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Cada questão deverá apresentar os cálculos necessários para a justificativa da resposta. Os cálculos deverão ser legíveis, seqüenciais e organizados. UFSC - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL ECV5214 – MECÂNICA DE SÓLIDOS II 2a Atividade de ensino à distância – Semestre 2015-1 1) Calcule o giro em C da viga abaixo, usando o Método da Viga Conjugada, também conhecido como Método de Mohr. 2) São usados postes de madeira de 7,62 cm de diâmetro para conter um muro. Se a pressão do solo ao longo do poste varia de zero, no topo, ao máximo de 14,37 kN/m na extremidade B. Quais são a inclinação e o deslocamento no topo? Emad = 11031 MPa. (integração direta) 3) As barras prismáticas AD e BD são ligadas para formar a viga em balanço ADB. A rigidez flexional no trecho AD é EI e no trecho DB é 2EI. Calcular a declividade e a flecha na extremidade A. 4) Calcule as reações da viga apoiada engastada e trace os diagramas de esforços internos. 5) Determine a energia de deformação da viga em balanço AB em virtude da tensão de cisalhamento e da tensão normal, sendo que a viga tem seção transversal quadrada e está submetida a uma carga uniformemente distribuída. Faça uma análise da influência da relação L/a, sendo L o comprimento do balanço e a o lado da seção transversal (use gráficos para ilustrar e explique o fenômeno). 6) Uma barra uniforme de rigidez flexional EI é dobrada e carregada como indica a figura. Determinar, usando o Teorema de Castigliano: a) o deslocamento vertical em D; b) a declividade de BC em C. 7) Defina o que é módulo de dureza e módulo de resiliência Cada questão deverá apresentar os cálculos necessários para a justificativa da resposta. Os cálculos deverão ser legíveis, seqüenciais e organizados. Resolução dos problemas propostos 1) Calcule o giro em C da viga abaixo, usando o Método da Viga Conjugada, também conhecido como Método de Mohr. Pode-se usar uma estrutura equivalente, na qual a força horizontal aplicada é substituída por uma força e um binário atuando em C. Adicionalmente, pode-se trabalhar com o seguimento BCD da viga conforme ilustrado pela figura abaixo, no qual 4,5qa é a reação do trecho AB sobre o ponto B. Faz-se o digrama de momentos fletores da estrutural real Determina-se, também, a viga conjuda da viga real e aplica-se um carregamento fictício igual ao momento fletor da viga real dividido pela rigidez do trecho correspondente da vigam conforme ilustrado abaixo. A viga conjugada BCD é uma viga Gerber e pode ser desmontada, conforme o esquema a seguir. Tem-se que a rotacao em C na viga real é igual ao esforço cortante em C na viga conjugada. CC V=θ 34,82 qa EIC −=θ Cada questão deverá apresentar os cálculos necessários para a justificativa da resposta. Os cálculos deverão ser legíveis, seqüenciais e organizados. (QUESTÃO 2): São usados postes de madeira de 7,62 cm de diâmetro para conter um muro. Se a pressão do solo ao longo do poste varia de zero, no topo, ao máximo de 14,37 kN/m na extremidade B. Quais são a inclinação e o deslocamento no topo? Emad = 11031 MPa. (integração direta) Calculam-se as reações nos vínculo B, conforme indicado a seguir. Utilizamos a seguinte seção para a determinacao dos momentos fletores na estrutura: Partimos das seguintes condicoes para o desenvolvimento do problema: Sendo que temos as seguintes condicoes de contorno: Θ(1.8) = Y(1.8) = 0 Resolução das integrais: Aplicando as condições de contorno: Obtemos, portanto: Substituindo na expressão, obtemos que: Cada questão deverá apresentar os cálculos necessários para a justificativa da resposta. Os cálculos deverão ser legíveis, seqüenciais e organizados. (QUESTÃO 3): As barras prismáticas AD e BD são ligadas para formar a viga em balanço ADB. A rigidez flexional no trecho AD é EI e no trecho DB é 2EI. Calcular a declividade e a flecha na extremidade A. Inicialmente