Elasticidade aplicada à Infraestrutura de Transportes
CAP MONIZ DE ARAGÃO
DEFORMAÇÕES
:• Campo de deslocamentos; Componentes de deformação; Relações deformação-deslocamento; Deformação linear específica numa direção qualquer; Deformações Principais.
SEÇÃO DE ENSINO DE ENGENHARIA DE FORTIFICAÇÃO E CONSTRUÇÃO Pós-graduação em Engenharia de Transportes
Referências bibliográficas:
• Introdução à Teoria da Elasticidade, Villaça, S. F., Taborda Garcia, L. F., COPPE/UFRJ, 4ª Ed., 2000.
• Theory of Elasticity, Timoshenko, S. P., Goodier, J.N., McGraw-Hill Classic Textbook Reissue Series, 3rd Ed., 1970.
Deformações:
Campo de deslocamentos
Solicitações externas atuando em um corpo deformável:
Configuração inicial indeformada
⇒
Configuração final deformadaMudança de forma e dimensões
Deformações:
Campo de deslocamentos
Um ponto A do corpo, que na configuração inicial tem as coordenadas
x, y, z, sofre um deslocamento u, e passa para a posição A*.
(
x
y
z
)
v
v
,
,
=
(
u
,
v
,
w
)
=
u
(
x
y
z
)
u
u
,
,
=
(
x
y
z
)
w
w
,
,
=
As coordenadas A* são então dadas por x+u, y+v, z+w, e o
Deformações:
Campo de deslocamentos
Observações:• Tendo em vista a continuidade do sólido no processo de deformação, as funções escalares u, v, w devem ser contínuas e unívocas.
• O campo de deslocamentos pode ser decomposto em duas parcelas: • Movimento de corpo rígido (translação do ponto)
• Deslocamento com mudança de forma e dimensões do corpo (alongamentos, encurtamentos)
• O movimento do corpo rígido pode ser sempre eliminado mediante a introdução adequada de vínculos.
Ex: F Deslocamento com mudança de dimensões Movimento de Corpo rígido
Componentes de Deformação
• Deformação (strain)• Deformação linear específica • Alongamento relativo
s
ε
Deformação no ponto A e na direção s: Relação entre o alongamento sofrido pelo
segmento elementar e o seu comprimento inicial, ao passar da configuração inicial para a
deformada.
(
s)
sds
ds
ds
ds
ds
AB
AB
B
A
ε
ε
=
−
=
−
⇒
*=
1
+
* * *Componentes de Deformação
• Deformação angular (shearing strain)• Distorção
s t
γ
Distorção no ponto A associada às direções s, t :
B
A
C
st
*
ˆ
*
*
2
−
=
π
γ
Componentes de Deformação
O estado de deformação em um ponto A fica completamentedeterminado se forem conhecidas as componentes de deformação (linear e angular) em três direções ortogonais.
Referindo-se ao sistema cartesiano global xyz, tem-se as seguintes componentes de deformação:
,
,
,
,
,
y z xy xz yz xε
ε
γ
γ
γ
ε
De forma análoga ao estado de tensões, conhecidas essas componentes é possível calcular a deformação linear numa direção qualquer, ou a
deformação angular associada a um par de direções ortogonais quaisquer no ponto A.
