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Grandes Estruturas Responsável pelo Conteúdo: Prof. Dr. Antonio Carlos da Fonseca Bragança Pinheiro Revisão Textual: Prof.ª Dr.ª Selma Aparecida Cesarin Linhas de Influência no Projeto de Pontes Linhas de Influência no Projeto de Pontes • Mostrar a importância das linhas de influência em projetos com cargas móveis; • Apresentar as linhas de influência em vigas isostáticas e hiperestáticas e, também, apresen- tadas as linhas de influência para reações de apoio; • Apresentar as linhas de influência para forças cortantes e momento fletor. OBJETIVOS DE APRENDIZADO • Introdução; • Linhas de Influência em Vigas Isostáticas e Hiperestáticas; • Linhas de Influência para Reções de Apoio; • Linhas de Influência para Força Cortante e Momento Fletor. UNIDADE Linhas de Influência no Projeto de Pontes Introdução Para o dimensionamento de qualquer tipo de estrutura é necessário conhecer os esforços máximos e mínimos que nela irão atuar ao ser submetida aos possíveis carregamentos que atuarão durante sua vida útil. No cálculo de pontes e viadutos, dentre as ações variáveis, tem-se as cargas móveis (ação gravitacional, força centrífuga, choque lateral, efeitos de frenagem e aceleração). A ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) fixa as cargas móveis a serem consideradas no cálculo de pontes e viadutos, por meio das seguintes Normas Técnicas: • ABNT NBR 7188: 2013: Carga móvel rodoviária e de pedestres em pontes, viadutos, passarelas e outras estruturas. Rio de Janeiro: Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), 2013; • ABNT NBR 8681: 2004: Ações e segurança nas estruturas – Procedimento. Rio de Janeiro: Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), 2004. Essas Normas Técnicas da ABNT apresentam como deve ser realizada a análise da resistência e estabilidade estrutural de pontes e viadutos, a saber: • Identificar todas as forças que atuam, ou poderão ser aplicadas, na estrutura da ponte; • Calcular as reações da estrutura às forças, bem como verificar se resulta em equilíbrio estrutural estável; • Determinar as tensões solicitantes e as deformações resultantes nos elementos estruturais, e verificar se são admissíveis para seus materiais constituintes. A função principal das pontes ou dos viadutos é a transposição de obstáculos pelos veículos, pessoas ou materiais. Existem vários tipos de veículos transitando nas rodovias (estradas e vias urbanas). Por motivos econômicos, as pontes e os viadutos são construídos para suportar determinadas classes de veículos (Veículo-tipo). Fica a critério dos órgãos governamentais, fundamentados em dados sobre a circu- lação de veículos, a escolha da classe das pontes. Para cada classe de ponte, esses mes- mos órgãos estabelecem as cargas máximas por eixo, na chamada “lei da balança”. Para o projeto de rodovias, a Norma Técnica ABNT NBR 7188:2013 – Carga móvel rodoviária e de pedestres em pontes, viadutos, passarelas e outras estruturas estipula: • Trem-Tipo: Conjunto do carregamento móvel a ser aplicado à estrutura em sua posição mais desfavorável, para cada seção de cálculo e combinação de carre- gamento. Os trens-tipo compõem-se de compressores, caminhões e multidão; • Veículo-Tipo: Veículo principal utilizado no Trem-tipo; • Multidão: Representa o tráfego de veículos de pequeno porte que pode acom- panhar a passagem do caminhão e/ou do compressor. A multidão é constituída por carga uniformemente distribuída. 