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1 SISTEMAS ESTRUTURAIS I Profª. Esp. Renata de Oliveira Marinho 2 SISTEMAS ESTRUTURAIS I PROFª. ESP. RENATA DE OLIVEIRA MARINHO 3 © 2023, Editora Prominas. Este livro ou parte dele não podem ser reproduzidos por qualquer meio sem Autoriza- ção escrita do Editor. Ficha catalográfica elaborada pela bibliotecária Melina Lacerda Vaz CRB – 6/2920. Diretor Geral: Prof. Esp. Valdir Henrique Valério Diretor Executivo: Prof. Dr. William José Ferreira Ger. do Núcleo de Educação a Distância: Profa Esp. Cristiane Lelis dos Santos Coord. Pedag. da Equipe Multidisciplinar: Profa. Me. Cristiane Lelis dos Santos Revisão Gramatical e Ortográfica: Profª. Débora Rith Costa Teixeira Revisão Técnica: Prof. Clélio Rodrigo Paiva Rafael Revisão/Diagramação/Estruturação: Bruna Luiza Mendes Lorena Oliveira Silva Portugal Design: Bárbara Carla Amorim O. Silva Daniel Guadalupe Reis Élen Cristina Teixeira Oliveira Maria Eliza Perboyre Campos 4 SISTEMAS ESTRUTURAIS I 1° edição Ipatinga, MG Editora Prominas 2023 5 Graduada em Engenharia Civil pela Universidade Federal Rural do Semi- -Árido (UFERSA), bacharelada em Ci- ência e Tecnologia na Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA). Especialista em cálculo estrutural e fundações pela Faculdade Integrada de Patos (FIP). Desenvolvi atividades junto a Empresa Júnior de Engenha- ria Civil da UFERSA, Pilares Engenha- ria Júnior, como Membro da Diretoria de Recursos Humanos e na execução de projetos. Fiz parte do programa de monitoria no ano de 2017. Atuei no GPE (Grupo de Pesquisa em Eletroquímica) com trabalhos sobre Galvanoplastia, do GEEP (Grupo de Engenharia de Es- truturas e Pavimentação) e desenvolvi pesquisa em patologias de estrutu- ras, principalmente, com estruturas de concreto armado. Participei de obras de energia eólica - obra LDB, amplia- ção de SE coletora e RMT- atuando no acompanhamento e gestão das atividades desenvolvidas para a am- pliação do parque eólico em Lagoa do Barro - PI. Também atuei como profes- sora substituta no IFPB - Campus Gua- rabira, lecionando no curso técnico em edificações. RENATA DE OLIVEIRA MARINHO Para saber mais sobre a autora desta obra e suas qua- lificações, acesse seu Curriculo Lattes pelo link : http://lattes.cnpq.br/2220076890879510 Ou aponte uma câmera para o QRCODE ao lado. 6 LEGENDA DE Ícones Trata-se dos conceitos, definições e informações importantes nas quais você precisa ficar atento. Com o intuito de facilitar o seu estudo e uma melhor compreensão do conteúdo aplicado ao longo do livro didático, você irá encontrar ícones ao lado dos textos. Eles são para chamar a sua atenção para determinado trecho do conteúdo, cada um com uma função específica, mostradas a seguir: São opções de links de vídeos, artigos, sites ou livros da biblioteca virtual, relacionados ao conteúdo apresentado no livro. Espaço para reflexão sobre questões citadas em cada unidade, associando-os a suas ações. Atividades de multipla escolha para ajudar na fixação dos conteúdos abordados no livro. Apresentação dos significados de um determinado termo ou palavras mostradas no decorrer do livro. FIQUE ATENTO BUSQUE POR MAIS VAMOS PENSAR? FIXANDO O CONTEÚDO GLOSSÁRIO 7 UNIDADE 1 UNIDADE 2 SUMÁRIO 1.1 Conceitos Introdutórios ..................................................................................................................................................................................................................................................................11 1.1.1 Força .......................................................................................................................................................................................................................................................................................................11 1.1.2 Momento ............................................................................................................................................................................................................................................................................................13 1.1.3 Condições de Equilíbrio da Estática ........................................................................................................................................................................................................................................15 1.2 Elementos Estruturais ....................................................................................................................................................................................................................................................................16 1.2.1 Elementos Lineares ........................................................................................................................................................................................................................................................................16 1.2.2 Elementos de Superfície .............................................................................................................................................................................................................................................................18 1.3 Sistemas Estruturais ......................................................................................................................................................................................................................................................................20 FIXANDO O CONTEÚDO ........................................................................................................................................................................................................................................................................23 2.1 Morfologia Das Estruturas .........................................................................................................................................................................................................................................................27 2.2 Estruturas Reticuladas ...............................................................................................................................................................................................................................................................29 2.3 Graus de Liberdade e Apoios .................................................................................................................................................................................................................................................31 2.3.1 Apoios ...............................................................................................................................................................................................................................................................................................31 FIXANDO O CONTEÚDO ........................................................................................................................................................................................................................................................................35 CONCEITOS FUNDAMENTAIS ESTUDO DAS ESTRUTURAS ISOSTÁTICAS UNIDADE 3 3.1 Topologia das Estruturas ..........................................................................................................................................................................................................................................................403.2 Estaticidade e Estabilidade .....................................................................................................................................................................................................................................................41 3.3 Reações ................................................................................................................................................................................................................................................................................................45 3.4 Cargas ..................................................................................................................................................................................................................................................................................................49 FIXANDO O CONTEÚDO .........................................................................................................................................................................................................................................................................51 ESTATICIDADE, ESTABILIDADE E CARGAS DAS ESTRUTURAS UNIDADE 4 4.1 Esforços Internos .............................................................................................................................................................................................................................................................................57 4.2 Princípio dos Trabalhos Virtuais ..........................................................................................................................................................................................................................................60 4.2.1 Deslocamentos virtuais ..............................................................................................................................................................................................................................................................61 4.3 Método da Carga Unitária para Cálculo dos Deslocamentos .....................................................................................................................................................................62 FIXANDO O CONTEÚDO .......................................................................................................................................................................................................................................................................66 CÁLCULO DOS DESLOCAMENTOS EM ESTRUTURAS ISOSTÁTICAS 5.1 Vigas Simples ....................................................................................................................................................................................................................................................................................70 5.2 Vigas Gerber .....................................................................................................................................................................................................................................................................................76 5.3 Treliças Planas .................................................................................................................................................................................................................................................................................82 5.3.1 Classificação de treliças quanto à formação ................................................................................................................................................................................................................83 5.3.2 Hipóteses para cálculo de treliças .....................................................................................................................................................................................................................................84 5.3.3 Notação para treliças ..............................................................................................................................................................................................................................................................85 5.4 Pórticos .................................................................................................................................................................................................................................................................................................86 FIXANDO O CONTEÚDO ........................................................................................................................................................................................................................................................................92 DIAGRAMAS DE ESFORÇOS INTERNOS EM ESTRUTURAS ISOSTÁTICAS UNIDADE 5 8 6.1 Cargas Móveis ..................................................................................................................................................................................................................................................................................98 6.2 Linhas de Influência ...................................................................................................................................................................................................................................................................100 6.3 Obtenção das Linhas de Influência para Estruturas Isostáticas ................................................................................................................................................................102 6.3.1 Viga engastada e livre ............................................................................................................................................................................................................................................................102 FIXANDO O CONTEÚDO.......................................................................................................................................................................................................................................................................104 RESPOSTAS DO FIXANDO O CONTEÚDO.......................................................................................................................................................................108 REFERÊNCIAS ..................................................................................................................................................................................................................109 LINHAS DE INFLUÊNCIA UNIDADE 6 9 UNIDADE 1 A unidade I apresenta os conceitos fundamentais para o estudo e análise de estruturas, essencialmente, as estruturas isostáticas. Nesta unidade você irá entender sobre a mecânica dos corpos, sobre efeitos que atuam nas estruturas como força e momento, bem como, sobre as condições de equilíbrio dela, com o estudo das equações da estática. Além disso, irá conhecer os elementos estruturais e os sistemas formados através deles. UNIDADE 2 A unidade II foca no estudo das estruturas isostáticas, proporcionando o entendimento sobre a morfologia das estruturas, bem como, sobre as estruturas reticuladas, o que são e como atuam. Além disso, há o estudo dos graus de liberdade e os apoios atrelados a estrutura isostática no plano. UNIDADE 3 Na unidade III será estudado a topologia das estruturas, citando os principais sistemas estruturais e seu comportamento. Também será estudado a respeito da estaticidade e estabilidade de estruturas, na qual se refere a uma estrutura ser ou não estaticamente determinada. Por fim, há o estudo das reações e os principais tipos de cargas que ocorrem nas estruturas. UNIDADE4 A unidade IV apresenta os esforços internos presentes nas estruturas isostáticas no plano, que são as forças e os momentos que atuam no interior de um elemento estrutural. Além disso, você estudara sobre o principal método de cálculo de deslocamento em estruturas, o Princípio dos Trabalhos Virtuais (PVT), utilizado na análise de deformações e deslocamentos de sistemas estruturais. UNIDADE 5 A unidade V apresenta os diagramas de esforços internos dos principais elementos e sistemas estruturais dentro do estudo da estática, em termos de cálculos e representações. Estes diagramas são essenciais na análise estrutural e ajudam no entendimento de como uma estrutura ou componente responde a cargas aplicadas. C O NF IR A NO LI VR O UNIDADE 6 A unidade VI aborda sobre a metodologia para o cálculo de estruturas por meio da linha de influência e cargas móveis. Apresenta-se os diagramas formados através da linha de influência e das cargas móveis, bem como, sua importância. 10 CONCEITOS FUNDAMENTAIS 11 1.1 CONCEITOS INTRODUTÓRIOS Pode-se entender como análise estrutural aquela que, dentro da Mecânica, estuda as estruturas com o foco em determinar esforços e deformações que elas são submetidas quando expostas a efeitos externos, como por exemplo, as cargas, variações térmicas, movimentação dos apoios, dentre outros (Sussekind, 1981). De acordo com Soriano (2013), o estudo da Mecânica pode ser dividido em: • Mecânica dos Corpos Rígidos, na qual abrange a parte estática e dinâmica; • Mecânica dos Corpos Deformáveis, na qual abrange a parte estática e dinâmica; • Mecânica dos Fluídos, na qual envolve os incompressíveis e compressíveis. Ainda de acordo com Soriano (2013), um corpo rígido é uma idealização onde assumimos que todas as partes do corpo mantêm suas posições relativas, independentemente das forças externas aplicadas. Em outras palavras, não consideramos deformações no corpo rígido. Um exemplo de aplicação desse conceito é ao analisar a equação de equilíbrio de uma viga, em que, muitas vezes consideramos a viga como um corpo rígido para determinar as reações nos apoios. Assumimos que não há deformação na viga, mesmo que, na realidade, todas as estruturas deformem sob a ação de cargas. Já a ideia de um corpo deformável pressupõe que as posições relativas aos seus componentes mudam infinitamente em resposta às forças exercidas sobre ele, dependendo das características da matéria de que é feito. No entanto, quando a deformação de um corpo é tão pequena que não afeta significativamente o resultado macroscópico das forças que atuam sobre ele, é razoável utilizar uma abordagem de um corpo rígido. As estruturas são compostas por uma ou mais peças, nas quais são ligadas entre si e ao meio externo buscando formar um componente estável. Tais peças que compõem as estruturas, podem ser de três tipos, sendo eles: • Duas dimensões menores em relação à terceira; • Uma dimensão menor em relação as outras duas; • As três dimensões são consideráveis. O primeiro caso, é o que ocorre na maioria das estruturas do dia a dia, a dimensão principal é o comprimento da peça, enquanto as outras duas dimensões se encontram no plano perpendicular a ele, que representa a seção transversal da peça. Essas peças são conhecidas como barras (Sussekind, 1981). O segundo caso, representa estruturas determinadas como cascas, placas, na qual possuem uma espessura pequena em relação a superfície da peça, sendo a superfície plana para as placas e curvas para as cascas. O terceiro caso, envolve estruturas do tipo bloco, como as barragens (Sussekink, 1981). Os tipos de estruturas mais estudadas neste curso de análise estrutural será as do tipo barras, mas também será visto alguns tópicos sobre os elementos do tipo cascas e placas. 1.1.1 Força A força é o produto da interação entre dois corpos e, consequentemente, sempre se manifesta em pares de ação e fato, conforme estipulado pela terceira lei de Newton. 