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1 T E O R I A D A S E S T R U T U R A S 2 C E N T R O U N I V E R S I T Á R I O E S T Á C I O R A D I A L D E S Ã O P A U L O C U R S O D E G R A D U A Ç Ã O E M E N G E N H A R I A C I V I L P R O F . A L E X A N D R E A U G U S T O M A R T I N S 6 º P E R Í O D O 2 0 1 3 / 2 S A U LA 6 0 4. 0 9. 20 13 2 M É T O D O D A S F O R Ç A S 3 SISTEMÁTICA DO MÉTODO DAS FORÇAS: DETERMINAÇÃO DO GRAU DE HIPERESTATICIDADE DO SISTEMA ESTRUTURAL; ESCOLHA DE UM SISTEMA BÁSICO DE CÁLCULO; TRAÇADO DOS DIAGRAMAS, NO SISTEMA BÁSICO, SEPARADAMENTE PARA O CARREGAMENTO EXTERNO E PARA OS VALORES UNITÁRIOS DAS INCÓGNITAS; OBTENÇÃO DE TODOS OS COEFICIENTES δi,j (DESLOCAMENTOS); RESOLUÇÃO DAS EQUAÇÕES CANÔNICAS COM A DETERMINAÇÃO DAS VARIÁVEIS HIPERESTÁTICAS; CÁLCULO DOS ESFORÇOS FINAIS E TRAÇADO DOS DIAGRAMAS FINAIS. 4 G R A U D E H I P E R E S T A T I C I D A D E CASO 1: PÓRTICOS PLANOS 5 CONSIDERAÇÕES GERAIS DIZ-SE QUE OS ESFORÇOS EM EXCESSO, NO EQUILÍBRIO DE UMA ESTRUTURA EM BARRAS, SÃO HIPERESTÁTICOS OU REDUNDANTES ESTÁTICOS E QUE O NÚMERO DESSAS REDUNDÂNCIAS FORMA O GRAU DE INDETERMINAÇÃO ESTÁTICA – OU GRAU DE HIPERESTATICIDADE O GRAU DE HIPERESTATICIDADE PODE SER DETERMINADO PELA FÓRMULA: g = [NÚMERO DE INCÓGNITAS DO PROBLEMA ESTÁTICO] – [NÚMERO DE EQUAÇÕES DE EQUILÍBRIO] 6 CONSIDERAÇÕES GERAIS AS INCÓGNITAS DO PROBLEMA DO EQUILÍBRIO ESTÁTICO DEPENDEM DOS VÍNCULOS DE APOIO DA ESTRUTURA E DA EXISTÊNCIA DE CICLOS FECHADOS DE BARRAS (OU ANÉIS); CADA COMPONENTE DE REAÇÃO DE APOIO É UMA INCÓGNITA, ISTO É, AUMENTA EM UMA UNIDADE O GRAU DE HIPERESTATICIDADE. C L A S S I F I C A Ç Ã O D O S M O D E L O S E S T R U T U R A I S GRAU DE HIPERESTATICIDADE CONSEQUÊNCIA g < 0 CONDIÇÃO SUFICIENTE PARA O MODELO SER HIPOSTÁTICO E INSTÁVEL g = 0 CONDIÇÃO NECESSÁRIA PARA O MODELO SER ISOSTÁTICO E ESTÁVEL g > 0 CONDIÇÃO NECESSÁRIA PARA O MODELO SER HIPERESTÁTICO E ESTÁVEL 7 ATENÇÃO: O GRAU DE HIPERESTATICIDADE DE MODELOS ISOSTÁTICOS E HIPERESTÁTICOS NÃO É SUFICIENTE PARA CARACTERIZAR A ESTABILIDADE DA ESTRUTURA, POIS APENAS CONTABILIZA O NÚMERO DE INCÓGNITAS DO PROBLEMA DO EQUILÍBRIO ESTÁTICO E O NÚMERO DE EQUAÇÕES DE EQUILÍBRIO; NEM TODO PÓRTICO COM REAÇÕES EM NÚMERO IGUAL AO DO DE EQUAÇÕES DE EQUILÍBRIO DA ESTÁTICA É ISOSTÁTICO; NEM TODO PÓRTICO COM REAÇÕES EM NÚMERO SUPERIOR A ESSAS EQUAÇÕES, É HIPERESTÁTICA. 