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1 T E O R I A D A S E S T R U T U R A S 1 C E N T R O U N I V E R S I T Á R I O E S T Á C I O R A D I A L D E S Ã O P A U L O C U R S O D E G R A D U A Ç Ã O E M E N G E N H A R I A C I V I L P R O F . A L E X A N D R E A U G U S T O M A R T I N S 6 º P E R Í O D O 2 0 1 3 / 1 S A U LA 2 15 .0 2. 20 13 2 I N T R O D U Ç Ã O À A N Á L I S E E S T R U T U R A L 3 F O R Ç A : A FORÇA É UMA GRANDEZA VETORIAL E, PORTANTO, PARA SER PLENAMENTE CARACTERIZADA, DEVE-SE CONHECER: DIREÇÃO; SENTIDO; INTENSIDADE; PONTO DE APLICAÇÃO. FORÇAS APLICADAS EM PONTOS DISTINTOS, COM MESMA DIREÇÃO, SENTIDOS OPOSTOS E INTENSIDADES DIFERENTES. 5 N 10 N Fy Fz Fx F = Fx + Fy + Fz Y Z X F O 4 M O M E N T O : O MOMENTO É TAMBÉM UMA GRANDEZA VETORIAL, NA QUAL SÃO IDENTIFICADOS: DIREÇÃO; SENTIDO; INTENSIDADE; PONTO DE APLICAÇÃO. O MOMENTO REPRESENTA A TENTÊNCIA DE ROTAÇÃO, EM RELAÇÃO A UM DETERMINADO PONTO, PROVOCADA POR UMA FORÇA. 6 N.m 8 N.m My Mz Mx Y Z X M O M = Mx + My + Mz 5 M O M E N T O S D A S ‘ F O R Ç A S P E S O ’ E M T O R N O D O E I XO O : 100 kg 100 kg 100 kg 100 kg 100 kg 100 kg 600 kg 300 kg 300 kg 20m 20m O O 600 kg 300 kg 300 kg 150 kg 150 kg 150 kg 100 kg 100 kg 100 kg 750 kg 300 kg 450 kg 30m 10m O 6 S I S T E M A D E F O R Ç A S : TRATA-SE DE UM CONJUNTO DE UMA OU MAIS FORÇAS E/OU MOMENTOS . R E D U Ç Ã O D O S I S T E M A D E F O R Ç A S A U M Ú N I C O P O N T O : DETERMINA A AÇÃO, EM RELAÇÃO A UM ‘PONTO O’, DAS FORÇAS E MOMENTOS QUE CONSTITUEM O SISTEMA. A AÇÃO ESTÁTICA DE UM SISTEMA DE FORÇAS NO ESPAÇO, QUANDO CONSIDERADO UM DETERMINADO ‘PONTO O’, EQUIVALE À AÇÃO ESTÁTICA RESULTANTE TANTO DAS FORÇAS QUANTO DOS MOMENTOS EM RELAÇÃO AO MESMO ‘PONTO O’. 7 E X E M P L O : REDUÇÃO AO ‘PONTO O’ DE UM SISTEMA DE FORÇAS FORMADO POR DUAS COMPONENTES: MO FO Y Z X O 1 2 d1 d2 F2 F1 SISTEMA DE FORÇAS, COMPOSTO POR F1 E F2. VETORIALMENTE, TEM-SE NO ‘PONTO O’: F0 = F1 + F2 M0 = (O1 Ʌ F1) + (O2 Ʌ F2) A INTENSIDADE DA FORÇA RESULTANTE EM ‘O’ É: F0 = - F1 + F2 E CONSIDERANDO O SISTEMA [X – Y – Z], PODE-SE AFIRMAR QUE F0 É UMA FORÇA NA DIREÇÃO Y, DE SENTIDO POSITIVO. A INTENSIDADE DO MOMENTO RESULTANTE EM ‘O’ É: M0 = - F1.d1 + F2.d2 NESTE EXEMPLO, COMO F1 E d1 SÃO AMBOS MENORES QUE F2 E d2, PODE-SE ASSUMIR QUE M0 É UM MOMENTO NA DIREÇÃO Z, DE SENTIDO POSITIVO. 