12 Essa propriedade tem uma natureza abstrata, uma vez que não pode ser observada diretamente nem registrada, sendo possível apenas identificar os efeitos que produz (Soriano, 2013). A compreensão do conceito de força é bastante intuitiva: podemos aplicar uma força a um objeto por meio de um esforço muscular, uma locomotiva aplicar força aos vagões que ela puxa, uma mola esticada gera forças nas peças que estão em suas extremidades, e assim por diante. Em todos esses exemplos, o corpo que aplica a força está em contato direto com aquele sobre o que a força é exercida, portanto, são consideradas forças de contato. A força de contato é distribuída uniformemente na superfície em que atua entre dois corpos, sendo também conhecida como força de superfície. No entanto, quando essa superfície é pequena e por questões de simplificação, essa força é considerada frequentemente como uma resultante aplicada no ponto médio de sua distribuição, deliberadamente uma força técnica (Almeida, 2009). Para operações práticas, a resultante dessas forças é frequentemente utilizada, como no caso do campo gravitacional, em que a resultante é chamada de peso. Considerando esse campo como constante, o ponto onde essa força atua, conhecido como centro de gravidade, coincide com o centro de massa do corpo. Em um corpo de material homogêneo, esse ponto coincide com o centroide ou centro geométrico do corpo. A força pode ser representada pela equação a seguir e devido a mesma ser uma grandeza vetorial, deve-se ser usada em negrito como F. onde m é a massa e a é o vetor aceleração e “a” é a intensidade da aceleração. F = m a → F = ma Figura 1: Grandeza vetorial força Fonte: Soriano (2013) A força é uma grandeza vetorial e possui direção, sentido e intensidade. E dentro do cál- culo estrutural uma das principais forças estudadas é o peso de um corpo, isto é, a for- ça que está sendo exercida sobre uma massa pela ação da gravidade. Diferentemente das grandezas escalares, que são descritas apenas por sua magnitude (intensidade), as grandezas vetoriais, como a força, têm tanto magnitude quanto direção. No caso da força, a grandeza vetorial é representada pela aceleração, possuindo além de sua inten- sidade, uma direção e um sentido específico. FIQUE ATENTO 13 Para melhor entender a determinação de forças aplicadas na prática, vamos resolver o seguinte exemplo: duas lanchas rebocam um barco de passageiros que se encontra com problemas em seus motores. Sabendo-se que a força resultante é igual a 30kN, encontre suas componentes nas direções AC e BC. Para resolver esse problema, deve-se usar a regra do paralelogramo, isto é, construir um triângulo de vetores que envolva as forças atuantes nos cabos CA e CB e a força resultante, para que seja possível identificar as incógnitas do problema. 1.1.2 Momento O momento de uma força em relação a um ponto (ou eixo) é a grandeza física que quantifica a capacidade daquela força em traduzir rotação em torno desse ponto (ou eixo). Esse conceito também é conhecido como torque (Mello, 2017). O momento pode ser representado pela equação a seguir: Em seguida, através da aplicação da lei dos senos, determina-se os módulos das forças atuantes em cada um dos cabos CA ou CB da seguinte forma: Resolvendo para Fcb tem-se que: Resolvendo para Fca, tem-se que: 𝐹𝑅 sin 110° = 𝐹𝐶𝐴 sin 40° = 𝐹𝐶𝐵 sin 30° 𝐹𝐶𝐴 = 𝐹𝑅 sin 40° sin 110° = 30 � sin 40° sin 110° 𝐹𝐶𝐴 = 20,52 𝑘𝑁 𝐹𝐶𝐵 = 𝐹𝑅 sin 30° sin 110° = 30 � sin 30° sin 110° 𝐹𝐶𝐵 = 15,96 𝑘𝑁 14 𝑀 = 𝐹 × 𝑑 Onde: M é o momento ou momento de força (geralmente expresso em Newton-metro, N·m). F é a magnitude da força aplicada (em Newtons, N). d é a distância perpendicular da linha de ação da força até o ponto ou eixo em questão (em metros, m). Essa distância é frequentemente referida como "braço de alavanca" ou "moment arm". Para melhor entender sobre o momento, Sussekind (1981), analisa a Figura 2 a seguir. É evidente que o peso necessário paracontrabalançar a tendência de rotação da barra em torno do ponto de apoio C deve ser inferior a 10 kg, uma vez que ele esteja mais distante de C do que o ponto de aplicação da força; após algumas tentativas, constatamos que seu valor ideal é de 5 kg. Este exemplo simples foi selecionado para ilustrar que a influência de uma força na rotação de um objeto em torno de um ponto depende tanto da magnitude da força quanto de sua distância ao ponto de rotação, sendo diretamente proporcional a ambos. Portanto, se desejarmos criar uma medida física que represente a tendência de rotação provocada por uma força em torno de um ponto, essa grandeza deve ser uma função tanto da força aplicada quanto da distância ao ponto de rotação. Embora o "Torque" e o "momento" sejam termos que frequentemente são usados de ma- neira intercambiável em alguns contextos, em uma análise mais rigorosa, eles têm nu- ances diferentes, dependendo do contexto em que são aplicados. Em mecânica bási- ca o Torque é geralmente usado para descrever a capacidade rotacional causada por uma força em sistemas mecânicos, como em motores. Por exemplo, o torque de um mo- tor descreve quão poderosamente ele pode girar. Momento (ou Momento de Força) é a grandeza vetorial que quantifica a tendência de uma força em fazer um objeto girar em torno de um ponto ou eixo. FIQUE ATENTO Figura 2: Estrutura apresentando o efeito do momento Fonte: Sussekind (1981) 15 1.1.3 Condições de equilíbrio da estática A estática é o estudo das forças que mantém um corpo em equilíbrio. Para estudar o equilíbrio de um corpo, primeiramente, é necessário conhecer os tipos de apoio e as forças de reação que cada apoio exerce sobre a estrutura. Dentro do estudo da estática, temos o equilíbrio estático, onde o corpo rígido se encontra em equilíbrio estático, quando está em repouso. Ou seja, quando as condições as seguirem são satisfeitas: • Equilíbrio de forças (impedir o deslocamento); • Equilíbrio de momentos (impedir a rotação). Isto é, o somatório dos momentos e das forças é igual a zero, como pode ser visto abaixo. Além disso, temos o equilíbrio estático tridimensional que retrata das forças e momentos no espaço tridimensional. São chamadas de equações de equilíbrio e podem ser decompostas em 6 equações escalares dentro da estática, como visto na Figura 3. No campo da engenharia, com frequência, as forças sobre um corpo rígido (forças externas) podem ser representadas por um sistema de forças coplanares, o que implica que elas se encontrem no mesmo plano, em um espaço bidimensional. Isso resulta em apenas três equações escalares de estática. Figura 3: Equações escalares da estática Fonte: Slide da disciplina Teoria das Estruturas I (IFPB) O momento é uma grandeza importante dentro do estudo da análise estrutural, além disso, ele possui diversas propriedades que são cruciais para entender seus efeitos nas estruturas. Sugiro que faça a leitura dessas propriedades e en- tendam como funciona o momento nas estruturas no tópico 2 do livro de Sus- sekind (1981). Disponível em: https://shre.ink/TroK.Acesso em: 10 nov 2023. BUSQUE POR MAIS �𝑀𝑜 � � = 0 �𝐹 � � = 0 16 Figura 4: Sistema de forças coplanares (a) e equações bidimensionais do equilíbrio estático (b) Fonte: Sussekind (1981) Para melhor entender os conteúdos abordados acima, vamos para um exemplo sobre eles. Exemplo aplicado: Calcule o momento resultante em relação ao ponto O. O momento é a força vezes o deslocamento. - Considerando o sentido anti-horário positivo, o Mr (momento resultante) é: Usando o somatório de forças e de momento igual a zero, vamos ter que: 𝑀𝑜 = 𝐹.𝑑 𝑀𝑟 = 10 � 4 − 20 � 2 − 30 � 3 𝑀𝑟 = − 90 𝑁 1.2 ELEMENTOS ESTRUTURAIS De acordo com Gilbert, Leet e Uang (2014), as estruturas foram concebidas como a combinação de elementos estruturais fundamentais, categorizados e caracterizados com base em sua forma geométrica e sua função na estrutura, incluindo: Elementos lineares; Elementos de superfície. 1.2.1 Elementos lineares As estruturas compostas por uma ou mais barras são conhecidas como estruturas lineares. Cruciais na indústria da construção, destacam-se nessa categoria as vigas, pilares, treliças, arcos, pórticos, entre outros. Por exemplo, em edifícios de concreto armado, as vigas sustentam as cargas de lajes e paredes e são reforçadas por pilares 17 Figura 5: Elemento viga Fonte: Disponível em: https://shre.ink/TrpI. Acesso em: 02 nov 2023 Figura 6: Elemento Pilar Fonte: Disponível em: https://shre.ink/TrsF. Acesso: 02 nov 2023. que transferem essas cargas para as fundações (SALES; MALITE; GONÇALVES, 2020). As treliças, que podem ser feitas de madeira, aço ou alumínio, são amplamente utilizadas em coberturas. As estruturas de barra, que podem ser planas ou tridimensionais dependendo da configuração de seus elementos, são estudos com base em situações específicas na Resistência dos Materiais e na Estática das Construções, levando em consideração os aspectos específicos de cada uma. A seguir, são apresentadas as definições de alguns elementos estruturais e das principais estruturas lineares (SALES; MALITE; GONÇALVES, 2020). De acordo com Edmungo, Guimarães e Rojas (2018), os elementos estruturais que têm um comprimento longitudinal pelo menos três vezes maior do que a maior dimensão de sua seção transversal são categorizados como barras. Eles recebem designações específicas com base em sua função estrutural, tais como: Vigas: elementos lineares em que a flexão é o esforço preponderante (Figura 5). Pilares: Elementos lineares de eixo reto, usualmente dispostos na vertical, em que as forças normais de compressão são preponderantes (Figura 6). Tirantes: Elementos lineares de eixo reto em que as forças normais de tração são preponderantes (Figura 7). 18 Figura 7: Elemento tirante Fonte: Disponível em: https://shre.ink/Trs9. Acesso em: 02 nov 2023. Figura 8: Elemento arco Fonte: Disponível em: https://shre.ink/TrE2. Acesso em: 02 nov 2023 Arcos: Esses são elementos lineares que possuem eixos curvos e estão principalmente sujeitos a forças de revisão normais, podendo ou não ser afetados simultaneamente por esforços de flexão, com todas as ações planejadas dentro de seu plano (Figura 8). 