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1 UNIP – Universidade Paulista Campos Trindade/GO Curso: Engenharia Civil ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA V: “TRELIÇA DE MADEIRA”. TRINDADE/GO 2023 2 Leonardo Vinicius da Costa Andrade RA: 2143100 Curso: Engenharia Civil – Serie – 5 Período: 1° Sem. Turma: SEPI EC 0121 ATIVIDADE PRÁTICA SUPERVISIONADA V: “TRELIÇA DE MADEIRA”. Trabalho dissertativo pelo curso de engenharia civil apontado pela universidade paulista UNIP – Campos Trindade/GO, com exigência de aprovação, orientador Prof. Clovis Chiezzi. TRINDADE/GO 2023 3 Resumo As edificações estão sempre em desenvolvimento no método de sua execução e nos materiais utilizados. Apesar dessa grande evolução, com o tempo ainda existem muitos problemas que acontecem nas estruturas, devido às empresas que se preocupam demasiadamente com o lucro e colocam em segundo plano a qualidade do material e a resistência da estrutura. O ramo da engenharia civil é de grande importância na infraestrutura do país, no que tange a qualidade de serviços prestados à sociedade e ao desenvolvimento econômico. O engenheiro tem grande responsabilidade, pois coloca em risco a vida de várias pessoas que utilizam da sua edificação. O objetivo deste trabalho é utilizar as noções e conteúdos já aprendidos e obter novas informação dentro do curso de engenharia civil para produção de uma ponte, serão apresentadas todas as informações, dados, dimensionamento, desenhos, utilizados neste trabalho (projeto). 4 SUMÁRIO 1.0 Introdução .................................................................................................... 6 1.1 Conceitos gerais ....................................................................................... 6 1.2 Objetivo ..................................................................................................... 6 2.0 Materiais e métodos .................................................................................... 6 3.0 Referencial Bibliográfico .............................................................................. 7 3.1 Estruturas ................................................................................................. 7 3.2 Sistemas Estruturais ................................................................................. 7 3.2.1 Estruturas Isostáticas ............................................................................ 8 3.2.2 Estruturas Hipostática ........................................................................... 8 3.2.3 Estruturas Hiperestáticas ...................................................................... 8 3.3 Forças Atuantes ........................................................................................... 9 3.3.1 Forças de Cisalhamento ........................................................................ 9 3.3.2 Forças Axiais ....................................................................................... 10 3.3.3 Momento Fletor.................................................................................... 10 3.3.4 Momento Torsor ................................................................................. 11 3.4 Apoios e Ligações ..................................................................................... 11 3.4.1 Apoios Fixos. ....................................................................................... 11 3.4.2 Apoios Móveis ..................................................................................... 12 3.4.3 Apoio Engastados ............................................................................... 12 3.4.4 Ligações Rotuladas ............................................................................. 12 3.5 Modelos Estruturais ................................................................................... 13 3.5.1 Vigas .................................................................................................... 13 3.5.2 Pórticos ................................................................................................ 16 3.5.3 Grelhas ................................................................................................ 17 3.5.4 Treliça .................................................................................................. 17 3.5.5 Principais tipos de treliça ..................................................................... 19 3.5.6 Esforços Internos ................................................................................. 21 4.0 Dimensionamento das estruturas .............................................................. 21 4.1 Simulações das estruturas ..................................................................... 22 4.2 Deformação da estrutura ........................................................................ 22 4.3 Deformações das estruturas em análise ............................................ 24 Tabela 1: Deformação relativa da estrutura .............................................. 25 5 4.4 Definições da estrutura .............................................................................. 25 4.5 Reações de apoio e esforços internos ...................................................... 26 4.5.2 Nomenclaturas dos nos; ......................................................................... 26 4.5.3 Carga Q unitária aplicada ..................................................................... 27 4.5.4 Reações de apoio ................................................................................... 27 Tabela 2: Forças internas em cada membro da estrutura ....................... 34 Tabela 3: Reações de apoio ........................................................................ 34 5.0 Análise a Compressão ............................................................................... 