Os programas de análise estrutural RFEM 6 e RSTAB 9 oferecem capacidades poderosas para simular a deformação térmica de componentes estruturais com a aplicação de cargas de temperatura. Estes programas permitem contabilizar com precisão os efeitos das variações de temperatura que podem impactar significativamente no comportamento dos materiais e das estruturas. Ao simular alterações de temperatura tanto uniformes como não uniformes, o RFEM 6 e o RSTAB 9 permitem uma análise abrangente sobre como a dilatação ou contração térmica pode influenciar o desempenho estrutural.
Neste artigo, vamos explorar o contexto teórico dos efeitos térmicos, focando especificamente os efeitos de membrana e de flexão, e demonstrar como é que esses efeitos térmicos podem ser modelados e aplicados no RFEM 6. Utilizando exemplos práticos, irá ver como é que essas deformações relacionadas com a temperatura podem ser capturadas de maneira eficaz dentro do software, fornecendo informações valiosas para o dimensionamento e a análise de estruturas expostas a variações de temperatura.
1. Efeito de membrana (alteração de temperatura uniforme)
Uma alteração de temperatura uniforme ao longo da altura de um componente induz o que é conhecido como efeito de membrana. Isso ocorre quando todo o componente sofre a mesma variação de temperatura ao longo do seu comprimento, sem qualquer gradiente na direção perpendicular. Sob uma alteração de temperatura uniforme, o elemento estrutural experimenta dilatação ou contração térmica sem deformação por flexão.
O efeito de membrana é caracterizado por uma deformação uniforme ao longo do eixo da barra, resultando numa deformação puramente axial (Imagem 01). Quando a temperatura aumenta, o material expande-se ao longo do eixo e, quando a temperatura diminui, contrai. O importante é que esse efeito não gera momentos internos ou tensões de flexão, mas sim forças axiais dentro da barra se a dilatação linear da barra for restringida, como num sistema estaticamente indeterminado.
2. Efeito de flexão (alteração de temperatura não uniforme)
Em contraste com o efeito de membrana, a distribuição de temperatura não uniforme ao longo da altura ou espessura do componente resulta numa deformação por flexão (Imagem 02). Isso acontece quando a temperatura varia através da secção do elemento estrutural, criando um gradiente de temperatura.
Quando um componente é submetido a um gradiente de temperatura, o material expande-se de maneira diferente em diferentes pontos ao longo da sua altura ou espessura. Essa dilatação diferente causa momentos internos e tensões de flexão, que surgem apenas num sistema estaticamente indeterminado, onde a dilatação é restringida. O componente irá tentar dobrar-se em resposta às temperaturas variáveis em diferentes secções do elemento, com a parte superior da secção expandindo mais do que a parte inferior, ou vice-versa. Portanto, o efeito de flexão pode ser entendido como o elemento estrutural dobrando-se devido ao gradiente térmico.
3. Efeito combinado: membrana e flexão
Na prática, os componentes estruturais são frequentemente submetidos a alterações de temperatura uniforme (efeito de membrana) e gradientes de temperatura (efeito de flexão). A deformação térmica total no componente pode, assim, ser descrita como uma combinação desses dois efeitos:
- O efeito de membrana causa deformação axial (tração ou compressão) devido à alteração de temperatura uniforme ao longo do eixo da barra.
- O efeito de flexão produz deformação flexural devido ao gradiente de temperatura ao longo da altura ou espessura do componente.
Esse efeito combinado leva a uma deformação não uniforme (Imagem 03), visto que tanto as forças axiais como os momentos de flexão são gerados dentro do componente, o que ocorre quando o sistema é estaticamente indeterminado e a dilatação é restringida.
Simulação de deformações térmicas no RFEM 6
No RFEM 6, pode simular tanto os efeitos de membrana como de flexão aplicando dois tipos de cargas de temperatura: "Temperatura" e "Alteração de temperatura". Estas podem ser definidas facilmente através da janela "Nova carga de barra", onde pode selecionar o tipo apropriado de carga no menu suspenso "Tipo de carga" (Imagens 04 e 05).
1. Tipo de carga "Temperatura"
A carga "Temperatura" no RFEM 6 permite especificar a temperatura superior (Tt) e a temperatura inferior (Tb) da barra. A distribuição de temperatura pode ser:
- Uniforme: quando Tt=Tb, o que significa que a barra sofre uma alteração de temperatura uniforme, levando a efeitos de membrana (sem flexão).
- Não uniforme: quando Tt≠Tb, o que cria um gradiente de temperatura no componente, levando a efeitos tanto de membrana como de flexão.
2. Tipo de carga "Alteração de temperatura"
A carga "Alteração de temperatura" permite definir uma temperatura na linha central (Tc) e especificar diretamente a diferença de temperatura ΔT entre o topo e a base da barra. Uma temperatura positiva na linha central significa que a barra está a aquecer e uma diferença de temperatura positiva implica que o topo da barra está a aquecer mais do que a base, induzindo flexão.
