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
P = ?12600 mm500 mmØ30Ø30δ = 0,2 mm

Uma barra é feita de um trecho de aço (diâmetro 30 mm, comprimento 600 mm, E = 200 GPa) unido topo a topo a um trecho de cobre (diâmetro 30 mm, comprimento 500 mm, E = 120 GPa). Ela é fixa em uma extremidade e puxada na outra. Encontre a carga axial P que a alonga 0,2 mm no total.

trecho 1: aço, Ø30 mm, 600 mm, E = 200 GPatrecho 2: cobre, Ø30 mm, 500 mm, E = 120 GPaδ = 0,2 mm
P = kN
2.Tensão e deformação axialDifícil
P = ?Ø30110 GPaØ100/70300 mm

Uma haste de aço (diâmetro 30 mm, E = 200 GPa, tensão admissível 160 MPa) está dentro de um tubo de bronze (diâmetro externo 100 mm, diâmetro interno 70 mm, E = 110 GPa, tensão admissível 80 MPa). Eles são comprimidos juntos entre placas rígidas. Encontre a maior carga Pmax.

barra: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 160 MPatubo: Ø100/Ø70 mm, E = 110 GPa, σallow = 80 MPa
Pmax = kN
3.Torção de eixosMédia
d = ?T = 750 N·mL = 1 m

Um eixo maciço de latão com 1 m de comprimento suporta um torque de 750 N·m. O ângulo de torção entre suas extremidades não pode passar de 0,5°. Encontre o menor diâmetro d que atende a esse limite.

T = 750 N·mL = 1 mG = 39 GPaφallow = 0,5°
d = mm
4.Torção de eixosDifícil
do​ = ?75 kW, 300 rpm

Um eixo vazado deve transmitir 75 kW a 300 rpm. Seu diâmetro interno deve ser 0,7 vezes o diâmetro externo, e a tensão de cisalhamento não pode passar de 60 MPa. Encontre o menor diâmetro externo do.

P = 75 kWN = 300 rpmdi/do = 0,7τallow = 60 MPa
do = mm
5.Esforço cortante e momento fletorMédia
w = 5 kN/mABseção1 m4 m

Encontre o momento fletor Mx na seção x = 1 m a partir do apoio A. Use momentos positivos quando tracionam a face inferior e cortante para cima na face esquerda positivo.

L = 5 mw = 5 kN/m de 0 a 5 mx = 1 m
Mx = kN·m
6.Esforço cortante e momento fletorDifícil
w = 4 kN/mABC8 m2 m

A viga se apoia em um apoio fixo em A e em um apoio móvel em B e se estende 2 m além de B, em balanço, até a extremidade livre C. Uma carga uniformemente distribuída w atua em todo o comprimento A–C. Encontre a distância xc de A até o ponto de inflexão entre os apoios (onde o momento fletor muda de sinal).

L = 10 mw = 4 kN/m de 0 a 10 mapoios em x = 0 e x = 8 m
xc = m
7.Centroide e momento de inérciaMédia
150 mm150 mm45 mmØ60xIx​ = ?

Uma placa de 150 mm × 150 mm tem um furo circular de diâmetro 60 mm na sua linha de centro vertical, com o centro a 45 mm acima da base. Encontre o momento de inércia da área Ix em torno do eixo horizontal que passa pelo centroide.

b = 150 mmh = 150 mmd = 60 mmcentro do furo: y = 45 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
8.Centroide e momento de inérciaDifícil
2602526014xM = 25 kN·mdimensões em mm

A seção T é usada como viga com a mesa em cima e suporta um momento fletor positivo de 25 kN·m. Encontre a tensão de flexão σbase na borda inferior.

bf = 260 mmtf = 25 mmtw = 14 mmhw = 260 mmM = 25 kN·m
σbase = MPa
9.Círculo de Mohr e transformação de tensõesMédia
σx​ = 140σy​ = 20τxy​ = 30MPa

