notas de aula - eng 114

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA ESCOLA POLITÉCNICA

DEPARTAMENTO DE CONSTRUÇÃO E ESTRUTURAS ENG 114 - HIPERESTÁTICA

1ª. UNIDADE

ENG 114 Hiperestática Introdução 1

1 EELLEEMMEENNTTOOSS FFUUNNDDAAMMEENNTTAAIISS DDAASS EESSTTRRUUTTUURRAASS

1.1 INTRODUÇÃO

“As estruturas são constituídas de um elemento ou de um conjunto de elementos ligados entre si e externamente ao solo, de tal forma que o sistema assim formado seja estável. A estrutura é, portanto, um sistema adequado para receber solicitações externas e encaminhá-las até seus vínculos externos”.

Os elementos que constituem uma estrutura são chamados elementos estruturais.

1.2 CLASSIFICAÇÃO DOS ELEMENTOS ESTRUTURAIS

Classificação de acordo com as dimensões principais dos elementos.

1.2.1 ELEMENTO DE BARRA

Quando duas dimensões são pequenas em relação à terceira.

lh

b

1.2.2 ELEMENTO DE SUPERFÍCIE

Quando uma dimensão é muito menor que as outras duas.

lh

b

Os elementos de superfície são divididos em:

• Placa: as ações atuam perpendicularmente ao plano da superfície.

b ≅ h < l

b ≅ l > h


• Chapa: as ações atuam paralelamente ao plano da superfície.

• Casca: elemento de superfície com curvatura não nula de seu plano

1.2.3 ELEMENTO DE BLOCO

Não há dimensão preponderante sobre as outras.

bl

h

1.3 CLASSIFICAÇÃO DAS ESTRUTURAS

Função dos elementos que a compõem.

1.3.1 ESTRUTURAS LINEARES

São aquelas formadas por elementos de barras. Podem ser planas ou espaciais.

b ≅ h ≅ l


1.3.2 ESTRUTURAS DE SUPERFÍCIE

Formadas por elementos de superfície.

1.3.3 ESTRUTURAS DE VOLUME

Formadas por elementos de bloco.

1.4 ESTRUTURAS LINEARES PLANAS

São aquelas formadas por barras cujos eixos estão situados no mesmo plano. Alguns exemplos:

§ Vigas § Pórticos § Treliças § Grelhas § Arcos

OBS: O elemento de barra pode apresentar desempenhos distintos no conjunto da estrutura: § Ele pode suportar ações transversais ao seu eixo, e, com isso, transmitir momentos fletores e esforços

cortantes, sendo chamado, neste caso, de chapa. § Ele pode transmitir apenas esforços axiais, sendo chamado, neste caso, de barra simples, ou

simplesmente barra


12

3

4i

c

2 VVIINNCCUULLAAÇÇÃÃOO DDAASS EESSTTRRUUTTUURRAASS LLIINNEEAARREESS PPLLAANNAASS

2.1 INTRODUÇÃO

Como as estruturas podem ser formadas por vários elementos ligados entre si e exteriormente com o solo, essas ligações são chamadas vínculos. Podem ser distinguidos três tipos de vínculos: § Articulação entre chapas : ligação interna que une as chapas. § Articulação entre barras : ligação interna que une as barras (nó). § Apoios : ligação entre a estrutura e o solo (vínculos externos).

Os elementos estruturais mais os vínculos devem formar um conjunto estável, sendo os vínculos responsáveis por restringir o movimento da estrutura. São três os movimentos possíveis nas estruturas lineares planas (graus de liberdade ): § Uma rotação § Duas translações

2.2 REPRESENTAÇÃO DOS TIPOS DE VÍNCULOS

Os vínculos são caracterizados pelo número de graus de liberdade retirados da estrutura.

2.2.1 APOIO MÓVEL

Permite a rotação e uma translação, retirando, portanto, um grau de liberdade da estrutura.

2.2.2 APOIO FIXO

Permite somente a rotação, restringindo, portanto, as duas translações.

2.2.3 ARTICULAÇÃO ENTRE CHAPAS

Restringe deslocamentos entre as chapas, permitindo rotações relativas entre elas.

Seja uma articulação onde c chapas se encontram. Supondo-se uma das chapas fixa, a articulação retira dois graus de liberdade de cada uma das (c-1) chapas, em relação àquela suposta fixa. O número total de graus de liberdade retirados

da estrutura por esse tipo de vínculo é, então, igual a 2(c-1).


2.2.4 ENGASTE FIXO

Impede todos os movimentos no plano, retirando três graus de liberdade da estrutura.

2.2.5 ENGASTE MÓVEL

Impede o giro e um movimento, retirando, assim, dois graus de liberdade da estrutura.

3 DDEETTEERRMMIINNAAÇÇÃÃOO GGEEOOMMÉÉTTRRIICCAA DDAASS EESSTTRRUUTTUURRAASS

3.1 INTRODUÇÃO

As relações entre o número de vínculos e o número de elementos que constituem uma estrutura devem satisfazer certas condições para que esta tenha sua posição determinada no plano. O estudo dessas relações denomina-se determinação geométrica. As estruturas podem ser classificadas, do ponto de vista geométrico, da seguinte forma: Se be = bn → a estrutura é geometricamente determinada.

Se be > bn → a estrutura é geometricamente superdeterminada.

Se be < bn → a estrutura é geometricamente indeterminada ou móvel. Sendo: be = número de barras simples e de barras vinculares existentes na estrutura; c = número de chapas (ou barras gerais); n = número de nós bn = número de barras necessárias para que a estrutura em estudo seja determinada.

3.2 DEFINIÇÕES

São apresentadas a seguir algumas definições necessárias à determinação geométrica das estruturas lineares planas.

3.2.1 CHAPAS (BARRAS GERAIS)

Função geométrica: definir distâncias entre todos os seus pontos:


l

l

l

l

1

2

3

Função estática: transmitir todos os esforços.

3.2.2 BARRAS SIMPLES (BARRAS)

Função geométrica: definir a distância entre seus pontos extremos:

l

Função estática: transmitir apenas esforços axiais.

3.2.3 NÓS

Encontro de barras simples

Nób

b b

3.2.4 ARTICULAÇÃO

Encontro de barras e chapas ou só de chapas

Articulação

c

b b c

c

Articulação

c

3.2.5 BARRAS VINCULARES

Correspondem aos graus de liberdade impedidos pelos vínculos internos e externos.

a) Engaste fixo

Corresponde a três barras vinculares


b) Apoio fixo

Corresponde a duas barras vinculares

c) Apoio móvel

Corresponde a uma barra vincular

d) Engaste móvel

Corresponde a duas barras vinculares

3.2.6 CHAPA TERRA

Apoio de todas as estruturas

3.3 ESTRUTURAS ELEMENTARES

3.4 2.1 TRELIÇA

Estrutura composta apenas de barras simples e nós, com carga aplicada somente nos nós.

→ bn = 2n

Exemplo: Tem-se:

Þ Barras efetivamente existentes

be = 11 + 4 = 15 n = 7 bn = 2 x 7 = 14 à Barras vinculares

be = 15 > bn = 14 → Treliça superdeterminada Grau:

g = be – bn = 15 – 14 = 1 → 1 x superdeterminada


3.4.1 ESTRUTURAS COMPOSTAS DE APOIOS E CHAPAS

Transmitem todos os esforços → bn = 3c

Exemplo:

Tem-se:

be = 5 c = 1 n = 0 bn = 3c = 3 x 1 = 3

be = 5 > bn = 3 → Estrutura superdeterminada Grau:

g = be – bn = 5 – 3 = 2 → Estrutura 2 x superdeterminada

3.4.2 ESTRUTURAS COMPOSTAS DE APOIOS, BARRAS, CHAPAS E NÓS

→ bn = 3c + 2n Exemplo 1

Tem-se:

be = 2 + 3 = 5 c = 1 n = 1 bn = 3c + 2n = 3 x 1 + 2 x 1 = 5 be = bn = 5 → Estrutura determinada


Exemplo 2

Tem-se:

be = 1 + 5 = 6 c = 2 n = 0 bn = 3c + 2n = 3 x 2 + 2 x 0 = 6

be = bn = 6 → Estrutura determinada OBS.:

§ Articulação entre duas chapas → 2 barras vinculares

§ Articulação entre c chapas → 2 (c – 1) barras vinculares

Voltando ao exemplo anterior, tem-se:

be = 9 c = 3 n = 0 bn = 3c + 2n = 3 x 3 + 2 x 0 = 9

be = bn = 9 → Estrutura determinada Exemplo 3:

be = 3 c = 1 n = 0 bn = 3c + 2n = 3 x 1 + 2 x 0 = 3

be = bn = 3 → Estrutura determinada


Exemplo 4:

be = 6 c = 1 n = 0 bn = 3c + 2n = 3 x 1 + 2 x 0 = 3

be = 6 > bn = 3 → Estrutura superdeterminada Grau:

gh = be – bn = 6 – 3 = 3 → Estrutura 3 x superdeterminada

3.5 CASOS EXCEPCIONAIS

3.5.1 BARRAS VINCULARES PARALELAS

Móvel

be = 3 c = 1 n = 0 bn = 3c = 3 be = bn = 3 → Estrutura determinada

⇒ A estrutura é móvel


3.5.2 DIREÇÃO DAS BARRAS VINCULARES PASSANDO POR UM PONTO

Móvel

be = 9 + 3 = 12 c = 0 n = 6 bn = 2n = 12 be = bn = 12 → Estrutura determinada ⇒ A estrutura é móvel

3.6 DETERMINAÇÃO ESTÁTICA DAS ESTRUTURAS

As estruturas podem ser classificadas, do ponto de vista estático, da seguinte forma: Se be = bn → a estrutura é isostática.

Se be > bn → a estrutura é hiperestática.

Se be < bn → a estrutura é hipostática.

4 TTEEOORRIIAA LLIINNEEAARR DDAA EELLAASSTTIICCIIDDAADDEE DDEE 11aa OORRDDEEMM ((MMÉÉTTOODDOO CCLLÁÁSSSSIICCOO))

Admite-se que os deslocamentos da estrutura são muito pequenos e, até um certo nível de solicitação, os materiais tenham comportamento elástico e sem fenômenos significativos de ruptura. Com essas hipóteses, tem-se como conseqüência, a proporcionalidade entre causa e efeito, implicando na superposição de efeitos.

4.1 HIPÓTESES GERAIS DO MÉTODO CLÁSSICO

a) Validade da Lei de Hooke

§ O material é considerado elástico e linear.

§ As tensões (σ ou τ) são diretamente proporcionais às deformações específicas.

ε=σ E γ=τ G

b) Validade das hipóteses de Bernouilli

§ As seções transversais planas permanecem planas após a deformação.


§ As tensões em uma determinada seção transversal podem ser substituídas por suas resultantes (esforços internos).

§ As tensões são diretamente proporcionais aos esforços internos.

