Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Profª Gabriela Rezende Fernandes Disciplina: Análise Estrutural 2 N0 TOTAL DE INCÓGNITAS = g =grau de hiperestaticidade da INCÓGNITAS = ESFORÇOS HIPERESTÁTICOS (reações de apoio e/ou esforços em excesso que a estrutura possui) N0 TOTAL DE INCÓGNITAS = g =grau de hiperestaticidade da estrutura Conhecidos os esforços hiperestáticos obtêm-se as reações de apoio e os diagramas dos esforços solicitantes da estrutura g = ge + gi ge = grau hiperestático externo gi = grau hiperestático interno ge = grau hiperestático externo = n0 de equações adicionais necessárias ao cálculo das reações de apoio g = ge + gi ge = n0 de reações incógnitas - n0 de eq. de equilíbrio gi = grau hiperestático interno Conhecidas as reações de apoio, gi é o número de esforços solicitantes necessário conhecer para poder traçar os diagramas de esforços da estrutura. Isostática externamente (com as equações Y X S Isostática externamente (com as equações de equilíbrio consegue-se calcular as reações de apoio) Hiperestática internamente (não se pode traçar os diagramas de esforços no trecho fechado) Fórmula prática para o cálculo de g g = 3l + 2p + s - 3n l : n º de engastes + nº engastes elásticos engaste elástico: ocorre no nó não articulado nº engastes elásticos em um nó = nº de barras que chegam no nó -1 l =1+(1+1+2)=5 chegam no nó -1 p: n º de apoios fixos + (para cada articulação: nº de barras que chegam na articulação -1) s: n º de apoios móveis n: n º de barras Exemplo: l =1+(1+1+2)=5 p=2+2=4 gi = 0 ge = 8 – (3+1) = 4 Nº de equações de equilíbrio (3 + ΣM (rótula) = 0) g = 0 +4 =4 l = 2 + (1+2) = 5 p= 1 + (1) = 2 S = 0 n = 5 g = 15+4+0-15=4 gi = 0 ge = 8 – (3+1) = 4 Nº de reações incógnitas g = 0 +4 =4 MA n0 de reações incógnitas = 5 (RVA, RHA , MA, RVB, RHB) n0 de eq. de equilíbrio = 4 (ΣFx=0, ΣFy=0, ΣM=0 e ΣMrótula=0)x y z ge= 5 – 4 = 1 gi = 0 g = 1 g = 3l + 2p + s - 3n MA RHA RVA RHB RVB n0 de reações incógnitas = 6 n0 de eq. de equilíbrio = 4 (ΣFx=0, ΣFy=0, ΣM=0 e ΣMrótula=0) l = 1 + (1) = 2 p= 1 + (1) = 2 S = 0 n = 3 g = 6+4+0-9=1 ge= 6 – 4 = 2 gi = 3 g = 5 l = 0 + (5) = 5 p= 3 + (1) = 4 S = 0 n = 6 g = 15+8+0-18=5 EXEMPLOS PRÁTICOS DE ESTRUTURAS HIPERESTÁTICAS Pórticos A)EXEMPLOS DE PÓRTICOS EM PONTES - Pontes em Pórtico (não há aparelho de apoio entre viga e pilar, vigas e pilares formam um único sólido) Esquema estático: considera as vigas junto com os pilares formando um pórtico: PÓRTICO Considera esses apoios como apoio fixo ou engaste dependendo da rigidez do solo onde o pórtico está apoiado PÓRTICO A) EXEMPLOS DE PÓRTICOS EM PONTES - Pontes em Pórtico (não há aparelho de apoio entre viga e pilar, vigas e pilares formam um único sólido) ou Esquema estático: 2 apoios fixos : hiperestático 1 apoio fixo e 1 móvel : isostático 2 engastes: hiperestático B) EXEMPLOS DE PÓRTICOS EM ESTRUTURAS DE EDIFÍCIOS: O CÁLCULO ESTRUTURAL PODE SER FEITO, CONSIDERANDO- SE PÓRTICOS PLANOS. Análise tridimensional: Considera um pórtico tridimensional, o cálculo é feito com softwares comerciais baseados no método dos elementos baseados no método dos elementos finitos Análise plana: desmembra o vigas pilares Análise plana: desmembra o pórtico tridimensional em vários pórticos planos Ponte em viga contínua Há um aparelho de apoio entre a viga e o pilar. As vigas contínuas são calculadas primeiro (cada apoio da viga representa contínuas são calculadas