FACULDADE DE ENGENHARIA DE SOROCABA TEORIA DAS ESTRUTURAS

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1 FACENS FACULDADE DE ENGENHARIA DE SOROCABA TEORIA DAS ESTRUTURAS LINHAS DE INFLUÊNCIA DOS SISTEMAS PLANOS ISOSTÁTICOS Prof. JOSÉ LUIZ F. de ARRUDA SERRA

2 Sumário 01. Introdução Linhas de influência Método cinemático para determinação de L.I Leis de deslocamento das cadeias cinemáticas L.I. de Vigas Gerber Utilidade das L.I L.I. de pórticos tri-articulados L.I. no caso de carregamento indireto L.I. de treliças isostáticas Treliças de banzos paralelos Exemplo número Exemplo número

3 LINHAS DE INFLUÊNCIA DOS SISTEMAS PLANOS ISOSTÁTICOS 01. INTRODUÇÃO: Diagramas de estado, diagramas de extremo. As estruturas em sua maioria são formadas de barras, as quais devem ser dimensionadas de acordo com os esforços solicitantes produzidos pelo carregamento. O dimensionamento deve ser tal que a estrutura permaneça em equilíbrio estável, com segurança. A verificação desta segurança contra ruptura ou deformações exageradas é feita com o auxílio dos diagramas dos esforços solicitantes, por exemplo esforço normal (N), esforço cortante (V) e momento fletor (M). Quando o diagrama do esforço solicitante corresponde a uma certa posição dada do carregamento, recebe o nome de diagrama de estado. Caso em cada barra da estrutura o esforço solicitante é constante, como ocorre com as forças normais nas barras de uma treliça, pode-se representar o diagrama de estado através de uma tabela dos valores assumidos pelo esforço solicitante. Existem na prática estruturas submetidas a um carregamento em uma determinada posição que permanece sempre. Este tipo de carregamento chama-se carga permanente ou carga morta, como por exemplo o peso próprio, o empuxo da terra em um muro de arrimo, etc. Na maioria das estruturas, porém, além desta carga permanente temos uma carga acidental, que pode agir em várias posições. Como esta carga é acidental, para o dimensionamento da peça há necessidade de se determinar a combinação mais desfavorável do carregamento total. Essa combinação nem sempre é simples. Quando a carga acidental contribui para aumentar o esforço solicitante devido a carga permanente este incremento deve ser considerado. Entretanto, a carga acidental pode aliviar o esforço devido a carga permanente em uma certa seção, não devendo nesse caso ser considerada no dimensionamento desta seção. Um caso bastante simples é o de treliças usadas para telhado. A carga permanente é o peso próprio e a única carga acidental é o vento. Neste caso, determina-se a maior intensidade do vento, estabelecido por experiência e fixado nas normas e aplica-se segundo alguns coeficientes a máxima pressão do vento, nas direções transversal e longitudinal do edifício. Assim é suficiente combinar alguns valores determinados separadamente (cada carregamento atuando isoladamente) na tabela das forças, para a determinação da força máxima e mínima em cada barra. No caso mais geral, de barras solicitadas por M, N e Q, traça-se o diagrama de extremos, que é a envoltória dos diagramas de estado para toda combinação possível das cargas. Este diagrama de extremos indica a solicitação máxima em qualquer seção. Por exemplo, a figura 1.1 mostra o diagrama de extremos do momento fletor M de uma viga com balanço, carregada com carga permanente g (gravidade) e carga acidental p, ambas uniformemente distribuídas. A carga g existe sempre e a carga p pode não ocorrer, ocorrer em toda extensão da viga ou parcialmente no trecho entre os apoios ou no balanço. Desta forma temos 4 combinações do carregamento e podemos determinar o diagrama de extremos. Neste exemplo para o 1

4 traçado da envoltória intervieram apenas os carregamentos 2 e 3 caindo os outros na região já limitada pelos dois citados. Figura 1.1 Diagrama de extremos No caso de haver cargas acidentais concentradas, que inclusive podem ser móveis, como ocorrem por exemplo em pontes rodoviárias e ferroviárias, há necessidade de se estabelecer uma sistemática mais eficaz para a determinação dos valores extremos. Estes fatores levaram ao estudo das linhas de influência. 2

5 02. LINHAS DE INFLUÊNCIA Definição: Linha de influência é a curva de variação de uma reação de apoio ou de um esforço solicitante em uma determinada seção, quando uma carga concentrada unitária se desloca ao longo da estrutura. A linha de influência (L.I.) é um diagrama traçado para um esforço em uma determinada seção, e a carga unitária pode tomar qualquer posição na estrutura. Por exemplo, vamos determinar a L.I. da reação no apoio A (R A ) da viga simplesmente apoiada mostrada na figura 2.1. Como pode ser observado, enquanto nos diagramas de estado coloca-se o valor do esforço como ordenada na seção considerada, nos diagramas de influência, as ordenadas são colocadas no ponto de aplicação da carga unitária. Figura 2.1 L.I. de reação em viga simples 03. MÉTODO CINEMÁTICO PARA A DETERMINAÇÃO DE L. I. As linhas de influência podem ser determinadas com o auxílio do Princípio dos Trabalhos Virtuais aplicado aos corpos rígidos. Como já foi visto, o P. T. V. é bastante eficiente no caso de se procurar apenas um esforço em uma estrutura isostática, pois a sua aplicação constitui caminho direto e seletivo, estabelecendo apenas uma equação onde a única incógnita é o esforço procurado. Vamos por exemplo calcular o valor da reação R A da viga simples mostrada na figura 3.1. Para a aplicação do P. T. V., retira-se o vínculo que transmite a incógnita - no caso cor- 3

