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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 = 10 mP1 = 30 kN em 6 mP2 = 60 kN em 9 m
RB = kN
2.Reações de apoio em vigasDifícil
Uma viga composta está engastada na parede em A, tem uma rótula interna em C (a 4 m de A) e se apoia em um apoio móvel em D (a 8 m de A). Ela suporta uma carga concentrada P a 6 m de A, uma carga uniformemente distribuída w em todo o trecho CD. Encontre o módulo do momento de reação MA na parede.
AC = 4 mAD = 8 mP = 80 kN em 6 mw = 2 kN/m de 4 a 8 m
MA = kN·m
3.Esforço cortante e momento fletorMédia
A viga simplesmente apoiada suporta um binário no sentido horário M0 = 55 kN·m em x = 3,5 m a partir de A, e nenhuma outra carga. Encontre o momento fletor Mx logo à esquerda do binário. Use momentos positivos quando tracionam a face inferior e cortante para cima na face esquerda positivo.
L = 6 mM0 = 55 kN·m no sentido horário, em 3,5 m
Mx = kN·m
4.Esforço cortante e momento fletorDifícil
Encontre o momento fletor Mx na seção x = 9 m a partir do apoio A. Use momentos positivos quando tracionam a face inferior e cortante para cima na face esquerda positivo.
L = 10 mP = 25 kN em 9 mw = 3 kN/m de 0 a 10 mx = 9 m
Mx = kN·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 = 8 maltura = 3 mB está a 7 m de Acarga vertical = 35 kN
FAC = kN
6.Treliça: método dos nósDifícil
Exatamente um membro desta treliça não suporta força sob estas cargas. Qual é o membro de força nula? Clique nele no diagrama.
Uma viga simplesmente apoiada suporta uma carga concentrada P a a = 1,5 m do apoio A. Encontre a deflexão δP sob a carga.
P = 26 kNa = 1,5 mL = 6 mE = 200 GPa (aço)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.Deflexão da vigaDifícil
Uma viga simplesmente apoiada suporta uma carga uniformemente distribuída w e uma carga concentrada P no meio do vão. Usando superposição, encontre a deflexão no meio do vão δmax.
P = 2 kNw = 2 kN/mL = 8 mE = 70 GPa (alumínio)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Flambagem de pilaresMédia
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)b × h = 40 × 80 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 110 kN com um fator de segurança de 3 contra flambagem. Encontre o menor diâmetro d.
P = 110 kNn = 3L = 1,5 mE = 70 GPa (alumínio)
d = mm
3Soluções
1.Reações de apoio em vigas
Resposta: RB = 72 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·10 = 30·6 + 60·9
RB = 720/10 = 72 kN
ΣFy = 0: RA = 90 − 72 = 18 kN
Resposta
RB = 72 kN
2.Reações de apoio em vigas
Resposta: MA = 176 kN·m
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. Uma rótula interna não pode transmitir momento fletor, o que dá uma equação adicional: o momento em relação à rótula das forças de qualquer um dos lados é zero.
Trecho CD
A rótula não tem momento, então os momentos em relação a C só no trecho CD devem se equilibrar.
W = 2·4 = 8 kN em 2 m a partir de C
ΣMC = 0: RD·4 = 80·2 + 8·2
RD = 44 kN
VC = 88 − 44 = 44 kN
Trecho AC
A força na rótula VC atua para baixo em AC (igual e oposta à sua ação em CD).
RA = 44 = 44 kN
MA = 44·4 = 176 kN·m
Resposta
MA = 176 kN·m
3.Esforço cortante e momento fletor
Resposta: Mx = −32,08 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 = 55/6 = 9,167 kN (para cima)
RA = −RB = −9,167 kN (para baixo)
Corte logo à esquerda do binário
A parte esquerda contém apenas RA.
Mx = RA·a = −9,167·3,5 = −32,08 kN·m
Resposta
Mx = −32,08 kN·m
4.Esforço cortante e momento fletor
Resposta: Mx = 36 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 = 3·10 = 30 kN, atuando em x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 25·9 + 3·10·5
RB = 375/10 = 37,5 kN
ΣFy = 0: RA = 55 − 37,5 = 17,5 kN
Corte em x = 9 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 = 17,5·9 − 3·9·4,5 = 36 kN·m
Resposta
Mx = 36 kN·m
5.Treliça: método dos nós
Resposta: FAC = 10,21 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·8 = 35·7 → Cy = 30,63 kN
ΣFy = 0: Ay = 35 − 30,63 = 4,375 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 = 3/3,162 = 0,9487, cos γ = 1/3,162 = 0,3162
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).
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 = 26000 N, a = 1500 mm, b = 4500 mm, L = 6000 mm
EI = 4,6 × 10¹² N·mm²
Deflexão sob a carga
δP = Pa²b²/(3EIL) = 26000·1500²·4500²/(3·4,6 × 10¹²·6000) = 14,31 mm
Resposta
δP = 14,31 mm
8.Deflexão da viga
Resposta: δmax = 79,5 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, w = 2 N/mm, L = 8000 mm, EI = 1,61 × 10¹² N·mm²
Cada carga sozinha
δP = PL³/(48EI) = 2000·8000³/(48·1,61 × 10¹²) = 13,25 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·2·8000⁴/(384·1,61 × 10¹²) = 66,25 mm
Some
δmax = 13,25 + 66,25 = 79,5 mm
Resposta
δmax = 79,5 mm
9.Flambagem de pilares
Resposta: Pcr = 93,58 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 = 3·110000 = 330000 N
KL = 2·1500 = 3000 mm
Resolva para o diâmetro
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·330000·3000²/(π³·70000))^(1/4) = 96,74 mm
Resposta
d = 96,74 mm
Verificação: a esbeltez KL/r é 124, então o pilar é esbelto e Euler se aplica.