1.2.2 Elementos de Superfície As estruturas de superfície, são caracterizadas pela sua superfície média e pela variação da sua espessura. Dentre elas, destacam-se as placas, chapas e cascas. As cascas são comumente utilizadas em coberturas de grandes vãos e em reservatórios, enquanto as placas litoides (lajes) são frequentemente atingidas em pisos de edifícios residenciais. O estudo dessas estruturas, mais complexo do que o das estruturas lineares, é limitado por teorias específicas, como a Teoria das Placas, a Teoria das Chapas e a Teoria das Cascas, que resultam de simplificações adequadas da Teoria da Elasticidade (SALES; MALITE; GONÇALVES, 2020). Na Figura 9 pode-se observar alguns exemplos desse tipo de elementos. 19 Figura 9: Exemplos de elementos de superfície Fonte: Sales, Malite e Gonçalves (2020) Figura 10: Elemento do tipo placa Fonte: Disponível em: https://shre.ink/TrEB. Acesso em: 02 nov 2023. Figura 11: Elemento do tipo chapa Fonte: Disponível em: https://shre.ink/Tr0E. Acesso em: 03 nov 2023. Placas: Estes são elementos de superfície plana que estão sujeitos principalmente às forças normais em seu próprio plano. As placas feitas de concreto são frequentemente chamadas de lajes. Placas com uma espessura que excede 1/3 do vão devem ser tratadas como placas espessas durante o estudo estrutural (Figura 10). Chapas: São elementos de superfície plana que estão principalmente sujeitos a forças contidas em seu próprio plano. As chapas de concreto, quando o vão é inferior a três vezes a maior dimensão da seção transversal, são comumente referidas como vigas-parede (Figura 11). 20 Cascas: Elemento de superfície não plana (Figura 12). Figura 12: Elemento do tipochapa Fonte: Disponível em: https://shre.ink/Tr0K. Acesso em: 04 nov 2023. 1.3 SISTEMAS ESTRUTURAIS Agora que já entendemos sobre os elementos estruturais, vamos retratar sobre os sistemas estruturais que são formados a partir dos elementos, isto é, os elementos estruturais combinam entre si para formarem os sistemas estruturais. A integração dos elementos lineares principais, como pilares e vigas, constitui os sistemas estruturais mais comuns. Esses sistemas podem ser categorizados como lineares, planos e espaciais. Sistemas lineares São aqueles compostos por vigas simples, vigas contínuas, vigas contínuas rotuladas (vide Figura 13). Sistemas Planos Os sistemas planos são os pórticos, arcos, treliças, grelhas, vigas-balcão, dentre outros (Figura 14). Um elemento estrutural é um componente individual de uma estrutura, como uma viga ou coluna, responsável por desempenhar uma função específica na resistência e transfe- rência de cargas. Já um sistema estrutural refere-se ao conjunto de elementos estruturais interconectados que, juntos, trabalham para suportar e transferir cargas coletivamente para as fundações. Enquanto um elemento foca em funções individuais, um sistema con- sidera a interação e cooperação entre esses elementos. FIQUE ATENTO Figura 13: Viga contínua Fonte: Disponível em: https://shre.ink/TrDT. Acesso em: 04 nov 2023. 21 Sistemas Espaciais Os sistemas espaciais são suportados em duas estruturas funcionais. Um exemplo comum são as estruturas de edifícios, compostas por pórticos espaciais de vários andares e múltiplos andares. Sistemas de elementos de superfície Os elementos individuais de superfície podem compor sistemas estruturais planos, como um pilar-parede ou o tabuleiro de uma ponte em laje. As paredes e lajes podem ser de concreto sólido ou com vazios, com altura constante ou variável. Na Figura 16 podemos observar a seção usual de ponte biapoiada. Os elementos de superfície frequentemente estão associados a elementos lineares. Quando uma laje é combinada com vigas, ela desempenha três funções distintas: Função de laje: age como suporte direto para as cargas aplicadas. Função de mesa de viga T: quando conectada monoliticamente a uma viga, a laje funciona como a mesa de uma viga em forma de T, absorvendo as emendas normais de emendas elaboradas por correções de flexão. Função de disco horizontal: devido à sua dificuldade em seu próprio plano, a laje conecta as cabeças das colunas e distribui as forças horizontais resultantes (geralmente causadas pelo vento) entre elas. Figura 14: Pórtico plano Fonte: Sales, Malite e Gonçalves (2020) Figura 15: Pórtico Espacial Fonte: Sales, Malite e Gonçalves (2020) 22 Figura 16: Seção de ponte biapoiada Fonte: Disponível em: https://shre.ink/Trh0. Acesso em: 04 nov 2023. Analisando o conteúdo abordado e os diferentes elementos estruturais, bem como, sis- temas estruturais, reflita sobre o seguinte questionamento: como a compreensão dos di- ferentes tipos de sistemas estruturais pode influenciar o projeto e a estabilidade de uma estrutura em particular? Isso mesmo! A compreensão dos sistemas estruturais é crucial para a segurança e eficiência de uma estrutura. A escolha correta do sistema influencia a otimização do uso de materiais, adaptação ao ambiente (como áreas sísmicas ou ven- tosas) e facilita a integração com outros aspectos da construção. Além disso, pode afetar o tempo e o custo da construção. VAMOS PENSAR? 23 FIXANDO O CONTEÚDO 1. Acerca das peças que compõem as estruturas é sabido que elas possuem três dimensões e podem ocorrer três casos: I) Duas dimensões menores em relação à terceira; II) Uma dimensão menor em relação as outras duas e III) As três dimensões são consideráveis. Assinar a alternativa correta que apresenta, respectivamente, exemplos dos três tipos de casos apresentados. a) Barragem, barra, chapa. b) Bloco, folha, cascas. c) Barra, placas, bloco. d) Casca, barra, bloco. e) Lâminas, barragem, casca. 2. As condições de equilíbrio garantem o equilíbrio estático de qualquer porção isolada da estrutura ou da estrutura como um todo. É de suma importância que um corpo esteja em equilíbrio, de modo a garantir a segurança, durabilidade e funcionalidade da estrutura. Dizemos que um corpo está em equilíbrio quando: a) Não há forças atuando sobre ele. b) Somente a resultante vetorial das forças sobre o corpo é nula. c) Somente a resultante vetorial do torque sobre o corpo é nula. d) Não há torque sobre o corpo. e) A resultante vetorial de forças e a resultante vetorial do torque sobre o corpo são nulas. 3. (IF-GO). O móbile é um modelo abstrato que tem peças móveis, impulsionadas por motores ou pela força natural das correntes de ar. Suas partes giratórias criam uma experiência visual de dimensões e formas em constante equilíbrio. A figura a seguir representa um tipo de móbile. Para que o equilíbrio do móbile ocorra, é necessário e suficiente que a) as massas penduradas nas extremidades de cada haste sejam iguais. b) a força resultante e o torque sobre cada uma das hastes sejam nulos. c) a força resultante sobre cada haste seja nula. d) o torque jamais seja nulo. e) haja conservação da energia mecânica. 24 4. É sabido que a força é o produto da interação entre dois corpos, conforme estipulado pela terceira lei de Newton. E que o momento de uma força em relação a um ponto é a grandeza física que quantifica a capacidade daquela força em traduzir rotação em torno desse ponto. Analise as afirmações a respeito do momento de uma força. I. O torque é uma grandeza escalar relacionada com a rotação de um sistema. II. A força necessária para girar uma porta seria maior se a maçaneta fosse instalada próximo das dobradiças. III. A única condição de equilíbrio existente está relacionada com a rotação de um sistema. Sendo assim, se a soma de todos os torques que atuam em um sistema for nula, haverá equilíbrio. Está correto o que se afirma em: a) I e II b) II e III c) III d) II e) I 5. Os conceitos de força e momento são fundamentais para mecânica das estruturas. Analise as afirmações a respeito das grandezas fundamentais força e momento e assine a alternativa correta. I. Força é qualquer agente externo que modifica o movimento de um corpo livre ou causa deformação num corpo fixo. II. A força é uma grandeza escalar, pois para ser definida necessita se conhecer: Intensidade, direção e sentido. III. O momento representa a tendência de rotação, em torno de um ponto, provocada por uma força. IV. O momento é uma grandeza vetorial. Está correto o que se afirma em: a) I e IV. b) II e III. c) I e III. d) I, III e IV. e) I, II, III e IV. 6. (CEBRASPE- 2012). Considerando viga isostática, biapoiada e submetida a carregamento distribuído uniformemente, assinale a opção correta. a) O momento fletor é constante em toda a viga. b) Nos apoios da viga, a reação tem o mesmo sentido do carregamento. c) A viga possui momento fletor máximo próximo aos apoios. d) O momento fletor máximo ocorre no meio da viga. 25 e) A viga está sujeita a momentos torsos e esforços cortantes. 