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APÊNDICE B – ANALOGIA DA VIGA CONJUGADA Este apêndice apresenta a Analogia da Viga Conjugada como forma alternativa para deduzir soluções fundamentais de vigas. Essa metodologia para análise de vigas está baseada em uma comparação entre as equações diferenciais de equilíbrio e de compatibilidade que regem o comportamento de barras à flexão. Essas equações foram deduzidas no capítulo 3 e estão mostradas na tabela B.1 de forma compara- tiva. A analogia entre as equações diferenciais foi observada inicialmente por Mohr (1835-1918), e por isso esse método é conhecido como Processo de Mohr (Süssekind 1977-2). Tabela B.1 – Comparação entre equações diferenciais de equilíbrio e compatibilidade para flexão de vigas (vide capítulo 3). Equações de Equilíbrio Equações de Compatibilidade )(xQ dx dM = Eq. (3.9) )(x dx dv θ= Eq. (3.1) )(2 2 xq dx Md = Eq. (3.10) EI xM dx vd )( 2 2 = Eq. (3.20) Nota-se na tabela B.1 que o papel que M(x) faz nas equações de equilíbrio é o mesmo que o papel que v(x) exerce nas equações de compatibilidade, isto é, M(x) é análogo a v(x). Observa-se também que Q(x) é análogo a θ(x) e q(x) a M(x)/EI. A idéia original de Mohr em explorar essa analogia está em utilizar as equações de compatibilidade da viga real como se fossem “equações de equilíbrio” de uma viga fictícia, chamada de viga conjugada, com carregamento qC(x) = M(x)/EI, esforço cor- tante QC(x) = θ(x) e momento fletor MC(x) = v(x), tal como indica a tabela B.2. Com base nessa analogia, a resolução do problema do equilíbrio da viga conjugada é equivalente à resolução do problema da compatibilidade da viga real. Como a imposição de condições de equilíbrio é, em geral, mais simples e intuitiva do que a imposição de condições de compatibilidade, a analogia da viga conjugada se apre- senta como uma alternativa para a imposição de condições de compatibilidade em vigas. 314 – Métodos Básicos da Análise de Estruturas – Luiz Fernando Martha Tabela B.2 – Analogia da viga conjugada. VIGA REAL VIGA CONJUGADA Carregamento q(x) qC(x) = M(x)/EI Esforço cortante Q(x) QC(x) = θ(x) Momento fletor M(x) MC(x) = v(x) Rotação θ(x) Deslocamento transversal v(x) A analogia da viga conjugada tem diversas aplicações na análise de vigas. As principais são: • Cálculo de deslocamentos em vigas. • Análise de vigas hiperestáticas. • Determinação de reações de engastamento de vigas para carregamentos ar- bitrários. • Dedução de coeficientes de rigidez de barras isoladas. Todas essas aplicações podem ser analisadas utilizando o Princípio dos Trabalhos Virtuais (PTV), tal como foi mostrado no capítulo 4. Entretanto, a analogia da viga conjugada é uma alternativa mais simples de ser utilizada em muitos casos, e tam- bém muito útil quando a viga tem uma rigidez à flexão variável, isto é, quando EI não é constante. Nota-se que em todos os exemplos tratados no corpo deste livro só são considera- das barras prismáticas, isto é, barras com seção transversal que não variam ao lon- go do seu comprimento. Este apêndice fornece uma metodologia para dedução de soluções fundamentais de barras com inércia variável. Como visto nos capítulos 6, 7 e 9, o Método dos Deslocamentos se baseia em soluções fundamentais de barras isoladas (reações de engastamento de barras e coeficientes de rigidez de barras). Portanto, este apêndice estende a aplicação do Método dos Deslocamentos