Análise de Pórticos Com Incorporação de Condesação Estática Por Raphael Ribeiro Santos

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  • 7/25/2019 Anlise de Prticos Com Incorporao de Condesao Esttica Por Raphael Ribeiro Santos

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    UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANADEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA

    COLEGIADO DE ENGENHARIA CIVIL

    RAPHAEL RIBEIRO SANTOS

    ANLISE DE PRTICOS COM INCORPORAO DE CONDENSAOESTTICA

    FEIRA DE SANTANA - BA2010

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    RAPHAEL RIBEIRO SANTOS

    ANLISE DE PRTICOS COM INCORPORAO DE CONDENSAO ESTTICA

    Monografia apresentada disciplina TEC

    174 PROJETO FINAL II, como parte dos

    requisitos necessrios para a obteno de

    seus crditos.

    Orientador: Prof. Dr. Jos Mrio Feitosa

    Lima

    Co-orientador:Prof. Dr. Koji de Jesus

    Nagahama

    FEIRA DE SANTANA - BA2010

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    RAPHAEL RIBEIRO SANTOS

    ANLISE MATRICIAL DE PRTICOS COM INCORPORAO DE CONDENSAOESTTICA

    Monografia apresentada disciplina TEC

    174 PROJETO FINAL II, como parte dosrequisitos necessrios para a obteno de

    seus crditos.

    Feira de Santana, 13 de agosto de 2010.

    ___________________________________________________

    Orientador: Prof. Dr. Jos Mrio Feitosa LimaUniversidade Estadual de Feira de Santana

    ___________________________________________________

    Co-orientador: Prof. Dr. Koji de Jesus Nagahama

    Universidade Estadual de Feira de Santana

    __________________________________________________

    Prof. Dr. Anderson de Souza Matos GadaUniversidade Estadual de Feira de Santana

    __________________________________________________

    Prof. Dr. Paulo Roberto Lopes LimaUniversidade Estadual de Feira de Santana

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    Dedico este trabalho a toda a minha

    famlia

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    AGRADECIMENTOS

    Gostaria de agradecer primeiramente a Deus, por est sempre presente na

    minha vida, dando-me sade, paz, sabedoria, guiando-me pelos caminhos certos.

    minha Famlia, aos meus pais Raimundo Reis e Iara Ribeiro, a minha irm

    Nathalya por todo carinho, confiana e esforo para que pudesse chegar at aqui.

    A minha namorada, amiga e companheira Isys por sempre acreditar em mim e

    estar ao meu lado.

    A panelinha por todos os momentos vividos juntos e a ajuda que recebi ao

    longo desse curso. Aos meus velhos amigos que estiveram ao meu lado sempre me apoiando,

    a vocs o meu muito obrigado.

    Ao meu amigo e Professor Jos Mrio Feitosa Lima, por ter me ajudado ao

    longo desse curso sempre acreditando no meu potencial e me incentivando a me tornar um

    engenheiro melhor.

    Ao meu Professor e co-orientador Koji de Jesus Nagahama por ter me ajudado

    a escrever este trabalho.

    A todos os professores que repassaram seus conhecimentos com total

    dedicao durante todo meu processo de formao acadmica.A Universidade Estadual de Feira de Santana por me proporcionar toda uma

    infra-estrutura para os meus estudos e tambm a todos aqueles que direta ou indiretamente me

    ajudaram ao longo desta caminhada.

    OBRIGADO!!!

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    RESUMO

    O projeto estrutural parte de uma concepo terica da estrutura e termina com

    a documentao que possibilita a sua construo. So inmeras e muito complexas as etapasde um projeto estrutural sendo a anlise estrutural a fase em que se realiza o estudo do

    comportamento da estrutura, com a determinao de esforos internos e externos, tenses

    correspondentes, bem como de seus deslocamentos e deformaes. No Brasil existe uma

    carncia de programas educacionais (com cdigo aberto) para anlise estrutural. Em geral, o

    aluno recm formado passa diretamente dos fundamentos tericos para a utilizao de

    programas comerciais, na maioria das vezes sem conhecer sua estrutura interna. Este trabalho

    tem por objetivo aplicar o Mtodo da Rigidez na anlise matricial de prticos espaciaisincluindo a possibilidade de condensao esttica dos deslocamentos, gerando assim uma

    ferramenta computacional para essa anlise. Tal ferramenta foi implementada em linguagem

    FORTRAN 77. Por fim apresentada a validao dos resultados por meio de problemas cujas

    solues analticas so conhecidas, ou ainda para outros problemas que dispunham de

    solues numricas apresentadas na literatura.

    Palavras-chave: Prtico Espacial; Condensao Esttica; Mtodo da Rigidez.

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    ABSTRACT

    The structural design include since theoretical conception of structure to

    documents that permit its construction. There are many stages of a structural project and they

    are complex too much so that the structural analysis is the phase where the study of behavior

    of structure is done, with the determination of intense and extern efforts, correspondents

    tensions, as well the displacements and deformation. In Brazil there is a lack of education

    programs (Open source) to structural analysis. In general, the newly formed student passes

    from theoretical fundaments to uses of commercial programs many times without know its

    internal structure. This work aims to do build the application of Method of Rigid in matrix

    analysis 3D frame including the possibility of static condensation of displacements

    establishing a computational tool for this analysis. This tool has been implemented in

    FORTRAN 77 language. The validation of results is presented through problems where

    analytic solutions are known or to other different problems that had numerical solutions found

    in literature.

    Keywords: Space Frames; Static Condensation; Method of Rigid.

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    LISTA DE SMBOLOS E VARIVEIS

    FTOOL - Two-dimensional Frame Analysis Tool

    PUC-Rio - Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro

    Tecgraf/PUC-Rio - Tecnologia em Computao Grfica /Pontifcia Universidade Catlica do

    Rio de Janeiro

    CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientfico e Tecnolgico

    GL - graus de liberdade

    X - Coordenada global na direo de X

    Y - Coordenada global na direo de YZ - Coordenada global na direo de Z

    x - Coordenada local na direo de x

    y - Coordenada local na direo de y

    z - Coordenada local na direo de z

    Fx - Vetor Fora na direo de x

    Fy - Vetor Fora na direo de y

    Fz - Vetor Fora na direo de zMx - Vetor Fora Momento na direo de x

    My - Vetor Fora Momento na direo de y

    Mz - Vetor Fora Momento na direo de z

    jD Deslocamento j segundo o sistema de referncia global

    i

    kd Deslocamento k no elemento i segundo o sistema de referncia local

    x

    j - Deslocamento horizontal do n j

    y

    j Deslocamento vertical do n j

    j - Rotao do n j

    AAo atuante na mola

    DDeslocamento da mola

    S - Rigidez da mola

    [S] - Matriz de Rigidez da estrutura no restringida;

    {D} - Vetor de Deslocamentos nodais da estrutura;{A} Vetor de Aes nodais da estrutura.

    http://www.tecgraf.puc-rio.br/http://www.tecgraf.puc-rio.br/
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    [SMD] - Matriz de Rigidez do elemento no sistema global

    [RT] - Matriz de Rotao do elemento, que depende de sua orientao;

    [RT] Transposta da Matriz de Rotao do elemento;

    [SM] - Matriz de Rigidez do elemento no sistema local.

    {AC} - Vetor de cargas combinadas

    {Ag} - Vetor de reaes de engastamento perfeito do elemento no sistema global de

    coordenadas;

    {AL} - Vetor de reaes de engastamento perfeito do elemento no sistema local de

    coordenadas;

    }{A RL - vetor das reaes na estrutura restringida

    {AR} - Vetor de reaes na estrutura real;

    {ARL} - Vetor de reaes na estrutura restringida;

    {AM} - Aes de extremidade de membro na estrutura real;

    {AML} - Aes de extremidade de membro na estrutura restringida.

    iIdentificador do elemento

    J - N inicial

    K - N finalL - Comprimento do elemento

    I - Momento de inrcia da seo transversal

    Ax - rea da seo transversal

    Ix - Momento de inrcia na direo de x

    Iy - Momento de inrcia na direo de y

    Iz - Momento de inrcia na direo de z

    G - Mdulo de elasticidade transversal

    Jw - Deslocamento w na extremidade esquerda

    NGL - Nmero de graus de liberdade por n

    NN - Nmero do n

    W - ndice que indica deslocamento

    Kcc - Sub-matriz dos graus de liberdade que sero condensados

    Kpp - Sub-matriz dos graus de liberdade que permanecero

    - Sub-matriz dos graus de liberdade que sofrem influncia da condensao esttica

    dc - Sub-vetor dos deslocamentos associado aos graus de liberdade que sero condensados

    dp - Sub-vetor dos deslocamentos associado aos graus de liberdade que permanecero

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    rc - Sub-vetor das cargas nodais associada aos graus de liberdade que sero condensados

    rp - Sub-vetor das cargas nodais associada aos graus de liberdade que permanecero

    Cx - Co-seno diretor do membro na direo x

    Cy - Co-seno diretor do membro na direo y

    Cz - Co-seno diretor do membro na direo z

    E - Mdulo de elasticidade

    - Coeficiente De Poisson

    R= Matriz de Rotao

    - ngulo existente entre os eixos principais de inrcia no sistema local e o eixo vertical do

    sistema global da estrutura

    RT - Matriz de Transformao de Rotao

    http://pt.wikipedia.org/wiki/Coeficiente_de_Poissonhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Coeficiente_de_Poisson
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    LISTA DE FIGURAS

    Figura 2.1: Estrutura unidimensional - viga e pilares. Fonte: Figueiredo (2010). ...................21

    Figura 2.2: Estrutura laminar - Laje. Fonte: Figueiredo (2010). ..............................................22

    Figura 2.3: Estrutura tridimensional - blocos de fundao. Fonte: Figueiredo (2010). ...........22

    Figura 2.4: Exemplos de estruturas reticuladas planas. Fonte: Gere e Weaver (1987). ...........24

    Figura 2.5: Exemplos de estruturas reticuladas espaciais. Fonte: Gere e Weaver (1987)........24

    Figura 2.6: Sistema global e local de coordenadas de um prtico plano. Fonte: Rovere (2005).