Um ponto de uma peça carregada tem σₓ = 140 MPa, σᵧ = 20 MPa e τₓᵧ = 30 MPa (tração positiva). Calcule a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

σx = 140 MPaσy = 20 MPaτxy = 30 MPa
τmax = MPa
10.Círculo de Mohr e transformação de tensõesDifícil
σx​τxy​superfície do eixo

Um eixo maciço de diâmetro 25 mm suporta uma força axial de compressão de 170 kN junto com um torque de 400 N·m. Na superfície do eixo, encontre a tensão de cisalhamento máxima no plano τmax.

d = 25 mmF = −170 kNT = 400 N·m
τmax = MPa
11.Deflexão da vigaMédia
w = 15 kN/mδL = 6 m

Uma viga simplesmente apoiada suporta uma carga uniformemente distribuída w em todo o vão. Encontre a deflexão máxima δmax, no meio do vão.

w = 15 kN/mL = 6 mE = 70 GPa (alumínio)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
12.Deflexão da vigaDifícil
w = 12 kN/mP = 23 kNδL = 3 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 = 23 kNw = 12 kN/mL = 3 mE = 11 GPa (madeira estrutural)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
13.Flambagem de pilaresMédia
PL = 5 md = 30 mmseção transversal

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

L = 5 mE = 200 GPa (aço)d = 30 mm
Pcr = kN
14.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 4 md = 60 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está engastado nas duas extremidades. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 4 mE = 200 GPa (aço)d = 60 mm
σcr = MPa

3Soluções

1.Tensão e deformação axial

Resposta: P = 19,73 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

A₁ = 706,9 mm², A₂ = 706,9 mm²

Flexibilidades

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·706,9) = 4,244 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 500/(120000·706,9) = 5,895 × 10⁻⁶ mm/N

Carga

P = 0,2/1,014 × 10⁻⁵ = 19726 N = 19,73 kN

Resposta

P = 19,73 kN
2.Tensão e deformação axial

Resposta: Pmax = 423,3 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·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Rigidez axial combinada

ΣEA = 200·10³·706,9 + 110·10³·4006 = 5,82 × 10⁸ N

Deformação governante

ε = min(0,0008, 0,0007273) = 0,0007273 (bronze)

Maior carga

Pmax = 0,0007273·5,82 × 10⁸ = 423258 N = 423,3 kN

Resposta

Pmax = 423,3 kN
3.Torção de eixos

Resposta: d = 68,83 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.

Momento polar necessário

T = 750 N·m = 750000 N·mm
L = 1 m = 1000 mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φ = 0,5·π/180 = 0,008727 rad
J = TL/(Gφ) = 750000·1000/(39000·0,008727) = 2,204 × 10⁶ mm⁴

Diâmetro

d = (32J/π)1/4 = 68,83 mm

Resposta

d = 68,83 mm

Na prática você arredondaria para o próximo tamanho padrão.

4.Torção de eixos

Resposta: do = 64,37 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·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 75000/31,42 = 2387 N·m

Diâmetro externo pela tensão admissível

T = 2387 N·m = 2,387 × 10⁶ N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0,7⁴ = 0,7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·2,387 × 10⁶/(π·60·0,7599)) = 64,37 mm
di = 0,7·64,37 = 45,06 mm

Resposta

do = 64,37 mm

Um eixo maciço precisaria de d = 58,74 mm; o vazado é um pouco maior, mas muito mais leve.

5.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: Mx = 10 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.

Resultante da carga distribuída: W = w·ℓ = 5·5 = 25 kN, atuando em x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 5·5·2,5
RB = 62,5/5 = 12,5 kN
ΣFy = 0: RA = 25 − 12,5 = 12,5 kN
w = 5 kN/mABRA​ = 12,5RB​ = 12,5seção1 m4 m

Corte em x = 1 m e fique com a parte esquerda

Só aparecem as forças à esquerda do corte. Uma parte da carga distribuída age como uma única força no meio dessa parte.