34 5.2 Análise a tração ......................................................................................... 36 5.3 Carga Máxima ........................................................................................... 36 5.4 Esforços internos aplicados a carga crítica .............................................. 37 5.5 Material, Fotos e montagem do Projeto .................................................... 38 6.0 Resultados ................................................................................................. 43 7.0 Considerações finais ................................................................................. 44 8.0 Referencial Bibliográfico ............................................................................ 45 6 1.0 Introdução 1.1 Conceitos gerais O mercado da construção civil é extremamente competitivo. Para se destacar no mercado, muitas organizações se preocupam apenas com o custo e tempo da obra, deixando de lado a qualidade do material, o planejamento e a perfeita execução do trabalho. Essas negligências podem acabar se transformando em problemas nas estruturas, afetando a segurança e conforto dos usuários da edificação. Para que uma edificação não apresente problema na sua estrutura, deve-se ter muita atenção com os cálculos da mesma. O campo da engenharia responsável por tal função, seja á estrutura estática ou dinâmica, é a engenharia estrutural. Uma estrutura pode ser dividida em outras menores e mais simples,para que se possa calcular os esforços que agem ao longo de sua extensão. Uma estrutura é um elemento complexo que pode ter diferentes formas de acordo com o que foi projetado para a construção da obra. Vamos demonstrar através de nosso trabalho tipos de estrutura, seus diferentes tipos de apoio e equilíbrio, assim como as forças que atuam nas estruturas. 1.2 Objetivo O objetivo desse projeto é obter informações através do estudo dos conceitos de cálculos estruturais para a construção de uma ponte em palitos de madeira. Através desse estudo, faremos um levantamento prévio de quanto a estrutura poderá suportar. Após o levantamento prévio da ponte de palito de madeira, faremos uma análise de seu comportamento ao ensaio de compressão. Com essa análise, poderemos calcular o ponto de ruptura da estrutura, a força que ela suportou e as forças internas em cada membro da ponte. Com o resultado obtido no teste de compressão, seremos capazes de observar se a estrutura comportou de acordo com os cálculos feitos anteriormente. 2.0 Materiais e métodos A execução deste trabalho foram necessários materiais tais como, palitos de madeira (espeto), cola branca, cola quente, elásticos, massa vedadora, cujos os mesmos constituíram a construção do experi- mento. Para o dimensionamento a utilização de softwares como, autocad, Reivt entre outros. Os métodos aplicados se baseiam em revisão bibliográfica das disciplinas de resistência 7 dos materiais e engenharia de estruturas. Todos aspectos da pesquisa, tais como elaboração dos conceitos, construção, execução dos testes, análise e interpretação dos testes, serão citados. 3.0 Referencial Bibliográfico Vamos fornecer compreensões básicas sobre o tema, para que o leitor possa compreender os estudos abordados no trabalho, que utiliza conceitos estruturais aplicados à engenharia civil. 3.1 Estruturas Segundo Soriano (2006), as estruturas são sistemas físicos constituídos de componentes interligados e deformáveis, capazes de receber e transferir esforços. Na construção de uma estrutura seus componentes devem ser dimensionados para aguentar o seu próprio peso e esforços externos sem que haja deformação indesejada e vibrações que prejudique o uso e a estética da estrutura. Todos sistemas estruturais são compostos de diversas estruturas teoricamente mais simples. O projeto de engenharia estrutural utiliza desses sistemas para a construção da obra de maneira mais prática e adequada ao lugar onde está sendo construída. Quando o engenheiro projeta uma estrutura, ele deve se preocupar com segurança, estética, funcionalidade, os riscos ambientais e restrições econômicas. O projeto estrutural tem como objetivo definir o material e o tipo de estrutura que a construção vai apresentar sem que a mesma entre em colapso, deforme ou vibre excessivamente. As normas técnicas estipulam precisamente os limites que a estrutura suporta de acordo com seu material. Na criação do projeto estrutural, devem ser seguidas algumas etapas, tais quais as definições das cargas ou forças que atuam na estrutura, cálculo dos esforços e deformações, o dimensionamento das peças e, finalmente, o detalhamento do projeto para execução. 3.2 Sistemas Estruturais Podemos classificar então as estruturas em três modelos básicos: isostáticas, hipostáticas e hiperestáticas. Nos próximos itens serão definidos os conceitos básicos de cada módulo estrutural. 8 3.2.1 Estruturas Isostáticas Em mecânica estrutural, diz-se que uma estrutura é isostática quando o número de restrições (reações) é rigorosamente igual ao número de equações da estática. É, portanto, uma estrutura estável Diferem das estruturas hipostáticas (cujo número de reações é inferior ao número de equações) e das estruturas hiperestáticas (número de reações superior), São exemplos de estruturas isostáticas uma viga biapoiada (com um dos apoios podendo se movimentar horizontalmente) e uma viga engastada em balanço. Fonte: Estrutura Isostática – disponível em: https://www.tudoengcivil.com.br/2019/03/estruturas-isostaticas-hipostaticas-e.html, acesso em 27 de maio 2023; obs. Figura 01 3.2.2 Estruturas Hipostática São aquelas em que o número de reações é inferior ao de equações da estática. Uma estrutura hipostática é uma estrutura instável, por não ter ligações