7. (UFRS). A figura abaixo mostra uma régua homogênea em equilíbrio estático, sob a ação de várias forças. Quanto vale a intensidade da força F, em Newtons (N)? a) 1 b) 2 c) 2,5 d) 3 e) 5 8. (FAUEL- 2023). Vigas isostáticas são elementos estruturais unidimensionais, também chamadas de barras, submetidas a esforços de flexão, de cisalhamento e, em alguns casos, axiais. Estas barras servem normalmente como suporte para outros elementos estruturais, tais como as lajes, ou ainda como apoio de paredes. Diante disso, para a viga isostática de 7 metros de comprimento a seguir, submetida aos carregamentos indicados no desenho, o valor do momento fletor nos pontos B e C são, em módulo, respectivamente e aproximadamente, iguais a: a) 87,9 kNm e 0,0 kNm. b) 87,9 kNm e 15,0 kNm. c) 75,0 kNm e 0,0 kNm. d) 81,7 kNm e 0,0 kNm. e) 81,7 kNm e 15,0 kNm. 26 ESTUDO DAS ESTRUTURASISOSTÁTICAS 27 2.1 MORFOLOGIA DAS ESTRUTURAS Uma estrutura é composta por um conjunto de componentes interligados, específicos para suportar cargas. Esses componentes são chamados de elementos estruturais e se subdividem em vários tipos, cada um com características e comportamentos específicos. Geometricamente e dimensionalmente, os elementos estruturais podem ser classificados como unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais (Adorna, 2017). A morfologia das estruturas envolve o estudo dos tipos de estruturas e os sistemas que elas fazem parte. Já foi abordado na unidade anterior sobre esse conteúdo e aqui iremos apenas retratar brevemente sobre alguns elementos. Como citando anteriormente, os elementos estruturais podem ser do tipo unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais. Os elementos unidimensionais são aqueles conhecidos com elementos lineares e em estática, um elemento unidimensional é um componente ou uma parte de uma estrutura que é representado como uma linha reta. É uma simplificação da estrutura real que tem apenas uma dimensão, geralmente ao longo de um eixo. Na maioria dos casos, um elemento unidimensional é usado para representar vigas, pilares ou outros componentes estruturais lineares em análises de engenharia. Ele é considerado como um ponto ou uma linha com suas propriedades, como massa, rigidez e carga, concentradas em um único eixo. O uso de elementos unidimensionais facilita a modelagem e análise de estruturas mais complexas, permitindo a aplicação de conceitos simplificados da mecânica dos sólidos (Soriano, 2010). Além disso, eles podem ser do tipo tirantes, colunas e etc. No Quadro 1 está abordado sobre esses elementos. Elemento estrutural Definição e aplicações Tirantes Os tirantes, conhecidos como cabos de suspensão ou barras de contraventamento, são elementos alongados sujeitos às forças axiais de tração. Apesar de possuírem componentes transversais estreitos, eles são capazes de suportar cargas consideráveis, de- pendendo do material do que são feitos. A geometria dos frascos transversais dos tirantes pode variar, com formatos comuns como pressas, barras, cantoneiras e canais. Colunas As colunas, também conhecidas como pilares, são elementos line- ares sujeitos a forças axiais. A capacidade de carga das colunas varia dependendo do tipo de contenção em suas extremidades. Por exemplo, uma coluna com uma extremidade fixa e a outra livre tem uma capacidade de carga quatro vezes menor do que uma coluna com ambas as extremidades livres. Na prática, as colunas podem estar sujeitas a momentos de fle- xão, devido à ligeira curvatura inicial das colunas ou à presença de excentricidades na carga aplicada. Portanto, é importante que o projetista leve esses fatores em consideração. Quando pilares e vi- gas são rigidamente conectados, como em estruturas de concreto armado ou por meio de elementos soldados, eles também podem transmitir momentos de flexão, sendo então chamados de vigas- -colunas. 28 Vigas As vigas são componentes lineares sujeitas a cargas perpendicu- lares ao seu eixo longitudinal, provocando deformações suaves no elemento estrutural. Essas cargas resultaram em forças internas de cisalhamento (V) e momentos de flexão (M) que atuam na seção transversal da viga. Quadro 1: Elementos unidimensionais Fonte: Adaptado de Adorna (2017) Os principais sistemas estruturais que envolvem os elementos bidimensionais são os cabos, arcos, treliças, pórticos e grelhas. No Quadro 2, podemos observar as principais aplicações, características e as representações que envolvem esses sistemas. Sistema estrutural Características e aplicações Representação Cabos Os cabos são estruturas flexíveis que supor- tam forças axiais de tração. São formados por vários fios de aço de alta resistência, que são mecanicamente trançados. Sua aplicação primária ocorre na construção de pontes. Além de abranger grandes vãos, os cabos também se destacam devido às suas dimensões compactas e ao peso reduzido em comparação com outros ele- mentos estruturais. Arcos Geralmente, os arcos são estruturas que suportam apenas compressão axial. O comportamento do arco é simetricamen- te inverso aos cabos, no entanto, deve ser composto por elementos rígidos que pre- servam a forma da estrutura. Portanto, os arcos podem ser expostos a cargas secun- dárias de cisalhamento e momento, e de- vem ser considerados na análise do projeto. Eles são frequentemente empregados na construção de pontes, tetos abobadados e aberturas em paredes de alvenaria. Pórticos Os pórticos, também conhecidos como vigas-pilares, são estruturas sólidas for- madas pela interação entre vigas e pila- res. Geralmente, os pórticos estão sujeitos a propostas axiais de atração e variação, bem como momentos de flexão. Em estruturas de concreto, a restrição das ligações é uma consequência da nature- za monolítica do material. Nas estruturas de aço, as ligações são determinantes por meio de parafusos ou soldagem. Os pórti- cos são divididos em categorias de planos e espaciais. Os pórticos planos são com- postos por elementos alinhados em um único plano, enquanto os pórticos espaciais têm seus componentes alinhados em três dimensões. 29 As estruturas unidimensionais e seus sistemas são o foco principal dessa disciplina e, como já retratado, na unidade anterior já foi apresentado sobre os três tipos de estruturas e seus sistemas. Treliças As treliças são estruturas compostas pela ligação de barras finas e estrados, muitas vezes organizadas em padrões triangula- res. Durante o processo de projeto, as cone- xões entre as barras são assumidas como sem atrito, e as cargas são aplicadas ex- clusivamente em nós da treliça. Portanto, a treliça está sujeita apenas a esforços axiais de tração e tração, que atuam axialmente em cada barra que compõe o elemento estrutural. As treliças podem ser categorizadas como planas e espaciais. Treliças planas con- sistem em elementos alinhados no mes- mo plano, frequentemente aplicadas na construção de pontes e telhados. Por outro lado, treliças espaciais são compostas por elementos distribuídos em três dimensões, sendo observadas para uso em guindastes e torres. Grelhas As grelhas são estruturas planas formadas por vigas, com conexões que podem ser rí- gidas ou articuladas. Elas apresentam uma configuração de malha, na qual as cargas são aplicadas de forma perpendicular ao plano da estrutura. Quadro 2: Sistemas estruturais com elementos unidimensionais Fonte: Adaptado de Adorna (2017) 2.2 ESTRUTURAS RETICULADAS As estruturas reticuladas são aquelas formadas por elementos estruturais lineares, onde pode-se dizer que uma estrutura reticulada é plana quando suas barras se mostram em um plano central coincidente com o plano médio da estrutura, além disso, os esforços externos estarão contidos ou no plano médio, como em vigas poligonais e pórticos planos ou atuam perpendicularmente a ele, como as grelhas (NETO, 2011). Para entender melhor o conceito de estruturas reticuladas, vamos retratar sobre os conceitos de barra, nó e trecho. De acordo com Neto (2011), a barra é um elemento sólido gerado por uma figura O plano central é aquele definido pelo eixo longitudinal da barra e um dos eixos centrais- -principais da seção transversal. FIQUE ATENTO 30 plana, que não precisa ser constante, mas que se desloca no espaço permanecendo normal à trajetória de seu baricentro, como podemos ver na Figura 17. Além disso, o lugar geométrico dos pontos que são ocupados pelo baricentro da figura plana é conhecido pelo eixo longitudinal da barra. Os pontos de interseção entre os planos normais ao eixo e o sólido gerado definem-se como trechos transversais da barra, que são específicos à figura plana para um ponto arbitrário do eixo. Os termos "reta" e "curva" são usados para descrever barras com eixos retos e curvos, respectivamente. Uma barra com seção transversal constante e eixo reto é conhecida como barraprismática. Os trechos são definidos como um segmento de barra delimitado pela seção transversal nas quais atendem as seguintes condições: Insere-se uma nova barra, ou uma articulação, dentre outros; Altera-se a equação que rege a posição do eixo da barra; Introduz-se uma carga concentrada; Interrompe-se um carregamento distribuído. O nó pode ser dito como o ponto de encontro entre duas ou mais barras. Os nós podem ser do tipo articulados ou rígidos, os articulados são aqueles que permitem rotações relativas entres as extremidades das barras, caso contrário eles são rígidos. Figura 17: Eixo e seção transversal de uma barra (a) genérica e (b) prismática Fonte: Neto (2011) Figura 18: Delimitação das seções extremas dos trechos Fonte: Neto (2011) As estruturas reticuladas, como pode-se observar, são muito usuais e notamos as mesmas constantemente. Para aprimorar seu conhecimento sobre as estru- turas isostáticas, leia o artigo intitulado por Modelagem e Análise De Estruturas Reticuladas, disponível no link: https://shre.ink/TrxZ.Acesso em: 12 nov 2023. BUSQUE POR MAIS 31 Figura 19: Apoio com 5 graus de liberdade Fonte: Sussekin (1981) 2.3 GRAUS DE LIBERDADE E APOIOS Entendemos que a ação estática de um sistema de forças no espaço, em relação a um ponto específico, equivale à sua resultante e ao seu momento resultante em relação a esse ponto. A primeira gera uma tendência de translação, enquanto a segunda provoca uma tendência de rotação. No espaço, uma translação pode ser descrita pelos seus componentes ao longo de três eixos ortogonais, e uma rotação pode ser expressa como o resultado de três rotações, cada uma ao redor de um desses eixos. Consequentemente, uma estrutura no espaço possui um total de 6 graus de liberdade (3 para translações e 3 para rotações, ao longo de três eixos ortogonais) (SUSSEKIND, 1981). Ainda de acordo com Sussekind (1981), é evidente que esses 6 graus de liberdade devem ser limitados para evitar qualquer movimento na estrutura, garantindo assim seu equilíbrio. Essa restrição é alcançada por meio de apoios, que impedem diferentes tipos de movimento ao gerar reações que se opõem às tendências de movimento específicas que eles restringem. Essas soluções de suporte contrabalançam as cargas aplicadas à estrutura, formando um sistema de forças em equilíbrio. 