Metodos Basicos da Analise de Estruturas

Metodos Basicos da Analise de Estruturas

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Questões como essas mostram que existem diversas possibilidades para a concepção do modelo estrutural de uma estrutura. Nessa concepção diversos fatores entram em cena, tais como a experiência do analista estrutural e a complexidade da estrutura e de suas solicitações.

Apesar da importância da concepção do modelo estrutural dentro da análise estrutural, não é o objetivo deste livro abordar esse assunto. Os modelos matemáticos adotados para a idealização do comportamento de estruturas usuais já estão de certa forma consagrados, principalmente no caso de estruturas reticuladas. Esses modelos são descritos em livros de Resistência dos Materiais (Féodosiev 1977; Ti- moshen-ko & Gere 1994; Beer & Johnston 1996) e Teoria da Elasticidade (Timo-

6 – Métodos Básicos da Análise de Estruturas – Luiz Fernando Martha shenko & Goodier 1980, Malvern 1969, Little 1973, Boresi & Chong 1987, Villaça & Taborda 1998), entre outros.

Também não são tratadas aqui questões que se referem à representação das solicitações reais no modelo estrutural, bem como questões relativas às leis constitutivas dos materiais que compõem a estrutura. Esses assuntos, em geral, são abordados em disciplinas que tratam das etapas de dimensionamento e detalhamento dentro do projeto estrutural, tais como Estruturas de Aço, Estruturas de Concreto ou Estruturas de Madeira.

O foco principal deste livro são as metodologias de análise de estruturas hiperestáticas. No corpo deste volume, o modelo estrutural completo (com materiais, solicitações e apoios definidos) vai ser sempre fornecido como ponto de partida para a análise. Entretanto, para entender os métodos de análise estrutural, é necessário conhecer os modelos matemáticos adotados para estruturas reticuladas. Portanto, os Capítulos 2, 3 e 4 deste livro resumem todas as teorias físicas e matemáticas que são necessárias para descrever os métodos de análise estrutural que são tratados neste volume.

1.2.2. Modelo discreto

O terceiro nível de abstração utilizado na análise estrutural é o do modelo discreto (veja a Figura 1.1). Esse modelo é concebido dentro das metodologias de cálculo dos métodos de análise. Portanto, a concepção do modelo discreto de estruturas reticuladas é um dos principais assuntos tratados neste livro.

De uma forma geral, os métodos de análise utilizam um conjunto de variáveis ou parâmetros para representar o comportamento de uma estrutura. Nesse nível de abstração, o comportamento analítico do modelo estrutural é substituído por um comportamento discreto, em que soluções analíticas contínuas são representadas pelos valores discretos dos parâmetros adotados. A passagem do modelo matemático para o modelo discreto é denominada discretização.

Os tipos de parâmetros adotados no modelo discreto dependem do método utilizado. No Método das Forças os parâmetros adotados são forças ou momentos e no Método dos Deslocamentos os parâmetros são deslocamentos ou rotações.

Por exemplo, a Figura 1.3 mostra a discretização utilizada na solução de um pórtico plano pelo Método das Forças. Nesse método, os parâmetros adotados para discretizar a solução são forças ou momentos redundantes para garantir o equilíbrio estático da estrutura. Isto é, são forças e momentos associados a vínculos excedentes de uma estrutura hiperestática. Esses parâmetros são denominados hiperestáticos.

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(1) (2)MA HB

Figura 1.3 – Superposição de soluções básicas no Método das Forças.

No exemplo da Figura 1.3, os hiperestáticos adotados são as reações de apoio MA

(reação momento no apoio da esquerda) e HB (reação horizontal no apoio da direita). A configuração deformada do pórtico, denominada elástica (indicada pela li- nha tracejada na figura e mostrada em escala ampliada), é obtida pela superposição de soluções básicas dos casos (0), (1) e (2) mostrados na figura. A estrutura utilizada nas soluções básicas é uma estrutura isostática obtida da estrutura original pela eliminação dos vínculos excedentes associados aos hiperestáticos. Cada solução básica isola um determinado efeito ou parâmetro: o efeito da solicitação externa (carregamento) é isolado no caso (0), o efeito do hiperestático MA é isolado no caso (1) e o efeito do hiperestático HB é isolado no caso (2). A metodologia de cálculo do Método das Forças determina os valores que os hiperestáticos devem ter para recompor os vínculos eliminados (restrição à rotação no apoio da esquerda e restrição ao deslocamento horizontal do apoio da direita). Dessa forma, a solução do problema fica parametrizada (discretizada) pelos hiperestáticos MA e HB. Essa metodologia será apresentada em detalhes no Capítulo 5 deste livro.

