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Centro de SuporteBlogAbordagem de rigidez direta
Abordagem de rigidez direta
SteelConnection designFeaturesConnectionRotational stiffness

Abordagem de rigidez direta

19 de dezembro de 2023
Este artigo também está disponível em
ENCZDEESFRITPTNLHUROKRPLTHTRVIZH
Traduzido por IA do inglês

A rigidez rotacional e a rigidez direta são conceitos fundamentais em engenharia estrutural, permitindo aos engenheiros analisar e projetar estruturas com precisão. Vamos explorar estas abordagens e a forma como fornecem informações valiosas sobre o comportamento de elementos individuais e da estrutura global, garantindo segurança e estabilidade em diversas aplicações.

Motivação

Ter uma compreensão profunda da Análise por Elementos Finitos (AEF) é fundamental tanto para garantir entradas precisas como para apresentar os resultados de forma adequada. O principal objetivo deste artigo é explicar como a matriz é assemblada em segundo plano em qualquer software de AEF e como a rigidez rotacional pode influenciar o comportamento global de uma estrutura. Este artigo serve de pré-requisito para um artigo futuro, onde todas as conclusões serão aplicadas a uma estrutura utilizando o IDEA StatiCa Connection.

A abordagem de rigidez direta – ligações rígidas

Vejamos o exemplo simples de uma estrutura apresentada na figura 1. A estrutura é composta por um pilar e uma viga com propriedades de secção transversal idênticas HEA 200. Cada nó tem três graus de liberdade, incluindo duas translações (X e Z) e uma rotação (Ry). O espaço de trabalho é 2D. O material é aço com um módulo de elasticidade de 200 000 MPa.

01) Modelo de mola – SCG, geometria, axonometria + secções HEA 200

Matriz de rigidez local

A matriz de rigidez governa a relação entre a variação dos deslocamentos (e rotações) nas extremidades da viga e as forças correspondentes (reações). Vale a pena notar que cada nó no espaço de trabalho 2D tem três graus de liberdade (duas translações e uma rotação), resultando numa matriz local com dimensões 6x6. Esta matriz representa a rigidez normal, a rigidez ao corte e a rigidez à flexão do elemento.

02) Matriz de rigidez local de todos os elementos

Matriz de transformação

Em 90% das estruturas, a matriz de rigidez local dos elementos não está alinhada com o sistema de coordenadas global. Apenas vigas simples alinhadas em linha reta têm o mesmo Sistema de Coordenadas Local (SCL) e Sistema de Coordenadas Global (SCG). No nosso caso, o terceiro elemento está rodado 90 graus em torno do nó dois. Esta transformação é necessária para os cálculos seguintes.

03) Matriz de transformação do elemento 1,2; Matriz de transformação do elemento 3

Transformação para um sistema de coordenadas global

Para um cálculo preciso dos deslocamentos, é essencial alinhar os sistemas de coordenadas de todos os elementos envolvidos. Uma forma de o conseguir é utilizar uma matriz de transformação, que simplifica o processo e permite uma transição suave para o cálculo dos deslocamentos. A transformação não modifica a matriz para os elementos um e dois, uma vez que o seu sistema de coordenadas local é igual ao global. No entanto, é possível observar uma alteração no elemento três, que está rodado cerca de 90 graus. As entradas para as translações X e Z são. Poderá notar os pequenos valores não nulos na matriz. Estes resultam do processo numérico, mas como são relativamente pequenos em relação à rigidez global, não afetam os resultados de forma significativa.

04) Matriz global do elemento 1,2; Matriz global do elemento 3

Matriz global – somatório

Existem quatro nós e cada nó tem três graus de liberdade. Isto significa que a matriz resultante tem dimensões 12x12. A parte crucial do processo consiste em somar os valores nas colunas e linhas das matrizes individuais na matriz global.

05) Matriz de rigidez global de todo o sistema

Condições de fronteira e vetor de cargas

Sem condições de fronteira, o sistema é indeterminado (e apenas a solução trivial pode ser obtida). Neste cenário, consideram-se restrições de encastramento nos nós um e três. Os deslocamentos (e rotações) nulos nas fronteiras podem ser representados pela eliminação das linhas e colunas correspondentes. A solução é trivial se não forem aplicadas forças (deslocamentos nulos). No nosso exemplo, o nó quatro está sujeito a uma força vertical de 50 kN.

