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502 RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS 13.72. A coluna de comprimento intermediário sofre ftam- *1 3 bagem quando a resistência à compressão é 280 MPa. Se o Projeto col u nas índice de esbeltez for 60, determine o módulo tangente. *13.73. Construa a curva de ftambagem, PIA em relação a Lh; para uma coluna cuja curva tensão-deformação é bilinear sob compressão, como mostra a figura. (I' (MPa) 126 1-------, 91 f-------- "-li/_::-f=----=-"=:------- E (mm/mm) 0,002 0,005 Problema 13.73 *13.74. Construa a curva de ftambagem, PIA em relação a Lh; para uma coluna cuja curva tensão-deformação bilinear sob compressão como mostra a figura. (I' (MPa) 350 1--------, '--' /--------'-----'----------- E (mmjmm) 0,001 0,005 Problema 13.74 "13.75. Construa a curva de ftambagem, PIA em relação a Lh; para uma coluna cuja curva tensão-deformação é bili near sob compressão como mostra a figura. A coluna está presa por pinos em ambas as extremidades. (I' (MPa) 260 ii----�. 140 "---L---_i_ ___ E (mm/mm) 0,001 0,004 Problema 13.75 A teoria apresentada até aqui se aplica a colunas perfeitamente retas, feitas de material homogêneo e em seu estado original, livres de tensão. Porém, na prá� tica, como já dissemos, não existem colunas perfeita mente retas, e a maioria delas tem tensões residuais que se devem principalmente a resfriamento não uni forme durante a fabricação. Além disso, os apoios para colunas não são muito exatos e os pontos de aplicação e direções das cargas não são conhecidos com certeza absoluta. Para compensar esses efeitos que, ademais, variam de uma coluna para outra, muitos códigos e manuais de projeto especificam a utilização de fórmu las empíricas para colunas. Os resultados de testes ex perimentais realizados em grande número de colunas com carga axial podem ser representados em gráfico e, a partir desses gráficos, é possível desenvolver uma fórmula de projeto ajustando-se uma curva às médias dos dados. Um exemplo desses testes para colunas de aço de abas largas é mostrado na Figura 13.23. Observe a se melhança entre esses resultados e os obtidos para a família de curvas, determinados pela fórmula da se cante (Figura 13.18b ). A razão dessa semelhança tem a ver com a influência de um índice de excentricidade 'acidental' sobre a resistência da coluna. Como afirma mos na Seção 13.4, esse índice provoca um efeito mais acentuado sobre a resistência de colunas curtas ou de comprimento intermediário do que sobre a resistência de colunas longas. Os testes indicaram que ech·2 pode variar na faixa de 0,1 a 0,6 para a maioria das colunas com carga axial. Fórmula ele Euler (Equação 13.6) ·. Coluna curta Coluna intermediária Coluna longa Figura 13.23 Para levar em conta o comportamento de colunas de comprimentos diferentes, os códigos e manuais de projeto especificam várias fórmulas que se ajustarão melhor aos dados que se encontram dentro de cada uma das faixas de colunas curtas, intermediárias e longas. Por consequência, cada fórmula será aplicável somente a uma faixa específica de índices de esbeltez e, por isso, é importante que o engenheiro observe cuidadosamente os limites KL/r para os quais uma determinada fórmula é válida. A seguir, discutiremos exemplos de fórmulas de projeto para colunas de aço, alumínio e madeira em uso