Tensões e deformações devidas à força normal Resistência ... · Região de estricção C a E do diagrama ... - não emitir falsos sinais de alarme (flechas excessivas, vibrações,
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PEF2602 Estruturas na Arquitetura I I - Sistemas Reticulados
2º Semestre 2007
EP-USP FAU-USP
www.lmc.ep.usp.br/disciplinas/pef2602
Aula 2 – 20/08/2007
•Tensões e deformações devidas à força normal
• Resistência, estabilidade, estados limites, flambagem
Barra prismática em tração (carga P): (a) diagrama de corpo livre de um segmento da barra; (b) segmento da barra antes do carregamento (configuração indeformada), (c) segmento da barra após o carregamento ΔL; (d) tensão normal atuante na barra σ.
ΔL δ≡
Conceito de tração e compressão simples
Tensão normal é dada por:
onde P é a força de tração ou compressão aplicada a barre A a área de seção transversal da barra
σ PA
Deformação específica é dada pela relação:
ε ΔLL
onde ΔL é a variação do comprimento da barra quandosubmetida a força P e L é o comprimento de referência dabase de medida
Equação constitutiva - Lei de Hooke
σ E ε⋅ onde E é o módulo de elasticidade
A (área)
= LΔ = fLε L L
iL
fL
iL (Deformação específica)i
LΔ
Cálculo do deslocamento axial da barra
σ E ε⋅ da lei constitutiva tem-se PA
E ΔLL
⋅
P E A⋅L
ΔL⋅ onde E*A é denominado como produto de rigidez axial e
Lembrando da Física a equação de uma mola, tem-se
F K x⋅ onde K é o coeficiente de rigidez da mola e x odeslocamento
Alongamento axial e contração lateral da barra prismática em tração: (a) barra antes do carregamento, (b) barra após o carregamento. (a deformação da barra esta exagerada.)
Exemplo – Determinar a tensão normal (σ), a deformação específica (ε ) e estimar o módulo de elasticidade do tubo de alumínio da figura, considerando o carregamento de Pc=240,20 kN e comprimento de 1016mm .Considerar que o encurtamento foi
Exemplo 1-1Pc 54kip:= Pc 240.204 kN= força de compressão atuante no tubo
d1 3.6in:= d1 91.44 mm= diametro interno do tubo de alumínio
d2 5.0in:= d2 127 mm= diametro externo do tubo de alumínio
L 40in:= L 1.016 m= comprimento inicial do tubo de alumínioΔLc 0.022in:= ΔLc 0.559 mm= encurtamento para a força Pc
área da seção transversal do tuboAcπ d2
2 d12−( )
4:= Ac 61.008 cm2=
σcPcAc
:= σc 39.373 MPa= σc 3.937 kN
cm2= tensão normal de compressão
σc 5.711 103× psi= tensão em pound square inch
Determinação da deformação específica
εcΔLc
L:= εc 5.5 10 4−× m
m= εc 550 10 6− m
m= εc 550 μm
m=
Equação constitutiva - Lei de Hooke σ E ε⋅
Determinação do módulo de elasticidade
Ealuminioσcεc
:=
Ealuminio 71.587 GPa= módulo de elasticidade do alumínio
Sistemas Materiais
Os procedimentos de Engenharia podem ser classificados em quatro fases:
-Planejamento (o que, onde e quando fazer ?);
-Projeto (como fazer ?);
-Produção (construção na engenharia civil – materialização da idéia)
-Operação (utilização e manutenção)
Métodos de Projeto• Métodos comparativos – até meados do Século XIX;• Métodos racionais (inicia-se durante o século XIX)
- Método das tensões admissíveis (método determinístico), resulta da consolidação da mecânica das estruturas e construção de máquinas de ensaios de materiais;
- Método probabilístico resulta da formação de juízos probabilísticos a partir de conhecimentos objetivos a respeito dos sistemas considerados, modos de ruptura, estados limites, o que levou ao método probabilístico dos estados limites)
Método das Tensões Admissíveis• Estruturas existentes com sucesso de operação são cubadas
para estimativa do peso próprio (peso [P]=F/L3, carga distribuída em superfície [p]=F/L2, carga uniformemente distribuída [g]=F/L) para a determinação das tensões atuantes σact ;
• Materiais das estruturas existentes são ensaiados para determinação das resistências σu (tensões últimas –ruptura)
• Determinam-se os coeficientes de segurança globais pela relação entre as tensões últimas (ruptura) e tensões atuantes, dada por γglobal = σu / σact
Método das Tensões Admissíveis• Determina-se a inequação de segurança para projeto de
novos sistemas estruturais
σact ≤ σadmissivel
onde a tensão admissível é dada por
σadmissivel = σu / γglobal
a tensão atuante σact é dada em função dos carregamentos característicos nominais (valores de consenso no meio técnico da época – normas), tais como gk e pk , por exemplo, carregamento acidental (público) de pisos acima de 12 m2, considera-se pk = 1,5 kN/m2
Método das Tensões Admissíveis• Além da inequação de segurança em relação as tensões, foi
necessário também estabelecer uma inequação para as deformações, principalmente, pelas flechas admissíveis
uexistente ≤ uadmissível
onde uadmissível normalmente é da ordem de L/250, sendo L o vão das obras (vigas, lajes, etc.)