8 E Q U I L Í B R I O E S TÁT I C O : 1. DESLOCAMENTOS: QUANDO DETERMINADA FORÇA F É APLICADA A UM CORPO RÍGIDO, AUTOMATICAMENTE IMPÕE A ELE UMA POSSIBILIDADE DE DESLOCAMENTO LINEAR, OU DE TRANSLAÇÃO. JÁ UM MOMENTO M, QUANDO INCIDE SOBRE UM CORPO RÍGIDO, PROPORCIONA A ESTE UMA TENDÊNCIA DE DESLOCAMENTO ANGULAR, OU DE ROTAÇÃO. RESUMINDO: D E S L O C A M E N T O S C L Á S S I C O S AÇÃO MOVIMENTO ASSOCIADO FORÇA LINEAR (OU DE TRANSLAÇÃO) MOMENTO ANGULAR (OU DE ROTAÇÃO) 9 E Q U I L Í B R I O E S TÁT I C O : 2. GRAUS DE LIBERDADE: COM BASE EM UM SISTEMA DE EIXOS REFERENCIAIS, TANTO OS VETORES DE DESLOCAMENTOS LINEARES (TRANSLAÇÕES D) QUANTO OS ANGULARES (ROTAÇÕES θ) SÃO REPRESENTADOS POR SUAS COMPONENTES NOS TRÊS EIXOS ORTOGONAIS X, Y, Z; AS QUAIS SÃO DENOMINADAS GRAUS DE LIBERDADE. TEM-SE, ASSIM, QUE QUALQUER MOVIMENTO DE UM PONTO NO ESPAÇO SEJA IDENTIFICADO E DEFINIDO POR MEIO DESTES MESMOS SEIS COMPONENTES – OU GRAUS DE LIBERDADE. PORTANTO, SÃO SEIS OS GRAUS DE LIBERDADE DE CADA PONTO – OU EM CADA NÓ – DA ESTRUTURA COMO UM TODO. PORÉM, A PARTIR DO MOMENTO EM QUE A ANÁLISE É FEITA EM UM PLANO, PASSAM A VALER APENAS TRÊS GRAUS DE LIBERDADE. 10 Y Z X θx O Dx Dy θy θz Dz Y Z X O Dx Dy θz G R A U S D E L I B E R D A D E DESLOCAMENTOS COMPONENTES TRANSLAÇÃO Dx, Dy, Dz ROTAÇÃO θx, θy, θz 11 E S Q U E M A S E S I M P L I F I C A Ç Õ E S D E C Á L C U L O : GERAM “ESQUEMAS DE CÁLCULO” (OU MODELOS MATEMÁTICOS), FOCANDO: GEOMETRIA: EIXO QUE PASSA A REPRESENTAR A BARRA COMO UM TODO; SISTEMA DE FORÇAS: FORÇAS E MOMENTOS CONCENTRADOS E DISTRIBUÍDOS; ANÁLISE NUMÉRICA: PLANA E ESPACIAL; APOIOS: REPRESENTADOS ESQUEMATICAMENTE. BARRA SEÇÃO TRANSVERSAL CENTRO DE GRAVIDADE DA SEÇÃO TRANSVERSAL EIXO 12 C A R G A S O U C A R R E G A M E N T O S E M M O D E L O S E S T R U T U R A I S REPRESENTAÇÃO REAL APROXIMADA AS CARGAS PODEM SER FORÇAS CONCENTRADAS