8 9 Segundo a Norma Técnica ABNT NBR 7188:2013 – Carga móvel rodoviária e de pedestres em pontes, viadutos, passarelas e outras estruturas, as cargas de veículos utilizadas no cálculo de pontes são de três classes (Figura 1): • Classe 45: A base do Sistema é um veículo-tipo de 45tf (450kN) de peso total; • Classe 30: A base do Sistema é um veículo-tipo de 30tf (300kN) de peso total; • Classe 12: A base do Sistema é um veículo-tipo de 12tf (120kN) de peso total. Classes de Pontes RodoviáriasClasse 45 Classe 12 Classe 30 Figura 1 – Classes de pontes rodoviárias A Norma Técnica ABNT NBR 7188:2013 – Carga móvel rodoviária e de pedestres em pontes, viadutos, passarelas e outras estruturas estabelece que todos os veículos- -tipo têm 3,0m de largura e 6,0m de comprimento (Figura 2). Figura 2 – Dimensões do veículo-tipo Fonte: Acervo do conteudista A Norma Técnica ABNT NBR 7188:2013 – Carga móvel rodoviária e de pedes- tres em pontes, viadutos, passarelas e outras estruturas indica que, nos passeios para pedestres das pontes e viadutos, quando existirem, deve haver uma carga uniforme- mente distribuída q = 3kN/m2 na posição mais desfavorável, concomitante com a carga móvel rodoviária, para verificações e dimensionamento dos diversos elementos estruturais, assim como para verificações globais. Para as estruturas que são submetidas a cargas móveis, existe um diagrama, denominado envoltória de esforços, que determina os valores limites, máximos ou mínimos, para as todas as seções transversais da estrutura. 9 UNIDADE Linhas de Influência no Projeto de Pontes Os esforços internos nas estruturas sujeitas às ações móveis não variam apenas com a intensidade das cargas aplicadas, mas também com a posição de suas atuações. O cálculo um elemento estrutural de uma ponte ou viaduto, como, por exemplo, uma viga, envolve a determinação das posições das cargas móveis que produzem os maiores valores dos esforços nas seções transversais dos elementos estruturais. No cálculo de estruturas submetidas a cargas fixas, a posição de atuação de cargas variáveis de ocupação também influencia na determinação dos esforços solicitantes. Por exemplo, o momento fletor máximo em uma determinada seção de uma viga contínua não é determinado pelo posicionamento da carga acidental de ocupação em todos os vãos (tramos). Os valores limites dos esforços solicitantes em cada seção são obtidos a partir de posições adotadas para a atuação das cargas acidentais. É importante determinar, para cada seção a ser dimensionada e para cada esforço solicitante, as posições de atuação das cargas acidentais que provocam os valores extremos (máximos e míni- mos de um determinado esforço). Uma alternativa para a determinação dos valores limites dos esforços solicitantes seria analisar a estrutura para várias posições das cargas móveis ou acidentais e selecionar os valores extremos. Esse procedimento não é prático nem eficiente, de maneira geral, exceto para estruturas e carregamentos simples. O procedimento geral e objetivo para determinar as posições de cargas móveis e acidentais que provocam valores extremos de um determinado esforço em uma seção de uma estrutura é feito com auxílio da técnica das Linhas de Influência (LI). As Linhas de Influência (LI) descrevem a variação de um determinado efeito (por exemplo, reação de apoio, força cortante ou momento fletor) em uma determinada seção transversal, em função da posição de uma carga vertical unitária que se move sobre a estrutura. Com base no traçado das Linhas de Influência (LI), é possível obter as envoltórias limites de esforços, que são necessárias para o dimensionamento de estruturas sub- metidas a cargas móveis ou acidentais. Por isso, é importante a utilização da técnica de cálculo das linhas de influência em projetos com cargas móveis. Linhas de Influência em Vigas Isostáticas e Hiperestáticas A técnica da Linha de Influência (LI) é uma forma de representar graficamente a variação de ações físicas de cargas móveis em um elemento estrutural, como reações de apoio, forças cortantes e momentos fletores. 