Flexão simples: MIy=σ

Cisalhamento devido à flexão: VI bsM

=τ

Compressão ou tração: NS1=σ

c) Continuidade da estrutura com a deformação

§ Em um ponto β qualquer, a tangente à sua esquerda coincide com a tangente à sua direita. § Os nós contínuos são supostos indeformáveis; os ângulos entre as barras se mantêm na estrutura

deformada

A B C

D E

φA

AφφB

Bφ

Bφ

β

d) As condições de equilíbrio são computadas na posição indeformada

B

A

C

A

B

Q

CQ

l δ (Q)l

M = QlA M = Q [l + δ(Q)] A

Nas estruturas usuais δ (Q) é muito pequeno e pode ser desprezado. Portanto, MA = Q l

e) Os esforços internos são sempre diretamente proporcionais às ações externas


4.2 SUPERPOSIÇÃO DE EFEITOS

A proporcionalidade entre o efeito E e sua causa C implica diretamente na validade da superposição dos

efeitos, isto é, para diversas causas C1, C2, C3, ... , Cn, tem-se:

)C(E)C(E)C(E)C(E)CCCC(E n321n321 +⋅⋅⋅+++=+⋅⋅⋅+++

ENG 114 Hiperestática Cálculo de Reações 1

1 CCÁÁLLCCUULLOO DDEE RREEAAÇÇÕÕEESS

1.1 REAÇÕES EXTERNAS E INTERNAS

As reações externas, existentes nos apoios (esforços nas barras vinculares), bem como as reações internas, existentes nas ligações (vínculos), e barras simples dessa estrutura, são necessários à determinação dos esforços solicitantes nos elementos que compõem a estrutura. Tais reações externas e internas são calculadas utilizando-se as equações de equilíbrio da Estática:

0FH =∑

0FV =∑

0M =∑ Seja a estrutura apresentada a seguir.

d

0,5a

cb

0,5a

2 d

0,5c

P

p1

p2

Q = p c1 1

2Q = p d22

3

d3

A

B

D

C

E

Fazendo a determinação geométrica, tem-se:

be = 1 + 5 = 6 c = 2 n = 0 bn = 3c = 6

⇒ be = bn

Logo, a estrutura é determinada ou isostática, sendo o número de incógnitas igual ao número de equações de equilíbrio. Desta forma, o número de reações a serem calculadas é igual a seis, que é o número total de barras existentes na estrutura. Dessas barras, três são externas (barras vinculares) e três são internas (barras da articulação entre as chapas ABC e BCD, mais a barra simples AD). Portanto, devem ser calculadas seis reações, sendo três externas e três internas.

ENG 114 Hiperestática Cálculo de Reações 2

1.2 RECOMENDAÇÕES PARA O CÁLCULO DAS REAÇÕES

§ As cargas distribuídas podem ser substituídas por suas respectivas cargas concentradas equivalentes

(Q1 e Q2, da figura anterior), cujos valores são numericamente iguais às “áreas das superfícies de

carregamento” e os pontos de aplicação estão situados nos centros de gravidades dessas superfícies.

§ Sempre que possível, as reações externas devem ser calculadas em primeiro lugar.

§ Somente após terem sido esgotadas as possibilidades de cálculo das reações externas, é que as chapas da estrutura devem ser separadas entre si, para o cálculo das reações internas e das possíveis reações externas ainda não calculadas.

ENG 114 - Hiperestática Esforços Solicitantes em Estruturas Planas 1

1 EESSFFOORRÇÇOOSS SSOOLLIICCIITTAANNTTEESS EEMM EESSTTRRUUTTUURRAASS PPLLAANNAASS

1.1 INTRODUÇÃO

Em uma estrutura em equilíbrio, os esforços solicitantes que atuam em uma seção qualquer, equilibram as ações externas que agem à esquerda ou à direita desta seção, conforme indicado na figura abaixo. Nas estruturas planas, com carregamento agindo no seu plano, são três os esforços solicitantes:

§ Momento fletor (M) § Esforço cortante (V) § Esforço normal (N)

R2 3R

MN

V

S

R1

S

R2

R1

R3

S

N

MV

1.2 DIAGRAMAS DE ESFORÇOS SOLICITANTES

1.2.1 CONVENÇÃO DE SINAIS

a) Esforço Normal

Considera-se positivo o esforço normal que provoca tração no trecho que atua.

Tração ⇒ N(+)

Compressão ⇒ N(-)


b) Momento Fletor

O diagrama de momentos fletores deve ser desenhado com as cotas marcadas do lado das fibras tracionadas, em relação ao eixo longitudinal de cada trecho.

Compressão

Tração

Tração nas fibras inferiores

M Tração nas fibras superiores

M

Compressão

Tração

Costuma-se considerar positivo o momento que traciona as fibras inferiores, e negativo o momento que traciona as fibras superiores.

c) Esforço Cortante

É considerado positivo o esforço cortante que provoca, junto com a resultante das ações atuantes à direita ou à esquerda de uma seção, um binário no sentido horário.

R = P/21

V

S

l

Pl/2

P

V

R = P/22

V

R = P/21

l/2

R = P/22

l

V

P

S

P

V

R = P/21 R = P/22 R = P/21 R = P/22

V

V

V

P P

V(-)V(+)


1.2.2 RELAÇÕES ENTRE CARGA, ESFORÇO CORTANTE E MOMENTO FLETOR

Sendo a carga, o esforço cortante e o momento fletor funções de x, abscissa ao longo da estrutura, para um elemento de comprimento infinitesimal dx, em equilíbrio sob o efeito da carga p = p(x), e dos esforços solicitantes M = M(x) e V = V(x), pode-se estabelecer:

p = p(x)

x

lx + dx

M(x)

V(x) V(x) + dV(x)

p = p(x)

M(x) + dM(x)

dx

P = p(x) dx

O

∑ = 0Fv

0dV(x)][V(x)dx )x(p)x(V =−−−

0)x(dVdx )x(p =−−

⇒ dx

)x(dV)x(p =− (1)

∑ = 0MO

0)]x(dM)x(M[2

dxdx )x(pdx )x(V)x(M =+−−+

Desprezando-se os infinitesimais de segunda ordem:

0)x(dM)x(V =−

⇒ dx

)x(dM)x(V = (2)

Derivando a eq.(2) em relação a x, tem-se

2

2

dx

)x(Mddx

)x(dV= (3)

E, substituindo-se a eq.(3) na eq.(1), obtém-se:

2

2

dx

)x(Md)x(p =− (4)

Portanto, sempre que se conhecer a função p(x), a eq.(4) pode ser resolvida para M(x), e, por

diferenciação, o esforço cortante V(x) pode ser determinado.


1.2.3 EQUAÇÃO DIFERENCIAL DOS MOMENTOS FLETORES

Integrando-se a eq.(4) duas vezes, encontra-se:

1C x)x(pdx

)x(dM+−= (5)

21

2Cx C

2x

)x(p)x(M ++−= (6)

As constantes de integração C1 e C2 podem ser determinadas através das condições de apoio. Vale lembrar que a eq.(4) só é válida nos trechos sem carga concentrada aplicada. Considerando-se p(x) = constante = p, de acordo com as eqs (5) e (2), tem-se:

1Cx pdx

)x(dM+−=

1Cx p)x(V +−= → Equação de uma reta (7)

E, a partir da eq.(6), encontra-se:

21

2Cx C

2x p

)x(M ++−= → Equação de uma parábola do 2° grau (8)

A análise das equações (7) e (8) permite que se possam prever as formas que os diagramas dos esforços M e V irão assumir, conforme tabela abaixo:

Forma do Diagrama Tipo de Carga

Esforço Cortante V(x) Momento Fletor M(x)

p(x) = 0

Constante Linear

p(x) = constante

Linear Parábola de 2º grau

p(x) = a x + b

Parábola de 2º grau Parábola cúbica


OBSERVAÇÕES:

1) Essa análise é válida nos trechos onde a carga p é contínua. Havendo cargas concentradas, que

representam descontinuidades de carregamento, essa análise só é válida nos trechos

compreendidos entre essas cargas.

2) Pela eq.(2) observa-se que quando o esforço cortante se anula, a função momento passa por um

extremo, que é de máximo, já que a derivada segunda dessa função é negativa.

0dx

)x(dM)x(V ==

)x(pdx

)x(Md2

2−=

3) É válida a superposição de efeitos, e, portanto, de seus diagramas nos trechos sujeitos à ação de

cargas concentradas.

4) Tudo que é válido para o esforço cortante também o é para o esforço normal.

ENG 114 - Hiperestática Esforços Solicitantes em Chapas Inclinadas 1

EESSFFOORRÇÇOOSS SSOOLLIICCIITTAANNTTEESS EEMM CCHHAAPPAASS IINNCCLLIINNAADDAASS

Em uma chapa (barra geral) inclinada podem atuar carregamentos em direções diversas. Também neste caso, a variação dos esforços solicitantes pode ser indicada em diagramas, utilizando como eixo das abscissas o próprio eixo da chapa, e representando segundo o eixo das ordenadas, a intensidade dos esforços, seção por seção. São apresentados a seguir, os diagramas de esforços solicitantes para os principais tipos de carregamento uniformemente distribuído que podem atuar nas estruturas.

1. CARGA ACIDENTAL

p

Lh

l

α α

α

p l

p l cos α p l sen

α

p l2

p l2

p l2cos

α

cos α

p l2

sen α

p l2

sen α

2p l α

α

p l cos α

l / cos α

p cos α

=

2

=

p l sen α

l / cos α

p cos α sen

α

8p l

M =max

2

cos αp l2

cos α2p l (+)

(-)V

M

p l sen α2

N

(+)

(-)

sen α2

p l


2. AÇÃO DO VENTO

pL

h

l

α

α

p h2sen

α

sen α

2 lp h

8p h

M =max

2

sen αp h2

sen α2p h (+)

(-)V

M

N

(+)

p h sen α

α

p h

α p h cos α

p h

2 l

p h

2

2p h2 l

p h sen α

p h cos α

sen α

2p h

2

sen α)

2 lh

p h (cos α +

h

p h (cos α +

sen α)

2 l

p h2 l

2 sen α

sen α co

s α

lp h

cos α

p hl

2


3. PESO PRÓPRIO

p

Lh

l

α α

α

p l

p lp l

p l2

tg αp l

2

tg α2

p l α

α

p cos α

p sen α

8 cos αp l

M =max

2

p l2

2p l (+)

(-)V

M

p l tg α2

N

(+)

(-)

tg α2p l

cos αsen

α

cos α

2 cos αp l

2 cos αp l

2p l

ENG 114 Hiperestática Princípio dos Trabalhos Virtuais - PTV 1

1 PPRRIINNCCÍÍPPIIOO DDOOSS TTRRAABBAALLHHOOSS VVIIRRTTUUAAIISS

1.1 INTRODUÇÃO

Seja uma estrutura linear qualquer com suas vinculações definidas. Seja um estado de forças (a) agindo nessa estrutura, com forças externas em equilíbrio com os esforços internos.

F1

F2 F3 F4

F5

l

(a)

Seja um estado de deslocamentos (b) sobre a mesma estrutura, com deslocamentos e deformações virtuais (isto é, hipotéticos e infinitesimais), geometricamente compatíveis com as vinculações, mas sem qualquer relação obrigatória com o estado de forças (a).

l

(b)

∆l

Pelo PTV: O trabalho virtual externo, das forças externas de (a), com os deslocamentos de (b), é igual ao trabalho virtual interno realizado pelos esforços internos de (a) com as deformações de (b), ou seja:

∑ ∑= INTEXT TT

1.2 CÁLCULO DE DESLOCAMENTOS EM ESTRUTURAS ISOSTÁTICAS

Seja um estado de deslocamento (b) real, mas com deslocamentos pequenos o suficiente para que em estados de forças que venham a ser criados sobre a estrutura, possam ser considerados na posição inicial.

(b)s

dsB δ = ?B


As deformações que surgem na seção transversal de um elemento ds da estrutura são:

ds

dub

dvb

dφb

Para se calcular o deslocamento δB cria-se um estado de forças (a), conveniente, com uma força externa unitária na direção de δB e com um sentido assumido para ele.

