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Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça: Matriz de Rigidez Estrutural Profª Lucia Helena G. Cardoso Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Relações de Rigidez Estrutural: Condições de contorno, solução das equações e análise dos resultados Exemplo: Determine a matriz de rigidez estrutural e o deslocamento nodal da estrutura reticulada, considerada como treliça a seguir. Dados: E = 200 GPa e A = 5800 mm2 P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so 250 kN ) 60º Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo I: Modelo analítico 250 kN ) 60º Y X 𝑷𝟏 𝑷𝟐 Nó Elemento Estrutura original Modelo analítico P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo I: Apenas o nó 4 está livre para se deslocar, gerando 2 graus de liberdade 𝑷𝟏, 𝒅𝟏 𝑷𝟐, 𝒅𝟐 Modelo analítico Deslocamento Nodal P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura 𝑷𝟏, 𝒅𝟏 𝑷𝟐, 𝒅𝟐 Modelo analítico Y X Elemento 1 P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura KG = 𝐸𝐴 𝐿 . 𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑠𝑒𝑛²𝜃 −𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠²𝜃 −𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑠𝑒𝑛²𝜃 𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑠𝑒𝑛²𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 𝑠𝑒𝑛²𝜃 onde: , e tal que 𝑋𝑖, 𝑌𝑖 e 𝑋𝑓, 𝑌𝑓 são as coordenadas globais (X,Y) para os nós inicial e final respectivamente. 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 𝑋𝑓 − 𝑋𝑖 𝐿 𝑠𝑒𝑛𝜃 = 𝑌𝑓 − 𝑌𝑖 𝐿 𝐿 = (𝑋𝑓−𝑋𝑖) 2 + (𝑌𝑓−𝑌𝑖) 2 P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura Y X - Cálculo para o elemento 1 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 𝑋𝑓 − 𝑋𝑖 𝐿 𝑠𝑒𝑛𝜃 = 𝑌𝑓 − 𝑌𝑖 𝐿 𝐿 = (𝑋𝑓−𝑋𝑖) 2 + (𝑌𝑓−𝑌𝑖) 2 - Identificando as coordenadas: - Nó inicial: 1 𝑋1 = 0 𝑌1 = 0 - Nó final: 4 𝑋4 = 6 𝑌4 = 8 P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura - Cálculo para o elemento 1 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 𝑋4 − 𝑋1 𝐿 = 6 − 0 10 𝑠𝑒𝑛𝜃 = 𝑌4−𝑌1 𝐿 = 8−0 10 𝐿 = (𝑋4−𝑋1) 2 + (𝑌4−𝑌1) 2 = (6 − 0)2+(8 − 0)2= 36 + 64 = 100 - Coordenadas: 𝑋1 = 0 𝑌1 = 0 𝑋4 = 6 𝑌4 = 8 - Substituindo: 𝐿 =10 m 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 0,6 𝑠𝑒𝑛𝜃 = 0,8 P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura - Cálculo para o elemento 1 - Substituindo: 𝐿 =10 m𝑐𝑜𝑠𝜃 = 0,6 𝑠𝑒𝑛𝜃 = 0,8 E = 200 GPa e A = 5800 mm2 KG = 𝐸𝐴 𝐿 . 𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑠𝑒𝑛²𝜃 −𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠²𝜃 −𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑠𝑒𝑛²𝜃 𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑠𝑒𝑛²𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 𝑠𝑒𝑛²𝜃 KG = 200.106 .(5800.10−6) 10 . 0,6² 0,6.0,8 −0,6² 0,8.0,6 0,8² −0,8.0,6 −0,6² −0,8.0,6 −0,6.0,8 −0,8² 0,6² 0,8.0,6 −0,6.0,8 −0,8² 0,6.0,8 0,8² P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura - Cálculo para o elemento 1 KG = 𝐸𝐴 𝐿 . 𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑠𝑒𝑛²𝜃 −𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠²𝜃 −𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑠𝑒𝑛²𝜃 𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑠𝑒𝑛²𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 𝑠𝑒𝑛²𝜃 X Y Nó inicial X Y X Y Nó final X Y Graus de liberdade: Nó inicial Nó final P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura - Cálculo para o elemento 1 P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura - Cálculo para o elemento 1 0 0 Nó 1 0 0 1 2 Nó 4 1 2 Graus de liberdade: Nó 1 Nó 4 KG = 1,16.105. 