10 11 Essa análise é feita em diferentes pontos, através da movimentação de uma carga unitária em diferentes pontos do elemento estrutural. Esse método permite a análise dos esforços estudados em toda a extensão do elemento estrutural. O estudo da Linha de Influência (LI) auxilia na tomada de decisão em projetos de pontes e viadutos, porque, por meio dela, é possível a análise da influência da carga móvel unitáriasobre a estrutura no seu ponto mais desfavorável, permitindo o dimensionamento da estrutura, de forma que ela possa resistir à solicitação extrema (máxima solicitação). Uma determinada Linha de Influência (LI) representa um determinado esforço em uma seção (Reação de Apoio, Força Cortante ou Momento Fletor), sendo construída sobre o eixo da viga, onde as abscissas representam as posições da carga móvel e as ordenadas representam os valores do esforço considerado. Assim, a Linha de Influência (LI) é definida como sendo a curva de uma reação de apoio ou de um esforço interno solicitante (força cortante ou momento fletor), quando uma carga concentrada vertical unitária se desloca ao longo da estrutura (0 ≤ X ≤ L) (Figura 3). Figura 3 – Carga móvel unitária Fonte: Acervo do conteudista Linha de Influência (LI) para Vigas Isostáticas As vigas isostáticas são vigas que têm sua solução por meio da utilização das equa- ções de equilíbrio da estática (ΣH = 0; ΣV = 0; ΣM = 0), pelo estudo do Diagrama de Corpo Livre – DCL. A determinação das expressões analíticas das Linhas de Influência (LI) é relativa- mente simples para o caso de estruturas isostáticas. Para as vigas isostáticas, as Linhas de Influência (LI) são construídas com base no equilíbrio estático da estrutura submetida a uma carga concentrada unitária, que pode ser utilizada para determinar as Linhas de Influência (Reações de Apoio, Forças Cortantes e Momentos Fletores). 11 UNIDADE Linhas de Influência no Projeto de Pontes A Figura 4 apresenta a Linha de Influência (LI0 para a reação de apoio de uma viga isostática. O valor (Y) representa o valor da função (Reação de Apoio) no ponto (A) quando a carga unitária estiver no ponto (C) de abscissa (X = a). Figura 4 – Linha de Influência – Reação de apoio em viga isostática Fonte: Acervo do conteudista Linhas de Influência (LI) para Vigas Hiperestáticas As vigas hiperestáticas são as vigas com três ou mais apoios e com liberda- de restringida. Nesse caso, para obtenção das Linhas de Influência (LI), devem ser utilizados os métodos de cálculo de estruturas hiperestáticas, como, por exemplo, Método de Crosse Método das Forças, dentre outros (Figura 5). Figura 5 – Viga hiperestática Fonte: Acervo do conteudista Por exemplo, no caso da viga hiperestática, utilizando o Método das Forças para obter a expressão analítica da reação vertical no ponto (A), tem-se o Sistema Principal 12 13 com o carregamento externo e a Hiperestática, ou Redundante Estática, X1 que se quer determinar (Figura 6). Figura 6 – Exemplo de Sistema Principal da viga hiperestática Fonte: Acervo do conteudista Utilizando o Princípio da Superposição dos Esforços para obter o modelo original, que representa o Sistema Principal com o carregamento externo (Figura 7) somado ao Sistema Principal com o hiperestático X1 (Figura 8) tomado unitário, temos: Figura 7 – Sistema Principal com o carregamento externo Fonte: Acervo do conteudista Figura 8 – Sistema Principal com o hiperestático X1 Fonte: Acervo do conteudista Linhas de Influência para Reções de Apoio As Linhas de Influência para reações de apoio são realizadas a partir da deter- minação analítica das reações de apoio, com a aplicação de uma carga unitária em uma viga (Figura 9). 