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 o ângulo θ entre os vetores a = (−4, 4, 0) e b = (4, −6, −3), em graus.

a = (−4, 4, 0)b = (4, −6, −3)
θ = °
2.Vetores: produto escalar e vetorialDifícil
xyzrFOA

Uma força F = (−20, 20, 60) N atua no ponto A(−2, 2, −3). As coordenadas estão em metros. Encontre o módulo |M| do momento da força em relação a o ponto O(−1, −1, 2).

F = (−20, 20, 60) NA(−2, 2, −3) mO(−1, −1, 2) m
|M| = N·m
3.Reações de apoio em vigasMédia
P = 80 kNM = 15 kN·mABRB​ = ?3 m6 m1 m

A viga simplesmente apoiada tem um apoio fixo em A e um apoio móvel em B. Ela suporta uma carga concentrada P a 9 m de A e um binário anti-horário M a 3 m de A. Encontre a reação vertical RB, considerando positivo para cima.

L = 10 mP = 80 kN em 9 mM = 15 kN·m (anti-horário) em 3 m
RB = kN
4.Reações de apoio em vigasDifícil
w = 6 kN/mP = 45 kNABRA​ = ?RB​1 m1,5 m1,5 m1 m

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

L = 5 mP = 45 kN em 2,5 mw = 6 kN/m de 1 a 4 m
RA = kN
5.Treliça: método dos nósMédia
ABBCACACB60 kN5 m2 m4 m

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

vão = 5 maltura = 4 mB está a 2 m de Acarga vertical = 60 kN
FAC = kN
6.Treliça: método dos nósDifícil
ABBCACACB35 kN5 kN8 m1 m3 m

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

vão = 8 maltura = 3 mB está a 1 m de Acarga vertical = 35 kNcarga horizontal = 5 kN →
FBC = kN
7.Pórticos e máquinasMédia
10 kN0,8 m1,2 m1 mABCD

Uma viga horizontal AB está articulada a uma parede em A e escorada pela escora CD, articulada à parede em C, 1 m abaixo de A. Uma carga de 10 kN está pendurada em B. Despreze os pesos. Encontre o módulo da força A no pino sobre a viga em A.

P = 10 kNAD = 0,8 mAB = 2 mAC = 1 m
A = kN
8.Pórticos e máquinasDifícil
10 kN3 m2 m1,6 mABCDE

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 3,6 m de altura, e são ligadas pela barra horizontal DE a 2 m. Uma força horizontal de 10 kN para a direita atua em C. Encontre a tração T no tirante.

P = 10 kNAB = 3 maltura de C = 3,6 maltura de DE = 2 m
T = kN
9.Esforço cortante e momento fletorMédia
P1​ = 65 kNP2​ = 60 kNAB5 m1 m2 m

A viga simplesmente apoiada suporta duas cargas concentradas. Encontre o momento fletor máximo Mmax na viga.

L = 8 mP1 = 65 kN em 5 mP2 = 60 kN em 6 m
Mmax = kN·m
10.Esforço cortante e momento fletorDifícil
w = 10 kN/mP = 60 kNAB7 m1 m

A viga simplesmente apoiada suporta uma carga uniformemente distribuída w em todo o vão e uma carga concentrada P. Encontre o momento fletor máximo Mmax na viga.

L = 8 mP = 60 kN em 7 mw = 10 kN/m de 0 a 8 m
Mmax = kN·m
11.Centroide e momento de inérciaMédia
2401522012xdimensões em mm

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

bf = 240 mmtf = 15 mmtw = 12 mmhw = 220 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Centroide e momento de inérciaDifícil
3001520020xM positivodimensões em mm

Uma viga de ferro fundido tem a seção T mostrada, com a mesa em cima. As tensões admissíveis são 50 MPa na tração e 90 MPa na compressão. Encontre o maior momento fletor positivo Mallow que a viga pode suportar.

bf = 300 mmtf = 15 mmtw = 20 mmhw = 200 mmσt,allow = 50 MPaσc,allow = 90 MPa
Mallow = kN·m

3Soluções

1.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: θ = 154,9 °

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 = (−4)·4 + 4·(−6) + 0·(−3) = −40

Módulos

|a| = √((−4)² + 4² + 0²) = 5,657
|b| = √(4² + (−6)² + (−3)²) = 7,81

Ângulo

cos θ = −40/(5,657·7,81) = −0,9054
θ = arccos(−0,9054) = 154,9°

Resposta

θ = 154,9°
2.Vetores: produto escalar e vetorial

Resposta: |M| = 325 N·m

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.

Vetor de posição de O a A

r = A − O = (−2, 2, −3) − (−1, −1, 2) = (−1, 3, −5) m

Momento M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 3·60 − (−5)·20 = 280 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−5)·(−20) − (−1)·60 = 160 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−1)·20 − 3·(−20) = 40 N·m

Módulo

|M| = √(280² + 160² + 40²) = 325 N·m

Resposta

|M| = 325 N·m
3.Reações de apoio em vigas

Resposta: RB = 70,5 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.

Momentos em relação a A

Anti-horário positivo.