Componentes de Deformação
A deformação em todo o corpo fica determinada conhecendo-se o campo de deformações, ou seja, as componentes de deformação como funções de posição:
(
)
(
)
(
)
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
ε
=
ε
ε
=
ε
ε
=
ε
z
,
y
,
x
z
,
y
,
x
z
,
y
,
x
z z y y x x(
)
(
)
(
)
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
γ
=
γ
γ
=
γ
γ
=
γ
z
,
y
,
x
z
,
y
,
x
z
,
y
,
x
yz yz xz xz xy xyDeformações: notação indicial
Na notação indicial pode-se definir a
posição dos pontos após a deformação como:
(
x
1x
2x
3)
i iξ
,
,
ξ
=
=
iξ
Coordenadas Eulerianas=
ix
Coordenadas Lagrangianas ou inversamente por:(
ξ
1,
ξ
2,
ξ
3)
i ix
x
=
1
x
2
x
2
2
,
ξ
x
3
3
,
ξ
x
1
ξ
2
ξ
1
1
,
ξ
x
3
x
3
ξ
A
A*
Deformações: notação indicial
Como as coordenadas Eulerianas podem ser escritas em função de , suas diferenciais totais são:
i
ξ
3 2 1x
x
x
,
,
j j i i i i idx
x
dx
x
dx
x
dx
x
d
∂
∂
=
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
=
ξ
ξ
ξ
ξ
ξ
2 2 2 2 1 1Analogamente, fazendo-se: , obtém-se:
x
i=
x
i(
ξ
1,
ξ
2,
ξ
3)
j j i i
d
x
dx
ξ
ξ
∂
∂
=
Deformações: notação indicial
O comprimento ds do segmento AB fica então:
i i
dx
dx
dx
dx
dx
ds
2=
12+
22+
32=
Na configuração deformada, temos analogamente:
i i
d
d
d
d
d
ds
*2=
ξ
12+
ξ
22+
ξ
32=
ξ
ξ
k j k i j idx
dx
x
x
ds
∂
∂
∂
∂
=
⇒
*2ξ
ξ
Deformações: notação indicial
Quantificando-se a variação de comprimento do segmento através da
diferença entre os quadrados dos segmentos, após e antes da deformação, tem-se:
é o TENSOR DEFORMAÇÃO DE GREEN, expresso em função das coordenadas
Lagrangianas
x
i{ {
4
3
42
1
k j jk k ik j ij dx dx dx i dx i k j k i j idx
dx
dx
dx
x
x
ds
ds
δ δ δξ
ξ
−
∂
∂
∂
∂
=
−
2 2 * k j jk k i j idx
dx
x
x
ds
ds
4
4 3
4
4 2
1
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
∂
∂
∂
∂
=
−
⇒
*2 2ξ
ξ
δ
ij
2
ε
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
∂
∂
∂
∂
=
⇒
jk k i j i ijx
x
2
1
ξ
ξ
δ
ε
[Eq. 1]Relações Deformação – Deslocamento
Denominando-se de
u
i as componentes do deslocamento de um ponto A, tem-se a seguinte relação entre as coordenadas:i
i
i
x
u
=
ξ
−
1
x
2
x
2
2
,
ξ
x
1
1
,
ξ
x
1
ξ
2
ξ
2
u
1
u
A
A*
u
exprimindo também os deslocamentos em função das coordenadas Lagrangeanas, pode-se obter:
(
x
1,
x
2,
x
3)
u
u
i=
i{
ij j i j i j ix
x
x
x
u
∂∂
∂
−
∂
∂
=
∂
∂
⇒
ξ
ij j i j ix
u
x
∂
+
∂
∂
=
∂
∂
⇒
ξ
[Eq. 2]Relações Deformação – Deslocamento
Substituindo-se a Eq. 2 na Eq. 1, obtém-se a expressão do Tensor de Green em função dos deslocamentos:
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+
∂
∂
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+
∂
∂
=
⇒
kj ij j k ki i k ijx
u
x
u
2
1
δ
δ
δ
ε
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
=
j k i k i j j i ijx
u
x
u
x
u
x
u
2
1
ε
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
∂
∂
=
⇒
ki kj ij j k ki kj i k j k i k ijx
u
x
u
x
u
x
u
2
1
δ
δ
δ
δ
δ
ε
Relações Deformação – Deslocamento
Simplificação para pequenas mudanças de configuração
Considerando a classe de problemas em que as derivadas dos deslocamentos em relação às coordenadas são muito pequenas em relação à unidade:
1
u
1
x
u
i k i k<<
∂
∂
<<
∂
∂
ξ
,
(
i j j i)
iju
u
2
1
, ,+
=
ε
os termos quadráticos na equação do tensor deformação se tornam de ordem inferior em relação aos lineares, podendo ser desprezados. Além disso, passa a ser irrelevante que as derivadas dos deslocamentos sejam calculadas para um certo ponto na sua posição inicial ou final, não sendo necessário portanto se distinguir entre coordenadas Lagrangeanas e Eulerianas nas expressões das componentes da deformação. Tem-se assim:
Relações Deformação – Deslocamento
Lineares
Na notação algébrica usual:...
