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MODELAGEM DOS SISTEMAS ESTRUTURAIS
Aula 03: Modelagem de Cabos
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Faculdade de Arquitetura e Urbanismo
Departamento de Estruturas
Maria Betânia de Oliveira
Professora Adjunta
mboufrj.weebly.com
Aula 3 Força. Equilíbrio . Seção Transversal e Centro de gravidade. Tração e Alongamento. Compressão e Encurtamento. Tensão. Deformação. Relação tensão-deformação. Modelagem de Cabos. Ponte Pênsil. Ponte Estaiada. Coberturas Suspensas.
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Objetivos da Aula Entendimento das definições de Força; Equilíbrio; Seção Transversal e Centro de gravidade; Tração e Alongamento; Compressão e Encurtamento; Tensão; Deformação; Relação tensão-deformação. Estudo do comportamento estrutural de estruturas de cabos. Exemplos de modelos de Ponte Pênsil, de Ponte Estaiada e de Coberturas Suspensas.
FORÇA é o efeito das ações na estrutura, causando deformação
ou movimento.
Grandeza vetorial definida pela intensidade, direção e sentido.
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Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Equilíbrio Estático da Estrutura
Forças Externas ATIVAS e REATIVAS
CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO EXTERNO
*Resultante das forças externas é Nula
*Resultante dos Torques, em relação a qualquer ponto, é Nula.
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Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Móbile de Alexander Calder
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MSE 2018.2
Mesmo Peso e mesma Distância ao
Centro de Giro.
Giro não nulo.
Momento de uma Força ou Torque:
mede a tendência à rotação.
Pesos diferentes e Distâncias ao
Centro de Giro diferentes.
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Forças Externas ATIVAS e REATIVAS
Equilíbrio Estático da Estrutura
Modelagem de Cabos MSE 2018.2
UFRJ.FAU.DE
Forças Externas ATIVAS e REATIVAS
Equilíbrio Estático da Estrutura
CONDIÇÕES DE EQUILÍBRIO
*Resultante das forças externas é Nula
*Resultante dos Torques, em relação a qualquer ponto, é Nula.
MSE 2018.2
Equilíbrio Estático da Estrutura
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Forças Externas ATIVAS e REATIVAS.
Modelagem de Cabos MSE 2018.2
A : área da seção transversal da barra.
CG: centróide ou centro de gravidade da seção transversal da barra.
ℓ : comprimento da barra.
Barra: elemento estrutural linear, representado por seu eixo.
Eixo da barra: lugar geométrico que contém todos os centroides.
Seção Transversal
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Centro de Gravidade
CENTRO DE GRAVIDADE (ou baricentro ) de um corpo é o ponto onde pode
ser considerada a aplicação da resultante do seu peso, sem alterar as
condições de equilíbrio.
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p
P
Quando o peso resultante estiver concentrado
no CG e o corpo for apoiado neste ponto, o
mesmo estará em equilíbrio estático.
Os pesos de todas as partes de
um corpo podem ser
substituídos pelo peso resultante
do corpo aplicado no seu Centro
de Gravidade (CG).
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Centro de Gravidade
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Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Compressão Tração
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Encurtamento Alongamento
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Tração Simples ou Axial
Deformação Axial Alongamento
Força normal à seção transversal e aplicada no seu centro
de gravidade - na direção do eixo da barra.
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Tração Simples ou Axial
Deformação Axial Seções se afastam Alongamento
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Tensões Normais de Tração
Nas barras submetidas à tração axial, a força de tração
simples se distribui na seção da barra, provocando
tensões normais de tração uniformes ao longo de toda a
seção.
F F
F
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Diagrama Tensão x Deformação
Ensaio de Tração
DEFORMAÇÃO
Aço para concreto armado
Lei de Hooke → Fase Elástica → Tensões proporcionais às Deformações.
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CABOS
Os cabos são barras que resultam da adequada associação de fios.
Os cabos resistem, apenas a esforços normais de tração.
Os fios são barras com seção muito pequena, assim sendo, resistem apenas à Tração.
FIO
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Fixação
Cabo de Aço
Seção Transversal
Esticadores
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Configuração de equilíbrio dos Cabos e o Funicular
O funicular é o caminho que as forças
percorrem ao longo do cabo até
chegarem aos seus apoios.
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MODELO de
Estrutura
Suspensa.
Elaborado por
alunos de MSE em
2017.1
As diversas formas que o cabo adquire em função do carregamento denominam-se
funiculares das forças que atuam no cabo.