8 EXEMPLO: ESTE PÓRTICO TRAZ TRÊS COMPONENTES DE REAÇÃO DE APOIO QUE SÃO VERTICAIS, NÃO EXISTINDO, PORÉM, NENHUM VÍNCULO QUE IMPEÇA O MOVIMENTO HORIZONTAL. SE UMA FORÇA NESSE SENTIDO FOR APLICADA, A EQUAÇÃO GLOBAL DE EQUILÍBRIO NA DIREÇÃO HORIZONTAL NÃO FICA SATISFEITA. PÓRTICO HIPOSTÁTICO! D B A E F C l1 l2 VA D B A E F C VB VC 9 GRAU DE HIPERESTATICIDADE EM PÓRTICOS PLANOS: DEVE-SE VISUALIZAR O PÓRTICO DE FORMA GLOBAL, NÃO SEPARANDO-O PELAS RÓTULAS (QUANDO PRESENTES); O NÚMERO DE INCÓGNITAS É CALCULADO PELA SEGUINTE FÓRMULA: NÚMERO DE INCÓGNITAS DO PROBLEMA ESTÁTICO = [(NÚMERO DE COMPONENTES DE REAÇÕES DE APOIO) + (NÚMERO DE ANÉIS) . 3] UM ANEL INTRODUZ TRÊS VARIÁVEIS (OU INCÓGNITAS) PARA O PROBLEMA DO EQUILÍBRIO ESTÁTICO; OU SEJA, CADA ANEL DE UM PÓRTICO PLANO AUMENTA EM TRÊS UNIDADES O GRAU DE HIPERESTATICIDADE. 10 GRAU DE HIPERESTATICIDADE EM PÓRTICOS PLANOS: PARA AS EQUAÇÕES DE EQUILÍBRIO ESTÁTICO, DEVE-SE CONSIDERAR AS TRÊS EQUAÇÕES TRADICIONAIS QUE GARANTEM O EQUILÍBRIO GLOBAL DA ESTRUTURA (ΣFX = 0; ΣFY = 0; E ΣM = 0), ALÉM DAS EQUAÇÕES PROVENIENTES DE LIBERAÇÕES DE CONTINUIDADE INTERNA DA ESTRUTURA; TEM-SE ENTÃO: NÚMERO DE EQUAÇÕES DE EQUILÍBRIO = (3 EQUAÇÕES DO EQUILÍBRIO GLOBAL) + (NÚMERO DE EQUAÇÕES GERADAS PELAS ARTICULAÇÕES INTERNAS) 11 RESUMINDO: GRAU DE HIPERESTATICIADE = [(NÚMERO DE COMPONENTES DE REAÇÕES DE APOIO) + (NÚMERO DE ANÉIS . 3] – [3 + (NÚMERO DE EQUAÇÕES VINDAS DE ARTICULAÇÕES INTERNAS)] 12 EXEMPLO 1: CÁLCULO DO GRAU DE HIPERESTATICIDADE DO PÓRTICO PLANO E DEFINIÇÃO DA SUA SITUAÇÃO DE EQUILÍBRIO: g = [(NÚMERO DE COMPONENTES DE REAÇÕES DE APOIO)+ (NÚMERO DE ANÉIS . 3] – [3 + (NÚMERO DE EQUAÇÕES VINDAS DE ARTICULAÇÕES INTERNAS)] g = [(2 + 2 + (0 . 3] – [3 + (1)] g = 4 – 4 g = 0 PORTANTO, ESTE PÓRTICO É ISOSTÁTICO C A D E B l1 l2 HA VA HB VB 13 EXEMPLO 2: CÁLCULO DO GRAU DE HIPERESTATICIDADE DO PÓRTICO PLANO E DEFINIÇÃO DA SUA SITUAÇÃO DE EQUILÍBRIO: g = [(NÚMERO DE COMPONENTES DE REAÇÕES DE APOIO)+ (NÚMERO DE ANÉIS . 