Resistência dos Materiais: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 14 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

Tensão e deformação axial

Tensão normal
σ = F/A
Deformação
ε = ΔL/L
Lei de Hooke
σ = E·ε
Alongamento
ΔL = FL/(EA)
Deformação térmica
εT = α·ΔT

Torção de eixos

Tensão de cisalhamento
τ = T·r/J
Eixo maciço
J = πd⁴/32
Eixo vazado
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Ângulo de torção
φ = TL/(GJ)
Potência
P = T·ω = 2πnT/60

Método

  1. Encontre o momento polar de inércia: J = πd⁴/32 para um eixo maciço.
  2. Tensão de cisalhamento na superfície: τ = T·r/J, com r o raio externo.
  3. Ângulo de torção: φ = TL/(GJ) em radianos.
  4. Se a potência for dada, encontre primeiro o torque com P = T·ω, ω = 2πn/60.

Esforço cortante e momento fletor

Cortante e momento
V = ΣF de um lado, M = ΣF·d de um lado
Tensão de flexão
σ = M·y/I
Retângulo
I = bh³/12
Módulo de resistência
W = I/ymax
Viga biapoiada, carga uniforme
Mmax = wL²/8

Método

  1. Encontre as reações de apoio pelo equilíbrio da viga inteira.
  2. Corte a viga na seção de que você precisa e fique com um dos lados.
  3. Esforço cortante: soma das forças verticais daquele lado. Momento fletor: soma dos momentos dessas forças em relação ao corte.
  4. Para o momento máximo, encontre onde o esforço cortante é zero.

Centroide e momento de inércia

Centroide
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
Retângulo
I = bh³/12
Teorema dos eixos paralelos
I = Ic + A·d²
Seção composta
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

Círculo de Mohr e transformação de tensões

Centro
C = (σx + σy)/2
Raio
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Tensões principais
σ1,2 = C ± R
Direção principal
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Plano inclinado
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Método

  1. Calcule o centro do círculo de Mohr: C = (σx + σy)/2.
  2. Calcule o raio: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. As tensões principais são C ± R e a maior tensão de cisalhamento no plano é R.
  4. Os ângulos no círculo são o dobro dos ângulos no elemento: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Deflexão da viga

Carga concentrada no meio do vão
δ = PL³/(48EI)
Carga uniforme, viga biapoiada
δ = 5wL⁴/(384EI)
Balanço, carga na ponta
δ = PL³/(3EI)
Balanço, carga uniforme
δ = wL⁴/(8EI)
Superposição
δ = δ1 + δ2

Flambagem de pilares

Carga crítica de Euler
Pcr = π²EI/(KL)²
Fator de comprimento efetivo
K = 1 articulado–articulado, 0,5 engastado–engastado, 0,7 engastado–articulado, 2 engastado–livre
Tensão crítica
σcr = Pcr/A
Esbeltez
λ = KL/r, r = √(I/A)

2Exercícios

1.Tensão e deformação axialMédia
150 kNØ20110 GPaØ100/50300 mmδ = ?

Uma haste de aço (diâmetro 20 mm, E = 200 GPa) está dentro de um tubo de bronze (diâmetro externo 100 mm, diâmetro interno 50 mm, E = 110 GPa). Ambos têm 300 mm de comprimento e são comprimidos juntos entre placas rígidas por 150 kN. Encontre o encurtamento δ.

P = 150 kNbarra: Ø20 mm, E = 200 GPatubo: Ø100/Ø50 mm, E = 110 GPaL = 300 mm
δ = mm
2.Tensão e deformação axialDifícil
20 kN12600 mm500 mmØ30Ø60σ2​ = ?

Um trecho de aço (diâmetro 30 mm, comprimento 600 mm, E = 200 GPa) e um trecho de alumínio (diâmetro 60 mm, comprimento 500 mm, E = 70 GPa) são unidos topo a topo e fixados entre duas paredes rígidas. Uma carga axial de 20 kN atua na junção, no sentido do trecho 2. Encontre o valor da tensão σ2 no trecho 2.

trecho 1: aço, Ø30 mm, 600 mm, E = 200 GPatrecho 2: alumínio, Ø60 mm, 500 mm, E = 70 GPaP = 20 kN
σ2 = MPa
3.Torção de eixosMédia
T = 100 N·md = 30 mmL = 0,8 mφ = ?