,
,
...
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
xy xx 12 11 3 2 1 3 2 1w
v
u
u
u
u
z
y
x
x
x
x
ε
ε
ε
ε
→
→
→
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎨
⎧
∂
∂
=
∂
∂
=
∂
∂
=
z
w
y
v
x
u
z y xε
ε
ε
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
=
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
∂
∂
+
∂
∂
=
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
+
∂
∂
=
=
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
∂
∂
+
∂
∂
=
yz yz xz xz xy xy2
1
y
w
z
v
2
1
2
1
x
w
z
u
2
1
2
1
x
v
y
u
2
1
γ
ε
γ
ε
γ
ε
⇒
ε
x é o alongamento relativo da projeção emx
de um segmento elementar originalmente na direçãox
.Relações Deformação – Deslocamento
(coordenadas cartesianas)
Sejam (A*), (B*), (C*) as projeções de A*, B*, C* no plano xy. Logo:
O deslocamento (de primeira ordem) na direção x do ponto B é igual a:
dx
x
u
u
∂
∂
+
devido ao aumento deda função u com o aumento da coordenada x
dx
x
u
∂
∂
Relações Deformação - Deslocamento
Sejam (A*), (B*), (C*) as projeções de A*, B*, C* no plano xy. Logo:
( )( )
φ + = ∂ ∂ + + dx u A B cos x u u dx * *( )( )
ψ + = ∂ ∂ + + dy v A C cos y v v dy * *( )
*( )
*( )
* B Aˆ C − π = ψ + φ 2( )( )
* * B A dx x v sen ∂ ∂ = φ( )( )
* * C A dy y u sen ∂ ∂ = ψRelações Deformação - Deslocamento
⇒ Hipótese de pequenas mudanças de configuração;
⇒ Componentes de deformação consideradas muito pequenas em presença da unidade;
( )( )
(
)
( )( )
(
y)
* * * * x * * * *dy
C
A
C
A
dx
B
A
B
A
ε
+
=
≅
ε
+
=
≅
1
1
1
1
≅
ψ
ψ
≅
ψ
≅
φ
φ
≅
φ
cos
;
sen
cos
;
sen
( )
( )
( )
xy * * * * * * B Aˆ C B Aˆ C ≅ π − = γ − π 2 2Relações Deformação - Deslocamento
⇒ Reescrevendo-se as equações, tem-se:
( )( )
(
)
x
u
1
dx
u
B
A
u
dx
x
u
u
dx
x x∂
∂
=
⇒
+
+
≅
+
=
∂
∂
+
+
* *cos
φ
ε
ε
( )( )
(
)
y
v
1
dy
v
C
A
v
dy
y
v
v
dy
y y∂
∂
=
⇒
+
+
≅
+
=
∂
∂
+
+
* *cos
ψ
ε
ε
( )
( )
( )
xy xy * * * B Aˆ C ≅ γ ⇒ φ+ψ = γ − π = ψ + φ 2( )( )
(
)
x v dx dx x v B A dx x v sen x * * ∂ ∂ ≅ ε + ∂ ∂ ≅ ∂ ∂ = φ ≅ φ 1( )( )
(
)
y u dy dy y u C A dy y u sen y * * ∂ ∂ ≅ ε + ∂ ∂ ≅ ∂ ∂ = ψ ≅ ψ 1 x v y u xy ∂ ∂ + ∂ ∂ = γ⇒ Com as projeções nos outros dois planos cartesianos, são obtidas as demais expressões das
relações deformação-deslocamento.
Deformação linear numa direção qualquer
Na figura abaixo, um segmento elementar PQ de comprimento ds e direção s é representado na sua configuração inicial.
