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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 tem um apoio fixo em A e um apoio móvel em B. Encontre a reação vertical de apoio RB.
L = 5 mP1 = 35 kN em 2 mP2 = 10 kN em 3 m
RB = kN
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 m de A, inclinada a 45° em relação à horizontal, e uma carga vertical Q atua a 1 m de A. Encontre o módulo da força de reação total RA no apoio fixo A.
L = 4 mP = 15 kN em 3 m, θ = 45°Q = 35 kN em 1 m
RA = kN
3.Esforço cortante e momento fletorMédia
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. Ela suporta uma carga concentrada P1 entre os apoios e uma carga concentrada P2 em C. Encontre o momento fletor Mx sob a carga P1. Use momentos positivos quando tracionam a face inferior e cortante para cima na face esquerda positivo.
L = 6 mP1 = 50 kN em 2,5 mP2 = 60 kN em 6 mapoios em x = 0 e x = 5 m
Mx = kN·m
4.Esforço cortante e momento fletorDifícil
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 o momento fletor MB no apoio B. Use momentos positivos quando tracionam a face inferior e cortante para cima na face esquerda positivo.
L = 6 mw = 12 kN/m de 0 a 6 mapoios em x = 0 e x = 5 m
MB = 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.
B: 35 kN ↓G: 40 kN ↓H: 25 kN ↓
1membro AB
2membro BC
3membro CD
4membro DE
5membro FG
6membro GH
7membro AF
8membro HE
9membro BF
10membro CG
11membro DH
12membro FC
13membro HC
6.Treliça: método dos nósDifícil
Use o método dos nós para encontrar a força FAB na barra AB. Dê tração como positiva e compressão como negativa.
vão = 6 maltura = 2 mB está a 4 m de Acarga vertical = 30 kNcarga horizontal = 15 kN ←
FAB = kN
7.Deflexão da vigaMédia
Uma viga simplesmente apoiada suporta uma carga concentrada P a a = 3 m do apoio A. Encontre a deflexão δP sob a carga.
P = 30 kNa = 3 mL = 4 mE = 200 GPa (aço)I = 8,5 × 10⁶ mm⁴
δP = 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 = 10 kN/mL = 5 mE = 70 GPa (alumínio)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
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 = 6 mE = 200 GPa (aço)b × h = 30 × 50 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
Um pilar circular maciço de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e livre no topo. Ele deve suportar 95 kN com um fator de segurança de 2 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.
P = 95 kNn = 2L = 3 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
3Soluções
1.Reações de apoio em vigas
Resposta: RB = 20 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.
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·5 = 35·2 + 10·3
RB = 100/5 = 20 kN
ΣFy = 0: RA = 45 − 20 = 25 kN
Resposta
RB = 20 kN
2.Reações de apoio em vigas
Resposta: RA = 30,79 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 = 15·sin 45° = 10,61 kN
Ph = 15·cos 45° = 10,61 kN
Reações
ΣMA = 0: RB·4 = 10,61·3 + 35·1 → RB = 16,7 kN
Ay = 10,61 + 35 − 16,7 = 28,9 kN
Ax = Ph = 10,61 kN
Resultante em A
RA = √(10,61² + 28,9²) = 30,79 kN
Resposta
RA = 30,79 kN
3.Esforço cortante e momento fletor
Resposta: Mx = 32,5 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. A carga do balanço também gera momento em relação a A.
ΣMA = 0: RB·5 = 50·2,5 + 60·6
RB = 485/5 = 97 kN
ΣFy = 0: RA = 110 − 97 = 13 kN
Corte sob P1 e fique com a parte esquerda
Mx = RA·2,5 = 13·2,5 = 32,5 kN·m
Resposta
Mx = 32,5 kN·m
4.Esforço cortante e momento fletor
Resposta: MB = −6 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, incluindo a carga no balanço.
Resultante da carga distribuída: W = w·ℓ = 12·6 = 72 kN, atuando em x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·5 = 12·6·3
RB = 216/5 = 43,2 kN
ΣFy = 0: RA = 72 − 43,2 = 28,8 kN
Corte em B e fique com o balanço
A carga no balanço, w·a, atua a a/2 de B e gera momento negativo sobre o apoio.
MB = −w·a²/2 = −12·1²/2 = −6 kN·m
Resposta
MB = −6 kN·m
5.Treliça: método dos nós
Resposta: membro DH
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 D
CD e DE estão em uma mesma reta e o nó não tem carga. Equilibrar as forças na direção perpendicular a essa reta deixa apenas DH.
ΣF⊥ = 0 → FDH = 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·6 = 30·4 − 15·2 → Cy = 15 kN
ΣFy = 0: Ay = 30 − 15 = 15 kN
ΣFx = 0: Ax = 15 kN
Nó A
Suponha que toda barra está tracionada (puxando para fora do nó). Só AB tem componente vertical em A.
sin α = 2/4,472 = 0,4472
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −15/0,4472 = −33,54 kN
Resposta
FAB = −33,54 kN (compressão)
7.Deflexão da viga
Resposta: δP = 13,24 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 = 30000 N, a = 3000 mm, b = 1000 mm, L = 4000 mm
EI = 1,7 × 10¹² N·mm²
Deflexão sob a carga
δP = Pa²b²/(3EIL) = 30000·3000²·1000²/(3·1,7 × 10¹²·4000) = 13,24 mm
Resposta
δP = 13,24 mm
8.Deflexão da viga
Resposta: Ireq = 83,71 × 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 = 5000/360 = 13,89 mm
Momento de inércia necessário
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·10·5000⁴/(384·70000·13,89) = 8,371 × 10⁷ mm⁴
Ireq = 83,71 × 10⁶ mm⁴
Resposta
Ireq = 83,71 × 10⁶ mm⁴
9.Flambagem de pilares
Resposta: Pcr = 12,59 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 = 2·95000 = 190000 N
KL = 2·3000 = 6000 mm
Resolva para o diâmetro
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·190000·6000²/(π³·70000))^(1/4) = 119,2 mm
Resposta
d = 119,2 mm
Verificação: a esbeltez KL/r é 201,4, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.