Além disso devem ser respeitadas as condições construtivas tais como espessuras mínimas, esbeltez das barras comprimidas, por exemplo.
Método das Tensões Admissíveis
Exemplo
Determinar a dimensão do tirante metálico com resistência ao escoamento fy = 250 MPa e coeficiente de segurança de γ = 2 , considerando a carga W = 100 kN. O Deslocamento admissível uadm= L/200, com L = 2000 mm e módulo de elasticidade do aço E = 210 GPa
ExemploW 100kN:= peso do balde + massas adicionais
L 2000mm:= comprimento do tirante
E 210GPa:= modulo de elasticidade do aço
uadmissivelL
200:= uadmissivel 10 mm= deslocamento admissível
fy 250MPa:= resistencia ao escoamento do aço
γ 2:= coeficiente de segurança
σact σadm≤ inequação de segurança para as tensões
WA
fyγ
≤
A Wfy
γ⋅≥ área mínima do tirante A Wfy
γ⋅:= A 8 cm2=
d A 4⋅π
:= d 31.915 mm=
d 1.257 in=
verificação do deslocamento limite
F E A⋅L
ΔL⋅ sendo F=W, então
ΔL W L⋅E A⋅
:= ΔL 1.19 mm= que é menor que uadmissivel 10 mm=
Método Probabilista dos Estados Limites
• Condições básicas de segurança- confiabilidade (probabilidade de permanecer em serviço)- capacidade de aviso de colapso (colapso não avisado)- não emitir falsos sinais de alarme (flechas excessivas, vibrações, etc.)
Método Probabilista dos Estados Limites
• Estrutura segura1) Durante a vida útil, a estrutura deve garantir a manutenção das características da construção, a um custo razoável de manutenção;2) Em situações não previstas de utilização ou de manutenção, a estrutura deve apresentar sinais visíveis de advertência de eventuais estados de potencial colapso;
• 3) Em condições normais de utilização, a construção não deve ter aparência que cause inquietação aos usuários ou ao público em geral, nem apresentar falsos sinais de alarme que lancem suspeita sobre sua integridade.
Modelo Probabilista
20 34 48 62 76 900
0.01
0.02
0.03
0.04
0.050.05
1.643 10 10−×
dnorm x 45, 8,( )
dnorm x 70, 8,( )
9020 x
S R
fck fcm 1 1.645 δ⋅−( )⋅
fmfck
Método probabilista dos estados limites
Sk γf⋅
σk γf⋅
Rd kmodRkγw⋅
Sd Rd≤
0.85fc1.4⋅concreto
Situações de projeto
Ações – tempo de referenciaF
tti tuperíodo de referência de projeto
Q
Gef
Fd
mudança da carga permanente
limite de dano
dano acumuladointerdição da
obra
Qexp
G
Vida util das estruturas
Classe Vida útil (em anos) Exemplos
1 1 a 5 Estruturas temporárias
2 25 Elementos estruturais substituíveis
3 50 Concreto em estruturas correntes
4 100 Pontes e obras de arte
Duração das edificaçõesDescrição das classes Vida útil da edificação Exemplos
Acomodações temporárias até 5 anos Edificações utilizadas durante a construção, prédios para exibições temporárias
Edifícios de curta duração 5 a 30 anos Salas de aulas temporárias, edificações de curta duração para processos industriais, edificações modulares
Edifícios de média duração 30 a 60 anos Maioria dos edifícios industriais, armazéns
Edificações de vida normal no mínimo 60 anos Hospitais e edificações de escolas, novas estruturas residenciais
Edifícios de longa duração 60 a 120 anos Maioria dos teatros, edifícios públicos, fóruns e edificações institucionais de alta qualidade