atualmente. O objetivo é dar uma ideia de como as colunas são projetadas na prática. Todavia, essas fórmulas não devem ser usadas para o projeto de colunas reais, a menos que os respec tivos códigos de referência sejam consultados. Colunas de aço. Atualmente, as colunas feitas de aço estrutural são projetadas com base em fórmulas propostas pelo Structural Stability Research Council (SSRC). Fatores de segurança foram aplicados a essas fórmulas e adotados como especificações para a cons trução de edifícios pelo American Institute of Steel Construction (AISC) . Basicamente, essas especifica ções nos dão duas fórmulas para projeto de colunas e cada uma delas nos dá a tensão admissível máxima na coluna para uma faixa específica de índices de esbel tez. Para colunas longas, propõe-se a fórmula de Euler, isto é, O' • = 1r2 E!(KL/r)2• max A aplicação dessa fórmula requer um fator de se- gurança FS = 23/12 = 1 ,92. Assim, para projeto, (KL ) KL - s - s 200 r c r (13.21) Como dissemos, essa equação é aplicável a um ín dice de esbeltez limitado por 200 e (KL/r)c. Obtemos um valor específico de (KL!r)c, desde que a fórmula de Euler seja usada somente para material de com portamento elástico. Por meio de testes experimentais constatou-se que seções de aço laminado podem exibir tensões residuais de compressão, cujos valores podem chegar à metade da tensão de escoamento. Por con sequência, se a tensão na fórmula de Euler for maior do que 1/20'0, a equação não será aplicável. Portanto, o valor de (KL/r)c pode ser determinado da seguinte maneira: (KLjr)/ (13 .22) FLAMBAGEM DE COLUNAS 503 CTadm (J'e 0,6 /"" (Equação 13.23) 0,261 f--------. / (Equação 13.21) o�----�-------------- KL (K�) I c Figura 13.24 r Colunas com índices de esbeltez menores que (KL!r)c são projetadas com base em uma fórmula empírica pa rabólica cuja forma é [ (KL/r? J O'máx = 1 - 2(KLjr)c2 (]' e Como há maior incerteza na utilização dessa fór mula para colunas mais longas, ela é dividida por um fator de segurança definido da seguinte maneira: 5 3 (KLjr) FS = 3 + 8 (KLjr)c (KL/r? 8(KLjr)c3 Vemos, nessa expressão, que FS = 5/3 = 1 ,67 em KL = O e aumenta até FS = 23/12 = 1 ,92 em (KL!r) . r c Por consequência, para a finalidade de projeto [ (KL/rf J 1 2 (J'e 2(KL/r), (J'adm = (5/3) + [(3/S)(KL/r)/(KL/r)c] - [ (KL/r)3/8(KL/r)/] (13 .23) A Figura 13.24 mostra a representação gráfica das equações 13.21 e 13.23. Colunas de alumínio. O projeto de colunas de alu mínio estrutural é especificado pela Aluminum Associa tion usando três equações, cada uma aplicável a uma faixa específica de índices de esbeltez. Visto que existem vários tipos de liga de alumínio, há um conjunto de fórmulas ex clusivo para cada um. Para uma liga comum (2014-T6) usada na construção de edifícios, as fórmulas são KL O'adm = 195 MPa O s - S 12 r (13.24) O'adm = [214,5 - 1 ,628 ( �� )] MPa 12 < �� < 55 (13.25) (]' = 378.125 MPa 55 :::; KL adm (KL/rf r (13.26) 504 RESISTÊNCiA DOS MATERIAIS Ciadm (MPa) (Equação 1 3.24) (Equação 13 .26) O L-�-------�--------------- KL 12 55 Figura 13.25 A Figura 13.25 mostra a representação gráfica des sas equações. Como se vê, as duas primeiras represen tam linhas retas e são usadas para modelar os efeitos de colunas nas faixas curta e intermediária. A tercei ra fórmula tem a mesma forma da de Euler e é usada para colunas longas. Colunas de madeira . Colunas de madeira usa das em construção são projetadas com base nas fór mulas publicadas pela National Forest Products Asso ciation (NFPA) ou pelo American Institute of Timber Construction (AITC) . Por exemplo, as fórmulas NFPA para a tensão admissível em colunas curtas, interme diárias e longas com seção transversal retangular de dimensões b e d, onde d é a menor dimensão da seção transversal, são O"adm 8,25 MPa Análise da coluna O :::::; KL :::::; 11 d (13 .27) Ci adm (MPa) ..... L(Equação 1 3.27) 8'25 · ·· · ··· ·· (Equação 1 3 .28) 5,50 1 ,4872 13 .29) O L_ __ __J._ ______ __j__ _____ ___J.__ KL 50 d 1 1 26 Figma 13.26 (}" = 8 25 [1 - 1_(KL/d)2 ] MPa adm ' 3 26,0 KL 11 < - :S 26 d (13 .28) O"adm 3 .781 MPa 26 < KL :::::; SO (KL/df d (13 .29) Aqui, a madeira tem módulo de elasticidade Em = 12,4(103)MPa e tensão de compressão de 8.25 MPa paralela à fibra. Em particular, a Equação 13 .29 é simplesmente a de Euler com um fator de segurança 3. A Figura 13 .26 mostra a representação gráfica dessas três equações. • Quando usar qualquer fórmula para analisar uma coluna, isto é, determinar sua carga admissível, cm primeiro lugarnecessíta-se calcular o índice de esbeltez para determinar qual das fórmulas de coluna aplicar. " Uma vez calculada a tensão admissível média, a carga admissível na coluna é determinada por P = uadmA. Projeto da coluna " Se usarmos uma fórmula para projetar uma coluna, isto é, para determinar a área de sua seção transversal para uma carga específica e um comprimento efetivo específico, em geral será necessário seguir um procedimento ele tenta tiva e erro, se a forma da coluna for composta como no caso de uma seção de abas largas. " Um modo possível de aplicar um procedimento de tentativa e erro seria considerar que a área da seção transversal da coluna é A ' e calcular a tensão correspondente 0"1 = PIA ' . Para determinar a tensão admissível uadm' use A' em uma fórmula de projeto adequada. Com isso, calcule a área exigida da coluna, Areq = Plu,ctm' ., Se A' > A,eq' o projeto é seguro. Ao fazer a comparação, torna-se prático adotar um valor de A' próxin10, porém maior que o de A,eq' normalmente dentro de uma faixa de 2 a 3%. Se A' < A,eq' será necessário fazer um novo pro jeto . ., Sempre que um processo de tentativa e erro for repetido, a escolha de uma área é determinada pela área exigida cal culada anteriormente. Na prática da engenharia, esse método de projeto é normalmente abreviado com a utilização de códigos computacionais ou tabelas e gráficos publicados. Um elemento estrutural W250 x 149 de aço A-36 é usado como uma coluna apoiada por pinos (Figura 13.27). Usando as fórmulas de projeto do AISC, determine a maior carga que ele pode suportar com segurança. E aço = 200(103) MPa, (J'e = 250 MPa. y SOLUÇÃO p p Figura 13.27 y A tabela no Apêndice B apresenta os seguintes dados para um W250 x 149: A = 19.000 mm2 r, = 117 mm rY = 67,4 mm FLAMBAGEM DE COLUNAS 505 A carga admissível P na coluna é, portanto, p 110,85 N/mm2 19.000 mm2 P = 2.106.150 N = 2.106 kN Resposta A haste de aço na Figura 13.28 deve ser usada para su portar uma carga axial de 80 kN. Se E aço = 210(103) MPa e (J'e = 360 MPa, determine o menor diâmetro da haste per mitido pela especificação AISC. A haste está engastada em ambas as extremidades. d Figma 13.28 SOLUÇÃO Para uma seção transversal circular, o