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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
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.
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.
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.
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
A viga em balanço está engastada na parede em A. Ela suporta uma carga uniformemente distribuída w da parede até 6 m e uma carga concentrada P a 5 m da parede. Encontre o módulo do momento de reação MA na parede.
L = 8 mP = 30 kN em 5 mw = 10 kN/m de 0 a 6 m
MA = kN·m
2.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 3,5 m de A, inclinada a 40° em relação à horizontal, e uma carga vertical Q atua a 2 m de A. Encontre o módulo da força de reação total RA no apoio fixo A.
L = 4 mP = 55 kN em 3,5 m, θ = 40°Q = 10 kN em 2 m
RA = kN
3.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 3 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 = 4 mP = 30 kN em 3 mw = 6 kN/m de 0 a 4 m
MA = kN·m
4.Esforço cortante e momento fletorDifícil
As marcas A a G dividem a viga em seis partes iguais. Em qual marca o momento fletor é maior em valor absoluto, positivo ou negativo? Clique nela no diagrama.
55 kN @ 0 m15 kN @ 6 m30 kN @ 3 m4 kN/m, 1–5 m
1A (x = 0 m)
2B (x = 1 m)
3C (x = 2 m)
4D (x = 3 m)
5E (x = 4 m)
6F (x = 5 m)
7G (x = 6 m)
5.Treliça: método dos nósMédia
Use o método dos nós para encontrar a força FAC na barra AC. Dê tração como positiva e compressão como negativa.
vão = 5 maltura = 3 mB está a 1 m de Acarga vertical = 20 kN
FAC = kN
6.Treliça: método dos nósDifícil
Use o método dos nós para encontrar a força FAC na barra AC. Dê tração como positiva e compressão como negativa.
vão = 4 maltura = 2 mB está a 1 m de Acarga vertical = 25 kNcarga horizontal = 25 kN →
FAC = kN
7.Deflexão da vigaMédia
Uma viga simplesmente apoiada suporta uma carga uniformemente distribuída w em todo o vão. Encontre a deflexão máxima δmax, no meio do vão.
w = 2 kN/mL = 8 mE = 200 GPa (aço)I = 8,5 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.Deflexão da vigaDifícil
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 = 8 kN/mL = 6 mE = 70 GPa (alumínio)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Flambagem de pilaresMédia
Um pilar de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e livre no topo. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.
L = 1 mE = 70 GPa (alumínio)b × h = 40 × 50 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está engastado na base e livre no topo. Ele deve suportar 60 kN com um fator de segurança de 2 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.
P = 60 kNn = 2L = 2 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
3Soluções
1.Reações de apoio em vigas
Resposta: MA = 330 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 distribuída
W = 10·6 = 60 kN, x̄ = 3 m
Momento em relação à parede
MA = P·a + W·x̄ = 30·5 + 60·3 = 330 kN·m
Resposta
MA = 330 kN·m
2.Reações de apoio em vigas
Resposta: RA = 43,17 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.
Componentes de P
Pv = 55·sin 40° = 35,35 kN
Ph = 55·cos 40° = 42,13 kN
Reações
ΣMA = 0: RB·4 = 35,35·3,5 + 10·2 → RB = 35,93 kN
Ay = 35,35 + 10 − 35,93 = 9,419 kN
Ax = Ph = 42,13 kN
Resultante em A
RA = √(42,13² + 9,419²) = 43,17 kN
Resposta
RA = 43,17 kN
3.Esforço cortante e momento fletor
Resposta: MA = −138 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: −30·3 = −90 kN·m
w: −6·4²/2 = −48 kN·m
MA = −90 − 48 = −138 kN·m
Resposta
MA = −138 kN·m
Negativo significa tração na face superior.
4.Esforço cortante e momento fletor
Resposta: B (x = 1 m)
Maior momento fletor: M muda de inclinação onde quer que a força cortante mude, então seus picos ficam onde a força cortante cruza o zero: sob uma carga pontual, dentro de uma carga distribuída ou sobre um apoio de um balanço. No engaste de uma viga em balanço, o momento é maior na parede. Compare o tamanho de M nesses lugares, positivo ou negativo.
Reações de apoio
Tome momentos em torno de um apoio e depois use o equilíbrio das forças verticais.
R1 = 88 kN, R2 = 28 kN
Momento fletor em cada marca
Some os momentos de todas as forças de um lado do corte. O momento que traciona embaixo é positivo, o que traciona em cima é negativo.
MA = 0, MB = −55 kN·m, MC = −24, MD = 3, ME = −4, MF = −15, MG = 0
Resposta
Marca B: MB = −55 kN·m
5.Treliça: método dos nós
Resposta: FAC = 5,333 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.
Reações de apoio
Equilíbrio da treliça inteira. Momentos em relação a A, positivos no sentido anti-horário.
ΣMA = 0: Cy·5 = 20·1 → Cy = 4 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 4 = 16 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.
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 = 25·1 + 25·2 → Cy = 18,75 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − 18,75 = 6,25 kN
ΣFx = 0: Ax = −25 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 = 2/3,606 = 0,5547, cos γ = 3/3,606 = 0,8321
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.
w = 2 N/mm, L = 8000 mm
EI = 1,7 × 10¹² N·mm²
Deflexão
δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·2·8000⁴/(384·1,7 × 10¹²) = 62,75 mm
Resposta
δmax = 62,75 mm
8.Deflexão da viga
Resposta: Ireq = 115,7 × 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) = 5·8·6000⁴/(384·70000·16,67) = 1,157 × 10⁸ mm⁴
Ireq = 115,7 × 10⁶ mm⁴
Resposta
Ireq = 115,7 × 10⁶ mm⁴
9.Flambagem de pilares
Resposta: Pcr = 46,06 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.
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 = 2·60000 = 120000 N
KL = 2·2000 = 4000 mm
Resolva para o diâmetro
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·120000·4000²/(π³·200000))^(1/4) = 66,72 mm
Resposta
d = 66,72 mm
Verificação: a esbeltez KL/r é 239,8, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.