Na solução pelo Método dos Deslocamentos para estruturas reticuladas, a solução discreta é representada por valores de deslocamentos e rotações nos nós (pontos de encontro das barras), tal como indicado na Figura 1.4. Esses parâmetros são denominados deslocabilidades. No exemplo dessa figura, as deslocabilidades são os deslocamentos horizontais dos nós superiores, xC∆ e xD∆, os deslocamentos verticais desses nós, yC∆ e yD∆, e as rotações dos nós livres ao giro, θB, θC e θD.

8 – Métodos Básicos da Análise de Estruturas – Luiz Fernando Martha θC θD xC∆ xD∆ yC∆ yD∆xC∆xD∆

Figura 1.4 – Parâmetros nodais utilizados na discretização pelo Método dos Deslocamentos.

Na Figura 1.4, a configuração deformada da estrutura (elástica mostrada em escala ampliada) representa a solução contínua do modelo matemático. Os valores das deslocabilidades nodais representam a solução discreta do problema. Nesse tipo de metodologia baseada em deslocamentos, a solução contínua pode ser obtida por interpolação dos valores discretos dos deslocamentos e rotações nodais, considerando também o efeito da carga distribuída na barra horizontal. Em geral, para estruturas reticuladas com barras prismáticas, a solução obtida por interpolação é igual à solução analítica do modelo estrutural. Isto ocorre porque as funções de interpolação que definem a configuração deformada contínua são compatíveis com a idealização matemática do comportamento das barras feita pela Resistência dos Materiais. A metodologia de cálculo do Método dos Deslocamentos vai ser detalhada no Capítulo 6.

No caso de estruturas contínuas (que não são compostas por barras), o método comumente utilizado na análise estrutural é uma formulação em deslocamentos do Método dos Elementos Finitos2 (Zienkiewicz & Taylor 2000, Felippa 2001). Nesse método, o modelo discreto é obtido pela subdivisão do domínio da estrutura em subdomínios, chamados de elementos finitos, de formas simples (em modelos planos, usualmente triângulos ou quadriláteros), tal como exemplificado na Figura 1.5 para o modelo bidimensional de uma estrutura contínua com um furo. Essa subdivisão é denominada malha de elementos finitos e os parâmetros que representam a solução discreta são valores de deslocamentos nos nós (vértices) da malha.

Pode-se observar por esse exemplo que a obtenção do modelo discreto para estruturas contínuas é muito mais complexa do que no caso de modelos de estruturas reticuladas (pórticos, treliças ou grelhas). Para estruturas formadas por barras, os nós (pontos onde valores discretos são definidos) são identificados naturalmente no encontro das barras, enquanto que para modelos contínuos os nós são obtidos pela discretização do domínio da estrutura em uma malha.

2 Muitos outros métodos são utilizados, tais como o Método dos Elementos de Contorno. As notas de aula de Felippa (2001) apresentam uma excelente introdução aos métodos de análise de estruturas contínuas.

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Figura 1.5 – Discretização pelo Método dos Elementos Finitos para uma estrutura contínua.

Uma importante diferença entre os modelos discretos de estruturas reticuladas e de estruturas contínuas é que a discretização de uma malha de elementos finitos introduz simplificações em relação à idealização matemática feita para o comportamento da estrutura. Isto ocorre porque as funções de interpolação que definem a configuração deformada de uma malha de elementos finitos não são, em geral, compatíveis com a idealização matemática do comportamento do meio contínuo feita pela Teoria da Elasticidade. Dessa forma, a solução do modelo discreto de elementos finitos é uma aproximação para a solução analítica da Teoria da Elasti-

10 – Métodos Básicos da Análise de Estruturas – Luiz Fernando Martha cidade, ao passo que a solução do modelo discreto de uma estrutura com barras prismáticas é igual à solução analítica da Resistência dos Materiais.

Conforme comentado, este livro trata apenas de modelos de estruturas reticuladas. Existem diversas referências para o tratamento de estruturas contínuas através do Método dos Elementos Finitos. Pode-se citar os livros de Cook et al. (1989), Felippa (2001), Zienkiewicz e Taylor (2000), Assan (1999), e Soriano (2003). Este último se constitui em uma referência em português recente e completa (dentro do contexto da análise de estruturas) sobre o Método dos Elementos Finitos.

