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
P1​ = 55 kNP2​ = 40 kNABRA​RB​ = ?3 m3 m2 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 = 8 mP1 = 55 kN em 3 mP2 = 40 kN em 6 m
RB = kN
2.Reações de apoio em vigasDifícil
w = 2 kN/mP = 20 kNABCRB​ = ?4 m1 m1 m4 m

A viga tem um apoio fixo em A e um apoio móvel em B, a 6 m de A, e se estende em balanço além de B até a extremidade livre C. Ela suporta uma carga concentrada P a 4 m de A e uma carga uniformemente distribuída w de 5 m até a extremidade livre em 10 m. Encontre a reação vertical RB, considerando positivo para cima.

AB = 6 mAC = 10 mP = 20 kN em 4 mw = 2 kN/m de 5 a 10 m
RB = kN
3.Esforço cortante e momento fletorMédia
M0​ = 25 kN·mAB5 m1 m

A viga simplesmente apoiada suporta um binário no sentido horário M0 = 25 kN·m em x = 5 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 = 6 mM0 = 25 kN·m no sentido horário, em 5 m
Mx = kN·m
4.Esforço cortante e momento fletorDifícil
w = 10 kN/mABC4 m1 m

A viga se apoia em um apoio fixo em A e em um apoio móvel em B e se estende 1 m além de B, em balanço, até a extremidade livre C. Uma carga uniformemente distribuída w atua em todo o comprimento A–C. Encontre a distância xc de A até o ponto de inflexão entre os apoios (onde o momento fletor muda de sinal).

L = 5 mw = 10 kN/m de 0 a 5 mapoios em x = 0 e x = 4 m
xc = m
5.Treliça: método dos nósMédia
ABCDEFGH25 kN35 kN35 kN4 × 3 m3 m

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 ↓F: 35 kN ↓H: 35 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
ABCDEFGH20 kN10 kN10 kN15 kN15 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: 20 kN ↓C: 10 kN ↓D: 10 kN ↓H: 15 kN ↓H: 15 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
7.Deflexão da vigaMédia
P = 2 kNABδ6 m2 m

Uma viga simplesmente apoiada suporta uma carga concentrada P a a = 6 m do apoio A. Encontre a deflexão δP sob a carga.

P = 2 kNa = 6 mL = 8 mE = 11 GPa (madeira estrutural)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.Deflexão da vigaDifícil
w = 8 kN/mδL = 1,5 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 = 8 kN/mL = 1,5 mE = 11 GPa (madeira estrutural)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 3 md = 80 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de aço está articulado nas duas extremidades. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.

L = 3 mE = 200 GPa (aço)d = 80 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
P = 130 kNL = 4 md = ?seção transversal

Um pilar circular maciço de comprimento L feito de aço está articulado nas duas extremidades. Ele deve suportar 130 kN com um fator de segurança de 2,5 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.

P = 130 kNn = 2,5L = 4 mE = 200 GPa (aço)
d = mm

3Soluções

1.Reações de apoio em vigas

Resposta: RB = 50,63 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​ = 55 kNP2​ = 40 kNABRA​RB​3 m3 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.

ΣMA = 0: RB·8 = 55·3 + 40·6
RB = 405/8 = 50,63 kN
ΣFy = 0: RA = 95 − 50,63 = 44,38 kN

Resposta

RB = 50,63 kN
2.Reações de apoio em vigas

Resposta: RB = 25,83 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 distribuída

W = 2·5 = 10 kN, x̄ = (5 + 10)/2 = 7,5 m

Equilíbrio

Momentos em relação a A, positivos no sentido anti-horário. Depois o equilíbrio das forças verticais.

ΣMA = 0: RB·6 = 20·4 + 10·7,5
RB = 155/6 = 25,83 kN
RA = 30 − 25,83 = 4,167 kN

Resposta

RB = 25,83 kN
3.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: Mx = 4,167 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 = 25/6 = 4,167 kN (para cima)
RA = −RB = −4,167 kN (para baixo)

Corte logo à direita do binário

A parte esquerda agora contém RA e o binário.

Mx = RA·a + M0 = −4,167·5 + 25 = 4,167 kN·m

Resposta

Mx = 4,167 kN·m
4.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: xc = 3,75 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 = 10·5 = 50 kN, atuando em x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·4 = 10·5·2,5
RB = 125/4 = 31,25 kN
ΣFy = 0: RA = 50 − 31,25 = 18,75 kN

Momento nulo

Entre os apoios M(x) = RA·x − w·x²/2. Além de x = 0, ele é zero em x = 2RA/w.

RA·xc − w·xc²/2 = 0
xc = 2·18,75/10 = 3,75 m

Resposta

xc = 3,75 m
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: 41,25 kN (T), BC: 47,5 kN (T), CD: 47,5 kN (T), DE: 53,75 kN (T), FG: 41,25 kN (C), GH: 53,75 kN (C), AF: 58,34 kN (C), HE: 76,01 kN (C), BF: 6,25 kN (T), CG: 0, DH: 18,75 kN (T), BG: 8,839 kN (C), DG: 8,839 kN (T)

Resposta

Membro de força nula: CG
6.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: 8,437 kN (T), BC: 8,437 kN (T), CD: 17,81 kN (T), DE: 17,81 kN (T), FG: 31,88 kN (C), GH: 31,88 kN (C), AF: 39,06 kN (C), HE: 29,69 kN (C), BF: 20 kN (T), CG: 0, DH: 10 kN (T), FC: 14,06 kN (T), HC: 1,563 kN (C)

Resposta

Membro de força nula: CG
7.Deflexão da viga

Resposta: δP = 9,091 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 = 2000 N, a = 6000 mm, b = 2000 mm, L = 8000 mm
EI = 1,32 × 10¹² N·mm²

Deflexão sob a carga

δP = Pa²b²/(3EIL) = 2000·6000²·2000²/(3·1,32 × 10¹²·8000) = 9,091 mm

Resposta

δP = 9,091 mm
8.Deflexão da viga

Resposta: Ireq = 11,51 × 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 = 1500/360 = 4,167 mm

Momento de inércia necessário

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·8·1500⁴/(384·11000·4,167) = 1,151 × 10⁷ mm⁴
Ireq = 11,51 × 10⁶ mm⁴

Resposta

Ireq = 11,51 × 10⁶ mm⁴
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 441 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

Uma seção circular tem o mesmo I em relação a qualquer eixo.

I = πd⁴/64 = π·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Comprimento efetivo

KL = 1·3000 = 3000 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·2,011 × 10⁶/3000² = 440978 N = 441 kN

Resposta

Pcr = 441 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: d = 85,59 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 = 2,5·130000 = 325000 N
KL = 1·4000 = 4000 mm

Resolva para o diâmetro

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·325000·4000²/(π³·200000))^(1/4) = 85,59 mm

Resposta

d = 85,59 mm

Verificação: a esbeltez KL/r é 186,9, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.

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