e do Método da Rigidez Direta para barras com inércia variável. B.1. Conversão de condições de apoio A aplicação da analogia da viga conjugada requer a conversão das restrições de apoio da viga real para a viga conjugada. As restrições de apoio, que são condi- ções de compatibilidade da viga real, são expressas em termos de deslocamentos transversais v e de rotações θ. Na viga conjugada, as restrições relativas a deslo- camentos transversais devem ser convertidas para restrições com respeito a mo- Luiz Fernando Martha – Analogia da Viga Conjugada – 315 mentos fletores MC, assim como as restrições que se referem a rotações são tradu- zidas para restrições impostas a esforços cortantes QC. A tabela B.3 mostra a con- versão das possíveis restrições de apoio em vigas (reais) para as correspondentes restrições de apoio na viga conjugada em termos de momentos fletores e esforços cortantes. Tabela B.3 – Conversão de restrições da apoio para a viga conjugada. apoio simples com momento aplicado MC = ρ apoio simples interno apoio simples engaste extremidade livre apoio simples com recalque vertical engaste com recalque vertical engaste com recalque rotação rótula interna v = ρ v = ρ rótula interna QC = ρ apoio simples extremidade livre engaste extremidade livre com momento aplicado extremidade livre com força aplicada apoio simples interno MC = ρ QC = ρ MC = ρ MC = ρ θesq = θdir v = 0 QCesq = QCdir MC = 0 θesq ≠ θdir v ≠ 0 QCesq ≠ QCdir MC ≠ 0 VIGA CONJUGADA VIGA REAL v = ρ v = ρ θ = ρ θ = ρ v = 0 θ ≠ 0 v = 0 θ = 0 v ≠ 0 θ ≠ 0 MC = 0 QC ≠ 0 MC = 0 QC = 0 MC ≠ 0 QC ≠ 0 apoio simples interno com recalque vertical rótula interna com momento aplicado θesq = θdir QCesq = QCdir MC = ρ v = ρ MC = ρ engaste deslizante v ≠ 0 θ = 0 engaste deslizante MC ≠ 0 QC = 0 316 – Métodos Básicos da Análise de Estruturas – Luiz Fernando Martha Na tabela B.3, os recalques de apoio impostos na viga real têm o sentido positivo, de acordo com a convenção de sinais adotada: deslocamento transversal v é positi- vo de baixo para cima e rotação θ é positiva no sentido anti-horário. Os corres- pondentes momentos fletores MC e esforços cortantes QC também são positivos na viga conjugada. Dessa forma, quando um recalque vertical positivo é imposto na viga real, o momento que é aplicado na viga conjugada faz com que as fibras infe- riores fiquem tracionadas na seção de aplicação (isso corresponde a um momento fletor positivo). Analogamente, quando uma rotação positiva é imposta como re- calque de apoio na viga real, a força aplicada na viga conjugada provoca um esfor- ço cortante positivo na seção de aplicação. B.2. Roteiro do processo de Mohr Para se analisar uma viga pelo processo de Mohr, deve-se adotar a seguinte se- qüência de procedimentos: 1° Conversão de restrições de apoio da viga real para a viga conjugada confor- me indicado na tabela B.3. 2° Determinação do aspecto do diagrama de momentos fletores da viga real. No caso de vigas isostáticas, o diagrama é determinado utilizando apenas condições de equilíbrio. Para vigas hiperestáticas, o traçado do aspecto cor- reto do diagrama de momentos fletores é muito importante. Para tanto, de- ve-se identificar que fibras são tracionadas pelos momentos fletores nas ex- tremidades de todas as barras. O traçado da elástica (configuração deforma- da) pode auxiliar nessa identificação. Dessa forma, o diagrama dos momen- tos fletores fica parametrizado pelos valores dos momentos fletores nas ex- tremidades das barras. 