13 UNIDADE Linhas de Influência no Projeto de Pontes Figura 9 – Aplicação de carga unitária em viga para reação de apoio em (A) Fonte: Acervo do conteudista A reação vertical no apoio (A) é determinada pela somatória dos momentos está- ticos no apoio (B): – RVA · L – P · b = 0 RVA = (P · b) / L ...(1) Sendo: • b = L – a ...(2) • P = 1 ...(3) Com (2) e (3) em (1): R L a LVA � �� � � ...(4) P – RVA – RVB = 0 ...(5) Com (3) e (4) em (5): 1 0� �� � � � � � � � � � L a L R R L L a L L L a L VB VB ( ) R a LVB � � ...(5) 14 15 A Linha de Influência para a reação vertical no apoio (A) determina o valor da rea- ção de apoio em (A) para cada posição da carga unitária P, conforme a equação (4): R L a LVA � �� � � ...(4) A expressão (4) é a equação de uma reta cuja variável independente é o valor (a): a = 0 → RVA = (L/L) = 1 a = L → RVA = 0 Com esses dois valores, é traçada a Linha de Influência para a reação de apoio no ponto (A) (Figura 10). Figura 10 – Linha de Infl uência (LI) para a reação vertical no apoio (A) Fonte: Acervo do conteudista A medida vertical (Y) em cada ponto da Linha de Influência (LI) é o valor da rea- ção de apoio (RVA) quando a carga unitária estiver nessa posição na viga. A posição (Y) é obtida a partir do Teorema de Tales de Mileto: L L a Y Y L a L b L � �� �� � �� � � 1 ...(6) Exemplo 1 Determinar a reação vertical do apoio (A) da viga da Figura 11 com a carga (P = 80kN) aplicada no ponto (C), utilizando a técnica da Linha de Influência (LI) para reações de apoio. 15 UNIDADE Linhas de Influência no Projeto de Pontes Figura 11 – Viga do Exemplo (1) com (LI) para a reação vertical no apoio (A) Fonte: Acervo do conteudista Solução Utilizando a Linha de Influência (LI) para o cálculo da reação vertical do apoio (A): L L a Y Y L a L b L � �� �� � �� � � 1 R Y P kNVA � � � �� � � � � � � 12 9 12 80 3 12 80 20 Linhas de Influência para Força Cortante e Momento Fletor Linha de Influência para Força Cortante A Linha de Influência (LI) para força cortante em uma seção (C) é a representação gráfica ou analítica da força cortante nessa seção, que é produzida por uma carga concentrada vertical unitária, que percorre o comprimento da viga. Força Cortante em (C) pelo Lado Esquerdo Aplicando uma carga unitária que se movimenta do apoio (A) até a posição (C) (Figura 12). 16 17 Figura 12 – Aplicação de carga unitária em viga – Lado esquerdo da seção (C) Fonte: Acervo do conteudista A força cortante em (C) pelo lado esquerdo → VCe = RVA – P ...(7) Fazendo X = a → RVA = P (L – a) / L ...(8) Sendo → P = 1 ...(9) Com (8) e (9) em (7): V L a L L a L LCe � �� � � � � �1 Assim, para a carga unitária (P = 1) situada na posição X = a → Força Cortante no ponto (C) no lado esquerdo → V a LCe � � ...(10) Para a carga móvel unitária (P = 1) em qualquer posição (0 ≤ X ≤ a) entre o apoio (A) e o ponto (C), o valor da força cortante no ponto (C) é o valor da ordenada (Y1), que pode ser obtida por semelhança de triângulos (Figura 13). Figura 13 – Linha de Infl uência (LI) de força cortante – Carga à esquerda da seção (C) Fonte: Acervo do conteudista 17 UNIDADE Linhas de Influência no Projeto de Pontes Força Cortante em (C) pelo Lado Direito Para o cálculo da força cortante em (C), com a carga unitária que se movimenta entre o ponto (C) e o apoio (B), deve-se alterar a origem do eixo (X) para o ponto (C) (Figura 14). Figura 14 – Aplicação de carga unitária em viga – Carga à direita da seção (C) Fonte: Acervo do conteudista Força Cortante em (C) pelo lado direito: Vcd = – RVB + P ...(11) Fazendo: X = 0 → RVB = (P a) / L ...(12) Sendo: • P = 1 ...