Análise Estrutural: pacote de revisão

Formulários, as principais etapas dos métodos de cada tópico e 10 exercícios, com soluções completas no final.

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1Fórmulas e métodos

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.

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.

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.

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.Reações de apoio em vigasMédia
w = 10 kN/mP = 50 kNABRA​ = ?4 m2 m

A viga em balanço está engastada na parede em A. Ela suporta uma carga uniformemente distribuída w em todo o comprimento e uma carga concentrada P a 4 m da parede. Encontre a reação vertical RA na parede.

L = 6 mP = 50 kN em 4 mw = 10 kN/m de 0 a 6 m
RA = kN
2.Reações de apoio em vigasDifícil
w0​ = 20 kN/mP = 60 kNABMA​ = ?3 m1 m

A viga em balanço está engastada na parede em A. Ela suporta uma carga linearmente variável que vale 20 kN/m na parede e cai até zero na extremidade livre B, além de uma carga concentrada P a 3 m da parede. Encontre o módulo do momento de reação MA na parede.

L = 4 mw0 = 20 kN/mP = 60 kN em 3 m
MA = kN·m
3.Esforço cortante e momento fletorMédia
M0​ = 60 kN·mAB4 m4 m

A viga simplesmente apoiada suporta um binário no sentido horário M0 = 60 kN·m em x = 4 m a partir de A, e nenhuma outra carga. Encontre o momento fletor Mx logo à direita do binário. Use momentos positivos quando tracionam a face inferior e cortante para cima na face esquerda positivo.

L = 8 mM0 = 60 kN·m no sentido horário, em 4 m
Mx = kN·m
4.Esforço cortante e momento fletorDifícil
w = 3 kN/mP = 70 kNAB2,5 m1,5 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 = 4 mP = 70 kN em 2,5 mw = 3 kN/m de 0 a 4 m
Mmax = kN·m
5.Treliça: método dos nósMédia
ABCDEFGH30 kN30 kN25 kN4 × 3 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: 30 kN ↓D: 30 kN ↓H: 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 FC
  13. 13membro HC
6.Treliça: método dos nósDifícil
ABBCACACB10 kN30 kN8 m1 m4 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 = 4 mB está a 1 m de Acarga vertical = 10 kNcarga horizontal = 30 kN →
FAC = kN
7.Deflexão da vigaMédia
P = 3 kNABδ1,5 m1,5 m

Uma viga em balanço de comprimento L está engastada em A e suporta uma carga concentrada P a uma distância a = 1,5 m de A. Encontre a deflexão δB na extremidade livre B.

P = 3 kNa = 1,5 mL = 3 mE = 11 GPa (madeira estrutural)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
8.Deflexão da vigaDifícil
w = 5 kN/mδL = 6 m

Uma viga simplesmente apoiada suporta uma carga uniformemente distribuída w. Sua deflexão não pode passar de vão/360. Encontre o menor momento de inércia Ireq que atende a esse limite.

w = 5 kN/mL = 6 mE = 11 GPa (madeira estrutural)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 4 m25 × 100 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 = 4 mE = 200 GPa (aço)b × h = 25 × 100 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 10 kNL = 1 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está articulado nas duas extremidades. Ele deve suportar 10 kN com um fator de segurança de 2 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 10 kNn = 2L = 1 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm

3Soluções

1.Reações de apoio em vigas

Resposta: RA = 110 kN

Equilíbrio de balanços: um engaste pode empurrar para cima e também impedir a rotação, então dá uma reação vertical RA e um momento de reação MA. ΣFy = 0 dá RA, e os momentos em relação à parede dão MA = Σ(carga × distância até a parede). Uma carga distribuída atua como sua resultante no centroide do diagrama de carga.

Resultante da carga distribuída

W = 10·6 = 60 kN, x̄ = 3 m

Equilíbrio vertical

RA = P + W = 50 + 60 = 110 kN

Resposta

RA = 110 kN
2.Reações de apoio em vigas

Resposta: MA = 233,3 kN·m

Equilíbrio de balanços: um engaste pode empurrar para cima e também impedir a rotação, então dá uma reação vertical RA e um momento de reação MA. ΣFy = 0 dá RA, e os momentos em relação à parede dão MA = Σ(carga × distância até a parede). Uma carga distribuída atua como sua resultante no centroide do diagrama de carga.

