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TEORIA DAS ESTRUTURAS I Parte 3 Notas de Aula – CIV208 Ricardo Azoubel da Mota Silveira Colaboração: A ndréa R egina D ias da Silva Departamento de Engenharia Civil Escola de Minas Universidade Federal de Ouro Preto 2008 SUMÁRIO 1. Linhas de Influência 1.1. Aplicações ..................................................................................................... 1 1.2. Objetivos ........................................................................................................ 3 1.3. Trem-Tipo ...................................................................................................... 4 1.4. Definição ......................................................................................................... 6 1.5. Vigas .............................................................................................................. 8 1.6. Treliças ........................................................................................................ 12 2. Deslocamentos em Estruturas 2.1. Introdução .................................................................................................... 14 2.2. Causas ......................................................................................................... 14 2.3. Métodos de Análise ..................................................................................... 17 2.4. Método da Integração Dupla ........................................................................ 17 2.5. Método da Viga Conjugada .......................................................................... 23 2.6. Método do Trabalho Virtual .......................................................................... 29 2.7. Treliças: Aplicação do Princípio do Trabalho Virtual .................................... 33 2.7. Vigas e Pórticos: Aplicação do Princípio do Trabalho Virtual ....................... 41 Referências Bibliográficas ................................................................................. 59 1. 1. LINHAS DE INFLUÊNCIALINHAS DE INFLUÊNCIA a. Pontes em vigas Teoria das Estruturas I 1 b. Pontes treliçadas 1.1. APLICAÇÕES LINHAS DE INFLUÊNCIA c. Pontes rolantes d. Pontes rodoviária e ferroviária Ponte rodoviária Ponte ferroviária Teoria das Estruturas I 2 Teoria das Estruturas I 3 1.2. OBJETIVOS LINHAS DE INFLUÊNCIA Barreira Lateral Vigas Principais Veículo Tipo Faixa Secundária Faixa Principal 15 tf15 tf 15 tf 0,5 tf/m2 0,5 tf/m2 0,5 tf/m2 6,63,1 12,8 3,1 Projeto q = 3,57 tf/m 14,88 tf 14,88 tf 14,88 tf 1,5 m 1,5 m Anteprojeto q = 3,57 tf/m 44,64 tf Teoria das Estruturas I 4 1.3. TREM-TIPO LINHAS DE INFLUÊNCIA b a rre ira la te ra l 2 0 ,5 tf/m 0 ,5 tf/m0 ,5 tf/m 1 5 tf 1 5 tf 1 5 tf 2 22 1 0 Projeto q = 5 tf/m 12 tf 12 tf 12 tf 1,5 m 1,5 m Anteprojeto q = 5 tf/m 36 tf VP1 VP2 VP3 4 4 10 tf 10 tf 10 tf 0,5 tf/m 0,5 tf/m0,5 tf/m2 2 2 4 4 q = 2,48 tf/m 7 tf 7 tf 7 tf 1,5 m 1,5 m q = 2,48 tf/m 21 tf Projeto Anteprojeto Teoria das Estruturas I 5 LINHAS DE INFLUÊNCIA P = 1 Exemplo: rótula P = 1 A s B -- +a b • Ms = a → P = 1 em A • Ms = - b → P = 1 em B Observações: Fases de Solução do Problema:Fases de Solução do Problema: Teoria das Estruturas I 6 Linha de influência de um efeito elástico em uma dada seção S é a representação gráfica ou analítica do valor desse efeito, naquela seção S, produzido por uma carga unitária, de cima para baixo, que percorre a estrutura. 1.4. DEFINIÇÃO LINHAS DE INFLUÊNCIA � A seção e o efeito estudados são fixos, a posição da carga é que varia. � Não confundir: linha de influência x diagrama solicitante. � Efeitos elásticos: momento fletor, esforço cortante, reação de apoio e deformação (flecha). � Considerar válido o Princípio da Superposição dos Efeitos. 2a FASE: Dada a estrutura, o efeito elástico E e a seção S, obter a linha de influência. 1a FASE: Definida a classe da ponte e as plantas arquitetônicas, obter o trem-tipo. 3a FASE: Conhecidos o trem-tipo e a linha de influência, obter os efeitos devido a esse trem-tipo. Sejam os exemplos: P1 P2 Pi Pn η 2 η1 η i η n LIEs n s i i i 1 E P = = η∑ ( Princípio da superposição dos efeitos) LIEs η q a b dz qdz A i ( Princípio da superposição dos efeitos) b s i a b s i a b s i a E (qdz) , ou seja, E q dz E qA, pois A dz = η = η ∴ = = η ∫ ∫ ∫ Teoria das Estruturas I 7 a. TREM-TIPO formado apenas por CARGAS CONCENTRADAS b. TREM-TIPO formado apenas por CARGAS DISTRIBUÍDAS LINHAS DE INFLUÊNCIA c. CASO GERAL (superposição dos casos 1 e 2) n s i i i 1 E P q A = = η +∑ ( Princípio da superposição dos efeitos) q tf/m P tf P tf P tf 1,5 m 1,5 m q tf/m Observações: a. Viga Engastada-livre s P = 1 z A x L • Reações de apoio • Esforços simples L Efeitos Elásticos Teoria das Estruturas I 8 ►Os princípios estudados até aqui são válidos para estruturas isostáticas e hiperestáticas. ► É fácil verificar que as unidades das linhas de influência de momentos fletores são unidades de comprimento, e que as linhas de influência de esforços cortantes, normais e reações de apoio são adimensionais.esforços cortantes, normais e reações de apoio são adimensionais. 