MODELO COM VÁRIOS GRAUS DE LIBERDADE

Segundo Denoël (2010), definimos o modelo de vários graus de liberdade como sendo o modelo que necessita de várias coordenadas independentes, onde o número do grau de liberdade determina a quantidade de equações diferenciais existentes e seus movimentos próprios. Mesmo si no estudo de estruturas na engenharia civil, em alguns casos, se comportam como um modelo de um grau de

liberdade, as vezes é necessário considerar uma combinação de movimentos de forma distintas para explicar o que realmente está sendo estudado.

No estudo de estruturas de porte real, geralmente não conseguimos realizar esses procedimentos manualmente. Nesse caso é necessário, o uso de programas computacionais, onde a sua maioria disponível, utiliza o método dos deslocamentos. Método que estuda a deformação de uma estrutura que é representada na ideia de vários deslocamentos em diferentes áreas. Nesse contexto, a deformação da estrutura é modelada com a ajuda dos graus de liberdade e as formas distintas citada acima são as deformações associadas a cada deslocamento unitário, todos os outros movimentos seguem restritos.

Brasil e Silva (2013), exemplifica com uma treliça plana (figura10), tipo de estrutura muito usado em galpões. Nesse método divide a estrutura em grande número de elementos unidos em nós, cujos deslocamentos são incógnitas do problema a serem determinadas. Os deslocamentos em cada nó livre nas direções horizontais e verticais são incógnitas.

Figura 10: Esquema de elementos e nós de treliça plana.

Fonte: Brasil e Silva (2013).

Todos os conceitos do modelo de um grau de liberdade podem ser usados no modelo de vários graus de liberdade. Por exemplo há uma única equação de movimento para cada grau de liberdade. Segundo Rao (2008), o método para determinar as frequências naturais pela equação característica obtida igualando o determinante a zero também se aplica a esses sistemas.

Assim, se N é igual a nós livres, tem-se n= 2N incógnitas (não considerando os deslocamentos nulos como incógnita). Como trabalha-se com muitos valores, utiliza-se um Vetor dos deslocamentos, ou seja, os valores são colocados em forma de coluna com n linhas, conforme dispõe Brasil e Silva (2013).

𝑢 𝑢 𝑢 ⋮ 𝑢 (3.18)

No caso mais geral, de forma semelhante, assume-se n=2N componentes de força externa aplicada em cada nó livre, nas duas direções, vertical e horizontal (dados conhecidos no problema). Assim, da mesma forma, utiliza-se um Vetor dos deslocamentos para ajudar nos cálculos.

𝑝 𝑝 𝑝 ⋮ 𝑝 (3.19)

Para Brasil e Silva (2013):O método dos deslocamentos nos permite dizer que a relação entre os esforços elásticos restauradores internos e os deslocamentos é:

ƒ_𝒆 𝒄 (3.20)

De onde, tem-se a matriz “rigidez” com n linhas e n colunas:

𝐾 𝑘 𝑘 … 𝑘 𝑘 𝑘 … 𝑘 ⋮ 𝑘 ⋮ 𝑘 …^⋮ ⋮ 𝑘 (3.21)

Assim, a equação do equilíbrio, que é a relação que resolve os problemas estáticos, que coloca em igualdade o vetor carregamento ao vetor de forças elásticas restauradoras, é dada como:

Ou

𝒌𝒖 𝒑 (3.23)

Rao (2008), detalha que a matriz de rigidez tem, no mínimo, um termo não-zero fora da diagonal. No entanto, para a matriz de massa tiver no mínimo um termo não-zero fora da diagonal, diz-se que o sistema é dinamicamente acoplado.