3° Determinação do carregamento na viga conjugada, qC = M/EI. A considera- ção de barras com rigidez à flexão EI variável (inércia variável) ao longo do comprimento da viga é considerada no carregamento da viga conjugada. 4° Imposição de condições de equilíbrio da viga conjugada. Isso equivale a im- por condições de compatibilidade da viga real. B.3. Cálculo de deslocamentos em vigas isostáticas O tipo de aplicação mais simples da analogia da viga conjugada é a determinação de deslocamentos (ou rotações) em vigas. Isso pode ser aplicado a qualquer tipo de viga, isostática ou hiperestática. Entretanto, a definição do carregamento na viga conjugada depende do conhecimento do diagrama de momentos fletores da viga real. No caso de uma viga isostática, esse diagrama é determinado diretamen- te. Para uma viga hiperestática, a determinação do diagrama de momentos fletores Luiz Fernando Martha –Analogia da Viga Conjugada – 317 requer uma análise anterior. Essa análise pode ser feita por qualquer método, in- clusive pela analogia da viga conjugada, conforme mostrado na próxima seção. Nesta seção dois exemplos isostáticos são analisados. O primeiro exemplo, mostrado na figura B.1, é o de uma viga engastada e em ba- lanço com uma força vertical aplicada na extremidade livre. O objetivo desse e- xemplo é calcular o deslocamento transversal vB e a rotação θB da seção na extre- midade livre. Diagrama de momentos fletores: VIGA REAL VIGA CONJUGADA x M(x) MA = –Pl – MA = 0 QA = 0 MB ≠ 0 QB ≠ 0 C C C C Pl/EI MB = –(Pl2/2EI)⋅(2l/3) = –Pl3/3EI C vB = –Pl3/3EI ∴∴∴∴ A B P vA = 0 θA = 0 vB ≠ 0 θB ≠ 0 Pl/2EI l A B l 2l/3 MB VB C C QB = –Pl2/2EI C θB = –Pl2/2EI ∴∴∴∴ vB θB Pl3/3EI Pl2/2EI Figura B.1 – Cálculo de deslocamento e rotação em extremidade livre de balanço. O diagrama de momentos fletores da viga real da figura B.1 é triangular, tracio- nando as fibras superiores (negativo pela convenção adotada). Isso acarreta em um carregamento negativo (de cima para baixo) que varia linearmente na viga con- jugada. As conversões das condições de apoio também estão indicadas na figura B.1. Vê-se que a viga conjugada também é isostática. Isso vai sempre acontecer: uma viga real isostática acarreta em uma viga conjugada isostática. Como a viga conjugada é estati- camente determinada e, portanto, tem somente uma solução para as equações de equilíbrio, pode-se concluir que a viga real isostática tem uma única solução que satisfaz as condições de compatibilidade (assim como tem uma única solução que satisfaz as condições de equilíbrio). O deslocamento transversal e a rotação da seção na extremidade livre do balanço são calculados determinando-se, por equilíbrio, o momento fletor e o esforço cor- tante na seção correspondente da viga conjugada. O momento fletor é negativo pois traciona as fibras superiores nessa seção. Portanto, vB é negativo, isto é, de cima para baixo (o que era de se esperar). O esforço cortante nessa seção também negativo, acarretando um uma rotação θB no sentido horário. 