Um eixo maciço de latão está engastado na parede e é torcido por um torque T na extremidade livre. Encontre o ângulo de torção φ da extremidade livre, em graus.

T = 100 N·md = 30 mmL = 0,8 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torção de eixosDifícil
do​ = ?5 kW, 1800 rpm

Um eixo vazado deve transmitir 5 kW a 1800 rpm. Seu diâmetro interno deve ser 0,8 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 40 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

P = 5 kWN = 1800 rpmdi/do = 0,8τallow = 40 MPa
do = mm
5.Esforço cortante e momento fletorMédia
P1​ = 75 kNP2​ = 15 kNABC5 m3 m1 m

A viga se apoia em um apoio fixo em A e em um apoio móvel em B e se estende 1 m além de B, em balanço, até a extremidade livre C. Ela suporta uma carga concentrada P1 entre os apoios e uma carga concentrada P2 em C. Encontre o momento fletor Mx sob a carga P1. Use momentos positivos quando tracionam a face inferior e cortante para cima na face esquerda positivo.

L = 9 mP1 = 75 kN em 5 mP2 = 15 kN em 9 mapoios em x = 0 e x = 8 m
Mx = kN·m
6.Esforço cortante e momento fletorDifícil
w = 3 kN/mP = 25 kNAB5 m5 m

A viga simplesmente apoiada suporta uma carga uniformemente distribuída w em todo o vão e uma carga concentrada P. Encontre o momento fletor máximo Mmax na viga.

L = 10 mP = 25 kN em 5 mw = 3 kN/m de 0 a 10 m
Mmax = kN·m
7.Centroide e momento de inérciaMédia
100 mm300 mm90 mmØ40xIx​ = ?

Uma placa de 100 mm × 300 mm tem um furo circular de diâmetro 40 mm na sua linha de centro vertical, com o centro a 90 mm acima da base. Encontre o momento de inércia da área Ix em torno do eixo horizontal que passa pelo centroide.

b = 100 mmh = 300 mmd = 40 mmcentro do furo: y = 90 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
8.Centroide e momento de inérciaDifícil
2002526018xM positivodimensões em mm

Uma viga de ferro fundido tem a seção T mostrada, com a mesa em cima. As tensões admissíveis são 35 MPa na tração e 90 MPa na compressão. Encontre o maior momento fletor positivo Mallow que a viga pode suportar.

bf = 200 mmtf = 25 mmtw = 18 mmhw = 260 mmσt,allow = 35 MPaσc,allow = 90 MPa
Mallow = kN·m
9.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 70σy​ = 120τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 70 MPa, σᵧ = 120 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 70 MPaσy = 120 MPaτxy = 30 MPa
τmax = MPa
10.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 60σy​ = 30τxy​ = −20MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 60 MPa, σᵧ = 30 MPa e τₓᵧ = −20 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 20° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = 60 MPaσy = 30 MPaτxy = −20 MPaθ = 20°
σθ = MPa
11.Deflexão da vigaMédia
w = 15 kN/mδL = 2 m

Uma viga em balanço suporta uma carga uniformemente distribuída w em todo o comprimento. Encontre a deflexão δ na extremidade livre.

w = 15 kN/mL = 2 mE = 200 GPa (aço)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
12.Deflexão da vigaDifícil
w = 4 kN/mP = 17 kNδL = 5 m

Uma viga simplesmente apoiada suporta uma carga uniformemente distribuída w e uma carga concentrada P no meio do vão. Usando superposição, encontre a deflexão no meio do vão δmax.

P = 17 kNw = 4 kN/mL = 5 mE = 200 GPa (aço)I = 8,5 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
13.Flambagem de pilaresMédia
PL = 2 m30 × 50 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está engastado nas duas extremidades. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.

