Estática: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 12 exercícios, com soluções completas no final.

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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

  1. Escreva todo vetor em componentes; para uma força dada por um módulo e um ângulo, use F·cos θ e F·sin θ.
  2. Para comprimentos e direções use o módulo √(x² + y² + z²) e o vetor unitário a/|a|.
  3. Use o produto escalar para ângulos, projeções, perpendicularidade e trabalho: a·b = |a||b|cos θ.
  4. 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

  1. Desenhe um diagrama de corpo livre e substitua cada apoio por suas reações.
  2. Substitua cada carga distribuída por uma única força no seu centroide.
  3. Tome momentos em relação a um apoio para encontrar a reação no outro.
  4. 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

  1. Encontre as reações de apoio da treliça inteira.
  2. Método dos nós: comece em um nó com no máximo duas forças de barra desconhecidas e use ΣFx = 0 e ΣFy = 0.
  3. 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.
  4. 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

  1. Desenhe a estrutura inteira e encontre as reações de apoio se houver no máximo três incógnitas.
  2. Identifique os membros de duas forças: carregados apenas em dois pinos, sua força atua ao longo da reta entre os pinos.
  3. Desmonte o pórtico e desenhe cada membro separadamente, com forças nos pinos iguais e opostas onde os membros se encontram.
  4. 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

  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)

2Exercícios

1.Vetores: produto escalar e vetorialMédia
xyzab

Encontre a projeção escalar compb a de a = (6, −4, −1) sobre b = (6, −3, 1), isto é, a componente de a na direção de b.

a = (6, −4, −1)b = (6, −3, 1)
compb a =
2.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
xyzABC

Encontre a área A do triângulo de vértices A(4, 3, 4), B(1, 0, −1) e C(−2, 3, 3). As coordenadas estão em metros.

A(4, 3, 4)B(1, 0, −1)C(−2, 3, 3)
A = m²
3.Reações de apoio em vigasMédia
P1​ = 50 kNP2​ = 35 kNABRA​RB​ = ?2,5 m2,5 m1 m

A viga simplesmente apoiada tem um apoio fixo em A e um apoio móvel em B. Encontre a reação vertical de apoio RB.

L = 6 mP1 = 50 kN em 2,5 mP2 = 35 kN em 5 m
RB = kN
4.Reações de apoio em vigasDifícil
w = 10 kN/mP = 40 kNABRA​ = ?RB​2 m1 m2 m

A viga simplesmente apoiada tem um apoio fixo em A e um apoio móvel em B. Encontre a reação vertical de apoio RA.

L = 5 mP = 40 kN em 2 mw = 10 kN/m de 0 a 3 m
RA = kN
5.Treliça: método dos nósMédia
ABCDEFGH35 kN20 kN25 kN4 × 4 m4 m

Exatamente um membro desta treliça não suporta força sob estas cargas. Qual é o membro de força nula? Clique nele no diagrama.

B: 35 kN ↓D: 20 kN ↓F: 25 kN ↓
  1. 1membro AB
  2. 2membro BC
  3. 3membro CD
  4. 4membro DE
  5. 5membro FG
  6. 6membro GH
  7. 7membro AF
  8. 8membro HE
  9. 9membro BF
  10. 10membro CG
  11. 11membro DH
  12. 12membro BG
  13. 13membro DG
6.Treliça: método dos nósDifícil
ABBCACACB60 kN10 kN8 m6 m3 m

Use o método dos nós para encontrar a força FAC na barra AC. Dê tração como positiva e compressão como negativa.

vão = 8 maltura = 3 mB está a 6 m de Acarga vertical = 60 kNcarga horizontal = 10 kN →
FAC = kN
7.Pórticos e máquinasMédia
10 kN6 m4 m0,9 mABCK

O pórtico mostrado tem pinos em A, B e C; A e C estão fixados ao solo a 6 m de distância, e B está a 4 m acima do solo e a 0,9 m à direita de A. Uma carga vertical de 10 kN atua no membro AB em K, a 0,675 m (na horizontal) de A. Encontre a força FBC no membro BC.

