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Universidade do Sul de Santa Catarina – UNISUL
Curso: Engenharia Civil
Teoria das Estruturas II
(2º Semestre / 2012)
Professor: Marcelo Cechinel
E‐mail: marcelo.cechinel@unisul.br
2
Conteúdo Programático
Capítulo I – Revisão (Grau de Hiperstaticidade)
Capítulo II – Método das Forças
Capítulo III – Método dos Deslocamentos
Capítulo IV – Processo de Cross
Objetivo
Capacitar o aluno na análise de estruturas hiperestáticas, com ênfase nas estruturas
planas, fornecendo subsídios para a determinação de esforços solicitantes, bem como
o traçado de diagramas de estado, visando aplicação em estruturas de concreto
armado.
Metodologia
Apresentação do conteúdo dividido em capítulos através de aulas expositivas;
Incentivo à pesquisa bibliográfica;
Proposição de tarefas e solução de exercícios propostos pelo professor;
Acompanhamento pelo professor para esclarecimento de dúvidas;
Critérios de Avaliação
A avaliação será realizada da forma que segue:
Avaliação 01: Prova escrita, individual, SEM consulta.
Conteúdo: Capítulo II (Método das Forças)
Avaliação 02: Trabalho individual e/ou prova escrita, individual, SEM consulta.
Conteúdo: Capítulo III (Método dos Deslocamentos)
Avaliação 03: Prova escrita, individual, SEM consulta.
Conteúdo: Capítulo IV (Processo de Cross)
Além das três avaliações citadas, cabe ressaltar que a presença e a participação
contarão como parâmetro na avaliação final do aluno.
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Capítulo I - Revisão
1.1. Vínculos:
São classificados de acordo com o número de movimentos que impedem.
Vínculo Simples ou de Primeira Ordem: impedem apenas um
movimento, normalmente a translação.
Vínculo Duplo ou de Segunda Ordem: impedem dois movimentos
permitindo geralmente a rotação.
Vínculo Tríplo ou de Terceira Ordem: impedem três movimentos, a
saber, duas translações e uma rotação.
1.2. Classificação das Estruturas:
Estrutura Hipostática: Estruturas cujos movimentos de corpo‐rígido NÃO
são restringidos e NÃO atingem, portanto, uma
configuração de equilíbrio estável, ou seja, não
possui vínculos suficientes para garantir a sua total
estabilidade.
4
Estrutura Isostática: Estruturas com movimentos de corpo‐rígido
restringidos e o número de incógnitas a determinar é
igual ao número de equações de equilíbrio estável,
em outras palavras, estruturas com vínculos
estritamente necessários para garantir a sua total
estabilidade.
Estrutura Hiperestática: Estruturas com movimentos de corpo‐rígido
restringidos e número de incógnitas a determinar
maior que o número de equações de equilíbrio
estável, resumidamente, são estruturas que possuem
vínculos mais que necessários para garantir a sua
total imobilidade.
Obs.: cabe ressaltar que na prática a grande maioria das estruturas
classifica‐se como HIPERESTÁTICA ou ESTATICAMENTE INDETERMINADA.
1.3. Grau de Hiperestaticidade:
1.3.1. Grau de Hiperestaticidade Externo (ge):
Seja a estrutura abaixo:
B
Como pode ser visto, dispomos de 05 reações de apoio (03 do apoio do
engaste e 02 do apoio de segunda ordem) e apenas 03 equações universais da
estática no plano (ΣFx / ΣFy / ΣM) além de mais uma (momento fletor nulo em
5
A
B C
D
A
B C
D
“B”). Ou seja, 05 incógnitas e apenas 04 equações. A essa deficiência damos o
nome de GRAU DE HIPERESTATICIDADE EXTERNO. Desta forma podemos dizer
que o grau de hiperestaticidade externo é o número de equações
suplementares necessárias para o cálculo das reações de apoio da estrutura.
1.3.2. Grau de Hiperestaticidade Interno (gi):
Seja a estrutura abaixo:
Neste segundo caso apesar de as reações de apoio ser de imediata
obtenção (a partir das equações universais da estática), isso NÃO significa que a
estrutura esteja resolvida.
O simples conhecimento das reações não nos habilita a traçar seus
diagramas solicitantes devido ao fato de ser uma ESTRUTRA FECHADA e de, por
este motivo, não sabermos todas as forças a que está sujeita a estrutura. É
necessário, portanto, ABRIRMOS a estrutura.
Assim pode‐se definir GRAU de HIPERESTATICIDADE INTERNO da
estrutura como sendo o número de equações suplementares necessárias para
traçarmos os diagramas de esforços internos, o que no caso em questão é três.
6
( 1 ) ( 2 )
( 3 ) ( 4 )
1.3.3. Determinação do Grau de Hiperestaticidade Total (g):
ࢍ ൌ ࢍࢋ ࢍ
݃ ൌ ݎ െ ݁ െ ݊
onde:
r – nº de reações
e – nº de equações
nr – nº equações provenientes das rótulas e que é igual a (b ‐1)
b – nº de barras ligadas a rótulas.
݃ ൌ número de esforços internos necessários ao traçado dos
diagramas, conhecidas as reações.
1.3.4. Aplicações:
Classifique quanto à estaticidade e determine o grau de hiperestaticidade
total das estruturas que seguem:
7
( 5 ) ( 6 )
( 7 ) ( 8 )
( 9 ) ( 10 )
8
Capítulo II – Método das Forças
Formalmente, a resolução de estruturas hiperestáticas pelo Método das Forças
resolve o problema considerando os grupos de condições a serem atendidas
pelo modelo estrutural na seguinte ordem:
1° Condições de equilíbrio;
2° Condições sobre o comportamento dos materiais (leis constitutivas);
3° Condições de compatibilidade.
Na prática, entretanto, a metodologia utilizada pelo Método das Forças para
analisar uma estrutura hiperestática é:
• Somar uma série de soluções básicas que satisfazem as condições de
equilíbrio, mas não satisfazem as condições de compatibilidade da estrutura
original, para na superposição restabelecer as condições de compatibilidade.
Cada solução básica (chamada de caso básico) não satisfaz isoladamente todas
as condições de compatibilidade da estrutura original, as quais ficam
estabelecidas quando se efetuam a superposição de efeitos todos os casos
básicos.
A estrutura utilizada para a superposição de soluções básicas é, em geral, uma
estrutura isostática auxiliar obtida a partir da estrutura original pela eliminação
de vínculos. Essa estrutura isostática é chamada Sistema Principal (SP). As forças
ou os momentos associados aos vínculos liberados são as incógnitas do
problema e são denominados hiperestáticos. Essa metodologia de solução de
uma estrutura hiperestática pelo Método das Forças vai ser explicada
detalhadamente através da resolução de exemplos que serão apresentados a
seguir.
9
Exemplos de Aplicações
10
q= 2 kN/m
q= 2 kN/m
X1 = 1 kN
2 kN/m
s1
EXEMPLO I:
Calculando o grau de hiperestaticidade da estrutura obtemos:
݃ ൌ 1 → ݁ݏݐݎݑݐݑݎܽ 1ݔ ݄݅݁ݎ݁ݏݐáݐ݅ܿܽ
Desta forma se conclui que a estrutura apresenta 04 reações (incógnitas) – Rax,
RAy, MA e RBy – e apenas 03 equações (ΣFx=0 / ΣFy=0 / ΣM=0)
Pelo método das forças devemos então liberarum dos vínculos, para tal
adotaremos liberar o RBy.
X1:
X0:
Desta forma, pela superposição de efeitos, se obtêm a seguinte equação para o
problema:
ߜ ߜଵ. ଵܺ ൌ 0
Seção S1 (X0):
Σܨݕ ൌ 0 ∴ ܸ െ 2ݔ ൌ 0
11
2 kN/m
s1
v
M +
+
10 kN
[D.E.C.]
-
-25 kN.m
[D.M.F.]
ܸ ൌ 2ݔ ൜ ܸ ൌ 0
ହܸ ൌ 10 ሾ݇ܰሿ
ΣM ൌ 0 ∴ ܯ െ 2ݔ. ݔ/2 ൌ 0
ܯ ൌ െݔ² ൜ ܯ ൌ 0ܯହ ൌ െ25 ሾ݇ܰ.݉ሿ
E = 210x109 [N/m²]
Seção da Viga (20x40)cm → ܫ ൌ ௫ యଵଶ ൌ 1,067ݔ10ିଷ ሾ ݉ସ ሿ
Sabendo‐se que a derivada segunda do momento é análoga a derivada segunda
do deslocamento, tem‐se:
ܧܫݕ" ൌ െܯሺݔሻ ∴ ܧܫݕ" ൌ െሺെݔଶሻ
නܧܫݕ"݀௬ ൌ නݔଶ݀௫ ∴ ܧܫݕᇱ ൌݔ
ଷ
3 ܣ
නܧܫݕᇱ݀௬ ൌ නሺݔ
ଷ
3 ܣሻ݀௫ ∴ ܧܫݕ ൌ
ݔସ
12 ܣݔ ܤ
ݕ ൌ 1ܧܫ ሺ
ݔସ
12 ܣݔ ܤሻ
Aplicando as condições de contorno:
1º. x = L → y’ = 0
ݕᇱ ൌ 1ܧܫ ቆ
ݔଷ
3 ܣቇ → ݕ
ᇱሺݔ ൌ ܮሻ ൌ 1ܧܫ ൬
1
3 ܮ
ଷ ܣ൰ ൌ 0 ∴ ܣ ൌ െܮ
ଷ
3
12
s1
X1
s1
v
M +
2º. x = L → y = 0
ݕ ൌ 1ܧܫ ቆ
ݔସ
12
ܮଷݔ
3 ܤቇ → ݕሺݔ ൌ ܮሻ ൌ
1
ܧܫ ቆ
ܮସ
12 െ
ܮସ
3 ܤቇ ൌ 0 ∴ ܤ ൌ
െܮସ
12
ܮସ
3
ൌ ܮ
ସ
4
Desta forma, a expressão final será:
ݕ ൌ 1ܧܫ ሺ
ݔସ
12 െ
ܮଷ
3 ݔ
ܮସ
4 ሻ
Sabendo que ymax → x=0
ݕ௫ ൌ 1ܧܫ ቆ
ܮସ
4 ቇ ൌ
ܮସ
4ܧܫ ൌ
5ସ
4ݔ210ݔ10ݔ1,067ݔ10ିଷ ൌ 6,97ݔ10
ିସሾ݉ሿ
Obs.: atentar para as unidades na entrada dos dados
Seção S1 (X1):
Σܨ௬ ൌ 0 ∴ ܸ 1 ൌ 0 ∴ ܸ ൌ െ1 ሾ݇ܰሿ
Σܯ ൌ 0 ∴ ܯ െ ଵܺ. ݔ ൌ 0 ∴ ܯ ൌ ଵܺ. ݔ ൜ܯ ൌ 0 ሾ ݇ܰ.݉ ሿܯହ ൌ 5 ሾ ݇ܰ.݉ ሿ
13
- 1 kN
[D.E.C.] +
5 kN.m
[D.M.F.]
Seguindo o mesmo procedimento do caso X0, obtêm‐se a seguinte expressão
final:
ݕ ൌ 1ܧܫ ሺ
െݔଷ
6
ܮଶ
2 ݔ െ
ܮଷ
3 ሻ
Sabendo que ymax → x=0
ݕ௫ ൌ 1ܧܫ ቆ
െܮଷ
3 ቇ ൌ െ
ܮଷ
3ܧܫ ൌ
െ5ଷ
3ݔ210ݔ10ݔ1,067ݔ10ିଷ ൌ െ1,860ݔ10
ିସሾ݉ሿ
Seguindo no campo dos deslocamentos e sabendo que esse deslocamento no
ponto B deve ser nulo:
E = 210x109 [N/m²] = 210x106 [kN/m²]
Seção da Viga (20x40)cm → ܫ ൌ ௫ యଵଶ ൌ 1,067ݔ10ିଷ ሾ ݉ସ ሿ
ݑ௬బ ݑ௬భ. ଵܺ ൌ 0 ∴ 6,97ݔ10ିସ െ 1,86ݔ10ିସ ൌ 3,75 ݇ܰ
Como X1 refere‐se à reação de apoio no ponto B:
ଵܺ ൌ ܴ ൌ 3,75 ݇ܰ
Da mesma forma que o deslocamento é calculado pela soma ux0+ux1.X1, os
esforços internos e reações de apoio também são calculados:
14
+
10 kN
[D.E.C.]
-
-25 kN.m
[D.M.F.]
RAy=10 kNM
=2
5
kN
.m
+
M
=-
5
kN
.m
-
RAy=-1 kN
ܸ ൌ ܸబ ଵܺ. ܸభ
ܯ ൌ ܯబ ଵܺ.ܯభ
ܴ݁ܽçã ൌ ܴబ ଵܺ. ܴభ
Resultados para X0:
Resultados para X1:
- 1 kN
[D.E.C.] +
5 kN.m
[D.M.F.]
15
+
-
+
-
[D.E.C.]
[D.M .F.]
6,25 kN
-3,75 kN
ࡰࡱ.ࢌࢇ ൌ ࡰࡱ.ࢄ ࢄ.ࡰࡱࢄ
Em x = 0:
ܸబ ൌ 0 ∴ ܸభୀ െ 1 ሾ݇ܰሿ
ிܸ ൌ ܸబ ଵܺ. ܸభ ൌ 0 ሺെ1ሻ. 3,75 ൌ െ3,75 ݇ܰ
Em x = 5:
ܸబ ൌ 10 ሾ݇ܰሿ ∴ ܸభୀ െ 1 ሾ݇ܰሿ
ிܸ ൌ ܸబ ଵܺ. ܸభ ൌ 10 ሺ3,75ሻ. 1 ൌ 6,25 ݇ܰ
ࡰࡹࡲ.ࢌࢇ ൌ ࡰࡹࡲ.ࢄ ࢄ. ࡰࡹࡲࢄ
Em x = 0:
ܯబ ൌ 0 ∴ ܯ ܸభୀ0
ܯி ൌ ܯబ ଵܺ.ܯభ ൌ 0 3,75.0 ൌ 0
Em x = 5:
ܯబ ൌ െ25 ሾ݇ܰ.݉ሿ ∴ ܯభୀ 5 ሾ݇ܰ.݉ሿ
ܯி ൌ ܯబ ଵܺ.ܯభ ൌ െ25 ሺ3,75ሻ. 5 ൌ െ6,25 ݇ܰ.݉
ܯబሺݔ ൌ 1,875ሻ ൌ 3,52 ሾ݇ܰ.݉ሿ
ܯభሺݔ ൌ 1,875ሻ ൌ 1,875 ሾ݇ܰ.݉ሿ
16
25 kN.m
[D.M.F.] +
5 kN.m [D.M.F.]
-
xo
x1
+
5 kN.m [D.M.F.] x1
+
5 kN.m [D.M.F.] x1
25 kN.m
[D.M.F.] +
5 kN.m [D.M.F.]
-
xo
x1
O valor dos deslocamentos pode ser obtido também através de tabelas
elaboradas a partir da resolução destas integrais.
Da tabela obtêm‐se os valores de δij (deslocamento na direção i, provocado pelo
caso de carregamento xj:
δ10:
ߜଵ ൌ ସܯ.ܯ ൌ
ହ
ସ . െ25.5 ൌ െ156,25
δ11:
ߜଵଵ ൌ ܮ3ܯ.ܯ ൌ
5
3 . 5.5 ൌ 41,67
ߜଵ ߜଵଵ. ଵܺ ൌ 0 ∴ െ156,25 ଵܺ. 41,67 ∴ ଵܺ ൌ 3,75 ݇ܰ
17
Tabela I: Cargas virtuais utilizadas para calcular deslocamentos e rotações em
vínculos eliminados de estruturas hiperestáticas
18
Tabela II: Integração de diagramas de esforços
19
RAx
RBy RCyRAy
A B C
2 kN/m
[x0]
A B C
2 kN/m
X1=1 [kN]
[x1]
A B C
EXEMPLO II:
Incognitas:
RAx , RAy, RBy, RCy – (4)
Número de Equações:
Σܨݔ ൌ 0 ∴ Σܨݕ ൌ 0 ∴ Σܯ ൌ 0 – (3)
Grau de Hiperestaticidade:
ࢍ ൌ ݃ ݃ ൌ ሺݎ െ ݁ െ ݊ሻ 0 ൌ 4 െ 3 0 ൌ ࢞ ࢎࢋ࢘ࢋ࢙࢚á࢚ࢉࢇ
Optaremos por liberar o vínculo RBy.
Desta forma teremos:
+
20
RAx
RCyRAy
A C
2 kN/m
S1
+
_
+
[D.E.C.]
[D.M.F.]