Ainda segundo (Brasil e Silva, 2013), no caso geral, com infinitos graus de liberdade n, deve-se utilizar métodos numéricos de solução de sistemas de equações para a solução da equação de equilíbrio. Vale lembrar da Lei de Hooke:

𝑁 𝛥𝐿 (3.24)

onde E é o módulo de elasticidade do material, A é a área da seção transversal da barra, 𝐿 é o comprimento original do elemento e 𝛥𝐿 a sua mudança de comprimento. Em dinâmica das estruturas, onde a velocidade é considerada, não se pode desprezar o vetor das forças de dissipação de energia (amortecimento),

𝒇_𝒆 𝑪𝒖 (3.25)

de onde tem-se a matriz de amortecimento

𝐶 𝐶 𝐶 … 𝐶 𝐶 𝐶 … 𝐶 ⋮ 𝐶 𝐶^⋮ _…^⋮ 𝐶^⋮ (3.26)

Pela a segunda lei de Newton, surge também o vetor das forças de inércia, que equilibra as forças em ação, Brasil e Silva (2013), assim:

𝒇_𝒊 𝑴𝒖 (3.27)

𝑀 𝑀 𝑀 … 𝑀 𝑀 𝑀 … 𝑀 ⋮ 𝑀 𝑀^⋮ _…^⋮ 𝑀^⋮ (3.28)

Assim, para resolver o sistema de equações diferenciais que está nos problemas de dinâmica (linear), inclui-se os vetores de forças em uma só equação de equilíbrio dinâmico. Na forma:

𝑴𝒖 𝑪𝒖 𝒌𝒖 𝒑 (3.29)

4.3.1 Vibrações livres não amortecidas

Segundo Brasil e Silva (2013), quando não consideramos o amortecimento, onde o vetor de carregamento é nulo e admite-se que o sistema é posto em movimento somente por deslocamento e/ou velocidades não nulas, chega-se na equação do movimento homogênea

𝑀𝑢 𝑘𝑢 0 , (3.30)

onde as soluções são formas 𝒖 chamadas modos de vibração livre não amortecidos em que todas as coordenadas do sistema variam harmonicamente no tempo, todas na mesma frequência, chamadas frequências de vibração livre não amortecida, ou seja

𝑢 𝒖 cos ɷ𝑡 𝛳 , (3,31) Derivando a equação duas vezes no tempo, substituindo na equação do movimento, chega-se no sistema de equações algébricas homogêneas

𝐾 ɷ 𝒖 0, (3.32) Para não obter soluções triviais, o determinante da matriz entre colchetes deve ser nulo

det, 𝐾 ɷ 𝒖 0, (3.33) chegando em uma equação polinomial de grau 𝑛 na variável ɷ , conhecida como equação de frequência, onde as 𝑛 soluções ɷ , são positivas, reais e são as frequências naturais do sistema. Normalmente usa-se ɷ a menor das frequências, até ɷ a maior. Em seguida, insere cada um dos valores de frequência na matriz, obtém-se agora, um sistema de indeterminados.

Segundo Brasil e Silva (2013), para possibilitar os cálculos dos modos de cada frequência é necessário arbitrar uma das componentes. Uma solução encontrada é fazer a primeira coordenada de cada modo unitária. Desse modo, pode-se obter os 𝑛 modos de vibração e destribui-los em uma matriz modal 𝑛 x 𝑛.

ɸ ɸ ɸ … ɸ ɸ ɸ … ɸ ɸ ɸ … ɸ ⋮ ɸ ɸ^⋮ _…^⋮ ɸ^⋮ . (3.34)

5. METODOLOGIA  

5.1 . DETALHAMENTO DO PROJETO ESTRUTURAL

O edifício residencial projetado é composto de 12 pavimentos. Nos pavimentos tipo há no total seis apartamentos por andar, onde quatro dispõe de 47,17 m² e dois de 45,34 m², totalizando 323,58 m² por pavimento com Hall e escada. Na cobertura localiza-se a casa de máquinas e reservatório superior. Todos os pavimentos têm assimetria da arquitetura e um pé direito de 3m.

Figura 11: Planta baixa do um pavimento tipo.

Fonte: Autor

Tabela 2 : Quadro de áreas do um pavimento tipo Pavimento Área computável Área não computável Total

Pav. Térreo 18,44 m² 996,62 m² 1015,06 m²

Pav. Tipo (11x) 3576,65 m² 16,61 m² 3593,26 m²

Total 3595,09 m² 1013,23 m² 4608,32 m²