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1Fórmulas e métodos
Vetores: produto escalar e vetorial
Módulo
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Vetor unitário
û = a/|a|
Componentes a partir de um ângulo
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Produto escalar
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Projeção escalar de a sobre b
a·b/|b|
Trabalho
W = F·d
Produto vetorial
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Áreas
paralelogramo |a × b|, triângulo ½|a × b|
Momento em relação a O
MO = r × F, r = A − O
Volume de um paralelepípedo
V = |a·(b × c)|
Método
Escreva todo vetor em componentes; para uma força dada por um módulo e um ângulo, use F·cos θ e F·sin θ.
Para comprimentos e direções use o módulo √(x² + y² + z²) e o vetor unitário a/|a|.
Use o produto escalar para ângulos, projeções, perpendicularidade e trabalho: a·b = |a||b|cos θ.
Use o produto vetorial para vetores perpendiculares, áreas e momentos: escreva as três componentes com cuidado, mantendo a ordem a × b.
Reações de apoio em vigas
Equilíbrio
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Carga uniforme
resultante w·L no meio da carga
Momento
M = F·d
Método
Desenhe um diagrama de corpo livre e substitua cada apoio por suas reações.
Substitua cada carga distribuída por uma única força no seu centroide.
Tome momentos em relação a um apoio para encontrar a reação no outro.
Use ΣFy = 0 para encontrar a reação restante e confira com uma segunda equação de momentos.
Treliça: método dos nós
Método dos nós
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Método das seções
ΣM = 0 about a cut point
Esforço na barra
positivo = tração, negativo = compressão
Método
Encontre as reações de apoio da treliça inteira.
Método dos nós: comece em um nó com no máximo duas forças de barra desconhecidas e use ΣFx = 0 e ΣFy = 0.
Método das seções: corte a barra de que você precisa e tome momentos em relação a um ponto onde as outras barras desconhecidas se encontram.
Suponha tração; uma resposta negativa significa compressão.
Pórticos e máquinas
Equilíbrio de cada membro
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Membro de duas forças
força ao longo da reta que passa pelos seus dois pinos
Força no pino
iguais e opostas nos dois membros que ele liga
Módulo de uma força no pino
F = √(Fx² + Fy²)
Alavanca, alicate, alavanca angular
Fin·a = Fout·b
Articulação de joelho
Flink = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Carga uniforme
resultante w·L no meio da carga
Método
Desenhe a estrutura inteira e encontre as reações de apoio se houver no máximo três incógnitas.
Identifique os membros de duas forças: carregados apenas em dois pinos, sua força atua ao longo da reta entre os pinos.
Desmonte o pórtico e desenhe cada membro separadamente, com forças nos pinos iguais e opostas onde os membros se encontram.
Para cada membro, tome momentos em torno de um pino com forças desconhecidas e use depois ΣFx = 0 e ΣFy = 0; combine as componentes em um módulo só no final.
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
Encontre as reações de apoio pelo equilíbrio da viga inteira.
Corte a viga na seção de que você precisa e fique com um dos lados.
Esforço cortante: soma das forças verticais daquele lado. Momento fletor: soma dos momentos dessas forças em relação ao corte.
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)
2Exercícios
1.Vetores: produto escalar e vetorialMédia
Uma força constante F = (10, −5, 10) N atua sobre um objeto enquanto ele se move em linha reta do ponto A(5, −4, −1) ao ponto B(5, 2, 4). As coordenadas estão em metros. Encontre o trabalho W realizado pela força.
F = (10, −5, 10) NA(5, −4, −1) mB(5, 2, 4) m
W = J
2.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
Uma força F = (40, −50, 50) N atua no ponto A(0, −4, 2). As coordenadas estão em metros. Encontre a componente x Mx do momento da força em relação a o ponto O(−2, 2, −3).
F = (40, −50, 50) NA(0, −4, 2) mO(−2, 2, −3) m
Mx = N·m
3.Reações de apoio em vigasMédia
A viga simplesmente apoiada tem um apoio fixo em A e um apoio móvel em B. Encontre a reação vertical de apoio RB.
