EI dzM d , GJ Tdz d Logo, y y x x EI M EI M GJ T EA N dz dU 2222 2 1 E U ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Deslocamentos em Estruturas Teorema de Castigliano: "A derivada parcial da energia potencial de deformação em relação a um esforço qualquer é igual ao deslocamento do ponto de aplicação do esforço na sua direção." 1 1 P U 1 1 M U P1 P2 M1 1 1 ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Deslocamentos em Estruturas Teorema de Castigliano: iiPU 2 1 P1 P2 1 2 1 12 1 dP P U PdUU ii 11 2 1 ddPdU P1 P2 1 2 dP1 d1 P1 P2 1 2 dP1 d1 1111 2 1 2 1 dPPddPUdU ii dP1 d1 Introduzindo um incremento dP1: Acrescentando o sistema original: ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Deslocamentos em Estruturas Teorema de Castigliano: 1 12 1 dP P U PdUU ii 1111 2 1 2 1 dPPddPUdU ii Igualando as duas expressões 11111 1 2 1 2 1 2 1 dPPddPdP P U P iiii desprezível 1 1 P U ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Deslocamentos em Estruturas Integrais de Mohr: O teorema de Castigliano somente permite determinar o deslocamento do ponto de aplicação de um esforço na sua direção. Para se determinar os deslocamentos de qualquer ponto em qualquer direção pode-se utilizar o seguinte recurso: Integrais de Mohr: - aplica-se um esforço virtual no ponto desejado, na direção desejada; - determina-se a energia de deformação do sistema em função deste esforço; - aplica-se o teorema de Castigliano; - e anula-se o esforço virtual. ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Deslocamentos em Estruturas Integrais de Mohr: Seja N, T, Mx e My os esforços internos numa seção, decorrentes de um sistema de esforços externos aplicados em uma estrutura e N, T ,Mx, My os esforços internos decorrentes de um esforço virtual unitário aplicado na direção onde se deseja avaliar o deslocamento. dz EI EMM EI EMM GJ ETT EA ENN U y vyy x vxxvv 2222 2 1 onde Ev é o esforço virtual. ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Deslocamentos em Estruturas Integrais de Mohr: dz EI EMM EI EMM GJ ETT EA ENN U y vyy x vxxvv 2222 2 1 dz EI MEMM EI MEMM GJ TETT EA NENN dE dU y yvyy x xvxxvv v dz EI MM EI MM GJ TT EA NN dE dU y yy x xx Ev v 0 Exercícios As integrais de Mohr constituem o chamado Método da Carga Unitária. ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Deslocamentos em Estruturas Teorema da Reciprocidade (Betti-Maxwell): "O trabalho realizado por um esforço, durante o deslocamento do seu ponto de aplicação, devido à ação de outro esforço qualquer é igual ao trabalho realizado pelo segundo esforço, durante o deslocamento do seu ponto de aplicação, devido à ação do primeiro esforço." P1 11 21 22 12 P2 12111 22212 deslocamento do ponto 1 deslocamento do ponto 2 ij: deslocamento do ponto i provocado pela ação de Pj 212121 PP ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Deslocamentos em Estruturas Teorema da Reciprocidade (Betti-Maxwell): Pelo Princípio da Superposição dos Efeitos, P1 11 21 aplicando-se inicialmente P1 e posteriormente P2 P1 11 21 22 12 P2 111 2 1 PU 121222111 2 1 PPPU P2 12 22 P2 12 22 P1 11 21 222 2 1 PU 212222111 2 1 PPPU aplicando-se inicialmente P2 e posteriormente P1 ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Deslocamentos em Estruturas Teorema da Reciprocidade (Betti-Maxwell): Igualando os trabalhos realizados nas duas situações de carregamento, P1 11 21 22 12 P2 121222111 2 1 PPPU P2 12 22 P1 11 21 212222111 2 1 PPPU 212222111121222111 2 1 2 1 PPPPPP 212121 PP (reciprocidade dos trabalhos) ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Deslocamentos em Estruturas Teorema da Reciprocidade (Betti-Maxwell): Se P1 = P2, 2112 (reciprocidade dos deslocamentos) "O deslocamento do ponto 1 devido à ação de um esforço aplicado no ponto 2 é igual ao deslocamento do ponto 2 devido à ação de igual esforço aplicado no ponto 1." P 1 2 P 1 2 M 1 2 M 1 2 ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método Seja a viga abaixo representada. O seu grau de hiperestaticidade é: enimrg ,3r ,2i ,3m ,2e ,4n 42323 g 1g SP X1 é o hiperestático, isto é, o esforço incógnito abundante. X1 ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método A Equação de Compatibilidade dos Deslocamentos é: ,01 onde 1 é o deslocamento, na direção de X1, da seção onde foi retirado o apoio. Usando o PSE, X1 X1 = + carregamento real hiperestático ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método Para cada um destes carregamentos, a seção onde foi retirado o apoio se deslocará. carregamento real hiperestático 10 11X1 10 é o deslocamento, na direção de X1, devido ao carregamento real na viga e 11 é o deslocamento, na direção de X1, devido ao hiperestático X1 = 1. 