1.5. VIGAS LINHAS DE INFLUÊNCIA • Reações de Apoio Representação Analítica Representação gráfica s P = 1 z A x L Representação Analítica RA = + 1 MA = - z Representação gráfica LIRA LIMA A +1+1 + A - L 45o L • Esforços Simples Representação Analítica Representação gráfica s P = 1 z A x L LIVS LIMS Vs = 0, para z < x +1,para z > x A x s - 45o (L - x) A +1 +1+ x s Ms = 0, para z ≤ x - (z - x), para z > x Teoria das Estruturas I 9 LINHAS DE INFLUÊNCIA b. Viga Simplesmente Apoiada s P = 1 z A x L B L • Reações de apoio • Esforços simples Efeitos Elásticos • Reações de Apoio Representação Analítica Representação gráfica s P = 1 z A x L B RA = + (L - z)/L RB = z/L LIRA LIRB BA + 1 BA + 1 Teoria das Estruturas I 10 LINHAS DE INFLUÊNCIA • Esforços Simples Representação Analítica Representação gráfica LIVSVs = -z/L (= - RB), para z < x -+ (L - z)/L (= RA), para z > x BA 1 1 s- + LIMS -+ (L - z)/L (= RA), para z > x 1 sA B x L - x ++ Ms = z/L (L - x) , para z ≤ x (L - z) x/L , para z > x • No estudo das L.I. de esforços simples, devemos sempre examinar separadamente as possibilidades da carga unitária estar à esquerda ou à direita da seção em estudo. • A L.I. de esforço cortante numa seção apresenta sempre uma descontinuidade igual a 1 nessa seção, conforme verificado nos casos já analisados. Observações: Teoria das Estruturas I 11 LINHAS DE INFLUÊNCIA Pontes rodoviárias e ferroviárias Pontes rodoviárias e ferroviárias; pontes rolantes Teoria das Estruturas I 12 1.6. TRELIÇAS LINHAS DE INFLUÊNCIA Aplicações: 1. Obtenha a linha de influência do esforço normal na barra GB da ponte treliçada mostrada na figura a seguir. 2. Obtenha a linha de influência do esforço normal na barra GC da ponte treliçada mostrada na figura abaixo. Teoria das Estruturas I 13 3. Determine o máximo esforço normal que pode ser desenvolvido na barra BC da ponte treliçada mostrada a seguir, devido a uma carga acidental concentrada de 20 k e uma acidental uniformemente distribuída de 0,6 k/ft. LINHAS DE INFLUÊNCIA 2. DESLOCAMENTOS EM2. DESLOCAMENTOS EM ESTRUTURAS a. Possíveis causas dos deslocamentos (flechas e rotações) nas estruturas: � Cargas � Temperatura � Erros de fabricação � Erros de montagem b. Importância da avaliação dos deslocamentos nas estruturas: � Projeto: os deslocamentos devem ser pequenos no sentido de se evitar fissuras e fraturas (concreto, plástico, madeira, etc). � Conforto: pequenas vibrações e deflexões. � Método das Forças: estruturas estaticamente indeterminadas (fundamentos baseados no método do trabalhovirtual – método da carga unitária). a. Carregamento: peso próprio + sobrecarga + acidental Teoria das Estruturas I 14 2.1. INTRODUÇÃO 2.2. CAUSAS DESLOCAMENTOS Teoria das Estruturas I 15 b. Temperatura Teoria das Estruturas I 16 DESLOCAMENTOS 1. Método da Integração-Dupla 2. Método da Viga-Conjugada 3. Método do Trabalho Virtual (Método da Carga Unitária) a. Equações Básicas Hipóteses: • Euler-Bernoulli • Lei de Hooke • Pequenos deslocamentos e rotações M θ = Tem-se: (1) M d dx EI θ = sendo M o momento atuante na seção, E o módulo de elasticidade do material e I o momento de inércia da seção. Mas, dx dθ = ρ Teoria das Estruturas I 17 2.3. MÉTODOS DE ANÁLISE 2.3.1. Método da Integração-Dupla2.3.1. Método da Integração-Dupla DESLOCAMENTOS (2) Então: ( ) 2 2 3 / 22 1 M 1 d v dx EI 1 dv dx = ∴ = ρ ρ + onde v é a deflexão da viga. ( ) 2 2 3 / 22 M d v dx EI 1 dv dx = + (3) 2 2 d v EI M dx = Condições de contorno e continuidade: Teoria das Estruturas I 18 2 2 d v M EIdx = DESLOCAMENTOS b. Procedimento de Análise 1. Curva Elástica 2. Avaliação da Função Momento � Em cada região que existe uma coordenada x, defina a expressão do momento M como uma função de x. � Sempre assuma que M atua na direção positiva quando aplicar a equação de equilíbrio do momento. 