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442 RESISTÊI�CI.A DOS MATERIAIS 12.50. Determine a equação da linha elástica. Especifique a inclinação em A . EI é constante. 12.51. Determine a equação da linha elástica. Especifique a deflexão em C. EI é constante. '12.52. Determine a equação da linha elástica. Especifique a inclinação em B. EI é constante. IV Problemas 12.50/51/52 12.53. O eixo é feito de aço e tem diâmetro de 15 mm. De termine sua deflexão máxima. Os mancais em A e B exercem somente reações verticais sobre o eixo. E aço = 200 GPa. Problema 12.53 *1 2 e deslocamento área O método dos momentos de área proporciona uma técnica parcialmente gráfica para determinar a incli nação e o deslocamento em pontos específicos sobre a linha elástica de uma viga ou eixo. A aplicação do método exige o cálculo de áreas associadas ao diagra ma de momento da viga; portanto, se esse diagrama consistir em formas simples, o método é muito conve niente de usar. Normalmente é esse o caso quando a viga é carregada com forças concentradas e momentos conjugados. Para desenvolver o método dos momentos de área, adotaremos as mesmas premissas que usamos para o método da integração: a viga é inicialmente reta, é de formada elasticamente por ação das cargas de modo tal que a inclinação e a deflexão da linha elástica são muito pequenas e as deformações são causadas por flexão. O método dos momentos de área baseia-se em dois teoremas usados para determinar a inclinação e o deslocamento em um ponto sobre a linha elástica. tg B Linha elástica tgA (a) M (b) M EI I M ( El I � �- dx X A B M D. - 1agrama EI (c) Figura 12.21 Teorema 1 . Considere a viga simplesmente apoia da com sua linha elástica associada Figura 12.21a. Um segmento diferencial dx da viga é isolado na Figura 12.21b. Vemos que o momento interno M da viga de forma o elemento de modo tal que as tangentes à linha elástica em cada lado do elemento interceptam-se em um ângulo d(). Esse ângulo pode ser determinado pela Equação 12.10, escrita como d2v d (dv ) EI - = EI- - = M dx2 dx dx Visto que a inclinação é pequena, () = dv!dx e, por tanto, (12.18) Se construirmos o diagrama de momento fletor para a viga e o dividirmos pelo momento de inércia I e pelo módulo de elasticidade E da viga (Figura 12.21c), então a Equação 12.18 indica que de é igual à área sob o 'diagrama MIEI' para o segmento de viga dx. Inte grando entre um ponto A e outro ponto B seleciona dos sobre a linha elástica, temos (12.19) Essa equação configura a base para o primeiro teo rema de momentos de área. O ângulo entre as tangentes em dois pon tos quaisquer sobre a linha elástica é igual à área sob o diagrama MIEI entre esses dois pontos. A notação eEIA é denominada ângulo da tangente em B medido em relação à tangente em A. Pela prova, deve ficar evidente que esse ângulo será medido em sentido anti-horário, da tangente A até a tangente B, se a área sob o diagrama MIE/ for positiva. Ao contrário, se a área for negativa, ou encontrar-se abaixo do eixo x, o ângulo e ElA será medido em sentido horário, da tan gente A até a tangente B. Além disso, pelas dimensões da Equação 12.19, e ElA será medido em radianos. Teorema 2. O segundo teorema dos momentos de área baseia-se no desvio das tangentes em relação à linha elástica. A Figura 12.22a mostra uma vista mui tíssimo ampliada do desvio vertical dt das tangentes de cada lado do elemento diferencial dx. Esse desvio é provocado pela curvatura do elemento e foi medido ao longo de uma reta vertical que passa pelo ponto A localizado sobre a linha elástica. Visto que considera mos que a inclinação da linha elástica e sua deflexão são muito pequenas, é razoável aproximar o