(a)s

B

P = 1

Em s os esforços solicitantes causados pela força unitária são Na, Va e Ma. Impondo-se, então, o estado de deslocamento (b) ao estado de forças (a), tem-se, pelo Princípio dos

Trabalhos Virtuais (∑ ∑= INTEXT TT )

∫ ∫∫ φ++=δ⋅est

best

abest

abaB d Mdv Vdu N1

1.3 CÁLCULO DE DESLOCAMENTOS EM TRELIÇAS PLANAS

1.3.1 INTRODUÇÃO

Para a resolução de uma treliça deve-se:

Ø Calcular as reações de apoio

Ø Calcular os esforços normais nas barras, utilizando-se:

• Equilíbrio de nó • Processo de Ritter

• Processo gráfico Carmona

Em algumas treliças não é possível o cálculo das reações de apoio sem que antes seja aplicado o equilíbrio de nó ou o processo de Ritter.

dub = deformação por esforço normal

dvb = deformação por esforço cortante

dφ b = deformação por momento fletor (rotação)


Com o intuito de facilitar a determinação dos esforços normais nas barras de uma treliça, apresentam-se, a seguir, características da geometria e do carregamento que permitem a obtenção direta destes esforços. Sendo Pi as cargas externas aplicadas nos nós e Fi os esforços normais nas barras, têm-se:

1º. Nó Característico: Nó formado por duas barras, sem carregamento externo e com α assumindo qualquer valor:

α

1

2

F1

F2

2º. Nó Característico: Nó formado por duas barras, com carregamento externo na direção de uma ou das duas barras e com α assumindo qualquer valor:

α

1

2

F1

F2P1

2P

α

3º. Nó Característico: Nó formado por três barras, sendo duas na mesma direção, sem carregamento externo e com α assumindo qualquer valor:

1

3

F1

2F F32

α

4º. Nó Característico: Nó formado por três barras, sendo duas na mesma direção, com carregamento externo na direção da barra (1) e com α assumindo qualquer valor:

α

1

3

F1

P1

2F F3

2 α

F1 = 0 F2 = 0 Para α = π ⇒ F1 = F2

F1 = P1 F2 = P2

F1 = 0 F2 = F3

F1 = P1 F2 = F3


1.3.2 CÁLCULO DOS DESLOCAMENTOS

Treliça plana é uma estrutura formada por barras articuladas em suas extremidades, com cargas externas agindo no plano da estrutura e aplicadas em seus nós.

• Esforços solicitantes: somente N (M e V = 0) • Deformações: somente du (dv e dφ = 0)

Portanto, pelo PTV:

∫=est

baEXT du NT

onde:

Na = esforço axial causado pela força unitária (estado de forças)

dub = deformação axial causada pelo agente externo (estado de deslocamentos)

Sendo a força axial Na constante por barra, tem-se:

∫∑=i

ii0

bi

aEXT duNTl

ii bi

aEXT NT l∆= ∑

sendo que ibl∆ pode ser causado por qualquer agente externo (carga, variação de temperatura, etc).

Para a situação muito freqüente, de se ter o estado de deslocamento (b) provocado por cargas, ibl∆ pode

ser calculado pela Lei de Hooke, e em função do esforço axial:

S E

N E

S

N E

ii

ibb

i

bi

i

b ii

iil

ll

l=∆⇒

∆=⇒ε=σ

onde:

ibN = esforço axial atuante em cada barra, e causado pelo agente externo

il = comprimento da barra

iE = módulo de deformação longitudinal

iS = área da seção transversal da cada barra

Tem-se, então, pelo PTV:

∑=i ii

ibaEXT S E

NNTii

l


No caso do estado de deslocamento (b) ser provocado por uma variação uniforme de temperatura ∆T, o valor

de ibl∆ pode ser obtido a partir de:

T ibill ∆α=∆

E, pelo PTV, tem-se então:

iiii

aEXT T NTi

l∆α= ∑

1.4 CÁLCULO DE DESLOCAMENTOS EM ESTRUTURAS FLETIDAS

Estruturas Fletidas Usuais : • Carregamento contido no plano da estrutura • Esforços solicitantes: N, V e M • Deformações: dub, dvb, ? b

Exemplos: Vigas, pórticos, arcos, etc Pelo PTV, tem-se:

∫ ∫∫ φ++=est

best

abest

abaext d Mdv Vdu NT

Pela Resistência dos Materiais sabe-se:

ds

dub

dvb

dφb

Nb

Vb

bM

Portanto, pelo PTV, obtém-se:

∫ ∫∫ ++=est est

ba

est

babaext ds

EIMM

ds GS

VV cds

ESNN

T

dsESN

du bb =

ds

GScV

dv bb =

dsEI

Md b

b =φ


1.5 CÁLCULO DE DESLOCAMENTOS EM ESTRUTURAS FLETIDAS CAUSADOS POR VARIAÇÃO DA TEMPERATURA

Nas estruturas isostáticas, a variação de temperatura não provoca esforços solicitantes, já que a estrutura pode se expandir sem restrição.

Seja a barra reta, representada abaixo, submetida a uma variação de temperatura ∆Ts, na sua face superior, e

∆Ti, na face inferior, com ∆Ti > ∆Ts, e variação linear ao longo da altura h da seção transversal. Logo, no

eixo x, que passa pelos centróides das seções transversais, tem-se a variação de temperatura ∆T.

lds

hx

Considerando a barra livre e sem vínculos externos, ela se expande longitudinalmente e flete com curvatura voltada para cima. A deformação transversal não é relevante.

∆T

∆T

s

i

Sendo α o coeficiente de dilatação térmica, a deformação de um trecho de comprimento infinitesimal ds é ilustrada a seguir.

du

ds α ∆T dsi

α ∆T dss

b

dφb

h2

h2

Esta deformação se deve ao deslocamento na direção do eixo longitudinal dub, e a rotação das seções

transversais dφ b, que valem:

( )2

ds T ds T ds T du si

sb∆α−∆α

+∆α=

( )ds TT 2

du sib ∆+∆α

=⇒

ou,

ds T du b ∆α=

com, ( )

2TT

T si ∆+∆=∆


E, para a flexão, tem-se:

( )

2h2

ds T ds T

d

si

b

∆α−∆α

=φ

( )ds T T h

d sib ∆−∆α

=φ⇒

Assim, seja um estado de deslocamento (b) real, causado por variação de temperatura.

(b)s

dsB δ = ?B

Seja um estado de força conveniente (a), para o cálculo de δB

(a)s

B

P = 1

Impondo-se o estado de deslocamento (b) ao estado de forças (a), pelo Princípio dos Trabalhos Virtuais

(∑ ∑= INTEXT TT ), tem-se:

∫ ∫∫ φ++=δest

best

abest

abaB d Mdv Vdu N

( ) ( )∫ ∫∫

∆−∆

α+⋅+

∆+∆

α=δ

estsi

esta

estasiaB ds TT

h M0 Vds TT

2 N

( ) ( )∫ ∫∆−∆α

+∆+∆α

=δ⇒est est

asiasiB dsM TT h

dsN TT 2

Sendo ∫ dsNa e ∫ dsMa as áreas dos diagramas de esforços normais e de momentos fletores,

respectivamente, devidos ao estado de força conveniente.


1.6 CÁLCULO DE DESLOCAMENTOS EM PÓRTICOS COM BARRAS SIMPLES (ATIRANTADOS)

Para pórticos com barras simples as parcelas dos deslocamentos correspondentes aos esforços normais e

cortantes só serão desprezadas na parte da estrutura submetida à flexão. Na parte submetida a esforços

normais não é prudente desprezar a contribuição deste esforço. Logo, pelo PTV, tem-se:

∫ ∫ φ+=flexão sem

bflexão com

abaEXT d Mdu NT

Assim, para os pórticos com barras simples submetidos a forças externas, de acordo com o exposto

anteriormente, tem-se:

∫∫ +=flexão sem

ba

flexão com

baext ds

ESNN

ds EIMM

T

Exemplo : Calcular o deslocamento vertical da articulação B do pórtico apresentado a seguir.

Dados: E = 2000 kN/cm2 Et = 21000 kN/cm2

I = 50000cm4 St = 3 cm2

A

10 kN/m

C

4 m3 m 4 m 3 m

1 m

2 m

BE, I

E , St t

E, I

a) Determinação geométrica

be = 2 + 2 + 1 +1 = 6

c = 2 be = bn ? Estrutura isostática

bn = 3c + 2n = 3 × 2 = 6

b) Estado de deslocamento (b)

Reações:

AV = 52,5 kN

30 kN

40 kN

CV = 17,5 kN

BV = 17,5 kN

V = 17,5 kNB

AH = 0

H = 40,83 kNB

BH = 40,83 kN

N = 40,83 kNt N = 40,83 kNtNt

Nt


C

B30,84

29,16

20

11,25

M (kNm)b

N (kN)b + 40,83

A

c) Estado de força conveniente (a)

A

1

C

B

Reações:

C

AV = 0,5 CV = 0,5

V = 0,5B

AH = 0

BH = 1,167

N = 1,167t N = 1,167tN t

N t

1

H = 1,167B

BV = 0,5

A C

B

0,8330,83

3

M (m)a

N a 1,167


d) Cálculo de δVB

tt

tba

i 0baB SE

NN ds MM

EI1

Vi ll

+=δ ∑ ∫

Parcela da flexão:

( ) ( ) +

−⋅⋅⋅−−⋅⋅⋅=δ 833,025,11

31

606,3833,084,3031

3,606V EI 'B

( ) ( )

−⋅⋅⋅+−⋅⋅⋅+ 833,020

31

123,4833,084,3031

123,4

⋅⋅⋅+

⋅⋅⋅+ 833,016,29

31

606,3833,016,2931

123,4

( )cm 0,378m 00378,0

100,51020766,37

V 47

'B −=−=

⋅⋅⋅−

=δ

Parcela do esforço normal:

cm 059,1m 01059,0100,3101,21483,40167,1

V 48

''B ==

⋅⋅⋅⋅⋅

=δ−

Deslocamento vertical da articulação B:

0,681cm 1,059 378,0VVV ''B

'BB =+−=δ+δ=δ

Determinação Geométrica 1 Exercícios


DEPARTAMENTO DE CONSTRUÇÃO E ESTRUTURAS ENG 114 – HIPERESTÁTICA - T01

Fazer a determinação geométrica das estruturas apresentadas a seguir.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.


9.

10.

11.

12.

13.

14.


15.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

22.

23.

24.


25.

26.

27.

28.

29.


30.

31.

32.

33.

34.

35.

Respostas da Lista de Exercícios - Determinação Geométrica

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA - ESCOLA POLITÉCNICA DEPARTAMENTO DE CONSTRUÇÃO E ESTRUTURAS

ENG 114 – HIPERESTÁTICA

Respostas da Lista de Exercícios - Determinação Geométrica

DeterminadaDeterminadaDeterminada

1 x SuperdeterminadaDeterminadaDeterminadaDeterminada

IndeterminadaDeterminada


DeterminadaDeterminadaDeterminadaDeterminada

Determinada4 x Superdeterminada

DeterminadaDeterminada

DeterminadaDeterminada

Indeterminada3 x Superdeterminada

Indeterminada1 x Superdeterminada


IndeterminadaDeterminadaDeterminada

3 x Superdeterminada

1 x SuperdeterminadaDeterminada

3 x SuperdeterminadaIndeterminada

333435

29303132

25262728

21222324

17181920

13141516

9101112

5678

1234

Questão Resposta

Reações e Diagramas de Esforços Solicitantes 1 Exercícios

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA – ESCOLA POLITÉCNICA DEPARTAMENTO DE CONSTRUÇÃO E ESTRUTURAS

ENG 114 – HIPERESTÁTICA Calcular as reações e traçar os diagramas de esforços solicitantes para as estruturas apresentadas a seguir.

1.

60 kN20 kN/m

2,0 m2,0 m 2,0 m2,0 m

A B

2.

60 kN

1,0 m1,0 m

A B

0,5 m0,5 m

1,0 m

0,5 m

10 kN

20 kN

5 kN

150 kNm

3.

A

B

5 kN/m

20 kN

20 kN

C

4,0 m 2,0 m2,0 m

4,0 m


4.

A

10 k

N/m

3,0 m1,0 m

4,0 m

4,0 m

4,0 m

30 kN

B C D

E

F

5.