3. Deflexão e Rotação � Para cada integração inclua uma constante de integração. � Essas constantes são avaliadas através das condições de bordo e continuidade. Teoria das Estruturas I 19 � Desenhe a configuração deformada da viga (forma exagerada). � Estabeleça as coordenadas x e v. � O(s) sistema(s) x(x´s) deve(m) ser paralelo(s) à viga indeformada. � No caso de cargas descontínuas, estabeleça coordenadas x´s válidas em cada região da viga entre as descontinuidades.região da viga entre as descontinuidades. � O eixo positivo da deflexão v normalmente é direcionado para cima. DESLOCAMENTOS � Aplique a equação , que requer duas integrações.)x(Mdx/vdEI 22 = c. Aplicações Problema 1: Para a viga mostrada abaixo, submetida a um momento M0 na sua extremidade, obtenha a curva elástica. Solução: i. Curva elástica (desenho aproximado) ii. Avaliação da função momento (diagrama de corpo livre) 0M M= Aplique a equação iii. Deflexão e Rotação )x(Mdx/vdEI 22 = 22 0 0 0 1 1 22 M xd v dv EI M EI M x C EIv C x C dx 2dx = ∴ = + ∴ = + + Condições de contorno: 1 2 x 0 : dv / dx 0 C 0 x 0 : v 0 C 0 = = → = = = → = Teoria das Estruturas I 20 DESLOCAMENTOS Ou seja: 0M x EI θ = 2 0M xv 2EI = Problema 2: Para a viga mostrada a seguir, pede-se avaliar o deslocamento vertical do ponto C. Solução: i. Curva elástica (desenho aproximado) e definição do sistema de coordenadas: ii. Avaliação da função momento (diagrama de corpo livre): Trecho x1: 1 1 P M x 2 = − Trecho x2: 2 2 2 2 P 3P M x (x 2a) Px 3Pa 2 2 = − + − = − Teoria das Estruturas I 21 DESLOCAMENTOS A B C P vC x1 x2 2a a x2 M2 2a x2 P/2 3P/2 A B C Aplique a equação iii. Deflexão e rotação )x(Mdx/vdEI 22 = Trecho x1: 2 2 31 1 1 1 1 1 1 1 22 11 d v dvP P P EI x EI x C EIv x C x C 2 dx 4 12dx = − ∴ = − + ∴ = − + + Trecho x2: 2 22 2 2 2 2 32 22 d v dv P EI Px 3Pa EI x 3Pax C dx 2dx = − ∴ = − + 3 2 2 2 2 3 2 4 P 3 EIv x Pax C x C 6 2 = − + + Condições de contorno: 1 1Em x 0, v 0= = 20 0 0 C= + +∴ 1 1Em x 2a, v 0= = 3 1 2 P 0 (2a) C (2a) C 12 = − + +∴ 2 2Em x 2a, v 0= = 3 2 3 4 P 3 0 (2a) Pa(2a) C (2a) C 6 2 = − + +∴ 1 2 1 2 dv (2a) dv (2a) dx dx = 2 21 3 P P (2a) C (2a) 3Pa(2a) C 4 2 − + = − +∴ 1 2 Solução do sistema: 2 2 3 1 2 3 4 1 10 C Pa ; C 0; C Pa e C 2Pa 3 3 = = = = − Para o trecho x2 (v2): Finalmente, fazendo x2 = 3a: 2 3 3 2 2 2 2 2 P 3 Pa 10 Pa Pa v x x x 2 6EI 2 EI 3 EI EI = − + − 3 C Pa v EI = − Teoria das Estruturas I 22 DESLOCAMENTOS a. Considerações Iniciais • Idealizado por Otto Mohr em 1860. • Base do método: princípios da estática. 1. Esforço Cortante <=> Rotação 2. Momento Fletor <=> Deslocamento dV w dx = − d M dx EI θ = 2. Momento Fletor <=> Deslocamento 2 2 d M w dx = − 2 2 d y M EIdx = • Integrando... 1. Esforço Cortante <=> Rotação V wdx= −∫ M dx EI θ = − ∫ 2. Momento Fletor <=> Deslocamento M wdx dx = − ∫ ∫ My dxdx EI = ∫ ∫ Teoria das Estruturas I 23 2.3.2. Método da Viga-Conjugada • Base do método: similaridade entre as equações: DESLOCAMENTOS Viga Real Viga-Conjugada b. Viga Conjugada Teorema 1: A inclinação de um ponto na viga real é igual ao esforço cortante no mesmo ponto da viga-conjugada correspondente. Teorema 2: O deslocamento de um ponto na viga real é igual ao momento fletor no mesmo ponto da viga-conjugada correspondente. c. Condições de apoio (viga conjugada) Viga Real Viga Conjugada θ ∆ = 0 V M = 0 θ ∆ = 0 V M = 0 pin pin roller roller θ = 0 ∆ = 0 V = 0 M = 0 θ ∆ V M θ ∆ = 0 V M = 0 θ ∆ = 0 V M = 0 θ ∆ V M fixed fixed free free hinge hinge hinge roller internal pin internal roller Teoria das Estruturas I 24 DESLOCAMENTOS Viga Real Viga Conjugada 1. Viga-Conjugada � Desenhe a viga-conjugada para a viga real. � A viga-conjugada deve ter o mesmo comprimento da viga real. � Se um apoio na viga real permite uma inclinação, o apoio correspondente na viga-conjugada deverá desenvolver um esforço cortante. d. Procedimento de análise na viga-conjugada deverá desenvolver um esforço cortante. � Se um apoio na viga real permite um deslocamento, o apoio correspondente na viga-conjugada deverá desenvolver um momento fletor. � A viga-conjugada é carregada com o diagrama M/EI da viga real. � Esse carregamento é assumido ser distribuído sobre a viga conjugada e é direcionado para cima quando M/EI é positivo e é direcionado para baixo quando M/EI é negativo. 