primeiro (cada apoio da viga representa o apoio sobre um pilar ). As reações calculadas nas vigas serão cargas atuantes nos pilares. Vigas contínuas em edifícios Ao invés de modelar o edifício como pórtico, pode calcular as vigas contínuas separadas dos pilares. -As lajes são analisadas primeiro. -Transfere para as vigas as reações das lajes, que somadas às outras cargas definirão o carregamento nas vigas. Calculam-se as vigas contínuas (cada apoio da viga vigas contínuas (cada apoio da viga representa o apoio sobre um pilar ou sobre outra viga). --As reações calculadas nas vigas serão cargas atuantes nos pilares, que são calculados por último. V1 V2 V3 V4 V1 A B Rpilar Rpilar RV3 RV4 Se V3 e V4 se apóiam em V1, V2 ,V5 e V6 V5 V6 V2 A B RV RV RV3 RV4 V3 RV1 RV6RV2 RV5 V4 Vigas contínuas RV1 RV6RV2 RV5 Vigas contínuas V1 V2 V3 V4 Os esforços em V1, V7, V8 e V6 podem ser calculados considerando pórticos planos.V5 V6 V7 V8 RV3 RV4 No caso do edifício ter 2 andares, se V3 e V4 se apóiam em V1, V2 ,V5 e V6 Pórtico plano formado com a V1 e os 2 pilares da extremidade: RV2 RV5 Pórtico plano formado com a V7 e os 2 pilares da extremidade: RV3 RV4 RV2 RV5 Exemplo de grelhas em pavimentos de edifícios: Se o pavimento estiver sujeito apenas a cargas transversais ao seu plano, os esforços nas vigas podem ser calculados considerando-se a grelha: Y X z RV RV RV Exemplo: seja a estrutura (a) hiperestática: g = ge= 6 – 3 = 3 a Tipos de solicitação que a estrutura pode estar sujeita: � Carregamento externo, � variação de temperatura, � recalque de apoio. Y X a ROTEIRO DE SOLUÇÃO: 1. OBTENÇÃO DO SISTEMA PRINCIPAL: Transforma a estrutura hiperestática (a) em estrutura isostática rompendo g vínculos quaisquer e aplicando os esforços correspondentes obtém estrutura (b) b Y X SISTEMA PRINCIPAL (SP) ESTRUTURA ISOSTÁTICA Incógnitas: esforços hiperestáticos: X , X e X b Y X X1 X2 X3 A B Incógnitas: esforços hiperestáticos: X1, X2 e X3 As estruturas a e b são iguais estaticamente. Para ter compatibilidade de deformações entre a e b, os deslocamentos nas direções dos vínculos rompidos (θA, θB e δHB) devem ser nulos no SP (pois estes eram nulos na estrutura original a) Para uma mesma estrutura hiperestática, pode-se ter vários sistemas principais. Chega-se a mesma solução, independente do sistema principal adotado. Para facilitar os cálculos, deve-se escolher um SP, que gere diagramas de esforços mais simples. Para pórticos recomenda-se colocar rótulas nos nós da estrutura. 2. EQUAÇÕES DE COMPATIBILIDADE ELÁSTICA: (equações adicionais que se deve ter para resolver a estrutura) Para estruturas com comportamento elástico linear e pequenas deformações vale o princípio da superposição de efeitos. Portanto: X1 X2 X3 A B SP δ deslocamento na direção e posição do hiperestático X Sejam: ]1[ cosº 1 =+ ∑ = i ihiperestátdeN i i XaapenassujeitoSPX Solução do Sistema Principal (SP) com a solicitação externa e todos os hiperestáticos aplicados = [ SP com solicitação externa] + δij deslocamento na direção e posição do hiperestático Xi devido apenas ao carregamento Xj =1 δi0 deslocamento na direção e posição do hiperestático Xi devido apenas à solicitação externa (carga, recalque ou temperatura) Solução do Sistema Principal com a solicitação externa e todos os hiperestáticos aplicados = a + b + c +d X3 X2X1 a) b) + X + δ20 Y X X1 X2 X3 A B Sistema Principal com a solicitação externa c) d) Sistema