    ..................................................................................................................................................25

    Figura 2.7: Deslocamentos globais e locais..............................................................................31

    Figura 2.8: Prtico plano. .........................................................................................................32

    Figura 2.9: Quatro nveis de abstrao para uma estrutura na anlise estrutural. Fonte: Martha(2000). ......................................................................................................................................33

    Figura 2.10: Estrutura real e o seu modelo estrutural...............................................................34

    Figura 2.11: Parmetros nodais utilizados na discretizao pelo Mtodo da Rigidez. Fonte:Martha (2000). ..........................................................................................................................35

    Figura 3.1: Mola linearmente elstica ......................................................................................37

    Figura 3.2: Elemento de viga com 2 graus de liberdade por n...............................................41

    Figura 3.3: Imposio dos deslocamentos unitrios D1 e D2....................................................42

    Figura 3.4: Imposio dos deslocamentos D3 e D4...................................................................42

    Figura 3.5: Regra da correspondncia ......................................................................................45

    Figura 3.6: Viga contnua .........................................................................................................45

    Figura 3.7: Graus de liberdade da estrutura..............................................................................46

    Figura 3.8: Elementos de viga utilizados na modelagemgraus de liberdade dos elementos 46

    Figura 3.9: Matriz de rigidez de trelia gerada a partir da matriz de rigidez de prtico. .........48

    Figura 3.10: Descontinuidades parciais. Fonte: Gere e Weaver (1987)...................................48

    Figura 3.11: Viga com rotula aplicada a direita. ......................................................................50

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    Figura 3.12: Digrama de bloco para a anlise de estruturas reticuladas...................................54

    Figura 3.13: Aes de extremidade para membros restringidos. Fonte: Gere e Weaver (1987)...................................................................................................................................................56

    Figura 3.14: Rotao de um membro de prtico espacial em torno do eixo x. Fonte: Gere eWeaver (1987). .........................................................................................................................57

    Figura 3.15: Membro de prtico espacial inclinado. Fonte: Gere e Weaver (1987). ...............58

    Figura 4.1: Exemplo 1. Fonte: Vasconcellos Filho (1986). .....................................................62

    Figura 4.2: Exemplo 2.Fonte: Gere e Weaver (1987). .............................................................64

    Figura 4.3: Numerao de ns e de membros do exemplo 2. Fonte: Gere e Weaver (1987)...65

    Figura 4.4: Numerao de Ns. Fonte: Guerra (2009). ............................................................68

    Figura 4.5: Numerao de membros (Pilares). Fonte: Guerra (2009)......................................69

    Figura 4.6: Numerao de Membros (Vigas). Fonte: Guerra (2009). ......................................69

    Figura 4.7: Exemplo 4. Fonte: Gere e Weaver (1987). ............................................................71

    Figura 4.8a: Exemplo 5 (trelia plana). Fonte: Gere e Weaver (1987) ....................................73

    Figura 4.8b: Exemplo 5 (trelia plana). Fonte: Gere e Weaver (1987) ....................................73

    Figura B.1: Rotao de eixos para um membro de prtico espacial. Fonte: Gere e Weaver(1987) .......................................................................................................................................85

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    LISTA DE TABELAS

    Tabela 2.1: Estruturas ReticuladasCaractersticas Gerais. Fonte: Rovere (2005)................27

    Tabela 3.1: Regra da correspondncia: GL da estrutura correspondente ao GL dos elementos..................................................................................................................................................46

    Tabela 4.1: Exemplo 1-dados ...................................................................................................61

    Tabela 4.2: Exemplo 1Deslocamentos nodais. .....................................................................62

    Tabela 4.3: Exemplo 1Reaes de apoio..............................................................................63

    Tabela 4.4: Exemplo 1Aes de extremidade de membro...................................................63

    Tabela 4.5: Exemplo 2dados ................................................................................................65

    Tabela 4.6: Exemplo 2Deslocamentos nodais. .....................................................................66

    Tabela 4.7: Exemplo 2Reaes de apoio..............................................................................66

    Tabela 4.8: Exemplo 2Aes de extremidade de membro...................................................67

    Tabela 4.9: Exemplo 3 - Dados ................................................................................................69

    Tabela 4.10: Comparao de resultados para as Vigas ............................................................70

    Tabela 4.11: Comparao de resultados para os Pilares...........................................................70

    Tabela 4.12: Foras axiais dos membros..................................................................................72

    Tabela 4.13: Exemplo 5dados ..............................................................................................74

    Tabela 4.14: Informao dos ns para a trelia ........................................................................74

    Tabela 4.15: Informao dos membros para a trelia...............................................................74

    Tabela 4.16: Aes aplicadas nos ns ......................................................................................75

    Tabela 4.17: Exemplo 5Deslocamentos nodais. ...................................................................75

    Tabela 4.18: Exemplo 5Reaes de apoio............................................................................76

    Tabela 4.19: Exemplo 5aes de extremidade de membro. .................................................76

    Tabela D.1: Principais variveis utilizadas no programa .......................................................125

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    LISTA DE QUADROS

    Quadro 3.1: Simbologias BsicasDiagrama de Blocos ........................................................53

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    SUMRIO

    1 INTRODUO ...................................................................................................................171.1 CONSIDERAES PRELIMINARES .........................................................................17

    1.2 RELEVNCIA E JUSTIFICATIVA DO ESTUDO......................................................18

    1.3 OBJETIVO DO ESTUDO..............................................................................................191.3.1 Objetivo Geral ..........................................................................................................191.3.2 Objetivos Especficos ...............................................................................................19

    1.4 METODOLOGIA...........................................................................................................19

    1.5 ESTRUTURAO E ORGANIZAO DO TRABALHO .........................................20

    2 REVISO BIBLIOGRFICA ...........................................................................................21

    2.1 MODELAGEM ..............................................................................................................21

    2.2 ESTRUTURAS RETICULADAS..................................................................................222.2.1 Diviso da Estrutura em Elementos .........................................................................222.2.2 Tipos de Estruturas Reticuladas ...............................................................................232.2.3 Sistema de Coordenadas...........................................................................................252.2.4 Graus de Liberdade ..................................................................................................262.2.5 CaractersticasGraus de Liberdade no Sistema Local..........................................272.2.6 Condies de Equilibro ............................................................................................302.2.7 Condies de Compatibilidade de Deslocamentos ..................................................31

    2.3 ANLISE ESTRUTURAL ............................................................................................332.3.1 Modelo Estrutural.....................................................................................................332.3.2 Modelo Discreto.......................................................................................................35

    3 ANLISE MATRICIAL DE PORTICOS ESPACIAIS A PARTIR DO METDO DARIGIDEZ.................................................................................................................................37

    3.1 RESUMO DO MTODO DA RIGIDEZ .......................................................................37

    3.2RIGIDEZES DE MEMBRO PRISMTICO DE PRTICOS ESPACIAIS...................41

    3.3 REGRA DA CORRESPONDNCIA ............................................................................443.3.1 Introduo.................................................................................................................443.3.2 Exemplo - Elementos de viga ..................................................................................45

    3.4 CONDENSAO ESTTICA......................................................................................483.4.1 Introduo.................................................................................................................483.4.2 Formulao da Condensao Esttica Linear...........................................................493.4.3 Exemplo ...................................................................................................................50

    3.5 FORMULAO COMPUTACIONAL.........................................................................523.5.1 Diagrama de Blocos .................................................................................................53

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    3.5.2 Operaes .................................................................................................................543.5.2.1 Entrada de dados................................................................................................553.5.2.2 Clculos Preliminares ........................................................................................553.5.2.3 Montagem da Matriz de Rigidez .......................................................................573.5.2.4 Montagem do Vetor de Carga ...........................................................................593.5.2.5 Condies de Contorno .....................................................................................593.5.2.6 Clculo dos Resultados......................................................................................603.5.2.7 Sada de Dados ..................................................................................................60

    4 ESTUDO DE CASOS..........................................................................................................61

    4.1 EXEMPLO 1...................................................................................................................61

    4.2 EXEMPLO 2...................................................................................................................64

    4.3 EXEMPLO 3...................................................................................................................684.4 EXEMPLO 4...................................................................................................................71

    4.5 EXEMPLO 5...................................................................................................................72

    5 CONSIDERAES FINAIS..............................................................................................78

    REFERNCIAS .....................................................................................................................79

    APNDICE A FORMATO PADRO DO ARQUIVO DE ENTRADA.........................80

    APNDICE B CLCULO DO NGULO .....................................................................84

    B.1 CLCULO DO NGULO .........................................................................................85

    APNDICE C MANUAL DE UTILIZAO DO SOFTWARE ...................................89

    APNDICE D LISTAGEM DO PROGRAMA..............................................................123

    D.1 INTRODUO...........................................................................................................124

    D.2 SPACE FRAME ..........................................................................................................124D.2.1 Descrio do Programa .........................................................................................124D.2.2 Variveis do Programa ..........................................................................................125D.2.3 Listagem ................................................................................................................128D.2.4 Exemplo de Utilizao ..........................................................................................160

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    1 INTRODUO

    1.1 CONSIDERAES PRELIMINARES

    De acordo com Martha (2000), desde a dcada de 1960 o computador tem sido

    utilizado na anlise estrutural, embora inicialmente somente pelos institutos de pesquisa e

    universidades. Segundo Rovere (2003), o avano computacional das ltimas dcadas

    possibilitou o desenvolvimento de programas computacionais para anlise estrutural de

    estruturas contnuas e reticuladas. Neste sentido, foram desenvolvidos programas comerciais

    como ANSYS, SAP 2000, ABAQUS e MSC NASTRAN, com base no mtodo dos

    elementos finitos. Ressalta-se, no entanto, que somente nas ltimas dcadas foramincorporados nesses programas rotinas de pr e ps-processamento para gerao automtica

    de malhas e contorno de tenses.

    A anlise de estruturas pode ser vista atualmente como uma simulao

    computacional do comportamento de estruturas. Martha (2000) afirma que no se concebe

    atualmente executar as tarefas de anlise estrutural, mesmo para o caso de estruturas

    reticuladas, sem o uso de computador e de computao grfica.