1.2.3. Modelo computacional

Desde a década de 1960 o computador tem sido utilizado na análise estrutural, embora inicialmente somente nos institutos de pesquisa e universidades. Nos anos setenta essa utilização passou a ser corriqueira, e nos anos oitenta e noventa, com a criação de programas gráficos interativos, a análise estrutural passou a ser feita com uso de computador em praticamente todos os escritórios de cálculo estrutural e empresas de consultoria.

A análise de estruturas pode ser vista atualmente como uma simulação computacional do comportamento de estruturas. Embora este livro não esteja direcionado diretamente ao desenvolvimento de programas para prever o comportamento de estruturas, é importante ter em mente que não se concebe atualmente executar as tarefas de análise estrutural, mesmo para o caso de estruturas reticuladas, sem o uso de computador e de Computação Gráfica.

Portanto, este livro pode ser considerado como introdutório para a análise de estruturas. As soluções apresentadas para os modelos discretos das formulações do Método das Forças e do Método dos Deslocamentos são obtidas através de resolução manual. O enfoque dado aqui é para o entendimento do comportamento de estruturas reticuladas hiperestáticas e dos fundamentos dos métodos básicos da análise estrutural.

Livros-texto sobre o Método dos Elementos Finitos, como os que são citados acima, abordam de uma certa maneira a implementação computacional do Método da Rigidez Direta (que é uma formalização do Método dos Deslocamentos direcionada para uma implementação computacional) e do Método dos Elementos Finitos. O Método das Forças tem uma metodologia que não é conveniente para ser implementada computacionalmente e, por isso, é pouco utilizado em programas de computador.

Entretanto, diversos outros aspectos estão envolvidos no desenvolvimento de um programa de computador para executar uma análise estrutural. Questões como estruturas de dados e procedimentos de criação do modelo geométrico, geração do modelo discretizado, aplicação de atributos de análise (propriedades de materiais,

Luiz Fernando Martha – Introdução – 1 carregamentos, condições de suporte, etc.) e visualização dos resultados são fundamentais nesse contexto. Essas questões não são tratadas nos livros de elementos finitos, mas são da área de Modelagem Geométrica e Computação Gráfica.

1.3. Organização dos capítulos

Este capítulo procurou posicionar o leitor dentro da atividade de análise estrutural e direciona para os principais tópicos que são abordados neste livro.

No Capítulo 2 são introduzidos conceitos básicos sobre a análise de estruturas. O capítulo trata principalmente das condições básicas que têm que ser atendidas pelo modelo estrutural, tais como relações de equilíbrio entre forças e entre tensões, as relações de compatibilidade entre deslocamentos e deformações, e as leis constitutivas dos materiais que compõem a estrutura. É feita uma introdução aos métodos clássicos da análise estrutural: Método das Forças e Método dos Deslocamentos. O comportamento linear de estruturas, condição para aplicar superposição de efeitos, também é discutido. Também é feita uma abordagem conceitual entre as diferenças de comportamento de estruturas isostáticas e estruturas hiperestáticas. Finalmente, é apresentado um procedimento geral para determinação do grau de hiperestaticidade de pórticos planos e grelhas.

O Capítulo 3 resume a formalização matemática feita na idealização do comportamento de barras. A Teoria de Vigas de Navier para o comportamento à flexão de barras é apresentada com todas as suas hipóteses e simplificações. As principais relações diferenciais da Resistência dos Materiais que regem o comportamento de barras para efeitos axiais, cisalhantes, de flexão e de torção são apresentadas com vistas à sua utilização no desenvolvimento dos métodos de análise apresentados nos capítulos subseqüentes.

O Capítulo 4 apresenta soluções fundamentais que são utilizadas nas metodologias dos Métodos das Forças e dos Deslocamentos. Tais soluções são obtidas com base no Princípio dos Trabalhos Virtuais. Esse princípio, através de suas duas formulações – Princípio das Forças Virtuais e Princípio dos Deslocamentos Virtuais –, é necessário para deduzir as expressões utilizadas no cálculo de coeficientes dos sistemas de equações resultantes da discretização do problema pelos Métodos das Forças e dos Deslocamentos.

