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​ = 30 kNABRA​RB​ = ?1 m2 m1 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 = 4 mP1 = 55 kN em 1 mP2 = 30 kN em 3 m
RB = kN
2.Reações de apoio em vigasDifícil
P = 25 kN, 40°Q = 40 kNABRA​ = ?0,5 m3,5 m1 m

A viga simplesmente apoiada tem um apoio fixo em A e um apoio móvel em B. Uma carga P atua a 4 m de A, inclinada a 40° em relação à horizontal, e uma carga vertical Q atua a 0,5 m de A. Encontre o módulo da força de reação total RA no apoio fixo A.

L = 5 mP = 25 kN em 4 m, θ = 40°Q = 40 kN em 0,5 m
RA = kN
3.Esforço cortante e momento fletorMédia
P1​ = 25 kNP2​ = 20 kNABC3 m5 m1,5 m

A viga se apoia em um apoio fixo em A e em um apoio móvel em B e se estende 1,5 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 = 9,5 mP1 = 25 kN em 3 mP2 = 20 kN em 9,5 mapoios em x = 0 e x = 8 m
Mx = kN·m
4.Esforço cortante e momento fletorDifícil
w = 6 kN/mAB2 m2 m2 m

A viga simplesmente apoiada suporta uma carga uniformemente distribuída sobre parte do vão. Encontre a distância x0 de A até a seção onde o momento fletor é máximo.

L = 6 mw = 6 kN/m de 2 a 4 m
x0 = m
5.Treliça: método dos nósMédia
ABCDEFGH35 kN15 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.

B: 35 kN ↓F: 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 BG
  13. 13membro DG
6.Treliça: método dos nósDifícil
ABBCACACB20 kN10 kN5 m4 m3 m

Use o método dos nós para encontrar a força FBC na barra BC. Dê tração como positiva e compressão como negativa.

vão = 5 maltura = 3 mB está a 4 m de Acarga vertical = 20 kNcarga horizontal = 10 kN ←
FBC = kN
7.Deflexão da vigaMédia
P = 20 kNABδ2 m0,5 m

Uma viga em balanço de comprimento L está engastada em A e suporta uma carga concentrada P a uma distância a = 2 m de A. Encontre a deflexão δB na extremidade livre B.

P = 20 kNa = 2 mL = 2,5 mE = 200 GPa (aço)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
8.Deflexão da vigaDifícil
w = 5 kN/mδL = 3 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 = 5 kN/mL = 3 mE = 200 GPa (aço)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Flambagem de pilaresMédia
PL = 4 md = 80 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e articulado no topo. Usando a fórmula de Euler, encontre sua carga crítica de flambagem Pcr.

L = 4 mE = 70 GPa (alumínio)d = 80 mm
Pcr = kN
10.Flambagem de pilaresDifícil
PL = 3 md = 25 mmseção transversal

Um pilar de comprimento L feito de alumínio está engastado na base e articulado no topo. Encontre sua esbeltez e a tensão crítica de flambagem σcr pela fórmula de Euler.

L = 3 mE = 70 GPa (alumínio)d = 25 mm
σcr = MPa

3Soluções

1.Reações de apoio em vigas

Resposta: RB = 36,25 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​ = 30 kNABRA​RB​1 m2 m1 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·4 = 55·1 + 30·3
RB = 145/4 = 36,25 kN
ΣFy = 0: RA = 85 − 36,25 = 48,75 kN

Resposta

RB = 36,25 kN
2.Reações de apoio em vigas

Resposta: RA = 43,64 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 = 25·sin 40° = 16,07 kN
Ph = 25·cos 40° = 19,15 kN

Reações

ΣMA = 0: RB·5 = 16,07·4 + 40·0,5 → RB = 16,86 kN
Ay = 16,07 + 40 − 16,86 = 39,21 kN
Ax = Ph = 19,15 kN

Resultante em A

RA = √(19,15² + 39,21²) = 43,64 kN

Resposta

RA = 43,64 kN
3.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: Mx = 35,63 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·8 = 25·3 + 20·9,5
RB = 265/8 = 33,13 kN
ΣFy = 0: RA = 45 − 33,13 = 11,88 kN

Corte sob P1 e fique com a parte esquerda

Mx = RA·3 = 11,88·3 = 35,63 kN·m

Resposta

Mx = 35,63 kN·m
4.Esforço cortante e momento fletor

Resposta: x0 = 3 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 = 6·2 = 12 kN, atuando em x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 6·2·3
RB = 36/6 = 6 kN
ΣFy = 0: RA = 12 − 6 = 6 kN

Cortante nulo

O esforço cortante começa em RA, fica constante em qualquer trecho descarregado e cai com inclinação w dentro da carga.

RA − w·(x0 − 2) = 0
x0 = 2 + 6/6 = 3 m

Resposta

x0 = 3 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: 37,5 kN (T), BC: 25 kN (T), CD: 25 kN (T), DE: 12,5 kN (T), FG: 37,5 kN (C), GH: 12,5 kN (C), AF: 53,03 kN (C), HE: 17,68 kN (C), BF: 22,5 kN (T), CG: 0, DH: 12,5 kN (T), BG: 17,68 kN (T), DG: 17,68 kN (C)

Resposta

Membro de força nula: CG
6.Treliça: método dos nós

Resposta: FBC = −10,54 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.

ABBCACACB20 kN10 kNAy​Cy​Ax​

Reações de apoio

Equilíbrio da treliça inteira. Momentos em relação a A, positivos no sentido anti-horário.

ΣMA = 0: Cy·5 = 20·4 − 10·3 → Cy = 10 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 10 = 10 kN
ΣFx = 0: Ax = 10 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
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −10/0,9487 = −10,54 kN

Resposta

FBC = −10,54 kN (compressão)
7.Deflexão da viga

Resposta: δB = 6,433 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 = 20000 N, a = 2000 mm, L = 2500 mm
EI = 1,14 × 10¹³ N·mm²

Deflexão na extremidade livre

Deflexão na carga mais a rotação na carga vezes o comprimento restante.

δP = Pa³/(3EI) = 4,678 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0,003509 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 6,433 mm

Resposta

δB = 6,433 mm
8.Deflexão da viga

Resposta: Ireq = 3,164 × 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 = 3000/360 = 8,333 mm

Momento de inércia necessário

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·5·3000⁴/(384·200000·8,333) = 3,164 × 10⁶ mm⁴
Ireq = 3,164 × 10⁶ mm⁴

Resposta

Ireq = 3,164 × 10⁶ mm⁴
9.Flambagem de pilares

Resposta: Pcr = 177,2 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 = 0,7·4000 = 2800 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·2,011 × 10⁶/2800² = 177179 N = 177,2 kN

Resposta

Pcr = 177,2 kN
10.Flambagem de pilares

Resposta: σcr = 6,12 MPa

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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Raio de giração e esbeltez

A = 490,9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490,9) = 6,25 mm
KL = 0,7·3000 = 2100 mm
KL/r = 2100/6,25 = 336

Tensão crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/336² = 6,12 MPa

Resposta

σcr = 6,12 MPa

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