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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
Encontre a projeção escalar compb a de a = (−2, 0, 7) sobre b = (2, 6, 0), isto é, a componente de a na direção de b.
a = (−2, 0, 7)b = (2, 6, 0)
compb a =
2.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
Para a = (−4, 3, −1) e b = (−2, 4, −3), encontre a componente x (a × b)x do produto vetorial a × b.
a = (−4, 3, −1)b = (−2, 4, −3)
(a × b)x =
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 RA.
L = 4 mP1 = 50 kN em 2,5 mP2 = 30 kN em 3 m
RA = kN
4.Reações de apoio em vigasDifícil
A viga simplesmente apoiada tem um apoio fixo em A e um apoio móvel em B. Uma carga P atua a 2,5 m de A, inclinada a 40° em relação à horizontal, e uma carga vertical Q atua a 1,5 m de A. Encontre o módulo da força de reação total RA no apoio fixo A.
L = 4 mP = 40 kN em 2,5 m, θ = 40°Q = 20 kN em 1,5 m
RA = kN
5.Treliça: método dos nósMédia
Use o método dos nós para encontrar a força FBC na barra BC. Dê tração como positiva e compressão como negativa.
vão = 4 maltura = 2 mB está a 3 m de Acarga vertical = 55 kN
FBC = kN
6.Treliça: método dos nósDifícil
Exatamente um membro desta treliça não suporta força sob estas cargas. Qual é o membro de força nula? Clique nele no diagrama.
A alavanca angular mostrada gira em torno do pino O. Uma força vertical de 120 N em A (a 240 mm de O) é equilibrada por uma força horizontal em B (a 150 mm acima de O). Encontre o módulo da reação no pino FO.
F = 120 NOA = 240 mmOB = 150 mm
FO = N
8.Pórticos e máquinasDifícil
O pórtico em A mostrado está apoiado em um pino em A e em um rolete em B, a 2 m de distância. As pernas se encontram no pino C, a 3,6 m de altura, e são ligadas pela barra horizontal DE a 1,8 m. Uma força horizontal de 8 kN para a direita atua em C. Encontre a tração T no tirante.
P = 8 kNAB = 2 maltura de C = 3,6 maltura de DE = 1,8 m
T = kN
9.Esforço cortante e momento fletorMédia
A viga em balanço está engastada em A. Ela suporta uma carga uniformemente distribuída w em todo o comprimento e uma carga concentrada P a 1 m de A. Encontre o momento fletor MA no engaste A. Use momentos positivos quando tracionam a face inferior e cortante para cima na face esquerda positivo.
L = 2,5 mP = 35 kN em 1 mw = 2 kN/m de 0 a 2,5 m
MA = kN·m
10.Esforço cortante e momento fletorDifícil
A viga se apoia em um apoio fixo em A e em um apoio móvel em B e se estende 2,5 m além de B, em balanço, até a extremidade livre C. Uma carga uniformemente distribuída w atua em todo o comprimento A–C. Encontre o momento fletor positivo máximo Mmax entre os apoios.
L = 10,5 mw = 8 kN/m de 0 a 10,5 mapoios em x = 0 e x = 8 m
Mmax = kN·m
11.Centroide e momento de inérciaMédia
Uma placa de 200 mm × 200 mm tem um furo circular de diâmetro 30 mm na sua linha de centro vertical, com o centro a 70 mm acima da base. Encontre o momento de inércia da área Ix em torno do eixo horizontal que passa pelo centroide.
b = 200 mmh = 200 mmd = 30 mmcentro do furo: y = 70 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Centroide e momento de inérciaDifícil
A seção T é usada como viga com a mesa em cima e suporta um momento fletor positivo de 5 kN·m. Encontre o valor da tensão de flexão σtopo na borda superior.
Dot product:a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.