6 respondente ao esforço vertical em A - substituindo-o por sua ação R A sobre a estrutura, de modo a não se alterar o equilíbrio do sistema. Com a retirada de um, e apenas um vínculo, a estrutura isostática transforma-se em uma cadeia cinemática ou mecanismo, com um grau de liberdade de movimento. Imaginemos agora a viga executar um movimento virtual onde apenas a reação R A e a carga aplicada P = 1 trabalhem. Para este movimento virtual escolhe-se sempre um deslocamento unitário do ponto de aplicação do valor procurado (R A no exemplo) e um sentido para o deslocamento de tal forma que o trabalho realizado pela incógnita seja negativo, ou seja, aplica-se um deslocamento unitário contrário à incógnita. No caso em foco o movimento possível da viga (sem o apoio A) é um giro em relação ao apoio B, conforme indica a figura 3.1. Pelo P. V. T. O trabalho total executado pelas forças R A e P = 1 durante este deslocamento deve ser nulo, ou seja: S T = 0 Æ - 1 R + 1 v= zero externo portanto, RA A = v Figura 3.1 L.I. determinada por processo cinemático Isto é, a ordenada v do ponto de aplicação da força unitária é sempre igual ao esforço procurado. Assim, pode-se dizer que as ordenadas do diagrama contido entre a posição inicial e a posição deslocada do eixo da estrutura é igual aos valores das ordenadas da linha de influência do esforço considerado, ou seja, a forma deslocada é igual ao diagrama de L.I. Obviamente, para não modificar a posição relativa das cargas, temos que nos limitar aos deslocamentos infinitesimais. Entretanto, para tornar acessível o processo aos estudos gráficos, imaginemos o desenho concebido como um deslocamento unitário microscópico ampliado, mas só na direção das ordenadas, ficando as abcissas na escala do desenho. 4

7 Esta ampliação unilateral exige certo cuidado a respeito dos ângulos. Nos deslocamentos não infinitesimais, a tangente de um ângulo com a horizontal aumenta na mesma relação que o aumento das ordenadas, enquanto que o ângulo e a tangente não tem o mesmo valor, porém, no desenho microscópico, ângulo e tangente tem o mesmo valor. Para simplificar a expressão falaremos simplesmente "ângulo" mas sempre no sentido de tangente. Por exemplo o "ângulo" que forma a L. I. de R A com a horizontal é 1/l na figura 3.1. O fato de na prática o carregamento móvel que solicita uma estrutura ser sempre vertical e dirigido para baixo (gravidade) e o deslocamento dado para a aplicação do P. T. V. ser sempre contrário a incógnita leva a igualdade o trabalho realizado por estes dois esforços. Neste caso, o trabalho realizado pela carga unitária será positivo se a forma deslocada da estrutura for para baixo, ou seja, nos casos usuais, as ordenadas da L. I. serão positivas quando para baixo. As dimensões das Linhas de Influência tem que levar em consideração a unidade da carga aplicada. Assim, para reações de apoio, forças normais e forças cortantes, a L. I. é admensional e para momentos fletores a L.I. tem dimensão de comprimento. Para sistematizar a determinação de L. I de estruturas isostáticas, podemos seguir sempre o roteiro: 1 o. passo: retira-se o vínculo que transmite o esforço correspondente a L.I. que se quer determinar (incógnita), substituindo-o pelo esforço considerado positivo (nas convenções adotadas). 2 o. passo: aplica-se um deslocamento virtual unitário, contrário ao sentido da incógnita suposta positiva, compatível com as ligações do sistema. Neste deslocamento apenas a incógnita e a carga móvel P = 1 trabalham. 3 o. passo: o diagrama contido entre a posição inicial e a posição deslocada é o diagrama de influência procurado. As ordenadas da L. I. são positivas quando estão no sentido da carga móvel (para baixo nos casos usuais). Como há necessidade de se substituir vínculos por esforços positivos, convém recordar as convenções para os esforços solicitantes e reação que atuam em uma viga horizontal. M > 0 traciona as fichas inferiores Q > 0 percorre a seção no sentido horário N > 0 de tração Reação > 0 dirigida de baixo para cima no caso de vigas horizontais Esta sistemática para determinação de L. I. vale também para estruturas hiperestáticas. Entretanto, neste caso, com a retirada de um vínculo a estrutura ou continua hiperestática ou na melhor hipótese se torna isostática, não se transformando em nenhuma hipótese em uma cadeia cinemática. Assim, quando se aplicar o deslocamento unitário contrário à incógnita, a forma deformada não será formada de trechos retos (poligonal) e sim por uma elástica cujas ordenadas podem apresentar razoável dificuldade para serem determinadas. Para as estruturas isostáticas, a forma deslocada é em geral simples, formando sempre uma poligonal. Como temos que provocar um deslocamento de tal forma que a incógnita tenha um deslocamento unitário, não trabalhando os outros esforços internos, a figura 3.2 ilustra os dispositivos construtivos (imaginários) que permitem os deslocamentos relativos correspondentes à força cortante, força normal e momento fletor, além da continuidade da estrutura - ou uma ligação rígida tipo engastamento perfeito - que transmite M, N e Q e que pode ser imaginada como 3 barras. 5