L = 2 mE = 200 GPa (aço)b × h = 30 × 50 mm
Pcr = kN
14.Flambagem de pilaresDifícil
P = 35 kNL = 2,5 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está engastado nas duas extremidades. Ele deve suportar 35 kN com um fator de segurança de 2 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 35 kNn = 2L = 2,5 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm

3Soluções

1.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,06331 mm

Dois materiais: em série (um após o outro), cada trecho suporta a mesma força e os alongamentos se somam: δ = P·Σ L/(E·A). Em paralelo (lado a lado entre placas rígidas), as duas partes encurtam o mesmo tanto, de modo que suas deformações são iguais: a parte mais rígida assume a maior fatia, Pi = P·EiAi/ΣEA, e σi = Ei·ε. Uma barra presa entre duas paredes rígidas com uma carga na junção é estaticamente indeterminada: os dois trechos dividem a carga na proporção da sua rigidez k = EA/L.

Áreas

Ar = π·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·314,2 + 110·10³·5890 = 7,108 × 10⁸ N

Encurtamento

δ = 150000·300/7,108 × 10⁸ = 0,06331 mm

Resposta

δ = 0,06331 mm
2.Tensão e deformação axial

Resposta: σ2 = 4,434 MPa

Dois materiais: em série (um após o outro), cada trecho suporta a mesma força e os alongamentos se somam: δ = P·Σ L/(E·A). Em paralelo (lado a lado entre placas rígidas), as duas partes encurtam o mesmo tanto, de modo que suas deformações são iguais: a parte mais rígida assume a maior fatia, Pi = P·EiAi/ΣEA, e σi = Ei·ε. Uma barra presa entre duas paredes rígidas com uma carga na junção é estaticamente indeterminada: os dois trechos dividem a carga na proporção da sua rigidez k = EA/L.

Rigidezes

k₁ = 200000·706,9/600 = 235619 N/mm
k₂ = 70000·2827/500 = 395841 N/mm

Fatia do trecho 2

F2 = 20000·395841/631460 = 12537 N

Tensão

σ2 = 12537/2827 = 4,434 MPa (compressão)

Resposta

σ2 = 4,434 MPa
3.Torção de eixos

Resposta: φ = 1,478 °

Torção de eixos circulares: a tensão de cisalhamento cresce linearmente de zero no centro até τmax = T·r/J na superfície, com J = πd⁴/32 para um eixo maciço e J = π(do⁴ − di⁴)/32 para um vazado. O ângulo de torção é φ = TL/(GJ) em radianos. Potência e torque se relacionam por P = T·ω.

Momento polar de inércia

J = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Ângulo de torção

φ = TL/(GJ) = 100·1000·800/(39000·79522) = 0,0258 rad
φ = 0,0258·180/π = 1,478°

Resposta

φ = 1,478°
4.Torção de eixos

Resposta: do = 17,88 mm

Torção de eixos circulares: a tensão de cisalhamento cresce linearmente de zero no centro até τmax = T·r/J na superfície, com J = πd⁴/32 para um eixo maciço e J = π(do⁴ − di⁴)/32 para um vazado. O ângulo de torção é φ = TL/(GJ) em radianos. Potência e torque se relacionam por P = T·ω.

Torque

ω = 2πN/60 = 2π·1800/60 = 188,5 rad/s
T = P/ω = 5000/188,5 = 26,53 N·m

Diâmetro externo pela tensão admissível

T = 26,53 N·m = 26526 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,8⁴ = 0,5904
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·26526/(π·40·0,5904)) = 17,88 mm
di = 0,8·17,88 = 14,31 mm

Resposta

do = 17,88 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 15 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

5.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: Mx = 131,3 kN·m

Método das seções: corte a viga onde você quer os esforços internos e fique com um lado. O esforço cortante V equilibra as forças verticais desse lado, e o momento fletor M equilibra os momentos delas em relação ao corte.

Reações de apoio

Equilíbrio da viga inteira. A carga do balanço também gera momento em relação a A.