L = 4 mP1 = 35 kN em 2 mP2 = 20 kN em 2,5 m
RB = kN
4.Reações de apoio em vigasDifícil
Uma viga composta está engastada na parede em A, tem uma rótula interna em C (a 3 m de A) e se apoia em um apoio móvel em D (a 8 m de A). Ela suporta uma carga concentrada P a 7 m de A, uma carga uniformemente distribuída w em todo o trecho CD e uma carga concentrada Q a 1 m de A. Encontre a reação RD no apoio móvel.
AC = 3 mAD = 8 mP = 45 kN em 7 mw = 4 kN/m de 3 a 8 mQ = 35 kN em 1 m
RD = kN
5.Treliça: método dos nósMédia
Exatamente um membro desta treliça não suporta força sob estas cargas. Qual é o membro de força nula? Clique nele no diagrama.
B: 15 kN ↓C: 25 kN ↓D: 40 kN ↓
1membro AB
2membro BC
3membro CD
4membro DE
5membro FG
6membro GH
7membro AF
8membro HE
9membro BF
10membro CG
11membro DH
12membro FC
13membro HC
6.Treliça: método dos nósDifícil
Use o método dos nós para encontrar a força FAB na barra AB. Dê tração como positiva e compressão como negativa.
vão = 5 maltura = 4 mB está a 3 m de Acarga vertical = 50 kNcarga horizontal = 5 kN →
FAB = kN
7.Pórticos e máquinasMédia
O pórtico em A mostrado está apoiado em um pino em A e em um rolete em B, a 3 m de distância. As pernas se encontram no pino C, a 2,4 m de altura, e o tirante horizontal DE está a 1 m acima do solo. Uma carga de 20 kN atua em C. Encontre o módulo da força C que o pino C exerce sobre a perna BC.
P = 20 kNAB = 3 maltura de C = 2,4 maltura de DE = 1 m
C = kN
8.Pórticos e máquinasDifícil
A viga AB do suporte de parede mostrado está articulada em A e escorada pela escora CD (C está 1 m abaixo de A). A viga suporta uma carga uniforme de 3 kN/m em todo o seu comprimento e uma carga concentrada de 12 kN na extremidade livre B. Encontre a força FCD na escora.
w = 3 kN/mP = 12 kNAD = 1,2 mAB = 4 mAC = 1 m
FCD = kN
9.Esforço cortante e momento fletorMédia
A viga simplesmente apoiada suporta um binário no sentido horário M0 = 15 kN·m em x = 3,5 m a partir de A, e nenhuma outra carga. Encontre o momento fletor Mx logo à esquerda do binário. Use momentos positivos quando tracionam a face inferior e cortante para cima na face esquerda positivo.
L = 5 mM0 = 15 kN·m no sentido horário, em 3,5 m
Mx = kN·m
10.Esforço cortante e momento fletorDifícil
Encontre o momento fletor Mx na seção x = 7 m a partir do apoio A. Use momentos positivos quando tracionam a face inferior e cortante para cima na face esquerda positivo.
L = 8 mP = 55 kN em 7 mw = 2 kN/m de 0 a 8 mx = 7 m
Mx = kN·m
11.Centroide e momento de inérciaMédia
Um perfil U está com o lado aberto para cima: uma chapa de base de 160 mm de largura com duas abas verticais, com altura total de 160 mm. Base e abas têm todas 10 mm de espessura. Encontre seu momento de inércia Ix em relação ao eixo horizontal x que passa pelo centroide.
b = 160 mmh = 160 mmt = 10 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Centroide e momento de inérciaDifícil
Um perfil I soldado tem mesa superior de 110 × 14 mm, alma de 360 mm de altura e 14 mm de espessura, e mesa inferior de 260 × 10 mm (largura × espessura). Encontre seu momento de inércia Ix em relação ao eixo horizontal x que passa pelo centroide.
