). Quer os eixos de S quer os de S
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- Milena Campelo Custódio
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1 CAPÍULO RANSFORMAÇÃO LINEAR DE COORDENADAS Nst capítulo é aprsntada a ddução da prssão qu prmt transformar as coordnadas d um ponto no spaço d um rfrncal ( S) para outro ( S ). Qur os os d S qur os d S são dfndos por vrsors cuas componnts s ncontram no rfrncal gral S. Ests três rfrncas aprsntam orgm comum (ponto O). Sndo P um ponto gnérco no spaço, a transformação das componnts do vctor OP concd com a transformação das coordnadas do ponto P.. - Smbologa Aprsnta-s m prmro lugar um rsumo da smbologa adoptada nst capítulo. abla. - Smbologa rlatva à transformação lnar d coordnadas. S O P p Sstma d coordnadas (rfrncal) Orgm do sstma d coordnadas Ponto gnérco Vctor posção do ponto P Eo do sstma d coordnadas Vrsor d um o do sstma d coordnadas A Matrz d transformação d S m S B Matrz d transformação d S m S g a l Rfrncal gral Rfrncal aular Rfrncal local
2 ransformação Lnar d Coordnadas - Álvaro F. M. Azvdo α Τ L Ângulo ntr os dos rfrncas aular local Matrz d transformação Prmro nó d uma barra Sgundo nó d uma barra Comprmnto d uma barra. - Caso gral Na Fgura. ncontram-s rprsntados os três rfrncas ( S, S S ), um ponto gnérco P o vctor p OP. P ê ê ê p ê ê O ê ê ê ê Fg.. - Rfrncas ponto gnérco P. Os três rfrncas (qu s supõm drctos ortonormados) são dfndos do sgunt modo 4
3 ransformação Lnar d Coordnadas - Álvaro F. M. Azvdo S S S ( O,,, ) ( O,,, ) ( O,,, ) () Vrsors d cada rfrncal: Vrsors d S : Vrsors d S : Vrsors d S : (,, ) (,, ) (,, ) () Ponto gnérco: (,, ) S P () Vctor posção do ponto P: p OP (, ) (4), Nota: todos os vrsors vctors aprsntam as suas componnts no rfrncal S. Vrsors do rfrncal S: (,0,0 ) ( 0,,0 ) ( 0,0, ) (5) Vctor p : (, ) p (6), p p p (7) As coordnadas do ponto P no rfrncal S (, ) vctor p sobr os vrsors do rfrncal S : obtêm-s proctando o, 5
4 ransformação Lnar d Coordnadas - Álvaro F. M. Azvdo 6 ( ) ( ) ( ) p p p (8) (9) Matrcalmnt tm-s: (0) A () A () Nsta prssão, são as coordnadas d P no rfrncal S, são as coordnadas d P no rfrncal S A é a matrz d transformação d S m S. D um modo smlhant tm-s: ( ) ( ) ( ) p p p () (4) (5)
5 ransformação Lnar d Coordnadas - Álvaro F. M. Azvdo B (6) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Comparando () com (7) vrfca-s qu B (7) B A (8) A prssão (6) pod scrvr-s da sgunt forma A (9) Substtundo () m (9) tm-s A A (0) Conclundo-s qu A A I () sndo I a matrz dntdad. Multplcando ambos os mmbros d () por A (à drta) obtém-s A A () Quando a nvrsa d uma matrz concd com a sua transposta dz-s qu a matrz é ortogonal. Assm s conclu qu a matrz d transformação A é uma matrz ortogonal. Va-s agora procdr à análs do sgnfcado d cada um dos lmntos d A. A prssão () pod scrvr-s do sgunt modo ( a ) () 7
6 ransformação Lnar d Coordnadas - Álvaro F. M. Azvdo sndo a olmntognércodamatrza. Em () vrfca-s qu a (4) Rcorrndo à dfnção d produto scalar tm-s (, ) a cos (5) Uma vz qu os vrsors dos rfrncas possum norma untára (, ) a cos (6) a matrz d transformação A pod sr obtda a partr dos cosnos dos ângulos ntr vrsors dos rfrncas S S. cos A cos cos (, ) cos(, ) cos(, ) ( ) ( ) (, cos, cos, ) ( ) ( ) ( ), cos, cos, (7). - Caso partcular com S S' concdnts Rproduzm-s m sguda as prssõs (5), () () (,0,0 ) ( 0,,0 ) ( 0,0, ) (8) A (9) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) A (0) No caso d os rfrncas S S srm concdnts, vrfca-s qu 8
