Análise Estrutural 01
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Análise Estrutural 2010
Engenharia estrutural é o ramo da engenharia civil, engenharia mecânica,
engenharia naval, engenharia aeronáutica, ou qualquer outra engenharia que
utilize cálculo estrutural, seja de estruturas estáticas ou dinâmicas (estruturas
offshore, por exemplo), dedicado primariamente ao projeto e ao cálculo de
estruturas. De forma simplificada, é a aplicação da Mecânica dos Sólidos ao
projeto de edifícios, pontes, muros de contenção, barragens, túneis,
plataformas de petróleo, navios, aviões, automóveis e outras estruturas.
O objetivo do projeto de uma estrutura é permitir que a mesma atenda à sua
função primária sem entrar em colapso e sem deformar ou vibrar
excessivamente. Dentro destes limites, os quais são precisamente definidos
pelas normas técnicas, o engenheiro estrutural almeja o melhor uso dos
materiais disponíveis e o menor custo possível de construção e manutenção da
estrutura.
Resumidamente, as principais etapas do projeto estrutural são a criação do
esquema estrutural, a definição das cargas ou forças que atuam na estrutura,
o cálculo dos esforços e deformações, o dimensionamento das peças
estruturais, e finalmente o detalhamento do projeto para execução.
Engenharia estrutural
Elementos Estruturais
Barra - elemento linear sujeito a esforços longitudinais tração ou compressão, de flexão, torção e esforço cisalhante, atuando isoladamente ou combinados. Pode-se considerar que as vigas e os pilares são elementos de barra. Eixo de Transmissão - elemento linear sujeito unicamente a esforços de torção. Viga - elemento linear sujeito a esforços de flexão, esforço cisalhante e torção, simultaneamente ou isoladamente. Neste elemento, por regra o esforço de torção é desprezado. Estes elementos são combinados em estruturas, tais como: Treliça plana - estrutura plana formada por barras conectadas por rótulas num plano. Treliça espacial - estrutura tridimensional formada por barras e rótulas, tridimensionalmente. Viga contínua - estrutura linear formada por vários tramos de vigas apoiadas. Pórtico plano - estrutura plana formada por barras (vigas, pilares) – cargas no plano Grelha plana - estrutura plana formada por barras (vigas) Pórtico espacial - estrutura tridimensional formada por barras (vigas, pilares) Laje (Placa)- Elemento plano, discretizado numericamente por elementos barra, formando uma grelha. Casca - Elemento em forma de semi-esfera (ou elipsoidal). É também discretizado por elementos barra. Estruturas Volumétricas (barragens, muros de arrimo), Estruturas Mistas , Dutos etc.
Cargas Atuantes
As cargas (forças) que atuam em uma estrutura podem ser permanentes (dead), tais como o peso próprio e dos objetos suportados pela estrutura (telhas, monovias etc.), ou acidentais, como as referentes aos ventos, neve, terremoto etc.. Para estruturas comuns, as normas técnicas contém recomendações para os cargas a serem consideradas. Com base nestas recomendações, o projetista define os diversos casos de carregamento (combinações), com o objetivo de estabelecer a condição mais desfavorável de projeto (aquela que produz os maiores esforços).
Esforços e Deformações
Os esforços estruturais (esforço normal, esforço cortante, momento fletor e momento de torção) são medidas estruturais correspondentes às tensões que atuam no material que compõe a estrutura. O esforço normal é a força atuante no sentido da peça, tendendo a tracioná-la ou comprimí-la, calculada a partir da tensão normal na seção. O esforço cortante é a força perpendicular à peça, calculada a partir da tensão cisalhante na mesma. O momento fletor é o momento que tende a flexionar a peça, como resultado de tensões normais de sinais contrários na mesma seção. O momento torçor tende a torcer a peça em torno de seu próprio eixo. O cálculo dos esforços é feito através da análise estrutural, a qual atualmente é realizada com o auxílio de programas especializados. A análise pode ser estática, considerando cargas constantes no tempo, ou dinâmica, levando em conta as variações das cargas e os modos de vibração da estrutura.
