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
100 kNØ3070 GPaØ80/60600 mmδ = ?

Uma haste de aço (diâmetro 30 mm, E = 200 GPa) está dentro de um tubo de alumínio (diâmetro externo 80 mm, diâmetro interno 60 mm, E = 70 GPa). Ambos têm 600 mm de comprimento e são comprimidos juntos entre placas rígidas por 100 kN. Encontre o encurtamento δ.

P = 100 kNbarra: Ø30 mm, E = 200 GPatubo: Ø80/Ø60 mm, E = 70 GPaL = 600 mm
δ = mm
2.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø2570 GPaØ120/60400 mm

Uma haste de aço (diâmetro 25 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 150 MPa) está dentro de um tubo de alumínio (diâmetro externo 120 mm, diâmetro interno 60 mm, E = 70 GPa, tensão admissível 50 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 150 MPatubo: Ø120/Ø60 mm, E = 70 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
3.Torção de eixosMédia
d1​ = 40 mmd2​ = 30 mmT = 400 N·mABC3 m0,5 m

Um eixo maciço escalonado de latão está fixo em A. O trecho AB tem diâmetro 40 mm e comprimento 3 m; o trecho BC tem diâmetro 30 mm e comprimento 0,5 m. Um torque de 400 N·m atua na extremidade livre C. Encontre o ângulo de torção φC da extremidade C, em graus.

T = 400 N·md1 = 40 mm, L1 = 3 md2 = 30 mm, L2 = 0,5 mG = 39 GPa
φC = °
4.Torção de eixosDifícil
do​ = ?20 kW, 500 rpm

Um eixo vazado deve transmitir 20 kW a 500 rpm. Seu diâmetro interno deve ser 0,75 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 60 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

P = 20 kWN = 500 rpmdi/do = 0,75τallow = 60 MPa
do = mm
5.Esforço cortante e momento fletorMédia
35 kN30 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

As marcas A a G dividem a viga em seis partes iguais. Em qual marca o momento fletor é maior em valor absoluto, positivo ou negativo? Clique nela no diagrama.

35 kN @ 2 m30 kN @ 4 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
6.Esforço cortante e momento fletorDifícil
w = 16 kN/mAB5 m3 m

A viga simplesmente apoiada suporta uma carga uniformemente distribuída sobre parte do vão. Encontre a distância x0 de A até a seção onde o momento fletor é máximo.

L = 8 mw = 16 kN/m de 5 a 8 m
x0 = m
7.Centroide e momento de inérciaMédia
280102008xdimensões em mm

Encontre o momento de inércia Ix da seção T em relação ao eixo horizontal x pelo seu centroide.

bf = 280 mmtf = 10 mmtw = 8 mmhw = 200 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
8.Centroide e momento de inérciaDifícil
1603030020xM negativodimensões 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 120 MPa na compressão. Encontre o maior momento fletor negativo Mallow que a viga pode suportar (dê o seu módulo).

bf = 160 mmtf = 30 mmtw = 20 mmhw = 300 mmσt,allow = 35 MPaσc,allow = 120 MPa
Mallow = kN·m
9.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 30σy​ = 90τxy​ = 50MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 30 MPa, σᵧ = 90 MPa e τₓᵧ = 50 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 30 MPaσy = 90 MPaτxy = 50 MPa
τmax = MPa
10.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​ = 120σy​ = −80τxy​ = −60MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 120 MPa, σᵧ = −80 MPa e τₓᵧ = −60 MPa (tração positiva). Calcule a tensão normal σθ em um plano cuja normal está girada 50° no sentido anti-horário a partir do eixo x.

σx = 120 MPaσy = −80 MPaτxy = −60 MPaθ = 50°
σθ = MPa
11.Deflexão da vigaMédia
P = 26 kNABδ1 m1,5 m

Uma viga em balanço de comprimento L está engastada em A e suporta uma carga concentrada P a uma distância a = 1 m de A. Encontre a deflexão δB na extremidade livre B.

P = 26 kNa = 1 mL = 2,5 mE = 200 GPa (aço)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
12.Deflexão da vigaDifícil
w = 12 kN/mAB4 m

Uma viga engastada e apoiada está engastada em A e simplesmente apoiada em B. Ela suporta uma carga uniformemente distribuída w em todo o comprimento. EI é constante. Encontre a reação RB no apoio B.

L = 4 mw = 12 kN/m
RB = kN
13.Flambagem de pilaresMédia
PL = 1,5 m30 × 50 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e articulado no topo. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.

L = 1,5 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 30 × 50 mm
Pcr = kN
14.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 6 md = 25 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está engastado na base e articulado no topo. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 6 mE = 200 GPa (aço)d = 25 mm
σcr = MPa

3Soluções

1.Tensão e deformação axial

Resposta: δ = 0,2032 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·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(80² − 60²)/4 = 2199 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 70·10³·2199 = 2,953 × 10⁸ N

Encurtamento

δ = 100000·600/2,953 × 10⁸ = 0,2032 mm

Resposta

δ = 0,2032 mm
2.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 494,2 kN

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·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(120² − 60²)/4 = 8482 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·490,9 + 70·10³·8482 = 6,919 × 10⁸ N

Deformação governante

ε = min(0,00075, 0,0007143) = 0,0007143 (alumínio)

Maior carga

Pmax = 0,0007143·6,919 × 10⁸ = 494240 N = 494,2 kN

Resposta

Pmax = 494,2 kN
3.Torção de eixos

Resposta: φC = 10,71 °

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.