8 Como exemplo vamos determinar as L. I das reações em A e B (R A e R B ) e do momento fletor e força cortante na seção S (M S e Q S ) da viga da figura 3.3. Em todas as L. I. O procedimento é sempre retirar apenas o vínculo que transmite a incógnita, dando um deslocamento unitário contrário à incógnita considerada positiva. Este valor unitário é o único dado numérico, a partir do qual - geralmente por considerações de semelhança - é possível determinar o valor de qualquer ordenada da L.I.. No caso da L. I. de M S, temos que introduzir na seção S uma articulação e o deslocamento unitário correspondente é um giro da seção contrário ao momento suposto positivo. Neste caso, o valor 1 do ângulo (na realidade trata-se da tangente) tem por conseqüência as ordenadas verticais a e b sobre os apoios A e B respectivamente, pois as distâncias do vértice do ângulo unitário até os apoios devem ser iguais as respectivas ordenadas. Figura 3.2 Dispositivos e deslocamentos correspondentes 6

9 No caso da L. I. de Q S o dispositivo imaginário está desenhado ao lado da L.I. respectiva. Para que apenas o esforço cortante Q "trabalhe", não pode haver giro entre as seções - para que o momento fletor não realize trabalho - nem deslocamento na direção do esforço normal N. Assim, mantém-se o paralelismo entre os trechos AS e SB, e o deslocamento relativo contrário ao esforço cortante Q dever ser unitário. Este paralelismo faz com que o valor da "ordenada" sobre os apoios também seja unitário. A partir deste valor, todas as ordenadas podem ser determinadas. Uma observação interessante, pois permite conferir os resultados, é o fato de valer a relação L. I. de R A + L. I. de R B = 1 em toda extensão da viga. Este fato é conseqüência do equilíbrio das forças verticais, R A + R B = 1, independente da posição da carga unitária. Figura 3.3 L.I. em viga simples 7

10 04. LEIS DE DESLOCAMENTO DAS CADEIAS CINEMÁTICAS Entende-se por cadeia cinemática um sistema móvel, com um ou mais graus de liberdade. Uma cadeia cinemática é formada de chapas ligadas entre si por articulações ou barras simples, como por exemplo os sistemas móveis mostrados na figura 4.1. O sistema do 2 o exemplo tem dois graus de liberdade, pois pode ocorrer um movimento "vertical" na viga BCD independente do movimento de "balanço" das colunas. Figura 4.1 Sistemas móveis No caso das L. I. de estruturas isostáticas, interessa apenas as cadeias cinemáticas com um grau de liberdade obtida pela retirada de apenas um vínculo da estrutura isostática. Em uma cadeia cinemática com um grau de liberdade, o movimento de qualquer ponto é imposto pelas vinculações e conhecendo-se o seu valor, a configuração de toda a cadeia pode ser determinada. Todo o nosso estudo será restrito aos deslocamentos infinitesimais, onde a modificação das posições é muito pequena. Seja a cadeia cinemática abaixo, composta pelas chapas (1) e (2), conforme ilustra a figura 4.2. Figura 4.2 Cadeia cinemática com duas chapas 8

11 Toda articulação entre as chapas (1) e (2) é POLO RELATIVO e indicado por (I, II). O apoio fixo da chapa (1) é POLO ABSOLUTO e indicado (I), porque o único movimento possível da chapa (1) é em torno deste polo. Para distinguir o deslocamento geral do deslocamento infinitesimal, que segue leis mais simples, fala-se de polo instantâneo do deslocamento. Trataremos sempre de deslocamentos infinitesimais, mas usaremos apenas a palavra polo, subtendendo instantâneo. A seqüência lógica da noção dos pólos absolutos e relativos pode ser resumido nas nove leis seguintes, ilustradas na figura 4.3: 1 a lei: o vetor v do deslocamento de um ponto P é normal ao raio vetor r traçado do polo absoluto ao ponto P. Em um giro de ângulo ω, o valor de v é ωr. 2 a lei: conhecendo a direção do vetor v de deslocamento de um ponto em uma chapa, a normal de v pelo ponto é lugar geométrico (L.G.) do polo absoluto da chapa. 3 a lei: o polo relativo de duas chapas e os seus pólos absolutos estão situados em uma mesma reta. 4 a lei: conhecendo a direção dos deslocamentos de dois pontos de uma chapa, a interseção das normas é o polo absoluto da chapa. Assim, uma chapa apoiada por duas barras vinculares, tem polo absoluto na interseção dessas barras. 5 a lei: duas chapas ligadas por duas barras tem polo relativo na interseção dessas barras. 6 a lei: quando, numa fila de chapas com todos os pólos relativos contidos em uma reta, um dos pólos absolutos estiver nesta mesma reta, todos os pólos absolutos também estão. 7 a lei: a) a componente vertical de um deslocamento v = a ω é igual a x ω, onde a é a distância do ponto ao polo absoluto e x a projeção vertical de a. b) analogamente a componente horizontal do deslocamento vale y ω onde y é a projeção vertical de a. 8 a lei: se em um giro ω de uma chapa, a distância OA entre um ponto A da chapa e um ponto fixo O variar de ΔAO, teremos ΔOA = ω r, onde r é a distância ao polo absoluto da reta OA. 1 De um deslocamento unitário ΔOA = 1, resulta w=. r 9 a lei: quando a distância entre dois pontos A e B de duas chapas (1) e (2) aumenta com a 1 unidade, resulta um giro relativo das chapas w 12 =, sendo r a distância do polo relativo (I,II) até a reta r12 AB. 9