3] – [3 + (NÚMERO DE EQUAÇÕES VINDAS DE ARTICULAÇÕES INTERNAS)] g = [(2 + 1 + (1 . 3] – [3 + (1)] g = 6 – 4 g = 2 PORTANTO, ESTE PÓRTICO É HIPERESTÁTICO C A D B l1 HA VA VB 14 EXEMPLO 3: CÁLCULO DO GRAU DE HIPERESTATICIDADE DO PÓRTICO PLANO E DEFINIÇÃO DA SUA SITUAÇÃO DE EQUILÍBRIO: g = [(NÚMERO DE COMPONENTES DE REAÇÕES DE APOIO)+ (NÚMERO DE ANÉIS . 3] – [3 + (NÚMERO DE EQUAÇÕES VINDAS DE ARTICULAÇÕES INTERNAS)] g = [(2 + 2 + (1 . 3] – [3 + (1)] g = 7 – 4 g = 3 PORTANTO, ESTE PÓRTICO É HIPERESTÁTICO C A D E B l1 l2 F HA VA HB VB 15 EXEMPLO 4: CÁLCULO DO GRAU DE HIPERESTATICIDADE DO PÓRTICO PLANO E DEFINIÇÃO DA SUA SITUAÇÃO DE EQUILÍBRIO: g = [(NÚMERO DE COMPONENTES DE REAÇÕES DE APOIO)+ (NÚMERO DE ANÉIS . 3] – [3 + (NÚMERO DE EQUAÇÕES VINDAS DE ARTICULAÇÕES INTERNAS)] g = [(2 + 2 + (2 . 3] – [3 + (2)] g = 10 – 5 g = 5 PORTANTO, ESTE PÓRTICO É HIPERESTÁTICO C A D E B l1 l2 F HA VA HB VB 16 EXEMPLO 5: CÁLCULO DO GRAU DE HIPERESTATICIDADE DO PÓRTICO PLANO E DEFINIÇÃO DA SUA SITUAÇÃO DE EQUILÍBRIO: g = [(NÚMERO DE COMPONENTES DE REAÇÕES DE APOIO)+ (NÚMERO DE ANÉIS . 3] – [3 + (NÚMERO DE EQUAÇÕES VINDAS DE ARTICULAÇÕES INTERNAS)] g = [(2 + 1 + (1 . 3] – [3 + (3)] g = 6 – 6 g = 0 PORTANTO, ESTE PÓRTICO É ISOSTÁTICO C A D B l1 l2 HA VA VB 17 EXEMPLO 6: CÁLCULO DO GRAU DE HIPERESTATICIDADE DO PÓRTICO PLANO E DEFINIÇÃO DA SUA SITUAÇÃO DE EQUILÍBRIO: g = [(NÚMERO DE COMPONENTES DE REAÇÕES DE APOIO)+ (NÚMERO DE ANÉIS . 3] – [3 + (NÚMERO DE EQUAÇÕES VINDAS DE ARTICULAÇÕES INTERNAS)] g = [(2 + 2 + 2 + (0 . 3] – [3 + (1)] g = 6 – 4 g = 2 PORTANTO, ESTE PÓRTICO É HIPERESTÁTICO D B A E F C l1 l2 G HA VA HB VB HC VC 18 1 . G R A U D E H I P E R E S T A T I C I D A D E CASO 2: SISTEMAS ABERTOS 19 ATENÇÃO: O GRAU DE HIPERESTATICIDADE DE MODELOS ISOSTÁTICOS E HIPERESTÁTICOS NÃO É SUFICIENTE PARA CARACTERIZAR A ESTABILIDADE DA ESTRUTURA, POIS APENAS CONTABILIZA O NÚMERO DE INCÓGNITAS DO PROBLEMA DO EQUILÍBRIO ESTÁTICO E O NÚMERO DE EQUAÇÕES DE EQUILÍBRIO; NEM TODA VIGA COM REAÇÕES EM NÚMERO IGUAL AO DO DE EQUAÇÕES DE EQUILÍBRIO DA ESTÁTICA É ISOSTÁTICA; NEM TODA VIGA COM REAÇÕES EM NÚMERO SUPERIOR A ESSAS EQUAÇÕES, É HIPERESTÁTICA. 