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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 simplesmente apoiada (apoio fixo em A, apoio móvel em B) suporta uma carga linearmente variável que decresce de 6 kN/m em A até zero em B. Uma carga concentrada P também atua a 9 m de A. Encontre a reação vertical de apoio RA.
L = 10 mw0 = 6 kN/mP = 40 kN em 9 m
RA = kN
2.Reações de apoio em vigasDifícil
A viga em balanço está engastada na parede em A. Ela suporta uma carga linearmente variável que vale 6 kN/m na parede e cai até zero na extremidade livre B, além de uma carga concentrada P a 5 m da parede. Encontre o módulo do momento de reação MA na parede.
L = 6 mw0 = 6 kN/mP = 10 kN em 5 m
MA = kN·m
3.Esforço cortante e momento fletorMédia
Encontre o momento fletor Mx na seção x = 3 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 = 5 kN/m de 0 a 5 mx = 3 m
Mx = kN·m
4.Esforço cortante e momento fletorDifícil
A viga simplesmente apoiada suporta uma carga uniformemente distribuída sobre parte do vão. Encontre o momento fletor máximo Mmax na viga.
L = 4 mw = 20 kN/m de 1 a 4 m
Mmax = kN·m
5.Treliça: método dos nósMédia
Exatamente um membro desta treliça não suporta força sob estas cargas. Qual é o membro de força nula? Clique nele no diagrama.
D: 25 kN ↓H: 35 kN ↓
1membro AB
2membro BC
3membro CD
4membro DE
5membro FG
6membro GH
7membro AF
8membro HE
9membro BF
10membro CG
11membro DH
12membro BG
13membro DG
6.Treliça: método dos nósDifícil
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 1 m de Acarga vertical = 35 kNcarga horizontal = 30 kN →
FBC = 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 = 15 kN/mL = 5 mE = 70 GPa (alumínio)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.Deflexão da vigaDifícil
Uma viga simplesmente apoiada suporta duas cargas concentradas iguais P nos terços do vão (a L/3 de cada apoio). Usando superposição, encontre a deflexão no meio do vão δmax.
P = 18 kNL = 4 mE = 200 GPa (aço)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
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 = 3 mE = 200 GPa (aço)b × h = 20 × 100 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 65 kN com um fator de segurança de 3 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.
P = 65 kNn = 3L = 3 mE = 200 GPa (aço)
d = mm
3Soluções
1.Reações de apoio em vigas
Resposta: RA = 24 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.
Resultante da carga triangular
W = ½·6·10 = 30 kN
x̄ = L/3 = 3,333 m
Equilíbrio
Momentos em relação a A, positivos no sentido anti-horário. Depois o equilíbrio das forças verticais.
ΣMA = 0: RB·10 = 30·3,333 + 40·9
RB = 46 kN
RA = 70 − 46 = 24 kN
Resposta
RA = 24 kN
2.Reações de apoio em vigas
Resposta: MA = 86 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 = ½·6·6 = 18 kN
x̄ = L/3 = 2 m
Momento em relação à parede
MA = W·x̄ + P·a = 18·2 + 10·5 = 86 kN·m
Resposta
MA = 86 kN·m
3.Esforço cortante e momento fletor
Resposta: Mx = 15 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.
Reações de apoio
Equilíbrio da viga inteira.
Resultante da carga distribuída: W = w·ℓ = 5·5 = 25 kN, atuando em x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 5·5·2,5
RB = 62,5/5 = 12,5 kN
ΣFy = 0: RA = 25 − 12,5 = 12,5 kN
Corte em x = 3 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.
M = RA·x − (cada carga à esquerda do corte × sua distância até o corte)
Mx = 12,5·3 − 5·3·1,5 = 15 kN·m
Resposta
Mx = 15 kN·m
4.Esforço cortante e momento fletor
Resposta: Mmax = 35,16 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 = 20·3 = 60 kN, atuando em x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·4 = 20·3·2,5
RB = 150/4 = 37,5 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 37,5 = 22,5 kN
Cortante nulo
O esforço cortante começa em RA, fica constante em qualquer trecho descarregado e cai com inclinação w dentro da carga.
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).
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 = 35·1 + 30·2 → Cy = 23,75 kN
ΣFy = 0: Ay = 35 − 23,75 = 11,25 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 = 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 = 15 N/mm, L = 5000 mm
EI = 2,52 × 10¹² N·mm²
Deflexão
δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·15·5000⁴/(384·2,52 × 10¹²) = 48,44 mm
Resposta
δmax = 48,44 mm
8.Deflexão da viga
Resposta: δmax = 8,889 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 = 18000 N, L = 4000 mm
EI = 4,6 × 10¹² N·mm²
Uma carga em L/3
δ₁ = Pb(3L² − 4b²)/(48EI), b = L/3 = 1333 mm
δ₁ = 4,444 mm
Some as duas cargas
δmax = 2·δ₁ = 23PL³/(648EI) = 8,889 mm
Resposta
δmax = 8,889 mm
9.Flambagem de pilares
Resposta: Pcr = 29,84 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 = 3·65000 = 195000 N
KL = 2·3000 = 6000 mm
Resolva para o diâmetro
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·195000·6000²/(π³·200000))^(1/4) = 92,26 mm
Resposta
d = 92,26 mm
Verificação: a esbeltez KL/r é 260,1, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.