DISTRIBUÍDAS, COM FORMATOS DIVERSOS MOMENTOS CONCENTRADOS DISTRIBUÍDOS QUANTO À PRECISÃO NUMÉRICA DAS SOLUÇÕES NA ENGENHARIA CIVIL, É IMPORTANTE SALIENTAR QUE NÃO FAZ SENTIDO TRABALHAR COM EXCESSIVOS PRECIOSISMOS MATEMÁTICOS, TENDO EM VISTAS AS GRANDES INCERTEZAS ASSOCIADAS À DEFINIÇÃO DO PRÓPRIO CARREGAMENTO QUE ATUARÁ AO LONGO DA VIDA ÚTIL DA ESTRUTURA. 13 U N I D A D E S D E C A R R E G A M E N T O FORÇAS MOMENTOS CONCENTRADAS DISTRIBUÍDAS CONCENTRADOS DISTRIBUÍDOS gr gr / cm gr.cm gr.cm / cm kg kg / m kg.m kg.m / m tf tf / dm tf.dm tf.dm / dm N N / m N.m N.m / m kN kN / m kN.m kN.m / m AS UNIDADES DE CARREGAMENTO, QUANDO DISTRIBUÍDAS, DEVEM SEMPRE SER ACOMPANHADAS PELAS RESPECTIVAS UNIDADES DE METRAGEM LINEAR, EXEMPLO: GRAMAS POR CENTÍMETRO; GRAMAS POR CENTÍMETRO POR CENTÍMETRO; TONELADAS POR DECÍMETRO; NEWTONS POR METRO POR METRO. 14 S I M P L I F I C A Ç Õ E S A N A L Í T I C A S : SEJA UM MODELO ESTRUTURAL PLANO, COM A ESTRUTURA CONTIDA NO PLANO X-Y. UMA VEZ ASSEGURADO O EQUILÍBRIO NAS OUTRAS DIREÇÕES DE DESLOCAMENTO, AS DIREÇÕES DE DESLOCAMENTO A SEREM EFETIVAMENTE CONSIDERADAS EM UMA ANÁLISE MATEMÁTICA SIMPLIFICADA SÃO, APENAS: TRANSLAÇÃO EM X; TRANSLAÇÃO EM Y. VIGAS, PÓRTICOS PLANOS E TRELIÇAS PLANAS SÃO CASOS ESPECÍFICOS DOS MODELOS DE PÓRTICOS ESPACIAIS. PORTANTO, SOMENTE AS DIREÇÕES X E Y DE DESLOCAMENTO SÃO POSTAS À PROVA. O EIXO Z NÃO É MOSTRADO NESTE CASO, E OS MOMENTOS (E ROTAÇÕES) A ELE ASSOCIADOS SÃO REPRESENTADOS POR SETAS CURVAS NO PRÓPRIO PLANO X-Y. 15 A P O I O S : A RESTRIÇÃO AOS MOVIMENTOS DE UMA ESTRUTURA É FEITA POR MEIO DOS APOIOS OU VÍNCULOS, QUE SÃO CLASSIFICADOS EM FUNÇÃO DO NÚMERO DE GRAUS DE LIBERDADE NOS QUAIS ATUAM. NOS APOIOS, NAS DIREÇÕES DOS DESLOCAMENTOS IMPEDIDOS, NASCEM AS FORÇAS REATIVAS (OU REAÇÕES DE APOIO) QUE, EM CONJUNTO COM AS FORÇAS E COM OS MOMENTOS ATIVOS, FORMAM UM SISTEMA DE FORÇAS (EXTERNAS) EM EQUILÍBRIO. EQUAÇÕES DO EQUILÍBRIO ESTÁTICO: S I S T E M A D E F O R Ç A S E M E Q U I L Í B R I O EQUILÍBRIO DE FORÇAS EQUILÍBRIO DE MOMENTOS Σ Fx = 0 Σ Mx = 0 Σ Fy = 0 Σ My = 0 Σ Fz = 0 Σ Mz = 0 16 A P O I O