compri mento de cada reta tangente por x e o arco ds' por dt. Utilizando a fórmula do arco de círculo s = er, onde r é o comprimento x e s é dt, podemos escrever dt = xde. Substituindo a Equação 12.18 nessa equação e integran do de A a B, o desvio vertical da tangente em A em rela ção à tangente em B pode ser determinado; isto é, (12.20) Visto que o centroide de uma área é determinado por xf dA = Ix dA e f(MIEI)dx representa a área sob o diagrama MI E!, também podemos escrever (12.21) Nessa expressão, x é a distância de A até o centroide da área sob o diagrama MI E! entre A e B (Figura 12.22b ) . Agora, o segundo teorema dos momentos de área pode ser enunciado da seguinte maneira: DEFLEXÃO EM VIGAS E EIXOS 443 O desvio vertical da tangente em um ponto (A) sobre a linha elástica em relação à tangente traçada desde outro ponto (B) é igual ao momento da área sob o diagrama MIEI entre esses dois pontos (A e B). Esse momento é calculado em torno do ponto (A) onde o desvio vertical deve ser determinado. A distância tAlE usada no teorema também pode ser interpretada como o deslocamento vertical desde o ponto localizado na tangente traçada do ponto B ao ponto A sobre a linha elástica. Observe que tAlE não é igual a tElA' o que é mostrado na Figura 12.22c. Espe cificamente, o momento da área sob o diagrama MIEI entre A e B é calculado em torno do ponto A para determinar tAlE (Figura 12.22b ), e em torno do ponto B para determinar tEIA (Figura 12.22c). Se determinarmos o momento de uma área MI E! positiva de A a B para tEIA' ele indica que o ponto B está acima da tangente traçada desde o ponto A (Figura 12.22a.) De maneira semelhante, áreas MI E! negativas indicam que o ponto B está abaixo da tangente traçada desde o ponto A. Essa mesma regra aplica-se para tAlE" _o_tg� fA-x� �dx B tA;E� tg B� M EI (a) r� k'"--------A i�� ___._E � x (b) A tg B , B ,, -- � � � �� M EI tg A I . 1 .. �:------->---A ----l-L x' �----�------E x (c) Figura 12.22 444 RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS O seguinte procedimento fornece um método que pode ser usado para aplicar os dois teoremas de momentos de área. Diagrama MIEI "' Determine as reações no apoio e trace o diagrama MIEI da viga. Se a viga estiver carregada com forças concen tradas, o diagrama MIEI consistirá em uma série de segmentos de reta e as áreas e seus momentos exigidos pelos teorema dos momentos de área serão relativamente fáceis de calcular. Se a carga consistir em uma série de cargas distribuídas, o diagrama MIEI consistirá em curvas parabólicas ou, talvez, de ordens mais altas, e sugerimos que a tabela apresentada no final do livro seja usada para localizar a área e o centroide sob cada curva. Linha elástica " Trace uma vista ampliada da curva da linha elástica da viga. Lembre-se de que os pontos de inclinação e deslocamento nulos sempre ocorrem em um apoio fixo e que em todos os suportes de pinos e roletes ocorre deslocamento nulo. " Se for difícil obter a forma geral da curva da linha elástica, use o diagrama de momento (ou MIEI). Entenda que, quando a viga for submetida a um momento positivo, a flexão resultante será côncava para cima, ao passo que, com momento negativo, a flexão resultante na viga será côncava para baixo .Além disso, um ponto de inflexão ou mudan ça na curvatura ocorre onde o momento na viga (ou MIEI) é nulo . .. O deslocamento e a inclinação desconhecidos a serem determinados devem ser indicados sobre a curva . .. Visto que o teorema dos momentos de área aplica-se somente entre duas tangentes, é preciso dar atenção ao modo como as tangentes devem ser construídas de modo que os ângulos ou desvios entre elas levem à solução do pro blema. A