Resultante da carga triangular

W = ½·20·4 = 40 kN
x̄ = L/3 = 1,333 m

Momento em relação à parede

MA = W·x̄ + P·a = 40·1,333 + 60·3 = 233,3 kN·m

Resposta

MA = 233,3 kN·m
3.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: Mx = 30 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 = 60/8 = 7,5 kN (para cima)
RA = −RB = −7,5 kN (para baixo)

Corte logo à direita do binário

A parte esquerda agora contém RA e o binário.

Mx = RA·a + M0 = −7,5·4 + 60 = 30 kN·m

Resposta

Mx = 30 kN·m
4.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: Mmax = 71,25 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. 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 = 3·4 = 12 kN, atuando em x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 70·2,5 + 3·4·2
RB = 199/4 = 49,75 kN
ΣFy = 0: RA = 82 − 49,75 = 32,25 kN

Onde V = 0?

V(2,5⁻) = RA − w·2,5 = 24,75 kN
V(2,5⁺) = 24,75 − 70 = −45,25 kN
O cortante muda de sinal na carga, então o máximo fica sob a carga.

Momento máximo

Mmax = RA·2,5 − w·2,5²/2 = 32,25·2,5 − 3·2,5²/2 = 71,25 kN·m

Resposta

Mmax = 71,25 kN·m

Ele ocorre em x = 2,5 m a partir de A.

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).

AB: 27,19 kN (T), BC: 27,19 kN (T), CD: 36,56 kN (T), DE: 36,56 kN (T), FG: 31,88 kN (C), GH: 31,88 kN (C), AF: 45,31 kN (C), HE: 60,94 kN (C), BF: 30 kN (T), CG: 0, DH: 30 kN (T), FC: 7,813 kN (T), HC: 7,813 kN (C)

Resposta

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

Resposta: FAC = 28,44 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.

ABBCACACB10 kN30 kNAy​Cy​Ax​

Reações de apoio

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 10·1 + 30·4 → Cy = 16,25 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − 16,25 = −6,25 kN
ΣFx = 0: Ax = −30 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 = 4/8,062 = 0,4961, cos γ = 7/8,062 = 0,8682
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −16,25/0,4961 = −32,75 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−32,75)·0,8682 = 28,44 kN

Resposta

FAC = 28,44 kN (tração)
7.Deflexão da viga

Resposta: δB = 33,35 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 = 3000 N, a = 1500 mm, L = 3000 mm
EI = 2,53 × 10¹¹ N·mm²

Deflexão na extremidade livre

Deflexão na carga mais a rotação na carga vezes o comprimento restante.

δP = Pa³/(3EI) = 13,34 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0,01334 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 33,35 mm

Resposta

δB = 33,35 mm
8.Deflexão da viga

Resposta: Ireq = 460,2 × 10⁶ mm⁴

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).

Limite de deflexão

δallow = L/360 = 6000/360 = 16,67 mm

Momento de inércia necessário

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·5·6000⁴/(384·11000·16,67) = 4,602 × 10⁸ mm⁴
Ireq = 460,2 × 10⁶ mm⁴

Resposta

Ireq = 460,2 × 10⁶ mm⁴
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 32,78 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

Um retângulo flamba em torno do eixo fraco, usando a menor dimensão ao cubo.

Imin = h·b³/12 = 100·25³/12 = 130208 mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 0,7·4000 = 2800 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·130208/2800² = 32783 N = 32,78 kN

Resposta

Pcr = 32,78 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 27,71 mm

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.

Carga crítica necessária

Pcr = n·P = 2·10000 = 20000 N
KL = 1·1000 = 1000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·20000·1000²/(π³·70000))^(1/4) = 27,71 mm

Resposta

d = 27,71 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 144,3, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

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