0,6² 0,6.0,8 −0,6² 0,8.0,6 0,8² −0,8.0,6 −0,6² −0,8.0,6 −0,6.0,8 −0,8² 0,6² 0,8.0,6 −0,6.0,8 −0,8² 0,6.0,8 0,8² Pedaço da matriz de rigidez da estrutura devido ao elemento 1 [S1] P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura - Cálculo para o elemento 1 𝑆1 = 1,16.10 5. 0,6² 0,6.0,8 0,8.0,6 0,8² 𝑆1 = 41760 55680 55680 74240 Matriz de rigidez estrutural devido ao elemento 1 KG = 1,16.105. 0,6² 0,8.0,6 0,6.0,8 0,8² P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura Y X - Cálculo para o elemento 2 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 𝑋𝑓 − 𝑋𝑖 𝐿 𝑠𝑒𝑛𝜃 = 𝑌𝑓 − 𝑌𝑖 𝐿 𝐿 = (𝑋𝑓−𝑋𝑖) 2 + (𝑌𝑓−𝑌𝑖) 2 - Identificando as coordenadas: - Nó inicial: 2 𝑋2 = 6 𝑌2 = 0 - Nó final: 4 𝑋4 = 6 𝑌4 = 8 P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura - Cálculo para o elemento 2 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 𝑋4 − 𝑋2 𝐿 = 6 − 6 8 𝑠𝑒𝑛𝜃 = 𝑌4−𝑌2 𝐿 = 8−0 8 𝐿 = (𝑋4−𝑋2) 2 + (𝑌4−𝑌2) 2 = (6 − 6)2+(8 − 0)2= 64 - Coordenadas: 𝑋2 = 6 𝑌2 = 0 𝑋4 = 6 𝑌4 = 8 - Substituindo: 𝐿 =8 m 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 0 𝑠𝑒𝑛𝜃 = 1 P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura - Cálculo para o elemento 2 - Substituindo: 𝐿 =8 m𝑐𝑜𝑠𝜃 = 0 𝑠𝑒𝑛𝜃 =1 E = 200 GPa e A = 5800 mm2 KG = 𝐸𝐴 𝐿 . 𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑠𝑒𝑛²𝜃 −𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠²𝜃 −𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑠𝑒𝑛²𝜃 𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑠𝑒𝑛²𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 𝑠𝑒𝑛²𝜃 KG = 200.106 .(5800.10−6) 8 . 0 0 0 0 1 0 0 0 0 −1 0 0 0 −1 0 1 P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura - Cálculo para o elemento 2 KG = 𝐸𝐴 𝐿 . 𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑠𝑒𝑛²𝜃 −𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠²𝜃 −𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑠𝑒𝑛²𝜃 𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑠𝑒𝑛²𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 𝑠𝑒𝑛²𝜃 X Y Nó inicial X Y X Y Nó final X Y Graus de liberdade: Nó inicial Nó final P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura - Cálculo para o elemento 2 P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so KG = 1,45.105. 0 0 0 0 1 0 0 0 0 −1 0 0 0 −1 0 1 Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura - Cálculo para o elemento 2 0 0 Nó 2 0 0 1 2 Nó 4 1 2 Graus de liberdade: Nó 2 Nó 4 Pedaço da matriz de rigidez da estrutura devido ao elemento 2 [S2] P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura - Cálculo para o elemento 2 𝑆2 = 1,45.10 5. 0 0 0 1 𝑆2 = 0 0 0 145000 Matriz de rigidez estrutural devido ao elemento 2 KG = 1,45.105. 0 0 0 1 P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura Y X - Cálculo para o elemento 3 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 𝑋𝑓 − 𝑋𝑖 𝐿 𝑠𝑒𝑛𝜃 = 𝑌𝑓 − 𝑌𝑖 𝐿 𝐿 = (𝑋𝑓−𝑋𝑖) 2 + (𝑌𝑓−𝑌𝑖) 2 - Identificando as coordenadas: - Nó inicial: 3 𝑋3 = 0 𝑌3 = 8 - Nó final: 4 𝑋4 = 6 𝑌4 = 8 P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura - Cálculo para o elemento 3 𝑐𝑜𝑠𝜃= 𝑋4 − 𝑋3 𝐿 = 6 − 0 6 𝑠𝑒𝑛𝜃 = 𝑌4−𝑌3 𝐿 = 8−8 6 𝐿 = (𝑋4−𝑋3) 2 + (𝑌4−𝑌3) 2 = (6 − 0)2+(8 − 8)2= 36 - Coordenadas: 𝑋3 = 0 𝑌3 = 8 𝑋4 = 6 𝑌4 = 8 - Substituindo: 𝐿 =6 m 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 1 𝑠𝑒𝑛𝜃 = 0 P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura - Cálculo para o elemento 3 - Substituindo: 𝐿 = 6 m𝑐𝑜𝑠𝜃 = 1 𝑠𝑒𝑛𝜃 =0 E = 200 GPa e A = 5800 mm2 KG = 𝐸𝐴 𝐿 . 𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑠𝑒𝑛²𝜃 −𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠²𝜃 −𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑠𝑒𝑛²𝜃 𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑠𝑒𝑛²𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 𝑠𝑒𝑛²𝜃 KG = 200.106 .