    Segundo Rovere (2003), existe, no entanto, uma carncia de programas

    educacionais para anlise estrutural. O aluno de graduao passa diretamente dos

    fundamentos tericos para a utilizao desses programas comerciais, sem conhecer, na

    maioria, das vezes sua estrutura interna. Pode-se citar, como um dos poucos exemplos de

    programa educacional para anlise estrutural no Brasil, o programa FTOOL (Two-

    dimensional Frame Analysis Tool), para estruturas reticuladas planas desenvolvido

    inicialmente atravs de um projeto de pesquisa integrado, coordenado por Marcelo

    Gattass,professor do Departamento de Informtica da PUC-Rio e diretor do Grupo de

    Tecnologia em Computao Grfica (Tecgraf/PUC-Rio). Esse projeto teve o apoio do CNPq

    (Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientfico e Tecnolgico). Atualmente o professor

    responsvel por esse programa Luiz Fernando Martha (2000), do Departamento de

    Engenharia Civil da PUC-Rio.

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    1.2 RELEVNCIA E JUSTIFICATIVA DO ESTUDO

    Segundo Martha (2000), a Engenharia Estrutural trata do planejamento,

    projeto, construo e manuteno de sistemas estruturais para transporte, moradia, trabalho e

    lazer. O projeto estrutural tem como objetivo a concepo de uma estrutura que atenda sua

    funo primria, sem colapsar e deformar, ou vibrar, excessivamente, satisfazendo questes

    de segurana, condies de utilizao, condies econmicas, esttica, questes ambientais,

    condies construtivas e restries legais. O resultado final do projeto estrutural a

    especificao da estrutura de forma completa, isto , abrangendo todos os seus aspectos

    gerais, tais como locao, e todos os detalhes necessrios para a sua construo. Portanto, o

    projeto estrutural parte de uma concepo geral da estrutura e termina com a documentaoque possibilita a sua construo. So inmeras e muito complexas as etapas de um projeto

    estrutural. Entre essas cita-se a previso do comportamento da estrutura de tal forma que a

    mesma possa atender satisfatoriamente s condies de segurana e de utilizao para as quais

    foi concebida.

    A anlise estrutural a fase do projeto estrutural em que se realiza o estudo do

    comportamento da estrutura. Esse comportamento pode ser expresso por diversos parmetros,tais como campos de tenses, deformaes e deslocamentos da estrutura. De uma maneira

    geral, a anlise estrutural tem como objetivo a determinao de esforos internos e externos,

    tenses correspondentes, deslocamentos e deformaes da estrutura que est sendo projetada.

    Segundo Gere e Weaver (1987), na resoluo de problemas sem auxlio de

    ferramentas computacionais, pode-se gerar matrizes de forma conveniente sem perda de

    eficincia. Contudo, as estruturas grandes e complexas exigem a soluo de um imenso

    nmero de equaes, sendo necessria para a sua soluo a utilizao de computadores. Num

    programa computacional necessrio manipular toda a informao sobre a estrutura e suas

    cargas de uma maneira organizada. Deste modo, deve-se desenvolver um procedimento

    formalizado que permita a um computador processar grande quantidade de informao por

    um procedimento de rotina.

    De acordo com Gere e Weaver (1987), a condensao esttica ou

    descontinuidade nos membros depende da natureza geral da estrutura reticulada, em vigas,

    por exemplo, s so de importncia descontinuidades de esforo cortante e momento fletor.

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    19

    Essa ferramenta possibilita o programa de prtico espacial simular qualquer tipo de estrutura

    reticulada, contemplando portando o estudo e anlise de trelias, prticos com tirantes e

    grelhas.

    1.3 OBJETIVO DO ESTUDO

    1.3.1 Objetivo Geral

    Disponibilizar uma ferramenta computacional para dar suporte ao ensino e

    anlise de estruturas reticuladas.

    1.3.2 Objetivos Especficos

    a) Apresentar uma formulao terico-computacional para a anlise de

    prticos espaciais, baseando-se no Mtodo da Rigidez;

    b) Determinar, atravs do software desenvolvido, os deslocamentos(translaes e rotaes), reaes de apoio e aes de extremidade de

    membros de prticos espaciais;

    c) Aplicar o Mtodo da Rigidez na anlise matricial de prticos espaciais,

    incorporando condensao esttica.

    1.4 METODOLOGIA

    Com base no objetivo de apresentar uma ferramenta computacional para a

    anlise de estruturas reticuladas, definiu-se os seguintes passos: (i) Inicialmente feita uma

    reviso bibliogrfica para a compreenso da importncia e domnio do objeto de estudo. Neste

    sentido, so apresentados os tipos de estruturas reticuladas e suas caracteristicas, introduzindo

    conceitos fundamentais.(ii) Posteriormente sodiscutidas as vrias fases de um programa

    computacional para a anlise de estruturas pelo mtodo da rigidez. (iii) Por fim, apresenta-se a

    formulao inerente condensao esttica.

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    20

    A ferramenta computacional baseada no Mtodo da Rigidez, e

    implementada atravs da linguagem de programao FORTRAN 77. A escolha desta

    linguagem deve-se, principalmente a fcil implementao e sua ampla utilizao nos meios

    acadmicos e cientficos.

    Para validao dos resultados foram utilizados problemas com solues

    conhecidas, ou ainda outros com solues numricas geradas atravs de programas

    comerciais.

    1.5 ESTRUTURAO E ORGANIZAO DO TRABALHO

    O trabalho est dividido em 5 captulos, sendo este primeiro o que contm as

    consideraes iniciais, a justificativa, relevncia do trabalho, os objetivos bem como a

    definio do escopo e organizao deste.

    No Captulo 2 feita uma reviso bibliogrfica onde so abordadas aconcepo estrutural de prticos e os seus correspondentes modelos de representao.

    Um resumo do mtodo da rigidez mostrando diagrama de bloco para a anlise

    de prticos espaciais apresentado no capitulo 3 ao tempo que se define condensao esttica

    apresentando sua correspondente formulao.

    A verificao do programa aqui gerado realizada no capitulo 4 atravs da

    comparao dos resultados com os obtidos atravs da literatura disponvel que utilizam

    tcnicas convencionais.

    O Captulo 5 apresenta as concluses finais e sugestes para a continuidade

    deste trabalho.

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    2 REVISO BIBLIOGR

    2.1 MODELAGEM

    Segundo S

    chamadas estruturas ou

    interligados, deformveis

    primeira etapa da anlise e

    Nesse sentido, as estrutu

    elementos. Com relao

    unidimensionais, laminares

    De um mod

    estas ligadas entre si e ao

    ou seja, deve ser capaz

    transmiti-las at seus apoi

    equilibrante (SSSEKIND

    A estrutura

    s outras duas. So em g

    supera em pelo menos trs

    as vigas e pilares (vide figu

    Figura 2.1: Estrutur

    A estrutura

    terceira. Tm-se como exe

    bem menor do que suas o

    FICA

    riano (1993), a anlise estrutural trata d

    istemas estruturais, formados de compon

    capazes de receber e transmitir esforos.

    strutural consiste em estabelecer omodelo es

    ras podem ser tratadas globalmente, ou

    a suas dimenses, as estruturas podem

    e tridimensionais.

    o geral, as estruturas so compostas de uma

    eio exterior. O conjunto formado por estas

    de receber as solicitaes externas, absor

    s, onde estas solicitaes externas encontrar

    , 1981).

    dita unidimensional quando uma dimenso

    ral denominadas barras, cujo eixo, que p

    vezes a maior dimenso da seo transversal

    ra 2.1).

    a unidimensional - viga e pilares. Fonte: Fig

    laminar quando duas dimenses predo

    plo as chapas, as lajes, as placas e as cascas

    utras dimenses (vide figura 2.2).

    21

    comportamento das

    entes adequadamente

    ara Rovere (2005), a

    trutural a ser adotado.

    ivididas em diversos

    ser classificadas em

    ou mais peas, sendo

    eas deve ser estvel,

    -las internamente e

    o seu sistema esttico

    predomina em relao

    de ser reto ou curvo,

    tm-se como exemplo

    eiredo (2010).

    minam em relao

    , nas quais a espessura

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    22

    Figura 2.2: Estrutura laminar - Laje. Fonte: Figueiredo (2010).

    Por fim, a estrutura tridimensional quando nenhuma dimenso

    predominante. o caso de blocos de fundao e alguns tipos de barragens (vide figura 2.3).

    Figura 2.3: Estrutura tridimensional - blocos de fundao. Fonte: Figueiredo (2010).

    2.2 ESTRUTURAS RETICULADAS

    2.2.1 Diviso da Estrutura em Elementos

    Segundo Gere e Weaver (1987), cada estrutura reticulada composta

    constituda por membros ligados entre si por pontos nodais, denominados ns. Portanto, ns

    de uma estrutura reticulada so os pontos de interseo dos membros, assim como os pontos

    de apoio e extremidades livres da estrutura.

    De acordo com Rovere (2005), as aes e deslocamentos de uma estrutura sosintetizados nos ns, resultando em um sistema de equaes algbricas de equilbrio, de foras

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    23

    ou momentos, associados a esses ns. Ainda segundo esse autor, uma estrutura com N ns,

    tendo M graus de liberdade (GL) em cada n, resultar em um sistema de NM equaes

    algbricas, incluindo-se as direes restringidas por vnculos.

    2.2.2 Tipos de Estruturas Reticuladas

    Conforme Sssekind (1981), a maioria das estruturas constituda por barras,

    sendo denominadas de estruturas reticuladas.

    O estudo esttico das barras pode ser feito considerando-a representada peloseu eixo (lugar geomtrico dos centros de gravidade de suas sees transversais). Caso o eixo

    das diversas barras que compe a estrutura estejam contidos em um mesmo plano tratar-se-

    de uma estrutura plana, caso contrrio, tratar-se- de uma estrutura espacial (SSSEKIND,

    1981).

    As estruturas reticuladas podem ser classificadas em:

    Vigas Trelia

    o Planao Espacial

    Prticoo Planoo Espacial

    Arcos Grelha

    Cabos, escoras e/ou tirantes

    As vigas so estruturas compostas de barras retas ou curvas que esto contidos

    em um plano em que a flexo preponderante. (vide figura 2.4.a). Uma trelia plana

    idealizada como um sistema de membros existentes num plano e ligados entre si por rotulas,

    formando malhas triangulares. Todas as foras aplicadas so consideradas como atuando no

    plano da estrutura, e todos os binrios externos tm seus vetores-momento normais ao plano.