propósito, as tangentes nos apoios devem ser consideradas, visto que o deslocamento e/ou a inclinação nos apoios da viga normalmente é nulo. Teoremas dos momentos de área " Aplique o Teorema 1 para determinar o ângulo entre duas tangentes quaisquer sobre a linha elástica e o Teorema 2 para determinar o desvio tangencial. " O sinal algébrico da resposta pode ser verificado pelo ângulo ou desvio indicado na linha elástica. • Um() BIA positivo representa uma rotação em sentido anti-horário da tangente em B em relação à tangenteem A, e um t BIA positivo indica que o ponto B sobre a linha elástica encontra-se acima da tangente traçada desde o ponto A. Determine a inclinação da viga mostrada na Figura 12.23a nos pontos B e C. EI é constante. p A B f c L L 2 2 (a) M E! L I s ;-lc 2 A PL 2 EI PL E! (b) I A tg B_ �%:�:: es c ec (c) tg C Figma 12.23 X SOLUÇÃO Diagrama MIEI. Veja Figura 12.23b. Curva elástica. A força P provoca deflexão na viga como mostra a Figura 12.23c. (A linha elástica é côncava para bai xo, visto que MIEI é negativo.) As tangentes em B e C são indicadas, já que serão necessárias para determinar 88 e O c. A tangente no apoio (A) também é mostrada. Ela tem uma inclinação conhecida, zero. Pelo desenho, o ângulo entre tg A e tg B, isto é, 8 81A, é equivalente a 8 8, ou Além disso Teorema dos mom,emtos de área. Aplicando o Teorema 1 , 881A é igual à área sob o diagrama MIEI entre os pontos A e B; isto é, Os = 8s;A = (-::J(�) + � (-::J(�) 3PL2 8EI Resposta O sinal negativo indica que a orientação do ângulo medido da tangente em A até a tangente em B é em sentido horário. Isso está de acordo, uma vez que a viga inclina-se para baixo emB. De forma semelhante, a área sob o diagrama MIEI entre os pontos A e C é igual a 80A. Temos 1 ( PL) 8c = 8c;A = l - EI L PL2 2EI Resposta Determine o deslocamento dos pontos B e C da viga mostrada na Figura 12.24a. EI é constante. M EI SOLUÇÃO (a) (b) (c) Figura 12.24 Diagrama MIEI. Veja Figura 12.24b. tgA c tg c linha elástica. O momento conjugado em C provoca a de flexão da viga como mostra a Figura 12.24c. As tangentes em B e C são indicadas já que são necessárias para determinar /:18 e !::.c. A tangente no apoio (A) também é mostrada, uma vez que ela é horizontal. Os deslocamentos exigidos agora podem ser relacionados diretamente com os desvios entre as tangentes em B e A e C e A. Especificamente, 1:18 é igual ao desvio da tg A em relação à tg B; isto é, DEFLEXÃO EM VIGAS E EIXOS 445 Teorema dos momentos de área. Aplicando o Teorema 2, t81A é igual ao momento da área sombreada sob o diagrama MIEI entre A e B calculado em torno do ponto B (o ponto sobre a linha elástica), visto que esse é o ponto no qual o desvio tangencial deve ser determinado. Por consequência, pela Figura 12.24b, l::.s = ts;A = (�)[ (-;; )(�) J = -���2 Resposta Da mesma forma, para tc1A temos de determinar o momento da área sob todo o diagrama MIEI de A a C em torno do ponto C (o ponto sobre a linha elástica) . Temos (L)[( Mo) J M0L2 !::.c = tc;A = Z \- EI (L) = - 2EI Resposta OBSERVAÇÃO: Como ambas as respostas são negativas, elas indicam que os pontos B e C encontram-se abaixo da tangente em A, o que está de acordo com a "Figura 12.24c. Determine a inclinação no ponto C da viga na Figura 12.25a. EI é constante. M EI PL 4 EI p (a) PL I S EI 11------------:::--t---t �-::--c - x (b) e c D C_____,--J _jL ______:::=--=..