ΣMA = 0: RB·10 − 80·9 + 15 = 0
RB = 705/10 = 70,5 kN

Equilíbrio vertical

RA = 80 − 70,5 = 9,5 kN

Resposta

RB = 70,5 kN

Uma reação negativa atua para baixo.

4.Reações de apoio em vigas

Resposta: RA = 31,5 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 = 6 kN/mP = 45 kNABRA​RB​1 m1,5 m1,5 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.

Resultante da carga distribuída: W = w·ℓ = 6·3 = 18 kN, atuando em x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 45·2,5 + 6·3·2,5
RB = 157,5/5 = 31,5 kN
ΣFy = 0: RA = 63 − 31,5 = 31,5 kN

Resposta

RA = 31,5 kN
5.Treliça: método dos nós

Resposta: FAC = 18 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 kNAy​Cy​

Reações de apoio

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

ΣMA = 0: Cy·5 = 60·2 → Cy = 24 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 24 = 36 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 = 4/5 = 0,8, cos γ = 3/5 = 0,6
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −24/0,8 = −30 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−30)·0,6 = 18 kN

Resposta

FAC = 18 kN (tração)
6.Treliça: método dos nós

Resposta: FBC = −15,87 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.

ABBCACACB35 kN5 kNAy​Cy​Ax​

Reações de apoio

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 35·1 + 5·3 → Cy = 6,25 kN
ΣFy = 0: Ay = 35 − 6,25 = 28,75 kN
ΣFx = 0: Ax = −5 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 = 3/7,616 = 0,3939, cos γ = 7/7,616 = 0,9191
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −6,25/0,3939 = −15,87 kN

Resposta

FBC = −15,87 kN (compressão)
7.Pórticos e máquinas

Resposta: A = 25 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 na escora

FCD = 10·2/(0,7809·0,8) = 32,02 kN

Componentes em A

Ax = FCD·cos α = 20 kN (em direção à parede)
Ay = 10 − FCD·sin α = −15 kN

Módulo

A = √(20² + −15²) = 25 kN

Resposta

A = 25 kN

Um Ay negativo significa que a parede puxa a viga para baixo em A.

8.Pórticos e máquinas

Resposta: T = 11,25 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·3 = 10·3,6
By = 12 kN

Perna BC: momentos em torno de C

12·1,5 = T·1,6
T = 11,25 kN

Resposta

T = 11,25 kN

Um T positivo significa que o tirante está tracionado, como suposto.

9.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: Mmax = 196,9 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.

ΣMA = 0: RB·8 = 65·5 + 60·6
RB = 685/8 = 85,63 kN
ΣFy = 0: RA = 125 − 85,63 = 39,38 kN

Momento sob cada carga

Fique com a parte à esquerda de cada carga.

sob P1: M = RA·5 = 39,38·5 = 196,9 kN·m
sob P2: M = RB·2 = 85,63·2 = 171,3 kN·m

Maior valor

Mmax = 196,9 kN·m (sob P1)

Resposta

Mmax = 196,9 kN·m
10.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: Mmax = 112,8 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.

Resultante da carga distribuída: W = w·ℓ = 10·8 = 80 kN, atuando em x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 60·7 + 10·8·4
RB = 740/8 = 92,5 kN
ΣFy = 0: RA = 140 − 92,5 = 47,5 kN

Onde V = 0?

RA − w·x0 = 0 → x0 = 47,5/10 = 4,75 m

Momento máximo

Mmax = RA·x0 − w·x0²/2 = 47,5·4,75 − 10·4,75²/2 = 112,8 kN·m

Resposta

Mmax = 112,8 kN·m

Ele ocorre em x = 4,75 m a partir de A.

11.Centroide e momento de inércia

Resposta: Ix = 31,74 × 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 = 240·15 = 3600 mm², yf = 220 + 15/2 = 227,5 mm
alma: Aw = 12·220 = 2640 mm², yw = 220/2 = 110 mm

Centroide

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (3600·227,5 + 2640·110)/6240 = 177,8 mm

Teorema dos eixos paralelos

mesa: 240·15³/12 + 3600·(227,5 − 177,8)² = 8,964 × 10⁶ mm⁴
alma: 12·220³/12 + 2640·(110 − 177,8)² = 2,278 × 10⁷ mm⁴
Ix = 8,964 × 10⁶ + 2,278 × 10⁷ = 3,174 × 10⁷ mm⁴ = 31,74 × 10⁶ mm⁴

Resposta

Ix = 31,74 × 10⁶ mm⁴
12.Centroide e momento de inércia

Resposta: Mallow = 12,07 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 = (4500·207,5 + 4000·100)/8500 = 156,9 mm
borda superior: c = 215 − 156,9 = 58,09 mm

Momento de inércia de área

I = 300·15³/12 + 4500·50,59² + 20·200³/12 + 4000·56,91² = 3,789 × 10⁷ mm⁴

Momento admitido por cada borda

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

borda superior: M = 90·3,789 × 10⁷/58,09 = 58,71 kN·m
borda inferior: M = 50·3,789 × 10⁷/156,9 = 12,07 kN·m

Valor determinante

Mallow = min = 12,07 kN·m (borda inferior)

Resposta

Mallow = 12,07 kN·m

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