Produto escalar
a·b = (−2)·2 + 0·6 + 7·0 = −4
Comprimento de b
|b| = √(2² + 6² + 0²) = 6,325
Projeção escalar
compb a = a·b/|b| = −4/6,325 = −0,6325
Resposta
compb a = −0,6325
Negativa: a tem uma componente que aponta contra b.
2.Vetores: produto escalar e vetorial
Resposta: (a × b)x = −5
Cross product:a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.
Verificação: a × b é perpendicular aos dois vetores, então o seu produto escalar com a e com b é zero.
3.Reações de apoio em vigas
Resposta: RA = 26,25 kN
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 = 50·2,5 + 30·3
RB = 215/4 = 53,75 kN
ΣFy = 0: RA = 80 − 53,75 = 26,25 kN
Resposta
RA = 26,25 kN
4.Reações de apoio em vigas
Resposta: RA = 37,8 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.
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·4 = 55·3 → Cy = 41,25 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 41,25 = 13,75 kN
Nó C
O apoio móvel dá apenas uma reação vertical, então o nó C tem só duas forças de barra desconhecidas. Suponha ambas tracionadas.
sin γ = 2/2,236 = 0,8944, cos γ = 1/2,236 = 0,4472
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 B
AB e BC estão em uma mesma reta e o nó não tem carga. Equilibrar as forças na direção perpendicular a essa reta deixa apenas BF.
ΣF⊥ = 0 → FBF = 0
Verifique com o método dos nós
Resolver todos os nós dá estas forças nos membros (T = tração, C = compressão).
Máquinas: alicates, alavancas, articulações e grampos transformam uma força de entrada em uma força de saída maior ou de outra direção. Desenhe uma peça como corpo livre e tome momentos em torno do seu pivô: a força no pino sai da equação, e Fin·a = Fout·b dá a vantagem mecânica a/b. A força no pino decorre então de ΣF = 0 na mesma peça. Em uma articulação de joelho, duas barras se encontram em um ângulo raso θ; cada barra é um membro de duas forças, de modo que uma pequena força F na junta cria grandes forças F/(2 sen θ) nas barras e uma força de aperto F/(2 tan θ).
Força em B
Q = 120·240/150 = 192 N
Reação no pino
Ox = 192 N, Oy = 120 N
FO = √(192² + 120²) = 226,4 N
Resposta
FO = 226,4 N
8.Pórticos e máquinas
Resposta: T = 8 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.
Pórtico inteiro: momentos em torno de A
By·2 = 8·3,6
By = 14,4 kN
Perna BC: momentos em torno de C
14,4·1 = T·1,8
T = 8 kN
Resposta
T = 8 kN
Um T positivo significa que o tirante está tracionado, como suposto.
9.Esforço cortante e momento fletor
Resposta: MA = −41,25 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.
Fique com a parte da extremidade livre
P: −35·1 = −35 kN·m
w: −2·2,5²/2 = −6,25 kN·m
MA = −35 − 6,25 = −41,25 kN·m
Resposta
MA = −41,25 kN·m
Negativo significa tração na face superior.
10.Esforço cortante e momento fletor
Resposta: Mmax = 52,11 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, incluindo a carga no balanço.
Resultante da carga distribuída: W = w·ℓ = 8·10,5 = 84 kN, atuando em x̄ = 5,25 m
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 = (40000·100 − 706,9·70)/(40000 − 706,9) = 100,5 mm
Placa inteira em torno de ȳ
200·200³/12 + 40000·−0,5397² = 133,3 × 10⁶ mm⁴
Furo em torno de ȳ
π·30⁴/64 + 706,9·−30,54² = 0,699 × 10⁶ mm⁴
Subtraia
Ix = 132,6 × 10⁶ mm⁴
Resposta
Ix = 132,6 × 10⁶ mm⁴
12.Centroide e momento de inércia
Resposta: σtopo = 7,604 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 = 300·25 = 7500 mm², yf = 160 + 25/2 = 172,5 mm