-10 kN
+10 kN
+25 kN.m
1º Caso de Carregamento [ X0 ]:
ܴ ൌ ܴ ൌ
ݍ. ܮ
2 ൌ
2 ቂ݇ܰ݉ ቃ . 10 ሾ݉ሿ
2 ∴ ܴ ൌ ܴ ൌ 10 ሾ݇ܰሿ
ܯ௫ ൌ ݍ. ܮ
ଶ
8 ൌ
2 ቂ݇ܰ݉ ቃ . 10ଶ ሾ݉ଶሿ
8 ൌ
200 ሾ݇ܰ.݉ሿ
8 ൌ 25 ሾ݇ܰ.݉ሿ
Seção S1:
Σܨݕ ൌ 0 ∴ ܸ െ 2ݔ 10 ൌ 0 ∴ ܸ ൌ 2ݔ െ 10
ሺܸସሻ ൌ 2. ሺ4ሻ െ 10 ൌ െ2 ሾ݇ܰሿ
ሺܸሻ ൌ 2. ሺ0ሻ െ 10 ൌ െ10 ሾ݇ܰሿ
ሺܸଵሻ ൌ 2. ሺ10ሻ െ 10 ൌ 10 ሾ݇ܰሿ
Σܯ ൌ 0 ∴ ܯ െ 10ݔ 2ݔ. ݔ2 ൌ 0 ∴ ܯ ൌ 10ݔ െ ݔ
ଶ
ܯሺସሻ ൌ 10. ሺ4ሻ െ ሺ4ሻଶ ൌ 24 ሾ݇ܰ.݉ሿ
ܯሺሻ ൌ 10. ሺ0ሻ െ ሺ0ሻଶ ൌ 0
ܯሺଵሻ ൌ 10. ሺ10ሻ െ ሺ10ሻଶ ൌ 0
21
RAx
RAy
X1=1 kN
RCy
(a) (b)
X1=1 kN
(a) (b)
D.E.C. [kN]
D.M.F. [kN.m]
-0,4
+0,6
-2,4
2º Caso de Carregamento [ X0 ]:
ܴ ൌ
െܾ. ଵܺ
ܮ ൌ
െ4 ሾ݉ሿ. 1 ሾ݇ܰሿ
10 ∴ ܴ ൌ െ0,40 ሾ݇ܰሿ
ܴ ൌ
െܽ. ଵܺ
ܮ ൌ
െ6 ሾ݉ሿ. 1 ሾ݇ܰሿ
10 ∴ ܴ ൌ െ0,60 ሾ݇ܰሿ
ܯ௫ ൌ െܲ. ܽ. ܾܮ ൌ
െ ଵܺ. ܽ. ܾ
ܮ ൌ
െ1 ሾ݇ܰሿ. 6ሾ݉ሿ. 4ሾ݉ሿ
10 ൌ െ2,4 ሾ݇ܰ.݉ሿ
22
Pela tabela de integração de diagramas de esforços:
ߜଵ ൌ ܮ3 . ൫ܯ.ܯ൯. ቀ1
ݔ. ݕ
ܮଶ ቁ ൌ
10
3 . ሺ25. െ2,4ሻ. ൬1
6.4
ሺ10ሻଶ൰ ൌ െ248
ߜଵଵ ൌ ܮ3 . ൫ܯ.ܯ൯ ൌ
10
3 . ሺെ2,4.െ2,4ሻ ൌ 19,20
ߜଵ ଵܺ. ߜଵଵ ൌ 0 ∴ െ248 ଵܺ. 19,20 ൌ 0 ∴ ଵܺ ൌ 12,92 ሾ݇ܰሿ
Reações de Apoio:
ܴ ൌ ܴ௬బ ଵܺ. ܴ௬భ ∴ ܴ ൌ 10 12,92. ሺെ0,4ሻ ൌ 4,83 ሾ݇ܰሿ
ܴ ൌ ܴ௬బ ଵܺ. ܴ௬భ ∴ ܴ ൌ 0 12,92. ሺ1ሻ ൌ 12,92 ሾ݇ܰሿ
ܴ ൌ ܴ௬బ ଵܺ. ܴ௬భ ∴ ܴ ൌ 10 12,92. ሺെ0,6ሻ ൌ 2,25 ሾ݇ܰሿ
Σܴ ൌ ሺ4,83 12,92 2,25ሻ ൌ 20 ሾ݇ܰሿ⇔ Σ ݀ܽݏ ܿܽݎ݃ܽݏ ൌ 2 ݇ܰ݉ ൨ . 10ሾ݉ሿ
ൌ 20ሾ݇ܰሿ
D.E.C.
ܸ ൌ ܸబ ଵܺ. ܸభ ൌ 10ሾ݇ܰሿ 12,92ሾ݇ܰሿ. ሺെ0,40ሻ ൌ 4,83ሾ݇ܰሿ
ܸೞ ൌ ܸబ ଵܺ. ܸభ ൌ െ2ሾ݇ܰሿ 12,92ሾ݇ܰሿ. ሺെ0,40ሻ ൌ െ7,17ሾ݇ܰሿ
ܸೝ ൌ ܸబ ଵܺ. ܸభ ൌ െ2ሾ݇ܰሿ 12,92ሾ݇ܰሿ. ሺ0,60ሻ ൌ 5,75ሾ݇ܰሿ
ܸ ൌ ܸబ ଵܺ. ܸభ ൌ െ10ሾ݇ܰሿ 12,92ሾ݇ܰሿ. ሺ0,60ሻ ൌ െ2,25ሾ݇ܰሿ
D.M.F.
ܯ ൌ ܯబ ଵܺ.ܯభ ൌ 0ሾ݇ܰ.݉ሿ 12,92ሾ݇ܰሿ. ሺ0ሻ ൌ 0,00ሾ݇ܰሿ
ܯ ൌ ܯబ ଵܺ.ܯభ ൌ 24ሾ݇ܰ.݉ሿ 12,92ሾ݇ܰሿ. െ2,40ሾ݉ሿ ൌ െ7,00ሾ݇ܰ.݉ሿ
ܯ ൌ 0,00ሾ݇ܰ.݉ሿ
23
RAy=4,83 kN
RBy=12,92 kN
RCy=2,25 kN
2 kN/m
A
B C
4,83 kN
5,75 kN
-7,17 kN
-2,25 kN
7,00 kN.m
24
A B C D
10 kN/m
A D
q=10 kN/m[X0]
A D
[X1]
X1=1 kN
A D
[X2]
X2=1 kN
EXEMPLO III:
Incógnitas:
RAx , RAy, RBy, RCy e RDy – (5)
Número de Equações:
Σܨݔ ൌ0 ∴ Σܨݕ ൌ 0 ∴ Σܯ ൌ 0 – (3)
Grau de Hiperestaticidade:
ࢍ ൌ ݃ ݃ ൌ ሺݎ െ ݁ െ ݊ሻ 0 ൌ 5 െ 3 0 ൌ ࢞ ࢎࢋ࢘ࢋ࢙࢚á࢚ࢉࢇ
Neste exemplo liberaremos os vínculos RBy e RCy, assim:
25
A B C D
q=10 kN/m
RAX
RAy RDy
[X0]
A B C D
q=10 kN/m
RAX
RAy=60kN RDy=60kN
D.E.C. [kN]
D.M.F. [kN.m]
-60kN
60kN
180kN
S1
1º Caso de Carregamento [ X0 ]:
ܴೣ ൌ 0 ሾ݇ܰሿ
ܴ ൌ ܴ ൌ
ݍ. ܮ
2 ൌ
10 ቂ݇ܰ݉ ቃ . 12 ሾ݉ሿ
2 ∴ ܴ ൌ ܴ ൌ 60 ሾ݇ܰሿ
ܯ௫ ൌ ݍ. ܮ
ଶ
8 ൌ
10 ቂ݇ܰ݉ ቃ . 12ଶ ሾ݉ଶሿ
8 ൌ
1440 ሾ݇ܰ.݉ሿ
8 ൌ 180 ሾ݇ܰ.݉ሿ
26
q=10 kN/m
M
V
A D
RAX
RAy RDy
[X1]
X1=1 kN
Seção S1:
Σܨݕ ൌ 0 ∴ ܸ െ 10ݔ 60 ൌ 0 ∴ ܸ ൌ 10ݔ െ 60
ሺܸሻ ൌ 10. ሺ0ሻ െ 60 ൌ െ60 ሾ݇ܰሿ
ሺܸଵଶሻ ൌ 10. ሺ12ሻ െ 60 ൌ 60 ሾ݇ܰሿ
Σܯ ൌ 0 ∴ ܯ െ 60ݔ 10ݔ. ݔ2 ൌ 0 ∴ ܯ ൌ 60ݔ െ 5ݔ
ଶ
ܯሺሻ ൌ 60. ሺ0ሻ െ 5. ሺ0ሻଶ ൌ 0 ሾ݇ܰ.݉ሿ
ܯሺସሻ ൌ 60. ሺ4ሻ െ 5. ሺ4ሻଶ ൌ 160 ሾ݇ܰ.݉ሿ
ܯሺሻ ൌ 60. ሺ7ሻ െ 5. ሺ7ሻଶ ൌ 175 ሾ݇ܰ.݉ሿ
ܯሺଵଶሻ ൌ 60. ሺ12ሻ െ 5. ሺ12ሻଶ ൌ 0 ሾ݇ܰ.݉ሿ
2º Caso de Carregamento [ X1 ]:
ܴೣ ൌ 0 ሾ݇ܰሿ
ܴ ൌ
െܲ. ܾ
ܮ ൌ
െ1,00ሾ݇ܰሿ.8,00 ሾ݉ሿ
12 ሾ݉ሿ ∴ ܴ ൌ െ0,667 ሾ݇ܰሿ
ܴ ൌ
െܲ. ܽ
ܮ ൌ
െ1,00ሾ݇ܰሿ.4,00 ሾ݉ሿ
12 ሾ݉ሿ ∴ ܴ ൌ െ0,333 ሾ݇ܰሿ
ܯ௫ ൌ െܲ. ܽ. ܾܮ ൌ
െ1,00. 8,00.4,00
12 ൌ
െ32 ሾ݇ܰ.݉²ሿ
12 ሾ݉ሿ ൌ െ2,667 ሾ݇ܰ.݉ሿ
27
D.E.C. [kN]
D.M.F. [kN.m]
0,333
-0,667
A D
RAy=-0,667 RDy=-0,333
[X1]
X1=1 kN
-2,667
A D
RAX
RAy RDy
[X2]
X2=1 kN
3º Caso de Carregamento [ X2 ]:
ܴೣ ൌ 0 ሾ݇ܰሿ
ܴ ൌ
െܲ. ܾ
ܮ ൌ
െ1,00ሾ݇ܰሿ.5,00 ሾ݉ሿ
12 ሾ݉ሿ ∴ ܴ ൌ െ0,417 ሾ݇ܰሿ
ܴ ൌ
െܲ. ܽ
ܮ ൌ
െ1,00ሾ݇ܰሿ.7,00 ሾ݉ሿ
12 ሾ݉ሿ ∴ ܴ ൌ െ0,583 ሾ݇ܰሿ
ܯ௫ ൌ െܲ. ܽ. ܾܮ ൌ
െ1,00. 7,00.5,00
12 ൌ
െ35 ሾ݇ܰ.݉²ሿ
12 ሾ݉ሿ ൌ െ2,917 ሾ݇ܰ.݉ሿ
28
D.E.C. [kN]
D.M.F. [kN.m]
0,583
-0,417
A D
RAy=-0,417 RDy=-0,583
[X2]
X2=1 kN
-2,917
-2,667
180kN
-2,667-2,667
Pela tabela de integração de diagramas de esforços:
ߜଵ ൌ ܮ3 . ൫ܯ.ܯ൯. ቀ1
ݔ. ݕ
ܮଶ ቁ ൌ
12
3 . ሺ180.െ2,667ሻ. ൬1
4.8
ሺ12ሻଶ൰ ൌ െ2.346,96
ߜଵଵ ൌ ܮ6 . ൫ܯ.ܯ൯. ቈ2 െ
ሺݔ െ ݔଵሻଶ
ݔଵ. ݕ ൌ
12
6 . ሺെ2,667.െ2,667ሻ. ሾ2 െ 0ሿ ൌ 28,45
29
180kN
-2,917
-2,917-2,917
-2,667
-2,917
-2,667
-1,667
-2,667
-1,667
M
1
M
2
M
3 M
4
-2,917
-1,667 -1,667
-2,917
ߜଶ ൌ ܮ3 . ൫ܯ.ܯ൯. ቂ1
ݔ. ݕ
ܮ² ቃ ൌ
12
3 . ሺ180.െ2,667ሻ. 1
7.5
12ଶ൨ ൌ െ2.610,72
ߜଶଶ ൌ ܮ3 . ൫ܯ.ܯ൯ ൌ
12
3 . ሺെ2,917.െ2,917ሻ ൌ 34,03
(δ12)1 (δ12)2 (δ12)3
30
ߜଵଶ ൌ ߜଶଵ ൌ ሺߜଵଶሻଵ ሺߜଵଶሻଶ ሺߜଵଶሻଷ
ൌ ܮ3 . ሺܯ.ܯഥሻ
ܮ
6 ሾܯଵሺ2.ܯଷ ܯସሻ ܯଶ. ሺܯଷ 2.ܯସሻሿ
ܮ3 ሺܯ.ܯഥሻ
ൌ 43 ሺെ2,667.െ1,667ሻ
36 ሾെ2,667. ሺ2. െ1,667 െ 2,917ሻ
െ 1,667. ሺെ1,667 2.െ2,917ሻሿ 53 ሺെ1,667.െ2,917ሻ
ൌ 5,928 14,588 8,104 ൌ 28,62
൜ߜଵ ଵܺ. ߜଵଵ ܺଶ. ߜଵଶ ൌ 0ߜଶ ଵܺ. ߜଶଵ ܺଶ. ߜଶଶ ൌ 0
൜െ2.346,96 ଵܺ. 28,45 ܺଶ. 28,62 ൌ 0െ2.610,72 ଵܺ. 28,62 ܺଶ. 34,03 ൌ 0
Desta forma obtêm‐se um sistema de equações de simples resolução (2
equações e 2 incógnitas).
Resolvendo‐se o sistema obtemos:
ଵܺ ൌ 34,54 ݇ܰ
ܺଶ ൌ 47,67 ݇ܰ
Cálculo das Reações de Apoio:
ܴ ൌ ܴ ଵܺ. ܴଵ ܺଶ. ܴଶ
ܴ ൌ 60 34,54. ሺെ0,667ሻ 47,67. ሺെ0,417ሻ ൌ 17,08 ሾ݇ܰሿ
ܴ ൌ ଵܺ ൌ 34,56 ሾ݇ܰሿ
ܴ ൌ ܺଶ ൌ 47,67 ሾ݇ܰሿ
ܴ ൌ 60 34,54. ሺെ0,333ሻ 47,67. ሺെ0,583ሻ ൌ 20,71 ሾ݇ܰሿ
31
VX0 [kN]
-60kN
60kN
0,333
-0,667
0,583
-0,417
VX1 [kN]
VX2 [kN]
D.E.C. [kN]
17,08
11,38
29,29
-18,38 -20,71
Cálculo do Esforço Cortante:
D.E.C.
ܸ ൌ ܸ ଵܺ. ܸଵ ܺଶ. ܸଶ
ܸ ൌ 60 34,54. ሺെ0,667ሻ 47,67. ሺെ0,417ሻ ൌ 17,08ሾ݇ܰሿ
ܸೞ ൌ 20 34,54. ሺെ0,667ሻ 47,67. ሺെ0,417ሻ ൌ െ22,92ሾ݇ܰሿ
ܸೝ ൌ 20 34,54. ሺ0,333ሻ 47,67. ሺെ0,417ሻ ൌ 11,38ሾ݇ܰሿ
ܸೞ ൌ െ10 34,54. ሺ0,333ሻ 47,67. ሺെ0,417ሻ ൌ െ18,38ሾ݇ܰሿ
ܸೝ ൌ െ10 34,54. ሺ0,333ሻ 47,67. ሺ0,583ሻ ൌ 29,29ሾ݇ܰሿ
ܸ ൌ െ60 34,54. ሺ0,333ሻ 47,67. ሺ0,583ሻ ൌ െ20,71ሾ݇ܰሿ
32
180kN-2,667
-2,917
16
0k
N
17
5k
N
-1,667
-1,667
MX0 [kN.m]
MX1 [kN.m]
MX2 [kN.m]
D.M.F. [kN.m]
M1
M2
-11,58
M3
Cálculo do Momento Fletor:
D.M.F.