M = RA·x − (cada carga à esquerda do corte × sua distância até o corte)
Mx = 12,5·1 − 5·1·0,5 = 10 kN·m

Resposta

Mx = 10 kN·m
6.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: xc = 7,5 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, incluindo a carga no balanço.

Resultante da carga distribuída: W = w·ℓ = 4·10 = 40 kN, atuando em x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·8 = 4·10·5
RB = 200/8 = 25 kN
ΣFy = 0: RA = 40 − 25 = 15 kN

Momento nulo

Entre os apoios M(x) = RA·x − w·x²/2. Além de x = 0, ele é zero em x = 2RA/w.

RA·xc − w·xc²/2 = 0
xc = 2·15/4 = 7,5 m

Resposta

xc = 7,5 m
7.Centroide e momento de inércia

Resposta: Ix = 38,64 × 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 = (22500·75 − 2827·45)/(22500 − 2827) = 79,31 mm

Placa inteira em torno de ȳ

150·150³/12 + 22500·−4,312² = 42,61 × 10⁶ mm⁴

Furo em torno de ȳ

π·60⁴/64 + 2827·−34,31² = 3,965 × 10⁶ mm⁴

Subtraia

Ix = 38,64 × 10⁶ mm⁴

Resposta

Ix = 38,64 × 10⁶ mm⁴
8.Centroide e momento de inércia

Resposta: σbase = 81,11 MPa

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 = 260·25 = 6500 mm², yf = 260 + 25/2 = 272,5 mm
alma: Aw = 14·260 = 3640 mm², yw = 260/2 = 130 mm

Centroide

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (6500·272,5 + 3640·130)/10140 = 221,3 mm

Teorema dos eixos paralelos

mesa: 260·25³/12 + 6500·(272,5 − 221,3)² = 1,735 × 10⁷ mm⁴
alma: 14·260³/12 + 3640·(130 − 221,3)² = 5,088 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,735 × 10⁷ + 5,088 × 10⁷ = 6,823 × 10⁷ mm⁴

Tensão de flexão

A borda inferior está a ȳ do eixo.

y = 221,3 mm
σ = M·y/I = 2,5 × 10⁷·221,3/6,823 × 10⁷ = 81,11 MPa

Resposta

σbase = 81,11 MPa
9.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 67,08 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 = √(((140 − 20)/2)² + 30²) = 67,08 MPa

Resposta

τmax = 67,08 MPa
10.Círculo de Mohr e transformação de tensões

Resposta: τmax = 216,8 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.

Tensões na superfície

σ = F/A = −170000/(π·25²/4) = −170000/490,9 = −346,3 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·400000/(π·25³) = 130,4 MPa
στxyCτmax​

Círculo de Mohr

C = σ/2 = −173,2 MPa
R = √((−173,2)² + 130,4²) = 216,8 MPa

Resposta

τmax = 216,8 MPa
11.Deflexão da viga

Resposta: δmax = 63,44 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 = 6000 mm
EI = 3,99 × 10¹² N·mm²

Deflexão

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·15·6000⁴/(384·3,99 × 10¹²) = 63,44 mm

Resposta

δmax = 63,44 mm
12.Deflexão da viga

Resposta: δmax = 19,39 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 = 23000 N, w = 12 N/mm, L = 3000 mm, EI = 1,32 × 10¹² N·mm²

Cada carga sozinha

δP = PL³/(48EI) = 23000·3000³/(48·1,32 × 10¹²) = 9,801 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·12·3000⁴/(384·1,32 × 10¹²) = 9,588 mm

Some

δmax = 9,801 + 9,588 = 19,39 mm

Resposta

δmax = 19,39 mm
13.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 6,407 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

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

I = πd⁴/64 = π·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·5000 = 3500 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/3500² = 6407 N = 6,407 kN

Resposta

Pcr = 6,407 kN
14.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 111 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 0,5·4000 = 2000 mm
KL/r = 2000/15 = 133,3

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/133,3² = 111 MPa

Resposta

σcr = 111 MPa

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