interiores ou exteriores suficientes. Qualquer estrutura em que sejam possíveis movimentos de corpo rígido (sem deformação dos elementos) é uma estrutura hipostática. Fonte: Estruturas Hipostática – disponível em: https://www.tudoengcivil.com.br/2019/03/estruturas-isostaticas-hipostaticas-e.html, acesso em 27 de maio 2023; obs. Figura 02 3.2.3 Estruturas Hiperestáticas As Estruturas hiperestáticas são aquelas em que o número de reações é superior ao de equações da estática, sendo, portanto, essas equações, somente, 9 insuficientes para a determinação das reações. A determinação das reações que atuam nestas estruturas é geralmente calculada pelo Método das Forças ou pelo Método dos Deslocamentos. No método das forças, as variáveis são os esforços; no método dos deslocamentos, as deformações. O grau de hiperestaticidade de uma estrutura é determinado pelo número de reações excedentes àquelas necessárias para o seu equilíbrio. Fonte: Estruturas Hiperestáticas – disponível em: https://www.tudoengcivil.com.br/2019/03/estruturas-isostaticas-hipostaticas-e.html, acesso em 27 de maio 2023; obs. Figura 03 3.3 Forças Atuantes Vamos apontar os tipos de força e demonstrar os esforços básicos em uma estrutura. 3.3.1 Forças de Cisalhamento Leet e Uang (2009) cisalhamento é uma estrutura que está submetida a forças contidas no plano Y Z, perpendicular ao eixo da peça. Produz um esforço que tende a deslizar, uma seção em relação a outra, produzindo tensão de cisalhamento. A soma dessas forças é representada pela força cortante. Fonte: Força de Cisalhamento – disponível em https://www.tudoengcivil.com.br/2018/04/videoaula-sobre-cisalhamento-em.html, acesso em 27 de maio 2023; obs. Figura 04. 10 3.3.2 Forças Axiais Leet e Uang (2009) define o esforço axial como forças atuantes em um membro de modo a causar compressão ou tração. As cargas axiais são forças que estão distribuídas ao longo do eixo longitudinal da estrutura. As forças axiais podem ser tanto de tração quanto de compressão. Quando uma estrutura está submetida a força de tração, as forças axiais em suas extremidades atuam para fora, tendendo a alongar o corpo. A força de tração é rotulada como positiva. Quando uma estrutura está submetida a força de compreensão as forças axiais em suas extremidades atuam para dentro, tendendo a comprimir o corpo. A força de compreensão é rotulada como negativa. Fonte: Forças Axiais – disponível em https://www.researchgate.net/figure/Figura-46-Forcas-axiais-nos-enrolamentos- magneticamente-balanceados; acesso em 27 de maio 2023, figura 05. 3.3.3 Momento Fletor As cargas transversais produzem momentos relativos à seção Y X, contidos no eixo da peça. A soma desses momentos é representada pelo momento fletor. Através do diagrama do momento fletor podem identificar a parte da barra que está sendo tracionada e qual é comprimida. O momento fletor é positivo quando a barra está sendo tracionado na parte superior da barra e comprimindo a parte inferior, causando uma concavidade voltada para cima. O mento é negativo quando a barra está sendo comprimida na parte superior da barra e tracionada na parte inferior, causando uma concavidade voltada para baixo. Fonte: Momento Fletor – disponível em https://docplayer.com.br/13570912- Introducao-momento-fletor.html; acesso em 27 de maio 2023, figura 06. 11 3.3.4 Momento Torsor Quando uma estrutura suporta momentos gerados por cargas contidas ou que possuem componentes no plano Y Z, perpendicular ao eixoX, produz um esforço que faz girar a sessão em torno do eixo longitudinal, provocando tensão de cisalhamento. A soma desses momentos e representada pelo momento torsor Fonte: Momento Torsor – disponível em https://www.researchgate.net/figure/Figura- 7-Diagrama-dos-momentos-torsores-na-viga; acesso em: 27 de maio 2023, figura 07. 3.4 Apoios e Ligações Em uma estrutura, os esforços aplicados a ela devem ser transferidos para o solo que irá absorver e reagir para manter o equilíbrio. A transmissão dessas forças é dada pelos apoios. Os apoios tem função primordial em uma estrutura: absorvem forças atuantes e restringem os movimentos inapropriados da edificação. Nas forças aplicadas, existe o ponto de equilíbrio para evitar que o corpo ou a estrutura tenha uma translação ou movimento horizontal e vertical. Para que isso ocorra, temos os tipos de apoio que formam esse equilíbrio, para que a estrutura possa se estabelecer na posição correta. Esses apoios são classificados em fixos, móveis e engastes. 3.4.1 Apoios Fixos. Este apoio introduz dois vínculos na estrutura, impedindo o deslocamento do ponto em qualquer direção do plano. Impede dois movimentos permitindo apenas o de rotação. 12 Fonte: Apoios Fixos – disponível em https://slideplayer.com.br, acesso em 27 de maio 2023, figura 08. 3.4.2 Apoios Móveis Este apoio introduz um vínculo na estrutura, impedindo o deslocamento do ponto na direção perpendicular ao da reta. É capaz de impedir o movimento do ponto vinculado do corpo numa direção pré-determinada. Permite a rotação do sólido em torno do ponto e o movimento do ponto somente na direção da reta. Fonte: Apoio móveis: disponível em https://slideplayer.com.br, acesso em 27 de maio 2023, figura 09. 3.4.3 Apoio Engastados Este apoio introduz três vínculos na estrutura, impedindo o deslocamento do ponto em qualquer direção e rotação. Apresenta reações de apoio e uma força com um momento em qualquer direção horizontal ou vertical. Fonte: Apoio Engastados; disponível em https://slideplayer.com.br, acesso em 27 de maio 2023, figura 10. 3.4.4 Ligações Rotuladas Uma rótula é um elemento de apoio de uma viga, que permite uma simplificação na determinação das equações de momento fletor e esforço cortante, apenas pelos princípios da estática. Uma rótula pode, por exemplo, ser adicionada a trechos de uma viga contínua, de modo a não permitir a continuidade do momento fletor para o trecho vizinho, proporcionando uma simplificação. 