318 – Métodos Básicos da Análise de Estruturas – Luiz Fernando Martha O segundo exemplo isostático é a viga biapoiada mostrada na figura B.2. O objeti- vo é calcular o deslocamento transversal vB no centro da viga e a rotação θC na ex- tremidade direita. Nesse exemplo, os momentos fletores na viga real tracionam as fibras inferiores da viga, resultando em um carregamento positivo (de baixo para cima) na viga conjugada. O deslocamento vB é determinado pelo cálculo do mo- mento fletor no ponto B da viga conjugada, e a rotação θC é determinada pelo cál- culo do esforço cortante em C. Diagrama de momentos fletores: VIGA REAL VIGA CONJUGADA x M(x) MB = +Pl/4 + MA = 0 QA ≠ 0 MC = 0 QC ≠ 0 C C C C Pl/4EI MB = –(Pl2/16EI)⋅(l/2) + (Pl2/16EI)⋅(l/6) C vB = –Pl3/48EI ∴∴∴∴ A B P vA = 0 θA ≠ 0 vC = 0 θC ≠ 0 Pl2/16EI l/2 l/3 QC = +Pl2/16EI C θC = +Pl2/16EI ∴∴∴∴ vB θC l/2 l/2 l/2 C A B l/2 l/2 C l/3l/3 Pl2/16EI Pl2/16EI Pl2/16EI l/2 l/2 MB = –Pl3/48EI C l/6 l/6 Figura B.2 – Cálculo de deslocamento no centro de viga biapoiada e de rotação na extremidade. B.4. Análise de vigas hiperestáticas Duas vigas hiperestáticas são analisadas nesta seção. A primeira é uma viga com dois vãos mostrada na figura B.3, submetida a uma carga uniformemente distribu- ída. O objetivo é determinar o diagrama de momentos fletores. Conforme comentado na seção B.2, a solução de uma viga hiperestática pela analo- gia da viga conjugada fica facilitada se o aspecto do diagrama de momentos fleto- res da viga real for determinado a priori. No caso da viga da figura B.3, os momen- tos fletores nas extremidades são nulos, e o momento fletor MB na seção do apoio central é imaginado tracionando as fibras superiores. Isto é, é feita uma suposição que o momento em B é negativo. Se a análise resultar em um valor para MB nega- tivo, isso significa que o momento fletor em B traciona as fibras inferiores. No e- xemplo isso não ocorre, confirmando que em B as fibras superiores estão traciona- das. O restante do diagrama de momentos fletores da viga da figura B.3 fica determi- nado em função do momento fletor MB. Nos dois vãos as parábolas do segundo Luiz Fernando Martha – Analogia da Viga Conjugada – 319 grau, correspondentes à carga uniformemente distribuída, são “penduradas” a partir das linhas retas que unem os valores nulos em A e C com o valor negativo em B. Dessa forma, o diagrama de momentos fletores fica parametrizado por MB. Diagrama de momentos fletores: VIGA REAL VIGA CONJUGADA –MB – MB/EI MA = 0 QA ≠ 0 MB = 0 QB = QB diresq MC = 0 QC ≠ 0 C C C C C C C MB = 0 ⇒ – (MB/EI)·(6/2)·2 + (36/EI)·6·(2/3)·3 + VC·6 = 0 C MB = 27 kNm ∴∴∴∴ (MB/EI)·(3/2) A B C vA = 0 θA ≠ 0 vB = 0 θB = θB dir esq vC = 0 θC ≠ 0 MA = 0 ⇒ – (MB/EI)·(3/2)·2 – (MB/EI)·(6/2)·5 + C 9 36 A B C MB/EI 36/EI 9/EI A B C (MB/EI)·(6/2) (9/EI)·3·(2/3) VC C C (9/EI)·3·(2/3)·1.5 + (36/EI)·6·(2/3)·6 + VC·9 = 0 C 1,5 2 1 2 + 1,5 3 3 (36/EI)·6·(2/3) A B C 3 m 6 m 8 kN/m Figura B.3 – Solução de viga countínua de dois vãos com carregamento uniformemente distribuído. Uma observação importante é que a viga conjugada é hipostática. É sempre assim: uma viga real hiperestática acarreta em uma viga conjugada hipostática. Isso indica que a viga real hiperestática tem infinitas soluções que satisfazem as condições de com- patibilidade isoladamente, assim como tem infinitas soluções que satisfazem as condições de equilíbrio isoladamente (existem infinitos possíveis valores de MB que satisfazem as equações de equilíbrio da viga real). A solução correta é aquela que satisfaz simultaneamente as condições de equilíbrio e de compatibilidade. Com base na analogia da viga conjugada, a solução correta é aquela que satisfaz as condições de equilíbrio na viga conjugada pois estas substituem