    As cargas podem consistir em foras concentradas aplicadas nos ns, assim como cargas que

    atuam nos prprios membros (vide figura 2.4.b). Um prtico plano constitudo por membros

    existentes em nico plano tendo eixos de simetria nesse plano. As foras que atuam num

  • 7/25/2019 Anlise de Prticos Com Incorporao de Condesao Esttica Por Raphael Ribeiro Santos

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    prtico e os deslocamento

    que atuam no prtico tm

    arcos so elementos lin

    preponderantes, agindo ou

    aes esto contidas em se

    Figura 2.4: Exemplos

    A grelha

    plano em que todas as for

    vetores no plano da grelha

    exceto que os membros p

    trelia tridimensional pod

    membro deve ter seu veto-

    que um membro de uma

    (GERE e WEAVER 1987)

    Figura 2.5: Exemplos d

    do prtico esto no mesmo plano da estru

    seus vetores-momento normais ao plano (

    ares curvos em que as foras normais

    no simultaneamente com esforos solicit

    plano.

    de estruturas reticuladas planas. Fonte: Gere

    ma estrutura constituda de barras retas, to

    as so normais ao plano da estrutura e todo

    (vide figura 2.5.a). Trelia espacial idnti

    dem ter qualquer direo no espao. As f

    m ter direes arbitrarias, mas qualquer

    momento perpendicular ao eixo da barra. A

    trelia incapaz de suportar um momento t

    .

    e estruturas reticuladas espaciais. Fonte: Ger

    24

    ura; todos os binrios

    vide figura 2.4.c). Os

    de compresso so

    antes de flexo, cujas

    e Weaver (1987).

    as contidas em nico

    s os binrios tm seus

    a a uma trelia plana,

    ras que atuam numa

    inrio que atue num

    razo desta exigncia

    rsor, vide figura 2.5.b

    e Weaver (1987).

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    O tirante e

    trao so preponderantes.

    normais de compresso s

    Os prticos

    no h restries na posi

    membros individuais de u

    torsores, binrios fletores

    foras cortantes em amb

    (GERE e WEAVER 1987)

    2.2.3 Sistema de C

    A estrutura

    Z) e os elementos em rel

    perpendiculares entre si e

    No sistema local, o eixo lcentride da seo, e o s

    elemento (Em geral o eixo

    figura 2.6).

    Figura 2.6: Sistema global

    cabo so elementos unidimensionais em qu

    A escora um elemento unidimensional reti

    preponderantes.

    espaciais so o tipo mais geral de estruturas

    o dos ns, direes dos membros ou di

    prtico espacial podem suportar foras a

    m ambas as direes principais da seo t

    s as direes principais da seo transver

    .

    ordenadas

    definida em relao a um sistema global

    ao a um sistema local (x, y, z). Os trs

    ormam um sistema destrgiro (satisfazem a

    ocal x coincide com o eixo longitudinal dntido positivo deste eixo definido pela i

    vertical da seo denominado eixo y e o

    e local de coordenadas de um prtico plano.

    25

    e as foras normais de

    lneo em que as foras

    reticuladas, visto que

    ees das cargas. Os

    iais internas, binrios

    ransversal, bem como

    sal, vide figura 2.5.c

    e coordenadas (X, Y,

    eixos cartesianos so

    regra da mo direita).

    barra, passando pelo ncidncia dos ns no

    orizontal eixo z (vide

    Fonte: Rovere (2005).

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    2.2.4 Graus de Liberdade

    O excesso de aes desconhecidas relativamente s que podem ser encontradas

    pelo equilbrio esttico designado por redundante esttico. O nmero de tais redundantes

    representa o grau de indeterminao esttica da estrutura.

    No mtodo da rigidez, os deslocamentos nodais da estrutura so as quantidades

    desconhecidas. Por isso, o segundo tipo de indeterminao conhecida como indeterminao

    cinemtica, torna-se importante. Quando a estrutura est submetida a aes, cada n ter

    deslocamentos sob a forma de translao e rotaes, dependendo da configurao da

    estrutura; estes deslocamentos nodais desconhecidos so as quantidades cinemticasindeterminadas, sendo por vezes designados redundantes cinemticas. O seu nmero

    representa o grau de indeterminao cinemtica da estrutura.

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    2.2.5 CaractersticasGraus de Liberdade no Sistema Local

    A tabela a seguir apresenta as principais caractersticas consideradas na modelagem de elementos estruturais reticulados. Percebe-se que o prtico espacial a estrutura reticulada mais abrangente e complexa entre os reticulados apresentados.

    Tabela 2.1: Estruturas ReticuladasCaractersticas Gerais. Fonte: Rovere (2005).

    Viga 2 GL por n:translaoparalela a y erotao emtorno de z

    estrutura plana em que o eixolongitudinal das barras (x) estcontido no eixo XY e sempreparalelo ao eixo X. O eixo y da seotransversal das barras deve ser umeixo de simetria de maneira a garantirque as barras no sofram toro; oseixos da seo transversal seroassim eixos principais de inrcia e ocentro de gravidade coincidir com ocentro de toro da seo.

    as barrasso emgeralrigidamenteligadasentre si.

    as foras aplicadaspodem serconcentradas oudistribudas esituam-se no planoXY (que coincidecom o plano xydas barras). Osbinrios aplicadosdevem ter seusvetores-momento(seta dupla)normais ao planoXY (paralelos aoeixo Z).

    atendidas as condies acima, oselementos de viga se deformarono plano xy, no sofrendo toronem flexo fora do plano. Asdeformaes por flexopredominam e no caso de vigaslongas, em que a relao altura daseo(h) / comprimento do vo (l)for pequena, pode-se desprezar oefeito da fora cortante. Asdeformaes axiais no seroconsideradas.

    a viga estar submetida a esforo cortantee momento fletor; no ser considerado oesforo axial. No caso da viga estarsubmetida a esforo axial significativo,esta deve ser tratada como prtico plano

    Grelha 3 GL/n:translaoparalela a z erotao emtorno de x ede y

    estrutura plana (plano XY) compostade barras contnuas que seinterceptam mutuamente.

    ao contrrio doprtico plano,todas as forasatuamnormalmente aoplano XY e todosos binrios tmseus vetores (setadupla) no plano dagrelha (XY).

    predominante por flexo(deformaes por toro e porcisalhamento so secundrias).Considera-se que cada barra temdois eixos de simetria na seotransversal, um est no plano XYe o outro paralelo a direo Z. Istoimplica em que os esforos demomento toror e fletor ajamindependentemente e tambmimplica que as barras se deformempor flexo na direo Z.

    de flexo, toro e cortante.

    continua

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    28

    continuao

    Trelia Plana 2 GL/ n :translaoparalela a x ea y

    estrutura plana em que o eixolongitudinal das barras (x) estcontido no plano XY e pode ter umaorientao arbitrria em relao aoeixo X.

    as barrassoarticuladas,ou seja,ligadasentre si por

    rtulas.

    as foras aplicadaspodem serconcentradas oudistribudas esituam-se no planoXY. Os binrios

    aplicados devemter seus vetores -momento (setadupla) normais aoplano XY(paralelos ao eixoZ). Pode haverforas aplicadasdiretamente nosns ou nas barras,mas no podehaver binriosaplicadosdiretamente nosns (apenas nasbarras).

    as deformaes axiaispredominam; pode haver tambmdeformao por flexo, mas a decisalhamento ser sempredesprezada.

    se s houver foras aplicadas diretamentenos ns e foras axiais ao longo das barras,as barras estaro submetidas apenas aesforo axial. Se houver forastransversais e binrios ao longo das barrashaver esforo cortante e momento fletor

    tambm (obtidos considerando-se as barrascomo vigas bi-apoiadas).

    Trelia Espacial (3 GL/ n:translaoparalela a x,y, z

    idntica trelia plana, exceto que asbarras podem ter qualquer direo noespao.

    as barrasso ligadasentre si porrtulas.

    as deformaes axiaispredominam; pode haver tambmdeformao por flexo, mas a decisalhamento ser sempre

    desprezada.

    se s houver foras aplicadas diretamentenos ns e foras axiais ao longo das barras,as barras estaro submetidas apenas aesforo axial. Se houver foras

    transversais e binrios ao longo das barrashaver esforo cortante e momento fletortambm (obtidos considerando-se as barrascomo vigas bi-apoiadas).

    Continua

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    29

    continuao

    Prtico Plano 3 GL/ n:translaoparalela a x ea y e rotaoem torno de z

    estrutura plana constituda de barrasprismticas, situadas no plano XY,com orientao arbitrria em relaoao eixo X. Assim como nas vigas,considera-se que o eixo vertical (y)da seo transversal das barras um

    eixo de simetria e, portanto, y e z soeixos principais de inrcia.

    as barrasso emgeralrigidamenteligadasentre si.

    como nas vigas, asforas atuam noplano XY ebinrios atuamperpendicularmenteao plano XY

    (direo Z).

    de flexo, axial e cortante. as deformaes por flexo predominam eocorrem no plano XY. Consideram-se asbarras longas; desprezam-se, portanto, asdeformaes por cisalhamento Asdeformaes por flexo e axial soconsideradas independentemente uma da

    outra (nas estruturas lineares no haverinterao entre esforo axial e flexo).

    Prtico Espacial 6 GL/ n:translaoparalela a x,y, e z erotao emtorno de x, y,z

    tipo de estrutura mais geral, no hrestrio na posio dos ns, barrasou direes das cargas. No entantoconsidera-se que a seo transversaltem dois eixos de simetria (eixosprincipais) de forma a no ocorrerinterao entre flexo e toro.

    as barrasso emgeralrigidamenteligadasentre si.

    por flexo, axial e por toro; nocaso de barras longas pode-sedesprezar a deformao porcisalhamento.

    axial, de toro, esforo cortante nas duasdirees principais e tambm de flexo nasduas direes principais.