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎨
⎧
=
=
=
n
ds
dz
m
ds
dy
ds
dx
l
co-senos diretores:Deformação linear numa direção qualquer
Após a deformação o segmento passa para a posição P*Q* de comprimento ds*. As projeções dos deslocamentos up e uq sobre a direção s são dadas por:
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎨
⎧
=
=
=
n
ds
dz
m
ds
dy
ds
dx
l
co-senos diretores:( )
u
s P=
u
P⋅
r
l
=
u
l
+
vm
+
wn
( ) ( )
ds
ds
du
u
u
s Q s P s⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
=
Deformação linear numa direção qualquer
Considerando-se a hipótese de pequenas mudanças de configuração:
ds
du
ds
ds
u
ds
du
u
ds
ds
ds
ds
s s s s s=
−
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+
+
=
−
=
*ε
Desenvolvendo a derivada direcional da função u na direção s....Deformação linear numa direção qualquer
⇒ Na notação indicial temos:
ij
sj
si
s
ε
ε
=
l
l
A expressão nos dá a deformação linear em torno de um ponto em uma direção qualquer (definida pelos seus co-senos diretores) em função das deformações lineares segundo os eixos coordenados e das distorções nos planos
coordenados.
Vê-se assim que as deformações segundo três eixos coordenados são suficientes para definir o estado de deformação em torno de um ponto quaquer (assim como nas tensões).
mn
n
m
n
m
2
z
2
xy
xz
yz
y
2
x
s
ε
ε
ε
γ
γ
γ
ε
=
l
+
+
+
l
+
l
+
Obtém-se finalmente:Deformação linear numa direção qualquer
{ }
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
=
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
ε
ε
ε
=
ε
⇒
n
m
zz zy zx yz yy yx xz xy xx z s y s x s sl
( )
( )
( )
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎨
⎧
=
=
=
=
=
=
y
s
ds
dz
n
y
s
ds
dy
m
x
s
ds
dx
,
cos
,
cos
,
cos
l
co-senos diretores:s
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
=
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
ε
ε
ε
⎪
⎭
⎪
⎬
⎫
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
=
ε
⇒
n
m
n
m
n
m
zz zy zx yz yy yx xz xy xx T z s y s x s T sl
l
l
Deformação linear numa direção qualquer
Analogamente, pode-se demonstrar que a distorção entre duas direções
s e t pode ser colocada como:
(
)
(
s t s t)
yz(
s t s t)
xz t s t s xy t s z t s y t s x stm
n
n
m
n
n
m
m
n
n
2
m
m
2
2
+
+
+
+
+
+
+
+
=
γ
γ
γ
ε
ε
ε
γ
l
l
l
l
l
l
⇒ Na notação indicial temos:
ij
tj
si
st
ε
Deformações Principais
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
⇒
z ' z z ' y z ' x y ' z y ' y y ' x x ' z x ' y x ' x zz zy zx yz yy yx xz xy xx z ' z y ' z x ' z z ' y y ' y x ' y z ' x y ' x x ' x ' z ' z ' y ' z ' x ' z ' z ' y ' y ' y ' x ' y ' z ' x ' y ' x ' x ' xl
l
l
l
l
l
l
l
l
l
l
l
l
l
l
l
l
l
Pode-se mostrar pela análise das expressões anteriores de deformação linear e distorção segundo direções arbitrárias, ou pelas propriedades dos Tensores, que o Tensor deformação segundo três novas coordenadas
x’, y’, z’
pode serDeformações Principais
Tal como na análise de tensões, pode-se considerar por hipótese que num ponto de um sólido em estado de deformação existem três direções ortogonais
(principais) em relação às quais a distorção é nula.
As deformações lineares em tais direções são as deformações principais:
Pelas propriedades dos tensores, as três direções principais (ortogonais) correspondem à representação do tensor deformação segundo uma matriz diagonal.
Logo, as raízes da equação característica do tensor de deformações
correspondem às deformações principais, e seus coeficientes são denominados de invariantes do estado de deformação.