13 Fonte: ligações Rotuladas, disponível em https://br.pinterest.com, acesso em 27 de maio 2023; obs. Figura 11. 3.5 Modelos Estruturais Vamos agora apresentadas as principais estruturas existentes. Posteriormente serão utilizadas como estruturas base para o dimensionamento. 3.5.1 Vigas De acordo com Hibbeler (2006), vigas são elementos estruturais projetados para sustentar carregamentos aplicados perpendicularmente ao seu eixo longitudinal. Devido ao carregamento, as vigas desenvolvem força cortante interna e momento fletor que, em geral, variam de ponto para ponto ao longo do eixo. Algumas vigas também estão sujeitas a uma força axial interna; entretanto os efeitos dessas forças muitas vezes são desprezados no projeto, pois a tensão axial geralmente é muito menor que as tensões desenvolvidas por cisalhamento e flexão. Fonte: Modelo da Viga – disponível em https://suporte.altoqi.com.br, acesso em 27 de maio 2023, obs. Figura 12. Segundo Hibbeler (2006), a análise de tensão de uma viga geralmente despreza os efeitos provocados por carregamentos externos distribuídos e forças concentradas, essas cargas criam tensões adicionais na viga diretamente sob a carga. Assim desenvolve-se uma tensão de compressão, além da tensão de flexão e da tensão de cisalhamento. Portanto, conclui-se que metade da seção da viga estará 14 submetida a tração e a outra metade a esforço de compressão. Como os efeitos máximos de compressão e de tração ocorrem nas partes extremas da seção, parece lógico concentrar mais material nessas áreas extremas, pois qualquer material em posição intermediária a essas partes será menos solicitado, e consequentemente, usado de forma menos eficiente. Entretanto, a grande maioria das situações de carregamentos nas vigas não diz respeito a flexão pura, havendo também força cortante (cisalhamento), sendo que o procedimento de utilizar áreas extremas não é eficiente para melhorar a resistência ao esforço cortante. O esforço cortante provoca tensões de cisalhamento, que podem ser verticais ou horizontais ao longo da viga. O cisalhamento vertical pode ser percebido se imaginarmos uma viga totalmente fatiada ao logo de suas seções transversais, assim seria possível observar o escorregamento entre as fatias das seções transversais. Tal viga seria incapaz de suportar forças verticais caso não seja providenciada alguma resistência ao cisalhamento vertical. Uma viga pode estar submetida a cargas concentradas, a cargas distribuídas ou a combinação de ambas. Quando se trabalha com cargas distribuídas, pode-se substituí-la por uma carga concentrada atuando no centro de gravidade do carregamento, simplificando os cálculos. Existem alguns tipos de seções transversais, que dependendo do material, costumam ser bastante típicas nas construções de vigas, devido em grande parte pela alta eficácia de tais seções. As vigas fabricadas em aço ou alumínio permitem explorar ao máximo a característica de afastar áreas do centro de gravidade, para desta forma obter-se maior inércia à flexão, o que implica em reduzir as intensidades das tensões normais e de cisalhamento na viga. Com os metais, é possível a construção de seções formadas a partir de elementos delgadas, o que implica em economia de material. Verifica-se que a construção de seções em metal de pequenas espessuras é possibilitada devido à resistência de tal material, do elevado módulo de elasticidade, assim como na sua homogeneidade. A ligação dos elementos da seção pode ser realizada ainda na fabricação, por solda, dentre outras. As madeiras, possuírem resistência e módulo de elasticidade relativamente inferiores aos dos metais, não devem ser construídas com mesma ordem de dimensão dos mesmos. As seções de vigas de madeira são mais eficientemente construídas através de ligações coladas. Outros tipos de ligação 15 também são utilizados, tais como: pregos e parafusos, que, no entanto, são deformáveis, acarretando em perda de eficiência quanto a resistência e inércia à flexão da viga. No que diz respeito ao concreto, as dimensões das seções são bem superiores as de vigas em madeira ou aço. Esta diferença reside na medida dos componentes do concreto, tais como armaduras (para os casos de concreto armado ou protendido) e agregados, quando comparados com as dimensões dos elementos de seções delgadas. Portanto, é bastante comum encontrar vigas de elementos delgados constituídas em aço ou alumínio, de espessuras médias quando em madeira e de alta robustez quando em concreto armado. Os esforços internos sob uma seção transversal plana de um elemento estrutural, são definidos como um conjunto de forças e momentos estaticamente equivalentes à distribuição de tensões internas sobre a área dessa seção. Assim, por exemplo, os esforços sobre uma seção transversal plana de uma viga são iguais à integral das tensões τ sobre essa área plana. Ao realizar uma sessão num corpo expõem-se aí um sistema de forças internas. Considere, por exemplo, o diagrama de corpo livre de uma região no espaço: Ao seccionar em S, resultam duas partes e nas seções de corte aparecem as forças internas: Fonte: Esforços em uma viga – disponível em https://engenheiraco.blogspot.com/2016/11/reacoes-de-apoio-em-vigas-e-esforcos- internos-solicitantes, acesso em 27 de maio 2023. Obs. Figura13. 16 Fonte: Esforços Internos em uma viga – disponível em https://www.respondeai.com.br/conteudo/mecanica-e-resistencia-dos- materiais/flexao/esforcos-internos-em-vigas, acesso no dia 27 de maio 2023, obs. Figura 14. 