raio de giração torna-se (1/4)-rr (d/2)4 (1/4)7Td2 d 4 Visto que K = 1 para flambagem em ambos os eixos x e y, o Aplicando a Equação 13.22, temos índice de esbeltez será o maior de todos, se usarmos r e. Logo, KL = 1(5 m)(l .OOO mm/m) = 74 18 r (67,4 mm) ' Pela Equação 13.22, temos (��l = � ,-------- 27T2 (200)(103 ) MPa 250 MPa = 125,66 Aqui, O < KL!r < (KL!r)c, portanto, a Equação 13 .23 é aplicável. [1 _ (KL/r)2 J rr 2(KL/r)� e rractm = {(5/3) + [(3/8)(KL/r)/(KL/r)c l - [(KL r)3 !8(KL/,J3]) [1 - (74,18)2 /2(125,66)2 ]250 MPa {(5/3) + [(3/8)(74,18/125,66)] - [(74,18)3 / 8(125,66)3]) = 110,85 MPa 27T2 [210(103) MPa] = 107 3 360 MPa ' Como o raio de giração da haste é desconhecido, KL!r é desco nhecido e, portanto, temos de escolher se a Equação 13.21 ou a Equação 13.23 é aplicável. Consideraremos a Equação 13.21. Para uma coluna de extremidades engastadas K = 0,5, portanto, Use 127T2 E <Tactm = 23(KL/r)2 80(103 ) N 127T2[210(103 ) N/mm2 ] (1/4)7Td2 - 23[0,5(5000 mm)/(d/4)f 101,86 X 103 = 0,0108d2 mm d2 d = 55,42 mm d = 56 mm Resposta 506 RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS Para esse projeto, temos de verificar os limites do índice de esbeltez, isto é, KL 0,5(5)(1 .000) - = = 179 r (56/4) Visto que 107,3 < 179 < 200, a utilização da Equação 13.21 é adequada. Uma barra com 750 mm de comprimento é usada para suportar uma carga de compressão axial de 60 kN (Figura 13 .29) . A barra é apoiada por pinos nas extremidades e é feita de liga de alumínio 2014-T6. Determine as dimensões da área da seção transversal, se a largura for duas vezes a espessura. 60 kN X y 75ü mm r 60 kN Figma 13.29 SOLUÇÃO Como KL = 750 mm é o mesmo para a fiambagem em am bos os eixos x-x e y-y, o maior índice de esbeltez é determi nado pelo menor raio de giração, isto é, usando /mrn = IY: KL KL 1(750) 2.598,1 -ç- = �Iy/A = �(1/12)2b(b3 )/[2b(b)] - -b- (1) Aqui, temos de aplicar a Equação 13.24, 13.25 ou 13.26. Visto que ainda não conhecemos o índice de esbeltez, começare mos usando a Equação 13.24. p 2 - = 195 N/mm A 60(103 ) N = 195 N/mmz 2b(b) b = 12,40 mm Verificando o índice de esbeltez, temos KL = 2.598,1 = 209 5 > 12 r 12,40 ' Tente a Equação 13.26, que é válida para KL!r 2: 55: Pela Equação 1 , P 378.125 MPé A (KL/r)2 60(103 ) - 378.125 2b(b) - (2.598,1/bi b = 27,05 mm K� = 2598,1 = 96,0 > 55 r 27,05 Resposta OK OBSERVAÇÃO: Seria satisfatório escolher a seção transver sal com dimensóes 27 mm por 54 mm. Uma tábua com seção transversal de 150 mm por 40 mm é usada para suportar uma carga axial de 20 kN (Figura 13.30) . Se considerarmos que ela é suportada por pinos no topo e na base, determine seu maior comprimento admissí vel L como especificado pela NFPA. 20 kN 20 kN Figura 13.30 y SOLUÇÃO Por inspeção, a tábua sofrerá fiambagem em torno do eixo y. Nas equações da NFPA, d = 40 mm. Considerando que a Equação 13.29 é aplicável, temos Aqui, P 3.781 MPa A (KL/d)2 (150 mm)(40 mm) 3.781 MPa (1 L/40 mm)2 KL d L = 1 .336 mm (1)1.336 mm = 33 4 40 mm ' Visto que 26 < KL!d :S 50, a solução é válida. Resposta 13.76. Determine o maior comprimento de uma haste de aço estrutural A-36, se ela estiver engastada e sujeita a uma carga axial de 100 kN. A haste tem diâmetro de 50 mm. Use as equações AIS C. 13.77. Determine o maior comprimento de uma seção W250 x 18 de aço estrutural A-36, se ela estiver engastada e sujeita