A

12 kN/m

4,0 m

3,0 m

3,0 m

8 kN

B C

D

6 kN

2,0 m

6.

AE

10 kN/m

40 kN

C

4,0 m 4,0 m

3,0 m

4,0 m

10 kN/m

B

D

1,5 m


7.

D

20 kN/m

4,0 m

3,0 m 7,0 m

A

B C

20 kN

/m

8.

5 kN/m

20 kN

2,0 m 1,0 m2,0 m1,0 m

1,5 m

2,0 m

A

B

C

DE

9.

4,0 m

4,0 m 4,0 m

A

B

10 k

N/m

4,0 m

20 kNm

20 kNm

C

D

E

10 kN/m


10.

A E

B D

C

3,0 m 3,0 m

1,5 m

3,0 m

20 kN/m

20 kN

10 kN/m

11.

10 kN/m

2,0 m 3,0 m

2,0 m

A

B

E

C

F

D

3,0 m

2,0 m

20 kN/m

12.

10 kN/m

4,0 m 3,0 m

2,0 m

A B C

D

2,0 m

10 kN/m

20 kN


13.

3,0 m

5,0 m 5,0 m

A

E

5,0 m

F

D

B

G40 kN

C

10 kN/m

Solução da lista de exercícios sobre diagramas dos esforços solicitantes 1


DEPARTAMENTO DE CONSTRUÇÃO E ESTRUTURAS ENG 114 – HIPERESTÁTICA

Solução da lista de exercícios sobre diagramas dos esforços solicitantes

1)

Reações de Apoio

Momentos Fletores

Esforços Cortantes

Esforços Normais


2)

Reações de Apoio

Momentos Fletores

Esforços Cortantes


Esforços Normais

3)

Reações de Apoio

Momentos Fletores


Esforços Cortantes

Esforços Normais

4)

Estrutura Reações de Apoio


Momentos Fletores Esforços Cortantes

Esforços Normais

5)

Estrutura Reações de Apoio



Esforços Normais

6)


Reações de Apoio

Momentos Fletores

Esforços Cortantes

Esforços Normais

7)


Reações de Apoio

Momentos Fletores

Esforços Cortantes

Esforços Normais

8)

Reações de Apoio


Momentos Fletores

Esforços Cortantes

Esforços Normais


9)

Reações de Apoio


Momentos Fletores

Esforços Cortantes

Esforços Normais


10) Estrutura Reações de Apoio


Esforços Normais

11)


Reações de Apoio

Momentos Fletores

Esforços Cortantes

Esforços Normais


12)

Reações de Apoio

Momentos Fletores

Esforços Cortantes


Esforços Normais

13)

Reações de Apoio


Momentos Fletores

Esforços Cortantes

Esforços Normais

Princípio dos Trabalhos Virtuais Exercícios


ENG 114 – HIPERESTÁTICA – T01

Exercícios

1. Para a estrutura apresentada a seguir, pede-se: a) Calcular as reações externas e internas. b) Traçar os diagramas de momentos fletores, de esforços cortantes e de esforços normais. c) Calcular o deslocamento vertical da articulação C

Dados: E = 21000 kN/cm2 I = 40500 cm4

10 kN/m

A E

B D

C

3,0 m 3,0 m

1,5 m

3,0 m

20 kN/m

20 kN

cm65,9

CV =δ

2. Para a estrutura apresentada a seguir, pede-se: a) Calcular as reações externas e internas. b) Traçar os diagramas dos esforços solicitantes (momentos fletores, esforços cortantes e esforços normais). c) Calcular o deslocamento vertical do ponto D.

Dados: E = 2500 kN/cm2 Seção transversal retangular para todos os elementos, com b = 20 cm e h = 60 cm.

4,0 m

8,0 m3,0 m3,0 m

A

50 kN 60 kN

20 kN/m

B

C

D E F

4,0 m4,0 m

4,0 m

m202,0

DV =δ

Princípio dos Trabalhos Virtuais: Cálculo de deslocamentos em estruturas isostáticas 1

Exercícios

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA – ESCOLA POLITÉCNICA

DEPARTAMENTO DE CONSTRUÇÃO E ESTRUTURAS


Exercícios

1. Para a estrutura apresentada a seguir, traçar os diagramas dos esforços solicitantes e calcular o

deslocamento horizontal do ponto E. Sabe-se que além do carregamento indicado na figura, a barra CE

sofre um acréscimo uniforme de temperatura de 60 oC.

Dados: Estrutura fletida: E = 3000 kN/cm2 I = 270000 cm4 α = 10-5/ºC h = 60 cm

Barra simples: E = 21000 kN/cm2 φ = 20 mm α = 1,2 ×10-5/ºC

4 m2 m 1 m 1,5 m1,5 m

80 kN

4,0 m

4,0 m

A

20 kN/m

4,0 m

4,0 m

60 kN

B C D

E

F

Resposta: δδδδH = 0,0376m


deslocamento vertical do ponto F.

Dados: Estrutura fletida: E = 3000 kN/cm2 Seção transversal =

=

=

cm70h

cm15b

Barra simples: E = 21000 kN/cm2 φ = 20 mm

Resposta: δδδδV = 0,03m

Princípio dos Trabalhos Virtuais: Cálculo de deslocamentos em estruturas isostáticas 2

Exercícios

A

20 kN/m

4,0 m

4,0 m

60 kN

B C D

E F

80 kN

4,0 m

4,0 m

80 kN

G

2,0 m2,0 m 2,0 m 3,0 m 2,0 m

3. Para a estrutura apresentada a seguir, pede-se:

a) Calcular as reações externas e internas.

b) Traçar os diagramas dos esforços solicitantes.

c) Calcular a rotação do apoio F causada pelo carregamento indicado na figura e por uma variação

de temperatura de ∆Ti = 18 oC e ∆Ts = 45 oC.

Dados: E = 2500 kN/cm2 I = 360000 cm4 α = 10 -5 / oC h = 60 cm

4,0 m

20 kN/m

E

A

3,0 m

B

F

4,5 m

1,5 m80 kN

2,0 m

C

D

3,0 m

60 kN

2,0 m

100 kNm

Resposta: φφφφf = 0,028410 rad

Esforços Normais em Barras de Treliças 1

Exercícios




Calcular os esforços normais nas barras das treliças apresentadas a seguir.

1.

1,5 m

30 kN

1,5 m 1,5 m 1,5 m

1,5 m

1,5 m

2.

40 kN80 kN

30 kN

60 kN

3,0 m 3,0 m 3,0 m 3,0 m

8,0 m

4,0 m

4,0 m


Exercícios

3.

30 kN

2,0 m3,0 m 3,0 m2,0 m

4,0 m

4,0 m60 kN

4.

20 kN20 kN

1,8 m1,8 m 1,8 m1,8 m

2,4 m

2,4 m

5.

20 kN20 kN

2,0 m 2,0 m 2,0 m 2,0 m

2,0 m


Exercícios

6.

30 kN

4,0 m

4,0 m

3,0 m 3,0 m 3,0 m3,0 m

20 kN 20 kN

7.

100 kN

4,0 m

4,0 m

6,0 m 3,0 m

4,0 m

80 kN 60 kN

6,0 m6,0 m

3,0 m

40 kN


Exercícios




RESULTADOS

1.

2.


Exercícios

3.

4.

5.


Exercícios

6.

7.


DEPARTAMENTO DE CONSTRUÇÃO E ESTRUTURAS ENG 114 – HIPERESTÁTICA

Exercício

Para a treliça apresentada na figura abaixo, pede-se:

a) O deslocamento vertical do nó 6, positivo se para baixo; b) O deslocamento relativo entre os nós 4 e 5, positivo se de aproximação; c) A rotação da barra 9-10, positiva se horária; d) A rotação relativa entre as barras 1-3 e 1-4, positiva no sentido de aumentar o ângulo.

Dados: E = 21000 kN/cm2

Os valores entre parênteses correspondem às áreas das seções transversais das barras (cm2).

30 kN 30 kN 30 kN 30 kN 30 kN

400400 400 400

300

1 (12) (12) (12) (12)

(3) (4) (4) (3)

(10)

(6)

(6)

(6)

(10)

(5) (3)(3) (5)

3 5 7 9

24 6 8

10

a) Estado de deslocamento (b)

N b

30 kN 30 kN 30 kN 30 kN 30 kN

1 (-60) (-80) (-80) (-60)

(0) (60) (60) (0)

(-75

)

(- 4

5)

(-30

)

(- 4

5)

(-75

)(75)(25) (25

)(75

)

3 5 7 9

24 6 8

10

b) Estado de força conveniente para o cálculo de δVB (Na1)

1 (-0,667) (-1,333) (-1,333) (-0,667)

(0) (0,667) (0,667) (0)

(-0,

50)

(-0,

50)

(0)

(-0,

50)

(-0,

50)(0,833)

(0,833) (0,833)

(0,833)

3 5 7 9

24 6 8

10

1

c) Estado de força conveniente para o cálculo de δ rel 4,5

1 (0) (-0,80) (0) (0)

(0) (-0,80) (0) (0)

(0)

(-0,

60)

(-0,

60)

(0)

(0)

(0) (1,00)(0) (0)

3 5 7 9

24 6 8

10

1

1

d) Estado de força conveniente para o cálculo de φ 9-10 1 (0,0833) (0,1667) (0,1667) (0,2500)

(0) (-0,0833) (-0,250) (-0,3333)

(0,0

625)

(0)

(-0,1042)

(-0,1042) (0,1042

)

(0,1042

)

3 5 7 9

24 6 8

10

1

(0,0

625)

(-0,

0625

)

(-0,

0625

)

1/3

1/3

e) Estado de força conveniente para o cálculo de φ rel 1-3,1-4

1 (0) (0) (0) (0)

(0) (0) (0) (0)

(0)

(0,2

5)

(0)

(0)

(0)

(-0,15)

(0)(0) (0)

3 5 7 9

24 6 8

10

0,20

0,20

0,25 0,251

1

Pelo PTV → lES

NNT ba

iext Σ=

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Class. Barra l S E Nb 3 x 6 4 x 5 7/8 Na1 Na2 Na3 Na4 9 x 10 9 x 11 9 x 12 9 x 13

1-3 4,00 0,0012 2,10E+08 -60,0 -240,0 2,52E+05 -9,52E-04 -0,667 0,000 0,08333 0,000 6,35E-04 0,00E+00 -7,94E-05 0,00E+00

3-5 4,00 0,0012 2,10E+08 -80,0 -320,0 2,52E+05 -1,27E-03 -1,333 -0,800 0,16670 0,000 1,69E-03 1,02E-03 -2,12E-04 0,00E+00

5-7 4,00 0,0012 2,10E+08 -80,0 -320,0 2,52E+05 -1,27E-03 -1,333 0,000 0,16670 0,000 1,69E-03 0,00E+00 -2,12E-04 0,00E+00

7-9 4,00 0,0012 2,10E+08 -60,0 -240,0 2,52E+05 -9,52E-04 -0,667 0,000 0,25000 0,000 6,35E-04 0,00E+00 -2,38E-04 0,00E+00

2-4 4,00 0,0003 2,10E+08 0,0 0,0 6,30E+04 0,00E+00 0,000 0,000 0,00000 0,000 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00

4-6 4,00 0,0004 2,10E+08 60,0 240,0 8,40E+04 2,86E-03 0,667 -0,800 -0,08333 0,000 1,91E-03 -2,29E-03 -2,38E-04 0,00E+00

6-8 4,00 0,0004 2,10E+08 60,0 240,0 8,40E+04 2,86E-03 0,667 0,000 -0,25000 0,000 1,91E-03 0,00E+00 -7,14E-04 0,00E+00

8-10 4,00 0,0003 2,10E+08 0,0 0,0 6,30E+04 0,00E+00 0,000 0,000 -0,33330 0,000 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00