Esforços e Deformações
Com a automatização desta etapa do projeto, tradicionalmente a mais demorada, o projetista moderno pode dedicar mais atenção aos pontos mais problemáticos do projeto, além de alterar o esquema estrutural e propor diferentes condições de carga, em busca de um melhor projeto final. Uma área importante de pesquisa neste campo é a automatização destas decisões, utilizando por exemplo algoritmos genéticos para refinar o projeto visando sua otimização. Outro resultado da análise estrutural é o cálculo das deformações da estrutura. Exceto pelas estruturas estaticamente determinadas, nas quais os esforços podem ser calculados independentemente, esforços e deformações são calculados simultaneamente.
Dimensionamento
Conhecidos os esforços em cada elemento estrutural, é necessário dimensionar a peça que irá resistir a esses esforços, ou seja, determinar as suas medidas. Dado o material a ser utilizado (como a madeira, o aço ou o concreto armado) e suas propriedades, os princípios de resistência dos materiais e mecânica dos sólidos são empregados para verificar se a peça é capaz de resistir aos esforços. Por exemplo, pode-se determinar o ponto mais solicitado e obter uma secção capaz de resistir aos esforços neste ponto. Se for economicamente viável, esta secção pode ser empregada para toda a peça. Para elementos mais complexos, pode ser necessário analisar vários pontos e variar a seção empregada, ou mesmo efetuar o dimensionamento da peça como um todo. Da mesma forma que a análise estrutural, o dimensionamento moderno é realizado com o auxílio do computador. Contudo, o projetista possui bastante liberdade para alterar o dimensionamento visando simplificar a construção (entre outros motivos), por exemplo, padronizando as seções sugeridas pelo programa de computador.
Detalhamento
Para a execução final da estrutura, é necessário que o projetista forneça desenhos detalhados das peças estruturais e suas conexões. Nesta etapa, também são geradas listas de materiais e outras informações essenciais para a construção.
Modelagem por Elementos Finitos
Discretização
Discretização
- é a subdivisão em pequenas regiões: Elementos Finitos
- o tamanho dos elementos deve ser adequado: Max, Min
- evitar diferenças muito grandes entre arestas: 1 para 4
- deve-se evitar vértices com ângulos muito acentuados
Regiões Importantes ou Críticas
- identificar regiões importantes-críticas na estrutura
- definir pontos suficientes para obter boa interpolação
Elementos Finitos
- regiões de interpolação do campo de deslocamentos
- evitar elementos distorcidos (em regiões importantes)
- evitar transições bruscas (em regiões importantes)
Modelagem por Elementos Finitos
Materiais Estruturais
Materiais Típicos
- materiais isotrópicos: aço, concreto, alumínio, madeira
- materiais ortotrópicos: maciços de fundações
- variações térmicas: materiais dependentes da temperatura
Situações Especiais
- materiais não-resistentes a compressão: ganchos e cabos
- materiais não-resistentes a tração: juntas, apoios internos
Simulação da Ruptura
- criação de rótulas plásticas
- estudo do mecanismo de ruptura em estrut. de barras
Análise Dinâmica e Sísmica
- isoladores de vibrações: atrito e plastificação
Modelagem por Elementos Finitos
Vinculações Externas
Apoios Clássicos
- restringem quaisquer dos 6 Graus de Liberdade:
- translações X,Y,Z - resultantes são Forças
- rotações x,y,z - resultantes são Momentos
- resultam em Reações de Apoio nos GL restritos
Apoios Elásticos
-simulam fundação em barragens ou bases de máquinas,
- aplicam uma mola em cada GL:
- molas translacionais Kx,Ky,Kz resultantes são Forças
- molas rotacionais Tx,Ty,Tz resultantes são Momentos
- resultam em Reações de Apoio Elástico nos GL restritos
Deslocamentos Impostos
- simulam recalques de apoio ou processo construtivo
- aplicam um deslocamento para cada GL:
- translações Dx, Dy, Dz
- rotações Rx, Ry, Rz
- resultam em Reações devidas aos Desloc. Impostos
Apoios Especiais
- isoladores de vibração para situações dinâmicas|
- formação de rótulas plásticas em regime de ruptura
Modelagem por Elementos Finitos
Vinculações Internas (01/2)
União entre partes da estrutura
- simula a união entre várias partes ou subestruturas
- forma simples: utilizar os mesmos nós na junção das partes
- cuidado para não deixar nós de uma parte "sobrando"
- subestruturas são definidas como a estrutura é fabricada
- facilitam a criação do modelo e análise dos resultados
- podem servir para análises ou modelos separados
Unindo nós das arestas - garante continuidade
- definir um nó comum que pertence a ambas subestruturas:
o Método dos Elementos Finitos garante continuidade
de deslocamentos nas arestas comuns entre os dois eltos.