20 EXEMPLO 1: VIGA HIPOSTÁTICA! ISSO ACONTECE PORQUE HÁ TRÊS REAÇÕES DE APOIO E QUATRO REAÇÕES DE EQUILÍBRIO LINEARMENTE INDEPENDENTES ENTRE SI: TRÊS EQUAÇÕES DE EQUILÍBRIO DA VIGA COMO UM TODO E UMA EQUAÇÃO DE MOMENTO NULO, DEVIDO À RÓTULA INTERNA, NO CENTRO DA BARRA. P A B l1 l2 α P HA VA VB A B 21 EXEMPLO2: NESTE CASO, AINDA QUE EXISTAM TRÊS REAÇÕES DE APOIO E TRÊS DE EQUILÍBRIO, AS REAÇÕES HA E HB INDICADAS SÃO COLINEARES, NÃO RESTRINGINDO, PORTANTO, ROTAÇÕES INFINITESIMAIS DE CORPO RÍGIDO EM TORNO DA EXTREMIDADE ESQUERDA, NA QUAL SE LOCALIZA O APOIO FIXO. VIGA HIPOSTÁTICA! P A B l1 l2 α P HA VA HB A B 22 EXEMPLO 3: ESTA SITUAÇÃO MOSTRA, EM UM PRIMEIRO MOMENTO, UMA SITUAÇÃO DE HIPERASTICIDADE. CONTUDO, MESMO HAVENDO QUATRO REAÇÕES DE APOIO VERTICAIS E TRÊS EQUAÇÕES DE EQUILÍBRIO ESTÁTICO, NÃO EXISTEM RESTRIÇÕES QUANTO AOS DESLOCAMENTOS HORIZONTAIS, O QUE TORNA A ESTRUTURA INSTÁVEL. VIGA HIPOSTÁTICA! A l1 l2 l3 l5 l6 B C D α P l4 A B C D P VA VB VC VD 23 PARA SISTEMAS ABERTOS, A DETERMINAÇÃO DO GRAU DE HIPERESTATICIDADE, E CONSEQUENTE OBTENÇÃO DE SISTEMAS BÁSICOS, É RELATIVAMENTE SIMPLES, OU SEJA: O GRAU DE HIPERESTATICIDADE PODE SER DETERMINADO PELA FÓRMULA: g = [NÚMERO DE COMPONENTES DE REAÇÕES DE APOIO] – [NÚMERO DE EQUAÇÕES DE EQUILÍBRIO] 24 EXEMPLO 4: CÁLCULO DO GRAU DE HIPERESTATICIDADE DO PÓRTICO PLANO E DEFINIÇÃO DA SUA SITUAÇÃO DE EQUILÍBRIO: g = [(NÚMERO DE COMPONENTES DE REAÇÕES DE APOIO) – (NÚMERO DE EQUAÇÕES DE EQUILÍBRIO)] g = [(2 + 2) – 3] g = 4 – 3 g = 1 PORTANTO, ESTE ESTRUTURA É HIPERESTÁTICA P A B l1 l2 β VB VA HA HB 25 EXEMPLO 5: CÁLCULO DO GRAU DE HIPERESTATICIDADE DO PÓRTICO PLANO E DEFINIÇÃO DA SUA SITUAÇÃO DE EQUILÍBRIO: g = [(2 + 3) – 3] g = 5 – 3 g = 2 PORTANTO, ESTE ESTRUTURA É HIPERESTÁTICA P l1 l4 l2 l5 l6 l3 A C D E B VA HA VB HB MB g = [(NÚMERO DE COMPONENTES DE REAÇÕES DE APOIO) – (NÚMERO DE EQUAÇÕES DE EQUILÍBRIO)] 26 EM HAVENDO ARTICULAÇÕES (RÓTULAS) INTERNAS AO SISTEMA ABERTO, TEM-SE QUE, EM UM NÓ ONDE CONCORREM “b” BARRAS, O GRAU DE INDETERMINAÇÃO É REDUZIDO “(b – 1)” VEZES, EM FUNÇÃO DA INTRODUÇÃO DE UMA ARTICULAÇÃO. PORTANTO, O GRAU DE HIPERESTATICIDADE EM SISTEMAS ABERTOS É DETERMINADO POR MEIO DA FÓRMULA: g = [NÚMERO DE COMPONENTES DE