1-2 3,00 0,0010 2,10E+08 -75,0 -225,0 2,10E+05 -1,07E-03 -0,500 0,000 0,06250 0,000 5,36E-04 0,00E+00 -6,70E-05 0,00E+00

3-4 3,00 0,0006 2,10E+08 -45,0 -135,0 1,26E+05 -1,07E-03 -0,500 -0,600 0,06250 0,250 5,36E-04 6,43E-04 -6,70E-05 -2,68E-04

5-6 3,00 0,0006 2,10E+08 -30,0 -90,0 1,26E+05 -7,14E-04 0,000 -0,600 0,00000 0,000 0,00E+00 4,29E-04 0,00E+00 0,00E+00

7-8 3,00 0,0006 2,10E+08 -45,0 -135,0 1,26E+05 -1,07E-03 -0,500 0,000 -0,06250 0,000 5,36E-04 0,00E+00 6,70E-05 0,00E+00

9-10 3,00 0,0010 2,10E+08 -75,0 -225,0 2,10E+05 -1,07E-03 -0,500 0,000 -0,06250 0,000 5,36E-04 0,00E+00 6,70E-05 0,00E+00

1-4 5,00 0,0005 2,10E+08 75,0 375,0 1,05E+05 3,57E-03 0,833 0,000 -0,10420 -0,150 2,98E-03 0,00E+00 -3,72E-04 -5,36E-04

3-6 5,00 0,0003 2,10E+08 25,0 125,0 6,30E+04 1,98E-03 0,833 1,000 -0,10420 0,000 1,65E-03 1,98E-03 -2,07E-04 0,00E+00

6-7 5,00 0,0003 2,10E+08 25,0 125,0 6,30E+04 1,98E-03 0,833 0,000 0,10420 0,000 1,65E-03 0,00E+00 2,07E-04 0,00E+00

8-9 5,00 0,0005 2,10E+08 75,0 375,0 1,05E+05 3,57E-03 0,833 0,000 0,10420 0,000 2,98E-03 0,00E+00 3,72E-04 0,00E+00

Σ 0,01987 0,00179 -0,00169 -0,00080

δ VB δ rel 4,5 Φ 9-10 Φrel 1-3,1-4

(m) (m) (rad) (rad)

Dia

gona

lB

anzo

Sup

erio

rB

anzo

Inf

erio

rM

onta

nte



2ª. UNIDADE

Processo dos Esforços 1

PROCESSO DOS ESFORÇOS

1 INTRODUÇÃO

Em uma estrutura hiperestática, as condições de equilíbrio não são suficientes para a determinação dos esforços internos e das reações de apoio. Existem infinitas possibilidades de se obter o equilíbrio, daí a necessidade de se gerar equações adicionais (condições de compatibilidade ou de coerência de deslocamentos) para resolver o problema.

O Processo dos Esforços se caracteriza por procurar determinar esforços em número igual ao grau de hiperestaticidade da estrutura. Conhecidos esses esforços, chamados de incógnitas hiperestáticas, a partir das condições de equilíbrio, se determinam os esforços internos e as reações de apoio.

2 DESENVOLVIMENTO

Seja uma estrutura com grau de hiperestaticidade igual a n e submetida a uma ação externa qualquer (problema real). Pelo Processo dos Esforços, retira-se n vínculos para se obter uma estrutura isostática. Como o problema real não pode alterado, devem ser adicionados os esforços correspondentes aos vínculos retirados F1, F2, ... , Fj, ... , Fn, que são as incógnitas hiperestáticas.

O problema real (r) é agora um conjunto de ações em uma estrutura isostática (ação externa qualquer mais cada uma das incógnitas hiperestáticas Fj). Pela superposição de efeitos, esse problema real pode ser a soma da ação externa (problema 0), mais a superposição dos problemas correspondentes à aplicação de cada um dos Fj separadamente (problema 1, problema 2, ... , problema j, ..., problema n).

1 j n

1F jF nF

O valor de Fj pode ser colocado em evidência e superposto a um problema (j) correspondente a uma

força unitária na direção e sentido de Fj.


1j n

11

n

1 j1

F1 jF nF

X F1

jX F

nX F

(1)

(0)

(r)

(j)

(n)

≅

+

+

+

+

+

Assim,

)n(F)j(F)1(F)0()r( nj1 +⋅⋅⋅++⋅⋅⋅++= (1)

e,

)n(EF)j(EF)1(EF)0(EE nj1 +⋅⋅⋅++⋅⋅⋅+⋅+= (2)

Sabe-se do problema real (r) que os vínculos retirados existem, isto é, os deslocamentos na direção dos vínculos retirados são conhecidos, nulos ou não.

Sendo δ jk o deslocamento na direção e sentido de Fj no problema (k) qualquer, pelas condições de

compatibilidade ou de coerência de deslocamentos, tem-se:

δ+⋅⋅⋅+δ+⋅⋅⋅+δ+δ=δ

δ+⋅⋅⋅+δ+⋅⋅⋅+δ+δ=δ

δ+⋅⋅⋅+δ+⋅⋅⋅+δ+δ=δ

nnnnjj1n10nnr

jnnjjj1j10jjr

n1nj1j11110r1

FFF

FFF

FFF

M

M (3)

Pelo Teorema da Reciprocidade dos Deslocamentos (ou Teorema de Maxwell), sabe-se que:

kjjk δ=δ


Os deslocamentos δ jr são definidos no problema real (r) e conhecidos δ jk podem ser determinados

pelo Princípio dos Trabalhos Virtuais. Portanto, pode-se resolver o sistema de equações (Eq.3) e determinar as incógnitas hiperestáticas F1, ..., Fj, ... ,Fn. E com a solução do problema real (r), que consiste na solução de uma estrutura isostática, obtém-se os esforços internos e as reações de apoio da estrutura hiperestática, utilizando-se a eq.(2)

Exemplo: Resolver a viga da figura abaixo, com grau de hiperestaticidade igual a 2.

p

Retirando-se os vínculos internos correspondentes à força vertical, tem-se:

1

1

F1 2F

X F1

2X F

(1)

(0)

(r)

(2)

≅

+

p

δ10 20δ

δ2111δ

δ2212δ

≅

+

De acordo com os vínculos retirados, as condições de compatibilidade de deslocamentos são:

=δ

=δ

0

0

r2

r1 ⇒

=δ+δ+δ=δ

=δ+δ+δ=δ

0FF

0FF

22221120r2

12211110r1

Calculando-se os δ jk utilizando-se o Princípio dos Trabalhos Virtuais e resolvendo-se o sistema de

equações determinam-se as incógnitas hiperestáticas F1 e F2. Então, a partir da eq.(2), podem ser obtidos os esforços internos e as reações de apoio da estrutura hiperestática.

Estruturas Sobre Apoios Elásticos 1

ESTRUTURAS SOBRE APOIOS ELÁSTICOS

1 APOIOS ELÁSTICOS DISCRETOS

a) APOIO EM MOLA (Equivale estaticamente a um apoio móvel)

Um apoio é dito elástico quando, sob a ação de uma força F, sofre um deslocamento δ na direção desta força.

P

l

A B

O apoio em mola, representado pelo apoio B da figura acima, é definido numericamente pela

constante r (constante de mola), que representa a razão entre a força aplicada na mola e o deslocamento

nela produzido por esta força. r é constante, por se considerar comportamento linear, e é chamado de rigidez da mola.

δ

=F

r (1)

na qual, F é a força absorvida pelo apoio e δ é o deslocamento sofrido pelo apoio

b) ENGASTE ELÁSTICO (Equivale estaticamente a um engaste perfeito)

Um engaste é dito elástico quando, sob a ação de um momento M, sofre uma rotação ? . Ele é representado como indicado no apoio B da figura abaixo.

P

l

A B

O engaste elástico é definido pela constante de engastamento elástico R, ou rigidez da mola. R é dado por:

θ

=M

R (2)

na qual, M é o momento absorvido pelo engaste e θ é a rotação sofrida pelo engaste.

2 TRABALHO INTERNO DOS APOIOS ELÁSTICOS

a) APOIO EM MOLA

Seja Fa uma força virtual (estado de força conveniente) e δ b um deslocamento real (estado de deslocamento) de um apoio em mola. Pelo Princípio dos Trabalhos Virtuais, o trabalho interno é dado por:

rFF

FW baba =δ=

Estruturas Sobre Apoios Elásticos 2

Já que, a partir de (1), tem-se que:

r

Fbb =δ

b) ENGASTE ELÁSTICO

Seja Ma um momento virtual (estado de força conveniente) e θb uma rotação real (estado de deslocamento) de um engaste elástico. Pelo Princípio dos Trabalhos Virtuais, o trabalho interno é dado por:

RMM

MW baba =θ=

Já que, a partir de (2), tem-se que:

R

Mbb =θ

OBSERVAÇÕES

a) O apoio elástico estaticamente equivalente ao apoio fixo é resultante da associação de duas molas

P

l

A B

b) Pode-se ter um apoio totalmente elástico

P

l

A B

c) Associação entre apoio rígido e apoio elástico

Apoio Rígido Apoio Elástico

Simplificações Devidas à Simetria 1

SIMPLIFICAÇÕES DEVIDAS À SIMETRIA

1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS

No caso de estruturas simétricas, com carregamento simétrico ou antimétrico, é possível se fazer algumas simplificações que podem implicar na diminuição do número de incógnitas hiperestáticas, ou mesmo reduzir a estrutura de tal forma que se possa calcular uma estrutura muito menor que a original.

1.1 Estrutura Simétrica com Carregamento Simétrico

l1 2l 1l

q

q

l1l 2 l1

F1 F1

≅

≅

l

q

l1 2

≅

q

l1

F1

/ 2

/ 2l2

(r)

(r)

(s)

(s)


1.2 Estrutura Simétrica com Carregamento Antimétrico

1l

q

F1

F1≅

≅

ll1 2

≅

l1

F1

/ 2

/ 2l2

(r)

(r)

(a)

(a)

l / 22

l1 l2 / 2

q

q

q

l l/ 22 1

l1 l / 22

q

q

1.3 Estrutura Simétrica com Carregamento Qualquer

O carregamento real (r) de uma estrutura simétrica pode ser colocado como a soma de um carregamento simétrico (s) e um carregamento antimétrico (a)

q

(r)

P P

MM

P/2 qP

M/2(s)

M/2

P/2q/2 q/2

P/2q/2

M/2

q/2P/2

M/2(a)

M

=+


2 ALGUMAS REGRAS PARA A REDUÇÃO DA ESTRUTURA

2.1 Plano de Simetria Perpendicular a uma Barra

Os esforços internos, no plano de simetria, podem ser classificados como simétricos e antimétricos.

Esforços simétricos: M e N Esforços antimétricos: V

M

VN

M

NV

Regras: • No problema simétrico são nulos os esforços antimétricos no plano de simetria. • No problema antimétrico são nulos os esforços simétricos no plano de simetria. • No plano de simetria são nulos os deslocamentos correspondentes aos esforços não nulos do

problema simétrico ou antimétrico:

Problema Esforços não nulos Deslocamentos nulos Apoio Equivalente

Simétrico M e N φ e δH Engaste móvel

Antimétrico V δV Apoio móvel

2.2 Plano de Simetria Contendo o Eixo de uma Barra

Estrutura espacial

2.3 Grau de Hiperestaticidade das Estruturas Reduzidas

Numa estrutura simétrica submetida a um carregamento qualquer, a soma dos graus de hiperestaticidade da estrutura simétrica reduzida com o grau de hiperestaticidade da estrutura antimétrica reduzida é igual ao grau de hiperestaticidade da estrutura original.

3 EXEMPLO

Traçar o diagrama de momentos fletores para o pórtico abaixo. EI = cte.