12 Figura Leis de deslocamento das cadeias cinemáticas 10

13 05. L. I. DE VIGAS GERBER Viga Gerber é uma viga sobre mais de dois apoios, sendo um apoio fixo ou engastamento e todos os outros móveis, isostática pela existência de articulações. Como exemplo vamos determinar as L. I. das reações em A e B (R A e R B ), força cortante à esquerda e à direita do apoio B (Q besq e Q bdir ); força cortante em α (Q α); momento fletor em B (M B ); momento fletor e força cortante na seção S (M S e Q S ) da viga Gerber da figura 5.1. Para obtenção da linha de influência de R A, retira-se o vínculo que transmite R A, substituindo-o pela reação considerada positiva (para cima), obtendo-se uma cadeia cinemática. A chapa ABα tem polo absoluto em B e a chapa αβ em β, ficando a chapa restante βcd fixa. A articulação α é polo relativo entre as chapas ABα e αβ. Pelo deslocamento unitário contrário a R A obtêm-se a forma indicada da linha de influência. Convém observar que os pólos absolutos (B e β) obviamente se mantêm fixos nos "deslocamentos virtuais infinitesimais" e o polo relativo (α) não permite que as duas chapas separem, ou seja, polo relativo é ponto comum entre as chapas (ou seus prolongamentos). Sempre que uma chapa estiver vinculada à terra por 3 barras não concorrentes, como o caso da chapa βcd, ela é fixa. No caso da cortante à esquerda do apoio B, o vínculo retirado na seção à esquerda de B relativo à cortante, estabelece as chapas AB esq, Bα, αβ e βcd, conforme ilustra a figura 5.2. Figura 5.2 Cadeia cinemática para L.I. de Q Besq. Os pólos absolutos são os pontos A, B e β, ficando a chapa βcd fixa. O polo relativo entre as chapas AB esq e Bα está no infinito (5 a lei), e então o único movimento possível entre as chapas é tal que uma translada em relação à outra, não havendo giro relativo entre elas (inclusive porque o trabalho realizado pelo momento deve ser nulo), isto é, há necessidade de se manter o paralelismo entre as chapas (adjacentes) sempre que se estiver determinando a L.I. de força cortante (ou normal) em seção contínua de uma estrutura. Como o ponto B não pode se mover na vertical, devido o apoio, a seção B à esquerda se desloca contrário à sua cortante, isto é, sobe até o valor unitário do deslocamento relativo. A chapa Bα tendo que se manter paralela à chapa AB esq, provoca a forma indicada na linha de influência respectiva. Convém seguir o raciocínio respectivo para o caso das L I. de cortantes, exceto na L. I. de Qα. Neste caso, por se tratar de articulação, já possui normalmente apenas 2 vínculos. Quando se retirar o vínculo que transmite a cortante, sobrará apenas uma barra vincular, não precisando portanto manter o paralelismo entre as duas chapas adjacentes, inclusive porque sendo nulo o momento em articulação, não há risco de haver trabalho do momento qualquer que seja o giro relativo entre as chapas. 11

14 Figura Linhas de Influência em uma Viga Gerber 12

15 Como nas vizinhanças do apoio B a soma das forças deve ser nula (assim como em qualquer outro ponto), podemos conferir as L. I de R B, Q esq e Q dir, calculando o equilíbrio das forças verticais conforme mostra a figura 5.3. No caso dos momentos fletores, introduz-se na seção considerada uma articulação. O deslocamento unitário no caso é um giro relativo. Como o deslocamento é contrário à incógnita, a forma deslocada nesta seção apresentará sempre um ponto anguloso apontado para baixo, conforme nota-se nas L. I. de M B e M S (figura 5.1). No caso de M B, o ponto B não pode ser deslocado pois o apoio não permite - o apoio só é retirado para determinar a L. I. de sua reação - mantendo então fixa a chapa AB. Neste caso apenas o movimento da chapa Bα completa o deslocamento unitário. Figura 5.3 Equilíbrio de forças no apoio B Convém notar que o único dado numérico é o valor 1 do deslocamento relativo contrário a incógnita. Entretanto, por se tratar de cadeia cinemática com um grau de liberdade, todas as ordenadas da L.I. podem ser determinadas a partir deste valor, pela aplicação das leis de deslocamento, ou simples proporcionalidade. 06. UTILIDADE DAS L.I. Uma obtida a L.I. para um certo esforço em determinada seção, podemos calcular o valor do esforço para qualquer carregamento na estrutura, usando-se o princípio da superposição de efeitos. No caso de pontes rodoviárias e ferroviárias, este procedimento é muito útil para a determinação dos esforços máximos e mínimos em determinada seção, bastando fixar o carregamento móvel na posição mais desfavorável. Por exemplo vamos calcular o valor da reação no apoio B da viga Gerber da figura 6.1, devido ao sistema de cargas concentradas P 1, P P n. O princípio da superposição de efeitos aplicado ao sistema de cargas concentradas da figura 6.1 conduz a: R B = P 1 v 1 + P 2 v P n v n Ou seja, para se calcular o valor de um esforço qualquer devido a cargas concentradas, conhecendo-se sua L.I. basta determinar o resultado da somatória dos produtos das cargas pelas correspondentes ordenadas no diagrama de L.I.. 13

16 Figura 6.1 Sistema de cargas concentradas Caso o carregamento seja distribuído, conforme ilustra a figura 6.2, teremos em um elemento ds a força resultante p ds e devido a esta força, temos: e daí, drb R B = pdx v Ú M N = p vdx Figura 6.2 Cargas distribuídas Nos casos usuais com a carga p uniformemente distribuída, portanto constante, p pode ser retirada da integral e notando que Ú vdx é igual a área (π) da L. I. entre M os pontos M e N por onde se estende a carga distribuída, resulta: RB = p Area( p) N 14