2. Equilíbrio � Avalie as reações nos apoios da viga-conjugada. � Se esses valores são positivos, a inclinação acontece no sentido contrário ao do ponteiro do relógio e o deslocamento é para cima . Teoria das Estruturas I 25 � Usando as equações de equilíbrio, avalie o esforço cortante (V’) ou o momento fletor (M’) na viga conjugada onde a inclinação (θθθθ) ou o deslocamento (∆∆∆∆) deve ser determinado na viga real. DESLOCAMENTOS e. Aplicações Problema 1. Determine a inclinação e o deslocamento no ponto B da viga metálica mostrada na figura abaixo. As reações já foram calculadas. Assuma: E = 29 (103) ksi e I = 800 in4. Solução: i. Viga-Conjugada ii. Equilíbrio da viga-conjugada Diagrama de corpo-livre: 2 y B' 562.5 k ft F 0 V 0 EI ⋅ + ↓ = ∴ + =∑ 2 2 B B' 3 2 2 2 4 4 4 4 562.5 k ft 562.5 k ft V EI 29(10 ) k/in (144 in /ft ) 800 in (1 ft 12 in ) ⋅ ⋅ θ = = − = ⋅ ⋅ ⋅ B B'V 0.00349 radθ = = − Teoria das Estruturas I 26 DESLOCAMENTOS A B75 kft 5 k 5 k 15 ft15 ft 15 ft 15 ft B’ 75/(EI) 25 ft5 ft VB’ MB’ 562.5/(EI) A’ 3 3 B B' 3 2 2 2 4 4 4 4 14062.5 k ft 14062.5 k ft M EI 29(10 ) k/in (144 in /ft ) 800 in (1 ft 12 in ) ⋅ ⋅ ∆ = = − = ⋅ ⋅ ⋅ B B'M 0.0876 ft 1.05 in∆ = = − = − ( ) 2 B ' B ' 562.5 k ft M 0 M 025 ft EI ⋅ + = ∴ + =∑ Problema 2: Determine a deflexão máxima da viga metálica mostrada na figura abaixo. As reações já foram calculadas. Assuma: E = 200 GPa e I = 60 (106) mm4. Solução: i. Viga-Conjugada Teoria das Estruturas I 27 DESLOCAMENTOS ∆B = -14062.5/(EI) θB = -562.5/(EI)B A A 9 m 8 kN 3 m B 9 m 2 kN 6 kN 3 m A’ B’ 18/(EI) 9 m 3 m ii. Equilíbrio da viga-conjugada Diagrama de corpo-livre: y 45 1 2xF 0 x 0 x 6.71 m (0 x 9 m) OK EI 2 EI + ↓ = ∴− + = ∴ = ≤ < ∑ Usando esse valor de x: ( ) 45 1 12(6.71) M 0 (6.71) 6.71 M ' 06.71 EI 2 3EI + = ∴ − + − = ∑ Teoria das Estruturas I 28 DESLOCAMENTOS 81/EI 27/EI 18 2xx = EI EI9 45/EI 63/EI 45/EI V = 0 M’ 3 3 máx 6 4 4 3 4 46 2 201.2 kNm 201.2 kNm M' EI 60(10 ) mm (1 m (10 ) mm200(10 ) kN/m 0.0168m 16.8 mm − ∆ = = − = = = − = − Análise: A deflexão máxima da viga real ocorre no ponto onde a inclinação é nula. Portanto, nesse mesmo ponto, o esforço cortante é nulo na viga conjugada. Assim: a. Considerações Iniciais • Métodos anteriores: eficientes para vigas submetidas a carregamentos simples. • Métodos energéticos: eficientes para vigas, treliças e pórticos sujeitos a carregamentos quaisquer. • Base dos métodos energéticos: Princípio da Conservação de Energia• Base dos métodos energéticos: Princípio da Conservação de Energia e iU U= onde: Ue : trabalho realizado pelas forças que atuam na estrutura. Ui : trabalho interno (energia de deformação) armazenado quando a estrutura se deforma. b. Fundamentos Trabalho Externo: Força P ∆= P 2 1 Ue Trabalho Externo: Força P (aplicada primeiro) + Força P’ Teoria das Estruturas I 29 2.3.3. Método do Trabalho Virtual (Método da Carga Unitária) DESLOCAMENTOS ''' e F 2 1 PP 2 1 U ∆+∆+∆= Trabalho Externo: Momento M Trabalho Externo: Momento M (aplicado primeiro) + Momento M’ θ= M 2 1 Ue Trabalho Externo: Momento M (aplicado primeiro) + Momento M’ ''' e M2 1 MM 2 1 U θ+θ+θ= Trabalho Interno (Energia de Deformação): Força Axial S � Material elástico linear � Lei de Hooke: σ = Eε � Deformação: ε = ∆/L � Tensão: σ = S/A Hipóteses: Deslocamento ∆: AE SL =∆ Trabalho Interno: AE2 LS S 2 1 U 2 i =∆= Teoria das Estruturas I 30 DESLOCAMENTOS Trabalho Interno (Energia de Deformação): Flexão (Momento Fletor M) Rotação dθ (elemento diferencial): dx EI M d =θ Trabalho Interno:Trabalho Interno: dx EI2 M U L 0 2 i ∫= c. Princípio da Conservação da Energia Nesse caso: ∆= P 2 1 Ue ∆= P2 Ue EI LP 6 1 dx EI2 )Px( dx EI2 M U 32L 0 2L 0 2 i = − == ∫∫ ie UU =Como, : 2 3 31 1 P L 1 PL P 2 6 E I 3 E I ∆ = ∴ ∆ = Teoria das Estruturas I 31 DESLOCAMENTOS i 1 dU Md 2 = θ d. Princípio do Trabalho Virtual (PTV) )TVCI()TVCE( uP δ=∆ ∑∑ Princípio do Trabalho Virtual (PTV): 1 u dL (TVCE) (TVCI) × ∆ =∑ Teoria das Estruturas I 32 • Baseado no princípio da conservação de energia: Ue = Ui . • Foi desenvolvido por John Bernoulli em 1717. • Conhecido também como o Método da Carga Unitária. • Considere uma estrutura deformável submetida a uma série de cargas P que irão causar o aparecimento de forças internas u ao longo de toda a estrutura. Essas forças estão relacionadas por Equações de Equilíbrio. • Considere também que deslocamentos externos ∆∆∆∆ irão acontecer nos locais de aplicação das cargas P e deslocamentos internos δδδδ irão ocorrer nos locais da forças internas u. Esses deslocamentos não precisam ser elásticos, podem não ser relacionados com as cargas, e ∆∆∆∆ e δδδδ estão relacionados por Equações de Compatibilidade. • Princípio do Trabalho Virtual (PTV): Considere: Cargas reais P1, P2 e P3 aplicadas na estrutura (deseja-se avaliar ∆∆∆∆).