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    2.2.6 Condies de Equilibro

    Para um determinado carregamento aplicado todas as estruturas devem ser

    capazes de alcanar um estado de equilbrio estvel. Esta condio de equilbrio deve ser

    satisfeita pela estrutura como um todo ou por qualquer poro isolada desta.

    Em um corpo livre submetido a diferentes aes, a resultante de todas as aes

    pode ser uma fora, um binrio, ou ambos. Se o corpo livre est em equilbrio esttico, a fora

    e momento resultante so ambos zero. Um vetor no espao tridimensional pode ser

    decomposto em trs componentes segundo direes mutuamente ortogonais, tais como as

    direes X, Y e Z. Se o vetor-fora resultante nulo, ento suas componentes tambm devemser iguais a zero, podendo-se, portanto, adotar as seguintes equaes de equilbrio esttico:

    0F0F0F zyx (2.1.a)

    Nestas equaes xF , yF e zF so as somas algbricas das

    componentes segundo as direes X, Y, e Z, respectivamente, de todos os vetores-fora

    atuando no corpo livre. De modo idntico, se o vetor-momento resultante igual a zero, as

    equaes de equilbrio esttico so

    0M0M0M zyx (2.1.b)

    onde xM , yM e zM so as somas algbricas dos momentos em relao aos eixos X,

    Y, e Z, respectivamente, de todos os binrios e foras que atuam no corpo livre.

    As seis equaes 2.1 representam as equaes de equilbrio esttico para aes

    em trs dimenses. Podem ser aplicadas a qualquer corpo livre, bem como estrutura

    completa, uma parte da estrutura, um nico membro, ou um n da estrutura (GERE e

    WEAVER, 1987).

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    2.2.7 Condies de Compatibilidade de Deslocamentos

    Segundo Gere e Weaver (1987) em uma anlise de determinada estrutura, alm

    das condies de equilbrio, deve-se atender as condies de compatibilidade. De acordo com

    Martha (1993), compatibilidade significa que os deslocamentos e deformaes das vrias

    partes da estrutura so consistentes. Isso expressa exigncia de que todas as partes da

    estrutura deformada devem permanecer ajustadas, unidas, ligadas, durante todos os estgios

    de carregamento. Em outras palavras, conforme observa Gere e Weaver(1987)estas condies

    asseguram a continuidade dos deslocamentos ao longo da estrutura.

    No caso dos elementos estruturais constitudos por barras, a hiptese dedeformao da barra mantendo a seo transversal plana, implica na existncia de

    compatibilidade no interior das mesmas. Assim, deve-se garantir a compatibilidade nas

    junes das barras e, desta forma, garantir a compatibilidade no interior de toda a estrutura.

    Para exemplificar as relaes que garantem a compatibilidade nodal considere

    a estrutura da figura 2.7.

    Figura 2.7: Deslocamentos globais e locais.

    As condies de compatibilidade nos ns das barras podem ser expressas por:

    636

    26

    535

    25

    434

    24

    323

    16

    222

    15

    121

    14

    Ddd

    Ddd

    Ddd

    Ddd

    Ddd

    Ddd

    (2.2)

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    32

    onde

    jD o deslocamento j segundo o sistema de referncia global

    i

    kd o deslocamento k no elemento i segundo o sistema de referncia local

    Estas condies partem do principio de que as junes entre as barras so

    totalmente rgidas, isto , tanto a translao quanto a rotao so iguais nas duas extremidades

    da junta. Estas condies so chamadas de condies internas de compatibilidade de

    deslocamentos (MARTHA, 1993).

    Alm das condies de compatibilidade interna, os deslocamentos tambm

    devem ser compatveis com as condies de apoio da estrutura. Estas so as condies

    externas de compatibilidade de deslocamentos. No caso da estrutura dafigura2. 7, em conjunto

    com a figura 2.8, tais condies resultam em:

    Figura 2.8: Prtico plano.

    0Dd

    0Dd

    0Dd

    0Dd

    0Dd

    0Dd

    12

    3

    3

    11

    3

    2

    10

    3

    1

    9

    1

    3

    8

    1

    2

    7

    1

    1

    (2.3)

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    33/167

    2.3 ANLISE ESTRUTU

    Segundo Ge

    so considerados as teoria

    dois mtodos complement

    e, conseqentemente, clc

    matricial torna possvel

    eficientes de descrever as

    programadas para um com

    A anlise eestrutura que est sendo

    abstrao o do mundo fs

    Figura 2.9: Quatro nveis

    2.3.1 Modelo Estru

    Conforme

    modelo analtico que util

    modelo chamado de mod

    hipteses feitas para descrcriao do modelo estrutu

    anlise estrutural. Essa tar

    da sua importncia.

    Na concep

    da estrutura real em que

    Feodosiev (1977), as hipt

    AL

    re e Weaver (1987) os mtodos de anlise de

    mais fundamentais e universais entre toda

    res so especialmente apropriados para um

    lo utilizando computadores. Ainda segund

    m tratamento unificado do tema, alm d

    rias etapas na anlise, de modo que essas

    utador.

    trutural moderna trabalha com quatro nvenalisada, tal como indicado na figura 2.9.

    ico, isto , representa-se a estrutura real tal c

    e abstrao para uma estrutura na anlise est

    (2000).

    ural

    artha (2000), o segundo nvel de abstrao d

    izado para representar matematicamente a es

    lo estrutural, ou modelo matemtico, e inco

    ver o comportamento da estrutura para as dral de uma estrutura real uma das tarefa

    fa pode ser bastante complexa, dependendo

    o do modelo estrutural feita uma idealiza

    e adota uma srie de hipteses simplifica

    ses bsicas so:

    33

    flexibilidade e rigidez

    as disponveis. Esses

    formulao matricial

    esse autor, a anlise

    proporcionar meios

    sejam mais facilmente

    s de abstrao para a O primeiro nvel de

    mo construda.

    rutural. Fonte: Martha

    a anlise estrutural o

    trutura analisada. Esse

    pora todas as teorias e

    iversas solicitaes. A mais importantes da

    do tipo de estrutura e

    o do comportamento

    oras. De acordo com

  • 7/25/2019 Anlise de Prticos Com Incorporao de Condesao Esttica Por Raphael Ribeiro Santos

    34/167

    34

    Os materiais sero supostos contnuos (ausncia de imperfeies,

    bolhas etc.), homogneos (iguais propriedades em todos os seus

    pontos), e istropos (iguais propriedades em todas as direes);

    eixo longitudinal, sobre o plano neutro, no tem deformao;

    Todas as sees normais permanecem planas e normais ao eixo

    encurvado aps a deformao (hiptese das sees planas);

    Qualquer deformao da seo normal no seu prprio plano

    desprezada;

    material est no regime elstico linear;

    As deformaes e as rotaes so consideradas pequenas perante a

    unidade.

    A Figura 2.10 mostra um exemplo de um modelo estruturalbidimensional para o prtico de um galpo industrial.

    Figura 2.10: Estrutura real e o seu modelo estrutural.

    Observa-se na figura 2.10 que os elementos estruturais do galpo (vigas e

    colunas) aparecem representados por linhas. A informao tridimensional das barras fica

    representada por propriedades globais de suas sees transversais, tais como rea e momento

  • 7/25/2019 Anlise de Prticos Com Incorporao de Condesao Esttica Por Raphael Ribeiro Santos

    35/167

    de inrcia. Portanto, no cas

    uma tarefa simples: os ei

    2.3.2 Modelo Discr

    De acordo

    anlise estrutural o do m

    de clculo dos mtodos de

    Em geral,

    parmetros para representcomportamento analtico d

    em que solues analticas

    adotados. A passagem d

    discretizao. Martha(200

    dependem do mtodo utiliz

    Na soluoreticuladas, a soluo discr

    (pontos de encontro das

    denominados deslocabilid

    deslocamentos horizontais

    ns, yC e y

    D , e as rotaes

    Figura 2.11: Parmetros

    o de estruturas reticuladas, a considerao d

    os das barras definem os elementos do mod

    to

    com Martha (2000), o terceiro nvel de

    odelo discreto. Esse modelo concebido de

    anlise.

    os mtodos de anlise utilizam um conj

    r o comportamento de uma estrutura. Nesso modelo estrutural substitudo por um co

    contnuas so representadas pelos valores di

    o modelo matemtico para o modelo di

    ) afirma que os tipos de parmetros adotad

    ado.

    pelo Mtodo da Rigidez ou dos Deslocaeta representada por valores de deslocame

    arras), tal como indicado na figura 2.11.

    ades. No exemplo da figura2. 11, as de

    dos ns superiores, xC e x

    D , os desloca

    dos ns livres ao giro, B, C e D.

    odais utilizados na discretizao pelo Mtod

    Martha (2000).

    35

    geometria do modelo

    lo estrutural.

    bstrao utilizado na

    ntro das metodologias

    nto de variveis ou

    nvel de abstrao, o mportamento discreto,

    cretos dos parmetros

    screto denominada

    os no modelo discreto

    entos, para estruturas tos e rotaes nos ns

    Esses parmetros so

    slocabilidades so os

    entos verticais desses

    o da Rigidez. Fonte:

  • 7/25/2019 Anlise de Prticos Com Incorporao de Condesao Esttica Por Raphael Ribeiro Santos

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    36

    Na figura 2.11, a configurao deformada da estrutura (elstica mostrada em

    escala ampliada) representa a soluo contnua do modelo matemtico. Os valores das

    deslocabilidades nodais representam a soluo discreta do problema. Nesse tipo de

    metodologia baseada em deslocamentos, a soluo contnua pode ser obtida por interpolao

    dos valores discretos dos deslocamentos e rotaes nodais, considerando tambm o efeito da

    carga distribuda na barra horizontal.