as condições de compatibilidade na viga real. Como a viga conjugada é hipostática, o carregamen- to da viga conjugada tem que ser auto-equilibrado pois não existem vínculos ex- ternos suficientes para garantir o equilíbrio em uma estrutura hipostática. Dessa forma, a determinação do valor do momento fletor MB é feita por equilíbrio na viga conjugada, tal como indica a figura B.3. Para tanto, um macete adotado consiste em decompor o carregamento da viga conjugada em parcelas triangulares 320 – Métodos Básicos da Análise de Estruturas – Luiz Fernando Martha e parabólicas. Isso facilita muito os cálculos, evitando que se determine o ponto no vão onde o carregamento muda de sentido. As resultantes das parcelas triangula- res e parabólicas do carregamento estão indicadas na figura, assim como suas posi- ções. Observa-se que a área de uma parábola simétrica (como as da figura B.3) é igual a 2/3 do produto de sua base pela sua altura. Duas equações de equilíbrio na viga conjugada são consideradas para o cálculo de MB. Essas equações impõem momento fletor nulo nos pontos B e A. As duas in- cógnitas são MB e a reação do apoio da direita (cujo valor final não está indicado). O segundo exemplo de análise de uma viga hiperestática pelo processo de Mohr é a viga com dois vãos mostrada na figura B.4, que sofre um recalque para baixo no apoio da esquerda. Diagrama de momentos fletores: VIGA REAL VIGA CONJUGADA MC VA vA = –ρ VB θA ≠ 0 vB = 0 θB = θB dir esq vC = 0 θC = 0 x M(x) –MB +MC – + – MC/EI MB/EI MA =-ρ QA ≠ 0 MB = 0 QB = QBdir esq MC = 0 QC = 0 C C C C C C C MC/EI MB/EI MB = 0 ⇒ MC = MB / 2 C MB = 80 kNm MC = 40 kNm ∴∴∴∴ MC⋅b/2EI MBb/2EI 2b/3 b/3 VCρ = 0,04 m ρ ρ ΣMA = 0 ⇒ C MBa/2EI 2a/3 a = 6 m b = 4 m 0 3 2 2323 2 2 = +⋅+ +⋅−⋅− ba EI bMba EI bMa EI aM CBBρEI = 3,6x104 kNm2 ρ = 0,04 m a = 6 m b = 4 m a A B C A B C EI = 3,6x104 kNm2 Figura B.4 – Solução de viga contínua de dois vãos com recalque de apoio. O traçado do aspecto do diagrama de momentos fletores da viga real da figura B.4 é feito com base na elástica (configuração deformada) da viga. Vê-se na figura que a elástica tem um valor negativo em A (que corresponde ao recalque de apoio im- posto), passa por zero em B e chega em zero em C com uma tangente horizontal (engaste). A forma mais natural da viga se deformar é a mostrada na figura, com uma concavidade voltada para baixo no primeiro trecho e uma concavidade volta- da para cima no trecho final próximo ao engaste. No ponto onde há a mudança de concavidade o momento fletor é nulo (d2v/dx2 = M/EI). O momento fletor no pri- meiro trecho traciona as fibras superiores e no trecho final traciona as fibras inferi- ores. Portanto, conclui-se que o momento fletor em A é nulo, em B é negativo, e Luiz Fernando Martha – Analogia da Viga Conjugada – 321 em C é positivo, resultando no aspecto do diagrama de momentos fletores mostra- do na figura B.4. O diagrama é formado por trechos retos pois não existem cargas distribuídas (d2M/dx2 = q = 0). Assim, o diagrama fica parametrizado pelos valores de MB e MC. A determinação desses valores é feita com base nas equações de equi- líbrio mostradas na figura B.4. B.5. Determinação de reações de engastamento de vigas Uma aplicação importante da analogia da viga conjugada é a determinação de rea- ções de engastamento perfeito de barras submetidas a cargas arbitrárias. Para e- xemplificar isso, considere a viga da figura