17 Assim, para se calcular o valor de um esforço em determinada seção, devido a um carregamento composto de cargas concentradas e cargas uniformemente distribuídas, basta efetuar a somatória (superposição de efeitos) do produto das forças concentradas pelas ordenadas L. I. na posição da respectiva força, com o valor do produto da carga distribuída pela área do diagrama de L. I. subentendido sob essa carga distribuída. Para se determinar os valores máximos e mínimos, procura-se para as cargas móveis a posição mais desfavorável, que geralmente é obtida fazendo corresponder as maiores cargas sobre as maiores ordenadas da L.I.. As cargas acidentais móveis recebem o nome de trem-tipo e são prescritas em norma no caso de pontes rodoviárias e ferroviárias. Vamos agora analisar uma maneira para a determinação da posição mais desfavorável de um sistema móvel de forças concentradas, que leve a valores máximos a incógnita. Esta posição recebe o nome de posição de máximo. Suponhamos que a linha de influência correspondente a uma incógnita X de uma estrutura qualquer, seja triangular e que a estrutura esteja carregada com um sistema de cargas concentradas que se desloca ao longo da mesma, mantendo invariável a distância entre as forças conforme figura 6.3. Figura 6.3 Cargas concentradas móveis Ao variar a posição das forças, variam as correspondentes ordenadas da linha de influência e o valor de X = ΣP i v i também varia, e entre todos os valores que podem tomar, haverá um que é máximo. O Sistema de cargas móveis corresponde geralmente ao peso dos eixos de um comboio de cargas e consequentemente as cargas podem percorrer a estrutura em sentido inverso, ou seja, invertendo-se o ordem de sucessão das forças. É evidente que para o valor de X resultar máximo, é necessário que os produtos P i v i sejam o maior possível. Como a intensidade de cada força é invariável, deve-se procurar os maiores valores possíveis para v i. Assim, para que o valor da incógnita X alcance um máximo, é necessário: 1) fazer entrar o comboio de cargas (trem tipo) do lado da linha de influência que tem menor inclinação, pois deste lado a variação das ordenadas será menor. 2) fazer incidir as forças de maior intensidade com as maiores ordenadas da Linha de Influência. 15

18 Além destes fatos, um teorema e um procedimento gráfico devido a WINKLER ajudam a determinação da posição mais desfavorável do trem tipo, nos casos mais complicados. Teorema: para que a posição de um sistema de forças possa corresponder a um máximo valor da incógnita, é necessário que uma das forças incida sobre um vértice da linha de influência. Vamos supor conforme figura 6.4, um sistema de cargas P 1, ---, P 6. Para se determinar a posição que leva ao máximo a incógnita, cuja linha de influência é a indicada logo abaixo do sistema de cargas (figura 6.4), procede-se da seguinte maneira: em uma escala qualquer, marca-se as forças P 1, ---, P 6, na seqüência, obtendo-se o segmento A B paralelo a AB. Pelas extremidades A e B traça-se paralelas aos segmentos AC e BC da L.I. obtendo-se o triângulo A C B, semelhante a forma ACB da L.I.. A perpendicular por C encontra no segmento A B a força que deve ser colocada na posição correspondente ao vértice da L.I.. Figura 6.4 Diagrama de WINKLER Para ilustrar os procedimentos acima descritos, a figura 6.5 resolve um exemplo da determinação dos valores extremos do momento fletor em um engastamento de uma Viga Gerber. O valor de M A devido a carga permanente g = 2,5 t/m que atua em toda estrutura vale g x Área total da L.I., ou seja: M A permanente = 2,5 ( ,8) = - 12,00 tm Devido a carga acidental, devemos calcular os valores máximos positivo e negativo de M A. A posição mais desfavorável para as cargas concentradas do trem tipo pode ser determinada por "bom senso" através de tentativas. O procedimento usando o diagrama de WIN- KLER fornece a posição exata para "parar" o trem tipo. Como o sistema de cargas concentra- 16

19 das deste exemplo é composto de várias cargas com valores variados, é aconselhável usar o diagrama de WINKLER. Para o caso de M A máximo negativo, o comboio de cargas concentradas deve entrar no trecho AB que possui as maiores ordenadas negativas, no sentido BA, pois por ai a inclinação é menor. Para o cálculo de M A máximo positivo, o trem tipo deve entrar no trecho BC vindo da esquerda pois o trecho Bβ da L. I. possui menor inclinação. Os respectivos diagramas de WINKLER desenhados na parte final da figura 6.5 fornece a posição da carga que deve ser colocada no vértice da L.I.. A carga de 5t no caso de M A máximo negativo não deve ser considerada, pois a ordenada da L.I. correspondente, imposta pela posição do trem tipo, é positiva, aliviando o momento negativo. Como se trata de carga acidental, os eventuais alívios não devem ser considerados. Analogamente, a carga distribuída acidental (1,5 t/m) não é aplicada nos trechos "de sinal trocado". Efetuando-se os cálculos para as respectivas posições do trem tipo obtém-se: M A máximo acidental = 10 (4,8 + 2,4) + 4 (1,6 + 3,2) + 1,5 (24,0) = +127,20 tm M A mínimo acidental = 10 (-2-4)+4 (-2,4-0,8) + 1,5 (-18,0-10,8) = - 116,00 tm Como a carga permanente está sempre presente, temos os resultados finais: M A máximo positivo = -12, ,20 = +115,2 tm M A máximo negativo = -12,00-116,00 = 128,00 tm 17

20 Exemplo: determinar os valores extremos positivo e negativo do momento fletor no engastamento A da Viga Gerber da figura, devido ao carregamento: a) carga permanente (peso próprio): g = 2,5 t/m; b) carga acidental conforme trem tipo abaixo. Figura Exemplo 18