  • 7/25/2019 Anlise de Prticos Com Incorporao de Condesao Esttica Por Raphael Ribeiro Santos

    37/167

    3 ANLISE MATRICIARIGIDEZ

    3.1 RESUMO DO MTO

    O mtodo d

    programaes automticas,

    As incgnitas primrias no

    resoluo de um sistema d

    princpio da superposio.

    nmero, grau de indetermi

    No mtodo

    alterando a estrutura real

    sejam inicialmente nulos e

    denomina-se sistema princi

    Segundo Ge

    deslocamentos desempen

    conveniente de exprimir es

    equaes podem ser obtida

    A ao A c

    extremidade da mola. A

    deslocamento do seguinte

    DSA

    Nesta equa

    para produzir um desloca

    DE PORTICOS ESPACIAIS A PARTI

    O DA RIGIDEZ

    a rigidez, ou mtodo dos deslocamentos, am

    considerado o mais importante mtodo d

    mtodo da rigidez so deslocamentos, que s

    equaes lineares algbricas de equilbrio,

    Esses deslocamentos so denominados gr

    ao cinemtica (SORIANO e LIMA 2006).

    da rigidez, uma estrutura cinematicamente

    de modo que os deslocamentos desconhec

    em seguida assumam valores unitrios. Es

    pal (GERE e WEAVER 1987).

    re e Weaver (1987), as relaes que existe

    am um papel importante na anlise e

    sas relaes por meio de equaes de a

    s considerando a mola linearmente elstica

    Figura 3.1: Mola linearmente elstica

    mprimir a mola produzindo desse modo u

    relao entre A e D pode ser expressa

    odo:

    o, S a rigidez da mola, a qual definida c

    mento unitrio. A rigidez expressa em

    37

    DO METDO DA

    plamente utilizado em

    anlise de estruturas.

    o obtidos por meio de

    eduzidas utilizando o

    us de liberdade e seu

    determinada obtida

    idos da estrutura real

    a estrutura restringida

    m entre as aes e os

    strutural. Um modo

    e deslocamento. Tais

    ostrada na figura 3.1.

    m deslocamento D da

    por uma equao de

    (3.1)

    omo a ao necessria

    nidades de fora por

  • 7/25/2019 Anlise de Prticos Com Incorporao de Condesao Esttica Por Raphael Ribeiro Santos

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    38

    unidade de comprimento.A relao citada acima valida para qualquer estrutura linearmente

    elstica submetida a uma nica ao (GERE e WEAVER, 1987).

    Estendendo a anlise, para as demais estruturas reticuladas, as equaes de

    equilbrio da estrutura no sistema global de referncia podem ser escritas ento, sob a forma

    matricial (GERE e WEAVER 1987):

    {A}=[S].{D} (3.2)

    onde

    [S] Matriz de Rigidez da estrutura no restringida;

    {D} Vetor de Deslocamentos nodais da estrutura;

    {A} Vetor de Aes nodais da estrutura.

    A matriz de rigidez da estrutura no restringida [S] formada a partir da matriz

    de rigidez de cada elemento, no sistema global, somando-se os coeficientes correspondentes

    aos mesmos graus de liberdade:

    ][S=[S] MD (3.3)

    onde

    [SMD] Matriz de Rigidez do elemento no sistema global, sendo que a matriz de cada

    elemento no sistema global obtida da seguinte forma:

    ]].[R]'.[S[R=][S TMTMD (3.4)

    onde

    [RT] Matriz de Rotao do elemento, que depende de sua orientao;

    [RT]Transposta da Matriz de Rotao do elemento;[SM] Matriz de Rigidez do elemento no sistema local.

  • 7/25/2019 Anlise de Prticos Com Incorporao de Condesao Esttica Por Raphael Ribeiro Santos

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    39

    Se uma estrutura tem N ns, e cada n tem M graus de liberdade, a equao

    (3.2) resultante ter NM equaes. A matriz de rotao [RT] est definida adiante atravs da

    equao (3.27 e 3.25).

    O vetor de cargas combinadas {AC} formado pela soma dos efeitos do vetor

    de cargas aplicadas diretamente nos ns, {A}, com os efeitos do vetor de cargas nodais

    equivalente a aes aplicadas nos elementos sendo o ultimo, obtido invertendo-se as reaes

    de cada elemento:

    }{A-{A}=}{A RLC ; (3.5)

    sendo

    }{A=}{A gRL e }]'.{A[R=}{A LTg (3.6)

    onde

    {ARL} Vetor de reaes na estrutura restringida;

    {Ag} Vetor de reaes de engastamento perfeito do elemento no sistema global de

    coordenadas;

    {AL} Vetor de reaes de engastamento perfeito do elemento no sistema local de

    coordenadas;

    [RT]Transposta da Matriz de Rotao do elemento;

    O vetor das reaes na estrutura restringida }{A RL a soma dos coeficientes

    (que correspondem ao mesmo grau de liberdade da estrutura) dos elementos que concorrem

    no mesmo n.

    Em seguida deve-se impor as condies de contorno, encontrando-se o sistema

    de equaes de equilbrio para a estrutura restringida anulando os graus de liberdade

    restringidos na estrutura real:

    {A}=[S].{D}+}{A RL (3.7)

  • 7/25/2019 Anlise de Prticos Com Incorporao de Condesao Esttica Por Raphael Ribeiro Santos

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    40

    Para finalizar os clculos, resolve-se o sistema de equaes (3.7) e obtm-se o

    vetor de deslocamentos:

    }{A-{A}=[S].{D} RL (3.8)

    }A-.{A[S]={D} RL-1 (3.9)

    No presente trabalho foi adotado, para a resoluo do sistema de equaes, o

    Mtodo de Eliminao de Gauss, que permite a anlise de um nmero ilimitado de graus de

    liberdade. No entanto, o programa gerado com base nessa formulao foi limitado a 3000

    graus de liberdade.

    A partir dos deslocamentos calculados com (3.9) determinam-se as reaes de

    apoio AR (foras e binrios nas direes de X, Y e Z), as quais so calculadas utilizando a

    equao (3.10).

    }D{]S[}{A}{A RDRLR (3.10)

    onde

    {AR} Vetor de reaes na estrutura real;

    A matriz SRD uma sub-matriz retangular de S que contm aes

    correspondentes s restries dos apoios, devidas aos valores unitrios dos deslocamentos

    correspondentes aos graus de liberdade.

    Finalmente, as aes de extremidade de membro para cada membro so

    calculadas substituindo a matriz de rigidez de membro [SM]i para os eixos de membro e a

    forma apropriada da matriz de transformao de rotao [RT] ital qual se apresenta na equao

    (3.11).

    iiTiMiMLiM .[D]][R][S}{A=}{A (3.11)

  • 7/25/2019 Anlise de Prticos Com Incorporao de Condesao Esttica Por Raphael Ribeiro Santos

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    onde

    {AM} Aes de extremi

    {AML} Aes de extrem

    3.2RIGIDEZES DE MEM

    Seja o elem

    Figura 3.2, cujo sistema lo

    Figura 3.2:

    O elementoainda para esse elemento

    vetor de deslocamentos no

    do elemento no sistema loc

    4

    3

    2

    1

    M

    D

    D

    D

    D

    =}{D

    41

    31

    21

    11

    M

    S

    S

    S

    S

    =}{S

    Para se obte

    extremidades do elemento

    1D1 (Figura 3.3a); imp

    ade de membro na estrutura real;

    idade de membro na estrutura restringida.

    RO PRISMTICO DE PRTICOS ESPA

    nto de viga com 2 graus de liberdade por

    al coincide com o sistema global.

    Elemento de viga com 2 graus de liberdade

    (i) (Figura 3.2) delimitado pelo n inicial Jcomprimento Le o momento de inrcia da

    dais do elemento dado pela equao (3.12

    al expressa pela equao (3.13):

    444442

    343332

    242322

    141312

    SSS

    SSS

    SSS

    SSS

    r os coeficientes da matriz de rigidez, SMij, in

    e libera-se o valor unitrio de um dos desl

    -se em seguida D2 = 1 (Figura 3.3b).

    41

    IAIS

    n como mostrado na

    por n

    e n final K, define-se seo transversal I. O

    ) e a matriz de rigidez

    (3.12)

    (3.13)

    icialmente fixam-se as

    camentos, a exemplo

  • 7/25/2019 Anlise de Prticos Com Incorporao de Condesao Esttica Por Raphael Ribeiro Santos

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    Figura 3.

    Prossegue-s

    figura 3.4.

    Figu

    Todos os c

    Foras ou podem ser enco

    simtrica).

    Impe-se ini

    LEI4

    S22 e

    Por equilbri

    e0M J

    32

    4S

    Analogame

    equilbrio obtm-se os coe

    : Imposio dos deslocamentos unitrios D1

    assim com os deslocamentos D3 e D4(D3 =

    ra 3.4: Imposio dos deslocamentos D3 e D4

    eficientes de rigidez SMij podem ser calcul

    ntrados por equilbrio, sabendo-se que Sij =

    cialmente D2 =1 e, pelo Mtodo das Foras,

    LEI2

    42

    o tem-se que

    0Fy

    2L

    EI6L

    L

    EI2I

    e 212 L

    EI6S

    te, ao se impor D4 = 1 tem-se que4

    S44

    icientes

    42

    e D2

    1 e D4 = 1), conforme

    dos pelo Mtodo das

    Sji (matriz de rigidez

    m-se que

    LEI

    eLEI2

    S24 e, por

  • 7/25/2019 Anlise de Prticos Com Incorporao de Condesao Esttica Por Raphael Ribeiro Santos

    43/167

    43

    23443 L

    EI6SS e

    21441 L

    EI6SS

    Lembrando da simetria obtm-se que:

    23223 L

    EI6SS e

    21221 L

    EI6SS

    Da Figura 3.3a, obtm-se por equilbrio os coeficientes

    221 LEI6

    S , 241 LEI6

    S

    0M j , 22231 LEI12

    LL

    EI6

    L

    EI6S

    0FY , 23111 LEI12

    SS

    Da Figura 3.4a obtm-se por equilbrio os coeficientes

    223 LEI6

    S 243 L

    EI6S

    3221331 L

    EI12L

    L

    EI6

    L

    EI6SS

    31333 L

    EI12SS

    Portanto a matriz de rigidez do elemento de viga no sistema local

    L

    EI4

    L

    EI6

    L

    EI2

    L

    EI6L

    EI6

    L

    EI12

    L

    EI6

    L

    EI12L

    EI2

    L

    EI6

    L

    EI4

    L

    EI6L

    EI6

    L

    EI12

    L

    EI6

    L

    EI12

    S

    22

    2323

    22

    2323

    4X4M

  • 7/25/2019 Anlise de Prticos Com Incorporao de Condesao Esttica Por Raphael Ribeiro Santos

    44/167

    44

    Esta matriz de rigidez singular, e conseqentemente no inversvel.

    necessrio restringir o elemento para resolver o seu sistema de equaes de equilbrio. Os

    coeficientes da diagonal de [SM] so sempre positivos. Para este elemento (viga) a matriz de

    rigidez no sistema local coincide com o global.