-�=::._---"',----- tg D (horizontal) tg C Oc;v (c) Figura 12.25 446 RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS SOLUÇÃO Diagrama MIEI. Veja a Figura 12.25b. Linha elástica. Como a carga é aplicada simetricamente à viga, a linha elástica apresenta-se simétrica e a tangente em D , horizontal (Figura 12.25c ). A tangente em C também é desenhada, visto que temos de determinar a inclinação ()c· Pela figura, o ângulo O CID entre as tangentes D e C é igual a O c, isto é, Teorema dos momentos de área. Utilizando o Teorema 1, ()cm é igual à área sombreada sob o diagrama MIEI entre os pontos D e C. Temos ( PL )(L) 1 ( PL PL )(L ) 3PL2 Oc = Oc;v = SEI 4 + 2 4EI - SEI 4 = 64EI Resposta O que o resultado positivo indica? Determine a inclinação no ponto C para a viga de aço na Figura 12.26a. Considere E aço = 200 GPa, I = 17(106)mm4• M El 16 kN ---+-- 4 m ---4- 8 EI (a) (b) 24 EI �. e� . · ·· · · · · · · �T tg B - tg c Oc;A ec 1A (c) tg A Figura 12.26 SOLUÇÃO Diagrama MIEI. Veja a Figura 12.26b. Linha elástica. A linha elástica é mostrada na Figura 12.26c. Mostra-se a tangente em C porque temos de determi nar O c As tangentes nos apoios, A e B, também são traçadas como mostra a figura. O ângulo O elA é aquele entre as tangen tes em A e C. A inclinação em A, O A, na Figura 12.26c, pode ser determinada utilizando-se lO) = ltn1)1L As' Essa equação é válida visto que t BIA é, na realidade, muito pequena, de modo que tEIA medida em metros pode ser aproximada pelo comprimento de um arco de círculo definido por um raio L AB = S m e uma abertura O A em radianos. (Lembre-se de que s = Or.) Pela geometria da Figura 12.26c, temos (1) Observe que o Exemplo 12.9 também poderia ser resolvido por meio desse método. Teorema dos momentos de área. Utilizando o Teorema 1, ()erA equivale à área sob o diagrama MIEI entre os pontos A e C; isto é, 1 ( S kN • m) S kN · m2 Oc;A = 2(2 m) EI = EI Aplicando o Teorema 2, t BIA equivale ao momento da área sob o diagrama MIEI entre B e A em torno do ponto B (o ponto sobre a linha elástica), visto que esse é o ponto onde o desvio tangencial deve ser determinado. Temos ts;A = (2 m + � (6 m)) [� (6 m)C4� · m) ] + G (2 m)) [� (2 m)C4�� · m) ] 320 kN ·m3 EI Substituindo esses resultados na Equação 1, obtemos 320 kN · m2 Oc = (S m)EI S kN · m2 EI 32 kN · m2 EI J Calculamos esse resultado nas unidades kN e m; portanto, convertendo EI para essas unidades, temos Resposta • Determine o deslocamento em C para a viga mostrada na Figura 12.27a. EI é constante. Mo A t lc--1-ló�� 2 2 M EI (a) �: lt-00�-:+.�-��-� �B (b) tg B Figura 12.27 SOLUÇÃO Diagrama MIEI. Veja a Figura 12.27b. X Linha elástica. A tangente em C é desenhada sobre a linha elástica, porque temos que determinar 11c (Figura 12.27c). (Observe que C não é a localização da deflexão máxima da viga, pois a carga e, por consequência, a linha elástica não são simétricas). As tangentes nos apoios A e B também são indicadas na Figura 12.27c. Vemos que 11c = 11' - tC/8• Se tN8 for determinada, 11' pode ser encontrado por triângulos proporcionais, isto é, 11 '/(L/2) = tN81L ou 11' = tNj2. Por consequência, (1) Teorema dos momentos de área. Aplicando o Teorema 2 para determinar tN8 e tc!B' temos tc;n = (�(�) )[�(�)(:e�)] = :�; DEFLEXÃO EM VIGAS E EIXOS 447 Substituindo esses resultados na Equação 1 obtemos Resposta Determine o deslocamento no ponto C para a viga de aço em balanço com projeção mostrada na Figura 12.28a. Considere E aço = 200 GP a, I = 50 x 106 mm4• 25 kN M EI 50 kN (a) 25 kN c 4 m 4 m ------+�-- 4 m � A �------------rB------------�c--x SOLUÇÃO -100 EI (b) (c) Figura 12.28 Diagrama MIEI. Veja a Figura 12.28b. c tg c linha elástica. A carga provoca deflexão na viga como mostra a Figura 12.28c. Temos de determinar 11c. Traçando as tangentes em C e nos apoios A e B, verificamos que 11c = l tC!) - 11' . Todavia, 11' pode ser relacionado com t81A por semelhança de triângulos ; isto é, 11' /8 = lt 81)14 ou 11' = 211 81AI . Por consequência, 448 RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS Teorema dos momentos de área. Aplicando o Teorema 2 para determinar t0A e tsw temos te; A = (4 m)( � (8 m) ( _ 100 :·m )) 1.600 kN· m3 E! tE/A = u (4 m))[� (4 m)( lOO;·m )] = 266,67 kN.m3 E! Por que esses termos são negativos? Substituindo os resulta dos na Equação 1 temos Ll = 1 .600 kN·m3 - 2 ( 266,67 kN·nt ) = 1.066,66 kN·m3 "' c E! E! E! Como os cálculos foram efetuados em unidades métricas (kN e m), temos 1 .066,66 kN ·m\103 mm/m)3 = 106,7 mm t (200 kN/mm2 )f50(106 ) mm4 l Resposta 12.54. Determine a inclinação e a deflexão em C. El é cons tante. 75 kN A Problema 12.54 12.55. Determine a inclinação e a deflexão em B. E! é cons tante. A p · ·���--�--��--�------�' B ��--------------- L ---------------4J I Problema 12.55 ''12,56. Se os mancais exercerem somente reações verticais sobre o eixo,determine a inclinação nos mancais e a deflexão máxima do eixo. E! é constante. A B L L 1--------- 2 ------�+------- 2 --------1 Problema 12.56 12.57. Determine a inclinação em B e a deflexão em C. E! é constante. A p M0 = Pa I l=;:::::;:::;::::;::;;:::=:;==::::;,==::::;::::::;:=::::::::::::;!l B 1--------- a -------4--------- a� Problema 12.57 12.58. Determine a inclinação em C e a deflexão em B. EI é constante. A p Mo = Pa i �------����--------�J s 1-------- a -------1------- a � Pmblema 12.58 12.59. Uma ginasta de 60 kg está em pé no centro da trave (viga) de equilíbrio simplesmente apoiada. Se a trave for fei ta de madeira e tiver a seção transversal mostrada na figura, determine a deflexão máxima. Consideramos que os apoios em A e B são rígidos. Em = 12 GPa. --�+---- 2,7 m � Pmblema 12.59 '"12.60. O eixo é suportado por um mancai de apoio em A, que exerce somente reações verticais sobre o eixo, e por um mancai de encosto em B, que exerce reações horizontais, bem como reações verticais sobre o eixo. Determine a incli nação do eixo nos mancais. El é constante. 400 N A B �2ia lOO mm � 300 m:0 -- N -r-- __L -- 300 mm --1 Problema 12.60 12.61. A viga está sujeita à carga mostrada na figura. De termine a inclinação em A e o deslocamento em C. Consi dere que o apoio em A é um pino e em B, um rolete. EI é constante. p p p Problema 12.61 12.62. A haste é composta por dois eixos para os quais o momento de inércia de AB é I e de BC, 21. Determine a in clinação e a deflexão máximas da haste devido à carga. O módulo de elasticidade é E. p Problema 12.62 12.63. Determine a deflexão e a inclinação em C. EI é cons tante. �-L B c :TI: I Mo L� Problema 12.63 '12.64. Se os mancais em A e B exercerem somente rea ções verticais sobre o eixo, determine a inclinação em A. El é constante. A DEFLEXÃO EM VIGAS E EIXOS 449 a �l� 2a ---+---- a � Problema 12.64 12.65. Se os mancais em A e B exercerem somente reações verticais sobre o eixo, determine a inclinação em C. EI é constante. Mo A Problema 12.65 12.66. Determine a deflexão em C e a inclinação da viga em A, B e C. EI é constante. A B 8 kN·m li----------�--�' 1------� 6 m ----;;;JL;--r-- 3 m� Problema 12.66 12.67. A barra é suportada pelo rolete em C, que permite deslocamento vertical, mas resiste a carga axial e momento. Se ela for submetida à carga mostrada na figura, determine a inclinação e o deslocamento em A. EI é constante. p c Problema 12.67 '''12.68. O acrobata pesa 750 N ( = 75 kg) e está suspenso pe los braços uniformemente no centro da barra alta. Determi ne a tensão de flexão máxima no tubo (barra) e sua deflexão máxima. O tubo é feito de aço L2 e tem diâmetro externo de 25 mm e espessura da parede de 3 mm. 450 RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS A 10,45 mi ------1 0,9 m -��-+--- 0,9 m I Problema 12.68 B 