P = 10 kNL = 6 mH = 4 mdistância horizontal de A a B = 0,9 mdistância horizontal de A a K = 0,675 m
FBC = kN
8.Pórticos e máquinasDifícil
4 kN0,5 kN2,5 m2 mABC

Uma lança horizontal uniforme AB de peso 0,5 kN está articulada a uma parede em A e sustentada por um cabo de B ao ponto C da parede, 2 m acima de A. Uma carga de 4 kN está pendurada em B. Encontre o módulo da reação no pino A.

W = 4 kNWb = 0,5 kNAB = 2,5 mAC = 2 m
A = kN
9.Esforço cortante e momento fletorMédia
w = 4 kN/mABseção4 m1 m

Encontre o esforço cortante Vx na seção x = 4 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 = 4 kN/m de 0 a 5 mx = 4 m
Vx = kN
10.Esforço cortante e momento fletorDifícil
w = 2 kN/mABC8 m2,5 m

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 = 2 kN/m de 0 a 10,5 mapoios em x = 0 e x = 8 m
Mmax = kN·m
11.Centroide e momento de inérciaMédia
1203022020xdimensões em mm

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

bf = 120 mmtf = 30 mmtw = 20 mmhw = 220 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Centroide e momento de inérciaDifícil
2001018014xM = 10 kN·mdimensões em mm

A seção T é usada como viga com a mesa em cima e suporta um momento fletor positivo de 10 kN·m. Encontre o valor da tensão de flexão σtopo na borda superior.

bf = 200 mmtf = 10 mmtw = 14 mmhw = 180 mmM = 10 kN·m
σtopo = MPa

3Soluções

1.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: compb a = 6,93

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 = 6·6 + (−4)·(−3) + (−1)·1 = 47

Comprimento de b

|b| = √(6² + (−3)² + 1²) = 6,782

Projeção escalar

compb a = a·b/|b| = 47/6,782 = 6,93

Resposta

compb a = 6,93
2.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: A = 16,29 m²

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.

Vetores das arestas

AB = B − A = (−3, −3, −5)
AC = C − A = (−6, 0, −1)

Produto vetorial

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = (−3)·(−1) − (−5)·0 = 3
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = (−5)·(−6) − (−3)·(−1) = 27
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = (−3)·0 − (−3)·(−6) = −18
|AB × AC| = √(3² + 27² + (−18)²) = 32,59

Área do triângulo

A = ½·32,59 = 16,29 m²

Resposta

A = 16,29 m²
3.Reações de apoio em vigas

Resposta: RB = 50 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.

P1​ = 50 kNP2​ = 35 kNABRA​RB​2,5 m2,5 m1 m

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·6 = 50·2,5 + 35·5
RB = 300/6 = 50 kN
ΣFy = 0: RA = 85 − 50 = 35 kN

Resposta

RB = 50 kN
4.Reações de apoio em vigas

Resposta: RA = 45 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.

w = 10 kN/mP = 40 kNABRA​RB​2 m1 m2 m

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.

Resultante da carga distribuída: W = w·ℓ = 10·3 = 30 kN, atuando em x̄ = 1,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 40·2 + 10·3·1,5
RB = 125/5 = 25 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 25 = 45 kN

Resposta

RA = 45 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 C

BC e CD 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).

AB: 50 kN (T), BC: 40 kN (T), CD: 40 kN (T), DE: 30 kN (T), FG: 50 kN (C), GH: 30 kN (C), AF: 70,71 kN (C), HE: 42,43 kN (C), BF: 25 kN (T), CG: 0, DH: 30 kN (T), BG: 14,14 kN (T), DG: 14,14 kN (C)

Resposta

Membro de força nula: CG
6.Treliça: método dos nós

Resposta: FAC = 32,5 kN

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.

ABBCACACB60 kN10 kNAy​Cy​Ax​

Reações de apoio

Equilíbrio da treliça inteira. Momentos em relação a A, positivos no sentido anti-horário.