Configuração de equilíbrio dos Cabos e o Funicular
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Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Configuração de equilíbrio dos Cabos e o Funicular
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Oliveira (2015)
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Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Modelagem de Cabos MSE 2018.2
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Ponte Pênsil
Modelagem de Cabos MSE 2018.2
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Ponte Pênsil
Ancoragem Mastro Cabo Principal Pendural Ancoragem
Treliça de rigidez Nível de água
Modelagem de Cabos MSE 2018.2
MODELO
Elaborado pelos alunos de MSE em 2014.1
Ponte Pênsil
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Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Ponte Pênsil de São Vicente
Ponte Pênsil. Ponte Estaiada. Coberturas Suspensas.
A ponte é de um só tramo de 180m entre eixos das
torres, com viga de rigidez em treliça metálica suspensa
pelos cabos de aço. Inaugurada em 21 de maio de
1914.
Óleo sobre tela
Benedito Calixto (1853–1927)
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Construção iniciada em 14 de novembro de 1922. Inaugurada em 13 de maio de 1926.
A ponte possui 821m de comprimento.
O vão central pênsil tem 340m de extensão.
Ponte Pênsil de Florianópolis - Ponte Hercílio Luz
A ponte Hercílio Luz é uma das
maiores pontes pênseis do mundo e a
maior do Brasil.
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Ponte Pênsil no Japão
A ponte Akashi-Kaikyo, Japão. Concluída em 1998 com 3911m de comprimento total e
1991 m de vão central.
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Ponte Pênsil
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Ponte Estaiada
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Ponte Estaiada
Ancoragem Mastro Mastro Ancoragem
Estais Estais
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A ponte estaiada sobre o rio Paranaíba, com 660m de extensão.
Situada na divisa dos municípios de Carneirinho (MG) e Porto Alencastro (MS).
Inaugurada em 11 de outubro de 2003, a construção foi iniciada em 1988 e teve três
paralisações.
Ponte Estaiada – Ponte de Porto Alencastro
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Ponte Estaiada
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Similar às Pontes Suspensas (pontes pênsil e estaiada)
Coberturas Suspensas
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SISTEMA ESTRUTURAL SUSPENSO
Coberturas Pênseis ou Suspensas
A cobertura pênsil é um sistema construtivo formado por um sistema estrutural
composto por cabos de aço e um sistema vedante que engloba a vedação e os
acessórios de fixação.
Tenda Negra
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Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Modelagem de Cabos MSE 2018.2
HISTÓRICO
Mais antigo documento relatando
estrutura pênsil.
Coliseu de Roma (72-80 DC)
Maior eixo = 513m
Menor eixo = 156m
Conjunto de cordas de cânhamo
dispostas em duas camadas de forma
radial e fixadas aos mastros de
madeira, localizados no teto do último
andar, sustentava um grande anel
central.
Sobre a teia de cordas eram
desenrolados os mantos feitos de
linho, que cobriam toda a área
destinada aos espectadores.
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Sistemas Estruturais com Cabos Livremente Suspensos
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Sistemas Estruturais com Cabos-treliça
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Modelo físico – alunos de MSE 2016.2
Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Sistemas Estruturais com Cesta Protendida
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Modelagem de Cabos MSE 2018.2
HISTÓRICO
Carolina do Norte, USA, 1952. Área coberta de aproximadamente 9000 m2
Rede de cabos de aço protendidos ancorada em dois
arcos inclinados de concreto armado, vedação em
chapas metálicas.
Cobertura Suspensa Contemporânea: Arena de Raleigh
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Vista Externa Vista Interna
Pavilhão de São Cristóvão
Inaugurado em dezembro de 1960, com aproximadamente 32000m2 de área livre
Arquitetura - Sérgio W. Bernardes
Estrutura - Paulo R. Fragoso
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Pavilhão de São Cristóvão
Planta elíptica
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Modelo - alunos de MSE 2014.1
Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Entrada do Pavilhão Vista Lateral
Pavilhão de São Cristóvão
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Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Pavilhão de São Cristóvão
A estrutura de concreto compunha-se basicamente de dois grandes
arcos parabólicos inclinados apoiados em 52 pilares.
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Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Vedação composta de placas de
ligas de alumínio era suspensa
por uma cesta de cabos de aço,
que por sua vez era ancorada
na estrutura periférica em arco
de concreto.
As águas pluviais eram
recolhidas em dois lagos
localizados nas extremidades do
maior eixo do pavilhão.