ܯ ൌ ܯ ଵܺ.ܯଵ ܺଶ.ܯଶ
ܯ ൌ ܯ ൌ 0,00ሾ݇ܰሿ
ܯ ൌ 160 34,54. ሺെ2,667ሻ 47,67. ሺെ1,667ሻ ൌ െ11,58ሾ݇ܰ.݉ሿ
ܯ ൌ 175 34,54. ሺെ1,667ሻ 47,67. ሺെ2,917ሻ ൌ െ21,63ሾ݇ܰ.݉ሿ
ܯଵ ൌ 17,08 1,712 ൌ 14,62ሾ݇ܰ.݉ሿ
ܯଶ ൌ െ11,58 11,38. 1,1382 ൌ െ5,10ሾ݇ܰ.݉ሿ
ܯଷ ൌ െ21,63 29,29. 2,9292 ൌ 21,26ሾ݇ܰ.݉ሿ
33
A B C D
10 kN/m
X1=1 kN.m X2=1 kN.m
A B
X1
C
10 kN/m
X1
10 kN/m
C D
10 kN/m
B
A B
X1
C
X1
C DB
A B C C DB
X2 X2
[X0]
[X1]
[X2]
1 kN/m
R=q.L
2
R=q.L
2
R=-P
L
R=P
L
1 kN/m
R=-P
L
R=P
L
D.M.F. [kN.m]
D.E.C. [kN]
-q.L
2
q.L
2
-1
L
1
L
q.L²
8
-1 -1
EXEMPLO IV:
Outra maneira de resolver o anterior é liberando a continuidade da estrutura e
impondo momentos de engastamento unitário, conforme apresentado a seguir:
Desta forma:
Sabe‐se que:
34
A B
X1
C
10 kN/m
X1
10 kN/m
C D
10 kN/m
B
[X0]
+20
-20
+15
-15
+25
-25
+20
+11,25
+31,25
1º Caso de Carregamento [ X0 ]:
ܴ ൌ ܴ ൌ
ݍ. ܮ
2 ൌ
10 ቂ݇ܰ݉ ቃ . 4 ሾ݉ሿ
2 ∴ ܴ ൌ ܴ ൌ 20 ሾ݇ܰሿ
ܯ ൌ ݍ. ܮ
ଶ
8 ൌ
10 ቂ݇ܰ݉ ቃ . 4ଶ ሾ݉ଶሿ
8 ൌ 20 ሾ݇ܰ.݉ሿ
ܴ ൌ ܴ ൌ
ݍ. ܮ
2 ൌ
10 ቂ݇ܰ݉ ቃ . 3 ሾ݉ሿ
2 ∴ ܴ ൌ ܴ ൌ 15 ሾ݇ܰሿ
ܯ ൌ ݍ. ܮ
ଶ
8 ൌ
10 ቂ݇ܰ݉ ቃ . 3ଶ ሾ݉ଶሿ
8 ൌ 11,25 ሾ݇ܰ.݉ሿ
ܴ ൌ ܴ ൌ
ݍ. ܮ
2 ൌ
10 ቂ݇ܰ݉ ቃ . 5 ሾ݉ሿ
2 ∴ ܴ ൌ ܴ ൌ 25 ሾ݇ܰሿ
ܯ ൌ ݍ. ܮ
ଶ
8 ൌ
10 ቂ݇ܰ݉ ቃ . 5ଶ ሾ݉ଶሿ
8 ൌ 31,25 ሾ݇ܰ.݉ሿ
2º Caso de Carregamento [ X1 ]:
ܴ ൌ
െ1
ܮ ൌ
െ1
4 ൌ െ0,25 ሾ݇ܰሿ ∴ ܴೞ ൌ
1
ܮ ൌ 0,25 ሾ݇ܰሿ
ܴೝ ൌ
1
ܮ ൌ
1
3 ൌ 0,33 ሾ݇ܰሿ ∴ ܴೞ ൌ െ
1
ܮ ൌ െ0,33 ሾ݇ܰሿ
ܴ ൌ ܴ ൌ 0,00 ሾ݇ܰሿ
35
A B
X1
C
X1
C DB
[X1]
-0,25
-0,33
-1 -1
A B C CB
X2 X2[X2]
-0,33
0,20
-1 -1
-1+20
+11,25
+31,25
-1
3º Caso de Carregamento [ X2 ]:
ܴ ൌ ܴೞ ൌ 0,00 ሾ݇ܰሿ
ܴೝ ൌ
െ1
ܮ ൌ
െ1
3 ൌ െ0,33 ሾ݇ܰሿ ∴ ܴೞ ൌ
1
ܮ ൌ
1
3 ൌ 0,33 ሾ݇ܰሿ
ܴೝ ൌ
1
ܮ ൌ
1
5 ൌ 0,20 ሾ݇ܰሿ ∴ ܴ ൌ െ
1
ܮ ൌ െ
1
ܮ ൌ െ0,20 ሾ݇ܰሿ
Cálculo do :
10:
ߜଵ ൌ ܮ3ܯܯഥ
ܮ
3ܯܯഥ 0 ൌ
4
3 . 20. െ1
3
3 . 11,25.െ1 0 ൌ െ37,92
36
-1 -1
-1 -1
+20
+11,25
+31,25-1 -1
-1 -1
-1 -1
-1 -1
-1 -1
20:
ߜଶ ൌ 0 ܮ3ܯܯഥ
ܮ
3ܯܯഥ ൌ
3
3 . 11,25.െ1
5
3 . 31,25.െ1 ൌ െ63,33
11:
ߜଵଵ ൌ ܮ3ܯܯഥ
ܮ
3ܯܯഥ 0 ൌ
4
3 .െ1.െ1
3
3 .െ1.െ1 ൌ 2,33
22:
ߜଶଶ ൌ 0 ܮ3ܯܯഥ
ܮ
3ܯܯഥ ൌ
3
3 .െ1.െ1
5
3 .െ1.െ1 ൌ 2,67
21=12:
ߜଶଵ ൌ ߜଵଶ ൌ 0 ܮ6ܯܯഥ 0 ൌ
3
6 .െ1.െ1 ൌ 0,50
37
Compatibilização das Rotações:
൜ߜଵ ଵܺ. ߜଵଵ ܺଶ. ߜଵଶ ൌ 0ߜଶ ଵܺ. ߜଶଵ ܺଶ. ߜଶଶ ൌ 0
൜െ37,92 ଵܺ. 2,33 ܺଶ. 0,50 ൌ 0െ63,33 ଵܺ. 0,50 ܺଶ. 2,67 ൌ 0
Novamente um sistema de fácil resolução, que resultaem:
ଵܺ ൌ 11,63 ݇ܰ.݉
ܺଶ ൌ 21,57 ݇ܰ
Observa‐se que ao invés de obtermos os valores das reações de apoio, neste
caso, obtemos os valores dos momentos fletores nos apoios.
Fazendo‐se o mesmo procedimento do Exemplo III têm‐se os esforços e as
reações de apoio.
ܴ ൌ ܴ ଵܺ. ܴଵ ܺଶ. ܴଶ
ܸ ൌ ܸ ଵܺ. ܸଵ ܺଶ. ܸଶ
ܯ ൌ ܯ ଵܺ.ܯଵ ܺଶ.ܯଶ
E, desta forma, obtendo‐se os diagramas de esforços cortantes e de momento
fletores do exemplo anterior.
38
A B C D
10 kN/m
E
10 kN/m
20 kN/m
1 kN/m
R=q.L
2
R=q.L
2
R=P
L
R=-P
L
1 kN/m
R=P
L
R=-P
L
D.M.F. [kN.m]
D.E.C. [kN]
-q.L
2
q.L
2
1
L
-1
L
q.L²
8
1 1
A B C
10 kN/m10 kN/m
D E
10 kN/m
B
A B
X1
C
X1
D EB
[X0]
D
10 kN/m
C
D
X2
C
X2 X3 X3
A B C
10 kN/m10 kN/m
D E
10 kN/m
B
[X0]
D
20 kN/m
C
RAy=20 kN RBy=20 kN RCy=20 kNRBy=20 kN RCy=30 kN RDy=30 kN RDy=25 kN REy=25 kN
20 20
30 25
-20 -20
-30 -25
20 20 22,5
31,25Mmax=q.L² =10.4²=20 kN.m
2 2
Mmax=q.L² =10.4²=20 kN.m
2 2
Mmax=q.L² =20.3²=22,5 kN.m
2 2 Mmax=q.L² =10.5²=31,25 kN.m
2 2
EXEMPLO V:
Dados os diagramas: g = 3
Resolução:
1º Caso de Carregamento [ X0 ]:
39
A B
X1
C
X1
D EB
[X1]
DC
1/4 -1/4
1/4
-1/4 1/4
-1/4
1 1
A B C D EB
X2
[X2]
DC
1/4 -1/4 -1/3 1/3
X2
1/4
-1/3
1 1
A B C D EB
X2
[X3]
DC
1/4 -1/4 -1/3 1/3
X2
-1/5
1/3
1 1
2º Caso de Carregamento [ X1 ]:
3º Caso de Carregamento [ X2 ]:
4º Caso de Carregamento [ X3 ]:
40
1 1
20 20 22,5
31,25
1 1
1 1
1 1
1 1
1 1
1 1
Cálculo de :
ߜଵ ൌ ܮ3ܯܯഥ
ܮ
3ܯܯഥ 0 0 ൌ
4
3 . 20.1
4
3 . 20.1 0 0 ൌ 53,33
ߜଵଵ ൌ ܮ3ܯܯഥ
ܮ
3ܯܯഥ 0 0 ൌ
4
3 . 1.1
4
3 . 1.1 0 0 ൌ 2,67
ߜଵଶ ൌ 0 ܮ6ܯܯഥ 0 0 ൌ
4
3 . 1.1 0 0 0 ൌ 0,67
ߜଵଷ ൌ 0 0 0 0 ൌ 0,00
41
1 1
20 20 22,5
31,25
1 1
1 1
1 1
1 1
ߜଵଶ ൌ 0 ܮ3ܯܯഥ
ܮ
3ܯܯഥ 0 ൌ 0
4
3 . 20.1
3
3 . 22,5.1 0 ൌ 49,17
ߜଶଶ ൌ 0 ܮ3ܯܯഥ
ܮ
3ܯܯഥ 0 ൌ 0
4
3 . 1.1
3
3 . 1.1 0 ൌ 2,33
ߜଶଷ ൌ 0 0 ܮ6ܯܯഥ 0 ൌ 0 0
3
6 . 1.1 0 ൌ 0,50
42
1 1
1 1
1 1
20 20 22,5
31,25
ߜଷଷ ൌ 0 0 ܮ3ܯܯഥ
ܮ
3ܯܯഥ ൌ 0 0
3
3 . 1.1
5
3 . 1.1 ൌ 2,67
ߜଷ ൌ 0 0 ܮ3ܯܯഥ
ܮ
3ܯܯഥ ൌ 0 0
3
3 . 1.22,5
5
3 . 1.31,25 ൌ 74,58
Resolução do Sistema:
൝
ߜଵ ଵܺ. ߜଵଵ ܺଶ. ߜଵଶ ܺଷ. ߜଵଷ ൌ 0
ߜଶ ଵܺ. ߜଶଵ ܺଶ. ߜଶଶ ܺଷ. ߜଶଷ ൌ 0
ߜଷ ଵܺ. ߜଷଵ ܺଶ. ߜଷଶܺଷ. ߜଷଷ ൌ 0
൝
53,33 ଵܺ. 2,67 ܺଶ. 0,67 ܺଷ. 0,00 ൌ 0
49,17 ଵܺ. 0,67 ܺଶ. 2,33 ܺଷ. 0,50 ൌ 0
74,58 ଵܺ. 0,00 ܺଶ. 0,50ܺଷ. 2,67 ൌ 0
Substituindo temos:
ଵܺ ൌ െ0,67. ܺଶ െ 53,332,67 ൌ െ0,251. ܺଶ െ 19,97
ܺଷ ൌ െ0,50. ܺଶ െ 74,582,67 ൌ െ0,187. ܺଶ െ 27,93
49,17 ሺെ0,251. ܺଶ െ 19,97ሻ. 0,67 2,33. ܺଶ ሺെ0,187. ܺଶ െ 27,93ሻ. 0,50 ൌ 0
ܺଶ ൌ െ21,8252,0685 ൌ െ10,55 ݇ܰ.݉
43
A B
X1
C
X1
D EB
[X1]
DC
1/4 -1/4 -1/4 1/4
A B C
10 kN/m10 kN/m
D E
10 kN/m
B
[X0]
D
20 kN/m
C
RAy=20 kN RBy=20 kN RCy=20 kNRBy=20 kN RCy=30 kN RDy=30 kN RDy=25 kN REy=25 kN
A B C D EB
X2
[X2]
DC
1/4 -1/4 -1/3 1/3
X2
A B C D EB
X2
[X3]
DC
1/4 -1/4 -1/3 1/3
X2
Da mesma forma determinamos:
ଵܺ ൌ െ17,33 ݇ܰ.݉
ܺଶ ൌ െ25,96 ݇ܰ.݉
Cálculo das Reações de Apoio:
ܴ ൌ ܴ ଵܺ. ܴଵ ܺଶ. ܴଶ ܺଷ. ܴଷ
ܴ ൌ ܴ െ 17,33. ܴଵ െ 10,55. ܴଶ െ 25,96. ܴଷ
ܴ௬ ൌ 20 െ 17,33. 14 െ 10,55.0 െ 25,96.0 ൌ 15,67 ݇ܰ
ܴ௬ ൌ ሺ20 20ሻ െ 17,33. ൬െ 14 െ
1
4൰ െ 10,55.
1
4 െ 25,96. ሺ0ሻ ൌ 46,03 ݇ܰ
ܴ௬ ൌ ሺ20 30ሻ െ 17,33. 14 െ 10,55. ൬െ
1
4 െ
1
3൰ െ 25,96.
1
3 ൌ 43,17 ݇ܰ
ܴ௬ ൌ ሺ30 25ሻ െ 17,33. ሺ0ሻ െ 10,55. ൬13൰ െ 25,96. ሺെ
1
3 െ
1
5ሻ ൌ 65,33 ݇ܰ
ܴா௬ ൌ 25 െ 17,33. ሺ0ሻ െ 10,55. ሺ0ሻ െ 25,96. 153 ൌ 19,81 ݇ܰ
44
20 20 25
-20 -20 -25
-30
1/4
-1/4
1/4
-1/3
-1/5
1/3
15,68
21,70
24,86
30,19
-24,33
-18,30
-35,14
-19,81
D.E.C. [kN]
Cálculo dos Esforços Cortantes:
ܸ ൌ ܸ ଵܺ. ܸଵ ܺଶ. ܸଶ ܺଷ. ܸଷ
ܸ ൌ ܸ െ 17,33. ܸଵ െ 10,55. ܸଶ െ 25,96. ܸଷ
Ponto A: ܸ ൌ 20 െ 17,33. ቀଵସቁ െ 10,55. ሺ0ሻ െ 25,96. ሺ0ሻ ൌ 15,67 ݇ܰ
Ponto Besq: ܸ ൌ െ20 െ 17,33. ቀଵସቁ െ 10,55. ሺ0ሻ െ 25,96. ሺ0ሻ ൌ െ24,33 ݇ܰ
Ponto Bdir: ܸ ൌ 20 െ 17,33. ቀെ ଵସቁ െ 10,55. ቀ
ଵ
ସቁ െ 25,96. ሺ0ሻ ൌ 21,70 ݇ܰ
Ponto Cesq: ܸ ൌ െ20 െ 17,33. ቀെ ଵସቁ െ 10,55. ቀ
ଵ
ସቁ െ 25,96. ሺ0ሻ ൌ െ18,30 ݇ܰ
Ponto Cdir: ܸ ൌ 30 െ 17,33. ሺ0ሻ െ 10,55. ቀଵଷቁ െ 25,96. ቀ
ଵ
ଷቁ ൌ 24,86 ݇ܰ
Ponto Desq: ܸ ൌ െ30 െ 17,33. ሺ0ሻ െ 10,55. ቀଵଷቁ െ 25,96. ቀ
ଵ
ଷቁ ൌ െ35,14 ݇ܰ
Ponto Ddir: ܸ ൌ 25 െ 17,33. ሺ0ሻ െ 10,55. ሺ0ሻ െ 25,96. ቀെ ଵହቁ ൌ 30,19 ݇ܰ
Ponto E: ܸ ൌ െ25 െ 17,33. ሺ0ሻ െ 10,55. ሺ0ሻ െ 25,96. ቀെ ଵହቁ ൌ െ19,81 ݇ܰ
45
20 20 22,5
31,25
1 1
1 1
1 1
-17,33
-10,55
-25,96
11,34
6,06 4,24
18,27
D.M.F. [kN.m]
Cálculo dos Momentos Fletores:
ܯ ൌ ܯ ଵܺ.ܯଵ ܺଶ.ܯଶ ܺଷ.ܯଷ
ܯ ൌ ܯ െ 17,33.ܯଵ െ 10,55.ܯଶ െ 25,96.ܯଷ
ܯ௩ã ଵ ൌ 20 െ 17,33. ൬12൰ െ 10,55. ሺ0ሻ െ 25,96. ሺ0ሻ ൌ 11,34 ݇ܰ.݉
ܯ௩ã ଶ ൌ 20 െ 17,33. ൬12൰ െ 10,55. ൬
1
2൰ െ 25,96. ሺ0ሻ ൌ 6,06 ݇ܰ.݉
ܯ௩ã ଷ ൌ 22,5 െ 17,33. ሺ0ሻ െ 10,55. ൬12൰ െ 25,96. ൬
1
2൰ ൌ 4,24 ݇ܰ.݉
ܯ௩ã ସ ൌ 31,25 െ 17,33. ሺ0ሻ െ 10,55. ሺ0ሻ െ 25,96. ൬12൰ ൌ 18,27 ݇ܰ
46
20 kN/m
A
C
B
D
20 kN/m
X1=1
X2=1
A
C
B
D
EXEMPLO VI:
Grau de Hiperestaticidade: g = 2 (2x hiperestática)
Liberaremos os vínculos do apoio de segunda ordem
47
20 kN/m
A
C
B
D
RAx
RAy
MA
s3 s1
s2
[X0]
V
N M
1º Caso de Carregamento [ X0 ]:
Cálculo das Reações de Apoio:
Σܨݔ ൌ 0 ∴ ܴ௫ ൌ 0
Σܨݕ ൌ 0 ∴ ܴ௬ െ 20.6 ∴ ܴ௬ ൌ 120 ݇ܰ
Σܯ ൌ 0 ∴ ܯ െ 20.6. 62 ൌ 0 ∴ ܯ ൌ 360 ݇ܰ.݉
Seção S1:
Σܨݔ ൌ 0 ∴ ܸ ൌ 0
Σܨݕ ൌ 0 ∴ ܰ ൌ 0
Σܯ ൌ 0 ∴ ܯ ൌ 0
48
V
N M
V
N
M
RAx=0
RAy=120 kN
MA=360 kN.m
-120 kN
120 kN
[D.E.N.] [D.E.C.]
-360 kN
[D.M.F.]