Principal com X1 =1 aplicado X1=1 δδδδ11 δδδδ21 δδδδ31 + X1 +δ10 δ30 c) d) Sistema Principal com X2 = 1 aplicado Sistema Principal com X3 =1 aplicado δδδδ12 δδδδ22 δδδδ32 + X2 + X3 X3=1 X2=1 δδδδ13 δδδδ23 δδδδ33 θA = δ10 + δ11 X1 + δ12 X2 + δ13 X3 θB = δ20 + δ21 X1+ δ22 X2 + δ23 X3 δHB = δ30 + δ31 X1 + δ32 X2 + δ33 X3 Portanto, considerando-se o princípio da superposição de efeitos: Para ter compatibilidade de deformações entre a estrutura original e o δ10 + δ11 X1 + δ12 X2 + δ13 X3 = 0 δ20 + δ21 X1 + δ22 X2 + δ23 X3 = 0 δ30 + δ31 X1 + δ32 X2 + δ33 X3 = 0 Para ter compatibilidade de deformações entre a estrutura original e o sistema principal θA = θB = δHB = 0. Portanto, obtém-se o seguinte sistema de equações: Incógnitas do sistema: esforços hiperestáticos: X1, X2 e X3 Deslocamentos δij e δi0 : são valores conhecidos e são calculados através do PTV 3.1 Cálculo do deslocamento δij na direção i devido ao esforço Xj = 1: Estado de carregamento: estrutura sujeita à carga virtual na direção i . Resolve a estrutura obtêm 3. CÁLCULO DOS DESLOCAMENTOS δij e δi0 : através do PTV FMD 1=iP Estado de deformação: estrutura sujeita ao carregamento real Xj = 1 Resolve a estrutura obtêm 3.2 Cálculo do deslocamento δi0 na direção i devido à DMF FMD Combina os diagramas e , através das tabelas obtém δijDMF FMD 3.2 Cálculo do deslocamento δi0 na direção i devido à solicitação externa Estado de carregamento: igual ao item 3.1 Estado de deformação: depende do tipo de solicitação externa 3.2 Cálculo do deslocamento δi0 na direção i devido à solicitação externa Estado de deformação: estrutura sujeita ao carregamento externo Resolve a estrutura obtêm 3.2.a)Solicitação externa = Carregamento externo DMF Combina os diagramas e , através das tabelas obtém δi0DMF FMDCombina os diagramas e , através das tabelas obtém δi0 3.2.b)Solicitação externa = Variação linear de temperatura ∆T δi0 = δit Estado de deformação: estrutura sujeita a ∆T Em estruturas isostáticas os deslocamentos devido a ∆T ocorrem sem que se desenvolvam esforços, há apenas deformações Em estruturas hiperestáticas os deslocamentos devido a ∆T provocam deformações e esforços Sistema principal estrutura isostática não há esforços devido a ∆T, apenas deformações 3.2.b)Solicitação externa = Variação linear de temperatura ∆T (continuação) ∆T = ti – te h te t Seja a estrutura, cujas fibras externas sofrem uma variação de temperatura diferente daquela que ocorre nas fibras internas: te: variação de temperatura na fibras externas ti: variação de temperatura nas fibras internas te ti h h ti ∆T é linear ao longo de h ti h: altura da seção transversal: h d: :variação de comprimento (deslocamento axial relativo, na direção de x) 2 seções distantes de ds ( ) se deformam da seguinte forma: dδδδδe dδδδδ sx rr = 3.2.b)Solicitação externa = Variação linear de temperatura ∆T (continuação) No CG ocorrem duas deformações: tg: variação de temperatura no CG dδe = α te ds dδi= α ti ds Fibras externas: Fibras internas: axial relativo, na direção de x) : Coeficiente de dilatação do material ds h dδδδδi dφ dδδδδCG CG α h x ds dφ No CG ocorrem duas deformações: dδCG = α tg ds ( ) ( ) ( ) ds h tds h tt h dddtgd eiei ∆ααδδϕϕ =−=−== Rotação relativa No CG dδCG = α tg ds ds h td ∆αϕ = sx rr = dδCG = α tg dx dx h td ∆αϕ = 3.2.b)Solicitação externa = Variação linear de temperatura ∆T (continuação) ( ) ( ) ( ) MNggCGit Ah tAtdxMh tdxNtdMdN ∆+=∆+=+= ∫∫∫ ααααϕδδ O PTV em termos das deformações reais: OBS: Se escrevesse o PTV em termos dos esforços reais, as integrais se anulariam. Então, nesse caso, deve-se escrever o PTV em termos das deformações reais. xxx hh ∫∫∫ NA Área total do diagrama de MA Área total do diagrama de M N 3.2.c)Solicitação externa = Recalques de apoio δi0 = δir Em estruturas isostáticas os recalques provocam apenas deslocamentos de corpo rígido (não há deformação e esforços, pois todos os apoios têm os mesmos ρρρρV ρρρρ ρV ρ Estado de deformação: estrutura sujeita a recalques todos os apoios têm os mesmos deslocamentos ou recalques) Em estruturas hiperestáticas os recalques provocam deformações e esforços, pois como a estrutura é mais rígida, os vínculos impedem que todos os pontos da estrutura tenham os mesmos deslocamentos. Portanto, cada apoio vai ter um recalque diferente do outro, o que faz com que a estrutura se deforme. ρρρρh ρh Na estrutura isostática, o recalque provoca um movimento de corpo rígido esforços e deformações são nulos trabalho virtual das forças internas é nulo, ou seja, diferente do outro, o que faz com que a estrutura se deforme. Wi = 0 Sistema principal estrutura isostática ( )∫ ( )∫∑∑ +++=+ l ti i i i ii dMdvVdMdNRP αϕδρδ ´ ´ ´ ´ PTV: 3.2.c)Solicitação externa = Recalques de apoio (continuação) ∑ = −= recalquesN i iiir R º 1' ´ ´ρδ1=iP0 º 1' ' ´ =+ ∑ = recalquesN i iiiri RP ρδ 1=P PTV Wi = 0 ( ) 0=+++= ∫ l ti dMdvVdMdNW αϕδ Reação de apoio no estado de carregamento (devido a ), na 'iR 1=iPReação de apoio no estado de carregamento (devido a ), na direção do recalque real ρi’ 4 SOLUÇÃO DO SISTEMA DE EQUAÇÕES 101131211 δδδδ X { } [ ] { }1 δδ −−=X δ10 + δ11 X1 + δ12 X2 + δ13 X3 = 0 δ20 + δ21 X1 + δ22 X2 + δ23 X3 = 0 δ30 + δ31 X1 + δ32 X2 + δ33 X3 = 0 ou −= 30 20 3 2 333231 232221 δ δ δδδ δδδ X X { } [ ] { }0δδ−=X p/ variação de temperatura: { } { } == t t t t 3 2 1 0 δ δ δ δδ p/ recalque de apoio ou { } { } == r r r r 3 2 1 0 δ δ δ δδ [δ] é a matriz de flexibilidade (δij= δji de acordo com o teorema de Maxwell) {X} é o vetor solução contém os esforços hiperestáticos {δ0} é o vetor dos termos da solicitação externa (devido à carga, ∆t ou recalque) t3δ r3δ 5. OBTENÇÃO DOS ESFORÇOS E REAÇÕES DE APOIO FINAIS: E Pelo Princípio da superposição de efeitos: ∑ = += g i iiXEEE 1 0 O valor final do esforço ou reação de apoio em um ponto qualquer da estrutura é dado por: ∑ =i 1 a) para carregamento externo: E0 = valor do esforço (no SP) obtido no ponto, considerando somente a carga externa Valor deE0 num ponto qualquer da estrutura: b) para variação de temperatura (esforços são nulos): E0 = 0 c) para recalque (esforços são nulos): E0 = 0 Valor de Ei num ponto qualquer da estrutura: é o valor do esforço obtido no ponto, considerando somente Xi = 1 Obs: pode-se ter diversos SP. Deve-se adotar um SP para o qual os diagramas a combinar sejam simples. Para pórticos recomenda-se colocar rótulas nos nós da estrutura ROTEIRO DE CÁLCULO: 1. Cálculo do grau de hiperestaticidade (g = ge + gi) 2. Obtenção do Sistema Principal 3. Resolução do SP sujeito, separadamente, ao carregamento externo 3. Resolução do SP sujeito, separadamente, ao carregamento externo e cada um dos esforços hiperestáticos 4. Cálculo de δij e δi0 (ou δir ou δit) 5. Solução do sistema de equações de compatibilidade elástica 6. Obtenção dos esforços e reações de apoio finais { } [ ] { }01 δδ −−=X 