3.5.2 Pórticos Pórtico são estruturas formadas por barras, que formam quadros entre si. Existem quatro tipos fundamentais de quadros isostáticos planos, que associados entre si, da mesma forma com que associamos vigas simples para formar vigas compostas, formam os chamados quadros compostos. São eles: Em estruturas lineares horizontais (vigas) foi adotada uma convenção para as solicitações baseados nos conceitos de abaixo e acima da barra em estudo. No estudo dos pórticos, utiliza-se a mesma convenção adotada as barras horizontais onde definimos os lados externos e internos das barras que constituem a estrutura, vista a existência de barras verticais, horizontais e inclinadas. Fonte: Pórticos, disponível em http://www.postefer.com.br/produtos/detalhe/semi- portico-simples-padrao, acesso em 27 de maio 2023, obs. Figura 15. 17 3.5.3 Grelhas É uma estrutura reticulada plana submetida a carregamentos perpendiculares ao seu plano. Na construção civil, este tipo de sistema estrutural é composto por uma série de elementos lineares (normalmente vigas), conectados nas interseções de forma a não permitir rotações relativas (conexões rídigas). Grelhas são capazes de resistir esforços normais, cortantes e, principalmente, aos esforços de flexão e torção. Normalmente são estruturas hiperestáticas. Fonte: Grelhas, disponível em https://www.passeidireto.com/arquivo/54795693/grelhas-exercicios-resolvidos, acesso em 27 de maio 2023. Obs Figura 16. 3.5.4 Treliça Ela tem função estrutural, chama-se viga treliça e pode ser feita de madeira, metal ou alumínio. As treliças ou sistemas triangulados, são estruturas formadas por elementos rígidos, aos quais se dá o nome de barras. Estes elementos encontram-se ligados entre si por articulações nós que se consideram, no cálculo estrutural, perfeitas (isto é, sem qualquer consideração de atrito ou outras forças que impedem a livre rotação das barras em relação ao nó). Nas treliças as cargas são aplicadas somente nos nós, não havendo qualquer transmissão de momento flector entre os seus elementos, ficando assim as barras sujeitas apenas a esforços normais axiais, uniaxias, (alinhados segundo o eixo da barra) de tração ou compressão. 18 Fonte: Treliça do tipo Warren com indicação e nomenclatura de seus elementos estruturais, disponível em https://www.researchgate.net/figure/Figura-2-Trelica-do- tipo-Warren-com-indicacao-e-nomenclatura-de-seus-elementos_fig1_343846032, acesso em 27 de maio 2023, obs. Figura 17. A treliça é uma solução estrutural simples. Na teoria de projeto, os membros individuais de uma treliça simples são sujeitos somente a forças de tração e compressão e não a forças de flexão, portanto, na maioria das vezes, as vigas de uma ponte treliçada são delgadas. As treliças são compostas de várias pequenas vigas que juntas podem suportar uma grande quantidade de peso e vencer grandes distâncias. Em grande parte dos casos, o projeto, construção e erguimento de uma ponte treliçada é relativamente elementar. Contudo, uma vez instaladas, as treliças ocupam uma vasta quantidade de espaço em relação às pontes de vigas. Como as pontes de viga, há as treliças que são simples e contínuas. O pequeno tamanho dos elementos individuais da treliça a tornam uma ponte ideal para lugares onde grandes partes e seções não podem ser transportadas, nem erguidas por guindastes e onde equipamentos pesados não conseguem ser usados. Porque a treliça é inteiramente um esqueleto estrutural, a estrada pode passar tanto por cima como por dentro da treliça permitindo um espaço livre embaixo da ponte, algo que não seria possível em outros tipos de pontes. Em geral, ao se utilizar estruturas treliçadas, procura-se evitar momentos secundários, posicionando as terças sobre os nós. Desse modo, não haverá qualquer transmissão de momento fletor entre os seus elementos, fazendo com que as barras fiquem sujeitas apenas a esforços normais, axiais e uniaxiais (alinhados segundo o eixo da barra) de tração ou compressão. Entre as estruturas apresentadas, sem dúvida as tesouras (Warren) são as mais utilizadas. As tesouras são estruturas planas verticais (treliças) projetadas 19 para receber cargas, que atuem paralelamente a seu plano, transmitindo-as aos apoios. 3.5.5 Principais tipos de treliça Treliça Pratt - É facilmente identificada pelos seus elementos diagonais que, com exceção dos extremos, todos eles descem e apontam para o centro do vão. Exceto aqueles elementos diagonais dos meios próximos ao meio, todos os outros elementos diagonais estão sujeitos somente à tração, enquanto os elementos verticais suportam as forças de compressão. Isto contribui para que os elementos diagonais possam ser delgados, fazendo com que o projeto fique mais barato. Fonte: Própria, Treliça Pratt – Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP. Obs Figura 18. Treliça Howe – É o oposto da treliça Pratt. Os elementos diagonais estão dispostos na direção contrária do centro da ponte e suportam a força de compressão. Isso faz com que os perfis metálicos necessitem ser um pouco maiores, tornando a ponte mais cara quando construída em aço. Fonte: Própria, Treliça Howe – Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP. Obs Figura 19. Treliça Warren – É talvez a mais comum quando se necessita de uma estrutura simples e contínua. Para pequenos vãos, não há a necessidade de se usar elementos verticais para amarrar a estrutura, onde em vãos maiores, elementos verticais seriam necessários para dar maior resistência. As treliças do tipo Warren 20 são usadas para vencer vãos entre 50 e 100 metros. Fonte: Própria, Treliça Warren – Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP. Obs Figura 20. Treliça Tipo Belga – Caracteriza-se por não possuir barras verticais (montantes e pendural). Isso faz com que não haja uma barra representando o centro de simetria da treliça. Além de acarretar uma economia de matéria prima pela diminuição de barras, esse tipo de configuração exige tração de um maior número de peças. Isto permite que as peças sejam mais esbeltas (não há flambagem). A configuração belga gera economia também na quantidade de aço utilizado nas juntas, isto devido a possuir um menor número de "nós"ou ligações que as demais configurações de treliças. Esta treliça permite um melhor aproveitamento do interior da treliça, já que não possui o pendural central. Fonte: Própria, Treliça Tipo Belga – Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP. Obs Figura 21. Treliça Polonesa ou Fink – Vemos uma treliça cujas diagonais são tracionadas, sendo os montantes comprimidos, características análogas às da viga Pratt. 