7 ransformação Lnar d Coordnadas - Álvaro F. M. Azvdo () A () Substtundo () m (0) obtém-s ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) A () Atndndo a (8), vrfca-s m () qu a prmra lnha da matrz A contém as componnts do vrsor ê componnts m S dos vrsors ê ê. no rfrncal S. A sgunda trcra lnhas contêm as A ( ) Componnts d Componnts d Componnts d m S m S m S (4).4 - Matrz d transformação d uma barra rctlína no spaço Nsta scção são utlzadas as prssõs dduzdas nas scçõs antrors com o obctvo d chgar à matrz d transformação d uma barra d trlça D d pórtco D. No âmbto da análs d struturas plo método dos dslocamntos, admtm-s as sgunts hpótss: é conhcda a gomtra da strutura, qu é consttuída por barras prsmátcas d o rctlíno d scção constant; para cada barra, são conhcdas as coordnadas dos dos nós trmos, fcando assm dfnda a localzação do su o barcêntrco; é conhcda a posção dos os prncpas cntras d nérca da scção transvrsal da barra [.]. 9
8 ransformação Lnar d Coordnadas - Álvaro F. M. Azvdo Consdr-s um ângulo (α), qu srá dfndo adant qu poscona o rfrncal local (prncpal cntral d nérca - PCI) m rlação a um rfrncal aular. Assm, vão sr consdrados os sgunts rfrncas: S S S g a l gral aular local ( 0) ( PCI ) α (5) O rfrncal gral (g) é aqul m rlação ao qual todos os pontos todos os vctors stão dfndos, sndo os sus vrsors dfndos por (8). O rfrncal aular (a), ao qual corrspond um ângulo α nulo, tm o prmro o concdnt com o o da barra o sgundo o prpndcular ao plano vrtcal qu contm a barra. O trcro o é aqul qu faz com qu o rfrncal sa drcto ortonormado. Est rfrncal srá adant dfndo com mas rgor. O rfrncal local (l) tm como prmro o o o da barra, sndo os rstants os os os prncpas cntras d nérca da scção transvrsal da barra. O ângulo α dfn a posção do rfrncal local (l) m rlação ao rfrncal aular (a). Vão sr m sguda dfndas duas transformaçõs: transformação d g para a; transformação d a para l. A prmra transformação é ralzada com a sgunt prssão qu é smlhant a () a ag g (6) sndo ag a matrz qu transforma as coordnadas d um ponto do rfrncal g para o rfrncal a. A sgunda transformação prmt obtr as coordnadas d um ponto no rfrncal l a partr das suas coordnadas no rfrncal a, sndo smlhant à dfnda por () 0
9 ransformação Lnar d Coordnadas - Álvaro F. M. Azvdo l la a (7) Substtundo (6) m (7) chga-s a l la ag g (8) Uma vz qu s prtnd uma matrz d transformação d g para l l g (9) comparando (8) com (9) conclu-s qu la ag (40) Na Fgura. é dfnda a posção do rfrncal aular a m rlação ao rfrncal gral g àbarra. a g a a g g < Fg.. - Posção do rfrncal a m rlação ao rfrncal g. Em rlação à Fgura. consdra-s anda o sgunt: oog é vrtcal orntado para cma; o o barcêntrco da barra é dfndo plos nós ;
10 ransformação Lnar d Coordnadas - Álvaro F. M. Azvdo é m gral vantaoso consdrar a convnção d sr smpr <. Assm, o prmro nó da barra é o nó o sgundo é o nó. Esta convnção clarfca todo o procsso d studo da barra sm lh ntroduzr qualqur lmtação; ooa concd com o o barcêntrco da barra,.., o o qu é dfndo plos cntros d gravdad d todas as scçõs transvrsas da barra; ooa ncontra-s orntado do nó para o nó ; ooa é prpndcular ao plano (g,a ) stá orntado d acordo com o sntdo do produto vctoral ntr os vrsors d g a ; ooa stá contdo no plano (g,a ) rsulta do produto vctoral ntr os vrsors d a a ; dsta forma o rfrncal (a,a,a ) é smpr drcto ortonormado. Para s calcular a matrz d transformação d g para a (6) va-s rcorrr à prssão (4). Assm, a prmra lnha d ag é consttuída plas componnts do vrsor a no rfrncal g, assm sucssvamnt. O cálculo das componnts do vrsor a é fto com bas nas coordnadas dos nós. Coordnadas do nó no rfrncal g: (, ), Coordnadas do nó no rfrncal g: (, ), O comprmnto da barra é calculado com a sgunt prssão ( ) ( ) ( ) L (4) O vctor a, qu m gral não tm norma untára, obtém-s por subtracção das coordnadas dos nós. (, ) a, (4) Ovrsor â obtém-s dvdndo o vctor a pla rspctva norma