2.3.1 Apoios A principal função dos apoios é limitar os graus de liberdade nas estruturas, resultando em respostas que contrapõem os movimentos restringidos. Esses apoios podem ser classificados com base em nenhum número de graus de liberdade permitidos (ou nenhum número de movimentos restritos), resultando em seis tipos diferentes (ou seja, permitindo 5, 4, 3, 2, 1 ou nenhum grau de liberdade) (SUSSEKIND, 1981). Para facilitar o entendimento, considere o suporte representado na Figura 20, onde a estrutura está apoiada em uma esfera perfeitamente lubrificada. O único movimento que será restrito é a translação na direção vertical Oz, resultando na ocorrência de uma reação Rz incidente sobre a estrutura. Esse tipo de suporte é denominado como um apoio de 5 graus de liberdade (ou com 1 movimento restrito). Considere agora o suporte na Figura 21, composto por três esferas interligadas por três hastes, formando um conjunto rígido. Nesse caso, além da translação na direção z, as rotações em torno dos eixos x e y são restritas. Esse tipo de suporte é classificado como um apoio com 3 graus de liberdade (sendo a rotação em torno do eixo Oz e as 32 translações ao longo dos eixos Ox e Oy) ou com 3 movimentos restringidos. As soluções Mx, My e Rz surgiram sobre a estrutura. Na Figura 22 é descrito a conexão rígida entre a estrutura e seu apoio, com dimensões significativamente maiores que as da própria estrutura, que podem ser consideradas infinitas em comparação. Nessa configuração, o apoio impede todos os movimentos possíveis, sendo classificado como um apoio sem grau de liberdade (ou com todos os movimentos restringidos). Correspondendo a cada movimento restrito, surgem as reações Rx, Ry, Rz, Mx, My e Mz, ocorrendo sobre uma estrutura. Esse tipo de apoio é conhecido como engaste. Entretanto, de acordo com Soriano (2013), as estruturas planas e carregadas no próprio plano, nas quais são as mais comuns dentro da análise estrutural, há 3 graus de liberdade a serem combatidos. Supõe-se que a estrutura está situada no plano xy e os graus de liberdade que devem ser combatidos são as translações nas direções Ox e Oy, bem como, a rotação em torno de um eixo perpendicular ao plano Oz. Estas são as únicas tendências de movimento capazes de serem produzidas pelo sistema de forças indicado e dentro desse sistema de forças citado, pode-se ter os apoios de 1°, 2° e 3° gênero. Na Figura 23, observa-se o apoio de 1º gênero. Figura 20: Apoio com 3 graus de liberdade Fonte: Sussekin (1981) Figura 21: Apoio sem graus de liberdade Fonte: Sussekin (1981) 33 Um apoio do primeiro gênero pode ser obtido de duas maneiras, conforme ilustrado na Figuras 23. Na primeira representação, a estrutura é reforçada sobre um rolo lubrificado que impede apenas o deslocamento na direção e, permitindo livre rotação ao seu redor, assim como deslocamento livre na direção x. Na segunda representação, a rotação é permitida por um pino sem atrito, e a direção na direção x é permitida pelos rolos em contato direto com o plano que serve como apoio, continuando a direção na direção e restrito (SUSSEKIND, 1981). Substituímos os rolos no apoio da Figura 23 por uma chapa incluída completamente ao plano de suporte, conforme indicado na Figura 24, restringimos todos os deslocamentos possíveis, mantendo apenas a rotação permitida, protegida pelo pino lubrificado representado na figura. Esse tipo de apoio, capaz de restringir todas as traduções possíveis no plano, é chamado de apoio do segundo gênero. Para os deslocamentos restringidos, surgirão as reações H e V conforme indicados na figura, cuja composição vetorial resultará na ocorrência de apoio total no apoio do 2° gênero. Se fixarmos a estrutura em um bloco de dimensões que podem ser consideradas infinitas em comparação com as dimensões da estrutura, como ilustrado na Figura 25, a seção de contato entre o bloco e a estrutura restringirá todos os movimentos possíveis da estrutura devido a enorme prejuízo do bloco. Nesse caso, dizemos que o bloco engasta a estrutura. Na Figura 26, é possível visualizar melhor as condições de contorno que envolvem os três tipos de apoios estudados. Figura 22: Apoio de primeiro gênero ou charriot Fonte: Sussekind (1981) Figura 23: Apoio de segundo gênero Fonte: Sussekind (1981) Figura 24: Apoio do 3° gênero Fonte: Sussekind (1981) 34 Figura 25: Condições de contorno Fonte: Edmungo, Guimarães e Rojas (2018) Com base no que vem sendo estudado a respeito dos apoios e analisando as restrições obtidas nos apoios de primeiro e segundo gênero, quais os movimentos restringidos pelo apoio de 3° gênero e quais as respostas (reações) obtidas? Isso mesmo! O apoio de ter- ceiro gênero (ou engaste) restringe todos os possíveis movimentos: translacional vertical, translacional horizontal e rotação. Como resultado, ele proporciona três reações: uma re- ação vertical, uma reação horizontal e um momento fletor. Este tipo de apoio é frequente- mente usado em situações onde se deseja fixar completamente uma parte da estrutura, como a base de uma coluna em uma fundação. VAMOS PENSAR? 35 FIXANDO O CONTEÚDO 1. Elemento estrutural é cada uma das partes nas quais pode ser dividida uma estrutura para efeitos de seu projeto. Lajes, pilares, fundações e vigas são os principais elementos estruturais de uma construção. Avalie as assertivas dispostas a seguir, em relação aos esforços internos em estruturas isostáticas, indicando a opção correta. a) Vigas: é um elemento estrutural sujeito a cargas transversais. b) Pórtico: é uma associação de vigas simples, entrelaçadas entre si, extremamente flexíveis,capazes de resistir a esforços de tração. c) Treliças: consistem de pilares e vigas, de diferentes tamanhos e combinados para formar pórticos. d) Cabos: estruturas reticuladas, ou seja, formadas por barras (em que uma direção é predominante) de eixo reto, ligadas por rótulas ou articulações (nós). e) Grelhas: Também conhecidos como vigas-pilares, são estruturas sólidas formadas pela interação entre vigas e pilares. 2. (IFTO- 2023). Grelha é considerada uma estrutura plana onde as cargas atuam na direção perpendicular ao seu plano. Considere as afirmativas a seguir, indique a opção correta. I. Grelhas são estruturas reticuladas. II. As barras das grelhas estão submetidas a 3 esforços simples: Esforço Normal (N), Momento Fletor (M) e Momento Torçor (Mt). III. As grelhas para serem consideradas isostáticas, o número de reações de apoio ou vínculos deverá ser igual ao número de equações fornecidas pelas condições de equilíbrio da estática. a) II e III. b) I e III. c) I e II. d) I,II e III. e) I. 3. (FUNDATEC- 2023). Em relação à análise de estruturas, analise as assertivas abaixo e assinale V, se verdadeiras, ou F, se falsas. ( ) O número de movimentos possíveis e independentes que um corpo pode ter recebe a denominação de vínculos ou apoios. ( ) Há uma relação direta entre o número de equações de equilíbrio e o número de graus de liberdade da estrutura. ( ) Existem casos em que o número de equações é igual ao número de restrições, mas a estrutura não é isostática. A ordem correta de preenchimento dos parênteses, de cima para baixo, é: 36 a) F – F – V. b) V – V – V. c) F – V – V. d) V – F – F. e) V – V – F. 4. Denominamos estrutura ao conjunto das partes resistentes de uma construção. As partes resistentes são caracterizadas por sua capacidade de transmitir esforços. Em relação as estruturas reticuladas, analise as assertivas abaixo e assinale V, se verdadeiras, ou F, se falsas. ( ) As estruturas reticuladas são estruturas constituídas por elementos estruturais lineares denominados barras. ( ) Os nós que permitem rotação relativa de elementos a eles conectados são denominados nós articulados. ( ) Os nós que não permitem rotação relativa são denominados nós rígidos. A ordem correta de preenchimento dos parênteses, de cima para baixo, é: a) F – F – V. b) V – V – V. c) F – V – V. d) V – F – F. e) V – V – F. 5. (FEPESE-2018). Quanto aos tipos de apoios a que uma estrutura pode estar vinculada, assinale a alternativa correta. a) O apoio tipo engaste impede dois tipos de movimento, um de translação e dois de rotação. b) O apoio móvel impede o movimento de translação na direção perpendicular à base do apoio. c) O apoio fixo impede o movimento de rotação na direção perpendicular e na paralela à base do apoio. d) O apoio fixo possui 1 grau de mobilidade retirado pelo vínculo, possuindo assim somente uma reação. e) O apoio móvel possui 2 graus de mobilidade retirados pelo vínculo, possuindo assim duas reações. 6. Apoios são dispositivos que ligam pontos do sistema material a outros sistemas, impedindo determinados movimentos destes pontos ou do sistema como um todo. Analise as figuras a seguir e classifique os apoios apresentados. 37 a) Engaste (ou apoio do segundo gênero); Apoio simples (apoio do terceiro gênero) e Rótula (do primeiro gênero). b) Rótula (do primeiro gênero); Engaste (ou apoio do terceiro gênero) e Apoio simples (do segundo gênero). c) Apoio simples (apoio de segundo gênero ou articulação); Engaste (ou apoio do terceiro gênero) e Rótula (do primeiro gênero). d) Apoio simples (do primeiro gênero); Engaste (ou apoio do terceiro gênero) e Rótula (apoio de segundo gênero ou articulação). e) Rótula (do segundo gênero); Engaste (ou apoio do terceiro gênero) e Apoio simples (do primeiro gênero). 