21 Fonte: Própria, Treliça Polonesa ou Fink – Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP. Obs Figura 22. 3.5.6 Esforços Internos Ao analisar uma treliça, calculamos os valores das trações e compressões a que cada uma das barras que a compõem estão submetidas. No caso da treliça ideal, o único esforço interno a que uma barra está submetida é o esforço normal. A figura abaixo mostra o significado do esforço normal calculado na seção C da barra de treliça. A tração representada na seção C consiste em forças de ligação distribuídas na área seção transversal. Esforço normal em uma barra de treliça A tração representada na seção C consiste em forças de ligação distribuídas na área da seção transversal, que pode ser representada através de um sistema equivalente consistindo na resultante F aplicada no centro da seção, que coincide com o eixo da barra. Em uma barra de treliça, o esforço normal e constante ao longodo comprimento: qualquer que seja a posição da seção considerada na barra, o esforço normalmente será o mesmo. Como citado acima, a treliça ideal possui somente esforços axiais, para o dimensionamento posterior será considerado a situação ideal para a estrutura. Fonte: Própria, Esforços normal em uma Treliça, Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP, Obs , Figura 23. 4.0 Dimensionamento das estruturas Na execução dos dimensionamentos a serem apresentados neste trabalho, definimos todas as unidades em centímetro. Sob a necessidade de se construir uma estrutura que coubesse em um paralelo de dimensões 30 cm de altura, 22 150 cm de comprimento e 15 cm de largura, determinamos então nossa estrutura com dimensões de 20 cm de altura, 100 cm de comprimento e 14 cm de largura. O projeto foi desenvolvido conforme referencial teórico, a seguir serão apresentadas as simulações efetuadas em softwares para melhor visualização e compreensão do nosso trabalho. (Para este trabalho iremos utilizar o software AutoCad e Inventor para desenhos de projetos e o software Ftool para dimensionamento estrutural). 4.1 Simulações das estruturas Com as dimensões já adotadas, foram simuladas um total de oito (08) estruturas. Todas são simétricas em um corte na seção do eixo y, receberam um carregamento distribuído em seu vão central, simulando assim a aplicação de um teste de compressão com força aplicada no eixo y. 4.2 Deformação da estrutura Vamos denominar as estruturas da figura com nomenclatura de Λ, Γ, Υ, Σ, Ψ, Ω, Θ e ∆. Essa denominação se estenderá por todo o trabalho desenvolvido. Abaixo encontra-se as figuras das estruturas nomeadas, posteriormente será dimensionado a deformação das mesmas. Estrutura Λ Estrutura Γ Estrutura Υ 23 Estrutura Σ Estrutura Ψ Estrutura Ω Estrutura Θ Estrutura ∆ 24 4.3 Deformações das estruturas em análise As estruturas Λ, Ψ e Θ apresentam sua altura com dimensão 25 cm, a estrutura Ω apresenta altura com dimensão de 30 cm e as demais possuem altura com dimensão 20 cm. Sendo o critério que se baseia na deformação máxima. são representação esquemática das deformações nas estruturas simuladas. Em valores percentuais a sua altura, a deformação para essa simulação se comportou de acordo 25 com a tabela abaixo. Tabela 1: Deformação relativa da estrutura Estrutu ra Altura (cm) Deformação Relativa (%) Λ 25 0, 013892 Γ 20 0, 013335 Υ 20 0, 032385 Σ 20 0, 027025 Ψ 25 0, 015348 Ω 30 0, 015316 Θ 30 0, 012780 ∆ 20 0, 012710 Fonte: Própria, Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP. Pela análise somente da deformação relativa no central da estrutura, ou seja, da relação da altura pela deformação sobre esforço de uma carga Q na região central, podemos concluir que ao sofrerem o mesmo esforço, a treliça ∆ demonstrada na simulação sofreu a menor deformação, atendendo assim ao primeiro critério da seleção da estrutura. A deformação da estrutura foi dimensionada a partir do software Ftool. 4.4 Definições da estrutura Após a análise de deslocamentos com o auxílio do software Ftool identificamos então a geometria da estrutura a ser construída e dimensionada. A estrutura será construída a partir de palitos de madeira (espetos), cola branca, cola quente, massa plástica para vedação, e serão construídas duas treliças laterais que posteriormente serão unidas por membros estruturais com os mesmos materiais, é necessário dimensionar as reações de apoio, as forças internas em cada barra e assim estimar a carga de ruptura da mesma. - Estrutura ∆ 26 Fonte: Própria, Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP. 4.5 Reações de apoio e esforços internos Com a utilização do método dos nós e método da seção, foi possível dimensionar a proporção de uma carga Q aplicada resultante em cada membro da estrutura. Os mesmos apresentaram conformidades com os resultados obtidos pelo Ftool que podem ser observados. 4.5.1 Esforços internos na estrutura ∆ a ser construída; Fonte: Fonte: Própria, Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP. As barras que apresentam valores positivos estão sob tração e as barras que apresentam valores negativos estão sob compressão. Os resultados apresentados serão comprovados abaixo. Para o dimensionamento das forças internas iremos adotar a nomenclatura conforme apresentado. 