Exemplos práticos
Para entender melhor os efeitos das cargas de temperatura, vamos explorar vários cenários onde a mesma viga em consola é submetida a condições de temperatura variáveis. Em cada caso, iremos considerar como é que as diferentes variações de temperatura podem ser simuladas no RFEM 6 utilizando os tipos de carga "Temperatura" e "Alteração de temperatura". Ambos os tipos de carga podem representar os mesmos efeitos de temperatura; a única diferença é a maneira como a entrada é definida. Vamos destacar como é que essas variações influenciam o comportamento da viga, particularmente em termos de flexão e deformação.
1. Cenário: sistema de aquecimento flutuante num edifício
Neste cenário, uma viga em consola suporta uma parte do sistema de piso no edifício e é exposta a um aumento de temperatura uniforme de 10°C devido à ativação de um sistema de aquecimento flutuante. O sistema de aquecimento eleva a temperatura de toda a viga uniformemente ao longo do seu comprimento, fazendo com que a viga aqueça de forma homogénea.
Como aplicar isso no RFEM 6:
Este cenário pode ser simulado no RFEM 6 utilizando o tipo de carga "Alteração de temperatura", onde a temperatura na linha central (Tc) é definida como 10°C, representando assim o aquecimento uniforme da viga (Imagem 06). A diferença de temperatura (ΔT) entre as superfícies superior e inferior da viga seria zero, já que o aumento de temperatura é uniforme ao longo do comprimento da viga.
Em alternativa, a mesma simulação pode ser realizada utilizando o tipo de carga "Temperatura", onde tanto a temperatura superior (Tt) como a temperatura inferior (Tb) são definidas como 10°C (Imagem 07). Em ambos os casos, o resultado será uma dilatação uniforme da viga sem causar qualquer flexão, já que toda a viga sofre a mesma dilatação térmica (Imagem 08).
2. Cenário: viga exposta a fonte de calor
Uma viga em consola está situada num ambiente industrial, onde é exposta ao calor apenas de um lado. Por exemplo, durante um processo de fabricação, a viga pode ser submetida a temperaturas mais altas (por exemplo, 30°C) num lado, enquanto o lado oposto da viga permanece a uma temperatura mais baixa (por exemplo, 20°C) ou está protegido do calor.
Como aplicar isso no RFEM 6:
Isso pode ser simulado utilizando o tipo de carga "Temperatura" com Tt ≠ Tb (Imagem 09), onde a temperatura superior (Tt) é definida como mais alta (30°C), devido à fonte de calor, e a temperatura inferior (Tb) permanece mais baixa (20°C). A diferença de temperatura entre o topo e a base da viga cria um gradiente térmico que faz com que a viga se expanda e dobre (Imagem 10).
3. Cenário: viga exposta a radiação solar desigual
Uma viga em consola está num ambiente externo, onde uma superfície é exposta à luz solar, enquanto a superfície oposta está na sombra. Em função disso, uma das superfícies da viga aquece para 5°C, enquanto a outra permanece a -5°C. Neste caso, a temperatura na linha central é 0°C, mas existe um gradiente de temperatura ao longo da viga, com uma superfície a sofrer uma temperatura mais alta do que a outra. O foco principal neste cenário é capturar a flexão causada pelo gradiente térmico criado pela diferença de temperatura (ΔT) entre as superfícies superior e inferior da viga, levando à flexão devido à dilatação diferencial.
Como aplicar isso no RFEM 6:
Este cenário pode ser simulado no RFEM 6 utilizando o tipo de carga "Alteração de temperatura" (Imagem 11), onde é especificada a diferença de temperatura (ΔT) entre o topo e a base da viga (ΔT=10°C). A temperatura na linha central (Tc) é definida como 0°C, mas a diferença de temperatura (ΔT) é diferente de zero, representando o gradiente térmico que faz com que a viga se dobre. É necessário assegurar a utilização do tipo de carga "Alteração de temperatura" e assim já não é necessário definir temperaturas específicas para as superfícies superior (Tt) e inferior (Tb), pois o foco está na flexão induzida pelo gradiente térmico criado pela ΔT.
Palavras finais
Em conclusão, o RFEM 6 oferece uma abordagem flexível para modelar os efeitos térmicos em componentes estruturais, permitindo ao utilizador simular os efeitos de membrana e de flexão com os tipos de carga "Temperatura" e "Alteração de temperatura". Esses tipos de carga possibilitam simulações precisas das variações de temperatura ao longo do comprimento e da altura de uma barra, assegurando uma análise completa das deformações térmicas.
A compreensão da utilização efetiva destes tipos de carga, permite aos engenheiros prever o comportamento de componentes estruturais sob cargas térmicas, obtendo análises mais precisas e dimensionamentos otimizados. Quer se trate de aquecimentos uniformes, exposições localizadas à temperatura ou condições variáveis, o RFEM 6 oferece as ferramentas necessárias para gerir os efeitos relacionados com a temperatura nas suas estruturas.
