Analise de Treliças

Analise de Treliças

Prof. JOSÉ LUIZ F. de ARRUDA SERRA

Análise de treliças

1. Generalidades

Uma treliça simples pode ser definida como um sistema de barras, situadas em um mesmo plano, ligadas umas às outras pelas extremidades, de modo a formar um sistema estável. Na análise das treliças é usual adotar-se as seguintes hipóteses simplificadoras:

1) As articulações nas extremidades das barras (nós) são perfeitas, sem atrito. 2) As cargas são forças concentradas aplicadas apenas nos nós.

Estas hipóteses permitem a substituição da estrutura real pela treliça ideal conforme ilustra a figura 1.1, na qual o único esforço solicitante que aparece em cada barra é uma força normal constante ao longo do seu eixo. A determinação das reações de apoio e das forças axiais internas constitui a análise da treliça.

Treliça realEsquema para análise Figura 1.1

Em uma ponte como a ilustrada na figura 1.2, as forças aplicadas no tabuleiro são transmitidas aos nós das treliças principais através de estruturas secundárias – longarinas e transversinas. Calcula-se separadamente cada treliça plana principal, avaliando-se as cargas aplicadas nos nós, determinando-se as reações nos seus apoios e as forças normais em todas as suas barras, considerando-as “ideal”, isto é, os nós como articulações perfeitas.

A figura 1.3 ilustra alguns exemplos de treliças. As treliças tipo “duas águas” são usadas para coberturas, enquanto as treliças de “banzos paralelos” são usualmente adotadas para as estruturas de pontes. Na quarta treliça apresentada está anotada a nomenclatura usual para treliças de banzos paralelos: banzo superior, banzo inferior, montantes (barras verticais) e diagonais.

Figura 1.3 – Exemplos de Treliças

Trataremos a seguir da análise de treliças ideais planas, admitindo que a treliça estudada não é um caso excepcional. Assim, chamando de b o número de barras e n o número de nós e lembrando que o apoio móvel equivale a uma barra e o apoio fixo equivale a duas barras, as treliças podem ser classificadas do ponto de vista do cálculo estático em:

a) sistema móvel seb < 2n b) treliça isostática seb = 2n c) treliça hiperestática seb > 2n

No estudo a seguir apenas as treliças isostáticas serão abordadas. As treliças hiperestáticas serão tratadas futuramente através dos processos de análise de estruturas hiperestáticas, assuntos pertinentes a disciplinas posteriores (Teoria das Estruturas ou Estática das Estruturas).

2. Análise de Treliças 2.1 – Processo dos nós

Neste processo, após a determinação das reações de apoio, isola-se os nós, fazendo o diagrama de corpo livre e aplicando as duas equações de equilíbrio - ΣX = 0 e ΣY = 0. Os resultados finais obtidos em um cálculo são usados nas análises posteriores, deixando portanto de serem consideradas incógnitas as forças normais anteriormente obtidas. Naturalmente apenas duas forças incógnitas podem ser determinadas para cada nó, pois apenas duas são as equações de equilíbrio para cada nó.

É conveniente notar que as forças que as barras exercem nos nós têm a direção do eixo da respectiva barra e se a barra comprime o nó, pelo princípio da ação e reação, o nó comprime a barra, isto é as forças trocadas entre as barras e seus nós extremos têm a mesma natureza, ou seja, são ambas de compressão ou ambas de tração.

Figura 2.1 - Exemplo

Isola-se sucessivamente os nós 1, 2, 3, 4, 5 e 7 aplicando-se as equações de equilíbrio.

Na figura 2.1 as forças incógnitas foram sempre indicadas como de tração e os resultados obtidos em um cálculo deixam de ser incógnitas e são usados nos seguintes, indicando seu valor (módulo) e sentido corretos.

senα = 0,4472 e cosα = 0,8944 senβ = 0,7071 e cosβ = 0,7071

Nó 1:ΣX = 0 → N13 senα + 3 = 0 ΣY = 0 → N12 + N13 cosα = 0

Resolvendo, N13 = −6,708t (compressão) e N12 = +6,000t (tração)

Nó 3:ΣX = 0 → N35 cosα + N34 cosα + 6,708 cosα = 0 ΣY = 0 → N35 senα − N34 senα + 6,708 senα − 1 = 0

Resolvendo, N35 = −5,590t (compressão) e N34 = −1,118t (compressão)

Nó 5:ΣX = 0 → N57 cosα + N56 cosβ + 5,590 cosα = 0 ΣY = 0 → N57 senα − N56 senβ + 5,590 senα − 1 − 0,5 = 0

Resolvendo, N57 = −4,472t (compressão) e N56 = −1,414t (compressão)

Nó 7:ΣX = 0 → N79 cosα + 4,472 cosα = 0 ΣY = 0 → N67 + N79 senα + 2 = 0

Resolvendo, N79 = −4,472t (compressão) e N67 = +2,000t (tração)

A outra metade da treliça é simétrica.