4.5.2 Nomenclaturas dos nos; Fonte: Fonte: Própria, Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP. Uma vez aplicada uma carga unitária Q no espaço central da estrutura, sendo um local de 20 cm, então teremos as seguintes reações de apoio. 27 4.5.3 Carga Q unitária aplicada Fonte: Fonte: Própria, Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP. 4.5.4 Reações de apoio Fonte: Fonte: Própria, Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP. Então; RAy = RIy RAy = RIy = Q ꞏ 20 2 RAy = RIy = 10 ꞏ Q RAy = RIy = 10 N Sendo Q = 1 N Ao aplicarmos uma carga Q = 1 N - No centro da estrutura, temos então reações de apoio iguais pela simetria e cada 28 2 apoio recebe 10 Q. com as reações de apoio definidos, temos então a possibilidade de dimensionar a força em cada membro da treliça; Nó “A” Fy = 0 √ 2 RAy + NAJ ꞏ 2 = 0 20 NAJ = −√ 2 NAJ = −10 ꞏ √ 2 NAJ = 10 ꞏ √ 2 NAJ = 14, 1421356 N Compressão Fx = 0 √ 2 NAB − NAB ꞏ 2 = 0 NAB − 10 ꞏ √ 2 ꞏ √ 2 = 0 NAB − 10 = 0 NAB = 10 N Tração Realizando então um corte entre as barras JK e BC, podemos obter as forças 29 · nas barras NJK, NBK e NBC. MK = 0 −10 ꞏ 20 + NBC ꞏ 13, 333̄ = 0 200 NBC = 13, 333̄ NBC = 15 N Tração MB = 0 NJK ꞏ 30 ꞏ 10 −10 ꞏ 10 − −10 ꞏ 10 − √ 102 + 302 = 0 NJK 300 10 ꞏ √ 10 = 0 30 · · 10 · 20 · ✓ 202 + (20 − 13, 333̄)2 NJK = 100 ꞏ √ 10 30 NJK = 10 ꞏ √ 10 3 NJK = 10, 540925 N Compressão No “B” Fy = 0 8, 333̄ ꞏ 13, 333̄ 102 + 13, 333̄2 NBJ = 6, 666̄ N Tração Realizando então um corte entre as barras KL e CD, podemos obter as forças nas barras NKL, NCL e NCD. = ML = 0 −10 ꞏ 40 + NCD ꞏ 20 = 0 NCD = 10 ꞏ 40 20 400 NCD = 20 NCD = 20 N Tração MC = 0 NKL 20 13, 333̄ −10 ꞏ 20 − ✓ 202 + (20 − 13, 333̄)2 = 0 31 ✓ FKL = − 20 ꞏ 13, 333̄ NKL = −15, 8113 NKL = 15, 8113 N NCL ꞏ 20 Compressão Fy = 0 15, 8113 ꞏ 20 10 + √ 202 + 202 − ✓ 202 + (20 − 13, 333̄)2 = 0 NCL ꞏ 20 15, 8113 ꞏ 20 10 + √ − ✓ = 0 20 ꞏ 2 202 + (20 − 13, 333̄)2 NCL 15, 8113 ꞏ 20 √ 2 = −10 + 202 + (20 − 13, 333̄)2 NCL = −10 ꞏ √ 2 + 15 ꞏ √ 2 NCL = −10 ꞏ √ 2 + 15 ꞏ √ 2 NCL = −5 ꞏ √ 2 NCL = 5 ꞏ √ 2 NCL = 7, 0171073 N Compressão 32 2 No “C” Fy = 0 −5 ꞏ √ 2 ꞏ √ 2 + NKC = 0 Realizando então um corte entre as barras LM e DE, podemos obter as forças nas barras NLM , NDE e NDM . MM = 0 10 −10 ꞏ 50 + NDE ꞏ 20 + 10 ꞏ 2 = 0 NDE = 22, 5 N Tração MD = 0 −10 ꞏ 40 + NLM ꞏ 20 = 0 NLM = −20 NLM = 20 N Compressão 33 · Fx = 0 NDM 10 −20 + 22, 5 + √ 102 + 202 = 0 (20 − 22, 5) ꞏ √ 102 + 202 NDM = 10 NDM = −5, 59016 NDM = 5, 59016 N Compressão No “D” Fy = 0 5, 59016 ꞏ 20 NDL = 5 N No “E” Fy = 0 NEM = 0 N Sendo a treliça simétrica em sua aplicação de forças e em geometria, os valores dimensionados para o lado esquerdo se repetem do lado direito. Sendo assim temos as forças internas em cada barra distribuídas como a tabela 2. Então, ao aplicar uma carga Q unitáriana estrutura, temos as reações de apoio conforme a tabela 3 e forças internas nas barras conforme a tabela 2. Sabendo os valores internos de cada barra em uma carga unitária, é possível então dimensionar uma carga máxima 34 a ser aplicada na estrutura com base na resistência à tração de compressão do material utilizado. Tabela 2: Forças internas em cada membro da estrutura Membro Força interna (N ) Tração/Compressão NAJ = NPI 14, 1421356 Compressão NAB = NHI 10 Tração NBC = NGH 15 Tração NJK = NOP 10, 540925 Compressão NBK = NOH 8, 333 Compressão NBJ = NPH 6, 666 Tração NCD = NFG 20 Tração NKL = NNO 15, 8113 Compressão NCL = NNG 7, 071073 Compressão NKC = NOG 5 Tração NDE = NEF 22, 5 Tração NLM = NMN 20 Compressão NDM = NMF 5, 59016 Compressão NDL = NNF 5 Tração NEM 0 - Fonte: Própria, Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP. Tabela 3: Reações de apoio Apoio Reação (N ) Sentido no eixo Y A 10 Positivo I 10 Positivo Fonte: Própria, Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP. 5.0 Análise a Compressão É necessário também o cálculo da flambagem para elementos em compressão, podemos calcular a carga crítica para a flambagem com a seguinte equação: 35 Conforme dimensionado, podemos observar que o elemento que apresenta maior compressão recebe 20 Q, considerando a carga Q aplicada. Este membro possui 0, 21082 cm de comprimento, sendo assim ao utilizar a equação (1), podemos estimar a carga máxima a ser aplicada na estrutura. Temos então a carga crítica à flambagem que pode ser aplicada na estrutura, Pcrt = 2476, 08 N, considerando uma espessura de palitos unidos por cola branca e cola quente para proporcionar melhor estrutura. 5.1 Resistência à compressão de um e dois palitos de madeira; 36 · Com o dimensionamento a compressão efetuado, devemos então trabalhar com elementos de tração. Nos resultados obtidos, observamos que a barra com maior esforço de tração é 22 Q, e tem comprimento de 20 cm. Segundo Hibbeler (2006), para membros esbeltos é esperado uma maior resistência à tração. Para este trabalho (projeto) é natural esperar uma maior resistência nesse sentido do elemento estrutural. 5.2 Análise a tração Segundo Zucatelli (2011), a resistência à tração do palito é 882, 9 N. Sendo o material com resistência menor a compressão, se dimensionado para essa situação está satisfeito, conforme estudo, então naturalmente suportará os esforços de tração. Para este caso em estudo o dimensionamento a tração pode ser considerado trabalho desnecessário para a estimativa da carga de ruptura. O dimensionamento demonstra que a estrutura irá sofrer seu colapso pelos esforços de compressão, antes que sofra alguma deformação considerável em esforços normais de tração. 