O Método das Forças é apresentado em detalhes no Capítulo 5. O capítulo trata principalmente de aplicações do método para pórticos planos, mas também são considerados exemplos de treliças planas e grelhas. Embora, atualmente, na prática esse método seja pouco utilizado (tem difícil implementação computacional), o método tem o mérito de ser intuitivo e, por isso, em geral é o primeiro método a ser apresentado em livros-texto.

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O Capítulo 6 apresenta uma introdução ao Método dos Deslocamentos. O objetivo é descrever os fundamentos do método aplicado a pórticos planos. Nesse capítulo só são tratados pórticos com barras horizontais e verticais, pois a resolução de pórticos com barras inclinadas pela formulação geral do Método dos Deslocamentos é muito trabalhosa para ser feita manualmente.

No Capítulo 7 são introduzidas restrições que são comumente adotadas para as deformações de barras com o objetivo de reduzir o número de parâmetros discretos e, assim, facilitar a resolução manual pelo Método dos Deslocamentos. A apresentação do método com essas restrições pode ser considerada como a forma clássica de apresentação em livros-texto, como por exemplo no de Süssekind (1977-3), que estavam voltados para uma resolução manual. Na verdade, o principal objetivo ao considerar essas restrições a deformações de barras é caracterizar o comportamento de pórticos com respeito aos efeitos de deformações axiais e de deformações transversais por flexão. Por exemplo, a consideração de barras sem deformação axial (chamadas de barras inextensíveis.) é uma aproximação razoável para o comportamento de um pórtico. A hipótese de barras inextensíveis possibilita o entendimento do conceito de contra-ventamento de pórticos com barras inclinadas, que é muito importante no projeto de estruturas.

O Capítulo 8 descreve um processo de solução iterativa de pórticos pelo Método dos Deslocamentos. Esse processo é denominado Método da Distribuição de Momentos (White et al. 1976) ou Processo de Cross (Süssekind 1977-3). Apesar deste processo ter caído em desuso nos últimos anos, ele tem a vantagem de propiciar um entendimento intuitivo do comportamento de vigas e quadros que trabalham fundamentalmente à flexão, além de permitir uma rápida resolução manual.

O Método da Rigidez Direta, que é uma formalização do Método dos Deslocamentos voltada para sua implementação computacional, é apresentado no Capítulo 9. Essa formulação geral do Método dos Deslocamentos é feita para pórticos planos, com barras com qualquer inclinação, com ou sem articulação, e para grelhas.

Finalmente, o Capítulo 10 descreve o procedimento de análise estrutural para cargas acidentais e móveis, isto é, para cargas que não têm atuação constante ou posição fixa sobre a estrutura. Os conceitos de Linhas de Influência e Envoltórias de Esforços são introduzidos. É deduzido o método cinemático para o traçado de linhas de influência, também chamado de Princípio de Müller-Breslau (White et al. 1976, Süssekind 1977-1). As soluções de engastamento perfeito deste princípio para barras isoladas são apresentadas. Essas soluções facilitam a determinação de linhas de influência por programas de computador que implementam o Método da Rigidez Direta.

Dois apêndices complementam os capítulos descritos. O primeiro mostra a convenção de sinais adotada para esforços internos em estruturas reticuladas. O segundo apresenta a Analogia da Viga Conjugada como forma alternativa para deduzir as soluções fundamentais de barras introduzidas no Capítulo 4.

2. CONCEITOS BÁSICOS DE ANÁLISE ESTRUTURAL

Este capítulo resume alguns conceitos básicos de análise estrutural para estruturas que são compostas por barras. Esses conceitos foram selecionados de forma a permitir a compreensão dos demais capítulos deste livro, e essa seleção foi baseada em consultas a trabalhos de diversos autores que certamente descrevem esses conceitos em maior profundidade. Os principais livros que serviram como referência para este capítulo foram os de White, Gergely e Sexsmith (1976), Rubinstein (1970), Candreva (1981), Timoshenko e Gere (1994), Tauchert (1974) e West (1989).

São considerados como pré-requisitos para os assuntos tratados neste capítulo a definição de tensões, deformações e esforços internos (esforços normais e cortantes e momentos fletores e torçores) em barras e a análise de estruturas estaticamente determinadas (estruturas isostáticas). Como referências para esses assuntos podese citar, além das referências anteriores, os livros dos seguintes autores: Beaufait (1977), Beer e Johnston (1996), Campanari (1985), Felton e Nelson (1997), Fleming (1997), Süssekind (1977-1), Gorfin e Oliveira (1975), Hibbeler (1998) e Meriam (1994).

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