2.2 – Nós sob condições especiais (nós notáveis)

Alguns nós de uma treliça, podem estar sob condições especiais que facilitem a determinação das forças normais nas barras nele concorrentes. Chamaremos estes nós de notáveis e a característica fundamental e comum entre eles é que não há carga externa aplicada.

1o tipo:apenas duas barras situadas sobre a mesma linha de ação, isto é, duas barras colineares e opostas. Neste caso as forças nas barras são idênticas, isto é, ambas de tração ou compressão e mesmo módulo.

2o tipo:apenas duas barras situadas não situadas sobre a mesma linha de ação, isto é, duas barras não colineares. Neste caso as forças nas barras são nulas.

3o tipo:apenas três barras; duas situadas sobre a mesma linha de ação e a outra qualquer, isto é, duas barras opostas e a terceira não colinear com as anteriores. Neste caso as forças nas duas barras opostas são idênticas e a normal na terceira é nula.

4o tipo:apenas quatro barras colineares e opostas duas a duas. Neste caso as forças normais nas barras opostas são idênticas, não obstante cada conjunto de barras opostas possa ter valor diferente.

Convém ressaltar que em todos estes nós notáveis não há carga externa aplicada. A figura 2.1 mostra o exemplo de uma treliça tipo torre, onde várias barras têm normais nulas, ganhando-se um tempo apreciável na sua solução, se este fato for observado.

2.3 – Processo das seções ou corte de Ritter

A aplicação deste processo permite determinar a força axial em qualquer barra, sem precisar fazer as sucessivas considerações de equilíbrio das articulações. Seja a treliça da figura 2.2, para a qual se deseja determinar as forças nas barras 4-6, 5-6 e 5-7.

Figura 2.2 – Corte de Ritter

Considera-se inicialmente a treliça toda como um sólido livre e determina-se as reações nos apoios 1 e 1, respectivamente 0,8t e 0,2t. A seguir, em vez de analisar o equilíbrio dos nós 1, 2, 3, 4 e 5 sucessivamente, como no processo dos nós, considera-se a treliça cortada em duas partes pela seção mn e estuda-se então o equilíbrio da parte da esquerda ou da direita. Nesta solução optou-se pelo equilíbrio da parte da direita, conforme mostra também a figura 2.3.

Sobre este sólido atuam a reação vertical em 1 e as três forças N46, N56 e N57 que representam as três forças normais nas barras cortadas pela seção mn. As forças axiais nestas barras devem naturalmente coincidir com os respectivos eixos, sendo portanto suas direções conhecidas, desconhecendo-se apenas seus sentidos e intensidades. É conveniente adotar como de tração os sentidos das incógnitas e se o resultado do cálculo for negativo significa que a força é de compressão.

Na chapa considerada tem-se um sistema de forças em equilíbrio no plano, para o qual três equações de equilíbrio independentes poderão ser aplicadas, afim de determinar as três forças normais procuradas.

Igualando-se a zero a soma algébrica dos momentos de todas as forças em relação ao ponto 5 (eliminando assim duas das normais desconhecidas), obtém-se:

O sinal negativo indica compressão, ao invés de tração como tinha sido admitido. Analogamente, tomando o ponto 6 como centro dos momentos, obtém-se:

Para calcular N56 iguala-se a zero a soma algébrica das projeções de todas as forças sobre um eixo vertical (ΣY = 0), obtendo:

Como vimos, o processo das seções ou corte de Ritter consiste, essencialmente, em considerar isoladamente uma parte da treliça de tal maneira que as forças normais internas, que deseja-se calcular, tornem-se forças externas aplicadas no sólido ou chapa livre. Por este processo chega-se ao caso de equilíbrio de um sistema geral de forças em um plano, ao qual pode-se aplicar as equações usuais de equilíbrio para calcular as forças desconhecidas. O sucesso ou insucesso do procedimento depende exclusivamente da escolha da seção. Geralmente procura-se cortar apenas três barras não concorrentes pois somente três incógnitas podem ser determinadas com as três equações de equilíbrio. Entretanto há casos especiais em que pode-se cortar mais de três barras e obter resultados parciais. A figura 2.3 apresenta um exemplos em que o corte atingiu quatro barras.