determinamos o DMF da viga real: Com o DMF real dividido pela rigidez do respectivo trecho, constrói-se o carregamento da viga fictícia: Para determinar a declividade e a flecha da viga real em A deve-se encontrar, respectivamente, o esforço cortante e o momento fletor da viga conjugada, os quais têm valores iguais às reações em A. Portanto, Cada questão deverá apresentar os cálculos necessários para a justificativa da resposta. Os cálculos deverão ser legíveis, seqüenciais e organizados. (QUESTÃO 4): Calcule as reações da viga apoiada engastada e trace os diagramas de esforços internos. Substitui-se o vínculo em A por sua reação, Determinam-se os momentos fletores da viga considerando-se também o carregamento RA. A partir do diagrama de corpo-livre do segmento da esquerda da seção S1, efetua-se o equilíbrio de momentos da seção determina-se o momento interno. ∑ = 0sM 0 2 1 =+⋅+− MxwxxRAV 2 2 1 x wxRM AV −= x R M AV = ∂ ∂ 1 A partir do diagrama de corpo-livre do segmento da esquerda da seção S2, efetua-se o o mesmo procedimento e determina-se o momento interno. ∑ = 0sM 0 422 2 =+ +⋅+ +− MxLLwxLRA + +⋅− += x LL wx LRM A 4222 += ∂ ∂ x L R M A 2 2 Para determinar RA por meio do Teorema de Castigliano, sabe-se que: 0= ∂ ∂ = A A R U v ∫ ∂ ∂ = l A A dxR M EI M v Cada questão deverá apresentar os cálculos necessários para a justificativa da resposta. Os cálculos deverão ser legíveis, seqüenciais e organizados. 0 2 0 22 2 0 11 = ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∫∫ L A L A A dxR M EI Mdx R M EI M v Substituindo-se os momentos internos e as suas derivadas em relação a, obtém uma equação adicional que permite chegar ao valor da reação em A, cujo valor é: wLRA 128 41 = Conhecida a reação RA, pode-se determinar o valor das reações do vínculo B, por meio das equações de equilíbrio estático, a partir do diagrama de corpo- livre da viga. Chega-se à: wLRB 128 23 = e 2 128 7 wLM B = Com isso obtém-se um problema isostático em que se pode determinar as outras reações e os diagramas. Cada questão deverá apresentar os cálculos necessários para a justificativa da resposta. Os cálculos deverão ser legíveis, seqüenciais e organizados. (QUESTÃO 5): Deduziremos a parcela de flexão e cisalhamento separadamente: ∫= V cis dVG U 2 2τ e It QV =τ ∫ = dAdx G It QV U cis 2 2 Fazendo o desenvolvimento da integral, chega-se a dx A V G fU l c cis ∫= 0 2 2 . A seção é quadrada, portanto o fator de forma é igual a 6/5 e o esforço cortante na seção é ( ) wxxV = . Substituindo na equação, tem-se: ( ) dx A wx G U l cis ∫= 0 2 2 5 6 , dx a xw G U l cis ∫= 0 2 22 5 3 , 2 32 2 32 5 1 35 3 a lw Ga xw G U cis == A parcela da energia de deformação referente à flexão é dada por ∫= V flexão dVE U 2 2σ e I My −=σ . ∫ − = V flexão dVE I My U 2 2 , dx EI MU l flexão ∫= 0 2 2 , sendo ( ) 22wx xM = . dx EI wx U l flexão ∫ = 0 22 2 2 dx EI xw U l flexão ∫= 0 42 2 4 , EI lw EI xwdx EI xwU ll flexão 40588 52 0 52 0 42 = ⋅ == ∫ Calculando-se o momento de inércia para a seção, tem-se: 12 4aI = , . 10 3 40 12 12 40 4 52 4 52 4 52 Ea lw Ea lw aE lwU flexão === Logo, a energia de deformação total da viga devida ao cisalhamento e à flexão é dada por: 4 52 2 32 10 3 5 1 Ea lw a lw G U += , += 2 4 52 3 21 10 3 L a G E Ea lwU . Supondo que G = E/2, tem-se: += 2 4 52 3 41 10 3 L a Ea lwU . L a U U flexão 1 0,428571429 0,6 0,675675676 0,4 0,824175824 0,2 0,949367089 0,1 0,986842105 0,05 0,996677741 0,04 0,997871208 0,02 0,999466951 Com isso, percebe-se que a representatividade da energia de deformação devida ao cisalhamento é altamente dependente da esbeltez do elemento, sendo que, quanto mais esbelto o elemento considerado, menos representativo é a energia de deformação devida ao cisalhamento. Quando a relação a/L = 0,1, a energia de deformação representa menos de 2% da energia total do sistema. Porém isso não se verifica, para materiais como os polímeros, cuja relação entre E e G é maior. Analisando-se a razão flexão cis U U , chega-se: Cada questão deverá apresentar os cálculos necessários para a justificativa da resposta. Os cálculos deverão ser legíveis, seqüenciais e organizados. 