∆ Considere agora a carga virtual P’ = 1 aplicada na direção de ∆∆∆∆Considere agora a carga virtual P’ = 1 aplicada na direção de ∆∆∆∆.. DESLOCAMENTOS P1 P2 P3 ∆ P’ = 1 A a. Efeito: Carregamento externo onde: Expressão Geral: dLn1 ∑=∆× nNL 1 AE × ∆ =∑ onde: n = forças normais virtuais atuantes nas barras causadas pela força unitária ∆ = deslocamento a ser avaliado causado pelas forças externas reais N = forças normais reais atuantes nas barras causadas pelas forças externas reais L = comprimento de uma barra A = área da seção transversal de uma barra E = módulo de elasticidade Teoria das Estruturas I 33 dLu1 ∑=θ× Forças virtuais dLu1 θ∑=θ× Deslocamentos reais 1 = força virtual unitária aplicada na direção de ∆ Se a rotação θ em um determinado ponto da estrutura é para ser determinada, um momento fletor virtual de magnitude unitária (M’ = 1) é aplicado nesse ponto. Como conseqüência da aplicação de M’ = 1 na estrutura, forças internas u θθθθ aparecerão no sistema. Assim, o PTV pode ser escrito como: 2.4. TRELIÇAS: Aplicação do Princípio do Trabalho Virtual DESLOCAMENTOS b. Efeito: Temperatura Expressão Geral: dLn1 ∑=∆× onde: n = forças normais virtuais atuantes nas barras causadas pela força unitária ∆ = deslocamento a ser avaliado causado pela mudança de temperatura α = coeficiente de dilatação térmica (depende do material) L = comprimento de uma barra ∆T = variação de temperatura da barra c. Efeito: Erros de fabricação e montagem Expressão Geral: dLn1 ∑=∆× Ln1 ∆=∆× ∑ n = forças normais virtuais atuantes nas barras causadas pela força unitária ∆ = deslocamento a ser avaliado causado pelo erro de fabricação e montagem ∆L = diferença de comprimento da barra (comprimento projetado – comprimento observado após a montagem ou fabricação da peça) onde: Teoria das Estruturas I 34 1 = força virtual unitária aplicada na direção de ∆ 1 = força virtual unitária aplicada na direção de ∆ DESLOCAMENTOS LTn1 ∆α=∆× ∑ d. Procedimento de análise 1. Forças Normais Virtuais n • Coloque a força unitária na junta e na direção do deslocamento que se deseja determinar. • Resolva a treliça para essa carga unitária atuante (método das juntas ou seções). • Assuma as forças normais de tração como positivas. • Assuma as forças normais de tração como positivas. 2. Forças Normais Reais N • Resolva a treliça para as forças externas reais atuantes (método das juntas ou seções). • Assuma as forças normais de tração como positivas. 3. Equação do Trabalho Virtual LnLTn AE NL n1 ∆+∆α+=∆× ∑∑∑ Teoria das Estruturas I 35 • Aplique a equação do trabalho virtual para determinar o deslocamento desejado. • Mantenha o sinal de u e N obtidos nos passos anteriores. • No caso de atuar simultaneamente forças externas, temperatura e erros de fabricação: DESLOCAMENTOS e. Aplicações Problema 1: Determine o deslocamento vertical do ponto C da treliça metálica mostrada na figura abaixo. Considere: E = 29 (103) ksi e A = 0.5 in2. Solução: i. Avaliação dos esforços normais virtuais n (P = 1 posicionada na junta C e na direção do deslocamento vertical procurado) ii. Avaliação dos esforços normais reais N (forças externas reais atuantes) Teoria das Estruturas I 36 DESLOCAMENTOS B C D EF 10 ft A 10 ft 4 k B 4 k C D 10 ft 10 ft + 0.333 k + 0.667 k + 0.667 k 0.667 k1 k0.333 k - 0.333 k + 0 .3 3 3 k + 1 k C - 4 k + 4 k + 4 k + 4 k 4 k4 k4 k4 k + 4 k + 4 k 0 iii. Aplicação da equação do PTV: ∑=∆× AE NL n1 Membro n (k) N (k) L (ft) nNL (k2.ft) AB BC CD DE FE EB 0.333 0.667 0.667 -0.943 -0.333 -0.471 4 4 4 -5.66 -4 0 10 10 10 14.14 10 14.14 13.33 26.67 26.67 75.47 13.33 0EB BF AF CE -0.471 0.333 -0.471 1.000 0 4 -5.66 4 14.14 10 14.14 10 0 13.33 37.70 40 Σ 246.50 Assim: Teoria das Estruturas I 37 Problema 2: Considere para a treliça mostrada abaixo, cada barra com E = 200 GPa e A = 400 mm2. Pede-se: a. O deslocamento vertical no ponto C se uma força horizontal de 4 kN for aplicada nesse mesmo ponto. b. Se nenhuma carga for aplicada, qual seria o deslocamento vertical em C se a barra AB for 5 mm menor do que o tamanho definido em projeto? DESLOCAMENTOS A 5 m B 4 kN C 4 m 4 m 3 m 5 m v 2 2 C 2 3 2 nNL 246.50 k ft (246.50 k ft)(12 in/ft) 1k AE AE (0.5 in )(29(10 ) k/in ) ⋅ ⋅ ⋅ ∆ = = =∑ vC 0.204 in∴∆ = Solução: a. i. Avaliação dos esforços normais virtuais n (P = 1 posicionada na junta C e na direção do deslocamento vertical procurado): ii. Avaliação dos esforços normais reais N (forças externas reais atuantes): iii. Aplicação da equação do PTV: ∑=∆× AE NL n1 Membro n (k) N (k) L (ft) nNL (k2.ft) AB AC CB 0.667 -0.833 -0.833 2 2.5 -2.5 8 5 5 10.67 -10.41 10.41 Σ 10.67Σ 10.67 Assim: Teoria das Estruturas I 38 DESLOCAMENTOS v 2 2 C -6 2 6 2 nNL 10.67 kN m (10.67 kN m) 1kN AE AE 400(10 ) m (200(10 ) kN/m ) ⋅ ⋅ ⋅ ∆ = = =∑ vC 0.133 mm∆ = b. i. Avaliação dos esforços normais virtuais n (P = 1 posicionada na junta C e na direção do deslocamento vertical procurado): ii. Noteque apenas a barra AB é deformada (tem o tamanho diferente daquele de projeto): iii. Aplicação da equação do PTV (no caso: erro de fabricação ou montagem): 1 n L× ∆ = ∆∑ No caso: vC 1 (0.667kN)( 0.005m)× ∆ = − vC 0.00333 m 3.33 mm∆ = − = − Teoria das Estruturas I 39 DESLOCAMENTOS m005.0LAB −=∆ Problema 3: Determine o deslocamento vertical do ponto C da treliça metálica mostrada na figura abaixo. Devido ao calor radiante da parede, a barra AD é submetida a um aumento da temperatura de ∆T = +120º F. Considere: E = 29 (103) ksi e α = 0.6 (10-5)/oF. A seção A de todas as barras é indicada na figura. i. Avaliação dos esforços normais virtuais n (P = 1 posicionada na junta C e na direção do deslocamento vertical procurado): ii. Avaliação dos esforços normais reais N (forças externas reais atuantes): Teoria das Estruturas I 40 DESLOCAMENTOS 6 ft A B 60 k C 8 ft D 80 k 6 ft parede 2 in2 2 in2 2 in2 2 in2 1.5 in2 iii. Aplicação da equação do PTV (efeitos: forças externas + temperatura, barra AD): vC NL 1 n n T L AE × ∆ = + α ∆ =∑ ∑ 3 3 3 5 (0.75)(120)(6)(12) (1)(80)(8)(12) ( 1.25)( 100)(10)(12) 2 2 1.529(10 ) 29(10 ) 29(10 ) (1) (120)(8)(12)0.6(10 )− − − = + + + + temperatura, barra AD in658.0 vC =∆ temperatura, barra AD Expressão Geral: dx EI mM 1 L 0 ∫=∆× Objetivo: avaliar o deslocamento ∆ onde: 1 = força unitária externa virtual aplicada na viga ou pórtico na direção de ∆ m = momento interno virtual (função de x) na viga ou pórtico, causado pela força unitária externa virtual Teoria das Estruturas I 41 a. Energia de Deformação Virtual: Momento Fletor 2.5. VIGAS E PÓRTICOS: Aplicação do Princípio do Trabalho Virtual DESLOCAMENTOS Cargas reais Cargas virtuais ∆ = deslocamento a ser avaliado causado pelas forças externas reais M = momento interno (função de x) na viga ou pórtico causado pelas forças externas reais E = módulo de elasticidade I = momento de inércia da seção transversal da barra L = comprimento da barra Expressão Geral: Objetivo: avaliar o deslocamento θ dx EI Mm 1 L 0 ∫ θ=θ× onde: 1 = força unitária externa virtual aplicada na viga ou pórtico na direção de θ m = momento interno virtual (função de x) na viga ou pórtico, causado pelo momento unitária externo virtualmomento unitária externo virtual θ = rotação a ser avaliada causada pelas forças externas reais M = momento interno (função de x) na viga ou pórtico causado pelas forças externas reais E = módulo de elasticidade I = momento de inércia da seção transversal da barra L = comprimento da barra Teoria das Estruturas I 42 DESLOCAMENTOS Solução 1: Escolher coordenadas x`s para aquelas regiões que não apresentam descontinuidade no carregamento e avaliar a integral para cada região. ∫ dx)EI/mM( Avaliação de L 0 mm' dx∫ Teoria das Estruturas I 43 L 0 mm' dx∫ mm'L 1 mm'L 2 ( )' '1 2 1 m Lm m 2 + 2 mm'L 3 1 mm'L 2 1 mm'L 3 ( )' '1 2 1 m Lm 2m 6 + 5 mm'L 12 ( )1 2 1 m' Lm m 2 + ( )1 2 1 m' Lm 2m 6 + ( )'1 1 21 6 m 2m m ++ ( )'2 1 2m Lm 2m + + ( )1 2 1 m' L3m 5m 12 + 1 mm'L 2 1 mm'L 2 ( ) 1 mm' L a 6 + 1 mm'L 6 ( )' '1 2 1 m L2m m 6 + 1 mm'L 4 ( )' 1 1 1 6m m L b ++ ( ) 2m L a + + 2 2 1 3a a mm' 3 L 12 L L + − DESLOCAMENTOS Casos Cargas reais Cargas virtuais • Forças ou momentos concentrados atuantes • Carga distribuídas descontínuas atuantes Solução 2: Forma TABULAR (Método TABULAR) Os diagramas de momentos são avaliados (cargas reais e virtuais). Os diagramas para m e M são comparados com aqueles da tabela e assim a integral pode ser determinada através de fórmula apropriada.∫ dx)mM( Procedimento de Análise 1. Momentos Virtuais m ou mθ � Aplique a força unitária na viga ou pórtico na direção do deslocamento que se deseja determinar. � Caso se deseje determinar a rotação de um ponto, deve-se aplicar um momento unitário nesse ponto. � Estabeleça de forma apropriada as coordenadas x`s (objetivo: evitar� Estabeleça de forma apropriada as coordenadas x`s (objetivo: evitar descontinuidade do carregamento). � Resolva a viga ou pórtico para essa força ou momento unitário atuante (obtenha os momentos internos m ou mθ). 2. Momentos Reais M � Usando as mesmas coordenadas x`s usadas para avaliar m ou mθ, calcule os momentos internos M causados pelas forças reais atuantes. � Assuma a mesma convenção de sinal da etapa anterior. 