(5800.10−6) 6 . 1 0 −1 0 0 0 −1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura - Cálculo para o elemento 3 KG = 𝐸𝐴 𝐿 . 𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑠𝑒𝑛²𝜃 −𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠²𝜃 −𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑠𝑒𝑛²𝜃 𝑐𝑜𝑠²𝜃 𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐𝑜𝑠𝜃 −𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 −𝑠𝑒𝑛²𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃𝑠𝑒𝑛𝜃 𝑠𝑒𝑛²𝜃 X Y Nó inicial X Y X Y Nó final X Y Graus de liberdade: Nó inicial Nó final P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura - Cálculo para o elemento 3 P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so KG = 193.333 × 1 0 −1 0 0 0 −1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura - Cálculo para o elemento 3 0 0 Nó 3 0 0 1 2 Nó 4 1 2 Graus de liberdade: Nó 3 Nó 4 Pedaço da matriz de rigidez da estrutura devido ao elemento 3 [S3] P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura - Cálculo para o elemento 3 𝑆3 = 193.333 × 1 0 0 0 𝑆3 = 193.333 0 0 0 Matriz de rigidez estrutural devido ao elemento 3 KG = 193.333 × 1 0 0 0 P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo II: Matriz de Rigidez da Estrutura - Cálculo da Matriz de Rigidez da Estrutura [S] 𝑆3 = 193.333 0 0 0 Matriz de rigidez estrutural 𝑆1 = 41760 55680 55680 74240 𝑆2 = 0 0 0 145000 𝑆 = 𝑆1 + 𝑆2 + 𝑆3 𝑆 = 41760 55680 55680 74240 + 0 0 0 145000 + 193.333 0 0 0 𝑆 = 41760 + 0 + 193.3333 55680 + 0 + 0 55680 + 0 + 0 74240 + 1450000 + 0 𝑆 = 235.093 55680 55680 219.240 kPa.m P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Passo III: Deslocamento Nodal da Estrutura - Carga no nó 4 250 kN ) 60º 𝑷𝟏 𝑷𝟐 𝑃1 = 250 𝑐𝑜𝑠60° = 125𝑘𝑁 𝑃2 = 250 𝑠𝑒𝑛60° = 216,51𝑘𝑁 - Vetor carga no nó 4 𝑃 = 125 −216,51 𝑘𝑁 - Deslocamento nodal estrutural 𝑷 = 𝑺 . {𝒅} P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça 𝑃 = 125 −216,51 𝑘𝑁𝑷 = 𝑺 . {𝒅} 𝑆 = 235.093 55.680 55.680 219.240 kPa.m Substituindo: 125 −216,51 = 235.093 55.680 55.680 219.240 . 𝑑1 𝑑2 125 −216,51 = 235.093𝑑1 + 55.680𝑑2 55.680𝑑1 + 219.240𝑑2 Passo III: Deslocamento Nodal da Estrutura P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça De: temos125 −216,51 = 235.093𝑑1 + 55.680𝑑2 55.680𝑑1 + 219.240𝑑2 235.093𝑑1 + 55.680𝑑2 = 125 55.680𝑑1 + 219.240𝑑2 = −216,51 Eq. (1) Eq. (2) De (1): 𝑑1 = 125 − 55.680𝑑2 235.093 𝑑1 = 5,32.10 −4 − 0,237. 𝑑2 Em (2): 55.680(𝟓, 𝟑𝟐. 𝟏𝟎−𝟒 − 𝟎, 𝟐𝟑𝟕. 𝒅𝟐) + 219.240𝑑2 = −216,51 Passo III: Deslocamento Nodal da Estrutura P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça 55.680(5,32.10−4 − 0,237. 𝑑2) + 219.240𝑑2 = −216,51 29,6 − 1,32.104. 𝑑2 + 219.240𝑑2 = −216,51 𝑑2 = −216,51 − 29,6 2,06.105 = −1,19.10−3 𝑑2 = −1,19 mm Em 𝑑1 : 𝑑1 = 5,32.10 −4 − 0,237. 𝑑2 𝑑1 = 5,32.10 −4 − 0,237.(−𝟏, 𝟏𝟗. 𝟏𝟎−𝟑) 𝑑1 = 8,14.10 −4m 𝑑1 = 0,81 𝑚𝑚 Passo III: Deslocamento Nodal da Estrutura P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Formulação do MEF Através de um Elemento de Treliça Estrutura original Estrutura deformada 𝒅𝟏 = 𝟎, 𝟖𝟏𝒎𝒎 𝒅𝟐 = 𝟏, 𝟏𝟗𝒎𝒎 250 kN ) 60º Passo III: Deslocamento Nodal da Estrutura P ro fª L u cia H e le n a G . C a rd o so Exercícios de Revisão Profª Lucia Helena G. Cardoso P ro fª L u ci a H e le n a G . C a rd o so FIM
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