4,0 m 4,0 m

3,0

m3,

0 m

20 kN/m

(r)


Esquema de solução:

4,0 m 4,0 m

3,0

m3,

0 m

4,0 m 4,0 m

3,0

m3,

0 m

4,0 m 4,0 m

3,0

m3,

0 m

20 kN/m

10 kN/m

10 kN/m

10 kN/m

(r)

(s)

(a)

=

+


a) Parte Simétrica

4,0 m

3,0

m3,

0 m

10 kN/m

• Estrutura básica e esquema da solução:

10 kN/m

F1

2F

(r)

(0)

10 kN/m

=

1

x F (1)+

1

+1 x F (2)2

=−=

kNm 80,0FkNm 6,25F

2

1


b) Parte Antimétrica

10 kN/m

3,0

m3,

0 m

4,0 m

• Estrutura básica e esquema da solução:

10 kN/m

F1

(r) (0)

10 kN/m

=

1

x F (1)+ 1

kNm 1,7F1 =

• Diagramas de momentos fletores:

Parte simétrica (kNm)

26,8

25,6

20

25,6

26,8

0,8

20


Parte antimétrica (kNm)

7,1

7,1

20

7,1

7,1

7,1

7,1

20

Diagrama final (kNm)

33,9

18,5

40

32,7

19,7

0,8

Processo dos Esforços: Aplicação em Vigas Contínuas 1 Exercícios


ENG 114 – HIPERESTÁTICA Calcular as reações de apoio e traçar os diagramas de esforços solicitantes para as vigas apresentadas a seguir. 1)

20 kN/m

6 m 5 m4 m

2)

10 kN/m

5 m 5 m4 m

3,5 m 2 m 5 m1,5 m 2 m

40 kN 40 kN

50 kNm

3)

6 m 6 m4 m

6 m 2 m 2 m2 m

50 kN

15 kN/m

60 kN 60 kN

2 m 2 m

4)

6 m 5 m4 m

6 m 2 m 2 m

75 kN

20 kN/m

4 m 2 m

75 kN

4 m

3 m

Lista de Exercícios – Processo dos Esforços aplicado às Vigas 1) Estrutura

Reações de apoio:

Diagrama de esforços cortantes:

Diagrama de momentos fletores:

2) Estrutura

Reações de apoio:



3) Estrutura

Reações de apoio:



4) Estrutura

Reações de apoio:



Processo dos Esforços: Aplicação em Vigas Contínuas Submetidas a Cargas Externas e Variação de Temperatura Exercícios



Calcular as reações de apoio e traçar os diagramas de esforços solicitantes para as vigas apresentadas a seguir. Observar que elas estão submetidas, além do carregamento ilustrado, a variação de temperatura Considerar os seguintes dados: E = 2500 kN/cm2, I = 360000 cm4, α =10-5/ ºC e h = 60 cm

1)

20 kN/m

6 m 5 m4 m

∆Ti = 16 Co ∆Ti = 22 Co ∆Ti = 18 Co

∆Ts = 40 Co

o∆Ts = 40 C ∆Ts = 40 Co

2)

10 kN/m

5 m 5 m4 m

3,5 m 2 m 5 m1,5 m 2 m

40 kN 40 kN

50 kNm∆T = 60 Cio

∆T = 20 Cso ∆T = 20 Co

s ∆T = 20 Cso

∆T = 60 Cio ∆T = 60 Ci

3)

6 m 6 m4 m

6 m 2 m 2 m2 m

50 kN

15 kN/m

60 kN 60 kN

2 m 2 m

∆T = 45 Cso

∆T = 15 Cio ∆T = -5 Ci

o o∆T = 15 Ci

∆T = 15 Cso ∆T = 60 Cs

o

4)

6 m 5 m4 m

6 m 2 m 2 m

75 kN

20 kN/m

4 m 2 m

75 kN

4 m

3 m

∆T = 25 Cio

s∆T = 25 Co

∆T = 25 Cio ∆T = 15 Ci

o ∆T = 40 Cio

o∆T = 40 Cs∆T = 40 Cos ∆T = 15 Co

s

Processo dos Esforços: Aplicação em Vigas Contínuas Submetidas a Cargas Externas e Variação de Temperatura 1 Exercícios


ENG 114 – HIPERESTÁTICA Calcular as reações de apoio e traçar os diagramas de esforços solicitantes para as vigas apresentadas a seguir. Observar que elas estão submetidas, além do carregamento ilustrado, a variação de temperatura Considerar os seguintes dados: E = 2500 kN/cm2, I = 360000 cm4, α =10-5/ ºC e h = 60 cm

Resultados

1) Somente a ação da variação de temperatura

Reações de apoio:



Somente a ação das cargas externas

Reações de apoio:




Ação conjunta da variação de temperatura e das cargas externas

Reações de apoio:





Reações de apoio:




Reações de apoio:





Reações de apoio:





Reações de apoio:




Reações de apoio:





Reações de apoio:




Reações de apoio:




Reações de apoio:

Processo dos Esforços: Aplicação em Vigas Contínuas Submetidas a Cargas Externas e Variação de Temperatura

Exercícios




Calcular as reações de apoio e traçar os diagramas de esforços solicitantes para as vigas apresentadas a seguir.

Observar os recalques e as variações de temperatura informadas. Considerar os seguintes dados: E = 2500 kN/cm2,

I = 360000 cm4, α =10-5/ ºC e h = 60 cm

1) Sabe-se que, além do carregamento indicado na figura, o apoio B sofre um recalque vertical de 1,6 cm, e o

apoio C sofre um recalque vertical de 2,8 cm, ambos para baixo.

20 kN/m

6 m 5 m4 m

2) Sabe-se que, além do carregamento indicado na figura, os apoios A e D sofrem recalques verticais de 2 cm,

para baixo.

10 kN/m

5 m 5 m4 m

3,5 m 2 m 5 m1,5 m 2 m

40 kN 40 kN

50 kNm

3) Sabe-se que, além do carregamento indicado na figura, o apoio A sofre um recalque rotacional de 10-3 rad,

no sentido horário, e os apoios B e C sofrem recalques verticais, para baixo, de 2,5 cm e 1,8 cm,

respectivamente.

6 m 6 m4 m

6 m 2 m 2 m2 m

50 kN

15 kN/m

60 kN 60 kN

2 m 2 m

Processo dos Esforços: Aplicação em Vigas Contínuas Submetidas a Cargas Externas e Variação de Temperatura

Exercícios

4) Sabe-se que, além do carregamento e da variação de temperatura indicados na figura, os apoios B e D

sofrem recalques verticais, para baixo, de 3 cm e 2,1 cm, respectivamente.

6 m 5 m4 m

6 m 2 m 2 m

75 kN

20 kN/m

4 m 2 m

75 kN

4 m

3 m

∆T = 25 Cio

s∆T = 25 Co

∆T = 25 Cio ∆T = 15 Ci

o ∆T = 40 Cio

o∆T = 40 Cs∆T = 40 Cos ∆T = 15 Co

s

Processo dos Esforços: Aplicação em Vigas Contínuas Submetidas a Cargas Externas e Variação de Temperatura 1

Exercícios




Resultados

1) Somente a ação dos recalques

Reações de apoio:



Ação conjunta do carregamento e dos recalques de apoio

Reações de apoio:



Exercícios


2) Somente a ação dos recalques

Reações de apoio:




Reações de apoio:


Exercícios



3) Somente a ação dos recalques de apoio

Reações de apoio:




Exercícios


Reações de apoio:



4) Somente a ação dos recalques de apoio

Reações de apoio:



Exercícios


Ação conjunta de todas as ações

Reações de apoio:



1



1. Para a estrutura apresentada a seguir, traçar os diagramas dos esforços solicitantes.

Dado EI = 81000 kNm2

20 kN/m

80 kN

A

100 kN

B

C

D

1,5 m1,5 m 2 m4 m

2 m

2 m

2. Para a estrutura apresentada a seguir, traçar os diagramas dos esforços solicitantes.


1,5 m

4 m2 m2 m 2 m

3 m

3 m

1,5 m

20 kN/m

80 kN

A

100 kN

B

D

F

C

E

2

3. Para o pórtico apresentado na figura a seguir, traçar os diagramas dos esforços solicitantes,

considerando: a) O carregamento indicado na figura. b) Uma rotação de 2,5 × 10-3 rad (sentido horário) no apoio D e um recalque vertical de

3 cm no apoio A. c) Uma variação de temperatura de -15ºC nas fibras internas e uma variação de

temperatura de 35ºC nas fibras externas. d) Todas as ações anteriores agindo simultaneamente.

Dados: E = 3000 kN/cm2 α = 10-5/ºC Seção transversal da viga: b = 15 cm e h = 50 cm Seção transversal dos pilares: b = 20 cm e h = 50 cm

25 kN/m

A

B 60 kN

50 kN/m

C

D

6 m

2,5 m

4 m

1,5 m60°

4. Traçar os diagramas dos esforços solicitantes para o pórtico abaixo. Sabe-se que, além do

carregamento indicado, ele está submetido a uma variação de temperatura de 80ºC nas fibras internas, e de 35ºC, nas fibras externas.

Dados: E = 2500 kN/cm2 α = 10-5/ºC Seção transversal: b = 20cm e h = 40cm

A

B

D

C

2,0 m

2,0 m

10 kN/m

50 kN

60 kN

2,0 m

2,0 m

5,0 m 1,5 m1,5 m

3

5. Para a estrutura apresentada a seguir, traçar o diagrama de momentos fletores causados por

um acréscimo uniforme de temperatura de 60 ºC, e por um recalque horizontal de 1,2 cm,

para a esquerda, do apoio A.

Dados: E = 3000 kN/cm2 I = 270000 cm4 α = 10-5/ºC h = 60 cm r = 2,6×103 kN/m

5 m

4 m

3 m

A

B C

D

6. Traçar os diagramas de esforços solicitantes para o pórtico abaixo.

Dados: E = 2,05 × 108 kN/m2 I = 292130 cm4 R = 2,0 × 103 kNm/rad

r1 = 2,5 × 103 kN/m r2 = 1,5 × 103 kN/m

4,0 m

2,0 m

5,0 m

A

B C

D

r1

r2

R

25 kN/m

30 kN

7. Para a estrutura apresentada a seguir, traçar o diagrama de momentos fletores.

Dados: Estrutura fletida: EI = 67500 kNm2

Barra simples: ES = 100630 KN

Apoios elásticos: r1 = 2000 kN/m r2 = 1500 kN/m

20 kN/m

r12r

80 kN

4 m 3 m5 m

3 m

4 m

A

B C

D

4

8. Para a estrutura apresentada a seguir, traçar o diagrama de momentos fletores.

Dados: Estrutura fletida: EI = 156250 kNm2 Barra simples: ES = 103083,5 KN

Apoios elásticos: r1 = 2000 kN/m r2 = 1500 kN/m

20 kN/m

r12r

50 kN

A B C

D

80 kN

E

2 m8 m 8 m

3 m

3 m

9. Para a treliça apresentada a seguir, calcular o deslocamento vertical do nó C causado:

a) pelo carregamento indicado na figura, b) por um acréscimo de temperatura de 80ºC, em todas as barras. c) pela ocorrência simultânea da ações citadas nos itens a e b.

Dados: E = 2,05×108 kN/m2 α = 1,2×10-5/ºC φ = 25,4 mm

2 m2 m

1,5 m

50 kN

1,5 m

A B

C

D

10. Calcular os esforços normais nas barras da treliça apresentada a seguir. Sabe-se que ela está

submetida a um acréscimo uniforme de temperatura de 60ºC.