B.5 que é engastada na esquerda e arti- culada na direita. Esta viga tem solução determinada no capítulo 4 (vide figura 4.41), sendo que a articulação aqui está sendo considerada como um apoio do se- gundo gênero, mas que é equivalente a ter o nó engastado e a barra com rótula na direita. Diagrama de momentos fletores: VIGA REAL VIGA CONJUGADA –MA – MA/EI MA = 0 QA ≠ 0 MB = 0 QB ≠ 0 C C C C MB = 0 ⇒ + (MA·l/2EI)·(2l/3) C MA = ql2/8 ∴∴∴∴ vA = 0 θA = 0 vB = 0 θB ≠ 0 ql2/8 A B MA/EI ql2/8EI MAl/2EI + A B l q 2l/3 l/2 l/2 (ql2/8EI)·(2l/3) – (ql2/8EI)·(2l/3)·(l/2) = 0 MA VA VB MB = 0 ⇒ VA = (MA/l) + (ql2/2) ΣFy = 0 ⇒ VB = ql – VA VA = 5ql/8 VB = 3ql/8 Figura B.5 – Cálculo de reações de apoio de viga engastada e simplesmente apoiada. A solução da viga da figura B.5 é semelhante à solução da viga da figura B.3. O momento fletor em A é considerado tracionando as fibras superiores. O equilíbrio 322 – Métodos Básicos da Análise de Estruturas – Luiz Fernando Martha da viga conjugada mostra que isso tem que ser assim mesmo pois o carregamento na viga conjugada tem que ser auto-equilibrado. O segundo exemplo de determinação de reações de engastamento de barra consi- dera o caso de rigidez à flexão (inércia) variável, tal como mostrado na figura B.6. A viga real dessa figura é engastada na esquerda, articulada na direita e está sub- metida a uma força concentrada no meio do vão. Além disso, a seção transversal da metade esquerda da viga tem momento de inércia igual a 2I, e a seção transver- sal da outra metade tem momento de inércia igual a I. Diagrama de momentos fletores: VIGA REAL VIGA CONJUGADA x M(x) MB + MA = 0 QA = 0 MC = 0 QC ≠ 0 C C C C MB/EI MA = 2Pl/9∴∴∴∴ A B P vA = 0 θA = 0 vC = 0 θC ≠ 0 l/2 l/3 l/2 l/2 l/2 C A B l/2 l/2 C l/3l/3 MBl/8EI MBl/4EI l/6 l/6 MA VA VB 2I I Pl/4 –MA MB/2EI MA/2EI – MB/EI A B l/2 l/2 C MB/2EI MA/2EI l/3 MAl/8EI MC = 0 ⇒ C 0 34628328 =⋅+ +⋅− +⋅ l EI lMll EI lMll EI lM BBA MB = Pl/4 – MA/2 MB = 5Pl/36 Figura B.6 – Cálculo de reações de apoio de viga engastada e simplesmente apoiada com inércia variável. A solução da viga da figura B.6 é semelhante à solução da viga anterior. A princi- pal diferença é que o carregamento na primeira metade da viga conjugada é igual ao diagrama de momentos fletores da viga real dividido por 2EI. Isso provoca uma descontinuidade na taxa de carregamento distribuído no ponto B. A figura B.6 também mostra a decomposição do carregamento na viga conjugada e a solu- ção por equilíbrio nessa viga. Luiz Fernando Martha – Analogia da Viga Conjugada – 323 B.6. Dedução de coeficientes de rigidez de barras Finalmente, esta seção exemplifica a utilidade da analogia da viga conjugada para determinação de coeficientes de rigidez de barra. A figura B.7 ilustra a determina- ção de coeficientes de rigidez à rotação de uma barra sem articulação. Essa solução foi obtida pelo Princípio dos Deslocamentos Virtuais no capítulo 4 (vide figura 4.30). Diagrama de momentos fletores: VIGA REAL VIGA CONJUGADA MB x M(x) –MA +MB – + MB/EI MA/EI MA = 0 QA = 0 MB = 0 QB = +ρ C C C C MB/EI MA/EI MB = 0 ⇒ MA = MB/2 C MB = (4EI/l)·ρ A B vA = 0 θA = 0 vB = 0 θB = +ρ ρ MAl/2EI ΣFy = 0 ⇒ C l VB MA VA θB = ρ ρ MBl/2EI l 2l/3 l/3 MA = (2EI/l)·ρ ΣM = 0 ⇒ VA = VB = (MA+MB)/l ΣFy = 0 ⇒ VB = VA VA = VB = (6EI/l2)·ρ Figura B.7 – Cálculo de coeficientes de rigidez à rotação de viga biengastada.
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