Figura 2.3 - Exemplo

Considerando o equilíbrio da chapa cortada e tomando como centro dos momentos, sucessivamente os pontos 5 e 7, vem:

−N5-9 × 4 + 1 × 6 = 0 → N5-9 = + 1,5t (tração) O equilíbrio das forças horizontais na chapa cortada conduz a:

Nota-se então que as condições de equilíbrio da chapa cortada não permitem determinar as normais N5-6 e N7-6, separadamente, pois têm-se 4 incógnitas e apenas 3 equações de equilíbrio.

2.3 – Processo Cremona

Além dos processos analíticos descritos até este item, as forças normais nas barras de uma treliça isostática podem ser determinadas graficamente através de um procedimento no qual o equilíbrio de cada nó é verificado pelo fechamento do polígono dos forças nele aplicadas. O processo é aplicado sucessivamente, aproveitando-se os resultados obtidos anteriormente, evitando-se repetir o traçado de forças já determinadas. Este processo foi introduzido por Cremona (Itália) e também foi desenvolvido por Maxwell (Inglaterra) de forma independente. A notação usada no procedimento é devida a Bow.

Por ser um processo gráfico, é mais rápido que o método dos nós, principalmente nas treliças maiores, não obstante possa apresentar as imprecisões que sempre acompanham os procedimentos gráficos. Deve-se trabalhar com cuidado e material de boa qualidade.

ROTEIRO (ver exemplo a seguir – figura 2.4)

01)Dado a treliça (desenhada em escala), determinam-se as reações de apoio. 02)Adota-se um sentido positivo para giro (horário).

03)Associa-se urna letra minúscula para cada uma das regiões externas da treliça (as forças separam as regiões) percorrendo-a externamente no sentido positivo. Associa-se também letras minúsculas para as regiões internas de treliça (notação de Bow).

04)Adota-se uma escala conveniente para o traçado gráfico das forças.

05)Percorrendo a treliça no sentido positivo, desenha-se na escala adotada para as forças o polígono das forças externas - que deve ser fechado - usando no traçado letras maiúsculas nos vértices do polígono (ABCDEFA no exemplo).

06)Passa-se então ao desenho de um polígono de forças para cada nó, estudando-se sucessivamente aqueles submetidas à apenas duas forças incógnitas. Todas as linhas traçadas previamente podem e devem ser utilizadas. Assim, será necessário traçar somente duas retas adicionais para completar cada um dos novos polígonos. Por exemplo, partindo-se do nó 1, traça-se pelo ponto A uma reta paralela à barra 1-2 (ag) e pelo ponto C uma reta paralela à barra 1-3 (cg), obtendo-se o ponto G. A seguir faz-se analogamente com o nó 2, obtendo-se o ponto H na interseção das retas GH e FH, paralelas às barras 2- 3 e 2-4 respectivamente. Esse procedimento segue sucessivamente até que todos os polígonos estejam desenhados na escala.

07)O módulo de cada força normal nas barras é, na escala considerada, o comprimento do segmento correspondente. Por exemplo o módulo da força normal na barra 2-3 que separa as regiões g-h é o valor do segmento GH no gráfico Cremona, que vale 2,5 cm = 5t na escala considerada.

08)O sentido (sinal) da força pode ser determinado de 2 maneiras: analisando-se os nós ou diretamente as barras conforme exemplifica os itens a) e b) a seguir.

a)Vamos determinar o sinal do força normal na barra 1-2. Percorrendo o nó 1 no sentido positivo adotado (horário) obtemos as letras na sequência g-a. No plano Cremona GA - nesta ordem - está no sentido esquerda para direita, ou seja, a força que a barra 1-2 exerce no nó 1 é da esquerda para a direita – mesmo sentido de GA – o que corresponde a tração no nó 1, que também corresponde a tração na barra 1-2. Naturalmente teríamos a mesmo resposta coso percorrêssemos o nó 2. Neste caso obteríamos no sentido positivo as regiões na sequência a-g e no Cremona o segmento AG correspondente no sentido da direita para a esquerda, ou seja, a barra 1-2 traciona o nó 2 e o nó 2 traciona a barra.

b)A segundo opção, em geral preferida, é tomar-se o segmento respectivo no Cremona e aplicar uma rotação de 90o no sentido positivo. Caso as letras das extremidades do segmento girado coincidam com as letras dos regiões da treliça quando o segmento for colocado perpendicular a barra (nas vizinhanças dos pontos médios) a força é positiva, isto é, de tração. Caso contrário, negativa ou de compressão.

Exemplo: Determinar as forças normais nas barras da treliça da figura abaixo. Figura 2.4 – Plano Cremona

3. Exercícios propostos Exercícios de 1 a 14 – determinar as forças normais nas barras

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