Vida do elementos construtivosSistema construtivo Vida de projeto (em anos)
Fundações >100
Estrutura >100
Piso de estacionamento exposto 30
Alvenaria de blocos >100
Argamassa em alvenaria 25
Revestimento de madeira 20-40
Portas 25
Janelas 20-40
Asfalto poroso 15-30
Telhado 10-30
Acabamentos 7-20
Revestimentos de piso 5-10
Forro de teto 10-20
Calha 40
Situações duradoura
[ ]FFFF kQjkQQ
m
kGiGid
n
jj
i,,1,
20
1∑∑==
++= ψγγ
FFF kQjjkGiutid
n
j
m
i,2,,
11∑∑==
+= ψ
FFFF kQjjkGiutid
n
jkQ
m
i,2,,
2,11
1∑∑==
++= ψψ
(normais) (equação 9)
(longa duração) (equação 10)
(média duração) (equação 11)
Situações transitórias
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡∑∑=
=
++=n
j
kQjkQkGi
m
iGid FefjFQFF
2
,,1,1
,0ψγγ
FFFF kQjjkGiutid
n
jkQ
m
i,1,,
2,1
1∑∑==
++= ψ
(construção) (equação 12)
(curta duração) (equação 13)
FFFF kQjQexcQkGi
m
Gid
n
jefj
i,,,
1,0
1∑∑==
++= ψγγ (excepcionais) (equação 14)
Situações excepcionais
Fatores de combinaçãoAções em estruturas correntes Ψ0 Ψ1 Ψ2
- Variações uniformes de temperatura emrelação à média anual local
- Pressão dinâmica do vento
0,60,5
0,50,2
0,30
Cargas acidentais dos edifícios Ψ0 Ψ1 Ψ2
- Locais em que não há predominância depesos de equipamentos fixos, nem de elevadas concentrações de pessoas
- Locais onde há predominância de pesos deequipamentos fixos, ou de elevadasconcentrações de pessoas
- Bibliotecas, arquivos, oficinas e garagens
0,40,70,8
0,30,60,7
0,20,40,6
Cargas móveis e seus efeitos dinâmicos Ψ0 Ψ1 Ψ2
- Pontes de pedestres- Pontes rodoviárias- Pontes ferroviárias (ferrovias não
especializadas)
0,40,60,8
0,30,40,6
0,2*0,2*0,4*
* Admite-se Ψ2=0 quando a ação variável principal corresponde a um efeito sísmico
Flambagem
y
F
L
F
yFM ⋅=
x
y
a
a/L
F/Fcr
Fcr
Forma reta de estável
Forma retainstável
Forma curva estávelregime elástico
Ponto de bifurcaçãodo equilíbrio
(a) (b) (c)
y
conceitos de flexão das barras
EIM
r±=
1
r raio de curvatura – parâmetro k = 1/ r
M
MEixo -> configuração indeformada
Eixo -> configuração deformada
A curvatura k é proporcional ao momento fletor M
EIkM *=EI é o produto de rigidez a flexão, onde E é o módulo de elasticidade e I é o momento de inércia da seção
Carga crítica P
2
22
LEInP π
=
2
2
LEIPE
π=
Comprimentos de flambagem
Índice de esbeltez
εσ
ddEt =
esbeltasmedianamenteesbeltas
curtas
Hipérbolede Euler
σcr
σp
Limite deproporcionalidade
σ
σp
ε Le/iO O
E
A
BC
S
R
pe
Ecr
EAL
IEA
Fσ
λππσ ≤=
⋅
⋅⋅== 2
2
2
2
p
Eσ
πλ ⋅=
2
lim
Critérios de projeto para estruturas de concreto e madeira:
λ ≤ 40 dispensada a consideração
40 < λ < 80
λ ≥ 80
curtas
medianamente esbeltas
esbeltas
Obrigatória
dispensada a consideração dos efeitos de fluência
Obrigatória a fluência + 2a. ordem
Efeitos de segunda ordemEsbeltezPeças
Índice de esbeltez
iL=λ A
Ii =Onde i é o raio de giração dado pela raiz quadrada da relação do momento de inércia e a área da seção transversal da barra
Inequação de segurança
cract σσ ≤
Pact Pcr≤ P.act e a carga atuante no pilar e Pcr é a carga deFlambagem