Produto escalar:a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, um escalar. Ele dá o ângulo entre dois vetores, cos θ = a·b/(|a|·|b|), e é nulo quando eles são perpendiculares. A projeção escalar de a sobre b é a·b/|b|, e uma força constante F que atua ao longo de um deslocamento d realiza o trabalho W = F·d.
Deslocamento
d = B − A = (5, 2, 4) − (5, −4, −1) = (0, 6, 5) m
Trabalho
W = F·d = 10·0 + (−5)·6 + 10·5 = 20 J
Resposta
W = 20 J
2.Vetores: produto escalar e vetorial
Resposta: Mx = −50 N·m
Produto vetorial:a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) é perpendicular aos dois vetores, e |a × b| = |a|·|b|·sin θ é a área do paralelogramo que eles formam (o triângulo tem metade dela). A ordem importa: b × a = −(a × b). O momento de uma força F aplicada no ponto A em relação ao ponto O é MO = r × F, com r = A − O.
Vetor de posição de O a A
r = A − O = (0, −4, 2) − (−2, 2, −3) = (2, −6, 5) m
Equilíbrio estático: um corpo em repouso tem ΣFx = 0, ΣFy = 0 e ΣM = 0 em relação a qualquer ponto. Tomar momentos em relação a um apoio elimina a reação desse apoio da equação.
Diagrama de corpo livre
Substitua os apoios por forças de reação. Um apoio móvel dá uma reação vertical; com apenas cargas verticais, o apoio fixo também dá uma reação vertical.
Equilíbrio
Momentos em relação a A, positivos no sentido anti-horário. Depois o equilíbrio das forças verticais.
ΣMA = 0: RB·4 = 35·2 + 20·2,5
RB = 120/4 = 30 kN
ΣFy = 0: RA = 55 − 30 = 25 kN
Resposta
RB = 30 kN
4.Reações de apoio em vigas
Resposta: RD = 46 kN
Equilíbrio estático: um corpo em repouso tem ΣFx = 0, ΣFy = 0 e ΣM = 0 em relação a qualquer ponto. Substitua cada carga distribuída pela sua resultante (a sua área) atuando no centroide do diagrama de carga, e tome momentos em relação a um apoio para eliminar a reação desse apoio da equação. Uma rótula interna não pode transmitir momento fletor, o que dá uma equação adicional: o momento em relação à rótula das forças de qualquer um dos lados é zero.
Trecho CD
A rótula não tem momento, então os momentos em relação a C só no trecho CD devem se equilibrar.
W = 4·5 = 20 kN em 2,5 m a partir de C
ΣMC = 0: RD·5 = 45·4 + 20·2,5
RD = 46 kN
VC = 65 − 46 = 19 kN
Resposta
RD = 46 kN
5.Treliça: método dos nós
Resposta: membro CG
Membros de força nula: em um nó, as forças devem se equilibrar em todas as direções. Se um nó não tem carga nem apoio, e dois de seus três membros estão alinhados, então o equilíbrio na direção perpendicular a essa linha envolve apenas o terceiro membro, e portanto sua força é zero. Se apenas dois membros se encontram em um nó sem carga e não estão alinhados, ambos são nulos.
Nó G
FG e GH estão em uma mesma reta e o nó não tem carga. Equilibrar as forças na direção perpendicular a essa reta deixa apenas CG.
ΣF⊥ = 0 → FCG = 0
Verifique com o método dos nós
Resolver todos os nós dá estas forças nos membros (T = tração, C = compressão).
Método dos nós: cada nó de uma treliça está em equilíbrio, então ΣFx = 0 e ΣFy = 0 em cada nó. Comece por um nó com no máximo duas forças de barra desconhecidas. Um resultado negativo significa que a barra está comprimida.
Reações de apoio
Equilíbrio da treliça inteira. Momentos em relação a A, positivos no sentido anti-horário.