-360 kN
Seção S2:
Σܨݔ ൌ 0 ∴ ܰ ൌ 0
Σܨݕ ൌ 0 ∴ ܸ െ 20. ݔ ൌ 0 ∴ ܸ ൌ 20. ݔ
xൌ 0 ∴ ܸ ൌ 0
xൌ 6 ∴ ܸ ൌ 120 ݇ܰ
Σܯ ൌ 0 ∴ ܯ 20. ݔ. ௫ଶ ൌ 0 ∴ ܯ ൌ
െ10. ݔ²
xൌ 0 ∴ ܯ ൌ 0
xൌ 6 ∴ ܯ ൌ െ360 ݇ܰ.݉
Seção S3:
Σܨݔ ൌ 0 ∴ ܸ ൌ 0
Σܨݕ ൌ 0 ∴ ܰ 120 ൌ 0 ∴ ܰ ൌ െ120 ݇ܰ
Σܯ ൌ 0 ∴ ܯ 360 ൌ 0 ∴ ܯ ൌ െ360 ݇ܰ.݉
Diagrama de Esforços [X0]:
49
A
C
B
D
RAx
RAy
MA
s3 s1
s2
X1=1
[X1]
V
N M
X1=1
2º Caso de Carregamento [ X1 ]:
Cálculo das Reações de Apoio:
Σܨݔ ൌ 0 ∴ ܴ௫ 1 ൌ 0 ∴ ܴ௫ ൌ െ1 ݇ܰ
Σܨݕ ൌ 0 ∴ ܴ௬ 0 ∴ ܴ௬ ൌ 0
Σܯ ൌ0 ∴ ܯ ൌ 0
Seção S1:
Σܨݔ ൌ 0 ∴ ܸ 1 ൌ 0 ∴ ܸ ൌ െ1 ݇ܰ
Σܨݕ ൌ 0 ∴ ܰ ൌ 0
Σܯ ൌ 0 ∴ ܯ െ 1. ݔ ൌ 0 ∴ ܯ ൌ ݔ
xൌ 0 ∴ ܯ ൌ 0
xൌ 3 ∴ ܯ ൌ 3 ݇ܰ.݉
50
V
N M
X1=1
V
N
M
RAx=-1
RAy=0 kN
MA=0 kN.m
-120 kN
[D.E.N.] [D.E.C.]
1 kN
1 kN -1 kN
-360 kN
[D.M.F.]
3 kN.m 3 kN.m
3 kN.m
Seção S2:
Σܨݔ ൌ 0 ∴ െܰ 1 ൌ 0 ∴ ܰ ൌ 1 ݇ܰ
Σܨݕ ൌ 0 ∴ ܸ ൌ 0
Σܯ ൌ 0 ∴ ܯ െ 1.3 ൌ 0 ∴ ܯ ൌ
3 ݇ܰ.݉
Seção S3:
Σܨݔ ൌ 0 ∴ ܸ െ 1 ൌ 0 ∴ ܸ ൌ 1 ݇ܰ
Σܨݕ ൌ 0 ∴ ܰ 0 ൌ 0 ∴ ܰ ൌ 0
Σܯ ൌ 0 ∴ ܯ െ 1. ݔ ൌ 0 ∴ ܯ ൌ ݔ
xൌ 0 ∴ ܯ ൌ 0
xൌ 3 ∴ ܯ ൌ 3 ݇ܰ.݉
Diagrama de Esforços [X1]:
51
A
C
B
D
RAx
RAy
MA
s3 s1
s2
X2=1
[X2]
V
N M
X 2=1
3º Caso de Carregamento [ X2 ]:
Cálculo das Reações de Apoio:
Σܨݔ ൌ 0 ∴ ܴ௫ ൌ 0
Σܨݕ ൌ 0 ∴ ܴ௬ 1 ∴ ܴ௬ ൌ െ1 ݇ܰ
Σܯ ൌ 0 ∴ െܯ െ 1.6 ൌ െ6 ݇ܰ.݉
Seção S1:
Σܨݔ ൌ 0 ∴ ܸ ൌ 0
Σܨݕ ൌ 0 ∴ ܰ 1 ൌ 0 ∴ ܰ ൌ െ1 ݇ܰ
Σܯ ൌ 0 ∴ ܯ ൌ 0
52
V
N M
X2=1
V
N
M
RAx=0
RAy=-1 kN
MA=-6 kN.m
-120 kN
[D.E.N.] [D.E.C.]
1 kN
1 kN -1 kN
6 kN.m
[D.M.F.]
6 kN.m
Seção S2:
Σܨݔ ൌ 0 ∴ െܰ 0 ൌ 0 ∴ ܰ ൌ 0
Σܨݕ ൌ 0 ∴ ܸ 1 ൌ 0 ∴ ܸ ൌ
െ1 ݇ܰ
Σܯ ൌ 0 ∴ ܯ ൌ 0
Seção S3:
Σܨݔ ൌ 0 ∴ ܸ ൌ 0
Σܨݕ ൌ 0 ∴ ܰ െ 1 ൌ 0 ∴ ܰ ൌ 1 ݇ܰ
Σܯ ൌ 0 ∴ ܯ െ 6 ൌ 0 ∴ ܯ ൌ 6 ݇ܰ.݉
Diagrama de Esforços [X1]:
53
Cálculo do δ:
ߜଶଵ ൌ ܮ3 . ൫ܯ.ܯ൯ ܮ. ൫ܯ.ܯ൯
ܮ
3 . ൫ܯ.ܯ൯ ൌ
3
3 . 3.3 6.3.3
3
3 . 3.3 ൌ 72
ߜଶଶ ൌ 0 ܮ3 . ൫ܯ.ܯ൯ ܮ. ൫ܯ.ܯ൯ ൌ 0
6
3 . 6.6 3.6.6 ൌ 180
ߜଶଵ ൌ 0 ܮ2 . ൫ܯ.ܯ൯
ܮ
2 . ൫ܯ.ܯ൯ ൌ 0
6
2 . 3.6
3
2 . 3.6 ൌ 81
δ12 = δ21= 81
ߜଶଵ ൌ ܮ2 . ൫ܯ.ܯ൯
ܮ
3 . ൫ܯ.ܯ൯ 0 ൌ
3
2 . 3. െ360
6
2 . 3. െ360 ൌ െ3.780
54
ߜଶ ൌ 0 ܮ4 . ൫ܯ.ܯ൯ ܮ. ൫ܯ.ܯ൯ 0 ൌ
6
4 . 6. െ360 3.6. െ360 ൌ െ9.720
Sistema de Equações:
൜ߜଵ ଵܺ. ߜଵଵ ܺଶ. ߜଵଶ ൌ 0ߜଶ ଵܺ. ߜଶଵ ܺଶ. ߜଶଶ ൌ 0
൜ െ3.780 ଵܺ. 72 ܺଶ. 81 ൌ 0െ9.720 ଵܺ. 81 ܺଶ. 180 ൌ 0
Resolvendo‐se o sistema obtemos:
ଵܺ ൌ െ16,71 ݇ܰ
ܺଶ ൌ 61,52 ݇ܰ
Cálculo das Reações de Apoio:
ܴ ൌ ܴ ଵܺ. ܴଵ ܺଶ. ܴଶ
ܴ ൌ 120 െ 16,71. ሺ0ሻ 61,52. ሺെ1ሻ ൌ 58,48 ሾ݇ܰሿ
ܴೣ ൌ 0 െ 16,71. ሺെ1ሻ 61,52. ሺ0ሻ ൌ 16,71 ሾ݇ܰሿ
ܯ ൌ 360 െ 16,71. ሺ0ሻ 61,52. ሺെ6ሻ ൌ െ9,12 ሾ݇ܰ.݉ሿ
ܴೣ ൌ ଵܺ ൌ െ16,71 ሾ݇ܰሿ
ܴ ൌ ܺଶ ൌ 61,52 ሾ݇ܰሿ
ܯ ൌ െ360 െ 16,71. ሺ3ሻ 61,52. ሺ6ሻ ൌ െ41,01 ሾ݇ܰ.݉ሿ
ܯ ൌ 0 െ 16,71. ሺ3ሻ 61,52. ሺ0ሻ ൌ െ50,13 ሾ݇ܰ.݉ሿ
55
BIBLIOGRAFIA
BEER, F.P. e JOHNSTON JR, E. R. (1989). Resistência dos materiais. 2a ed. São
Paulo: McGraw-Hill.
CAMPANARI, Flávio Antônio.(1985). Teoria das estruturas. v.1, 2, 3 e 4. Ed.
Guanabara Dois.
POPOV, Egor P. (1978). Introdução à mecânica dos sólidos. São Paulo: Edgard
Blücher.
SUSSEKIND, José Carlos. (1994a). Curso de análise estrutural. v.2. 11a ed.São
Paulo:
Ed.Globo.
TIMOSHENKO, Stephen P. (1967). Resistência dos materiais. v.1. 3a ed. Rio de
Janeiro: Ao Livro Técnico.
LA ROVER, H.L. e DE MORAES, POLIANA DIAS. R. (2005). Apostila ECV 5220
–Análise Estrutural II. Santa Catarina: ECV/UFSC.
56
Capítulo III – Método dos Deslocamentos
O método dos deslocamentos, também conhecido como método da
rigidez, apesar de também ter aplicabilidade na resolução de estruturas
isostáticas é um método de análise estrutural bastante aplicado no caso
de estruturas grandes e complexas. Estas estruturas exigem a solução de
um grande número de equações, sendo necessária para a sua solução a
utilização de ferramentas computacionais.
Comparativamente, a formulação matemática do método dos
deslocamentos é muito semelhante à do método das forças, decorrendo
daí, quando da análise de problemas, qual dos dois se torna mais
vantajoso.
Em linhas gerais, podem‐se resumir os métodos das forças e dos
deslocamentos para aplicação a estruturas hiperestáticas como:
‐ Método das forças: A solução se dá pela determinação de seus esforços
para, a partir deles, obter as deformações, impondo como incógnitas os
esforços em vínculos.
‐ Método dos deslocamentos: A solução se dá pela determinação das
deformações sofridas pelos nós das diversas barras da estrutura para, a
partir desses valores, obterem os diagramas de esforços solicitantes da
estrutura. Estruturas hiperestáticas são resolvidas impondo como
incógnitas os deslocamentos em nós rígidos.
Ainda na seara das semelhanças e diferenças entre os dois métodos têm:
Método das Forças
Idéia básica:
Determinar, dentro do conjunto de
soluções em forças que satisfazem as
condições de equilíbrio, qual a
solução que faz com que as
condições de compatibilidade
também sejam satisfeitas.
Metodologia:
Superpor uma série de soluções
estaticamente determinadas
Método dos Deslocamentos
Idéia básica:
Determinar, dentro do conjunto de
soluções em deslocamentos que
satisfazem as condições de
compatibilidade, qual a solução que
faz com que as condições de
equilíbrio também sejam satisfeitas.
Metodologia:
Superpor uma série de soluções
cinematicamente determinadas
57
(isostáticas) que satisfazem as
condições de equilíbrio da estrutura
para obter uma solução final que
também satisfaz as condições de
compatibilidade.
Incógnitas:
Hiperestáticos: forças e momentos
associados a vínculos excedentes à
determinação estática da estrutura.
Número de incógnitas:
É o número de incógnitas excedentes
das equações de equilíbrio,
denominado grau de
hiperestaticidade.
Estrutura auxiliar utilizada nas
soluções básicas:
Sistema Principal (SP): estrutura
estaticamente determinada
(isostática) obtida da estrutura
original pela eliminação dos vínculos
excedentes associados aos
hiperestáticos. Essa estrutura
auxiliar viola condições de
compatibilidade de estrutura
original.
Equações finais:
São equações de compatibilidade
expressas em termos dos
hiperestáticos.
Essas equações recompõem as
condições de compatibilidade
violadas nas soluções básicas.
Termos de carga das equações
finais:
Deslocamentos e rotações nos
pontos dos vínculos liberados no SP
devidos à solicitação externa
(carregamento).
(configurações deformadas
conhecidas) que satisfazem as
condições de compatibilidade da
estrutura para obter uma solução
final que também satisfaz as
condições de equilíbrio.
Incógnitas:
Deslocabilidades: componentes de
deslocamentos e rotações nodais
que definem a configuração
deformada da estrutura.
Número de incógnitas:
É o número de incógnitas excedentes
das equações de compatibilidade,
denominado grau de hipergeometria.
Estrutura auxiliar utilizada nas
soluções básicas:
Sistema Hipergeométrico (SH):
estrutura cinematicamente
determinada (estrutura com
configuração deformada conhecida)
obtida da estrutura original pela
adição dos vínculos necessários para
impedir as deslocabilidades. Essa
estrutura auxiliar viola condições de
equilíbrio da estrutura original.
Equações finais:
São equações de equilíbrio
expressasem termos das
deslocabilidades. Essas equações
recompõem as condições de
equilíbrio violadas nas soluções
básicas.
Termos de carga das equações
finais:
Forças e momentos (reações) nos
vínculos adicionados no SH devidos
à solicitação externa (carregamento)
58
1
11 21
P2
12 22
P2
1)1
P1
2
2)1 2
Coeficientes das equações finais:
Coeficientes de flexibilidade:
deslocamentos e rotações nos
pontos dos vínculos liberados no SP
devidos a hiperestáticos com valores
unitários atuando isoladamente.
Coeficientes das equações finais:
Coeficientes de rigidez: forças e
momentos nos vínculos adicionados
no SH para impor configurações
deformadas com deslocabilidades
isoladas com valores unitários.
Tal qual no método das forças, no método dos deslocamentos iremos nos valer
do Princípio da Superposição de Efeitos (White et al. 1976, West 1989, Felton &
Nelson 1996) para formalização dos métodos básicos da análise estrutural. Esse
princípio prescreve que a superposição dos campos de deslocamentos
provocados por vários sistemas de forças atuando isoladamente é igual ao
campo de deslocamentos provocado pelos mesmos sistemas de forças atuando
concomitantemente. Tal qual representação abaixo:
Para que se possa utilizar esse princípio é necessário que a estrutura tenha um
comportamento linear, comportamento este baseado em duas condições:
1ª Condição: que o material trabalhe no regime elástico‐linear.
2ª Condição: que seja válida a hipótese de pequenos deslocamentos (os
deslocamentos podem ser considerados pequenos quando as equações de
equilíbrio escritas para a geometria indeformada da estrutura fornecem
59
P
resultados praticamente iguais aos obtidos pelas mesmas equações de
equilíbrio escritas para a geometria deformada da estrutura)
Exceto em casos particulares, as estruturas civis têm deslocamentos pequenos
em comparação aos tamanhos característicos dos seus membros (comprimento
da barra ou altura da seção transversal, por exemplo).
Um contra‐exemplo, para o qual não é possível adotar a hipótese de pequenos
deslocamentos, é mostrado na figura abaixo.
Essa estrutura tem duas barras e três rótulas alinhadas, e o estado de equilíbrio
estável só pode ser alcançado para a estrutura na configuração deformada.
Cabos, que são estruturas muito flexíveis, é outro exemplo de estruturas cujo
equilíbrio é alcançado na geometria final, considerando os seus deslocamentos
sobrepostos à geometria inicial indeformada. Essas estruturas não serão
tratadas aqui, e serão classificadas como instáveis.
Para facilitar o entendimento do método seguiremos a mesma linha de
raciocínio apresentada por SÜSSEKIND (Curso de Análise Estrutural, vol.3), que
segue:
1. INCOGNITAS:
Contrário ao método das forças que considerava esforços simples (ou reações
de apoio) como incógnitas do problema, o método dos deslocamentos
determinará inicialmente as deformações sofridas pelos nós das diversas barras
da estrutura para, a partir desses valores, obterem os diagramas de esforços
solicitantes da estrutura. Desta forma, as incógnitas serão os ângulos de rotação
e os deslocamentos. Em seu cálculo serão desprezadas as deformações das
barras que compõem a estrutura devida a esforços normais, bem como as
devidas a esforços cortantes, não se constituindo este fato em nenhum erro
especial peculiar ao método.
Iniciaremos nosso estudo estabelecendo as deformações possíveis em uma
barra, a fim de determinarmos os esforços nela atuantes. Seja a barra AB
representada abaixo uma barra genérica de uma estrutura; devido aos esforços
60
que solicitam a barra, ela se deformará assumindo a posição A’B’, sendo essa
mudança de posição encarada como resultante das seguintes deformações,
independentes uma das outras:
Figura I – 1.2:
Translação da barra de δA: durante esta translação, a barra se mantém reta e
paralela à sua posição primitiva, de modo que não é despertado qualquer
esforço simples resta fase;
Figura I – 1.3:
Deslocamento linear de uma das extremidades da barra ao longo de uma
direção perpendicular a seu eixo, de valor ρBA (deslocamento ortogonal
recíproco dos nós B em relação ao nó A), sem rotação das extremidades da
barra. A barra se comporta como se fosse uma viga biengastada AB, cujo
engaste B sofreu recalque vertical igual a ρBA
Figura I – 1.4:
Rotação da extremidade A da barra de valor ϕA. A barra se comporta como viga
biengastada em que um dos engastes sofreu recalque angular de valor ϕA.
Figura I – 1.5:
Rotação da extremidade B da barra de valor ϕB. A barra se comporta como viga
biengastada em que um dos engastes sofreu recalque angular de valor ϕA.
61
Figura I – 1.6:
Deformação da barra, sem deslocamentos lineares nem rotações de
extremidade, devido ao carregamento externo aplicado. Nesta fase, a barra
funciona como uma viga biengastada submetida ao carregamento externo e que
pode ser determinado sem maiores dificuldades pelo método das forças.
Concluindo, basta conhecer os valores de ϕA, ϕB e ρBA para obtermos o
diagrama de momento fletores e, a partir dele, os demais diagramas solicitantes
para uma barra de uma estrutura, já a translação δA da barra não introduz
qualquer esforço na mesma.
Observação Importante: para estruturas espaciais é necessário conhecermos a
rotação e o deslocamento linear resultante de cada extremidade das barras que
compõem a estrutura. Esta rotação será dada por suas componentes (ϕX, ϕY,
ϕZ), e o deslocamento linear por suas componentes (δx ,δy, δz), num total de 6
incógnitas por nó da estrutura espacial, nos casos mais gerais. Para grelhas
precisaremos conhecer as rotações (ϕX, ϕY) e o deslocamento linear δz, num
total de 3 incógnitas por nó, nos casos gerais.