2 2 = L a G E U U flexão cis . Para vigas em madeira, tem-se que o 16 EG ≈ , tem- se: 2 32 = L a U U flexão cis . Logo L a flexão cis U U 1 32 0,6 11,52 0,4 5,12 0,2 1,28 0,1 0,32 0,05 0,08 0,04 0,0512 0,02 0,0128 Percebe-se que, quando a/L = 0,1 a energia de deformação representa 32% da energia de flexão. Isso representa uma contribuição elevada para a deformação total da estrutura. Vale lembrar que alguns métodos usados para a determinação de deslocamentos transversais e rotações em vigas são desenvolvidos considerando apenas as energias de deformação devidas à flexão, não sendo indicados para a análise de estruturas pouco esbeltas ou que apresentam módulo de elasticidade transversal (G) muito menor que o módulo de elasticidade longitudinal (E). Cada questão deverá apresentar os cálculos necessários para a justificativa da resposta. Os cálculos deverão ser legíveis, seqüenciais e organizados. (QUESTÃO 6) Uma barra uniforme de rigidez flexional EI é dobrada e carregada como indica a figura. Determinar, usando o Teorema de Castigliano: a) o deslocamento vertical em D; b) a declividade de BC em C. Item (a) O Teorema de Castigliano define que o deslocamento é dado por D D Q U v ∂ ∂ = . Se for considerada somente a energia de deformação da estrutura devida à flexão sobre toda a estrutura. Divide-se a integral em 3 domínios de integração, que são os trechos AB, BC e CD. Logo, ∫ ∂ ∂ = estr D D dxQ M EI M v ∫ ∫∫ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = L D CDCD L D BCBC L D ABAB D dxQ M EI M dxQ M EI MdxQ M EI M v 0 00 ]'0[ lx << PxQlM AB +−= ]''0[ lx << QxQlPlM BC += ]'''0[ lx << PxPlM CD = l dQ dM AB = xl dQ dM BC += 0= dQ dM CD ( )( ) ( )( −+−+−−= ∫∫ LL D xQxQlPldxlQlPxEI 00 1 υ ( ) +−+−= ∫∫ LL D dxPlxPlPlxdxEI 0 2 0 1 υ [ ] +− −= L L L D xPlxPlxPl EI 0 2 0 2 0 2 22 1 υ +−−= 22 1 333 PlPlPl EID υ ↑−= EI Pl D 3 υ A direção e sentido do deslocamento vD são os mesmos de Q arbitrado, pois o valor obtido é positivo. Item (b) Deseja-se determinar a declividade da linha elástica em C. O Teorema de Castigliano define que a rotação é dada por C C M U ∂ ∂ =θ . Se for considerada somente a energia de deformação da estrutura devida à flexão, tem-se: ∫ ∂ ∂ = estr C C dxM M EI Mθ ∫ ∫∫ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = L C CDCD L C BCBC L C ABAB C dx M M EI M dx M M EI Mdx M M EI M 0 00 θ ]'0[ lx << PxQM AB += ]''0[ lx << PlQM BC += ]'''0[ lx << )-( xlPM CD = 1= dQ dM AB 1= dQ dM BC 0= dQ dM CD ( ) ( ) ++++= ∫∫ 0 1 00 LL C dxPlQdxPxQEIθ Substituímos Q = 0 na fórmula, pois Q é um momento fictício. O sentido da rotação θc é o Cada questão deverá apresentar os cálculos necessários para a justificativa da resposta. Os cálculos deverão ser legíveis, seqüenciais e organizados. mesmo do momento fictício arbitrado, pois o valor obtido é positivo. . 2 3 2 EI Pl C =θ Cada questão deverá apresentar os cálculos necessários para a justificativa da resposta. Os cálculos deverão ser legíveis, seqüenciais e organizados. (QUESTÃO 7): Defina o que é módulo de dureza e módulo de resiliência Módulo de Resiliência é a densidade da energia de deformação no material quando a tensão σ atinge o limite de proporcionalidade, sendo dado por: E u lp lplpr 2 2 1 2 1 σ εσ == A resiliência de um material representa a sua capacidade de absorver energia sem sofrer qualquer dano permanente. O módulo de dureza de um material representa a densidade de energia de deformação do material imediatamente antes da ruptura. Essa propriedade deve ser considerada quando se projeta elementos que possam ser sobrecarregados acidentalmente, sendo que a mesma indica como o elemento irá se comportar até a sua ruptura.
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