ΣMA = 0: RB·8 = 75·5 + 15·9
RB = 510/8 = 63,75 kN
ΣFy = 0: RA = 90 − 63,75 = 26,25 kN

Corte sob P1 e fique com a parte esquerda

Mx = RA·5 = 26,25·5 = 131,3 kN·m

Resposta

Mx = 131,3 kN·m
6.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: Mmax = 100 kN·m

Método das seções: corte a viga onde você quer os esforços internos e fique com um lado. O esforço cortante V equilibra as forças verticais desse lado, e o momento fletor M equilibra os momentos delas em relação ao corte. Momento máximo: como dM/dx = V, o momento fletor atinge seu pico onde o esforço cortante passa por zero, seja em uma carga concentrada, seja dentro de uma carga distribuída.

Reações de apoio

Equilíbrio da viga inteira.

Resultante da carga distribuída: W = w·ℓ = 3·10 = 30 kN, atuando em x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 25·5 + 3·10·5
RB = 275/10 = 27,5 kN
ΣFy = 0: RA = 55 − 27,5 = 27,5 kN

Onde V = 0?

V(5⁻) = RA − w·5 = 12,5 kN
V(5⁺) = 12,5 − 25 = −12,5 kN
O cortante muda de sinal na carga, então o máximo fica sob a carga.

Momento máximo

Mmax = RA·5 − w·5²/2 = 27,5·5 − 3·5²/2 = 100 kN·m

Resposta

Mmax = 100 kN·m

Ele ocorre em x = 5 m a partir de A.

7.Centroide e momento de inércia

Resposta: Ix = 220,2 × 10⁶ mm⁴

Seções com furos: trate um furo como uma área negativa. O centroide é ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), com A₁, y₁ para a placa inteira e A₂, y₂ para o furo. Para o momento de inércia da área (segundo momento de área) em torno do eixo que passa pelo centroide, use o teorema dos eixos paralelos para cada parte e subtraia o furo: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), em que d é a distância do centroide próprio de cada parte ao eixo que passa por ȳ. Um retângulo tem Ic = bh³/12 e um círculo Ic = πd⁴/64.

Centroide

ȳ = (30000·150 − 1257·90)/(30000 − 1257) = 152,6 mm

Placa inteira em torno de ȳ

100·300³/12 + 30000·−2,623² = 225,2 × 10⁶ mm⁴

Furo em torno de ȳ

π·40⁴/64 + 1257·−62,62² = 5,054 × 10⁶ mm⁴

Subtraia

Ix = 220,2 × 10⁶ mm⁴

Resposta

Ix = 220,2 × 10⁶ mm⁴
8.Centroide e momento de inércia

Resposta: Mallow = 13,01 kN·m

Áreas compostas: divida a seção em retângulos. O centroide é a média ponderada pelas áreas ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. O momento de inércia em relação ao eixo centroidal soma o bh³/12 próprio de cada parte e seu termo de eixos paralelos A·d², onde d é a distância do centroide da parte ao centroide geral. A tensão de flexão é σ = M·y/I.

Centroide

ȳ = (5000·272,5 + 4680·130)/9680 = 203,6 mm
borda superior: c = 285 − 203,6 = 81,39 mm

Momento de inércia de área

I = 200·25³/12 + 5000·68,89² + 18·260³/12 + 4680·73,61² = 7,571 × 10⁷ mm⁴

Momento admitido por cada borda

Momento positivo: a face superior fica comprimida, a inferior tracionada.

borda superior: M = 90·7,571 × 10⁷/81,39 = 83,72 kN·m
borda inferior: M = 35·7,571 × 10⁷/203,6 = 13,01 kN·m

Valor determinante

Mallow = min = 13,01 kN·m (borda inferior)

Resposta

Mallow = 13,01 kN·m
9.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 39,05 MPa

Transformação do estado plano de tensões: em um plano girado de θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. O círculo de Mohr mostra todos os planos de uma vez: seu centro está em C = (σₓ + σᵧ)/2 e seu raio é R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). As tensões principais são C ± R, e a maior tensão de cisalhamento no plano é R.