7. (Adaptado de FUNDEP- 2019). Com relação aos tipos de estrutura e seus componentes, assinale a alternativa incorreta. a) Cabos não têm nenhuma rigidez à flexão, só podem transmitir força de compressão direta. b) Se treliças de nós articulados são carregadas apenas nos nós, desenvolve-se um carregamento axial em todas as barras. c) Quando uma viga é carregada perpendicularmente ao seu eixo longitudinal, cortante e momento desenvolvem-se para transmitir as cargas aplicadas para os apoios. d) A capacidade de uma coluna esbelta depende da contenção fornecida em suas extremidades. e) Os arcos são estruturas que suportam apenas compressão axial. 8. (OBJETIVA- 2019). Com relação às treliças, analisar os itens abaixo: I. As treliças isostáticas com cargas fora dos nós não são consideradas ideais e necessitam do Método de Ritter para solução. II. Qualquer sistema reticulado constituído por um polígono fechado rotulado em seus vértices é deformável, e, portanto, hipostático. A exceção é o triângulo. III. Com relação à estaticidade das treliças, as incógnitas do problema são em número (r + b), sendo r o número de reações de apoio, e b o número de barras. As equações 38 de equilíbrio têm número igual a 2n, sendo n o número total de nós, incluindo os nós de apoio da estrutura. IV. Sendo r + b = 2n, é uma condição apenas necessária, mas não suficiente, para que uma treliça seja isostática. V. Se r + b > 2n, sugere que se trata de uma treliça hiperestática. Porém, não se pode afirmar isso apenas com base nessa relação, pois a associação de um trecho hiperestático com outro hipostático pode conduzir a uma hiperestaticidade aparente para o conjunto. Está(ão) CORRETO(S): a) Somente o item I. b) Somente o item II. c) Somente o item IV d) Somente os itens I, III e IV. e) Somente os itens II, III, IV e V. 39 ESTATICIDADE, ESTABILIDADE E CARGAS DAS ESTRUTURAS 40 3.1 TOPOLOGIA DAS ESTRUTURAS A topologia das estruturas envolve o estudo dos nós, do eixo local e do eixo global. Vamos retratar a definição de cada um deles a seguir. De acordo com Gilbert, Leet, Uang (2014), temos que: Nós: os nós são pontos de interseção ou conexão onde os elementos estruturais se encontram e se conectam. Eles são os pontos onde vigas, colunas, treliças e outros componentes estruturais se juntam, formando uma estrutura unificada. Os nós são fundamentais para a estabilidade e integridade da estrutura, já que a força e a estabilidade das conexões nos nós afetam diretamente a resistência e a estabilidade global da estrutura (Figura 26). Nós móveis: os nós móveis são pontos de conexão que permitem algum grau de movimento relativo entre os elementos estruturais conectados. Eles são projetados para permitir a variação ou acomodação de deslocamentos e deformações decorrentes de forças externas, mudanças de temperatura ou assentamento. Os nossos móveis são frequentemente usados em estruturas sujeitas a cargas dinâmicas ou variáveis, onde a flexibilidade e a capacidade de adaptação são permitidas para garantir a estabilidade e a integridade da estrutura. Nós fixos: os nós fixos são pontos de conexão que restringem qualquer movimento relativo entre os elementos estruturais conectados. Eles são projetados para fornecer uma conexão e propriedade entre os elementos, impedindo qualquer deslocamento relativo. Os nossos ajustes são cruciais em estruturas onde a estabilidade e as dificuldades são essenciais, especialmente em situações onde há necessidade de evitar deslocamentos indesejados ou deformações excessivas que possam comprometer a integridade estrutural. Na Figura 27, podemos observar a estruturas apresentando nós móveis e nós fixos. Figura 26: Exemplo de aplicação de nós Fonte: Disponível em: https://shre.ink/TrQz. Acesso em: 11 nov 2023. 41 3.2 ESTATICIDADE E ESTABILIDADE A função dos apoios é restringir os graus de liberdade de uma estrutura, como já visto anteriormente. Existem três casos que podem ocorrer: Caso 1: Quando os apoios são exatamente o número necessário para impedir todos os movimentos possíveis da estrutura. Neste caso, o número de respostas de apoio a ser determinado é igual ao número de equações de equilíbriodisponíveis, resultando em um sistema de equações específicas que resolve o problema. Essa condição é conhecida como isostaticidade da estrutura, isto é, uma estrutura isostática representando uma situação de equilíbrio estável. Caso 2: quando o número de apoios for menor do que o necessário para impedir Eixo Local: o eixo local é uma referência de orientação específica que é adotada em cada elemento estrutural individual. Ele é definido pela direção do elemento em si, representando o eixo coordenado local que é intrínseco à geometria e à disposição do elemento. Ao considerar o comportamento de um único elemento estrutural, como uma viga ou uma coluna, o eixo local é essencial para compreender como as forças e os momentos atuam sobre o elemento em sua orientação específica. Eixo Global: o eixo global é um sistema de coordenadas de referência que abrange toda a estrutura. Ele é definido de forma a abranger a estrutura como um todo e é geralmente baseado em um sistema de coordenação tridimensional. O eixo global é crucial para compreender a disposição espacial dos elementos estruturais em relação uns aos outros e para analisar o comportamento da estrutura como um sistema integrado sob diferentes condições de carga. Figura 27: Comportamento da estrutura com nós móveis e nós fixos Fonte: Carneiro; Martins (2008) Figura 28: Estrutura com coordenada global e elemento com coordenada local Fonte: Mcguire, Gallangher e Ziemian (1999) 42 Estruturas hipostáticas são aquelas em que o número de reações e vínculos é menor do que o número de equações de equilíbrio estático. Essas estruturas são mais complexas porque não podem ser resolvidas apenas pelas equações de equilíbrio, exigindo o uso de métodos adicionais, como as equações de compatibilidade de deformações, para de- terminar as forças internas. A falta de informações suficientes das equações de equilíbrio torna o sistema mais difícil de analisar, pois os graus de liberdade adicionais resultam em incertezas e ambiguidades nos cálculos. Isso muitas vezes exige o uso de técnicas mais avançadas, como o método dos deslocamentos e o método dos trabalhos virtuais, para resolver as desconhecidas adicionais no sistema. Portanto, a análise de estruturas hipostáticas requer uma abordagem mais cuidadosa e métodos mais sofisticados em comparação com as estruturas isostáticas simples. A partir do que foi estudado acima, é possível ser levado a estabelecer os seguintes cri- térios para classificação de uma estrutura (sem vínculos internos) como isostática, hi- postática ou hiperestática com base na contagem do número de apoios em relação ao número de graus de liberdade da estrutura. Embora seja classificado como eficaz para as estruturas hipostáticas, para as estruturas isostáticas e hiperestáticas, ele fornece apenas uma condição, porém não suficiente, como ilustrado na Figura a seguir. Na estrutura plana mostrada na Figura acima, possui três graus de liberdade, identifica- mos um apoio do 2º gênero e um apoio do 1º gênero, totalizando três reações de apoio a serem determinadas. A análise sugere que a estrutura seja isostática, porém, na realida- de, o apoio A impede as translações nas orientações Ax e Ay, enquanto o apoio B impede a translação na direção Ax. A rotação do sistema não é impedida, resultando na estrutura sendo hipostática, embora inicialmente aparentasse ser isostática. FIQUE ATENTO FIQUE ATENTO todos os movimentos possíveis da estrutura. Nesse cenário, existem mais equações de equilíbrio do que incógnitas a serem determinadas, resultando em um sistema de equações que, em geral, não possui solução. A estrutura é então chamada de hipostática e, por consequência, assustadora. Nas autoridades específicas, é possível que um arranjo específico de cargas seja capaz de compensar os graus de liberdade que os apoios não fornecem restrições. Caso 3: no caso de haver um número maior de apoios do que o necessário para restringir todos os movimentos possíveis da estrutura, o sistema resultante terá menos equações do que incógnitas, conduzindo a um sistema indeterminado. As equações fundamentais da estática não serão suficientes para calcular as respostas de suporte, exigindo equações adicionais que considerem a compatibilidade das deformações. A estrutura é chamada de hiperestática, mantendo-se o equilíbrio estável (ou até mesmo mais do que estável, em termos coloquiais). 43 Para classificar uma estrutura (sem vínculos internos) como externamente isostática ou hiperestática, não é suficiente apenas comparar o número de respostas de apoio a serem determinados com o número de graus de liberdade da estrutura. É essencial certificar-se de que os apoios restringem efetivamente todos os graus de liberdade da estrutura em questão, eliminando completamente a possibilidade de uma estrutura ser hipostática. Na Figura 30, podemos analisar um exemplo para o cálculo do grau de estaticidade do pórtico plano. Para o pórtico apresentado, vamos calcular o grau de estaticidade: O pórtico possui 4 reações de apoio, aplicando as três equações da estática no plano, temos: Observe que as reações verticais, RA e RB, podem ser determinadas pela aplicação das equações de equilíbrio estático. As reações horizontais, por sua vez, não podem ser determinadas. A estrutura analisada, portanto, é estaticamente indeterminada, ou seja, é hiperestática. A estrutura pode ser transformada em estática de duas maneiras: • pela substituição do apoio fixo por um apoio móvel; • pela incorporação de uma rótula na estrutura. A seguir, é apresentada a determinação do grau de estaticidade para ambas as Figura 29: Pórtico plano Fonte: Soriano (2010) apud Adorna (2017) 44 situações. Substituição do apoio fixo por um apoio móvel no apoio B, conforme a Figura 31. O pórtico apresenta três reações de apoio. Aplicando as três equações de equilíbrio estático, obtemos: Incorporação de uma rótula no ponto D: O pórtico apresenta quatro reações de apoio. Além das três equações de equilíbrio estático, a estrutura possui uma equação de momento nulo na rótula, como demonstrado a seguir: Figura 30: Pórtico plano com apoio fixo e apoio móvel Fonte: Soriano (2010) apud Adorna (2017) 45 Observe que todas as reações de apoio foram determinadas, ou seja, a estrutura é isostática. 