6. Obtenção dos esforços e reações de apoio finais ∑ = += g i ii XEEE 1 0 Se a estrutura é plana, elástica e geometricamente simétrica SIMPLIFICAÇÕES NO CÁLCULODE ESTRUTURAS SIMÉTRICAS Se a estrutura é plana, elástica e geometricamente simétrica1ª SIMPLIFICAÇÃO: corta a estrutura na seção S de simetria e resolve apenas metade da estrutura (possível apenas para estruturas abertas) Dependendo do carregamento e da posição da seção de simetria S,Dependendo do carregamento e da posição da seção de simetria S, pode-se concluir que 1 ou mais esforços em S são nulos 2ª SIMPLIFICAÇÃO: há diminuição do g (nº de esforços hiperestáticos) VANTAGENS DE CONSIDERAR A SIMETRIA: 1. Há redução do nº de graus de hiperestaticidade (g) 2. Estrutura a ser resolvida é apenas a metade da original2. Estrutura a ser resolvida é apenas a metade da original 1. Para solicitação simétrica: Os diagramas solicitantes da outra metade da estrutura são simétricos (mesmos valores e mesmos sinais) para momento e esforço normal e anti-simétrico (mesmos valores, mas sinais OBTENÇÃO DOS DIAGRAMAS SOLICITANTES DA OUTRA METADE: esforço normal e anti-simétrico (mesmos valores, mas sinais contrários) para esforço cortante 2. Para solicitação anti-simétrica: Os diagramas solicitantes da outra metade da estrutura são anti- simétricos para momento e esforço normal e simétrico para esforço cortante 1. Se o eixo de simetria intercepta ortogonalmente a barra na seção S de simetria: Para estruturas planas, elásticas e geometricamente simétricas com solicitações simétricas: Em S, o deslocamento horizontal e rotação são nulos (δH e θ provocados pelo lado da esquerda são anulados pelos δH e θ Portanto, na seção S de simetria há apenas deslocamentos verticais: 0=θ 0V ≠δ 0NS ≠0H =δ 0M S ≠ provocados pelo lado da esquerda são anulados pelos δH e θ provocados pelo lado da direita): 0QS = � Exemplos: Em S Exemplos: S Como :0QS = Sist. Principal = S X1 X2a a a) b) Estrutura simétrica com Diminuição uniforme de Temperatura S S X1 X2 Outros exemplos de estruturas simétricas com solicitações simétricas Como :0QS = Sist. Principal = c) Estrutura fechada: S X1 X2 X1 X2 (Corta em S) a ab b a a Como :0QS = Sist. Principal = a a 0=θ0H =δ Para estrutura simétrica com solicitação simétrica, se o eixo de simetria intercepta ortogonalmente a barra na seção S de simetria: Outro modo de solução para estruturas abertas: S PP TT S P T Rompe a estrutura na seção de simetria S, coloca um vínculo que impeça δH e θ e permita δv; então adota o sistema principal que preferir. Exemplo: a S P P B C a S TT a b c c b g = ge = 6 - 3 = 3 STEstrutura a ser resolvida Reações: M e RH g = ge = 5-3 = 2 (o g diminuiu de 3 pra 2) a b c c b T T A B C D 2.Se o eixo de simetria atravessa toda a barra na seção S de simetria: Na seção de simetria S há apenas deslocamentos verticais. Portanto: 0=θ0≠δ 0=δ Para estruturas planas, elásticas e geometricamente simétricas com solicitações simétricas: 0=θ0V ≠δ 0H =δ Mas se δv estiver impedido por um apoio na extremidade da barra rompe a estrutura em S e coloca um engaste, pois em S terá: δv = δH = θ = 0. 0V =δ P P Exemplo: P a b c c b S P P T T D S P T Estrutura a ser resolvida g = 9 – 3 = 6 g = 6 – 3 = 3 (g diminuiu de 6 para 3) a b c c b S P P T T D Exemplo: S P T Estrutura a ser resolvida g = 9 – 3 = 6 g = 6 – 3 = 3 g = 9 – 3 = 6 δv é impedido pelo engaste em D Portanto, em S: δv = δH = θ = 0 Na barra SD há apenas esforço normal constante igual a: N = 2Rvs, onde Rvs é a reação vertical calculada no engaste em S. Vantagens: há redução de 3 graus hiperestáticos, além da estrutura a ser resolvida ser bem menor ! 