5.3 Carga Máxima Uma vez que temos os membros mais comprometidos, é possível efetuar os cálculos inversos e dimensionar a carga Q unitária que foi aplicada. A carga crítica definida foi de Pcrt = 619, 02 N. O membro que recebe o maior esforço tem dimensão de 20 cm e tem aplicado 20 Q, sendo Q a carga unitária aplicada. Observe que ao adicionar uma carga distribuída no valor de Q temos então no membro com maior esforço o valor da carga crítica Pctr. 37 5.4 Esforços internos aplicados a carga crítica Fonte: Própria, Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP. 38 5.5 Material, Fotos e montagem do Projeto Fonte: Própria, Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP (Material). Fonte: Própria, Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP (montagem). 39 Fonte: Própria, Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP (montagem). Fonte: Própria, Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP (montagem). 40 Fonte: Própria, Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP (montagem). Fonte: Própria, Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP (Execução). 41 Fonte: Própria, Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP (Execução). Fonte: Própria, Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP (Execução). 42 Fonte: Própria, Trabalho de Treliça de Madeira – UNIP (Execução). 43 6.0 Resultados A carga estimada foi de 247, 608 Kg, um dos fatos que resultar em diferença teórica com a prática é o fato de que a estrutura dimensionada é uma estrutura ideal, os membros são interligados por ligações rotuladas, na construção os membros são interligados por ligações rígidas, desfazendo uma pressuposição básica e assim gera a primeira diferença. Outro aspecto é a união dos palitos de madeira (espetos) para formar um membro. Ao utilizar quatro palitos de picolé eles são unidos por cola branca e no dimensionamento teórico tem como pressuposição que existe um membro maciço da madeira do palito. A utilização da cola gera uma fragilidade no membro que o membro teórico não existe. Provavelmente a maior falha que contribui para a estrutura não resistir ao valor teórico são as falhas construtivas. É complexo a construção com as devidas amarrações e então existem imperfeições em relação a teoria. A estrutura teórica pressupõe que todos os membros são interligados com amarração perfeita. Falhas na construção são muito recorrentes, o material utilizado não se caracteriza como ideal para essa construção, apresentando diferenças. Podemos concluir que o que difere a estrutura é a dificuldade de se construir o que foi idealizado na teoria. É notável que a estrutura que foi construída apresenta falhas construtivas, pelos membros utilizados, pelas ligações e principalmente as amarrações entre os membros. 44 7.0 Considerações finais Observamos e concluímos que a execução deste trabalho se assemelhou a um projeto estrutural dentro da realidade da profissão de um engenheiro civil. Os dimensionamentos da estrutura fazem parte da vivência deste profissional e pode ser aplicado em uma situação prática. O dimensionamento exigiu grande conhecimento das disciplinas estudadas até o momento da formação, tais quais a geometria analítica, resistência dos materiais e metodologia científica. É possível afirmar que a execução tem grande semelhança ao projeto idealizado e apesar de não apresentar a carga de ruptura desejada, os conceitos foram bem aplicados e puderam ser vistos na prática com bases teóricas. Foi importante para a visualização de como se comporta uma estrutura com cargas axiais em esforços de tração e compressão, o comportamento na movimentação lateral e toda sua estabilidade global. 45 8.0 Referencial Bibliográfico Treliça do tipo Warren com indicação e nomenclatura de seus elementos estruturais, disponível em https://www.researchgate.net/figure/Figura-2-Trelica-do-tipo-Warren- com-indicacao-e-nomenclatura-de-seus-elementos_fig1_343846032, acesso em 27 de maio 2023. Grelhas, disponível em https://www.passeidireto.com/arquivo/54795693/grelhas- exercicios-resolvidos, acesso em 27 de maio 2023. Pórticos, disponível em http://www.postefer.com.br/produtos/detalhe/semi-portico- simples-padrao, acesso em 27 de maio 2023. Esforços Internos em uma viga – disponível em https://www.respondeai.com.br/conteudo/mecanica-e-resistencia-dos- materiais/flexao/esforcos-internos-em-vigas, acesso no dia 27 de maio 2023. Esforços em uma viga – disponível em https://engenheiraco.blogspot.com/2016/11/reacoes-de-apoio-em-vigas-e-esforcos- internos-solicitantes, acesso em 27 de maio 2023. Modelo da Viga – disponível em https://suporte.altoqi.com.br, acesso em 27 de maio 2023. Ligações Rotuladas, disponível em https://br.pinterest.com, acesso em27 de maio 2023. Apoio Engastados; disponível em https://slideplayer.com.br, acesso em 27 de maio 2023. 46 Apoio móveis: disponível em https://slideplayer.com.br, acesso em 27 de maio 2023. Apoios Fixos – disponível em https://slideplayer.com.br, acesso em 27 de maio 2023. Momento Torsor – disponível em https://www.researchgate.net/figure/Figura-7- Diagrama-dos-momentos-torsores-na-viga; acesso em: 27 de maio 2023. Momento Fletor – disponível em https://docplayer.com.br/13570912-Introducao- momento-fletor.html; acesso em 27 de maio 2023. Forças Axiais – disponível em https://www.researchgate.net/figure/Figura-46-Forcas- axiais-nos-enrolamentos-magneticamente-balanceados; acesso em 27 de maio 2023. Força de Cisalhamento – disponível em https://www.tudoengcivil.com.br/2018/04/videoaula-sobre-cisalhamento-em.html, acesso em 27 de maio 2023. Estruturas Hiperestáticas – disponível em: https://www.tudoengcivil.com.br/2019/03/estruturas-isostaticas-hipostaticas-e.html, acesso em 27 de maio 2023. Estruturas Hipostática – disponível em: https://www.tudoengcivil.com.br/2019/03/estruturas-isostaticas-hipostaticas-e.html, acesso em 27 de maio 2023. 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