ΣMA = 0: Cy·8 = 60·6 + 10·3 → Cy = 48,75 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 48,75 = 11,25 kN
ΣFx = 0: Ax = −10 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 = 3/3,606 = 0,8321, cos γ = 2/3,606 = 0,5547
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −48,75/0,8321 = −58,59 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−58,59)·0,5547 = 32,5 kN

Resposta

FAC = 32,5 kN (tração)
7.Pórticos e máquinas

Resposta: FBC = 1,823 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.

Membro de duas forças BC

BC = √(5,1² + 4²) = 6,482 m

Pórtico inteiro: momentos em torno de A

O solo empurra BC em C ao longo de CB; sua componente horizontal passa por A, e só a vertical tem momento.

FBC·(4/6,482)·6 = 10·0,675
FBC = 1,823 kN (compressão)

Resposta

FBC = 1,823 kN
8.Pórticos e máquinas

Resposta: A = 5,318 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.

Tração no cabo

T = (4 + 0,5/2)/0,6247 = 6,803 kN

Componentes em A

Ax = T·cos β = 5,313 kN
Ay = 4 + 0,5 − T·sin β = 0,25 kN

Módulo

A = √(5,313² + 0,25²) = 5,318 kN

Resposta

A = 5,318 kN
9.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: Vx = −6 kN

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 = 4·5 = 20 kN, atuando em x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 4·5·2,5
RB = 50/5 = 10 kN
ΣFy = 0: RA = 20 − 10 = 10 kN
w = 4 kN/mABRA​ = 10RB​ = 10seção4 m1 m

Corte em x = 4 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.

V = RA − (todas as cargas para baixo à esquerda do corte)
Vx = 10 − 4·4 = −6 kN

Resposta

Vx = −6 kN
10.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: Mmax = 13,03 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 = 2·10,5 = 21 kN, atuando em x̄ = 5,25 m
ΣMA = 0: RB·8 = 2·10,5·5,25
RB = 110,3/8 = 13,78 kN
ΣFy = 0: RA = 21 − 13,78 = 7,219 kN

Cortante nulo

RA − w·x0 = 0 → x0 = 7,219/2 = 3,609 m

Momento positivo máximo

Mmax = RA·x0 − w·x0²/2 = RA²/(2w) = 7,219²/(2·2) = 13,03 kN·m

Resposta

Mmax = 13,03 kN·m
11.Centroide e momento de inércia

Resposta: Ix = 48,95 × 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 = 120·30 = 3600 mm², yf = 220 + 30/2 = 235 mm
alma: Aw = 20·220 = 4400 mm², yw = 220/2 = 110 mm

Centroide

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (3600·235 + 4400·110)/8000 = 166,3 mm

Teorema dos eixos paralelos

mesa: 120·30³/12 + 3600·(235 − 166,3)² = 1,729 × 10⁷ mm⁴
alma: 20·220³/12 + 4400·(110 − 166,3)² = 3,167 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,729 × 10⁷ + 3,167 × 10⁷ = 4,895 × 10⁷ mm⁴ = 48,95 × 10⁶ mm⁴

Resposta

Ix = 48,95 × 10⁶ mm⁴
12.Centroide e momento de inércia

Resposta: σtopo = 34,33 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 = 200·10 = 2000 mm², yf = 180 + 10/2 = 185 mm
alma: Aw = 14·180 = 2520 mm², yw = 180/2 = 90 mm

Centroide

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (2000·185 + 2520·90)/4520 = 132 mm

Teorema dos eixos paralelos

mesa: 200·10³/12 + 2000·(185 − 132)² = 5,627 × 10⁶ mm⁴
alma: 14·180³/12 + 2520·(90 − 132)² = 1,126 × 10⁷ mm⁴
Ix = 5,627 × 10⁶ + 1,126 × 10⁷ = 1,688 × 10⁷ mm⁴

Tensão de flexão

A borda superior está a h − ȳ do eixo.

y = 190 − 132 = 57,96 mm
σ = M·y/I = 1 × 10⁷·57,96/1,688 × 10⁷ = 34,33 MPa

Resposta

σtopo = 34,33 MPa

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