a uma carga axial de 140 kN. Use as equações AISC. 13.78. Determine o maior comprimento de uma coluna W310 x 67 de aço estrutural A-36, se ela estiver apoiada por pinos e for submetida a uma carga axial de 1 .000 kN. Use as equações AIS C. ''13,79. Determine o maior comprimento de uma seção W200 x 46 de aço estrutural A-36, se ela estiver apoiada por pinos e sujeita a uma carga axial de 400 kN. Use as equações AIS C. 13.80. Usando as equações AISC, verifique se uma coluna W150 x 14 de aço estrutural A-36 com 3 m de comprimento pode suportar uma carga axial de 200 kN. As extremidades estão engastadas. 13.81. Usando as equações AISC, selecione no Apêndice B a coluna de aço estrutural de menor peso que tenha 4,2 m de comprimento e suporte uma carga axial de 200 kN. As extre midades estão presas por pinos. Adote O' c = 350 MPa. 13.82. Usando as equações AISC, selecione no Apêndice B a coluna de aço estrutural A-36 de menor peso que tenha 3,6 m de comprimento e suporte uma carga axial de 200 kN. As extremidades estão engastadas. Considere O' e = 350 MPa. ' 13.83. Usando as equações AISC, selecione no Apêndice B a coluna de aço estrutural A-36 de menor peso que tenha 4,2 m de comprimento e suporte uma carga axial de 200 kN. As extremidades estão engastadas. FLAMOAGEM DE COLUNAS 507 13.84. Usando as equações AISC, selecione no Apêndice B a coluna de aço estrutural A-36 de menor peso que tenha 9 m de comprimento e suporte uma carga axial de 1 .000 kN. As extremidades estão engastadas. 13.85. Determine o maior comprimento de uma seção W200 x 46 de aço estrutural A-36, se for suportada por pinos e estiver sujeita a uma carga axial de 90 kN. Use as equações AIS C. 13.86. Determine o maior comprimento de uma coluna W150 x 22 de aço estrutural A-36, se for suportada por pinos e estiver sujeita a uma carga axial de 350 kN. Use as equa çõesAISC. '13.87. A barra é feita de liga de alumínio 2014-T6. Deter mine sua espessura b, se a largura for 5b. Considere que ela está acoplada por pinos nas extremidades. 3 kN 2,4 3 kN Problema 13.87 13.88. A barra é feita de liga de alumínio 2014-T6. Deter mine sua espessura b, se a largura for 5b. Considere que ela está engastada nas extremidades.3 kN 3 kN P1·oblema 13.88 508 RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS 13.89. A haste de 50 mm de diâmetro é usada para suportar uma carga axial de 40 kN. Determine seu maior comprimen to admissível L, se for feita de alumínio 2014-T6. Considere que as extremidades estão acopladas por pinos. 13.90. A haste de 50 mm de diâmetro é usada para suportar uma carga axial de 40 kN. Determine seu maior comprimen to admissível L, se for feita de alumínio 2014-T6. Considere que as extremidades estão engastadas. 40 kN 50 mm Problemas. 13.89/90 ''13.91. O tubo tem 6 mm de espessura, é feito de liga de alu mínio 2014-T6 e está engastado na base e preso por pinos no topo. Determine a maior carga axial que ele pode suportar. 13.92. O tubo tem 6 mm de espessura, é feito de liga de alumínio 2014-T6 e está engastado nas extremidades. Deter mine a maior carga axial que ele pode suportar. 13.93. O tubo tem 6 mm de espessura, é feito de liga de alu mínio 2014-T6 e está acoplado por pinos nas extremidades. Determine a maior carga axial que ele pode suportar. 