ΣMA = 0: Cy·5 = 50·3 + 5·4 → Cy = 34 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 34 = 16 kN
ΣFx = 0: Ax = −5 kN
Nó A
Suponha que toda barra está tracionada (puxando para fora do nó). Só AB tem componente vertical em A.
sin α = 4/5 = 0,8
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −16/0,8 = −20 kN
Resposta
FAB = −20 kN (compressão)
7.Pórticos e máquinas
Resposta: C = 14,66 kN
Pórticos e máquinas: ao contrário de uma treliça, um pórtico contém pelo menos um membro que suporta forças em mais de dois pontos, ou uma carga entre seus pinos. Procure primeiro os membros de duas forças: um membro carregado apenas em dois pinos tem sua força ao longo da reta que passa por eles, de modo que traz uma incógnita, e não duas. Depois use a estrutura inteira para as reações de apoio quando houver no máximo três incógnitas. Por fim, desmonte o pórtico: desenhe cada membro separadamente, com as forças nos pinos iguais e opostas nos dois membros que eles ligam, e escreva ΣFx = 0, ΣFy = 0 e ΣM = 0 para ele. Tomar momentos em torno de um pino elimina da equação as duas componentes da força desse pino.
Força no tirante a partir da perna BC
By = 10 kN
T = 10·1,5/1,4 = 10,71 kN
Componentes da força no pino sobre BC
Cx = T = 10,71 kN, Cy = −By = −10 kN
Módulo
C = √(10,71² + 10²) = 14,66 kN
Resposta
C = 14,66 kN
8.Pórticos e máquinas
Resposta: FCD = 93,72 kN
Pórticos e máquinas: ao contrário de uma treliça, um pórtico contém pelo menos um membro que suporta forças em mais de dois pontos, ou uma carga entre seus pinos. Procure primeiro os membros de duas forças: um membro carregado apenas em dois pinos tem sua força ao longo da reta que passa por eles, de modo que traz uma incógnita, e não duas. Depois use a estrutura inteira para as reações de apoio quando houver no máximo três incógnitas. Por fim, desmonte o pórtico: desenhe cada membro separadamente, com as forças nos pinos iguais e opostas nos dois membros que eles ligam, e escreva ΣFx = 0, ΣFy = 0 e ΣM = 0 para ele. Tomar momentos em torno de um pino elimina da equação as duas componentes da força desse pino.
Resultante da carga uniforme
w·L = 3·4 = 12 kN em 2 m
Momentos em torno de A para a viga
FCD·0,6402·1,2 = 12·2 + 12·4 = 72 kN·m
FCD = 93,72 kN
Resposta
FCD = 93,72 kN
9.Esforço cortante e momento fletor
Resposta: Mx = −10,5 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. Um binário aplicado faz o diagrama de momento fletor saltar do valor do binário.
Reações de apoio
Momentos em relação a A, positivos no sentido anti-horário: RB·L − M0 = 0. Equilíbrio vertical: RA + RB = 0.
RB = M0/L = 15/5 = 3 kN (para cima)
RA = −RB = −3 kN (para baixo)
Corte logo à esquerda do binário
A parte esquerda contém apenas RA.
Mx = RA·a = −3·3,5 = −10,5 kN·m
Resposta
Mx = −10,5 kN·m
10.Esforço cortante e momento fletor
Resposta: Mx = 55,13 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 = 2·8 = 16 kN, atuando em x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 55·7 + 2·8·4
RB = 449/8 = 56,13 kN
ΣFy = 0: RA = 71 − 56,13 = 14,88 kN
Corte em x = 7 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 = 14,88·7 − 2·7·3,5 = 55,13 kN·m
Resposta
Mx = 55,13 kN·m
11.Centroide e momento de inércia
Resposta: Ix = 12,32 × 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 retângulos
Tome a base com a largura total e as duas abas acima dela (altura h − t), para que nada seja contado duas vezes.
base: A1 = 160·10 = 1600 mm², y1 = 5 mm
duas abas: A2 = 2·10·150 = 3000 mm², y2 = 10 + 150/2 = 85 mm
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.