(13) Com (12) e (13) em (11): V a L a L LCd � � � � � �1 Assim, para a carga unitária (P = 1) situada na posição X = 0 → Força Cortante no ponto (C) no lado direito → V L a LCd � �� � ...(14) Para a carga móvel unitária (P = 1) em qualquer posição (0 ≤ X ≤ b) entre o ponto (C) e o apoio (B), o valor da força cortante no ponto (C) é o valor da ordenada (Y2), que pode ser obtida por semelhança de triângulos (Figura 15). 18 19 Figura 15 – Linha de Infl uência (LI) de força cortante – Carga à direita da seção (C) Fonte: Acervo do conteudista Assim, a Linha de Influência (LI) para força cortante é a união das Linhas de Influências (LI) obtidas para o lado esquerdo e direito do ponto (C) (Figura 16). Figura 16 – Linha de Infl uência (LI) de força cortante – Seção (C) Fonte: Acervo do conteudista 19 UNIDADE Linhas de Influência no Projeto de Pontes Exemplo 2 Determinar a força cortante no ponto (C) da viga da Figura (17), com comprimento L = 9,0m, quando a força concentradaP = 200kN estiver nas posições X = 2,0m e X = 8,0m, utilizando a técnica da Linha de Influência (LI) para determinação da força cortante. Figura 17 – Viga do exemplo (2) com (LI) para a força cortante na seção (C) Fonte: Acervo do conteudista Solução Será feita comparação do cálculo analítico da força cortante e sua obtenção com a utilização da Linha de Influência (LI) • Carga (P = 200kN) na posição X = 2,0 m Força Cortante – Cálculo Analítico Reação de apoio no apoio (A) → RVA = (200 ⋅ 7) / 9 = 155,56kN↑ Força Cortante em (C) → VC = RVA – P = 155,56 – 200 = – 44,44kN (*) Força Cortante – Utilizando Linha de Influência (LI) de Força cortante Por semelhança de triângulos (Teorema de Tales de Mileto): a a L X Y Y X L � � � � � 1 1 → Y1 = – (2/9) = – 0,2222 Força Cortante em (C) → VC = P · Y1 = 200 · (– 0,2222) = – 44,44kN (*) • Carga (P = 200kN) na posição X = 8,0 m 20 21 Força Cortante – Cálculo Analítico Reação de apoio no apoio (A) → RVA = (200 · 1) / 9 = 22,22kN↑ Força Cortante em (C) → VC = RVA = 22,22kN (**) Força cortante – Utilizando Linha de Influência (LI) de força cortante Por semelhança de triângulos (Teorema de Tales de Mileto): ( ) ( ) ( )L a L a L L X Y Y L X L � � �� � � � � � 2 2 → Y2 = [(9 – 8)/9] = 0,1111 Força Cortante em (C) → VC = P · Y2 = 200 · (0,1111) = 22,22kN (**) Linha de Influência para Momento Fletor A Linha de Influência (LI) para momento fletor em uma seção (C) é a representação gráfica ou analítica do momento fletor nessa seção, que é produzida por uma carga concentrada vertical unitária (P = 1), que percorre a estrutura da viga (Figura 14). Momento Fletor em (C) Pelo Lado Esquerdo Aplicando uma carga unitária que se movimenta do apoio (A) até a posição (C) (Figura 14). O momento fletor em (C) → MfCe = RVA X – P (a – X) ...(15) Fazendo X = a → RVA = P (L - a) / L ...(16) Sendo: • P = 1 ...(17) Com (16) e (17) em (15): Mf L a X L a X LX aX La LX L LX aX La LCe � �� � � �� � � � � � � � �� �2 ...(18) No ponto (C): X = a ...(19) Com (19) em (18): Mf La a La L La a LCe � � �� � � �� �2 2 2 Assim, para a carga unitária (P = 1) situada na posição X = a → Momento Fletor no ponto (C) no lado esquerdo → Mf L a a LCe � �� � ...(20) 21 UNIDADE Linhas de Influência no Projeto de Pontes Para a carga móvel unitária (P = 1) em qualquer posição (0 ≤ X ≤ a) entre o apoio (A) e o ponto (C), o valor do momento fletor no ponto (C) é o valor da ordenada (Y1), que pode ser obtida por semelhança de triângulos (Figura 18). Figura 18– Linha de Influência para Momento Fletor – Lado Esquerdo da Seção Fonte: Acervo do conteudista Momento Fletor em (C) pelo Lado Direito Para o cálculo da força cortante em (C), com a carga unitária que se movimenta entre o ponto (C) e o apoio (B), deve-se alterar a origem do eixo (X) para o ponto (C) (Figura 15). Momento fletor em (C) pelo lado direito → MfCd = RVB b – P X ...