150 mm y p p X m Problemas 13.91/92/93 13.94. A barra é feita de liga de alumínio 2014-T6. Deter mine sua espessura b, se a largura for 1,5b. Considere que ela está acoplada por pinos nas extremidades. 4 kN 4 kN Problema 13.94 *13.95. Usando as equações AISC, verifique se a coluna que tem a seção transversal mostrada na figura pode suportar uma força axial de 1.500 kN. A coluna tem comprimento de 4 m, é feita de aço A-36 e suas extremidades estão presas por pinos. I-- 350 mm -1 20 mm --1 1-- --1 1-- 20 mm �3lomm lG=U l Pl'oblema 13.95 13.96. Uma haste de 1,5 m de comprimento é usada em uma máquina para transmitir uma carga de compressão axial de 15 kN. Determine seu diâmetro, se suas extremidades esti verem acopladas por pinos e ela for feita de liga de alumínio a 2014-T6. 13.97. Resolva o Problema 13.96, se as extremidades da haste estiverem engastadas. 13.98. A coluna de madeira tem seção transversal quadra da e consideramos que esteja acoplada por pinos no topo e na base. Se ela suportar uma carga axial de 250 kN, determi ne suas dimensões laterais a com aproximação de múltiplos de 10 mm. Use as fórmulas NFPA. Problema 13.98 *13.99. Resolva o Problema 13.98, considerando que a co luna está engastada no topo e na base. Pl'oblema 13.99 13.100. A coluna de madeira é usada para suportar uma carga axial P = 150 kN. Se estiver engastada na base e livre no topo, determine a largura mínima da coluna com base nas fórmulas NFPA. p 150 Problema 13.100 13.101. A coluna de madeira tem 6 m de comprimento e está acoplada por pinos nas extremidades. Use as fórmulas NFPA para determinar a maior força axial P que ela pode suportar. p p Problema 13.101 13.102. A coluna de madeira tem 6 m de comprimento e está engastada nas extremidades. Use as fórmulas NFPA para de terminar a maior força axial P que ela pode suportar. FLAMFJAGEM DE COLUNAS 509 p p Problema 13.102 ""13.103. A coluna é feita de madeira e está engastada na base e livre no topo. Use as fórmulas NFPA para determinar o maior comprimento admissível, se ela suportar uma carga axial P = 10 kN. p mm Problema 13.103 13.104. A coluna é feita de madeira e está engastada na base e livre no topo. Use as fórmulas NFPA para determinar a maior carga axial admissível P que ela pode suportar, se tiver comprimento L = 1 ,2 m. p Pwblema 13.104 13.100. A coluna de madeira é usada para suportar uma carga axial P = 150 kN. Se estiver engastada na base e livre no topo, determine a largura mínima da coluna com base nas fórmulas NFPA. p 150 Pwblema 13.100 13.101. A coluna de madeira tem 6 m de comprimento e está acoplada por pinos nas extremidades. Use as fórmulas NFPA para determinar a maior força axial P que ela pode suportar. p p Problema 13.101 13.102. A coluna de madeira tem 6 m de comprimento e está engastada nas extremidades. Use as fórmulas NFPA para de terminar a maior força axial P que ela pode suportar. FLAMBAGEM DE COLUNAS 509 p 200 mm p Problema 13.102 ''13.103. A coluna é feita de madeira e está engastada na base e livre no topo. Use as fórmulas NFPA para determinar o maior comprimento admissível, se ela suportar uma carga axial P = 10 kN. p 50 mm Problema 13.103 13.104. A coluna é feita de madeira e está engasta da na base e livre no topo. Use as fórmulas NFPA para determinar a maior carga axial admissível P que ela pode suportar, se tiver comprimento L = 1,2 m. p mm Problema 13.104
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