21 07. L. I. PARA PÓRTICOS TRI-ARTICULADOS Estudaremos agora as linhas de influência do pórtico tri-articulado mostrado na figura 7.1. A carga móvel percorre o trecho DE. Assim só interessam as componentes verticais dos deslocamentos no trecho DCE. Em benefício da simplicidade trabalharemos com valores numéricos ao invés de literais. O processo a priori será sempre o cinemático segundo o roteiro já estabelecido. Nas figuras 7.2 e continuações estão determinadas as L. I. das reações horizontal e vertical no apoio A (H A e V A ); esforços solicitantes M, N e Q nas seções S e R e cortante e normal na articulação C. As chapas da cadeia cinemática serão indicadas (1), (2), etc., seus pólos absolutos por (I), (II),... e os relativos por (I,II),.... Os giros ω 1, ω 2,... das chapas (1), (2),... estão indicados com o sentido respectivo. Os giros relativos entre as chapas.(i) e (j) quando necessários, serão indicados por ω ij. As distâncias das retas suportes dos deslocamentos unitários até os pólos respectivos serão chamados r 1, r 2,... quando o deslocamento unitário for absoluto de um ponto da chapa e r ij quando for relativo entre pontos das chapas (i) e (j). Figura 7.1 Pórtico tri-articulado Os pólos são obtidos através das leis de deslocamento das cadeias cinemáticas. A interseção de duas retas lugar geométrico de um mesmo polo, determina esse polo. Toda chapa ligada a terra por três barras vinculares não concorrentes é fixa. Barras paralelas serão consideradas concorrentes no ponto impróprio (infinito). Cada linha de influência tem seu raciocínio respectivo, entretanto vamos aqui detalhar apenas como foram obtidas as L. I. de H A e V A que servirá de orientação para os outros casos. No caso da L. I. De H A (vide figura respectiva), substituímos o apoio A por barras vinculares vertical e horizontal, retirando o vínculo horizontal. Resulta uma cadeia formada pelas chapas (1) e (2). O polo absoluto (II) é o apoio fixo B e o polo relativo (I,II) é a articulação C. Para a obtenção do polo absoluto (I) temos um lugar geométrico que é a reta (II) - (I, II), pois os pólos absolutos e o relativo de 2 chapas são colineares (3 a lei). A projeção dos 19

22 pólos absolutos (I) e (II) sobre a reta horizontal de referência para traçado da L. I., fornece os pontos pelos quais passam as retas que representam a projeção vertical do deslocamento das chapas (1) e (2) e que são os próprios trechos da L. I. Obtém-se a linha de influência aplicando um deslocamento unitário na direção mas de sentido contrário a H A. Neste deslocamento as chapas (1) e (2) formarão um ponto anguloso na articulação C ou polo relativo (I,II), pois polo relativo tem a propriedade de prescrever o deslocamento comum das chapas na sua posição. A ordenada da L. I. No ponto (I,II) ou C é obtido pelo giro ω 1 calculado através de r 1 (ω 1 =1/r 1 ; 8 a lei). Para a L. I. de V A, retira-se a barra vincular vertical no apoio A, obtendo a cadeia formada pelas chapas (1) e (2). Os pólos (II) e (I,II) são evidentemente o apoio fixo B e a articulação C, respectivamente. Um lugar geométrico do polo (I) é o prolongamento do vínculo horizontal em A (2 a lei) e o outro é a reta (II) - (I,II) pois os pólos absolutos (I), (II) e o relativo (I,II) devem estar alinhados (3 a lei). O deslocamento unitário contrário à V A permite traçar toda a L. I., sempre respeitando as propriedades dos pólos absoluto e relativo: 1) O movimento de uma chapa é sempre em torno do seu polo absoluto ou seja, polo absoluto é ponto fixo, ou ainda, toda chapa - ou seu prolongamento - passa pelo seu polo absoluto que é fixo. 2) O polo relativo, é ponto comum entre as chapas, isto é, as chapas - ou seus prolongamentos, como ocorre na L. I. de Q c - são concorrentes no polo relativo. Os valores das ordenadas indicadas na L. I. resultam por simples proporcionalidade. Certamente, se os pólos forem determinados geometricamente em uma escala conveniente, procurando-se eliminar os erros que sempre acompanham os processos gráficos, pode-se traçar toda a L. I. graficamente, sem recorrer às determinações algébricas dos segmentos envolvidos na solução. As ordenadas da L.I. em qualquer ponto é obtida diretamente no gráfico pela "leitura" na escala considerada. As L.I. resolvidas nas figuras 7.2 são acompanhadas de várias observações relevantes que devem ser analisadas pelo leitor. Por exemplo, a solução geométrica da L.I. de N S não pode ser realizada somente com a projeção na horizontal, conforme explicado na figura respectiva. Algumas alternativas analíticas quando já se determinou a forma da L.I. através dos pólos também são explicitadas nas figuras, e devem ser consideradas como alternativas para o traçado das L.I.. Em muitos casos convém combinar o método cinemático com uma determinação direta da linha de influência. O método cinemático, pode por exemplo, fornecer pelos pólos apenas a forma da L. I. e através do cálculo direto - usando a própria definição de L.I. - achase o valor de algumas ordenadas. Usou-se o cálculo direto para verificar as ordenadas das L.I. de H A, V A, M, N e Q nas seções S e R e Q C e N C, situadas na posição correspondente da articulação C do pórtico recém resolvido. Basta para tanto colocar uma carga P = 1 na articulação C e determinar os esforços respectivos. Essa determinação é bastante simples conforme figura continuação 5, apresentada no final das L.I.. Os valores calculados de H A, V A, M, N e Q nas seções S e R, Q C e N C são os valores das ordenadas nas respectivas linhas de influência situados na projeção da articulação C. No caso particular de Q C, há necessidade de se colocar a carga unitária imediatamente à esquerda ou à direita de C para evitar a descontinuidade que ocorre na seção onde existe uma carga concentrada. 20