στxyCτmax​

Raio do círculo de Mohr

τmax = R = √(((70 − 120)/2)² + 30²) = 39,05 MPa

Resposta

τmax = 39,05 MPa
10.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = 43,63 MPa

Transformação do estado plano de tensões: em um plano girado de θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. O círculo de Mohr mostra todos os planos de uma vez: seu centro está em C = (σₓ + σᵧ)/2 e seu raio é R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). As tensões principais são C ± R, e a maior tensão de cisalhamento no plano é R.

Equação de transformação

σθ = 45 + 15·0,766 + −20·0,6428 = 43,63 MPa

Resposta

σθ = 43,63 MPa
11.Deflexão da viga

Resposta: δ = 4,167 mm

Deflexão de vigas: as deflexões vêm de integrar duas vezes a curvatura M/(EI). Os casos padrão são tabelados, por exemplo PL³/(3EI) para um balanço com carga na ponta e 5wL⁴/(384EI) para uma viga simplesmente apoiada com carga uniforme em todo o vão. Deflexões de cargas separadas se somam (superposição).

Unidades consistentes

Trabalhe em N e mm: P em N, w em N/mm (kN/m = N/mm), L em mm, E em N/mm² (GPa × 1000), I em mm⁴.

w = 15 N/mm, L = 2000 mm
EI = 7,2 × 10¹² N·mm²

Deflexão

δ = wL⁴/(8EI) = 15·2000⁴/(8·7,2 × 10¹²) = 4,167 mm

Resposta

δ = 4,167 mm
12.Deflexão da viga

Resposta: δmax = 45,19 mm

Deflexão de vigas: as deflexões vêm de integrar duas vezes a curvatura M/(EI). Os casos padrão são tabelados, por exemplo PL³/(3EI) para um balanço com carga na ponta e 5wL⁴/(384EI) para uma viga simplesmente apoiada com carga uniforme em todo o vão. Deflexões de cargas separadas se somam (superposição).

Unidades consistentes

Trabalhe em N e mm: P em N, w em N/mm (kN/m = N/mm), L em mm, E em N/mm² (GPa × 1000), I em mm⁴.

P = 17000 N, w = 4 N/mm, L = 5000 mm, EI = 1,7 × 10¹² N·mm²

Cada carga sozinha

δP = PL³/(48EI) = 17000·5000³/(48·1,7 × 10¹²) = 26,04 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·4·5000⁴/(384·1,7 × 10¹²) = 19,15 mm

Some

δmax = 26,04 + 19,15 = 45,19 mm

Resposta

δmax = 45,19 mm
13.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 222,1 kN

Flambagem de Euler: um pilar esbelto fica instável em Pcr = π²EI/(KL)², onde KL é o comprimento efetivo: K = 1 para articulado–articulado, 2 para engastado–livre, 0,7 para engastado–articulado e 0,5 para engastado–engastado. Ele flamba em torno do eixo com o menor I. A fórmula vale para pilares esbeltos, cuja tensão crítica fica abaixo da tensão de escoamento.

Menor momento de inércia

Um retângulo flamba em torno do eixo fraco, usando a menor dimensão ao cubo.

Imin = h·b³/12 = 50·30³/12 = 112500 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,5·2000 = 1000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·112500/1000² = 222066 N = 222,1 kN

Resposta

Pcr = 222,1 kN
14.Flambagem de pilares

Resposta: d = 42,38 mm

Flambagem de Euler: um pilar esbelto fica instável em Pcr = π²EI/(KL)², onde KL é o comprimento efetivo: K = 1 para articulado–articulado, 2 para engastado–livre, 0,7 para engastado–articulado e 0,5 para engastado–engastado. Ele flamba em torno do eixo com o menor I. A fórmula vale para pilares esbeltos, cuja tensão crítica fica abaixo da tensão de escoamento.

Carga crítica necessária

Pcr = n·P = 2·35000 = 70000 N
KL = 0,5·2500 = 1250 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·70000·1250²/(π³·70000))^(1/4) = 42,38 mm

Resposta

d = 42,38 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 118, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

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