S APOIO SIMPLES, DO PRIMEIRO GÊNERO OU “CHARRIOT” REPRESENTAÇÃO ATUAÇÃO IMPEDE: A TRANSLAÇÃO EM UMA DAS DIREÇÕES PERMITE: A TRANSLAÇÃO NA DIREÇÃO PERPENDICULAR À IMPEDIDA PERMITE: A ROTAÇÃO (EM TORNO DO EIXO Z) V V 17 A P O I O S RÓTULA, APOIO DE SEGUNDO GÊNERO OU ARTICULAÇÃO REPRESENTAÇÃO ATUAÇÃO IMPEDE: AS TRANSLAÇÕES NAS DUAS DIREÇÕES (X E Y) PERMITE: A ROTAÇÃO (EM TORNO DO EIXO Z) V V H H 18 A P O I O S ENGASTE, OU APOIO DE TERCEIRO GÊNERO REPRESENTAÇÃO ATUAÇÃO IMPEDE: AS TRANSLAÇÕES NAS DUAS DIREÇÕES (X E Y) IMPEDE: A ROTAÇÃO (EM TORNO DO EIXO Z) V H M ESTRUTURA ENGASTE 19 R E S U L T A N T E S D O S C A R R E G A M E N T O S D I S T R I B U Í D O S CARREGAMENTO DISTRIBUÍDO RESULTANTE UNIFORME: TRIANGULAR: q = CONSTANTE L R = q.L L / 2 L / 2 R = (q.L) / 2 (2.L) / 3 L / 3 q = NÃO CONSTANTE L 20 R E S U L T A N T E S D O S C A R R E G A M E N T O S D I S T R I B U Í D O S CARREGAMENTO DISTRIBUÍDO RESULTANTE TRAPEZOIDAL: L q1 q2 B A L q2 – q1 B A R1 = q1.L L / 2 R2 = [(q2 – q1).L] / 2 L / 3 L BA q1 + 21 R E S U L T A N T E S D O S C A R R E G A M E N T O S D I S T R I B U Í D O S CARREGAMENTO DISTRIBUÍDO RESULTANTE QUALQUER: q(x) L B A dx L / 2 x R = ʃ q(x).dx L 0 22 EXEMPLO 1: VIGA BIAPOIADA + CARGA CONCENTRADA PARA A VIGA BIAPOIADA, CALCULAR AS REAÇÕES DE APOIO: 2 m 6 m 12 tf A B 5 tf 2 m 6 m 12 tf B 5 tf Y X A 2 m 6 m 12 tf B 5 tf Y X A HA VA VB 23 CÁLCULO DAS REAÇÕES DE APOIO COM BASE NAS EQUAÇÕES DO EQUILÍBRIO ESTÁTICO: (1) Σ Fx = 0 HA + 5 = 0 HA = - 5 tf (2) Σ Fy = 0 VA + VB = 12 tf (a) (3) Σ MA = 0 VA . 0 + VB . 8 – 12 . 2 = 0 8 . VB – 24 = 0 VB = 24 / 8 VB = 3 tf de (a), VA = 9 tf 12 tf B 5 tf A 5 tf 9 tf 3 tf 2 m 6 m 12 tf B 5 tf Y X A HA VA VB 24 EXEMPLO 2: PÓRTICO PLANO + CARGAS E MOMENTOS CONCENTRADOS PARA O PÓRTICO PLANO, CALCULAR AS REAÇÕES DE APOIO: 5 m 40 kN C 60 kN D E B A 3 m 256 kN.m 4 m 4 m Y X 5 m 40 kN C 60 kN D E B A 3 m 256 kN.m 4 m 4 m 25 HA VA VB CÁLCULO DAS REAÇÕES DE APOIO COM BASE NAS EQUAÇÕES DO EQUILÍBRIO ESTÁTICO: (1) Σ Fx = 0 HA + 60 = 0 HA = - 60 kN (2) Σ Fy = 0 VA + VB = 40 kN (a) (3) Σ MA = 0 VA . 0 + VB . 8 – 40 . 5 – 60 . 