11 ransformação Lnar d Coordnadas - Álvaro F. M. Azvdo a L (4) a Para postror rfrênca, dsgnam-s as componnts do vrsor â por A, A A ( A, A A ) a (44), al como fo atrás rfrdo, o o a é dfndo plo produto vctoral ntr os vrsors dos os g a, sndo g ( 0,0, ) g a a (45) Uma vz qu dst produto vctoral não rsulta um vrsor, é ncssáro dvdr o vctor a pla rspctva norma a a a (46) Para postror rfrênca, dsgnam-s as componnts do vrsor â por B, B B ( B, B B ) a (47), Para qu o rfrncal a sa drcto ortonormado, calcula-s o vrsor â como sndo o rsultado do produto vctoral ntr â â. Do produto vctoral ntr vrsors prpndculars ntr s rsulta smpr um vrsor. a (48) a a Para postror rfrênca, dsgnam-s as componnts do vrsor â por C, C C ( C, C C ) a (47), D acordo com o qu fo dduzdo, os lmntos da matrz d transformação do rfrncal g para o rfrncal a (6) são os sgunts A A A ag B B B (48) C C C
12 ransformação Lnar d Coordnadas - Álvaro F. M. Azvdo O rsultado do produto vctoral prsso m (45) é um vctor nulo smpr qu o vrsor â sa parallo ao vrsor ĝ. Supondo qu o o ĝ é smpr vrtcal (hpóts consdrada atrás), sta stuação sngular ocorr smpr qu a barra é vrtcal. Para sts casos é ntão ncssáro dfnr a matrz d transformação ag com outro crtéro. Na Fgura. na Fgura.4 ncontra-s a posção do rfrncal a m rlação ao rfrncal g para os casos da barra vrtcal orntada para cma orntada para bao. g a < a a a a ( 0,0,) ( 0,,0) (,0,0) g g a Fg.. - Posção do rfrncal a m rlação ao rfrncal g para o caso da barra vrtcal orntada para cma. g < g a a a a ( 0,0, ) ( 0,,0) (,0,0) g a a Fg..4 - Posção do rfrncal a m rlação ao rfrncal g para o caso da barra vrtcal orntada para bao. Consdrando as sgunts prssõs para os vrsors do rfrncal a, fcam cobrtas as duas stuaçõs squmatzadas nas Fguras..4. a ( A, A A ) (49) L 0,0,, 4
13 ransformação Lnar d Coordnadas - Álvaro F. M. Azvdo ( 0,,0) ( B, B B ) a (50) a,,0,0, ( C, C C) (5) L al como m (48), a matrz d transformação ag é consttuída por A A A ag B B B (5) C C C Procd-s m sguda à dfnção da matrz la qu fo rfrda m (7). Esta matrz d transformação rlacona as coordnadas d um ponto no rfrncal aular (a) com as suas coordnadas no rfrncal local (l). As consdraçõs qu s sgum basam-s na Fgura.5, m qu stão rprsntados os rfrncas a l. O rfrncal l é consttuído plo o da barra plos os prncpas cntras d nérca da scção transvrsal. a l l a α α a l < Fg..5 - Posção do rfrncal l m rlação ao rfrncal a. D acordo com a Fgura.5, pod-s constatar o sgunt: os os a l concdm; os os l l stão rodados d um ângulo α m rlação aos os a a. 5
14 ransformação Lnar d Coordnadas - Álvaro F. M. Azvdo A transformação ntr os rfrncas a l é um caso d transformação ntr dos rfrncas dstntos do gral. Nsta stuação pod-s rcorrr à matrz dfnda m (7), qu corrspond a uma transformação ntr os rfrncas S S.Nst caso, o rfrncal S é o rfrncal a o rfrncal S é o rfrncal l. A matrz d transformação é nst caso calculada com bas nos cosnos dos ângulos formados plos os dos dos rfrncas. la cos cos cos ( l, a ) cos( l, a ) cos( l, a) ( l, a ) cos( l, a ) cos( l, a) ( l ) ( ) ( ), a cos l, a cos l, a (5) D acordo com a Fgura.5 tm-s la cos cos cos () 0 cos( 90 ) cos( 90 ) ( 90 ) cos( α ) cos( 90 α ) ( 90 ) cos( 90 α ) cos( α ) (54) 0 0 la 0 cos α sn α (55) 0 sn α cos α As matrzs d transformação ag la ncontram-s á dfndas. D acordo com (40), a matrz d transformação, do rfrncal gral para o local é dfnda do sgunt modo la ag (56) al como fo ndcado m (9), a corrspondnt transformação é fctuada com a sgunt prssão l g (57) As prssõs aqu dduzdas qu prmtm calcular a matrz foram basadas na nformação d qu é habtual dspor numa análs d um pórtco D plo método dos dslocamntos,.., das coordnadas dos nós do ângulo α. 6
15 ransformação Lnar d Coordnadas - Álvaro F. M. Azvdo Umavzquamatrz é ortogonal, a transformação do rfrncal local para o gral é fctuada com a sgunt rlação g l (58).5 - Consdraçõs fnas As prssõs da matrz d transformação dduzdas nst capítulo podm sr drctamnt utlzadas na formulação da matrz d rgdz d lmntos d trlça ou d pórtco D, bm como na formulação dos rspctvos vctors d forças nodas quvalnts. BIBLIOGRAFIA [.] - Brazão Farnha, J. S.; Corra dos Rs, A. - ablas écncas, Edçõs écncas E.. L.,
16 ransformação Lnar d Coordnadas - Álvaro F. M. Azvdo 8
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