No caso da barra possuir uma das extremidades rotuladas (por exemplo “A”),
sua rotação nesta extremidade não será incógnita do problema, pois o diagrama
de momentos fletores final na barra AB será igual à soma daquele provocado
pelo deslocamento ortogonal recíproco ρBA, com o da rotação ϕB e com o do
carregamento externo, supostos aplicados numa viga apoiada AB (vide figura
abaixo).
62
Note que o método das deformações só pode existir devido à existência do
método das forças, que é aquele que fornece os diagramas para vigas
biengastadas (ou engastadas e rotuladas) devidos a ϕA, ϕB e ρBA... a partir dos
quais formularemos o método das deformações.
2. NÚMERO DE INCOGNITAS (Deslocabilidade interna e externa):
a. Deslocabilidade interna:
Seja a estrutura abaixo:
Já sabemos que as incógnitas do problema serão rotações e deslocamentos
lineares dos nós B e C, já que os engastes A e D não sofrem deformações.
No caso, entretanto, o nó C não apresenta deslocamentos lineares, pois, neste
caso, o apoio de 1º gênero impede a componente vertical, assim como o
engaste D a componente horizontal de deslocamento. Desta forma, a única
incógnita em C será sua rotação.
O nó B também não apresentará deslocamentos lineares, pois sua componente
vertical e horizontal será impedida, respectivamente, pelosengastes A e D, de
modo que a única incógnita, também no nó B, será a rotação.
Concluindo, teremos neste exemplo 2 incógnitas, número de nós rígidos (não
rotulados) da estrutura.
Portanto, dizemos que o número de deslocabilidades internas de uma estrutura
é igual ao número de rotações de nós que precisamos conhecer para poder
resolvê‐la. Então, o número de deslocabilidades internas (di) de uma estrutura,
é igual ao número de nós internos rígidos que ela possui (não incluídos os nós
extremos apoiados ou engastados, bem como, os rotulados).
63
Observação Importante: para estruturas espaciais, o número de
deslocabilidades internas é igual ao triplo do número de nós internos rígidos que
a estrutura possui.
b. Deslocabilidade externa:
Seja a estrutura abaixo:
Como todos os nós internos são rotulados, não necessitaremos conhecer as
rotações das barras nestes nós. Resta‐nos analisar o problema dos
deslocamentos lineares dos mesmos para conhecermos o número de incógnitas
do problema. Iniciando a análise pelo nó D, vemos que ele não terá
componente vertical de deslocamento (engaste em A); nada impede, porém,
seu deslocamento horizontal (primeira incógnita do problema). Para indicar a
incógnita, indicaremos um apoio de 1º gênero em D (Figura I – 4.2), mostrando
que seria necessário mais um vínculo na estrutura para que o nó D não
deslocasse. Da mesma forma que ocorre em D, ocorre no nó G (segunda
incógnita do problema).
Desta forma, caso os apoios ❶ e ❷ exisƟssem, seriam indeslocáveis
linearmente os nós D e G, e por conseqüência os nós E e F.
A estrutura em questão possui então, dois deslocamentos lineares que são
impedidos pelos apoios do 1º gênero ❶ e ❷, e dizemos, então, que ela possui
duas deslocabilidades lineares ou externas.
Ou seja: a deslocabilidade externa (de) é igual ao número de apoios do 1º
gênero que precisamos acrescentar para que todos os nós sejam linearmente
indeslocáveis.
c. Deslocabilidade Total:
É a soma das deslocabilidades internas e externas: ݀ ൌ ݀ ݀
64
Aplicação I: Determine o número total de deslocabilidades para as estruturas
planas a seguir.
65
Aplicação II: Obter o número total de deslocabilidades para as grelhas
(estruturas planas que serão solicitadas perpendicularmente a seu plano)
abaixo:
66
CONVENÇÃO DE SINAIS:
Deste ponto em diante, estabeleceremos uma convenção de sinais que será
adotada neste método em especial. Convenção esta, que consiste em chamar
de positivo os momentos e rotações nos extremos das barras quando os
mesmos tiverem o sentido anti‐horário, além das demais convenções abaixo.
A convenção de sinais para momentos fletores será explorada para descrever os
diagramas nos passos intermediários do método, conforme será visto.
Uma das utilidades desta convenção de sinais mostrada acima é considerar
informações sobre os esforços que atuam em uma barra. Por exemplo,
considere a viga biengastada abaixo:
67
3. INTRODUZINDO O MÉTODO:
A base deste método consiste em determinarmos primeiramente os
deslocamentos e de forma indireta, a partir destes, os esforços.
Este método pode ser empregado tanto em estruturas ISOSTÁTICAS quanto em
estruturas HIPERESTÁTICAS; sua única limitação são as VIGAS BI‐ENGASTADAS.
No que se refere a estruturas reticuladas (barras ligadas por nós) o número de
incógnitas será igual ao número de deslocamentos nodais ou o número de graus
de liberdade (GL) de todos os nós da estrutura. Já para o caso de vigas, não
serão considerados deslocamentos axiais, portanto cada nó terá apenas 2GL,
que são: translação paralela a Y e rotação em torno de Z. No caso de existirem
forças horizontais aplicadas na viga, estas serão modeladas como pórticos
planos.
Em resumo, o método consiste em FIXAR a estrutura, introduzindo vínculos
fictícios, de forma a tornar a estrutura cinematicamente determinada, e através
das cargas aplicadas nas barras calcularem os esforços causados na estrutura
fixa (SP – Sistema Principal).
Na sequência são aplicados os deslocamentos nos nós e calculados os esforços
decorrentes destes na estrutura.
Através da superposição de efeitos calculam‐se os esforços totais que devem
estar em equilíbrio com as forças externas aplicadas nos nós, gerando um
sistema de equações de forças em torno dos nós da estrutura.
68
Obs.: em estruturas reticuladas, o único sistema principal possível é obtido pela
fixação de todos os nós, o que torna conveniente a utilização de programas
computacionais.
4. MÉTODO DOS DESLOCAMENTOS ‐ VIGAS:
a. Sistema de um GRAU DE LIBERDADE:
Seja a viga engastada‐apoiada de rigidez EI abaixo:
A mesma apresenta apenas um grau de liberdade, a saber: rotação em B (em
geral, as vigas apresentam 2 graus de liberdade)
A temática do método baseia‐se em fixar a estrutura (limitar os deslocamentos,
inversamente ao que era feito no método das forças, onde, liberávamos os
vínculos e deixávamos a estrutura deslocar) e calculam‐se então os esforços de
ENGASTAMENTO PERFEITO, calculando para a estrutura fixa, o esforço
(momento) que surge na barra na direção de GL devido ao carregamento
externo. Como segue:
69
Posteriormente, aplica‐se o deslocamento B no nó e calculam‐se os esforços
correspondentes.
De forma elucidativa: como a estrutura NÃO é fixa em B e este em teoria
sofreria um deslocamento, impõem‐se este deslocamento no nó e calcula‐se o
esforço correspondente na barra. Este esforço será proporcional ao
deslocamento imposto, proporcionalidade esta dada pelo coeficiente da barra
4ܧܫ ݈ൗ
Por fim, efetua‐se o equilíbrio das forças em torno de B. Por superposição de
efeitos calcula‐se o esforço total na extremidade da barra e iguala‐se à força
aplicada no nó.
െݍ݈ଶ
12
4. ܧܫ
݈ . ߠ ൌ 0 ∴ ߠ ൌ
݈
4. ܧܫ .
ݍ݈ଶ
12 ∴ ߠ ൌ
ݍ݈ଷ
48. ܧܫ
Nesta linha de raciocínio, podemos escrever a equação de equilíbrio das forças
da seguinte maneira:
ܨா ܵ. ݀ ൌ ܨ ൌ ܣ
Onde: FEP é o esforço de engastamento perfeito;
S é o coeficiente de rigidez;
d é o deslocamento e
A a ação (força ou binário) aplicada no nó.
De forma a sistematizar o método, faremos a imposição de deslocamentos
unitários (assim como feito no método das forças) na direção dos GL. Desta
forma: para d1 = 1 teremos ܯ ൌ 4. ܧܫ ݈ൗ ൌ ଵܵଵ. Logo para d1 = B tem‐se
ܯ ൌ ସ.ாூ . ߠ ∴ ܯ ൌ ଵܵଵ. ߠ ൌ ଵܵଵ. ݀ଵ, onde S11 representa o esforço na
barra na direção 1 causado por um deslocamento unitário na direção 1.
Em linhas gerais, o grau de liberdade pode ser calculado pela seguinte equação
de equilíbrio de forças na direção 1:
70
ܨாଵ ଵܵଵ. ݀ଵ ൌ ܣଵ
De forma geral, para muitos graus de liberdade tem‐se:
ሼܨாሽ ሾܵሿ. ሼܦሽ ൌ ሼܣሽ
Onde: { FEP } é o vetor de esforços de engastamento perfeito;
[ S ] é a matriz de rigidez da estrutura;
{ D } é o vetor de deslocamentos nodais e;
{ A } é o vetor de ações nodais.Casa coeficiente Sij ( i – efeito / j – causa), representa o esforço na barra na
direção ou GLi, causado por um deslocamento unitário na direção ou grau de
liberdade j.
Esforço de ESGASTAMENTO PERFEITO:
Os esforços de engastamento perfeito podem ser encontrados através do
Método das Forças.
ܯ ൌ ݍ. ݈²8 ∴ ܯଵ ൌ ܯଶ ൌ െ1
ߜଶ ൌ ߜଵ ൌ ݈3 .
ݍ. ݈²
8 . െ1 ൌ
െݍ. ݈³
24
ߜଵଵ ൌ ߜଶଶ ൌ ݈3 െ 1.െ1 ൌ
݈
3
ߜଵଶ ൌ ߜଶଵ ൌ ݈6 . െ1.െ1 ൌ
݈
6
71
െݍ. ݈³
8
ܮ
3 . ଵܺ
ܮ
6 . ܺଶ ൌ 0
െݍ. ݈³
8
ܮ
6 . ଵܺ
ܮ
3 . ܺଶ ൌ 0
Resolvendo o sistema obtemos: ଵܺ ൌ ܺଶ ൌ .²ଵଶ
Desta forma, os momentos de engastamento perfeito da estrutura ficam assim
determinados:
Coeficientes de RIGIDEZ:
Também podem ser determinados pelo Método das Forças, impondo‐se
deslocamentos unitários nos graus de liberdade.
Sejam a estrutura engastada e apoiada estudada até agora, na qual se pretende
determinar o coeficiente S11 (grau de liberdade 1 causado pelo deslocamento
unitário imposto):
Através do Método das Forças (capítulo II), eliminam‐se os vínculos excedentes
obtendo‐se o seguinte SP:
72
ܯ ൌ 0 ∴ ܯଵ ൌ ܯଶ ൌ െ1
ߜଵ ൌ 0
ߜଵଵ ൌ ߜଶଶ ൌ ݈3 െ 1.െ1 ൌ
݈
3
ߜଵଶ ൌ ߜଶଵ ൌ ݈6 . െ1.െ1 ൌ െ
݈
6
൜ߜଵ. ܧܫ ൌ ܧܫ. ሺߜଵ ଵܺ. ߜଵଵ ܺଶ. ߜଵଶሻ ∴ ܧܫ. 1 ൌ ܧܫ. ሺߜଵ ଵܺ. ߜଵଵ ܺଶ. ߜଵଶሻߜଶ. ܧܫ ൌ ܧܫ. ሺߜଶ ଵܺ. ߜଶଵ ܺଶ. ߜଶଶሻ ∴ ܧܫ. 0 ൌ ܧܫ. ሺߜଶ ଵܺ. ߜଶଵ ܺଶ. ߜଶଶሻ
൞
݈
3 . ଵܺ െ
ܮ
6 . ܺଶ ൌ ܧܫ
െ݈
6 . ଵܺ
݈
3 . ܺଶ ൌ 0
ଵܺ ൌ 4. ܧܫ݈ ∴ ܺଶ ൌ
2. ܧܫ
݈
Desta forma o coeficiente de rigidez é ଵܵଵ ൌ ܺ1 ൌ 4ܧܫ ݈ൗ . O esforço na
extremidade da barra é igual à reação no engaste e observa‐se que na outra
extremidade ele equivale à metade ሺ2ܧܫ ݈ൗ ሻ.
73
b. Sistema de dois GRAUS DE LIBERDADE:
Seja a figura abaixo com 2 graus de liberdade:
Pela superposição de efeitos, inicialmente fixa‐se a estrutura, aplica‐se as cargas
nas barras e determinam‐se os esforços de engastamento perfeito.
Posteriormente impomos o deslocamento unitário no grau de liberdade 1 (d1=1
e d2=0), determinando os esforços correspondentes (coeficientes de rigidez S11
em GL1 e S22 em GL2)
Pelas condições de equilíbrio, a soma dos esforços em um nó em certa direção
tem que ser igual à ação aplicada neste mesmo nó na mesma direção.
No GL1: FEP1 + S11.d1 + S12.d2 = A1 = M
No GL2: FEP2 + S21.d1 + S22.d2 = A2 = 0
O que resulta no seguinte sistema:
74
Resolvendo o sistema obtém‐se o vetor de deslocamentos { D }:
[ S ] . { D } = { A } – { FEP }
{ D } = [ S ]‐1 . { A – FEP }
Desta forma se a estrutura for isostática ou hiperestática, a matriz [ S ] poderá
ser invertida sempre, logo, do sistema de equações obtém‐se { D }. Caso a
estrutura seja hipoestática, a matriz [ S ] será singular (det[ S ]=0) e o sistema
NÃO terá solução.
Visando simplificar a resolução do método no que tange a determinação dos
momentos de engastamento perfeitos, serão apresentadas na sequência as
tabelas algumas tabelas bastante úteis. As que são parte integrante desta
apostila foram extraídas da apostila TABELAS DE VIGAS: Deslocamentos e
Momentos de Engastamento Perfeito do professor Libânio / UFSCar, porém, as
mesmas podem ser encontradas em SUSSEKIND, José Carlos (Curso de análise
estrutural, volume III), que embasa este estudo teórico do Método dos
Deslocamentos.
75
76
77
78
79
5. MÉTODO DOS DESLOCAMENTOS – TRELIÇAS:
a. Sistema com um GRAU DE LIBERDADE
Usaremos como exemplo uma barra de material homogêneo e seção
transversal constante, submetida a uma carga axial.
Imaginaremos a mesma como uma barra de treliça engastada em uma
extremidade e na outra uma carga de tração, conforme abaixo:
Fazendo analogia a mola elástica de rigidez k, deve‐se ter que a força P é
proporcional ao deslocamento u1, sendo esta proporcionalidade dada pela
rigidez axial da barra e desta forma temos a seguinte equação de equilíbrio:
Sabendo que a rigidez é o inverso da flexibilidade, e considerando conhecida a
rigidez, sendo esta obtida pelo PTV (Principio dos Trabalhos Virtuais = tabelas de
integração), temos: ݇ ൌ ܧܣ ݈ൗ
Para obtermos a solução da equação de equilíbrio temos: ݑଵ ൌ ܲ ݇ൗ ൌ ݈ܲ ܧܣൗ
b. Sistema com dois GRAUS DE LIBERDADE
Para tanto analisaremos uma barra composta de duas hastes de comprimento e
seções desiguais.
80
Seguindo o raciocínio anteriormente adotado:
Teremos como constantes elásticas das molas:
Sendo a extremidade à esquerda fixa, teremos 2 graus de liberdade (u1 e u2).
Teremos então, o seguinte sistema de equações de equilíbrio:
Ou em sua forma matricial: [ S ] . { D } = { A }
A matriz de rigidez [ S ] pode ser obtida impondo‐se os deslocamentos u1 = 1 e
u2 = 0 obtendo‐se assim os coeficientes S11 = k1 + k2 e S21 = ‐k2.
81
Posteriormente impomos os deslocamentos como seguem: u1 = 0 e u2 = 1
obtendo‐se assim os coeficientes S12 = ‐k1 + k2 e S21 = k2.
Substituindo‐se os coeficientes Sij no sistema temos:
Para estruturas com muitas barras, ao invés de analisarmos de forma global,
dividimos a estrutura em elementos. As matrizes de rigidez de cada elemento
são calculadas isoladamente e, a partir delas, obtém‐se a matriz de rigidez da
estrutura, somando‐se os coeficientes correspondentes aos mesmos graus de
liberdade. Para n graus de liberdade, teremos um sistema de equações de
equilíbrio da estrutura n x n.
82
EXEMPLOS/APLICAÇÕES
Exemplo 01:
Seja a viga abaixo, cuja rigidez das barras é constante e igual a 72x10³ kN.m².
Determine o grau de liberdade. Calcule os deslocamentos pelo método da
rigidez.
Portanto a estrutura em questão possui 2 graus de liberdade (d1 e d2).
Dessa forma, para resolvermos o problema, primeiramente aplicamos as cargas
nas barras e encontramos os esforços de engastamento perfeito.
Pelas tabelas de momentos de engastamento perfeito temos:
83
Aplica‐se então d1 = 1 e conseqüentemente d2 = 0 e determinam‐se os esforços
correspondentes.
Aplica‐se após d2 = 1 e conseqüentemente d1 = 0 e determinam‐se os esforços
correspondentes.