    De maneira anloga obtm-se os coeficientes para um elemento de prtico

    espacial, conforme mostrado atravs da matriz abaixo extrada de Gere e Weaver (1987).

    L

    EI4000

    L

    EI60

    L

    EI2000

    L

    EI60

    0L

    EI40

    L

    EI6000

    L

    EI20

    L

    EI600

    00L

    GI00000

    L

    GI000

    0L

    EI60

    L

    EI12000

    L

    EI60

    L

    EI1200

    L

    EI6000

    L

    EI120

    L

    EI6000

    L

    EI120

    00000L

    EA0000

    L

    EAL

    EI2000

    L

    EI60

    L

    EI4000

    L

    EI60

    0L

    EI20

    L

    EI6000

    L

    EI40

    L

    EI600

    00L

    GI00000

    L

    GI000

    0LEI60

    LEI12000

    LEI60

    LEI1200 L

    EI6000

    L

    EI120

    L

    EI6000

    L

    EI120

    00000L

    EA00000

    L

    EA

    S

    Z2

    ZZ2

    Z

    Y2

    YY2

    Y

    XX

    2

    Y

    3

    Y

    2

    Y

    3

    Y

    2Z

    3Z

    2Z

    3Z

    XX

    Z2

    ZZ2

    Z

    Y2

    YY2

    Y

    XX

    2Y

    3Y

    2Y

    3Y

    2Z

    3Z

    2Z

    3Z

    XX

    M

    Onde Ax a rea da seo transversal, Ix, Iy e Iz os momentos de inrcia na

    direo de x, y e z respectivamente e G o mdulo de elasticidade transversal.

    3.3 REGRA DA CORRESPONDNCIA

    3.3.1 Introduo

    Segundo Rovere (2005), a regra da correspondncia relaciona a numerao dos

    deslocamentos das extremidades dos elementos ({uG}), com a numerao dos deslocamentos

    nodais da estrutura ({D}). Em cada elemento (i) os deslocamentos so numerados de 1 a 2

    NGL/n (NGL/n = nmero de graus de liberdade por n):

  • 7/25/2019 Anlise de Prticos Com Incorporao de Condesao Esttica Por Raphael Ribeiro Santos

    45/167

    Com o fim

    necessrio relacionar os

    de um sistema apropriado

    de graus de liberdade ao

    numeradas antes das rota

    numerados os deslocamerespectivamente.

    NGLjw

    sendo

    Jw Deslocamento w na e

    NGL Nmero de graus

    NN Nmero do n

    W ndice que indica des

    De forma an

    3.3.2 Exemplo - El

    Seja a viga

    por n igual a dois.

    Figura 3.5: Regra da correspondncia

    e se ter uma notao aplicvel ao desenvol

    eslocamentos de extremidade aos deslocam

    e indexao. Um sistema que torna isso pos

    nmero do n, uma vez que as transla

    es, segue em todos os casos a orienta

    tos na direo de X, Y e Z para as t

    )WNGL(NN

    xtremidade esquerda

    e liberdade por n

    locamento

    loga feita para a extremidade k do elemen

    mentos de viga

    ontnua mostrada na figura 3.6, cujo nmer

    Figura 3.6: Viga contnua

    45

    imento de programas,

    ntos dos ns por meio

    vel associa o nmero

    s em particular esto

    o dos eixos, sendo

    anslaes e rotaes

    (3.14)

    to i.

    de graus de liberdade

  • 7/25/2019 Anlise de Prticos Com Incorporao de Condesao Esttica Por Raphael Ribeiro Santos

    46/167

    A figura 3.7

    referencial global. J na fi

    local.

    F

    Figura 3.8: Elementos de

    Analisando

    graus de liberdade no siste

    na tabela 3.1 e nas matrize

    Tabela 3.1: Regra da corr

    Elementoj K

    (1)1 2

    (2)2 3

    (3)3 4

    (4)4 5

    ug

    2J -1 1 3 5 7 12J 2 4 6 8 2

    2K-1 3 5 7 9 3

    2K 4 6 8 10 4

    1 2 3 4 3 4 5 6

    1 X X X X 3

    [SG]1= 2 [SG]

    2= X X X X 4

    3 X X X X 5

    4 X X X X 6

    mostra a numerao dos graus de liberdade

    ura 3.8 os graus de liberdade so mostrados

    igura 3.7: Graus de liberdade da estrutura

    viga utilizados na modelagemgraus de lib

    as figuras 3.7 e 3.8 determina-se a regra d

    a de referencia local para o sistema de refer

    abaixo:

    spondncia: GL da estrutura correspondente

    (1)1 2

    (2)2 3

    (3)3 4

    (4)4 5

    1 3 5 72 4 6 83 5 7 9

    4 6 8 10

    1 2 4 3 4 5 6

    1 X X X X 3

    [SG]1= 2 [SG]

    2= X X X X 4

    3 X X X X 5

    4 X X X X 6

    46

    de cada n segundo o

    segundo o referencial

    rdade dos elementos

    correspondncia dos

    encia global, mostrada

    ao GL dos elementos

    Elementoj K

    (1)1 2

    (2)2 3

    (3)3 4

    (4)4 5

    ug

    2J -1 1 3 5 7 12J 2 4 6 8 2

    2K-1 3 5 7 9 3

    2K 4 6 8 10 4

    1 2 3 4 3 5 6

    1 X X X 3

    [SG]1= 2 [SG]

    2= X X X 4

    3 X X X 5

    4 X X X 6

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    47

    5 6 7 8 7 8 9 10

    5 7

    [SG]3= 6 [SG]

    4= 8

    7 9

    8 10

    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 2 X X 0 0 0 0 3 X X 0 0 0 0 4

    0 0 X X X+ X+ 0 0 5

    0 0 X X X+ X+ 0 0 6

    0 0 0 0 + + 7

    0 0 0 0 + + 8

    0 0 0 0 0 0 90 0 0 0 0 0 10

    Segundo Rovere (2005), os coeficientes da matriz de rigidez da estrutura no

    restringida so formados a partir dos coeficientes das matrizes de rigidez no sistema global de

    cada elemento, usando-se a regra da correspondncia e somando-se os coeficientes que

    correspondem ao mesmo grau de liberdade da estrutura nos ns onde concorrem os

    elementos.

    Na anlise de prticos espaciais, o sistema de numerao a ser adotado para

    membros e ns o mesmo que foi discutido anteriormente, sendo consideradas todas asdeformaes axiais, por flexo e por toro. Os deslocamentos desconhecidos nos ns so de

    seis tipos, nomeadamente as componentes de translao de n em X, Y e Z, bem como as

    rotaes segundo X, Y e Z(GERE e WEAVER, 1987).

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    48

    3.4 CONDENSAO ESTTICA

    3.4.1 Introduo

    A condensao esttica um procedimento que permite a liberao de graus de

    liberdade, tornando possvel, a partir da matriz de rigidez de elemento de prtico, por

    exemplo, analisar estruturas reticuladas com comportamento de trelias, como exemplo

    extremo (vide figura 3.9), ao passo que se pode liberar graus de liberdade.

    Figura 3.9: Matriz de rigidez de trelia gerada a partir da matriz de rigidez de prtico.

    Os smbolos nas figuras 3.10 (a, b, c, d) indicam a impossibilidade de

    transmitir esforo cortante, momento fletor, fora axial e toro respectivamente. Destas

    impossibilidades de transmitir aes resultam descontinuidades nos deslocamentos de

    translao ou rotao. A condensao esttica permite a anlise de estruturas que possuem tais

    descontinuidades, uma vez que as matrizes de rigidez dos elementos afetados pela

    descontinuidade possuem mais graus de liberdade por n do que uma viga e menos do que um

    prtico, fato extremamente complexo de se realizar apenas tentando compatibilizar matrizes

    de rigidez de elementos distintos.

    Figura 3.10: Descontinuidades parciais. Fonte: Gere e Weaver (1987).

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    3.4.2 Formulao da Condensao Esttica Linear

    Segundo Assan (1999) para realizar a condensao esttica, considera-se o

    sistema de equaes de equilbrio montado da seguinte maneira:

    p

    c

    p

    c

    pppc

    cpcc

    r

    r

    d

    d

    KK

    KK(3.15)

    onde

    ccK Sub-matriz dos graus de liberdade que sero condensados

    ppK Sub-matriz dos graus de liberdade que permanecero

    cpK pcK Sub-matriz dos graus de liberdade que sofrem influncia da condensao esttica

    cd Sub-vetor dos deslocamentos associado aos graus de liberdade que sero condensados

    pd Sub-vetor dos deslocamentos associado aos graus de liberdade que permanecero

    cr Sub-vetor das cargas nodais associada aos graus de liberdade que sero condensados

    pr Sub-vetor das cargas nodais associada aos graus de liberdade que permanecero

    Da parte superior do sistema de equaes (3.15), tem-se que:

    cpcpccc rdKdK (3.16)

    pcp

    1

    ccc

    1

    ccc dKKrKd (3.17)

    Operando com a parte inferior do sistema, obtm-se:

    ppppcpc rdKdK (3.18)

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    50

    Substituindo na equao (3.18) o vetor dc dado em (3.17), resulta o seguinte

    sistema de equaes:

    c1ccpcppcp1ccpcpp rKKrdKKKK

    que pode ser reduzido a:

    pppp rdK (3.19)

    sendo:

    cp1

    ccpcpppp KKKKK (3.20)

    a matriz de rigidez condensada

    c1

    ccpcpp rKKrr (3.21)

    o vetor de cargas nodais equivalentes condensado.

    Nesse ponto cabe ressaltar que os valores de deslocamentos nos ns eliminados

    do sistema podem ser obtidos posteriormente pela equao (3.15).