Dados: E = 21000 kN/cm2 A = 16,6 cm2 α = 1,2×10-5 /ºC

r1 = 3,6×105 kN/m r2 = 3,0×105 kN/m

3 m

4 m 4 m

r = 3,6x10 kN/m15

5r = 3,0x10 kN/m2 12

3 4 5

5

11. Para a estrutura apresentada a seguir, calcular as reações de apoio e os esforços normais nas

barras, e traçar o diagrama dos momentos fletores.

Dados: Estrutura fletida: E = 3000 kN/cm2 Seção transversal:

=

=

cm 60 hcm 20 b

Barras simples: Eb = 21000 kN/cm2 φ = 32 mm

2 m2 m2 m 2 m2 m2 m

1,5 m

50 kN 50 kN 50 kN

12. Utilizando as simplificações devidas à simetria, traçar os diagramas dos esforços solicitantes

do pórtico apresentado a seguir. Dados: E = 3000 kN/cm2 b = 20cm h = 60cm

A

B

20 kN/m

D

E

3 m

2 m

5 m

3 m

3 m

50 kN 60 kN

C

13. Para o pórtico abaixo, traçar os diagramas de esforços solicitantes e calcular o deslocamento

vertical do meio do trecho BC.

Dados: E = 3000 kN/cm2 b = 20cm h = 60cm

A

B

D

C

6,0 m

3,0 m

2,0 m

20 kN/m

80 kN

6


deslocamento horizontal do ponto F.


4 m4 m3 m 4 m

2 m

4 m

2 m

A B

C D

F

E

10 kN/m

50 kN

15. Para a estrutura abaixo, traçar o diagrama dos momentos fletores e calcular os esforços normais nas

barras simples. Sabe-se que, além do carregamento indicado na figura, as barras simples sofrem um acréscimo de temperatura de 30ºC.

Dados: Chapa: E = 3000 kN/cm2 α = 1,0×10-5/ºC

I = 428750 cm4 (b = 15cm e h = 70cm)

Barras simples: E = 20500 kN/cm2 α = 1,2×10-5/ºC φ= 75mm

Apoio elástico: r = 5000 kN/m

20 kN/m

A

C

50 kN

B

D E

1,5 m3 m 1,5 m

3 m

1 m

7

16. Para a estrutura abaixo, traçar o diagrama dos momentos fletores. Sabe-se que a estrutura está

submetida ao carregamento e à variação de temperatura indicados na figura.

Dados: E = 3000 kN/cm2 α = 1,0×10-5/ºC r = 5000 kN/m

Trechos AD e BE: I = 450000 cm4 (b = 25cm e h = 60cm)

Trechos CD e DE: I = 270000 cm4 (b = 15cm e h = 60cm)

32 kN/m

A

D E

B

5 m4 m

5 m

3 m

C

∆T = 20 ºC

i

∆T = 20 ºCi

∆T = 48 ºC

s

i∆T = 20 ºC

∆T = 20 ºC

i

∆T = 48 ºCs

∆T = 48 ºC

∆T = 20 ºC

i s

75 kN

3,5 m

1,5 m

1

RESPOSTAS 1ª Questão: N (kN)

V (kN)

M (kNm)

2

2ª Questão: N (kN)

V (kN)

3

M (kNm)

3ª Questão: a) N(kN) V(kN)

4

M (kNm)

b) N(kN) V(kN)

M (kNm)

5

c) N(kN) V(kN)

M (kNm)

d) N(kN) V(kN)

M (kNm)

6

4ª Questão: N(kN)

V(kN)

M (kNm)

7

5ª Questão: M (kNm)

6ª Questão: N (kN) V (kN)

M (kNm)

8



9ª Questão: a) δVc = 0,167 cm b) δVc = 0

9

10ª Questão: N (kN) e reações de apoio (kN)

11ª Questão: N (kN) e reações de apoio (kN)

M (kNm)

12ª Questão: Diagramas da parcela simétrica da estrutura N (kN)

10

V (kN)

M (kNm)

Diagramas da parcela antimétrica da estrutura N (kN)

V (kN)

11

M (kNm)

Diagramas dos esforços solicitantes da estrutura N (kN)

V (kN)

M (kNm)

12

13ª Questão: Diagramas dos esforços solicitantes da estrutura N (kN)

V (kN)

M (kNm)

Deslocamento vertical do meio do trecho BC: 0,0424cm

13

14ª Questão: Diagramas dos esforços solicitantes da estrutura N (kN)

V (kN)

M (kNm)

Deslocamento horizontal do ponto F: 2 cm

14


N (kN)




3ª. UNIDADE

ENG – 114 HIPERESTÁTICA 1 Processo dos Deslocamentos

PROCESSO DOS DESLOCAMENTOS

1 CONCEITOS BÁSICOS

1.1 DESLOCABILIDADE

Para as estruturas planas, cada nó pode apresentar:

• Dois deslocamentos lineares

• Um deslocamento angular (rotação)

1.1.1 Deslocabilidade Interna

Para a estrutura apresentada na figura, são desconhecidos os deslocamentos dos nós B e C.

A

B C D

Para o nó C, sabe-se que:

• Não apresenta deslocamento vertical, impedido pelo apoio móvel;

• Não apresenta deslocamento linear horizontal, impedido pelo engaste em D (desprezam-

se as deformações axiais das barras).

⇒ Única incógnita = rotação

Para o nó B, sabe-se que:

• Não apresenta deslocamento vertical, impedido pelo engaste em A;

• Não apresenta deslocamento linear horizontal, impedido pelo engaste em D.

⇒ Única incógnita = rotação

Portanto, a estrutura apresenta duas deslocabilidades internas que são as rotações dos B e C.

Número igual ao de nós internos rígidos (não rotulados).

Assim, o número de deslocabilidade interna, di, de uma estrutura, é igual ao número

de nós internos rígidos que ela possui.


1.1.2 Deslocabilidade Externa

Seja a estrutura apresentada a seguir.

A

D E

B

F

G

C

Ela não possui nós internos rígidos, logo não existem deslocabilidades internas.

Para o nó D, sabe-se que:

• Não apresenta deslocamento linear vertical, impedido pelo engaste em A.

⇒ Única incógnita = deslocamento linear horizontal

Para o nó G, sabe-se que:

• Não apresenta deslocamento linear vertical, impedido pelo engaste em C.

⇒ Única incógnita = deslocamento linear horizontal

Admitindo a existência de apoios adicionais do 1o gênero nesses nós, eles se tornariam

linearmente indeslocáveis, o que acarretaria, também a indeslocabilidade linear dos nós E e F.

A

D E

B

F

G

C

Assim, o número de deslocabilidade externa, de, de uma estrutura é igual ao número de

apoios do 1o gênero que nela precisam ser adicionados, para que todos os seus nós tornem-se

indeslocáveis.


As estruturas que possuem deslocabilidades externas são chamadas de estruturas

deslocáveis, e aquelas que não as possuem, mesmo apresentando deslocabilidade internas, são

chamadas estruturas indeslocáveis.

1.1.3 Número Total de Deslocabilidades

O número total de deslocabilidades, d, de uma estrutura, é dado pela soma do número de

deslocabilidade interna, di, e externas, de. Assim,

ei ddd +=

1.1.4 Exemplos

ei ddd +=

523d =+=

ei ddd +=

523d =+=

ei ddd +=

303d =+=


ei ddd +=

734d =+=

ei ddd +=

514d =+=

ei ddd +=

312d =+=


1.2 RIGIDEZ DE UMA BARRA

A rigidez de uma barra, em um nó, corresponde ao momento fletor que, aplicado neste nó,

suposto livre para girar, provoca uma rotação unitária do mesmo.

1.2.1 Barra Biengastada

Resolvendo a viga abaixo, admitindo-se que em A é imposta uma rotação unitária, tem-se

l

A B

a) Estrutura básica e esquema de solução

A B

φ = 1

(r)

A

φ = 1

(r)

BF1 F2

A B

(0)

A

(1)

B1

x F1

1(2)

A Bx F2

b) Equações de compatibilidade de deslocamentos

=φ=φ

01

r2

r1 ⇒

=φ+φ+φ=φ+φ+φ

0FF

1FF

22212120

21211110

c) Cálculo das rotações

M(0) = 0

M(1) M(2)

1 1

0EI 10 =φ 0EI 20 =φ

311

31

EI 11l

l =⋅⋅⋅=φ 3

1131

EI 22l

l =⋅⋅⋅=φ

611

61

EIEI 2112l

l =⋅⋅⋅=φ=φ


d) Solução do sistema de equações

=φ=φ

0EIEIEI

r2

r1 ⇒

=++

=++

0F3

F6

0

EIF6

F3

0

21

21

ll

ll

⇒

−=

=

l

lEI2

F

EI4F

2

1

e) Diagrama de momentos fletores

4EIl

l2EI

f) Conclusões

Assim, para uma barra biengastada, com EI = cte, sua rigidez em um nó de sua

extremidade é:

lEI4

k =

Pode-se observar que em conseqüência do surgimento do momento fletor igual a lEI4

,

na extremidade que sofreu a rotação unitária, apareceu um momento fletor igual à metade de seu

valor, lEI2

, na outra extremidade da barra, e de mesmo sentido vetorial que a rotação unitária e

do momento que o provocou. Portanto, o coeficiente de transmissão de momentos, t, de um nó

engastado para outro nó também engastado, em uma barra com EI = cte, é dado por:

5,0EI4

EI2

MM

tA

BAB ===

l

l

g) Resumindo, para uma barra biengastada tem-se

Rigidez de um nó engastado: lEI4

k =

Coeficiente de transmissão de momentos para nós engastados: t = 0,5


1.2.2 Barra Engastada e Apoiada

Seja a viga a seguir, para a qual, no nó A, é imposta uma rotação unitária. Tem-se, então:

l

A B


A B

φ = 1

(r) (0)

BF1

A

(1)

A Bx F1

1

b) Equação de compatibilidade de deslocamentos

1r1 =φ ⇒ 1F11110 =φ+φ


M(0) = 0 M(1)

1

0EI 10 =φ

311

31

EI 11l

l =⋅⋅⋅=φ


EIEI r1 =φ ⇒ EIF3

0 1 =+l

⇒ lEI3

F1 =


3EIl


f) Conclusões

Assim, para o nó engastado de uma barra engastada e rotulada, com EI = cte, sua rigidez

é:

lEI3

k =

1.3 MOMENTOS FLETORES DEVIDOS A DESLOCAMENTOS ORTOGONAIS

1.3.1 Barra Biengastada

Seja a viga biengastada, apresentada na figura a seguir. Considerando que o apoio em B

sofre um deslocamento vertical unitário, para baixo, tem-se

l

A B

1


(r)

B 1

A A

1

(r) B

F1

F2

A

1

(0) B

F1

x F 1

(1)

A

1

(2)

Aφ10

φ20

1

2x FB B

b) Equações de compatibilidade de deslocamentos

=φ=φ

00

r2

r1 ⇒

=φ+φ+φ=φ+φ+φ

0FF

0FF

22212120

21211110


M(0) = 0 M(1) M(2)

1 1


l1

10 −=φ ⇒ lEI

EI 10 −=φ

l1

20 =φ ⇒ lEI

EI 20 =φ

311

31

EI 11l

l =⋅⋅⋅=φ 3

1131

EI 22l

l =⋅⋅⋅=φ

611

61

EIEI 2112l

l =⋅⋅⋅=φ=φ


=φ=φ

0EI0EI

r2

r1 ⇒

=++

=++−

0F3

F6

EI

0F6

F3

EI

21

21

lll

lll ⇒

−=

=

22

21

EI 6F

EI 6F

l

l

e) Diagrama de momentos

6EIl

6EI

2

2l

1.3.2 Barra Engastada e Rotulada

Seja a viga, apresentada na figura a seguir. Considerando que o apoio em B sofre um

deslocamento vertical unitário, para baixo, tem-se

l

A B

1


A

B1

(r)

A

1

(0)

BF1

φ10

B

A

1

x F1

(1)


b) Equação de compatibilidade de deslocamentos

0r1 =φ ⇒ 0F11110 =φ+φ


M(0) = 0 M(1)

1

l1

10 −=φ ⇒ lEI

EI 10 −=φ

311

31

EI 11l

l =⋅⋅⋅=φ


0EI r1 =φ ⇒ 0F3

EI1 =+−

ll

⇒ 21EI3

Fl

=


3EIl 2

2 O PROCESSO DOS DESLOCAMENTOS

É semelhante ao processo dos esforços, trocando-se:

• Retirada de vínculos por introdução de vínculos;

• Esforços por deslocamentos;

• Compatibilidade de deslocamentos por compatibilidade de esforços

• Estrutura básica estaticamente determinada por estrutura básica geometricamente

determinada

A idéia básica do processo dos deslocamentos é adicionar vínculos para se recair em uma

estrutura básica geometricamente determinada, com grau de hiperestaticidade maior do que a

estrutura real, mas mais simples de se resolver.