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29 08. L.I. NO CASO DE CARREGAMENTO INDIRETO Em muitos sistemas estruturais o carregamento atua indiretamente sobre as vigas ou estruturas principais, por intermédio de um sistema estrutural secundário. É o que ocorre por exemplo nas treliças de aço, onde elementos construtivos secundários transmitem as cargas aos nós, evitando o carregamento direto nas barras da treliça. A figura 8.1 ilustra esquema de estruturas secundárias no caso de uma treliça e de um arco tri-articulado usado em pontes e viadutos. Figura 8.1 Estruturas com carregamento indireto Nos casos em que o carregamento atua indiretamente, este fato deve ser levado em consideração no traçado da L. I. da estrutura principal. Para estudarmos o esquema de um carregamento indireto, vamos supor o caso da viga simples representada na figura 8.2 a). A figura 8.2 b) mostra o deslocamento para obter a linha de influência do momento na seção C, M C. Os pontos 1, 2, 3 e 4 da construção auxiliar são obrigados pelos seus vínculos a seguir o movimento da viga principal ficando as barras a-1, 1-2, 3-4 e 4-b paralelas a esta viga. Apenas a barra 2-3 não é paralela, adaptando-se à nova posição dos pontos 2 e 3. Entretanto a poligonal a b obtida pelo deslocamento é a linha de influência do sistema considerado. Este fato conduz à L. I. Mostrada na figura 8.2 c). Aplicando-se a mesma regra, foi obtida a L. I. de Q C da figura 8.2 d). 27

30 Podemos então tirar a seguinte conclusão geral: a existência de uma construção secundária não invalida as ordenadas da linha de influência primitiva nos pontos de apoio da construção secundária. A linha definitiva é o polígono que une os pontos assim obtidos. Figura 8.2 L.I. de carregamento indireto 28

31 09. L. I. DE TRELIÇAS ISOSTÁTICAS No caso de treliças, é sempre conveniente começar o estudo com um raciocínio cinemático. Retira-se a barra correspondente ao esforço normal da L.I. procurada, substituindoa pela força de tração aplicada nos nós de sua extremidade. Com o esforço de tração nestes nós procura aproximá-los, o deslocamento contrário a incógnita resulta num afastamento unitário desses nós. A partir dos pólos e do afastamento unitário dos nós extremos da barra incógnita é que se estuda a forma deslocada das chapas da cadeia cinemática. Quando a determinação dos pólos oferecer dificuldade, pelo menos o estabelecimento das chapas indica os trechos retos da L.I.. Neste caso convém combinar o método cinemático com uma determinação direta de algumas ordenadas que permita calcular toda a linha Treliça de banzos paralelos Uma treliça de banzos paralelos como o da figura 9.1, funciona como uma viga simples, pois a continuidade em uma seção da viga pode ser imaginada como um dispositivo formado por três barras. A repetição sucessiva deste dispositivo na viga a transformada na treliça correspondente. Figura 9.1 Analogia entre treliça de banzos paralelos e viga Certamente o momento fletor e a força cortante em uma seção da viga, devem ter na treliça esforços correspondentes, resultantes das forças normais nas barras da treliça. Este fato é ilustrado na figura 9.2, na qual se supôs M e Q positivos na viga e as forças normais - positivas de tração - nas barras da treliça foram denominadas N S, N i e N d respectivamente para as barras do banzo superior, banzo inferior e diagonais. Igualando o momento no ponto k e componente vertical das forças tanto na viga como na treliça, tem-se: M k = N i h Q k = N d senα Caso o raciocínio seja feito para a seção correspondente ao ponto l da treliça temos: M l = -N s h 29

32 Q l = N d senα Figura 9.2 Esforços correspondentes em treliça e viga Tomando-se o devido cuidado com o sinal no caso das diagonais, pois dependem da sua orientação descendente ou ascendente e em relação a que ponto ( k ou l ) se faz o equilíbrio de momento, estes resultados podem ser úteis para controle de cálculo. Convém notar que este procedimento nada mais é que a solução através da aplicação do "corte de RITTER", que é conveniente para solução de treliças horizontais de banzos paralelos submetida a carregamento vertical. A menos do sinal no caso das diagonais e montantes (α = 90 ), esta analogia com a viga simples valerá sempre para as L.I. de treliças de banzos paralelos e também para os trechos com "banzos" paralelos de treliças menos simples, sinalizando como se desenvolve a L.I. nestes trechos. Para eventuais futuras referências, repete-se aqui as expressões deduzidas. LI.. demk LI.. den =...(9.1) banzo inf erior h LI den.. banzo superior LI.. den diagonais - LI.. deml =...(9.2) h LI.. deqk =±...(9.3) sen a Isto é, as L.I. dos esforços normais nas barras do banzo inferior e superior de uma treliça de banzos paralelo são proporcionais - a menos do sinal no caso do banzo superior - às L.I. do momento fletor em uma viga simples, determinadas na seção correspondente ao polo relativo das duas chapas formadas pela treliça quando se retira a barra "incógnita", reduzidas do fator h (equações 9.1 e 9.2). As L.I. dos esforços normais nas diagonais são (em módulo) proporcionais às do esforço cortante na viga simples, ampliada do fator 1/sen α, onde α é o ângulo que a diagonal forma com a horizontal (equação 9.3). 30