    3.4.3 Exemplo

    O exemplo mostrado a seguir mostra o processo para obteno da matriz derigidez condensada. A viga mostrada na figura 3.11 tem um comprimento L igual a 4m,

    modulo de deformao longitudinal E igual a 20 GPa e inrcia I igual a 4105,4 m. A carga

    que atua uniformemente distribuda ao longo viga cujo seu valor igual a 10 kN.

    Figura 3.11: Viga com rotula aplicada a direita.

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    51

    LEI4

    LEI6

    LEI2

    LEI6

    LEI6

    LEI12

    LEI6

    LEI12

    LEI2LEI6LEI4LEI6

    LEI6

    LEI12

    LEI6

    LEI12

    S

    z2

    zz2

    z

    2z

    3z

    2z

    3z

    z2

    zz2

    z

    2z

    3z

    2z

    3z

    M

    A matriz de rigidez de membro de viga apresentada no item 3.2 mostrada

    acima, substituindo os dados da questo obtm-se:

    1 2 3 41 1687500 3375000 -1687500 33750002 3375000 9000000 -3375000 45000003 -1687500 -3375000 1687500 -33750004 3375000 4500000 -3375000 9000000

    Para a resoluo do problema deve-se inicialmente reordenar a matriz de

    rigidez do elemento at se obter a forma apresentada na equao 3.15, onde os termos da

    matriz associados ao grau de liberdade liberado devem estar posicionados na primeira linha eprimeira coluna da matriz. A reordenao da matriz realizada com um grau de liberdade de

    cada vez respeitado a ordem da numerao sendo que para o grau seguinte a matriz a se

    reordenada e o resultado obtido pela primeira reordenao. A matriz reordenada mostrada

    abaixo.

    4 1 2 34 9000000 3375000 4500000 -33750001 3375000 1687500 3375000 -1687500

    2 4500000 3375000 9000000 -33750003 -3375000 -1687500 -3375000 1687500

    Identificando os termos da equao 3.15 tem-se:

    9000000K cc

    16875003375000-168750-

    3375000-9000000337500

    1687500-33750001687500

    Kpp

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    52

    3375000-45000003375000Kcp

    3375000-

    4500000

    3375000

    Kpc

    Calculando a inversa da Sub-matriz dos graus de liberdade que sero

    condensados ccK tem-se:

    07-1,11EK cc

    Substituindo os termos na equao 3.20 tem-se:cp

    1ccpcpppp KKKKK

    (3.20)

    3375000-4500000337500007-1,11E3375000-

    4500000

    3375000

    16875003375000-168750-

    3375000-9000000337500

    1687500-33750001687500

    Kpp

    Resolvendo a equao obtm a matriz de rigidez condensada mostrada abaixo.

    1 2 31 421875 1687500 -4218752 1687500 6750000 -16875003 -421875 -1687500 421875

    3.5 FORMULAO COMPUTACIONAL

    Resume-se em quatro etapas bsicas o desenvolvimento de um programa de

    anlise estrutural:

    Dados do problema - entender as relaes existentes entre os dados que

    so relevantes para o problema, criando uma estrutura lgica dos dados;

    Clculos preliminares - decidir que transformaes sero efetuadas

    sobre os dados no algoritmo para resolver o problema;

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    Codi

    Ling

    Dep

    prog

    3.5.1 Diagrama de

    Com base n

    rigidez construiu-se um p

    3.12. Cada smbolo most

    operao que deve ser exec

    Quadro

    ficao - Escrita do cdigo fonte do progra

    uagem de Programao;

    rao - Verificao do comportamento e c

    rama satisfaz as especificaes do problema.

    locos

    formulao matricial apresentada anteriorm

    rograma seguindo o diagrama de bloco es

    rado no quadro 3.1 representa uma instr

    utada pelo computador.

    3.1: Simbologias BsicasDiagrama de Blo

    53

    a com o uso de uma

    orreo - avaliar se o

    ente para o mtodo da

    uematizado na figura

    o, sendo esta uma

    cos

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    Figura 3.12: D

    3.5.2 Operaes

    O diagrama

    operaes necessrias para

    igrama de bloco para a anlise de estruturas r

    de bloco mostrado na figura 3.12 estab

    anlise de um prtico. A seguir so descritas

    54

    eticuladas

    elece a seqncia de

    as operaes bsicas.

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    55

    3.5.2.1 Entrada de dados

    A operao de entrada de dados l, armazena e escreve os dados da estrutura.

    No APNDICE A mostra um arquivo no formato padro, apresentando um roteiro com as

    principais informaes que sero lidas sendo descrito com detalhes no item 3.2 do

    APNDICE C.

    3.5.2.2 Clculos Preliminares

    Nessa operao o comprimento L de cada barra, visto anteriormente, pode ser

    calculado atravs da seguinte equao:

    2jk2

    jk2

    jk ZZYYXXL (3.22)

    Os co-senos diretores do membro Cx, Cy e Cz, podem ser calculados a partir

    das coordenadas das extremidades dos membros (ns j e k, conforme figura 3.2):

    L

    ZZC

    L

    YYC

    L

    XX

    C

    jkz

    jky

    jk

    x

    (3.23)

    O Mdulo de elasticidade transversal, ou Mdulo Transversal, representado

    pela letra G, definido em funo do mdulo de elasticidade (E) e do coeficiente de Poisson

    (v) atravs da equao (3.24).

    12

    EG (3.24)

    A figura 3.10 mostra as aes de extremidades consideradas em elementos que

    esto engastados, sujeitos a varias condies de carga. Os momentos so positivos no sentido

    anti-horrio respeitando a regra da mo direita, e as foras sendo orientadas com o eixo y.

    http://pt.wikipedia.org/wiki/Ghttp://pt.wikipedia.org/wiki/Coeficiente_de_Poissonhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Coeficiente_de_Poissonhttp://pt.wikipedia.org/wiki/G
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    56

    Todas as frmulas dadas na figura 3.13 podem ser deduzidas integrando a

    equao diferencial para flexo de uma viga. O mtodo da flexibilidade tambm pode ser

    empregado para a obteno das frmulas.

    Figura 3.13: Aes de extremidade para membros restringidos. Fonte: Gere e Weaver (1987).

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    Para o clc

    localmente. A matriz R

    ortogonais das component

    estrutura.

    2

    z

    2

    x

    zyx

    2

    z

    2

    x

    zyx

    x

    CC

    cosCsenCC

    CC

    senCcosCC

    C

    R

    Esta matriz

    membro e do ngulo q

    inrcia no sistema local e o

    Figura 3.14: Rotao de

    3.5.2.3 Montagem

    A matriz d

    membro de um prtico esp

    prtico espacial pode ter s

    figura 3.15. Nestes casos,matriz correspondente s r

    ulo das aes de extremidade as cargas

    ostrada abaixo pode ser usada para relacio

    s de um vetor carga na direo dos eixos

    2

    z

    2

    x

    xzy2

    z

    2

    x

    2

    z

    2

    x

    xzy2

    z

    2

    x

    zy

    CC

    cosCsenCCsenCC

    CC

    senCcosCCcosCC

    CC

    de rotao est expressa em funo dos

    ue corresponde ao ngulo existente entre

    eixo vertical do sistema global da estrutura (

    m membro de prtico espacial em torno doWeaver (1987).

    a Matriz de Rigidez

    rigidez SM mostrada no item 3.3 corres

    acial segundo os eixos locais. Porm, em ge

    us eixos principais em direes oblquas, t

    matriz SM dever ser transformada na matriigidezes do membro utilizando como eixos

    57

    devem ser aplicadas

    nar os dois conjuntos

    locais e dos eixos da

    (3.25)

    co-senos diretores do

    s eixos principais de

    ver figura 3.14).

    ixo x. Fonte: Gere e

    onde s rigidezes do

    al, um membro de um

    l como indicado na

    z SMD, sendo esta uma de referncia os eixos

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    da estrutura (GERE e W

    matriz de rigidez de mem

    condensao esttica dos

    matriz que ser transforma

    Figura 3.15: Membr

    A matriz K uma matriz de transforma

    [R=][S TMD

    sendo RT:

    0

    0

    0R

    R T

    AVER, 1987). Porm, em todos os casos

    ro segundo os eixos locais nos eixos da est

    lementos, sendo portando ppK , matriz de

    a.

    de prtico espacial inclinado. Fonte: Gere e

    pp

    (12 X 12) ser transformada na matriz SM o de rotao segundo a equao (3.26):

    ]].[R]'.[K Tpp

    R0

    0R

    0000

    58

    ntes de transformar a

    utura, deve ser feita a

    rigidez condensada, a

    Weaver (1987).

    (12 X 12) atravs de

    (3.26)

    (3.27)

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    3.5.2.4 Montagem do Vetor de Carga

    Aps a determinao da matriz de rigidez do n, a etapa seguinte consiste em

    considerar as cargas sobre a estrutura, como se mencionou anteriormente no resumo do

    mtodo da rigidez. conveniente trabalhar inicialmente, e em separado, as cargas nodais e as

    cargas de membro. A razo para assim proceder que as cargas nodais no precisam de

    transformao para serem usadas na soluo, mas as cargas sobre os membros sero levadas

    em considerao calculando as aes de engastamento que produzem.

    Estas aes de engastamento podem ento ser transformadas em cargas nodais

    equivalentes e combinadas com as cargas nodais reais sobre a estrutura para produzir o vetorde cargas combinadas AC conforme a equao (3.4). A formao do vetor de cargas nodais

    equivalentes feita pela equao (3.5).

    Em resumo, v-se que o vetor de cargas combinadas AC composto como se

    segue apresentado na equao 3.4.

    }{A-{A}=}{A RLC (3.4)

    3.5.2.5 Condies de Contorno

    As condies de contorno do problema devem ser impostas sobre o sistema de

    equaes definido na equao (3.8). Essas condies so os vnculos que podem ser impostos

    ao sistema de duas formas: (i) A primeira alternativa para esse problema eliminar do sistema

    de equaes a linha e a coluna do grau de liberdade restringido, sendo feito portando umreordenamento dos graus de liberdade do sistema. (ii) A segunda alternativa consiste em

    impor o valor zero ao des