06) Matriz reduzida, vetor de cargas e condições de fronteira aplicadas

Solução

Tendo em conta pequenas deformações e material com comportamento linearmente elástico, é possível resolver de forma simples o vetor dos deslocamentos desconhecidos num único passo. Esta abordagem é rápida e altamente eficaz, tornando-se um método conveniente para tratar questões relacionadas com deslocamentos.

07) Deslocamento nodal no SCG

Verificação por AEF

Dado que os valores fornecidos para os nós são precisos, é imperativo que os resultados da análise por elementos finitos (AEF) correspondam exatamente aos da abordagem de rigidez direta (ARD). Este requisito garante que os resultados analíticos são consistentes com o comportamento real do sistema em estudo. Por isso, é fundamental assegurar que os resultados da AEF e da ARD coincidam dentro do nível de tolerância aceitável.

08) Verificação e comparação do deslocamento nodal entre a ARD e a AEF

Abordagem de rigidez direta – ligações semi-rígidas

É fundamental compreender que as ligações são tipicamente semi-rígidas e não totalmente rígidas ou articuladas. Negligenciar a rigidez de uma ligação pode resultar num comportamento da estrutura no modelo diferente do da estrutura real. Vejamos como a rigidez é tida em conta nos cálculos e como influencia o comportamento da própria estrutura.

Mola rotacional e estruturas de engenharia civil

As estruturas de aço de engenharia civil, como pavilhões e pórticos, são projetadas para resistir eficientemente a cargas de flexão transferidas pelas vigas. Quando a viga está carregada e a estrutura é hiperestática, a rigidez rotacional da junta desempenha um papel fundamental para garantir uma redistribuição correta das cargas e uma deformação precisa. Por isso, é importante manter a integridade estrutural da junta para evitar potenciais danos na estrutura.

09) Mola rotacional – matriz local

Para garantir a compatibilidade numa junta, é importante acoplar as deformações. Este acoplamento deve ser incluído na matriz de rigidez global para calcular as deformações. Quando é aplicada rigidez rotacional, outros graus de liberdade devem ser incluídos como uma linha e coluna adicionais na matriz de rigidez global. A matriz final para este tipo de junta terá uma dimensão de 13x13, enquanto uma matriz de ligação rígida terá uma dimensão de 12x12.

Impacto da rigidez rotacional

A rigidez rotacional de uma estrutura tem um impacto significativo na forma como as forças são distribuídas e as deformações ocorrem. Isto significa que uma estrutura com rigidez rotacional se comportará de forma diferente de uma estrutura com ligações rígidas ou articuladas. Se a rigidez for aumentada de forma desproporcionada, pode conduzir a alterações adicionais no comportamento da estrutura. Neste cenário, exploraremos os efeitos do aumento da rigidez rotacional. O modelo com que trabalhamos é do capítulo anterior, e a mola rotacional está ligada à extremidade (j) do elemento um.

 10) Deformações para diferentes rigidezes rotacionais

O gráfico indica que, em determinadas gamas de rigidez, a deformação varia de forma multilinear para uma ligação semi-rígida. Para ligações semi-rígidas, subestimar ou sobrestimar a rigidez conduz a diferenças significativas nas flechas e na redistribuição dos esforços internos. 

 11) Gráfico rigidez – deformação 

 12) Zona de rigidez para ligações

Conclusão e tópicos futuros

Para garantir o sucesso do nosso estudo futuro, é necessário primeiro adquirir uma compreensão profunda do problema em questão. Só então será possível avançar com confiança e propósito. O nosso estudo dedica-se à exploração de um conjunto de tópicos importantes relevantes para a questão que estamos a investigar. Através de uma investigação e análise cuidadosas, esperamos lançar nova luz sobre este problema complexo e desafiante, e contribuir, em última análise, para uma melhor compreensão desta importante área de estudo.

  • Como é calculada a rigidez rotacional no IDEA StatiCa
  • Como utilizar a rigidez para múltiplos elementos numa ferramenta de AEF
  • Verificação da rigidez rotacional entre o IDEA StatiCa e o ABAQUS para uma ligação placa a placa

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Lukas Juricek

Lukas Juricek

Engenheiro de Produto IDEA StatiCa

Verificação e validação de modelos de engenharia para precisão e fiabilidade

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Josef Kveton

Josef Kveton

Engenheiro de desenvolvimento MEF

Especialista em mecânica computacional e MEF, desenvolvendo soluções inovadoras para análise estrutural eficiente e precisa.

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