3. Equação do Trabalho Virtual � Aplique a equação do trabalho virtual para determinar. � O deslocamento ou a rotação desejada. � Mantenha o sinal de m (ou mθθθθ) e M obtidos nos passos anteriores. ∑∫=∆× dxEI mM 1 ∑∫ θ=θ× dxEI Mm 1ou AplicaçõesAplicações Problema 1: Determine o deslocamento do ponto B da viga metálica mostrada abaixo. Considere: E = 200 GPa e I = 500 (106) mm4. Teoria das Estruturas I 44 DESLOCAMENTOS A B 12 kN/m 10 m Solução: i. Avaliação do momento virtual m ii. Avaliação do momento real M iii. Aplicação da equação do PTV dx EI mM 1 L 0 B ∫=∆× ( )( ) 10 2 B 0 1x 6x1 dx EI − −×∆ = ∴∫ ( )3 2 3 B 15 10 kN m 1 kN EI ×∆ = ( ) ( ) ( ) ( ) 3 3 B 6 2 6 4 12 4 4 15 10 kNm 0.150 m 150 mm 200 10 kN/m 500(10 ) mm 10 m /mm− ∆ = = = Problema 2: Determine a inclinação θ no ponto B da viga metálica mostrada abaixo. Considere: E = 200 GPa e I = 60 (106) mm4. Teoria das Estruturas I 45 DESLOCAMENTOS xm −= 10 m 1 kN A B x 1 kN xv 2x6M −=A B 12 kN/m 10 m x x/2 12x xV A B 3 kN 5 m 5 m C Solução: i. Avaliação do momento virtual mθθθθ ii. Avaliação do momento real M iii. Aplicação da equação do PTV ( )( ) ( ) ( )5 10L 21 B 1 2 0 0 5 3 5 x3x 1m M 0 1 dx dx dx EI EI EI θ − +− × θ = = +∫ ∫ ∫ 2 B 112.5 kNm EI − θ = Observação: Método Tabular 1. Construção dos diagramas: Teoria das Estruturas I 46 DESLOCAMENTOS 1 m 0θ = 2 m 1θ = A B C 1 kNm x1 x2 5 m x2 x1 1 kNm v2 v1 1 1M 3x= − ( )2 2M 3 5 x= − + A B 3 kN C x1 x2 x1 x2 3 kN V2 V1 3 kN x2 M (kNm)m (kNm) x (m) x (m) 5 10 1 5 10 -15-15 -30 B B 2. Da apropriada linha e coluna da tabela: ( ) ( )( )( ) 10 2 3 1 2 5 1 1 m Mdx m L 112.5 kN mM M 15 30 51 2 2θ = = = −+ − −∫ Assim: ( ) 2 2 B 6 2 12 4 46 4 112.5 kN m 0.00938 rad1 kNm 200(10 ) kN/m (10 m /mm )60(10 ) mm − − × θ = = − Que é o mesmo valor obtido anteriormente. 200(10 ) kN/m (10 m /mm )60(10 ) mm Problema 3: Determine o deslocamento vertical no ponto D da viga metálica a seguir. Considere: E = 29(103) ksi e I = 800 in4. Solução: i. Avaliação do momento virtual m Teoria das Estruturas I 47 DESLOCAMENTOS A B 80 kft C D 6 k 10 ft 10 ft 10 ft 1 k 0.75 k 1.75 k x1x2x3 1 k 1 1m 1x= − 2 2m 0.75x 15= − 3 3m 0.75x= − 1 k v1 x1 x2 1.75 k x2 +15 v2 v3 0.75 k x3 ii. Avaliação do momento real M iii. Aplicação da equação do PTV ( )( ) ( )( ) ( )( )15 10 10L 3 31 2 2 D 1 2 3 0 0 0 0 0.75x 80 1x1x 0 0.75x 15 7xmM 1 dx dx dx dx EI EI EI EI −− − × ∆ = = + +∫ ∫ ∫ ∫ 3 D 0 3500 2750 6250 k ft EI EI EI EI ⋅ ∆ = − − = − ( ) ( ) ( ) 33 3 3 D 3 2 4 6250 k ft 12 in / ft 0.466 in 29 10 k/in 800 in ⋅ ∆ = − = − Teoria das Estruturas I 48 DESLOCAMENTOS 1M 0= 6 k 1 k 7 k x1x2x3 80 kft x1 V1 2 2M 7x= 3 3M 80 1x= − x1 x2 x3 1 V2 V3 80 kft 7 k 1 k Problema 4. Determine a rotação θ no ponto C do pórtico metálico a seguir. Considere: E = 200 GPa e I = 15(106) mm4. Solução: i. Avaliação do momento virtual mθθθθ Barra BC Barra AB Teoria das Estruturas I 49 DESLOCAMENTOS ii. Avaliação do momento real M M 2.5x= − 2M 7.5= 1 1M 2.5x= − iii. Aplicação da equação do PTV ( ) ( ) ( ) ( )3L 2 21 C 1 2 0 0 0 2.5xm M 11.25 15 26.25 KN m1 7.511 dx dx dx EI EI EI EI EI EI θ − ⋅−× θ = = + = + =∫ ∫ ∫ ( ) ( ) ( ) 2 C 6 2 6 4 12 4 4 26.25 KN m 0.00875 rad 200 10 KN/m 16 10 mm 10 m /mm− ⋅ θ = = Problema 5: Determine o deslocamento horizontal no ponto C do pórtico metálico mostrado abaixo.Considere: E = 200 GPa e I = 15(106) mm4. Teoria das Estruturas I 50 DESLOCAMENTOS B 4 k/ft C 8 ft x2 A 4 k/ft 10 ft x1 Solução: i. Avaliação do momento virtual m ii. Avaliação do momento real M Teoria das Estruturas I 51 DESLOCAMENTOS 2 2m 1.25x= 1 k 8 ft x2 1 k n2 v2 1 1m 1x= 8 ft 10 ft x1 1.25 k 1.25 k1.25 k 1 k1 k n1 v1 2 1 1 1M 40x 2x= − 2 2M 25x= 8 ft x2 N2 V2 N1 V1 40 k 25 k 25 k 5 ft 25 k25 k N1 40 k 4x1 40 k 1.25 k iii. Aplicação da equação do PTV ( )( ) ( )( ) h 10 8L 2 1 1 1 2 2 C 1 2 0 0 0 1x 40x 2x 1.25x 25xmM 1 dx dx dx EI EI EI − × ∆ = = +∫ ∫ ∫ h 3 C 8333.3 5333.3 13666.6 k ft EI EI EI ⋅ ∆ = + = Observação: Método TabularObservação: Método Tabular 1. Construção dos diagramas: Força Virtual Força Real 2. Das apropriadas linhas e colunas da tabela: ( )( )( ) ( )( )( ) 2 35 1mMdx 10 200 10 10 200 8 8333.3 5333.3 13666.6 k ft 12 3 = + = + = ⋅∫ Que é o mesmo valor obtido anteriormente. Assim: ( ) ( )( ) ( )( )h 3 C 2 43 2 2 2 4 4 4 13666.7 k ft 0.113 ft 1.36 in 29 10 k / in 12 in / ft 600 in ft / 12 in ⋅ ∆ = = = Teoria das Estruturas I 52 DESLOCAMENTOS 10 kft 10 kft 10 ft 8 ft 10 ft 8 ft 200 kft 200 kft ∑= AE