1. Se o eixo de simetria atravessa ortogonalmente a barra na seção S de simetria: Para estruturas planas, elásticas e geometricamente simétricas com solicitações anti-simétricas: =δ Em S o deslocamento vertical é nulo (δv provocado pelo lado da 0V =δ Em S o deslocamento vertical é nulo (δv provocado pelo lado da esquerda é anulado pelos δv provocado pelo lado da direita): Exemplos: 0V =δ 0QS ≠ Portanto, na seção S de simetria há deslocamento horizontal e rotação: 0≠θ 0NS =0H ≠δ0M S = Exemplos: S Se Sist. principal S X1 a a 0M S = 0NS = a) Estrutura simétrica sujeita a recalque de apoio anti-simétrico S SSe Sist. principal X1 a a ρ ρ 0M S = 0NS = b) � Estrutura fechada: S Se Sist. principal X1 X1 (Corta em S) Sist. principal a ab b a a ρ 0M S = 0N S = c) Para estruturas simétricas com solicitações anti-simétricas, se o eixo de simetria atravessa ortogonalmente a barra na seção S de simetria : 0V =δ Outro modo de solução para estruturas abertas: Rompe a estrutura na seção de simetria S, coloca um vínculo Rompe a estrutura na seção de simetria S, coloca um vínculo que impeça δv e permita δH e θ; então adota o sistema principal que preferir. S PP TT bb SP TEstrutura a ser Exemplo: a S P P T T a a b c c b g = ge = 6 - 3 = 3 Estrutura a ser resolvida g = ge = 4 - 3 = 1 b c c b T T 2. O eixo de simetria atravessa toda a barra na seção S de simetria: Para estruturas planas, elásticas e geometricamente simétricas com solicitações anti-simétricas: Na seção de simetria S há deslocamento horizontal e rotação: 0≠θ0V =δ 0H ≠δ a S P P T T I As cargas dos lados esquerdo e direito da barra contribuem igualmente para sua deformação total metade da barra é solicitada pelo carregamento da esquerda e a outra metade pelo carregamento da direita parte a barra ao meio e resolve metade da estrutura S P T I/2 Estrutura a ser resolvida Exemplo: b c c b T T D I b c T I/2 D resolvida g = 9 – 3 = 6 g = 6 – 3 = 3 Para a outra metade: DMF e DEN são anti-simétricos e DEQ é simétrico Para a barra SD o DMF é o dobro daquele obtido com essa metade I: momento de inércia Para estruturas planas, elásticas e geometricamente simétricas com solicitação qualquer, para facilitar o cálculo pode-se resolvê-la da seguinte maneira: 1. Decompõe o carregamento em parcelas simétrica e anti-simétrica 2. Resolve metade da estrutura com o carregamento simétrico (Para 2. Resolve metade da estrutura com o carregamento simétrico (Para a outra metade: DMF e DEN são simétricos e DEQ é anti-simétrico) 3. Resolve metade da estrutura com o carregamento anti-simétrico (Para a outra metade: DMF e DEN são anti-simétricos e DEQ é simétrico) 4. Os diagramas solicitantes finais são obtidos somando os 4. Os diagramas solicitantes finais são obtidos somando os diagramas dos itens 2 e 3. VANTAGEM: apesar de ter que resolver a estrutura para 2 carregamentos diferentes, a estrutura a ser resolvida é a metade da original, além de haver redução do g. a P T a P/2 P/2 Exemplos: = + a P/2 P/2 Carregamento simétrico Carregamento anti-simétrico b c d T d q1 q2 b c a b c T/2 T/2 b c = + a b c T/2 T/2 b c = + q1/2 q2/2 q2/2 q1/2 q1 q1/2 q2/2 q2/2 q1/2 a a b c c c c c d d q1 q2 d d q1/2 q2/2 q1/2 d d q1/2 q2/2 q1/2 q2/2 = +
Compartilhar