Pela superposição de efeitos, defini‐se o seguinte sistema de equações:
No nó B (GL1): ܨாଵ ଵܵଵ. ݀ଵ ଵܵଶ. ݀ଶ ൌ ܣଵ
No nó C (GL2): ܨாଶ ܵଶଵ. ݀ଵ ܵଶଶ. ݀ଶ ൌ ܣଶ
84
Em sua forma matricial temos:
Substituindo os dados já determinados na forma matricial do problema tem‐se:
Que resulta em:
A partir dos deslocamentos d1 e d2 podem‐se encontrar os esforços nas barras
multiplicando‐se os coeficientes de rigidez de cada barra pelos deslocamentos
sofridos nas suas extremidades e somando‐se o resultado com os esforços de
engastamento perfeito nas extremidades das barras.
85
Exemplo 02:
Considere a viga abaixo. O valor da rigidez à flexão da mesma é EI = 1,2 x 104
kN.m². O valor da carga distribuída é de q = 12 kN/m. Determine o grau de
liberdade da mesma, calcule os deslocamentos e gere os diagramas DEC e DMF.
Como podemos verificar, as únicasdeslocabilidades da estrutura são as
rotações em B e C.
Identificadas as deslocabilidades e o sistema hipergeométrico (SH) seguimos
com a superposição nos casos básicos.
Caso 0 – Carregamento Externo:
Fazendo as considerações dos momentos de engastamento perfeitos, temos:
86
ܯಶೄೂ ൌ
ݍ. ݈ଶ
12 ൌ
12. 4ଶ
12 ൌ 16 ݇ܰ.݉
ܯವೃ ൌ െ
ݍ. ݈ଶ
12 ൌ െ
12. 4ଶ
12 ൌ െ16 ݇ܰ.݉
ܯା ൌ ݍ. ݈²8 ൌ
12. 4ଶ
8 ൌ 24 ݇ܰ.݉ െ 16 ݇ܰ.݉ ൌ 8 ݇ܰ.݉
ܯಶೄೂ ൌ
ݍ. ݈ଶ
12 ൌ
12. 6ଶ
12 ൌ 36 ݇ܰ.݉
ܯವೃ ൌ െ
ݍ. ݈ଶ
12 ൌ െ
12. 6ଶ
12 ൌ െ36 ݇ܰ.݉
ܯା ൌ ݍ. ݈²8 ൌ
12. 6ଶ
8 ൌ 54 ݇ܰ.݉ െ 36 ݇ܰ.݉ ൌ 18 ݇ܰ.݉
ܯಶೄೂ ൌ
ݍ. ݈ଶ
12 ൌ
12. 2ଶ
12 ൌ 4 ݇ܰ.݉
ܯವೃ ൌ െ
ݍ. ݈ଶ
12 ൌ െ
12. 2ଶ
12 ൌ െ4 ݇ܰ.݉
ܯା ൌ ݍ. ݈²8 ൌ
12. 2ଶ
8 ൌ 6 ݇ܰ.݉ െ 4 ݇ܰ.݉ ൌ 2 ݇ܰ.݉
(A)
(B)
Apresentamos o diagrama de duas formas. A primeira com a convenção usual
(lado da fibra da seção transversal que é tracionada), na segunda os valores dos
momentos são indicados nas extremidades das barras pela convenção de sinais
do método (anti‐horário positivo).
87
ߚଵ ൌ ܨாଵ ൌ െ16 36 ൌ 20 ݇ܰ.݉
ߚଶ ൌ ܨாଶ ൌ െ36 4 ൌ െ32 ݇ܰ.݉
Caso 1 – Deslocabilidade d1:
ܯಶೄೂ ൌ
2. ߙ
݈ . ܧܫ ൌ
2.1
4 . 1,2. 10
ସ ൌ 6.000 ݇ܰ.݉/ݎܽ݀
ܯವೃ ൌ
4. ߙ
݈ . ܧܫ ൌ
4.1
4 . 1,2ݔ10
ସ ൌ 12.000 ݇ܰ.݉/ݎܽ݀
ܯಶೄೂ ൌ
4. ߙ
݈ . ܧܫ ൌ
4.1
6 . 1,2. 10
ସ ൌ 8.000 ݇ܰ.݉/ݎܽ݀
ܯವೃ ൌ
2. ߙ
݈ . ܧܫ ൌ
2.1
6 . 1,2. 10
ସ ൌ 4.000 ݇ܰ.݉/ݎܽ݀
ܯಶೄೂ ൌ ܯವೃ ൌ 0
ܭଵଵ ൌ ଵܵଵ ൌ 12.000 8.000 ൌ 20.000 ݇ܰ.݉/ݎܽ݀ ൌ 20. 10ଷ݇ܰ.݉/ݎܽ݀
ܭଶଵ ൌ ܵଶଵ 4.000 ݇ܰ.݉/ݎܽ݀ ൌ 4. 10ଷ ݇ܰ.݉/ݎܽ݀
88
Caso 2 – Deslocabilidade d2:
ܯಶೄೂ ൌ ܯವೃ ൌ 0
ܯಶೄೂ ൌ
2. ߙ
݈ . ܧܫ ൌ
2.1
6 . 1,2. 10
ସ ൌ 4.000 ݇ܰ.݉/ݎܽ݀
ܯಶೄೂ ൌ
4. ߙ
݈ . ܧܫ ൌ
4.1
6 . 1,2ݔ10
ସ ൌ 8.000 ݇ܰ.݉/ݎܽ݀
ܯವೃ ൌ
4. ߙ
݈ . ܧܫ ൌ
4.1
2 . 1,2. 10
ସ ൌ 24.000 ݇ܰ.݉/ݎܽ݀
ܯಶೄೂ ൌ
2. ߙ
݈ . ܧܫ ൌ
2.1
2 . 1,2. 10
ସ ൌ 12.000 ݇ܰ.݉/ݎܽ݀
89
ܭଵଶ ൌ ଵܵଶ ൌ 4.000 ݇ܰ.݉/ݎܽ݀ ൌ 4. 10ଷ݇ܰ.݉/ݎܽ݀
ܭଶଶ ൌ ܵଶଶ ൌ 8.000 24.000 ൌ 32.000 ݇ܰ.݉/ݎܽ݀ ൌ 32. 10ଷ ݇ܰ.݉/ݎܽ݀
Montando o sistema matricial, temos:
Resolvendo o sistema determinamos os seguintes deslocamentos:
O valor negativo de D1 indica que a rotação da seção no apoio interno da
esquerda se dá no sentido HORÁRIO e o valor positivo de D2 indica que a
rotação no outro nó interno tem o sentido anti‐horário.
Para determinação dos momentos fletores, temos:
ܯ ൌ ܯ ܯଵ. ܦଵ ܯଶ. ܦଶ ∴ ܯ ൌ ܯ െ 1,25. 10ିଷ.ܯଵ 1,15. 10ିଷ.ܯଶ
90
A determinação dos demais esforços e das reações seguirá sempre o mesmo
formato: conhece‐se a configuração deformada e daí se tiram as demais
informações.
6. MÉTODO DOS DESLOCAMENTOS – DIVISÃO EM ELEMENTOS (SISTEMA DE
COORDENADAS):
As estruturas reticuladas são divididas em elementos ligados entre si por nós,
aonde se supõem concentradas todas as forças de ligação. As ações e
deslocamentos são discretizados nos nós e a composição destes elementos para
constituir a estrutura resulta em um sistema de equações montado em forma
de matriz.
No caso deste método, as equações são equações de equilíbrio de forças em
torno dos nós. Uma estrutura com N nós, que em cada tem M graus de
liberdade (GL) resulta em um sistema NxM.
Considerações pertinentes:
Cada elemento é representado por uma linha reta, coincidente com o eixo da
barra, ligando 2 nós.
Uma extremidade livre, assim como uma vinculada a um apoio também é
considerada nó.
Deve‐se criar um nó fictício sempre que houver descontinuidade de tipo de
material ou seção da barra. Pode‐se inclusive, criar nó fictício sob cargas
concentradas.
91
Sistema de Coordenadas:
Em estruturas reticuladas utiliza‐se coordenadas cartesianas. Um sistema global
(X, Y, Z) para a estrutura e um local para os elementos (x, ,y, z ou XL , YL, ZL).
No sistema local, o eixo x coincide com o eixo LONGITUDINAL DA BARRA
passando pelo centroide da seção e o sentido positivo deste eixo é definido pela
incidência dos nós no elemento, conforme abaixo:
Grau de Liberdade:
Em relação ao sistema global, definem‐se os graus de cada nó: translação
paralela ao eixo X (UX); ao eixo Y (UY); ao eixo Z (UZ); rotação em torno do eixo
X (RX); do eixo Y (RY) e do eixo Z (RZ).
92
Exemplos de Estruturas Reticuladas:
Viga – 2 GL por nó – translação paralela a y e rotação em z;
Treliça Plana – 2 GL por nó – translação paralela a x e a y;
Treliça Espacial – 3 GL por nó – translação paralela a x, y e z;
93
Pórtico Plano – 3 GL por nó – translação paralela a x e y e rotação em torno de
z;
Grelha – 3 GL por nó – translação paralela a z e rotação em torno de x e y;
Pórtico Espacial – 6 GL por nó – translação paralela a x, y e z e rotação em torno
de x, y e z;
94
RESUMO DO MÉTODO PARA ESTRUTURAS RETICULADAS DIVIDIDAS EM
ELEMENTOS:
Cada elemento é considerado isoladamente;
Será calculada a matriz de rigidez do elemento não restringido, em
relação a todos os GL do elemento, inicialmente no sistema local [ SL ];
Quando houver cargas aplicadas ao longo dos elementos ou barras, será
calculado o vetor de esforços de engastamento perfeito, inicialmente no
sistema local { FLEP };
Através de uma transformação de coordenadas, encontra‐se a matriz de
rigidez do elemento no sistema global [ SG ] e o vetor de esforços de
engastamento perfeito também no sistema global { FGEP };
Levando em conta e contribuição de todos os elementos será formada o
sistema de equações de equilíbrio para a estrutura não restringida, em
relação a todos os GL:
ሼܨாሽ∗ ሾ ܵ ሿ∗. ሼ ܦ ሽ∗ ൌ ሼ ܣ ሽ∗
ሾ ܵ ሿ∗ ൌ Σ"ሾ ܵீ ሿ
ሼ ܨா ሽ∗ ൌ Σ"ሼ ீܨ ா ሽ
Impõem‐se as condições de contorno, encontrando o sistema de
equações de equilíbrio da estrutura restringida:
ሼܨாሽ ሾ ܵ ሿ . ሼ ܦ ሽ ൌ ሼ ܣ ሽ
Resolve‐se o sistema e obtêm‐se o vetor de deslocamentos:
A partir de { D } obtêm‐se as reações de apoio, encontra‐se o vetor de
deslocamentos nas extremidades de cada elemento, no sistema local { uL
}, e os esforços no elemento no sistema local:
95
MATRIZ DE RIGIDEZ DE UM ELEMENTO NO SISTEMA LOCAL (ESTRUTURAS
RETICULADAS PLANAS):
Elemento de Viga:
Seja o elemento de viga com 2 GL abaixo. Cujo sistema local coincide com o
global.
O elemento ( i ), tem nó inicial J e final K, comprimento l e momento de inércia
I. O vetor de deslocamentos nodais é dado por:
E a matriz de rigidez por:
Para se obter os coeficientes da matriz de rigidez SLij, inicialmente fixam‐se as
extremidades do elemento e impõe‐se u1 = 1; em seguida u2 = 1.
96
Impõe‐se então o deslocamento unitário u3 = 1 e finalmente u4 = 1, com o
elemento fixo nas extremidades.
Desta forma, todos os coeficientes de rigidez já podem ser calculados, inclusive
pelo método das forças.
Impondo u2 = 1, temos:
ܵଶଶ ൌ 4. ߙ݈ . ܧܫ ∴ ܵସଶ ൌ
2. ߙ
݈ . ܧܫ
Pelas condições de equilíbrio temos que ∑MJ=0 e ∑Fy=0:
∑ܯ ൌ 0 ∴ ܵଷଶ. ݈ 2. ߙ݈ . ܧܫ
4. ߙ
݈ . ܧܫ ൌ 0 ∴ ܵଷଶ ൌ ܵଶଷ ൌ െ
6. ߙ
݈ . ܧܫ.
1
݈
ൌ െ6. ߙ݈ଶ . ܧܫ
∑ܨ௬ ൌ 0 ∴ ଵܵଶ ܵଷଶ ൌ 0 ∴ ଵܵଶ ൌ െ൬െ6. ߙ݈ଶ . ܧܫ൰ ൌ
6.ߙ
݈ଶ . ܧܫ
De forma análoga, impomos u4 = 1:
ܵସସ ൌ 4. ߙ݈ . ܧܫ ∴ ܵଶସ ൌ
2. ߙ
݈ . ܧܫ
Pelas condições de equilíbrio temos que ∑MJ=0 e ∑Fy=0:
∑ܯ ൌ 0 ∴ െ ଵܵସ. ݈ 2. ߙ݈ . ܧܫ
4. ߙ
݈ . ܧܫ ൌ 0 ∴ ଵܵସ ൌ ܵସଵ ൌ
6. ߙ
݈ . ܧܫ.
1
݈
ൌ 6. ߙ݈ଶ . ܧܫ
∑ܨ௬ ൌ 0 ∴ ଵܵସ ܵଷସ ൌ 0 ∴ ܵଷସ ൌ ܵସଷ ൌ െ6. ߙ݈ଶ . ܧܫ
Por equilíbrio definimos os demais coeficientes:
ܵଶଵ ൌ 6. ܧܫ݈ଶ ∴ ܵସଵ ൌ
6. ܧܫ
݈ଶ
97
∑ܯ ൌ 0 ∴ ܵଷଵ ൌ െ൬6. ܧܫ݈ଶ
6. ܧܫ
݈ଶ ൰ ൊ ݈ ൌ െ
12ܧܫ
݈ଷ
∑ܨ௬ ൌ 0 ∴ ଵܵଵ ൌ െ ܵଷଵ ൌ 12. ܧܫ݈ଷ
ܵଶଷ ൌ െ6. ܧܫ݈ଶ ∴ ܵସଷ ൌ െ
6. ܧܫ
݈ଶ
ܵଷଵ ൌ ଵܵଷ ൌ െ൬6. ܧܫ݈ଶ
6. ܧܫ
݈ଶ ൰ ൊ ݈ ൌ െ
12ܧܫ
݈ଷ
ܵଷଷ ൌ െ ଵܵଷ ൌ 12. ܧܫ݈ଷ
Desta forma a matriz de rigidez do elemento de viga (não restringido) no
sistema local é:
Esta matriz de rigidez é singular, não é inversível. É necessário restringir o
elemento para resolver o sistema de equações de equilíbrio. Não existe,
portanto, uma matriz de flexibilidade para elemento não restringido.
98
Elemento de Treliça:
Seja o elemento de barra de 2 GL formado pelos nós J e K. Em geral, o sistema
local não coincide com o sistema global; o vetor de deslocamentos nodais é { uL
}4x1 e a matriz de rigidez [ SL ]4x4.
O elemento tem comprimento l e área da seção transversal A. Inicialmente,
fixa‐se o elemento a movimentos de translação, lembrando que as ligações são
articuladas (rotação não produzem esforços nos elementos).
Impõe‐se u1 = 1 e obtêm‐se:
ଵܵଵ ൌ ܧܣ݈
Σܨ௫ ൌ 0 ∴ ܵଷଵ ൌ െ ଵܵଵ ൌ െܧܣ݈ ܵଶଵ ൌ ܵସଵ ൌ 0
Impõe‐se u2 = 1, movimento de corpo rígido e obtêm‐se: S12=S22=S32=S42=0
99
Impõe‐se u3 = 1 e obtêm‐se:
ܵଷଷ ൌ ܧܣ݈
Σܨ௫ ൌ 0 ∴ ଵܵଷ ൌ െܵଷଷ ൌ െܧܣ݈ ܵଶଷ ൌ ܵସସ ൌ 0
Impõe‐se u4 = 1, movimento de corpo rígido e obtêm‐se: S14=S24=S34=S44=0
A matriz de rigidez do elemento de treliça plana no sistema local pode ser então
escrita como:
Elemento de Pórtico Plano:
Seja o elemento de pórtico plano de 3 GL formado pelos nós J e K. O vetor
deslocamento nodal é { uL }6x1 e a matriz de rigidez [ SL ]6x6.
100
A matriz de rigidez do elemento de pórtico plano pode ser encontrada
superpondo‐se a matriz de rigidez do elemento de viga com a do de treliça
plana, uma vez que não há interação entre esforço axial e de flexão (pequenos
deslocamentos, estrutura linear).
GL 1 do elemento de viga GL 2 do elemento de pórtico plano
GL 2 do elemento de viga GL 3 do elemento de pórtico plano
GL 3 do elemento de viga GL 5 do elemento de pórtico plano
GL 4 do elemento de viga GL 6 do elemento de pórtico plano
GL 1 do elemento de treliça GL 1 do elemento de pórtico plano
GL 3 do elemento de treliça GL 4 do elemento de pórtico plano
Desta forma resultando:
101
De forma didática para facilitar o entendimento e aprendizado do método,
segue abaixo relacionada as matrizes de rigidez elementares
102
MATRIZ DE ROTAÇÃO – TRANSFORMAÇÃO DO SISTEMA DE COORDENADAS:
Seja por exemplo um elemento de pórtico plano, com eixo local XL formado com
um ângulo em relação ao eixo global XG:
Decompondo‐se os deslocamentos uG1 e uG2 nos eixos xL e yL temos:
De onde, empregando conhecimentos de geometria analítica e com base nos
ângulos de Euler, se tira que: uL1 = uG1.cos + uG2.sen e
uL2 = uG1.sen + uG2.cos
Uma vez que a resultante dos vetores de translação ቄݑଵݑଶቅ ൌ ቄ
ݑீଵݑீଶቅ é a mesma.