12.69. Determine o valor de a de modo que o deslocamen to em C seja nulo. EI é constante. p p -+--- L -�-----+��- L 2 2 ----1 Problema 12.69 12.70. A viga é feita de um material cerâmico. Para obter seu módulo de elasticidade, ela é submetida às cargas elásticas mostradas na figura. Se o momento de inércia for I e a deflexão máxima medida na viga for �. determine E. Os suportes em A e D exercem somente reações verticais sobre a viga. � T u 1 . • • •• � f------r a -----4� L ��- a=1 Problema 12.70 12.71. Determine a deflexão máxima do eixo. EI é constante. Os mancais exercem somente reações verticais sobre o eixo. p p Problema 12.71 "'12,72. A viga está sujeita à carga P como mostra a figur Determine o valor da força F que deve ser aplicada na e:� tremida de da extensão C de modo que a deflexão em c sej nula. EI é constante. · a F A,----1 _. -'-----_1-'-----------=-- ;:p;;� B -_-_____ ---J..L 1--- a ��+--- a -�-+-�- a� Problema 12.72 12.73. A que distância a os mancais de apoio A e B devem ser colocados de modo que a deflexão no centro do eixo seja igual à deflexão em suas extremidades? Os mancais exercem somente reações verticais sobre o eixo. EI é constante. p p !b_ . . a·-=r·�- L --=E-�; �t ------i 1- a --1 I Problema 12.73 12.74. Determine a inclinação do eixo de aço A-36 de 50 mm de diâmetro nos mancais em A e B. Os mancais exercem somente reações verticais sobre o eixo. 600 N Problema 12.74 12.75. Determine a deflexão máxima do eixo de aço A-36 de 50 mm de diâmetro. As extremidades A e B do eixo estão apoiadas em mancais que exercem somente reações verticais sobre o eixo. 600 N Problema 12.75 '12.76. Determine a inclinação do eixo de aço A-36 de 20 mm de diâmetro nos mancais em A e B. Os mancais exercem somente forças verticais sobre o eixo. 200 mm �-�t- 300 mm -r--- SOO mm --1 D A I c I B 3SO N 800 N Problema 12.76 12.77. Determine o deslocamento do eixo de aço A-36 de 20 mm de diâmetro em D. Os mancais em A e B exercem somente reações verticais sobre o eixo. 1200 mm [-- 300 mm -r--- SOO mm D A I c 3SO N 800 N Problema 12.77 12.78. A viga está sujeita à carga mostrada na figura. Deter mine a inclinação em B e a deflexão em C. EI é constante. Mo Problema 12.78 12.79. Determine a inclinação em B e o deslocamento em C. Os mancais em A e B exercem somente reações verticais sobre o eixo. EI é constante. p p p Problema 12.79 " 12.80. Determine o deslocamento em D e a inclinação em C. Os mancais em A e B exercem somente reações verticais sobre o eixo. EI é constante. p A p DEFLEXÃO EM VIGAS E EIXOS 451 p D B Problema 12.80 12.81. As duas componentes da força agem sobre o pneu do automóvel como mostra a figura. O pneu está fixo ao eixo, que é suportado pelos mancais em A e B. Determine a de flexão máxima do eixo. Considere que os mancais resistem somente a cargas verticais. A resistência ao em puxo no eixo ocorre em C. O eixo tem diâmetro de 32 mm e é feito de aço A-36. Despreze o efeito da carga axial sobre a deflexão. SO mm Problema 12.81 12.82. Determine o deslocamento em D e a inclinação em C. Os mancais em A e B exercem somente reações verticais sobre o eixo. EI é constante. Problema 12.82 12.83. É possível que um dia as vigas feitas de plástico re forçado com fibras substituam as de aço A-36, visto que seu peso é 1/4 das de aço e são resistentes à corrosão. Utilizando a Tabela no Apêndice B, com cradm = 160 MPa e Tadm � 84 MPa, selecione a viga de aço de abas largas mais leve que suportará com segurança os 25 kN de carga e então calcule sua deflexão máxima. Qual seria a deflexão máxima dessa viga, se ela fosse feita de plástico reforçado com fibras com E = 126 GPa e tivesse o mesmo momento de inércia que o p da viga de aço?