8 + 256 = 0 8 . VB – 424 = 0 VB = 424 / 8 VB = 53 kN de (a), VA = - 13 kN 40 kN C 60 kN D E B A 256 kN.m 60 kN 13 kN 53 kN Y X 5 m 40 kN C 60 kN D E B A 3 m 256 kN.m 4 m 4 m 26 EXEMPLO 3: VIGA BIAPOIADA + CARREGAMENTO UNIFORME DISTRIBUÍDO LINEARMENTE PARA A VIGA BIAPOIADA, CALCULAR AS REAÇÕES DE APOIO: 10 m 150 kg / m A B B Y X A 1500 kg 5 m 5 m B Y X A VA VB 1500 kg 5 m 5 m 27 CÁLCULO DAS REAÇÕES DE APOIO COM BASE NAS EQUAÇÕES DO EQUILÍBRIO ESTÁTICO: (1) Σ Fx = 0 H = 0 kg (2) Σ Fy = 0 VA + VB = 1500 kg (a) (3) Σ MA = 0 VA . 0 + VB . 10 – 1500 . 5 = 0 10 . VB – 7500 = 0 VB = 7500 / 10 VB = 750 kg de (a), VA = 750 kg B A 750 kg 750 kg 1500 kg B Y X A VA VB 1500 kg 5 m 5 m 28 EXEMPLO 4: VIGA BIAPOIADA + CARREGAMENTO UNIFORME DISTRIBUÍDO PARCIALMENTE PARA A VIGA BIAPOIADA, CALCULAR AS REAÇÕES DE APOIO: B Y X A 960 gr 6 cm 6 cm B Y X A VA VB 960 gr 6 cm 6 cm 4 cm 240 gr / cm A B 4 cm 4 cm 12 cm 29 CÁLCULO DAS REAÇÕES DE APOIO COM BASE NAS EQUAÇÕES DO EQUILÍBRIO ESTÁTICO: (1) Σ Fx = 0 H = 0 gr (2) Σ Fy = 0 VA - 960 - VB = 0 VA = 960 + VB (a) (3) Σ MA = 0 VA . 0 - VB . 12 - 960 . 6 = 0 - 12 . VB - 5760 = 0 - 12 . VB = 5760 = 0 VB = 5760 / - 12 VB = - 480 gr de (a), VA = 480 gr B A 480 gr 480 gr 960 gr B Y X A VA VB 960 gr 6 cm 6 cm 30 EXEMPLO 5: VIGA BIAPOIADA + CARREGAMENTO TRIANGULAR DISTRIBUÍDO LINEARMENTE PARA A VIGA BIAPOIADA, CALCULAR AS REAÇÕES DE APOIO: 27 m A B 360 kN B Y X A 4860 kN 18 m 9 m B Y X A VA VB 4860 kN 18 m 9 m 31 CÁLCULO DAS REAÇÕES DE APOIO COM BASE NAS EQUAÇÕES DO EQUILÍBRIO ESTÁTICO: (1) Σ Fx = 0 H = 0 kN (2) Σ Fy = 0 VA + VB = 4860 kN (a) (3) Σ MA = 0 VA . 0 + VB . 27 - 4860 . 18 = 0 27 . VB - 87480 = 0 VB = 87480 / 27 VB = 3240 kN de (a), VA = 1620 kN B A 1620 kN 3240 kN 4860 kN B Y X A VA VB 4860 kN 18 m 9 m 32 EXEMPLO 6: VIGA BIAPOIADA + CARREGAMENTO TRIANGULAR DISTRIBUÍDO PARCIALMENTE PARA A VIGA BIAPOIADA, CALCULAR AS REAÇÕES DE APOIO: B Y X A 2025 gr 15 cm 12 cm 9 cm 450 gr A B 9 cm 9 cm 27 cm B Y X A VA VB 2025 gr 15 cm 12 cm 33 CÁLCULO DAS REAÇÕES DE APOIO COM BASE NAS EQUAÇÕES DO EQUILÍBRIO ESTÁTICO: (1) Σ Fx = 0 H = 0 kN (2) Σ Fy = 0 VA + VB = 2025 gr (a) (3) Σ MA = 0 VA . 