3.3 REAÇÕES As construções devem ser capazes de manter a estabilidade sob todas as condições de carga. Em outras palavras, elas devem ser capazes de resistir às forças aplicadas, como o peso próprio, sobrecargas previstas, vento, etc., sem sofrer deformações graves ou colapsos. Uma vez que estruturas derivadas não apresentam movimentos perceptíveis quando submetidas a cargas, a análise delas se baseia em grande parte nos princípios e técnicas da estática, os quais determinam as forças internas e externas (reações) (GILBERT; LEET; UANG, 2014). As estruturas abordadas neste livro não são completamente rígidas, uma vez que apresentam pequenas deformações metálicas quando submetidas a cargas. No entanto, na maioria das situações, as deflexões são tão insignificantes que nos permitem considerar a estrutura ou os seus componentes como corpos rígidos e basear a análise nas dimensões iniciais da estrutura (GILBERT; LEET; UANG, 2014). De acordo com Kassimali (2016), há um método sequencial que pode ser empregado para calcular as respostas de estruturas planas estáticas determinadas 46 que estão sujeitas a cargas no mesmo plano. O método segue os seguintes passos: 1. Desenhar o DCL (diagrama de corpo livre): a. Representar uma estrutura isolada de seus apoios e desconectada de qualquer outro componente ao qual possa estar conectado. b. Indique cada força ou momento conhecido no Diagrama de Corpo Livre (DCL) por meio de setas que representam a direção e sentido de cada força ou momento. Inclui a magnitude de cada força ou momento conhecido ao lado das respectivas setas. c. Especifique a orientação do sistema de coordenadas xy, perpendicularentre si, que será utilizada na análise. Normalmente, é conveniente orientar os eixos x e y horizontalmente (positivo para a direita) e verticalmente (positivo para cima), respectivamente. No entanto, se as dimensões da estrutura e/ou as linhas de ação da maioria das cargas aplicadas forem em uma direção inclinada, a seleção do eixo x (ou y) nessa direção pode acelerar significativamente a análise. d. Identifique as reações externas desconhecidas exercidas na estrutura em cada ponto onde o suporte foi removido. Representar as forças de fato no DCL por setas conhecidas de suas linhas de ação. Os pares de reações são representados por setas curvas. Os sentidos das reações são desconhecidos e podem ser reforçados arbitrariamente. No entanto, geralmente é conveniente assumir os sentidos das forças de evidência nas x e y como positivas e os sentidos dos momentos de evidência como positivos no sentido anti-horário. Os verdadeiros sentidos das reações serão conhecidos após determinar suas magnitudes, resolvendo as equações de equilíbrio e condição (se houver). Uma magnitude positiva para um acontecimento implicará que o sentido inicialmente reforçado estava correto, enquanto um valor negativo indicará que o verdadeiro sentido é oposto ao reforço no DCL. As magnitudes das reações ainda não conhecidas devem ser indicadas por símbolos alfabéticos adequados no DCL. e. Finalize o DCL incluindo as dimensões da estrutura, mostrando os locais das forças externas conhecidas e desconhecidas. Na Figura 32 e 33, podemos observar uma viga contínua submetida a diversos carregamento e o seu DCL, respectivamente. 2. Verifique a estaticidade da estrutura para determinar se ela é ou não estaticamente determinada externamente. Se a estrutura não for estática, ou se for geometricamente instável ou indeterminada externamente, conclua a nesta fase de análise. 3. Determinar as reações desconhecidas usando as equações de equilíbrio e condição para a estrutura inteira. Simplifique as equações de equilíbrio e condição para que cada uma inclua apenas uma incógnita, evitando resolver equações simultâneas Figura 31: Viga contínua submetida a diversos carregamentos Fonte: Edmungo, Guimarães e Rojas (2018) 47 sempre que possível. Se a estrutura for internamente instável, pode não ser possível escrever equações contendo uma incógnita para cada. Para agilizar a análise de estruturas internamente instáveis, desconecte partes específicas e aplique equações de equilíbrio para determinar as respostas em partes individuais. Construa diagramas de corpo livre para essas partes, destacando todas as forças internas nas conexões, incluindo cargas aplicadas e reações de suporte. Lembre-se de que as forças internas em partes adjacentes devem ter magnitudes iguais, mas sentidos opostos, de acordo com a terceira lei de Newton. 4. Para verificar os cálculos, utilize uma solução de equilíbrio alternativo que não tenha sido previamente utilizada para toda a estrutura. Idealmente, essa alternativa deve incluir todas as opções determinadas na análise. Você pode empregar uma solução de equilíbrio de momento que resume os momentos em torno de um ponto que não está nas linhas de ação das forças de ocorrência para este propósito. Se a análise for correta, esta alternativa de equilíbrio alternativo deve ser satisfeita. Para absorver melhor o sobre o estudo das reações, vamos fazer um exemplo: Determine as reações dos apoios para a viga mostrada na Figura abaixo. Solução Diagrama de corpo livre: O diagrama de corpo livre da viga é mostrado na Figura (b). Observe que o rolete em A exerce reação Ra na direção perpendicular à superfície de apoio inclinado. Determinação estática: A viga é internamente estável e é suportada por três reações, Ra, Bx e By, todas as quais não são paralelas ou concorrentes. Portanto, a viga é estaticamente determinada. Reações de apoio: Como duas das três reações, denominadas Bx e By são concomitantes em B, seus momentos em B são nulos. Consequentemente, a equação de equilíbrio ∑MB = 0 que envolve o resumo de momentos de todas as forças em B contém apenas uma incógnita, RA. Assim, 48 A resposta positiva para RA indica que nossa suposição inicial sobre o sentido dessa reação estava correta. Portanto A única incógnita remanescente, By, pode agora ser determinada aplicando-se a equação remanescente de equilíbrio: Para evitarmos ter de resolver equações simultâneas nos cálculos anteriores, aplicamos as equações de equilíbrio de tal maneira que cada equação contivesse apenas uma incógnita. Verificando cálculos: Finalmente, para verificar nossos cálculos, aplicamos uma equação alternativa de equilíbrio: Em seguida, para determinar Bx, aplicamos a equação de equilíbrio, Para melhor entender o cálculo das reações dentro da estática das estruturas e aprimorar o conhecimento dentro desse ponto tão importante, leia o capítulo 3 – Estática das estruturas: reações no livro Análise Estrutural de Gilbert, Leet e Uang (2014), disponível no link da biblioteca virtual: https://shre.ink/TrMY. Acesso em: 09 nov. 2023 BUSQUE POR MAIS 49 3.4 CARGAS De acordo com Gilbert, Leet e Uang (2014), para garantir que as estruturas não falhem nem sofram deformações excessivas sob carga, os engenheiros devem ter o cuidado de prever com precisão as cargas esperadas que a estrutura terá que suportar. Embora as cargas de projeto especificadas pelos códigos sejam geralmente suficientes para a maioria das construções, o projetista também precisa avaliar se essas cargas são aplicáveis à estrutura específica em questão. Mccormac (2009) diz que, geralmente, as cargas estruturais são categorizadas de acordo com suas características e duração. No caso de cargas aplicadas a edifícios, a classificação costuma ser a seguinte: Cargas permanentes: São cargas de magnitude constante que permanecem fixas em uma posição. Isso inclui o peso da própria estrutura e todos os acessórios permanentemente fixados nela. Variações de cargas: Referem-se a cargas cuja magnitude e posição podem variar. Isso abrange cargas de ocupação, materiais armazenados, cargas de construção, equipamentos suspensos e cargas operacionais. Geralmente, as cargas variáveis são influenciadas pela gravidade. Cargas ambientais: São aquelas resultantes do ambiente onde a estrutura está localizada. No caso de edifícios, as cargas ambientais podem ser provenientes de chuva, neve, gelo, vento, variações de temperatura e terremotos. Embora sejam consideradas taxas variáveis, são diretamente influenciadas pelo ambiente onde a estrutura se encontra. Cargas permanentes: Peso próprio do edifício, incluindo estrutura, paredes, lajes e revestimentos. Cargas dos ocupantes, móveis e equipamentos nos andares. Cargas variáveis: Cargas de neve, se a região estiver sujeita a nevascas. Efeito da temperatura Cargas de vento, especialmente se a área estiver sujeita a ventos fortes ou ciclones. Carga sísmica: Se a região estiver localizada em uma área sísmica, o edifício deve ser projetado para resistir a terremotos. As cargas sísmicas são determinadas com base na zona sísmica e na resposta dinâmica da estrutura. Carga de uso: Cargas vivas, que incluem a carga de ocupantes e o uso diário do edifício. Essas cargas variam dependendo do tipo de uso do edifício, como residencial, comercial, Considerar um edifício de quatro andares em uma área urbana na sua região. Quais as cargas estruturais que atuam sobre o edifício, considerando as condições específicas de localização e uso, tais como o clima da região, os materiais de construção e as atividades diárias no edifício? VAMOS PENSAR? 50 industrial, etc. Carga de tráfego: Se o edifício estiver localizado em uma área com tráfego de veículos, as vibrações e cargas dinâmicas dos veículos devem ser consideradas. E dentre outras cargas que podem ser especificadas para cada tipo de edificação. 51 FIXANDO O CONTEÚDO 1. (Adaptado de ADORNA – 2017). O conceito
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