(21) Fazendo: X = 0 → RVB = (P a) / L ...(22) Sendo: • P = 1 ...(23) • b = L – a ...(24) Com (22), (23) e (24) em (21): Mf a L a L XCd � �� � � ...(25) No ponto (C): X = 0 ...(26) Com (26) em (25): Mf a L a LCd � �� � ...(27) 22 23 Assim, para a carga unitária (P = 1) situada na posição X = 0 → Momento Fletor no ponto (C) no lado direito → Mf L a a LCd � �� � ...(27) Para a carga móvel unitária (P = 1) em qualquer posição (0 ≤ X ≤ b) entre o ponto (C) e o apoio (B), o valor do momento fletor no ponto (C) é o valor da ordenada (Y2), que pode ser obtida por semelhança de triângulos (Figura 19). Figura 19 – Linha de Infl uência para momento fl etor – Lado Direito da seção Fonte: Acervo do conteudista Assim, a Linha de Influência (LI) para momento fletor é a união das Linhas de Influências (LI) obtidas para o lado esquerdo e direito do ponto (C) (Figura 20). Figura 20 – Linha de Infl uência para momento fl etor Fonte: Acervo do conteudista 23 UNIDADE Linhas de Influência no Projeto de Pontes Exemplo 3 Determinar o momento fletor no ponto (C) da viga da Figura 21, quando a força concentrada P = 80kN estiver nas posições X = 2,0m e X = 8,0m, utilizando a téc- nica da Linha de Influência (LI) para momento fletor. Figura 21 – Viga do exemplo 3 com (LI) para o momento fletor na seção (C) Fonte: Acervo do conteudista Solução Será feita comparação do cálculo analítico do momento fletor e sua obtenção com a utilização da Linha de Influência (LI) • Carga (P = 80kN) na posição X = 2,0 m Momento Fletor – Cálculo Analítico Reação de apoio no apoio (A) → RVA = (80 · 8) / 10 = 64kN↑ Momento Fletor em (C) → MfC = RVA · a – P (a – x) = 64 · 6 – 80 (6 – 2) MfC = 64kNm (*) Momento fletor – Utilizando Linha de influência (LI) de momento fletor Por semelhança de triângulos (Teorema de Tales de Mileto): a L a a L X Y Y L a L � �� � � � � 1 1 ( )X → Y1 = [(10 – 6) 2/10] = 0,80 24 25 Momento Fletor em (C) → MfC = P · Y1 = 80 · (0,80) = – 64kNm (*) • Carga (P = 80kN) na posição X = 8,0 m Momento Fletor – Cálculo Analítico Reação de apoio no apoio (A) → RVA = (80 · 2) / 10 = 16kN ↑ Momento Fletor em (C) → MfC = RVA · a = 16 · 6 MfC = 96kNm (**) Momento fletor – Utilizando Linha de influência (LI) de momento fletor Por semelhança de triângulos (Teorema de Tales de Mileto): ( ) ( ) ( X)L a L a a L L X Y Y L a L � � �� � � � � � 2 2 → Y2 = [(10 – 8) 6/10] = 1,20 Momento Fletor em (C) → MfC = P · Y2 = 80 · (1,20) = 96kNm (**) 25 UNIDADE Linhas de Influência no Projeto de Pontes Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade: Livros Propriedades do concreto NEVILLE, A. M. Propriedades do concreto. 5.ed. Porto Alegre: Bookman, 2016. (e-book) Análise estrutural KASSIMALI, A. Análise estrutural. São Paulo: Cengage Learning, 2016. (e-book) Leitura NBR 6118 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6118: Projeto de estruturas de concreto – Procedimentos. Rio de Janeiro: ABNT, 2014 https://bit.ly/30aFhyP NBR 6120 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6120: Cargas para o cálculo de estruturas de edificações. Rio de Janeiro: ABNT, 1980. https://bit.ly/3j0e5va NBR 6123 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 6123: Forças devidas ao vento em edificações. Rio de Janeiro: ABNT, 1988. https://bit.ly/2W05Oxp 26 27 Referências NEVILLE, A. M. Tecnologia do concreto. 2.ed. Porto Alegre: Bookman, 2013 . (e- book) PORTO, T. B.; FERNANDES, D. S. G. Curso básico de concreto armado: conforme NBR 6118/2014. São Paulo: Oficina de Textos, 2015. RECENA, F. P. Retração do concreto. Dados eletrônicos. Porto Alegre: EDIPU- CRS, 2014. 27
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