Observa‐se também que uL3 = uG3 e uL6, pois a rotação do nó J assim como do nó
K é a mesma no plano (xL, yL ou xG, yG)
Na forma matricial temos:
103
De forma análoga para o nó K temos:
Escrevendo a relação entre o vetor de deslocamentos nodais do elemento no
sistema local, { uL }, e o vetor de deslocamentos nodais do elemento no sistema
global, { uG }, vem:
A matriz [ R ]6x6 é chamada de matriz de transformação de coordenadas do
sistema global para o sistema local ou matriz de rotação ( positivo do eixo
global para o local no sentido anti‐horário). Observa‐se que a matriz inversa
[ R ]‐1 pode ser obtida substituindo‐se por ‐ (rotação inversa no sentido
horário do local para o global).
104
Uma vez que cos(‐)=cos e sen(‐)=‐sen, observa‐se que [ R ]‐1 = [ R ]T, ou seja,
a matriz [ R ] é uma matriz ortogonal. Portanto { uG } = [ R ]‐1 { uL } = [ R ]T{ uL }.
Para o elemento de treliça plana, tem‐se 2 GL no nó. Não se considera o GL de
rotação do nó, pois este não resulta em esforço na barra.
A matriz de transformação é:
MATRIZ DE RIGIDEZ DE ELEMENTO NO SISTEMA GLOBAL:
Seja por exemplo um elemento de pórtico plano. Supondo que não haja cargas
atuando ao longo do elemento, os esforços nas extremidades do elemento
dependem apenas dos deslocamentos nodais. As equações de equilíbrio no
sistema local e global se escrevem como segue:
105
Sendo { AL } e { AG } os vetores de esforços, [ SL ] e [ SG ] as matrizes de rigidez, {
uL } e { uG } os vetores de deslocamentos.
Já foi visto anteriormente que: { uL } = [ R ]. { uG }, analogamente:
Substituindo‐se temos:
Multiplicando por [ R ]T:
Substituindo em { AG }:
Comparando as equações obtém‐se a matriz de rigidez do elemento no sistema
global:
Apesar de esta expressão ter sido desenvolvida para o elemento de pórtico
plano, ela é genérica e, portanto, vale para todos os tipos de estrutura
reticulada.
VETOR DE ESFORÇOS DE ENGASTAMENTO PERFEITO NO SISTEMA GLOBAL:
Para formar o vetor de esforços de engastamento perfeito devem‐se
transformar os esforços de engastamento perfeito de todos os elementos do
sistema local para o global. Desta forma:
106
SISTEMA DE EQUAÇÕES DE EQUILÍBRIO PARA ESTRUTURA NÃO RESTRINGIDA:
Equações de equilíbrio de forças generalizadas em torno dos nós para estrutura
com apoios podem ser escritas: { A } = { FEP } + [ S ].[ D ], sendo:
{ A } as ações aplicadas nos nós;
{ FEP } os esforços nas extremidades dos elementos devido às cargas atuando
para a estrutura fixa (esforços de engastamento perfeito);
[ S ].[ D ] esforços devido aos deslocamentos nodais.
Essas mesmas equações podem ser reescritas para estruturas NÃO restringidas
(sem apoios): { A }* = { FEP }* + [ S ]*.[ D ]*
Ambos os sistemas de equações acima são considerados no sistema global de
todos os elementos, formulados em relação ao GL do elemento. A relação entre
os GLs do elemento e os GLs da estrutura será efetuada através da regra de
correspondência.
MONTAGEM DA MATRIZ DE RIGIDEZ DA ESTRUTURA:
A matriz de rigidez da estrutura não restringida [ S ]* é formada a partir das
matrizes de rigidez dos elementos no sistema global:
ሾ ܵ ሿ∗ ൌ ܴሺሻ. ሾ ܵ ሿሺሻ. ܴሺሻ ൌ ሾ ܵீሿሺሻ
௦
ିଵ
௦
ୀଵ
Onde nelms é o número de elementos da estrutura.
A matriz [ S ]* é formada somando‐se a contribuição de todos os elementos, isto
é, os coeficientes S*ij, cujo primeiro índice “i” é o GL de um nó da estrutura, são
encontrados somando‐se os coeficientes das matrizes de rigidez [ SG ] dos
elementos que concorrem a este mesmo nó correspondentes ao mesmo GL”i”.
Deve‐se então identificar qual GL na extremidade do elementoque corresponde
a um GL de nó na estrutura.
107
Como exemplo, usaremos o pórtico plano abaixo:
Por exemplo, no nó “5” concorrem três elementos: (4), (5) e (6), cujos GL nas
extremidades (vetor deslocamento { uG }), no sistema global, estão
apresentados a seguir:
Para o elemento (6) o sistema local e o global coincidem, já para os elementos
(4) e (6), deve‐se transformar o vetor de deslocamentos do sistema local para o
global, como a seguir:
{ uL } = [ R ] . { uG }
{ uG } = [ R ]T . { uL }
108
A direção generalizada, ou GL 14 da estrutura (D14, que é o segundo GL do nó 5),
correspondem as direções: 5 do elemento (4) / 2 do elemento (7) / 2 do
elemento (6).
A direção 15 (D15) corresponde às direções: 6 do elemento (4) / 3 do elemento
(7) e 3 do elemento (6).
O coeficiente S*14‐15 que exprime a influência de um deslocamento na direção
15 sobre o esforço na direção 14 (força vertical no nó 5), será a soma dos
coeficientes de influência das matrizes [ SG ] dos elementos (4), (6) e (7).
Para compreender fisicamente o significado desta expressão, multiplicam‐se
ambos os lados da mesma por D15:
Sendo que S*14,15 D15 (que é uma parcela de A14) representa a força na direção
14 devido a uma rotação no nó 5 (=D15), cuja magnitude é igual à soma das
forças nos elementos (4), (6) e (7) na direção correspondente à 14 (5, 2 e 2
respectivamente), devido a esta rotação do nó 5 nas extremidades dos mesmos.
109
Para S*14,15 contribuem três elementos que concorrem no nó 5, já para o
coeficiente S*14,21 contribui apenas o elemento (7), pois S*14,21 exprime a força
na direção 14, causada por uma rotação unitária no GL 21 (existe um único
elemento que liga GL 14 ao GL 12).
Verifica‐se que S*14,10 é nulo, pois não há elemento ligando o nó 5 ao qual
pertence à direção 14 ( o que ocorrerá em vários outros coeficientes), o que
explica o fato dos coeficientes da matriz [ S ]* se agruparem em uma faixa em
torno da diagonal principal, os demais coeficientes fora desta faixa são nulos.
REGRA DE CORRESPONDÊNCIA:
Relaciona a numeração dos deslocamentos das extremidades dos elementos ({
uG }), com a numeração dos deslocamentos nodais da estrutura ({ D }). Em cada
elemento (i) os deslocamentos são numerados de 1 a 2 x NGL/nó
Na estrutura, os deslocamentos são numerados na ordem dos nós, sendo que,
em cada nó há NGL/nó, deslocamentos em ordem determinada pelos eixos do
sistema global.
Exemplo Teórico 1:
110
Tomando como exemplo o elemento 7 que liga o nó 5 ao 7 (J=5 / K=77), temos:
Exemplo Teórico 2: Elemento de Viga
Seja a viga abaixo cujo número de GL por nó é igual a dois (vigas).
111
Os coeficientes da matriz de rigidez da estrutura não restringida são formados a
partir dos coeficientes das matrizes de rgidez no sistema global de cada
elemento, usando‐se a regra da correspondência e somando‐se os coeficientes
que correspondem ao mesmo GL da estrutura nos nós onde concorrem os
elementos.
112
EXERCÍCIOS E APLICAÇÕES
1. Calcule a viga abaixo de rigidez EI = 72x10³ kN.m² pelo método dos
deslocamentos, levando em consideração a não restrição da mesma.
Primeiramente divide‐se a estrutura:
Fazendo a regra da correspondência:
Elemento
J K
(1)
1 2
(2)
2 3
2J – 1 1 3 1
2J 2 4 2
2K – 1 3 5 3
2K 4 6 4
113
Matrizes de rigidez de cada elemento (sistema global coincide com local):
114
Vetores de esforços de engastamento perfeito:
115
SISTEMA DE EQUAÇÕES DE EQUILÍBRIO PARA ESTRUTURA RESTRINGIDA:
Para considerar a estrutura como sendo restringida, devem‐se impor as
condições de contorno (deslocamentos nulos nas direções restringidas por
apoios)
O que equivale a eliminar as colunas de [ S* ] correspondentes aos GL
restringidos por apoios, e, consequentemente, como [ S* ] é simétrica, eliminar
também as linhas que correspondem aos CL restringidos. Ficando o sistema de
equações como segue:
Desta forma, seja a viga abaixo:
116
A mesmo possui 4 GL. As direções ou GL 1 e 2 são restringidas. Neste caso, os
esforços de engastamento perfeito do elemento são:
Para a estrutura não restringida tem‐se:
Fazendo‐se D1 = 0 e D2 = 0 no sistema, obtém‐se:
Observa‐se que os coeficientes da coluna 1 e 2 de [ S ]* são multiplicados por
zero, portanto as colunas podem ser eliminadas.
Eliminando‐se também as linhas i e ii de [ S ]*, obtém‐se o sistema de equações
de equilíbrio para a estrutura restringida, em relação apenas às direções ou GL
livres (iii e iv)
117
Resolvendo o sistema: ሼ ܦ ሽ ൌ ൜ܦଷܦସൠ. Inserindo D3 e D4 nas equações (i) e (ii)
obtém‐se as reações R1 e R2.
O sistema de equações pode ser escrito na forma ( D deslocável; R
restringida).
Da segunda linha { FEP }D + [ SDD ].{ D } = { A }, onde:
[ SDD ] é a matriz de rigidez da estrutura restringida [ S ];
{ FEP }D é o vetor de esforços de engastamento perfeito da estrutura restringida {
FEP };
Resolvendo o subsistema obtém‐se { D }.
Inserindo { D } na primeira linha do sistema { R } = { FEP }R + [ SRD ] . { D },
obtém‐se as reações de apoio.
Nem sempre o sistema está assim arrumado, com direções restringidas no inicio
ou no final. Seja a viga bi‐apoiada abaixo:
{ FEP }* e [ S ]* não mudam em relação ao exemplo anterior, mudam as direções
restringidas:
118
Impõe as condições de contorno da estrutura, eliminando‐se as colunas 1 e 3 de
[ S ]* e por simetria as linhas 1 e 3 também (i e iii) no sistema de equações, o
que sobra é o sistema de equações da estrutura restringida:
Cuja solução fornece o vetor de deslocamentos nodais da estrutura:
Inserindo D2 e D4 nas linhas (i) e (iii) do sistema de equações, obtêm‐se as
reações de apoio R1 e R3.
119
APLICAÇÕES
Para fixar melhor o método segue uma série de exercícios resolvidos e
propostos.
Estruturas SEM deslocabilidades Externas:
Aplicação 01: Obter o diagrama de momento fletores e as reações de apoio
para a estrutura abaixo.
Dados: E = 2x106 t/m² / I = 0,024 m4
Sistema Principal:
Podemos verificar que a estrutura abaixo apresenta apenas deslocabilidades
internas (2), a saber: rotação em B e C. Desta forma, para representá‐las
colocaremos chapas rígidas nos nós citados.
120
Efeitos no sistema principal:
a. Carregamento Externo:
FEP1=+6 FEP2=+12
Para Barra 2:
Para Barra 3:
Desta forma obtemos as rotações indicadas no esquema acima:
FEP1=+6
FEP2= +18 ‐ 6 = +12
b. Rotação em S1:
Neste método não somos obrigados a impor rotações unitárias, podemos
trabalhar com a rigidez relativa da barras. De forma a simplificar os cálculos,
multiplicaremos a rigidez real por 4E/10³.
Assim, girando o nó 1, teremos:
S11=+7 S21=+1,5
121
Como sabemos, o coeficiente de transmissão neste caso vale +0,50c. Rotação em S2:
Adotando o mesmo critério acima e girando o nó 2, teremos:
Para a barra 2: ݇ ൌ ܬ ݈ൗ ൌ 24 8ൗ ൌ 3
Para a barra 3: ݇ ൌ ܬ ݈ൗ ൌ 24 6ൗ ൌ 4
Para a barra 4: ݇ ൌ 3. ܬ 4. ݈ൗ ൌ 3.24 4.6ൗ ൌ 3
Desta forma resulta em:
S21 = +1,5 S22 = +10
Cálculo das Incógnitas:
൜ܨாଵܨாଶൠ
ଵܵଵ ଵܵଶܵଶଵ ܵଶଶ൨ . ൜
ܦଵܦଶൠ ൌ ൜
ܣଵܣଶൠ ൜
ܦଵܦଶൠ ൌ െ
ଵܵଵ ଵܵଶܵଶଵ ܵଶଶ൨
ିଵ
. ൜ܨாଵܨாଶൠ
൜ܦଵܦଶൠ ൌ െ
7 1,5
1,5 10൨
ିଵ
. ቄ 612ቅ ൌ
െ1
67,75 .
10 െ1,5
െ1,5 7 ൨ . ቄ
6
12ቅ ൌ ቄ
െ0,62
െ1,11ቅ
Efeitos Finais:
Serão dados por E = E0 – 0,62.E1 – 1,11.E2, obtendo‐se os momentos finais nas
extremidades das barras indicadas, a partir dos quais, obteremos as reações de
apoio e o diagrama de momentos fletores pedidos.
Notar que a soma dos momentos em torno de cada nó deve ser zero, pois não
existe carga‐momento aplicada à estrutura (geralmente há apenas um valor
residual)
122
Obs.: Lembre que as rotações verdadeiras serão dadas por:
123
Aplicação 02: Obter o diagrama de momento fletores e as reações de apoio
para a estrutura abaixo.
Aplicação 03: Obter o diagrama de momento fletores para a viga de inércia
constante abaixo.
Estruturas COM deslocabilidades Externas:
Aplicação 04: Obter o diagrama de momento fletores para a estrutura abaixo
devido ao carregamento e ao recalque de apoio em D de 1 cm de cima para
baixo, associado a um recalque horizontal de mesmo valor da esquerda para a
direita ( EJ = 2x104t.m² )
124
Sistema Principal:
Note que a estrutura apresenta uma deslocabilidade interna (rotação em B),
porém, também apresenta uma externa (deslocamento horizontal em B ou C).
Desta forma, para se tornar indeslocável o sistema, devemos:
Efeitos no sistema principal:
a. Carregamento Externo:
Aplicando o carregamento externo temos o funcionamento da barra BC
como engastada e apoiada e desta forma, da tabela de engastamento
perfeito:
ܯ ൌ 2 .6²8 ൌ 9 ݉
125
Devido a este funcionamento, aparecerão reações verticais em B e C que se
transmitirão aos apoios A e D, conforme a figura abaixo. Nenhuma reação
horizontal é despertada nesta fase.
b. Rotação em S1:
Aplicando uma rotação em S1 à chapa 1, tal que EJ.S1 = 6 t.m² temos o
aparecimento dos seguintes momentos nas barras.
As reações de apoio, que serão despertadas foram obtidas da seguinte
forma:
S11 = +7
S21 = +1
c. Rotação em S2:
Aplicando o deslocamento S2 ao apoio 2, tal que EJ.S2 = 6 t.m², teremos o
aparecimento de deslocamentos ortogonais recíprocos de igual valor para as
barras 1 e 3, permanecendo horizontal a barra 2, conforme esquema.
Teremos os seguintes momentos de engastamento perfeito devido a estes
deslocamentos ortogonais recíprocos:
126
Para barra 1: ܯ ൌ ܯ ൌ ா.ௌమ² ൌ
.
² ൌ 1 ݉
Para barra 3: ܯ ൌ ܯ ൌ 0 pois a barra é bi‐
rotulada.
Temos desta forma: S12 = +1
S22 = +1/3
Cálculo das Incógnitas:
൜ܨாଵܨாଶൠ
ଵܵଵ ଵܵଶܵଶଵ ܵଶଶ൨ . ൜
ܦଵܦଶൠ ൌ ൜
ܣଵܣଶൠ ൜
ܦଵܦଶൠ ൌ െ
ଵܵଵ ଵܵଶܵଶଵ ܵଶଶ൨
ିଵ
. ൜ܨாଵܨாଶൠ
൜ܦଵܦଶൠ ൌ െ
7 1
1 1/3൨
ିଵ
. ቄ90 ቅ ൌ ൜
െ2,25
6,75ൠ
Efeitos Finais:
127
128
Aplicação 05: Obter o diagrama de momento fletores para a estrutura abaixo.
Aplicação 05: Obter o diagrama de momento fletores para a estrutura abaixo.
Esta apostila foi elaborada a partir de outras bibliografias indicadas, em vários
casos sendo fielmente transcritos os textos e as figuras das mesmas.
Reservem‐se então os direitos autorais bem como os créditos a quem é de
direito.
129
BIBLIOGRAFIA
BEER, F.P. e JOHNSTON JR, E. R. (1989). Resistência dos materiais. 2a ed. São
Paulo: McGraw-Hill.
CAMPANARI, Flávio Antônio.(1985). Teoria das estruturas. v.1, 2, 3 e 4. Ed.
Guanabara Dois.
POPOV, Egor P. (1978). Introdução à mecânica dos sólidos. São Paulo: Edgard
Blücher.
SUSSEKIND, José Carlos. (1994a). Curso de análise estrutural. v.3. 11a ed.São
Paulo: Ed.Globo.