Momentos polares

J1 = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴
J2 = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴

Torção de cada trecho

T = 400 N·m = 400000 N·mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = 400000·3000/(39000·251327) = 0,1224 rad
φBC = 400000·500/(39000·79522) = 0,06449 rad

Torção total

φC = 0,1224 + 0,06449 = 0,1869 rad = 10,71°

Resposta

φC = 10,71°
4.Torção de eixos

Resposta: do = 36,2 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·500/60 = 52,36 rad/s
T = P/ω = 20000/52,36 = 382 N·m

Diâmetro externo pela tensão admissível

T = 382 N·m = 381972 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,75⁴ = 0,6836
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·381972/(π·60·0,6836)) = 36,2 mm
di = 0,75·36,2 = 27,15 mm

Resposta

do = 36,2 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 31,89 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

5.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: C (x = 4 m)

Maior momento fletor: M muda de inclinação onde quer que a força cortante mude, então seus picos ficam onde a força cortante cruza o zero: sob uma carga pontual, dentro de uma carga distribuída ou sobre um apoio de um balanço. No engaste de uma viga em balanço, o momento é maior na parede. Compare o tamanho de M nesses lugares, positivo ou negativo.

Reações de apoio

Tome momentos em torno de um apoio e depois use o equilíbrio das forças verticais.

R1 = 49,17 kN, R2 = 15,83 kN

Momento fletor em cada marca

Some os momentos de todas as forças de um lado do corte. O momento que traciona embaixo é positivo, o que traciona em cima é negativo.

MA = 0, MB = 98,33, MC = 126,7 kN·m, MD = 95, ME = 63,33, MF = 31,67, MG = 0

Resposta

Marca C: MC = 126,7 kN·m
6.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: x0 = 5,563 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 = 16·3 = 48 kN, atuando em x̄ = 6,5 m
ΣMA = 0: RB·8 = 16·3·6,5
RB = 312/8 = 39 kN
ΣFy = 0: RA = 48 − 39 = 9 kN

Cortante nulo

O esforço cortante começa em RA, fica constante em qualquer trecho descarregado e cai com inclinação w dentro da carga.

RA − w·(x0 − 5) = 0
x0 = 5 + 9/16 = 5,563 m

Resposta

x0 = 5,563 m
7.Centroide e momento de inércia

Resposta: Ix = 16,58 × 10⁶ mm⁴

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.

Divida em dois retângulos

Meça todo y a partir da borda inferior.

mesa: Af = 280·10 = 2800 mm², yf = 200 + 10/2 = 205 mm
alma: Aw = 8·200 = 1600 mm², yw = 200/2 = 100 mm

Centroide

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (2800·205 + 1600·100)/4400 = 166,8 mm

Teorema dos eixos paralelos

mesa: 280·10³/12 + 2800·(205 − 166,8)² = 4,105 × 10⁶ mm⁴
alma: 8·200³/12 + 1600·(100 − 166,8)² = 1,248 × 10⁷ mm⁴
Ix = 4,105 × 10⁶ + 1,248 × 10⁷ = 1,658 × 10⁷ mm⁴ = 16,58 × 10⁶ mm⁴

Resposta

Ix = 16,58 × 10⁶ mm⁴
8.Centroide e momento de inércia

Resposta: Mallow = 38,71 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 = (4800·315 + 6000·150)/10800 = 223,3 mm
borda superior: c = 330 − 223,3 = 106,7 mm

Momento de inércia de área

I = 160·30³/12 + 4800·91,67² + 20·300³/12 + 6000·73,33² = 1,18 × 10⁸ mm⁴

Momento admitido por cada borda

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

borda superior: M = 35·1,18 × 10⁸/106,7 = 38,71 kN·m
borda inferior: M = 120·1,18 × 10⁸/223,3 = 63,38 kN·m

Valor determinante

Mallow = min = 38,71 kN·m (borda superior)

Resposta

Mallow = 38,71 kN·m
9.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 58,31 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 = √(((30 − 90)/2)² + 50²) = 58,31 MPa

Resposta

τmax = 58,31 MPa
10.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: σθ = −56,45 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 = 20 + 100·−0,1736 + −60·0,9848 = −56,45 MPa

Resposta

σθ = −56,45 MPa
11.Deflexão da viga

Resposta: δB = 6,123 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 = 26000 N, a = 1000 mm, L = 2500 mm
EI = 4,6 × 10¹² N·mm²

Deflexão na extremidade livre

Deflexão na carga mais a rotação na carga vezes o comprimento restante.

δP = Pa³/(3EI) = 1,884 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0,002826 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 6,123 mm

Resposta

δB = 6,123 mm
12.Deflexão da viga

Resposta: RB = 18 kN

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). Para uma viga estaticamente indeterminada, retire um apoio redundante e exija que a deflexão ali seja zero (compatibilidade).

Retire o apoio

Sem o apoio a viga é um balanço. Sua extremidade livre defletiria sob a carga.

δload = wL⁴/(8EI)

Compatibilidade no apoio

A força do apoio RB sozinha levanta a extremidade livre em RBL³/(3EI). O apoio mantém B com deflexão zero, então as duas devem se anular. EI se cancela.

RB·L³/(3EI) = wL⁴/(8EI) → RB = 3wL/8 = 3·12·4/8 = 18 kN

Resposta

RB = 18 kN
13.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 70,5 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 = 0,7·1500 = 1050 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·112500/1050² = 70497 N = 70,5 kN

Resposta

Pcr = 70,5 kN
14.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 4,371 MPa

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

Uma seção circular tem o mesmo I em relação a qualquer eixo.

I = πd⁴/64 = π·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 0,7·6000 = 4200 mm
KL/r = 4200/6,25 = 672

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/672² = 4,371 MPa

Resposta

σcr = 4,371 MPa

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