33 Para efeito de referência, vamos repetir aqui, através da figura 9.3 as L.I. de M e Q em uma seção qualquer de uma viga simples. Figura 9.3 L.I. de viga simples (repetida) Exemplo número 1 Inicialmente vamos analisar as L.I das forças normais em algumas barras da treliça da figura 9.4. Começaremos sempre com um raciocínio cinemático. Para a L.I. da força normal na barra 5-7 (barra do banzo inferior), retiramos esta barra, estabelecendo as chapas (1) e (2) conforme figura 9.5. O polo absoluto da chapa (1) é o apoio fixo 1 e o polo relativo (I,II) é o nó 6. O polo (II) é o encontro das retas (I) - (I,II) com a vertical pelo apoio móvel 13, pois o único movimento permitido no ponto 13 é horizontal (3 a e 2 a lei). Como o deslocamento unitário (afastamento) é entre os nós 5 e 7, pertencentes as chapas (1) e (2) respectivamente, trabalharemos com o movimento relativo entre essas chapas (1) e (2). O valor do giro relativo ω 12 é 1/r 12 ou 1/4m -1 segundo a 9 a lei. A partir deste valor, toda a L.I. pode ser determinada, lembrando que no caso da treliça, é sempre suposto carregamento indireto, isto é, vigas secundárias apoiadas nos nós. 31

34 Figura 9.4 Treliça de banzos paralelos - exemplo Comparando a L.I. de N 5-7 com a L.I. do momento em uma viga simples, onde a = 6m, b = 12 m e l = 18 m. podemos verificar a validade da expressão deduzida na equação (9.1). Para todas as barras do banzo inferior o raciocínio é análogo. A L.I. de N 1-3 é nula pois neste caso o polo da chapa 2 se encontra no infinito e portanto esta chapa só translada (na horizontal). Esse resultado era de se esperar pois neste caso a = zero na viga correspondente. As barras do banzo superior não apresentam nada especial, conforme mostra a figura 9.5 onde foi determinada a L.I. de N 6-8 (comparar com a L.I. de M da viga simples - equação 9.2). Na figura continuação está determinada a L.I. do esforço normal na barra diagonal 6-7, obtida da linha de influência da cortante em uma viga simples, ampliada com o fator 1/sen α (equação 9.3). Finalmente vamos analisar a L.I. do esforço normal na barra montante 5-6. As chapas se deslocam paralelamente porque as barras 4-6 e 5-7 que unem as chapas são paralelas, determinando o polo relativo (I,II) no infinito. Um raciocínio estático leva a igualdade o valor da normal de tração nesta barra vertical com a cortante em uma viga simples (com o sinal trocado), assim a L.I. de N 5-6 é igual a menos a L.I. da cortante na viga, também porque neste caso α = 90 o e sen α = 1 (equação 9.3). A L.I. definitiva de N 5-6 deve acompanhar o deslocamento dos nós do banzo inferior ou superior, conforme o banzo onde a carga móvel é aplicada. Para treliças deste tipo, apenas para as L.I. dos montantes houve necessidade de se fixar o banzo em que atua o carregamento para obter-se a linha definitiva, pois nos outros casos há coincidência das componentes verticais dos deslocamentos dos nós de uma mesma vertical, independente do banzo a que pertença. 32

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37 9.3 - Exemplo número 2 Vamos estudar a treliça simétrica da figura 9.6, para a qual determinaremos a L.I. das forças normais nas barras 2-4, 3-4, 3-5, 2-3 e 4-5. A carga móvel percorre o trecho Figura 9.6 Treliça exemplo número 2 As L.I. de N 2-4, N 3-4 e N 3-5 não apresentam nada especial. Nas figuras 9.7 estão indicadas as chapas e seus respectivos pólos. Como o movimento unitário é sempre relativo entre pontos de duas chapas, trabalha-se com os raios e giros relativos. A barra 2-3 tem linha de influência apenas no trecho 1-2-4, porque a chapa (1) se mantém fixa, por estar ligada à terra por 3 barras não concorrentes: apoio móvel 5 (barra vertical), barra 1-3 e barras horizontais 1-2-4, que em movimento infinitesimal não permitem o deslocamento horizontal dos pontos 2 e 4, funcionado então como uma ligação horizontal para a chapa (1). A forma desta L.I. (N 2-3 ) é de fácil compreensão quando se faz um raciocínio estático: para cargas aplicadas nos nós 1, 4, 6 e 8 a normal na barra 2-3 é nula e quando a carga vertical unitária estiver aplicada no nó 2, a normal na barra 2-3 valerá 1 (positiva, de tração). Finalmente, vamos analisar a determinação da L.I. de N 4-5. Apenas as chapas (1) e (2) não são suficientes para a determinação da L.I., pois o deslocamento unitário, único dado, não é entre pontos destas chapas. Há necessidade de se definir a chapa 3 (barra 3-5) e estudar o movimento relativo entre (1) e (3). O polo (I,II) é o nó 3 e o polo (II,III) está na intercessão dos prolongamentos das barras 3-4 e 5-7 que unem as chapas (2) e (3) (5 a lei). O polo absoluto (III) é a interseção das retas (I)-(I,III) com (II)-(II,III) (3 a lei). Com os pólos (I), (I,III) e (III) determinados podemos estudar o movimento das chapas (1) e (3) através de r 13 = 4 m e ω 13 = 1/4 m -1, obtendo o deslocamento vertical do nó 3. A partir daí, toda a linha é determinada. Nos sistemas mais complicados, convém controlar numericamente as ordenadas v das L.I.. Para este exemplo, colocando uma carga P = 1 no ponto 4, e determinando as forças normais nas barras (por Cremona por exemplo), teremos que essas forças são as ordenadas v no ponto 4 das respectivas linhas de influência. Este cálculo está executado na figura imediatamente após a figura correspondente à L.I. de N onde optou-se pela determinação dos esforços normais por equilíbrio de nó em benefício da precisão. 35

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