REAÇÕES DE APOIO] – [NÚMERO DE EQUAÇÕES DE EQUILÍBRIO] – [GRAU DE INDETERMINAÇÃO JÁ REDUZIDO] 27 EXEMPLO 6: A B C CÁLCULO DO GRAU DE HIPERESTATICIDADE DO PÓRTICO PLANO E DEFINIÇÃO DA SUA SITUAÇÃO DE EQUILÍBRIO: g = [NÚMERO DE COMPONENTES DE REAÇÕES DE APOIO] – [NÚMERO DE EQUAÇÕES DE EQUILÍBRIO] – [GRAU DE INDETERMINAÇÃO JÁ REDUZIDO] g = [(3 + 2 + 2) – 3 – (3 – 1)] g = 7 – 3 – 2 g = 2 PORTANTO, ESTE ESTRUTURA É HIPERESTÁTICA MA VA HA VC HC VB HB 28 P l1 l4 l2 l5 l6 l3 A C D E B VA HA VB HB MB EXEMPLO 5: CÁLCULO DO GRAU DE HIPERESTATICIDADE DO PÓRTICO PLANO E DEFINIÇÃO DA SUA SITUAÇÃO DE EQUILÍBRIO: g = [(2 + 3) – 3 – (2 – 1)] g = 5 – 3 – 1 g = 1 PORTANTO, ESTE ESTRUTURA É HIPERESTÁTICA g = [NÚMERO DE COMPONENTES DE REAÇÕES DE APOIO] – [NÚMERO DE EQUAÇÕES DE EQUILÍBRIO] – [GRAU DE INDETERMINAÇÃO JÁ REDUZIDO] 29 S I S T E M A B Á S I C O 30 NESTE MÉTODO, OS CÁLCULOS SÃO EFETUADOS A PARTIR DE UM SISTEMA BÁSICO (OU PRINCIPAL), DERIVADO DO SISTEMA EM ESTUDO; O SISTEMA BÁSICO É UMA SITUAÇÃO ESTATICAMENTE DETERMINADA, ISTO É, ISOSTÁTICA, OBTIDA POR MEIO DA SUPRESSÃO DE VÍNCULOS INTERNOS OU EXTERNOS, SEMPRE SUPERABUNDANTES, DE FORMA A QUE NÃO HAJA PREJUÍZO DA ESTABILIDADE GEOMÉTRICA DA ESTRUTURA; É POSSÍVEL TER DIVERSOS SISTEMAS BÁSICOS PARA UM MESMO SISTEMA REAL, O QUE NÃO DEIXA DE SER UM INCONVENIENTE!; DEVE-SE ESCOLHER, PORTANTO, O SISTEMA BÁSICO QUE CONDUZA A CÁLCULOS OS MAIS SIMPLES POSSÍVEL. ISTO É FEITO ANALISANDO-SE OS SISTEMAS BÁSICOS, ESPECIALMENTE APÓS A OBTENÇÃO DO GRAU DE HIPERESTATICIDADE. 31 A B L SISTEMA HIPERESTÁTICO EXEMPLO 1: 32 SISTEMA ISOSTÁTICO (BÁSICO) X1 = ? A B L 33 X2 = ? SISTEMA ISOSTÁTICO (BÁSICO) A B L 34 EXEMPLO 2: A B L / 2 C L / 2 SISTEMA HIPERESTÁTICO 35 EXEMPLO 2: X1 = ? A B L / 2 C L / 2 SISTEMA ISOSTÁTICO (BÁSICO) 36 EXEMPLO 2: X2 = ? A B L / 2 C L / 2 SISTEMA ISOSTÁTICO (BÁSICO) 37 EXEMPLO 3: L1 L2 C A E B F G D SISTEMA HIPERESTÁTICO 38 EXEMPLO 3: L1 L2 C A E B F G D SISTEMA HIPERESTÁTICO X1 = ? X2 = ? X4 = ? X3 = ? 39 EXEMPLO 3: L1 L2 C A E B F G D SISTEMA HIPERESTÁTICO X2 = ? X4 = ? X6 = ? X5 = ? 40 EXEMPLO 4: CÁLCULO DO GRAU DE HIPERESTATICIDADE DO PÓRTICO PLANO E DEFINIÇÃO DA SUA SITUAÇÃO DE EQUILÍBRIO: g = [(NÚMERO DE COMPONENTES DE REAÇÕES DE APOIO)+ (NÚMERO DE ANÉIS . 