Pavilhão de São Cristóvão
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Montagem do Ensaio Extensômetro de Garra Ruptura do cabo de 1”
Ensaio de um cabo da Cobertura do Pavilhão de São Cristóvão na EESC/USP
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Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Coberturas Suspensas Cabos Livremente Suspensos Vedação em concreto
Eero Saarinen
Aeroporto Internacional Washington Dulles, 1960
Álvaro Siza Vieira e Eduardo Souto de Moura
Pavilhão de Portugal para a Exposição Mundial de Lisboa, 1998
Eduardo Souto Moura
Estádio Municipal de Braga em Portugal, 2001
Ginásio de Esportes Governador Emílio Gomes, 1971
Modelo físico – alunos de MSE 2015.1
Arquitetura: Antonio Domingos Battaglia
Estrutura: Martinelli e
Barbato
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MSE 2018.2
Esquema Estrutural
Ginásio de Esportes Governador Emílio Gomes
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Modelagem de Cabos MSE 2018.2
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Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Ginásio de Esportes Governador Emílio Gomes
DESCRIÇÃO DAS OBRAS
Ginásio de Esportes Governador Emílio Gomes
Anel externo sobre pilares
O teto suspenso com 60m de diâmetro foi construído em 1974 em Rolândia, Paraná
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Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Blocos do anel interno
Ginásio de Esportes Governador Emílio Gomes
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Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Ginásio de Esportes Governador Emílio Gomes
Anel interno suspenso pelos cabos
Os Cabos Livremente Suspensos são ancorados em dois anéis concêntricos
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Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Ginásio de Esportes Governador Emílio Gomes
Placas pré-moldadas de concreto (espessura = 4cm)
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Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Colocação das Placas
Ginásio de Esportes Governador Emílio Gomes
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Ginásio de Esportes Governador Emílio Gomes
Colocação das Placas
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Ginásio de Esportes Governador Emílio Gomes
Aplicação da Carga de Protensão
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Retirada da Carga de Protensão
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Cúpula e Casca Pênsil de Revolução Protendida
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Ginásio de Esportes Governador Emílio Gomes
Vista externa na fase de construção
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Arquitetura: Antonio Domingos Battaglia
Estrutura: Martinelli e Barbato
Ginásio de Rolândia no Paraná, fotos atuais.
Ginásio de Esportes Governador Emílio Gomes
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Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Eero Saarinen, 1960
Aeroporto Internacional Washington Dulles
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Chapas engastadas nos pilares
Aeroporto Internacional Washington Dulles
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colocação das placas aplicação da carga de protensão
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Aeroporto Internacional Washington Dulles
Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Casca pênsil cilíndrica protendida
Aeroporto Internacional Washington Dulles
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Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Modelagem de Cabos MSE 2018.2 Araújo (2015)
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Aeroporto Internacional Washington Dulles
pilares verticais
Arquiteto português Eduardo Souto Moura (Prêmio Pritzker 2011)
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Estádio Municipal de Braga em Portugal
Modelo alunos de MSE 2014.2
Modelagem de Cabos MSE 2018.2
Leitura
Texto 3.1 OLIVEIRA, M. B. Estudo de cabos livremente suspensos. Dissertação (Mestrado)-Escola de Engenharia de São Carlos, USP, 1995. p.06-22. Disponível em: http://www.set.eesc.usp.br/producao/844
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Texto 3.2 REBELLO, Y.C.P. A Concepção Estrutural e a Arquitetura. São Paulo: Zigurate Editora, 2001. p.85-91.
Exercício
Exercício 3 – Data de entrega definida na Aula 1
***Fazer em papel A4***
Explicar o processo utilizado por Antoni Gaudí para a definição da forma da Igreja de Colônia Güell. Mostrar um esboço da estrutura tracionada empregada por Gaudí .
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Trabalhos de Modelagem
Trabalho 3.1 Construir modelos físicos para estudo do funicular de cabos livremente suspensos. Explique a questão do empuxo.
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Trabalho 3.2 Construir modelos físicos para a análise qualitativa do comportamento estrutural da Ponte Pênsil. Descrever esta análise. .
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Trabalho 3.3 Construir o modelo de uma cobertura pênsil com planta retangular. Buscar como referência o Aeroporto Internacional Washington Dulles, 1960, concebido pelo Arq. Eero Saarinen. Explique a função do peso do sistema vedante (sistema vedante análogo ao do Ginásio de Rolândia). Os pilares inclinados influenciam na sua capacidade de suportar às forças?
Modelagem de Cabos MSE 2018.2