3 2 1
ε
ε
ε
,
,
(
)
3 2 1ε
ε
ε
≥
≥
Deformações Principais
{ }
⎪ ⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ε ε ε ε ε ε ε ε ε = ε ⇒ n m zz zy zx yz yy yx xz xy xx e lSeja a direção “e” uma direção onde há apenas deformações lineares, sem distorções:
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
ε
ε
ε
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⇒
z ,' z y ,' z x ,' z z ,' y y ,' y x ,' y z ,' x y ,' x x ,' x zz zy zx yz yy yx xz xy xx e e e z ,' z y ,' z x ,' z z ,' y y ,' y x ,' y z ,' x y ,' x x ,' xl
l
l
l
l
l
l
l
l
l
l
l
l
l
l
l
l
l
0
0
0
0
0
0
(
ε
ij−
ε
eI
)
R
=
0
Deformações Principais
(
ε
ij− I
ε
e)
=
0
det
0
e z zy zx yz e y yx xz xy e x=
−
−
−
⇒
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
0
J
J
J
1 e2 2 e 3 3 e−
+
−
=
⇒
ε
ε
ε
3 2 1 ii z y x 1J
=
ε
+
ε
+
ε
=
ε
=
ε
+
ε
+
ε
3 2 3 1 2 1 z zy yz y z zx xz x y yx xy x 2J
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
+
+
=
+
+
=
3 2 1 z zy zx yz y yx xz xy x 3J
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
ε
=
=
Deformações Principais: sólidos isotrópicos
Deformações Principais: sólidos isotrópicos
Deformações Principais: sólidos isotrópicos
Deformações Principais: sólidos isotrópicos
Rosetas de Deformações
(
x y)
OB
xy
=
2
ε
−
ε
+
ε
Compatibilidade de Deformações
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎨
⎧
∂
∂
=
∂
∂
=
∂
∂
=
z
w
y
v
x
u
z y xε
ε
ε
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
=
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
∂
∂
+
∂
∂
=
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∂
∂
+
∂
∂
=
=
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
∂
∂
+
∂
∂
=
yz yz xz xz xy xy2
1
y
w
z
v
2
1
2
1
x
w
z
u
2
1
2
1
x
v
y
u
2
1
γ
ε
γ
ε
γ
ε
2 3 2 2y
x
u
y
x∂
∂
∂
=
∂
ε
∂
⇒
2 3 2 2x
y
v
x
y∂
∂
∂
=
∂
ε
∂
⇒
2 3 2 3 2x
y
v
y
x
u
y
x
xy∂
∂
∂
+
∂
∂
∂
=
∂
∂
γ
∂
⇒
0
2 2 2 2 2=
∂
∂
γ
∂
−
∂
ε
∂
+
∂
ε
∂
⇒
y
x
x
y
xy y x• é preciso garantir a integrabilidade das relações deformações-deslocamentos;
• obtenção de um campo de deslocamentos cinematicamente admissível, representado por funções contínuas e unívocas;
Compatibilidade de Deformações
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
=
∂
∂
γ
∂
−
∂
ε
∂
+
∂
ε
∂
=
∂
∂
γ
∂
−
∂
ε
∂
+
∂
ε
∂
=
∂
∂
γ
∂
−
∂
ε
∂
+
∂
ε
∂
0
z
y
y
z
0
z
x
x
z
0
y
x
x
y
yz 2 2 z 2 2 y 2 xz 2 2 z 2 2 x 2 xy 2 2 y 2 2 x 2⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
∂
γ
∂
−
∂
∂
γ
∂
+
∂
∂
γ
∂
=
∂
∂
ε
∂
∂
γ
∂
−
∂
∂
γ
∂
+
∂
∂
γ
∂
=
∂
∂
ε
∂
∂
γ
∂
−
∂
∂
γ
∂
+
∂
∂
γ
∂
=
∂
∂
ε
∂
2 xy 2 zy 2 zx 2 z 2 2 xz 2 yz 2 yx 2 y 2 2 yz 2 xy 2 xz 2 x 2z
x
z
y
z
y
x
2
y
x
y
z
y
z
x
2
x
z
x
y
x
z
y
2
Equações de compatibilidade:
Bibliografia Complementar
z
Propriedades dos Tensores:
z
Reddy, J.N., “Energy Principles and Variationl Methods in
Applied Mechanics”, John Wiley & Sonx, 2nd Ed., 2002
(Capítulo 2.3)
z
Deformações na notação indicial:
z
Taborda, L. F., “Elasticidade Não-linear”
z
Círculo de Mohr
z