01 ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método Assim, 0111101 X 11 10 1 X Os demais esforços incógnitos (reações de apoio e esforços internos) são, então, calculados pela Equações de Equilíbrio da Estática aplicáveis. Os deslocamentos 10 e 11 são determinados pelo Método da Carga Unitária. 01 ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método Usando o SP abaixo, a equação de compatibilidade dos deslocamentos será: X1 de 11 ou 011 de SP onde 1 e é o deslocamento angular, na direção de X1, da seção onde foi introduzida a rótula, na parte esquerda e 1 d é o deslocamento angular, na direção de X1, da seção onde foi introduzida a rótula,na parte direita. ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método = + carregamento real hiperestático X1 X1 10 e 10 d carregamento real hiperestático 11 eX1 11 dX1 Usando o PSE, Deslocamentos no SP: 10 e – 10 d é o deslocamento, na direção de X1, devido ao carregamento real e 11 e – 11 d é o deslocamento, na direção de X1, devido ao hiperestático X1 = 1. 011 de ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método Logo, 011111101011 Xdedede 11 10 1 X Esta formulação é a base do processo denominado Equação dos Três Momentos, aplicável a vigas contínuas. Os deslocamentos 10, e 11 são determinados pelo Método da Carga Unitária. Os demais esforços incógnitos (reações de apoio e esforços internos) são ,então, calculados pela Equações de Equilíbrio da Estática aplicáveis. de 101010 de 111111 onde 011 de ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método Seja o pórtico abaixo representado. O seu grau de hiperestaticidade é: enimrg 3r 3i 6m 3e 6n 63633 g 3g Vy Mx N N Vy Mx SP X2 X3 X1 X1 X2 X3 X1 = N, X2 = Vy, X3 = Mx são os hiperestáticos. ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método As Equações de Compatibilidade dos Deslocamentos são: SP X2 X3 X1 X1 X2 X3 de 11 de 22 de 33 ou ou ou 011 de 022 de 033 de onde i e é o deslocamento, na direção de Xi, da seção cortada, na parte esquerda e i d é o deslocamento, na direção de Xi, da seção cortada, na parte direita. 1 e, 1 d , 2 e e 2 d são deslocamentos lineares enquanto 3 e e 3 d são deslocamentos angulares ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método Usando o PSE, X2 X3 X1 X1 X2 X3 = X1 X1 X2 X2 X3 X3 + + + (a) (b) (c) (d) (a): SP submetido ao carregamento real da estrutura hiperestática; (b): SP submetido ao hiperestático X1; (c): SP submetido ao hiperestático X2; (d): SP submetido ao hiperestático X3. ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método Para cada um destes carregamentos a seção cortada se deslocará, à esquerda e à direita. 10 e X Y Z SG 10 d 20 d 30 e 20 e 30 e i0 e – i0 d é deslocamento da seção cortada, na direção de Xi, devido ao carregamento real; 1j eXj X Y Z SG 1j dXj 2j dXj 3j eXj 2j eXj 3j eXj ij e – ij d é deslocamento da seção cortada, na direção de Xi, devido ao hiperestático Xj = 1. ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método A equação geral de compatibilidade de deslocamentos é ou 0 di e i ,0 ,1 00 gj j d ij e ij d i e i d i e i X onde g é o grau de hiperestaticidade da estrutura. Assim, para o pórtico plano do exemplo, tem-se o seguinte sistema de equações lineares: 031321211110 XXX 032322212120 XXX 033323213130 XXX d i e ii 000 d ij e ijij onde Os deslocamentos i0, e ij são determinados pelo Método da Carga Unitária. ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método Determinação de Deslocamentos: Como o SP equivale à estrutura hiperestática, estática e geometricamente, os deslocamentos dos pontos das seções desta estrutura são exatamente os mesmos verificados no SP. Logo, após conhecidos os hiperestáticos, pelo Método dos Esforços, pode-se determinar qualquer deslocamento em qualquer seção da estrutura hiperestática, pelo Método da Carga Unitária, na seção equivalente no SP. = ? X1 Exercícios ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método Equação dos Três Momentos: O processo denominado Equação dos Três Momentos é aplicável a vigas contínuas. Advém do Método dos Esforços, tomando-se, como SP, a viga isostática derivada da viga contínua dada por introdução de rótulas sobre os apoios intermediários. viga contínua SP R1 R2 R3 R4 R5 L1 L2 L3 L4 M5 M1 X3=M4 X2=M3 X1=M2 R1 R2 R3 R4 R5 L1 L2 L3 L4 M5 M1 g = n-2, onde n é o número de apoios da viga. ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método Equação dos Três Momentos: O SP é um conjunto de vigas biapoiadas submetidas ao carregamento real e aos hiperestáticos Xi=Mi+1. As equações de compatibilidade dos deslocamentos serão ou onde i = 1, n-2. 0 di e i ,0 ,1 00 gj j d ij e ij d i e i X Como todos os hiperestáticos são momentos fletores, os deslocamentos são rotações. Assim, ou 011 d i e i d i e i 2,1 11,11,10,10,1 0 nj j d ji e ji d i e i M ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método Equação dos Três Momentos: i = 1, n-2. ,0 2,1 11,11,10,10,111 nj j d ji e ji d i e i d i e i M 011,21,222222202022 ndne ndedede MM 011,11,122,12,10,10,111 nd nne nndnendnendnen MM 011,1,22200 ndnienidieidieidiei MM ........................................................................... Desenvolvendo as equações acima: ........................................................................... ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método Equação dos Três Momentos: As rotações à esquerda e à direita do nó j são determinadas como indicado abaixo. 011,1,22200 ndnienidieidieidiei MM Li-1 Mi Mi-1 Li Mi+1 Mi d i 1 e i Mi Mi-1 d i e i 1 Mi+1 Mi Assim, a equação acima se resume a 011,11,00 idiiidiieiiieiidiei MMM (Equação dos Três Momentos) ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método Equação dos Três Momentos: 011,11,00 idiiidiieiiieiidiei MMM :00 d i e i e rotações, no SP, à esquerda e à direita do nó i, respectivamente, devidas ao carregamento real. :1, e ii rotação, no SP, à esquerda do nó i, devida a Mi-1=1. :1, d ii rotação, no SP, à direita do nó i, devida a Mi+1=1. :dii e ii e rotações, no SP, à esquerda e à direita do nó i, respectivamente, devidas a Mi=1. e ioLi-1 Mi-1=1 e ii 1, Li-1 Mi=1 e ii Li-1 d io Li Mi=1 d ii Li Mi+1=1 d ii 1, Li ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método Equação dos Três Momentos: 011,11,00 idiiidiieiiieiidiei MMM Resolvendo pelo Método da Carga Unitária ou por qualquer outro método (integração da linha elástica ou Analogia de Mohr): 1 1 1, 6 ix ie ii EI L ix id ii EI L 6 1, 1 1 3 ix ie ii EI L ix id ii EI L 3 Assim, a equação fica: 0 6336 1 1 1 1 1 1 00 i ix i i ix i ix i i ix id i e i M EI L M EI L EI L M EI L 0 0 Convenção de Sinais: ou dieii ix i i ix i ix i i ix i M EI L M EI L EI L M EI L 001 1 1 1 1 1 62 A cada apoio interno corresponde uma equação. ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método Equação dos Três Momentos: Observações: a) Utilizando os valores absolutos das rotações devidas ao carregamento real, a equação fica: dieii ix i i ix i ix i i ix i M EI L M EI L EI L M EI L 001 1 1 1 1 1 62 b) Caso as rotações sejam calculadas pela Analogia de Mohr, corresponderão às reações nos apoios da viga conjugada. A equação, então, fica:. d i e i 00 e dieii ix i i ix i ix i i ix i RRM EI L M EI L EI L M EI L 62 1 1 1 1 1 1 ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método Equação dos Três Momentos: Observações: R1 R2 R3 L1 L2 L3 M1 M3 R1 R2 R3 L1 L2 M1 V3 d d) Caso haja um balanço, pode-se reduzir as cargas no balanço ao apoio correspondente. c) Se a rigidez EIx for constante, a equação se simplifica: dieixiiiiiii EIMLMLLML 001111 62 dieixiiiiiii RREIMLMLLML 62 1111 ou ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método Equação dos Três Momentos: Observações: dx L EI MM 10 1 1 21 6 2 e) Caso haja um engaste em alguma extremidade, haverá mais uma incógnita (o momento fletor no engaste) e a equação de compatibilidade de deslocamentos correspondente será 01 0n para engaste no primeiro apoio ou para engaste no último apoio. e n n nx nn L EI MM 0 1 1 1 6 2 Estas expressões podem ser obtidas da equação geral, considerando no primeiro caso, e no segundo. ,001 e iiL ,00 d iiL ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Universidade Federal do Espírito Santo Prof. Pedro Sá Método dos Esforços Formulação do Método Fim do Capítulo
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