TIMOSHENKO, Stephen P. (1967). Resistência dos materiais. v.1. 3a ed. Rio de
Janeiro: Ao Livro Técnico.
LA ROVER, H.L. e DE MORAES, POLIANA DIAS. R. (2005). Apostila ECV 5220
–Análise Estrutural II. Santa Catarina: ECV/UFSC.
130
Capítulo IV – Processo de Cross
INTRODUÇÃO
O método desenvolvido por Hardy Cross em 1932 baseia‐se no método
dos deslocamentos e assim como os outros dois métodos estudados
(Capítulos II e III), permite a resolução de estruturas hiperestáticas.
Também chamado de DISTRIBUIÇÃO DE MOMENTOS consiste em obter
esforços nas barras pelo equilíbrio do nó, distribuindo o momento total no
nó (momento aplicado mais os momentos de engastamento perfeito das
barras que concorrem no nó) de acordo com a rigidez das barras.
A grande vantagem do processo reside no fato de que o mesmo, devido
seu simplificado processo de resolução, dispensa e/ou reduz em muito a
necessidade de ferramentas computacionais, o que não ocorre com os
demais métodos e em especial o dos deslocamentos.
PRINCÍPIOS DO PROCESSO
1. Pode ser considerado como um processo matemático de resolução
por aproximações sucessivas dos sistemas lineares (método
interativo);
2. Inicialmente supõe‐se que os nós estão rígidos e não podem sofrem
rotação; após aplicação das cargas os nós são liberados
sucessivamente e passam a sofrer rotação;
3. Bloquear o nó liberado antes de passar para o próximo;
4. Essa sequência é repetida até que a liberação dos nós não provoque
mais rotação, ou seja, o estado de equilíbrio foi alcançado.
Como se pode ver, o processo de Cross transforma a resolução de
estruturas hiperestáticas em uma simples solução aritmética, o que não é
em todo verdade.
131
Para vigas com seção constante, o processo de Cross depende de solução
de três problemas específicos:
a. Determinação dos momentos de engastamento perfeito
(tabelados);
b. Da rigidez de cada viga;
c. Do fator de distribuição de carga de cada membro da estrutura.
RIGIDEZ DE UMA LIGAÇÃO
A rigidez de uma barra em um nó qualquer, será igual ao valor do
momento fletor que, aplicado neste nó, supostamente livre para girar,
provoca uma rotação UNITÁRIA da barra no nó.
Desta forma, a extremidade apoiada de uma viga simples esta associada a
um coeficiente de rigidez (k) (rigidez à rotação que a viga apresenta aos
momentos aplicados nos nós). Este coeficiente por sua vez apresenta a
mesma dimensão do momento fletor aplicado, uma vez que a rotação é
unitária. A isso damos o nome de MOLA ROTACIONAL.
Neste contexto, quanto maior for a mola, maior terá que ser o momento
fletor aplicado no nó para produzir o giro:
ܯ ൌ ݇. ߮
Se = 1, então M = ki
Nos casos usuais da engenharia é possível mostrar que o valor do
coeficiente de rigidez é dado por:
݇ ൌ ݇ ൌ 4ܧܫ ݈ൗ ሺݒ݅݃ܽݏ ܾ݅݁݊݃ܽݏݐܽ݀ܽݏሻ
132
݇ ൌ 3ܧܫ ݈ൗ ሺݒ݅݃ܽݏ ܽ݅ܽ݀ܽ ݁ ݁݊݃ܽݏݐܽ݀ܽݏሻ
* levar em consideração a extremidade de aplicação da rotação.
(vide tabelas de momentos
de engastamento perfeito 30)
COEFICIENTE DE TRANSMISSÃOComo resultado do momento aplicado na extremidade da viga
biengastada, surge um momento na extremidade oposta de metade de
seu valor, por este motivo dizemos que, o coeficiente de transmissão da
barra biengastada é de 0,50, ou de outra forma:
Já no caso de vigas engastada e apoiada esse coeficiente é igual a ZERO:
CONVENÇÃO DE GRINTER
Pela convenção de Grinter os momentos exercidos pelas barras sobre os
nós serão considerados POSITIVOS no sentido HORÁRIO. Isto equivale a
dizer que devem ser considerados positivos os momentos anti‐horários
exercidos pelos nós sobre as extremidades das barras.
133
COEFICIENTE DE DISTRIBUIÇÃO
Seja a estrutura fundamental do processo de Cross:
A mesma possui aplicado sobre o nó 0 um momento denominado M,
momento este que gera uma deformação nas barras 1, 2 e 3 conforme
representada na figura (b)
Pelos conceitos já aplicados sabemos que o momento em cada barra
estará assim definido:
ܯଵ ൌ ݇ଵ. ߮
ܯଶ ൌ ݇ଶ. ߮
ܯଷ ൌ ݇ଷ. ߮
Tendo, desta forma, o equilíbrio da figura (a) com a (b) é obtido como
segue:
ܯ ൌ ܯଵ ܯଶ ܯଷ
134
E, por compatibilidade de deslocamentos:
ܯ ൌ ߮. ሺ݇ଵ ݇ଶ ݇ଷሻ ∴ ߮ ൌ ܯ Σ݇ൗ
Sabe‐se ainda que:
ܯଵ ൌ ݇ଵ. ߮ ൌ ݇ଵ.ܯ Σ݇ൗ ∴ ܯ.
݇ଵ Σ݇ൗ
ܯଶ ൌ ݇ଶ. ߮ ൌ ݇ଶ.ܯ Σ݇ൗ ∴ ܯ.
݇ଶ Σ݇ൗ
ܯଷ ൌ ݇ଷ. ߮ ∴ ݇ଷ.ܯ Σ݇ൗ ∴ ܯ.
݇ଷ Σ݇ൗ
Da expressão acima se pode dizer que: um momento aplicado num nó de
uma estrutura totalmente indeslocável irá se distribuir, entre as diversas
barras concorrentes neste nó, segundo parcelas proporcionais à rigidez,
neste nó, de cada uma das barras.
Assim, denominamos coeficiente de distribuição de momentos para barra
i:
ߚ ൌ ݇ Σkൗ ∴ ܯ ൌ ߚ.ܯ
Que representa a parcela do momento atuante no nó que propagará para
a barra i. Isto implica em dizer que i = 1 para que o momento M seja
recomposto.
135
Aplicação 01: Determine a parcela de momento aplicado no nó “0” da
estrutura abaixo que será distribuído para a barra 1:
Coeficientes de rigidez:
݇ଵ ൌ 4ܧܫ ܮଵൗ ൌ 4ܧܫ 2ൗ ൌ 2ܧܫ
݇ଵ ൌ 4ܧܫ ܮଶൗ ൌ
4ሺ3ܧܫሻ 3ൗ ൌ 4ܧܫ
݇ଵ ൌ 3ܧܫ ܮଷൗ ൌ
3ሺ2ܧܫሻ 4ൗ ൌ 1,5ܧܫ
Atentar ao fato de que as rigidezes das barras são diferentes.
Coeficientes de distribuição:
ߚଵ ൌ ݇ଵ Σ݇ൗ ൌ
2ܧܫ
2ܧܫ 4ܧܫ 1,5ܧܫ ൌ 0,27
ߚଶ ൌ ݇ଶ Σ݇ൗ ൌ
4ܧܫ
2ܧܫ 4ܧܫ 1,5ܧܫ ൌ 0,53
ߚଷ ൌ ݇ଷ Σ݇ൗ ൌ
1,5ܧܫ
2ܧܫ 4ܧܫ 1,5ܧܫ ൌ 0,20
Σߚଵ ൌ 1 ൌ 0,27 0,53 0,20 ൌ 1,0 ሺ݇ሻ
136
A parcela do momento que irá para a barra 1 será então:
ܯଵ ൌ ߚଵ.ܯ ൌ 0,27.35 ݇ܰ.݉ ൌ െ9,45 ݇ܰ.݉
O sinal negativo decorre do fato do momento de reequilíbrio ser igual e
contrário ao momento aplicado no nó.
A parcela que chegará ao apoia A será dada por:
ߙ ൌ 0,5 ∴ ܯ ൌ ିଽ,ସହଶ ൌ െ4,72 ݇ܰ.݉
PROCESSO DE CROSS – ESTRUTURAS INDESLOCÁVEIS
Para um nó apenas (um grau de liberdade – Rotação):
Como apresentado anteriormente, o processo consiste em fixar os nós,
calcular os momentos de engastamento perfeitos devido às cargas nos
elementos (transferidos para os nós adotando a convenção de Grinter) e
somam‐se aos momentos aplicados nos nós. Posteriormente calculam‐se
a rigidez das barras (ki), os coeficientes de distribuição (i) e de
transmissão (ti). Em seguida distribui‐se o momento total no nó pelas
barras usando os coeficientes de distribuição para obter o equilíbrio no nó
(M=0). Os momentos obtidos nas barras ligadas ao nó devem ser
transmitidos para a outra extremidade de acordo com seu coeficiente de
transmissão. Finalmente geram‐se os diagramas de momento fletor.
137
Exemplo 01: Seja o pórtico plano indeslocável com rigidez EI constante e
igual a 30 kN.m²: Resolva a estrutura pelo Processo de Cross.
Para resolver a estrutura primeiramente fixa‐se o nó e calculam‐se os
momentos de engastamento perfeito:
Após determinam‐se as rigidezes das barras:
Calculam‐se os coeficientes de distribuição i:
138
Efetua‐se o equilíbrio do nó, obtendo o momento nas barras:
Com os momentos nas barras determinados, efetua‐se a transmissão dos
momentos para as extremidades opostas, obtendo‐se os momentos finais.
Nas barras, os momentos finais M>0 (anti‐horário +) e M<0 (horário ‐)
Resultando no seguinte diagrama de momento fletor:
139
Exemplo 02: Seja a viga contínua com rigidez EI constante e igual a 9
kN.m². Resolva a estrutura pelo Processo de Cross.
Para resolver a viga primeiramente fixa‐se o giro do nó B e calculam‐se os
momentos de engastamento perfeito devido às cargas nas barras.
Verifica‐se que o nó B está desequilibrado de uma parcela MB como
ilustrado abaixo. Esta parcela do momento deve ser repartida entre as
barras que concorrem neste nó na proporção dos coeficientes de
distribuição.
140
Então se calculam os coeficientes de distribuição a partir das rigidezes das
barras a fim de efetuar o equilíbrio do nó.
Calculados os coeficientes de distribuição determina‐se a parcela
desequilibrante do momento no nó e distribui‐se esta parcela entre as
barras concorrentes a este nó, na proporção dos coeficientes.
Efetua‐se o equilíbrio dos momentos, encontra‐se o momento no apoio
interno igual a 14,40 kN.m
141
As reações podem ser obtidas a partir das equações de equilíbrio da
estática, como mostrado. A partir dos valores das reações é possível
determinar o ponto de momento máximo e traçar o diagrama de esforço
cortante da viga.
O diagrama de momentos fletores é ilustrado abaixo:
142
Exemplo 03: Seja a viga contínua com engaste e rigidez EI constante e
igual a 8 kN.m². Calcule a mesma pelo Processo de Cross.
Devemos fixar os nós deslocáveis. Fixamos o nó B e determinamos os
momentos de engastamento perfeito.
Posteriormente determinamos as rigidezes das barras para, a partir dos
coeficientes de distribuição, calcular os de transmissão.
Fazemos então o equilíbrio do nó B e a transmissão dos momentos para as
outras extremidades da barra.
143
A diferença dos momentos aplicados no nó é MB = +60, portanto a
parcela que cabe a cada barra é M1 = ‐0,27.60= ‐43,62 e M2 = ‐0,273.60 = ‐
16,58.
Com o nó B equilibrado obtêm‐se os momentos no engaste A e no apoio
B. Desta forma, as reações nos apoios podem ser determinadas utilizando
as equações de equilíbrio da estática e o diagrama de momentos pode ser
traçado pendurando‐se na linha de fechamento o diagrama de momentos
das cargas atuantes nos tramos considerando estes tramos vigas
isostáticas.
De forma a complementar o exercício, de posse dos momentos, calcular e
desenhar o diagrama dos esforços cortantes.
144
Exercício Proposto 01: Calcule a estrutura abaixo pelo Processo de Cross.
Considerar EI constante.
Para dois nós ou mais:
O processo deverá ser iniciado pelo nó mais desequilibrado e os
momentos que surgem devido à rotação do nó são somados para
equilibrá‐lo. Estes momentos são transmitidos aos nós adjacentes pelos
coeficientes de transmissão. Passa‐se para o próximo nó em desequilíbrio
e assim sucessivamente até chegar a um valor ínfimo e desprezível a ser
transmitido.
Exemplo 04: Seja a viga contínua abaixo com engaste e rigidezEI
constante e igual a 12 kN.m². Calcule a mesma pelo Processo de Cross.
Calculam‐se os coeficientes de distribuição e transmissão:
145
Calcula‐se a rigidez relativa das barras que concorrem em cada nó a fim de
determinar o coeficiente de distribuição. No nó B, esses parâmetros são
dados por: k1 = 9 e k2 = 16.
No nó C esses parâmetros são dados por k2 = 16 e k3 = 12.
Determinam‐se as parcelas desequilibrantes nos nós B e C,
respectivamente:
Iniciamos o processo pelo nó mais desequilibrado (B). Como agora o
equilíbrio do nó B não depende apenas da rotação em B, mas da rotação
em C também, ao equilibrarmos o nó B não chegaremos aos esforços
finais. No entanto, transmitindo‐se o momento da barra (2) para o nó C,
fazendo‐se o equilíbrio deste, transmitindo o momento da barra (2) para B
e assim sucessivamente, chega‐se aos esforços finais nas barras, converge‐
se para o equilíbrio final dos nós. Cada vez que se procede a um equilíbrio
de nó passa‐se um traço abaixo dos momentos equilibrantes.
146
A partir dos momentos finais traça‐se a linha de fechamento do gráfico de
momento fletor e sobre essa se penduram os diagramas de momentos
devidos aos carregamentos.
Exemplo 05: Seja o pórtico indeslocável abaixo com rigidez EI e igual a 1
kN.m². Calcule o mesmo pelo Processo de Cross.
Fixam‐se os nós B e C e determinam‐se os momentos de engastamento
perfeito nas barras e do balanço.
Determinam‐se as rigidezes das barras e os coeficientes de distribuição
nos nós.
147
No nó B temos:
No nó C temos:
Como se pode ver o nó C é o mais desequilibrado, é nosso ponto de
partida do Processo de Cross.
A figura abaixo ilustra os momentos que atuam nos nós em equilíbrio B e
C. O somatório dos momentos e cada nó são iguais a zero.
148
Atingindo‐se o equilíbrio dos nós do pórtico, determinam‐se os momentos
das extremidades das barras. Estes momentos formam a linha de
fechamento do diagrama de momentos. Sobre estas linhas penduram‐se
os diagramas de momentos originários do carregamento externo.
Diagramar os esforços normais e cortantes, localizando, com as distâncias,
os pontos de esforços nulos e conseqüentemente os pontos de momentos
fletores máximos, bem como os momentos máximos.
Para estruturas com mais de 2 nós, aplica‐se o mesmo procedimento.
Inicia‐se pelo nó mais desequilibrado e passa‐se para os demais, sempre
na mesma seqüencia.
149
ESTRUTURAS SIMÉTRICAS
Eixo de Simetria passando pelo CARREGAMENTO SIMÉTRICO:
Seja a viga contínua com carregamento simétrico abaixo:
Como o esforço axial não está sendo considerada, a estrutura pode ser
considerada simétrica. Lembrando que M e N são simétricos e V anti‐
simétrico, para carregamento simétrico, pode‐se considerar metade da
estrutura e substituir o apoio C por um engaste.
Resolve‐se então a metade, fazendo o equilíbrio do nó B.
É bom lembrar que sobre o eixo de simetria de uma viga a rotação é nula.
Eixo de Simetria passando pelo APOIO:
Seja o exemplo abaixo:
150
Pode‐se considerar metade da estrutura deixando C como apoio simples.
É como se rotulássemos o apoio C uma vez que em C o momento fletor
deve ser nulo. Resolve‐se apenas esta metade, lembrando que, para a
estrutura toda, o DMF será anti‐simétrico e o DEC, simétrico.
Lembrando que, em uma viga simétrica com carregamento anti‐simétrico,
o deslocamento vertical sobre o eixo de simetria é nulo.
Se houver um momento (M0) aplicado em C, resultará em um momento
M0/2 com o mesmo sentido na metade da estrutura. Devido à simetria da
estrutura, cada metade resiste à metade do momento aplicado. Como
ilustrado abaixo:
151
Exercício Proposto 02: Calcule a estrutura abaixo pelo Processo de Cross.
Considerar EI constante.
Exercício Proposto 03: Calcule a estrutura abaixo pelo Processo de Cross.
Considerar EI constante.
Exercício Proposto 04: Calcule a estrutura abaixo pelo Processo de Cross.
Considerar EI constante.
152
BIBLIOGRAFIA
BEER, F.P. e JOHNSTON JR, E. R. (1989). Resistência dos materiais. 2a ed. São
Paulo: McGraw-Hill.
CAMPANARI, Flávio Antônio.(1985). Teoria das estruturas. v.1, 2, 3 e 4. Ed.
Guanabara Dois.
POPOV, Egor P. (1978). Introdução à mecânica dos sólidos. São Paulo: Edgard
Blücher.
SUSSEKIND, José Carlos. (1994a). Curso de análise estrutural. v.3. 11a ed.São
Paulo: Ed.Globo.
LA ROVER, H.L. e DE MORAES, POLIANA DIAS. R. (2005). Apostila ECV 5220
–Análise Estrutural II. Santa Catarina: ECV/UFSC.