nNL Ua onde: n = forças normais virtuais internas atuantes nas barras causadas pela força externa virtual unitária N = forças normais internas atuantes nas barras causadas pelas forças reais L = comprimento da barra A = área da seção transversal da barra E = módulo de elasticidade do material dx GA V KU L 0 s ∑∫ ν = onde: n = forças cisalhantes virtuais internas atuantes nas barras, expressas como funções de x, causadas pela força externa virtual unitária V = forças cisalhantes internas atuantes nas barras, pressas como funções de x, causadas pelas forças reaisx, causadas pelas forças reais K = fator dependente da forma da seção transversal (K = 1.2 : seção transversal retangular) (K = 10/9 : seção transversal circular) (K = 1.0 : seção transversal I, perfil I) A = área da seção transversal da barra G = módulo de elasticidade transversal do material Teoria das Estruturas I 53 b. Energia de Deformação Virtual: Força Axial (Esforço Normal) c. Energia de Deformação Virtual: Esforço Cortante DESLOCAMENTOS ∑= GJ TLt Ut onde: t = momentos de torção virtuais internos atuantes nas barras causados pela força externa virtual unitária T = momentos de torção internos atuantes nas barras, causados pelas forças reais L = comprimento da barra J = momento de inércia polar da seção transversal (J = πc4/2, onde c é o raio da seção transversal) G = módulo de elasticidade transversal do material Efeito: Diferença de temperatura ao longo da seção transversal do perfil Teoria das Estruturas I 54 d. Energia de Deformação Virtual: Torção d. Energia de Deformação Virtual: Temperatura Efeito: Variação uniforme de temperatura ∆T DESLOCAMENTOS LTnUTemp ∆α=∑ T L ∆α dx c T mU L 0 m Temp ∑∫ ∆α = c dxT d m ∆α =θ dx T1 T2 T1 > T2 T1 T2 c c dx δx δx c c M ∆Tm ∆Tm 1 2 m T T T 2 + = Rotação positiva dθ onde: m = momento virtual interno nas barra causado pela força virtual externa unitária α = coeficiente de dilatação térmica ∆Tm = diferença entre a temperatura média e a temperatura do topo ou base da seção da viga c = metade da altura da seçãoc = metade da altura da seção L = comprimento da barra Aplicações Problema 1: Determine o deslocamento horizontal no ponto C do pórtico metálico mostrado abaixo. Considere: E = 29(103) ksi, G = 12(103) ksi, I = 600 in4, e A = 80 in2 para ambos os membros. Teoria das Estruturas I 55 DESLOCAMENTOS B 4 k/ft C 8 ft x2 A 4 k/ft 10 ft x1 Solução: i. Avaliação do momento virtual m ii. Avaliação do momento real M Teoria das Estruturas I 56 DESLOCAMENTOS 2 2m 1.25x= 1 k 8 ft x2 1 k n2 v2 1 1m 1x= 8 ft 10 ft x1 1.25 k 1.25 k1.25 k 1 k1 k n1 v1 1.25 k 2 1 1 1M 40x 2x= − 2 2M 25x= 8 ft x2 N2 V2 N1 V1 40 k 25 k 25 k 5 ft 25 k25 k N1 40 k 4x1 40 k iii. Aplicação da equação do PTV � Deformação de Flexão: ( ) ( ) ( ) 2 3 3 3 3 b 3 2 4 mM 13666.6 k ft 12 in / ft U dx 1.357 in k EI 29 10 k / in 600 in ⋅ = = = ⋅ ∫ � Deformação Axial: � Deformação Cisalhante: ( )( )( ) ( ) ( )( )( ) ( )a 2 3 2 2 3 2 nNL 1.25k 25k 120 in 1 k 0 96 in U 0.001616 in k AE 80 in 29 10 k / in 80 in 29 10 k / in = = + = ⋅ ∑ ( ) ( ) ( ) 2 3 2 2 540 k ft 12 in / ft 0.00675 in k 12 10 k / in 80 in ⋅ = = ⋅ ( ) ( ) ( )( )10 8L 1 s 1 2 0 0 0 1.2 1 40 4xV 1.2 1.25 25 U K dx dx dx GA GA GA −υ − − = = + = ∫ ∫ ∫ hC 1 k 1.357 in k 0.001616 in k 0.00675 in k× ∆ = ⋅ + ⋅ + ⋅ hC 1.37 in∆ = Problema 2: A viga mostrada abaixo é usada num sistema estrutural sujeito a duas temperaturas diferentes. Se a temperatura do topo da seção é 80º F e a da base é 160º F, determine o deslocamento vertical no meio da viga devido a esse gradiente de temperatura. Considere: α = 6.5(10-6)/oF. Teoria das Estruturas I 57 DESLOCAMENTOS Solução: i. Avaliação do momento virtual m 80º F 160º F 10 ft 10 in 1 m x 2 = 1/2 lb 1/2 lb 1 lb 5 ft 5 ft x x x 1/2 lb v ii. Aplicação da equação do PTV � Temperatura média no centro da viga: F120 2 80160 T o oo m = + = Assim: F4080120T 0oom =−=∆ ( ) ( ) ( ) v 60 inL 6 o o m C 0 0 1 2 6.5 10 F 40 Fm T 1 lb dx 2 dx c 5 in −α∆ × ∆ = =∫ ∫ vC 0.0936 in∆ = Teoria das Estruturas I 58 DESLOCAMENTOS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Teoria das Estruturas I 59 Hibbeler, R.C., Structural Analysis, 7ª edição, Prentice Hall, 2008. Soriano, H.L., Estática das Estruturas, 1ª Edição, Editora Ciência Moderna, 2007. Süssekind, J.C., Curso de Análise Estrutural, Vol. 1, 12ª edição, Editora Globo, Porto Alegre, 1994. Süssekind, J.C., Curso de Análise Estrutural, Vol. 2, 12ª edição, Editora Globo, Porto Alegre, 1994.
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