O número de vínculos que devem ser adicionados é igual ao número total de

deslocabilidades, d


Seja o caso de se resolver uma estrutura com número total de deslocabilidades igual a n,

submetida a uma solicitação qualquer.

Adicionam-se n vínculos de forma que a estrutura real r se torne geometricamente

determinada. O problema real r não se altera desde que os vínculos imponham exatamente os

mesmos deslocamentos ∆1, ∆2, ..., ∆n impedidos. Esses deslocamentos são inicialmente

desconhecidos

1

1

∆1 n∆

x ∆1

nx ∆

(1)

(0)

(r)

(n)

≅

+

p

f10 n0f

f n111f

f n212f

≅

+

...

...

...

...

...

p

p

f nr1rf

... ...

+

Valendo a superposição de efeitos e a proporcionalidade entre causa e efeito, o problema

real (r) pode ser expandido numa soma de problema, (0), (1), (2), ..., (j), ..., (n), sobre a mesma

estrutura básica, cada uma correspondente a uma solicitação, ou seja:

(r) = (0) + (1) ∆1 + (2) ∆2 + ... + (j) ∆j + ... + (n) ∆n (A)

Qualquer efeito E(r), então, pode ser determinado a partir de:

E(r) = E(0) + E(1) ∆1 + E(2) ∆2 + ... + E(j) ∆j + ... +E (n) ∆n (B)


Sendo fjk a força na direção e sentido de ∆j no problema (k), tem-se que:

∆++∆++∆+=

∆++∆++∆+=

∆++∆++∆+=

nnnjnj11n0nnr

njnjjj11j0jjr

n1nj1j11110r1

f f fff

f f fff

f f fff

LLM

LLM

LL

(C)

Sendo as forças fjr definidas, geralmente nulas, e as forças fjn, as forças de bloqueio dos

deslocamentos impostos na estrutura básica (reações nos vínculos adicionados), a solução do

sistema de equações (C), permite calcular os deslocamentos ∆j, e com a equação (B), resolver o

problema.

Processo de Cross 1

PROCESSO DE CROSS

1 INTRODUÇÃO

Seja o nó D da estrutura indeslocável abaixo, submetido a um momento M. A

B

CD 1

2

3

M

O nó D irá girar de um ângulo φ, aparecendo, então, nas extremidades das barras os momentos M1, M2 e M3. A

B

CD 1

2

3

M1

2M

M 3

φ

φφ

Pela definição de rigidez:

φ= D11 KM φ= D

22 KM φ= D33 KM (A)

Por compatibilidade estática:

MMMM 321 =++

ou,

( ) M KKK D3

D2

D1 =φ++

logo,

∑ =φ MKDi

Assim,

∑

=φDiK

M (B)

Processo de Cross 2

Substituindo-se (B) em (A), tem-se:

MK

KM

Di

D1

1 ∑= M

KK

MDi

D2

2 ∑= M

KK

MDi

D3

3 ∑=

Portanto, de uma maneira geral, pode-se escrever:

MK

KM

i

ii ∑

=

Portanto, uma carga momento, aplicada em um nó de uma estrutura indeslocável, irá se distribuir entre as

diversas barras concorrentes neste nó segundo parcelas proporcionais à rigidez, neste nó, da cada uma das

barras.

Chamando-se de coeficiente de distribuição de momentos, a relação entre a rigidez de uma barra em um nó e

o somatório de todas as rigidezes das barras concorrentes neste nó, ou seja:

∑=

i

ii K

Kd

tem-se, desta forma:

MdM ii =

OBSERVAÇÕES:

1. A soma dos coeficientes de distribuição de momentos di, em torno de um nó, é sempre igual a 1.

2. Com M no sentido anti-horário, para que haja equilíbrio M1, M2 e M3, no nó D, têm sentido horário,

conseqüentemente, M1, M2 e M3, nas barras 1, 2 e 3, respectivamente, têm sentido anti-horário. Portanto,

os momentos equilibrantes em torno de um nó têm sinais opostos ao do momento atuante no nó, sendo

seus módulos dados por:

MdM ii =

1

2

3

M1

2M

M 3

M 2

1MM 3

M

D

Processo de Cross 3

2 DESENVOLVIMENTO

O procedimento descrito a seguir só é válido para estruturas indeslocáveis.

Resolver o seguinte pórtico para o qual EI = constante

B

CD1 2

3

q

ll1 2

3l

A

O pórtico possui uma deslocabilidade interna no nó D. Assim, colocando-se uma chapa neste nó, obtem-se:

A

B

CD q l2

12q l12

22 2

Liberando-se a rotação da chapa, o nó D funcionará como tendo uma carga momento igual a 12q

M2l

= , no

sentido horário, (ação da barra 2 sobre o nó A). Assim, para que haja equilíbrio surgem os momentos d1M,

d2M e d3M, no nó D, no nó D, e, conseqüentemente d1M, d2M e d3M, nas barras 1, 2 e 3, respectivamente.

D

q l2

122M =

d M2

d M2

3d M

d M1

d M1

d M3

Processo de Cross 4

Assim, obtêm-se os seguintes momentos nas extremidades das barras:

A

B

CD

q l2

12q l12

22 2= M = - M

-d M2

1-d M

3-d M

-d M3

2-d M

-d M12

2

2 E, a estrutura está, assim, resolvida, sendo os momentos nos nós apresentados a seguir.

A

B

CD

1-d M

3-d M

-d M3

- M 1 + -d M1

2

2

d 22

2M(1- d )

E o diagrama de momentos fletores assume a seguinte forma:

1-d M

3-d M

-d M3

- M 1 +

-d M12

2

d 22

2M(1- d )

1



Utilizar o Processos dos Deslocamentos

1. Traçar os diagramas dos esforços solicitantes para a viga apresentada a seguir.

Dado: E = 2,1×107 kN/m2

A B C

3 m 3 m 5 m 6 m

D

50 kN100 kN

I = 0,01 m4 I = 0,006 m4

20 kN/m

2. Traçar o diagrama de momentos fletores para a viga apresentada a seguir.

Dados: E = 2500 kN/cm2 I = 360000 cm4

6 m 6 m4 m

6 m 2 m 2 m2 m

50 kN

15 kN/m

60 kN 60 kN

2 m 2 m

3. Traçar o diagrama dos momentos fletores para o pórtico apresentado na figura abaixo.

Dados: E = 2,1×107 kN/m2 I = 0,03 m4

30 kN/m 40 kN/m

150 kNm

200 kNm

A B

D EC

8 m 4 m

4 m

2

4. Traçar o diagrama de momentos fletores para o pórtico apresentado na figura abaixo. Sabe-se que, além do carregamento indicado, ele está submetido às variações de temperatura ∆Ti = 18ºC e ∆TS = 42ºC, conforme ilustrado na figura. Dados: E = 2,1×107 kN/m2 I = 0,03 m4 α = 10-5/ °C h = 20 cm

30 kN/m 40 kN/m

150 kNm

100 kN

∆Ti

∆Ti ∆Ti ∆Ti

∆Ti

∆Ts

∆Ts

A B

D EC

8 m 4 m

4 m

5. Para a estrutura apresentada na figura abaixo, traçar o diagrama de momentos fletores. Sabe-se que, além do carregamento indicado, ela está submetida a uma variação uniforme de temperatura de 40ºC. Dados: EI = 1,08×109 kNcm2 e α = 10-5 /ºC.

1 m

3 m

3 m 4 m

A

B

C

100 kNm

6. Traçar o diagrama de momentos fletores da estrutura abaixo. Sabe-se que ela está submetida a uma variação uniforme de temperatura de 80ºC. Dados: EI = 108000 kNm2 α = 1,2 10-5/ºC R = 5000 kNm/rad

A

C

3 m 4 mB

2 m3 m

R

3

7. Seja o pórtico apresentado na figura abaixo. Sabe-se que, além do carregamento indicado, ele está submetido às variações de temperatura ∆Ti = 15ºC e ∆Ts = 30ºC no trecho AB, e ∆Ti = 15ºC e ∆Ts = 15ºC no trecho CB, conforme mostrado na figura. Pede-se traçar o diagrama de momentos fletores causados por estas ações. Dados: EI = 81000 kNm2 α = 10-5 /ºC h = 60 cm

A

C

B

20 kN/m

50 kN

2 m 4 m

8 m

∆Ts = 30 C

∆Ts = 15 Co

o

∆Ti = 15 Co

∆Ti = 15 Co

5,33 m

2,67 m

8. Traçar o diagrama de momentos fletores para o pórtico apresentado a seguir. Sabe-se que além do carregamento indicado na figura, a barra AD está submetida a um acréscimo de temperatura de 30ºC, e o apoio B sofre um recalque horizontal de 2cm, para a direita, e um recalque rotacional de 1,8×10-3 rad, no sentido anti-horário. Dados: E = 21000 kN/cm2 I = 6057 cm4 α = 1,2×10-5/ºC

5 m5 m 2 m

6 m

20 kN/m60 kN

180 kNm

A B

E FCD

4

9. Traçar o diagrama de momentos fletores para a estrutura apresentada a seguir. Sabe-se que, além do carregamento indicado na figura, o trecho horizontal está submetido a uma variação de temperatura de 16ºC nas fibras inferiores e de -16ºC nas fibras superiores. E mais, o apoio C sofre um recalque vertical de 1cm para baixo. Dados: E = 3000 kN/cm2 I = 138240 cm4 α = 10-5/ºC h = 48 cm

20 kN/m

∆T = 16 ºC

∆T = -16 ºC

A

CB

3 m 4 m

4 m

Dii∆T = 16 ºC

s

10. Traçar o diagrama de momentos fletores da estrutura abaixo. Sabe-se que ela está submetida

ao carregamento e às variações de temperatura ∆Ti = 20ºC e ∆Ts = 60ºC, conforme ilustrado

na figura.

Dados: E = 3000 kN/cm2 I = 360000 cm4 α = 10-5/ºC R = 8×103 kNm/rad h = 60 cm

A

B100 kN

30 kN/m

1,5 m

2 m2 m

C

1,5 m

2,0 m

∆Ts

∆Ts∆Ti

∆Ti

5

11. Para o pórtico abaixo, traçar os diagramas de esforços solicitantes e calcular o deslocamento vertical do meio do trecho BC. Dados: E = 3000 kN/cm2 b = 20cm h = 60cm

A

B

D

C

6,0 m

3,0 m

2,0 m

20 kN/m

80 kN

1



Processo dos Deslocamentos

Solução

1. V(kN)

M(kNm)

2. Resposta anteriormente fornecida 3. M (kNm)

4. M (kNm)

5. M (kNm)

2

6. M (kNm)

7. M (kNm)

8. M (kNm)

9. M (kNm)

3

10. M (kNm)

11. Resposta anteriormente fornecida

notas de aula - eng 114

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