3] – [3 + (NÚMERO DE EQUAÇÕES VINDAS DE ARTICULAÇÕES INTERNAS)] g = [(2 + 3 + 3 + (0 . 3] – [3 + (0)] g = 8 – 3 g = 5 PORTANTO, ESTE PÓRTICO É HIPERESTÁTICO C A D E B L1 L2 F HA VA HB VB HC VC MB MC 41 L1 L2 C A D E B F 42 L1 L2 C A D E B F X8 = ? X7 = ? X6 = ? X4 = ? X3 = ? 43 L1 L2 C A D E B F X2 = ? X1 = ? X5 = ? X4 = ? X3 = ? 44 P R I N C Í P I O D A S U P E R P O S I Ç Ã O 45 NO MÉTODO DAS FORÇAS É UTILIZADO COM MUITA FREQUÊNCIA O PRINCÍPIO DA SUPERPOSIÇÃO; ESSE PRINCÍPIO PODE SER ADOTADO SEMPRE QUE HAJA RELAÇÕES LINEARES ENTRE AS AÇÕES E OS DESLOCAMENTOS. ISSO ACONTECE PARA AS SEGUINTES HIPÓTESES: VALIDADE DA LEI DE HOOKE: O MATERIAL DE QUE É FEITA A ESTRUTURA É ELÁSTICO, E EXISTE UMA PROPORÇÃO ENTRE O ESFORÇO E O DESLOCAMENTO; PEQUENOS DESLOCAMENTOS DA ESTRUTURA, OS CÁLCULOS PODEM SER BASEADOS NAS DIMENSÕES ORIGINAIS DAS PEÇAS; NÃO EXISTE INTERAÇÃO ENTRE OS EFEITOS AXIAL E FLETOR NOS MEMBROS, OU SEJA, O EFEITO DAS FORÇAS AXIAIS É DESPREZÍVEL NA FLEXÃO DAS BARRAS; SATISFEITAS AS HIPÓTESES ACIMA, ASSUME-SE QUE A ESTRUTURA É LINEARMENTE ELÁSTICA (E ISSO É CONSIDERADO NO MÉTODO DAS FORÇAS). 46 A B L ϕ P M f B’ 47 COM MUITA FREQUÊNCIA É USADA A CORRESPONDÊNCIA ENTRE AÇÃO E DESLOCAMENTO; NO CASO ANTERIOR, TEM-SE: “f” CORRESPONDE À AÇÃO GERADA PELA FORÇA “P”; E “ϕ” REFERE-SE AO EFEITO OCASIONADO PELA PARTICIPAÇÃO DO MOMENTO “M”. ATENÇÃO: “f” E “ϕ” NÃO FORAM CAUSADOS UNICAMENTE EM FUNÇÃO DE “P” E DE “M” (RESPECTIVAMENTE), MAS, SIM, PELA AÇÃO CONJUNTA DE AMBOS OS ESFORÇOS EXTERNOS! 48 E Q U A Ç Õ E S C A N Ô N I C A S 49 AS EQUAÇÕES NOS MÉTODOS DAS FORÇAS (OU EQUAÇÕES CANÔNICAS) SÃO EQUAÇÕES QUE LEVAM EM CONTA A COMPATIBILIDADE GEOMÉTRICA DA PEÇA EM ESTUDO; ELAS EXPRIMEM RELAÇÕES LINEARES ENTRE AÇÃO E DESLOCAMENTO; DE UM MODO GERAL, PODE-SE ESCREVER: δ = K . A ONDE: δ = DESLOCAMENTO; A = AÇÃO; E K = FLEXIBILIDADE, OU SEJA, DESLOCAMENTO PRODUZIDO POR UMA AÇÃO ORDINÁRIA. 50 C A D B 51 X2 X1 X3 C A D B 52 δ10 δ20 δ30 C A D B 53 δ21 δ11 δ31 X1 B C A D B 54 δ22 δ12 δ32 X2 C A D B 55 δ23 δ13 δ33 X3 C A D B 56 C O N T I N U A . . .
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