0 + VB . 27 - 2025 . 15 = 0 27 . VB - 30375 = 0 VB = 30375 / 27 VB = 1125 kN de (a), VA = 900 kN B A 900 kN 1125 kN 2025 gr B Y X A VA VB 2025 gr 15 cm 12 cm 34 EXEMPLO 7: VIGA BIAPOIADA + CARREGAMENTO TRAPEZOIDAL DISTRIBUÍDO LINEARMENTE PARA A VIGA BIAPOIADA, CALCULAR AS REAÇÕES DE APOIO: 35 tf 75 tf 150 m A B 150 m A B 40 tf 150 m 35 tf / m A B + 35 CÁLCULO DAS REAÇÕES DE APOIO COM BASE NAS EQUAÇÕES DO EQUILÍBRIO ESTÁTICO: (1) Σ Fx = 0 H = 0 tf (2) Σ Fy = 0 VA + VB = 5250 + 3000 VA + VB = 8250 tf (a) (3) Σ MA = 0 VA . 0 + VB . 150 - 5250 . 75 - 3000 . 100 = 0 150 . VB - 693750 = 0 VB = 693750 / 150 VB = 4625 tf de (a), VA = 3625 tf B Y X A 3000 tf 75 m 50 m 5250 tf (CARGA UNIFORME RETANGULAR) (CARGA UNIFORME TRIANGULAR) 150 m VA A VB B Y X 3000 tf 75 m 50 m 5250 tf 150 m A 4625 tf B 3000 tf 5250 tf 3625 tf 36 EXEMPLO 8: VIGA BIAPOIADA + MOMENTO CONCENTRADO PARA A VIGA BIAPOIADA, CALCULAR AS REAÇÕES DE APOIO: 10 m 10 m A B 200 kN.m B Y X A 200 kN.m 10 m 10 m B Y X A VA VB 200 kN.m 10 m 10 m 37 CÁLCULO DAS REAÇÕES DE APOIO COM BASE NAS EQUAÇÕES DO EQUILÍBRIO ESTÁTICO: (1) Σ Fx = 0 H = 0 kN (2) Σ Fy = 0 VA + VB = 0 kN (a) (3) Σ MA = 0 VA . 0 + VB . 20 + 200 = 0 20 . VB = - 200 VB = - 200 / 20 VB = - 10 kN de (a), VA = 10 kN B A 10 kN 10 kN 200 kN.m B Y X A VA VB 200 kN.m 10 m 10 m 38 C O N T I N U A . . . 39 PRINCIPAL REFERÊNCIA DESTA AULA: VISANDO ESCLUSIVAMENTE FINS DIDÁTICOS, ESTA AULA FOI DESENVOLVIDA POR INSPIRAÇÃO OU POR MEIO DE ALGUMAS TRANSCRIÇÕES INTEGRAIS OU PARCIAIS DA OBRA “ESTRUTURAS ISOSTÁTICAS”, DE AUTORIA DE MARIA CASCÃO FERREIRA DE ALMEIDA (1ª EDIÇÃO, EDITORA OFICINA DE TEXTOS, SÃO PAULO, 2009), A QUEM A MAIORIA DOS CRÉDITOS DE CONTEÚDO DEVEM SER ATRIBUÍDOS. QUANDO CONVENIENTE, FORAM ADOTADAS ADAPTAÇÕES TEXTUAIS E NAS FIGURAS – ALÉM DA INCLUSÃO DE NOVAS IMAGENS E/OU ESQUEMAS E/OU EXEMPLOS – DE FORMA A FAZER COM QUE ESTE MATERIAL ESTEJA CONVENIENTEMENTE ALINHADO À PROPOSTA DA DISCIPLINA “TEORIA DAS ESTRUTURAS 1”, DO CURSO DE ENGENHARIA CIVIL .
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