Solda automática entre as partes
- recurso que verifica a distância entre as partes do modelo:
se a distância for menor que uma dada tolerância,
coloca-se uma "solda" automatica entre as duas partes
Modelagem por Elementos Finitos
Vinculações Internas (02/2)
Constraints: Associação entre Graus de Liberdade
- agem direto no sistema de equações: resultados precisos
- não utilizam eltos. de alta rigidez com perda de precisão
- união total entre as partes: unir todos os Graus Liberdade
- união parcial entre as partes associar apenas alguns G.L.
- comportamento rígido de uma região associar os G.L.
Diafragmas Rígidos para Edifícios de Andares Múltiplos
- simulam a alta rigidez das lajes de concreto em seu plano
- reproduz o movimento de corpo rígido de todo um andar
- simulado por "constrains" e com nós "master/slave“
Simulações de Juntas e Ganchos
- elemento de "link" para situações especiais:
- junta não resistente a tração
- gancho não resistente a compressão
Modelagem por Elementos Finitos
Carregamentos e Solicitações (01/2)
Peso Próprio e Massa
- gerados conforme valor da aceleração da gravidade g
- g é vetorial e pode variar para simular içamento, etc.
- Materiais podem ter duas características:
- peso específico: gera força peso para análises estáticas
- densidade, massa específica: gera massa para dinâmica
Forças Concentradas ou Distribuídas
- aplicadas aos nós ou ao longo das barras
Elementos Barras: forças concentradas no vão
forças distribuídas no vão
Elementos Finitos: forças aplicadas aos nós
Modelagem por Elementos Finitos
Carregamentos e Solicitações (02/2)
Campos de Pressão
- gerados com lei linear de variação de P no espaço
- em função das coordenadas: P=Função (x,y,z)
- permite coeficientes para cada Hipótese de Carga
- pode-se definir muitos campos de pressão
- elementos laminares: pressão normal ou hidrostática
- eltos. sólidos: forças de percolação ou subpressão
Campos de Temperatura
- gerados com lei linear de variação de T no espaço
- em função das coordenadas: T=Função (x,y,z)|
- permite coeficientes para cada Hipótese de Carga
- pode-se definir muitos campos de temperatura
- elementos barras: gradiente térmico transversal: flexão
- elementos laminares: temperatura cte. na espessura
- elementos sólidos: temperatura varia na "espessura"
VERSÕES DO SAP2000
SAP2000 BASIC
Versão totalmente integrada com o Windows XP, com poderosa interface
gráfica, insuperável em facilidade de
utilização, sofisticação e produtividade, inclui: Elementos de Barras para
Pórticos e Treliças 2D e 3D
Elementos de Casca 3D (inclui placas e membranas)
Elementos de Barras com Cabos de Protensão
Elementos de Mola
Análise Estática com vários Casos e Combinações
Não-linearidade pelo Efeito P-delta
Contra-ventamentos não-resistentes a Compressão
Análise Dinâmica Modal
Análise Sísmica Espectral
Dimensiona Estruturas em Aço e Concreto Armado
Capacidade até 1.500 nós
VERSÕES DO SAP2000
SAP2000 PLUS
Esta versão estende todos recursos da versão Basic com: Capacidade
ilimitada de nós
Elemento de Estado Plano de Tensão e Deformação
Elemento Axissimétrico
Elemento Sólido para Elasticidade Tridimensional
Análise Dinâmica Completa (inclui "Time History")
Análise de Pontes
VERSÕES DO SAP2000
SAP2000 ADVANCED
Esta versão estende todos recursos da versão Plus com:
Elemento de Rótula Plástica Genérica para barras
Elementos de Ligação Não-lineares
Elementos Não-resistentes a tração
Elementos Não-resistentes a compressão
Análise de Formação de Rótulas Plásticas (colapso)
Análise pelo Método FNA de Wilson
Fim
http://pt.wikipedia.org/wiki/Engenharia_estrutural