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Estruturas isostáticas e hiperestáticas. Tipos de apoios Dependendo do tipo de apoios em que a viga está apoiada, classificam-se as vigas em dois grupos, vigas estaticamente determinadas e estaticamente indeterminadas. Se o numero de reações é igual ao numero de equações de equilíbrio da estática, a viga é isostática, ou estatica- mente determinada Se o numero de reações é maior que o numero de equações de equilíbrio da estática, a viga é hiperestática, ou estaticamente indeterminada Tipos de carregamento que atuam sobre uma viga Cargas concentradas Cargas distribuídas. Estas podem ser de carga constante ou variável. Calculo das reações nos apoios No caso de cargas distribuídas deve-se determinar a carga total e substituí-la por uma carga concentrada equivalente. Esta atuam num ponto que tem de coordenada segundo o eixo da viga, a coordenada do centróide da área representativa da carga distribuída. Exemplo: carga triangular. Carga total = área representativa da carga distribuída ∫ dx w' L wx 'w =R= com L 02 x L wR 2 = 2 wL L2 wL2 = Momento da resultante R x´= ∫ dx w'x R x´= ∫ dx L xw x ∫= dx xL w 2 L 03 3x L w = 3 wL L3 wL 23 == x´= R 3 wL2 2 wL 3 wL2 = L 3 2 = Vigas. Efeitos internos dos carregamentos. Os diferentes tipos de carregamento podem originar nas seções transversais das vigas um ou mais diferentes esforços internos. Estes podem ser força cortante ou momento fletor. Na figura seguinte tem-se uma viga simplesmente apoiada em A e B, carregada por uma carga concentrada F em C, a uma distancia de 6 m do apoio esquerdo da viga. Diagramas de Força Cortante e Momento Flector A variação da força cortante V e do momento flector M ao longo da vida dá a informação necessária para a analise do projeto da viga. Estas variações quando representadas graficamente, resultam nos diagramas da força cortante e do momento flector para a viga. Determinação do DFC e do DMF 1º passo: Determinam-se as reações nos apoios 2. passo: Determinam-se a força de corte e do momento flector em uma qualquer seção à distancia x do apoio esquerdo, atendendo ao seguinte: Convenções para as forças cortantes V e V’ e momentos flectores M e M’ a) a força de corte em uma qualquer seção à distancia x do extremo esquerdo da viga, é obtido pelo somatório de TODAS as forças à esquerda da seção. b) o momento fletor em uma qualquer seção à distancia x do extremo esquerdo da viga, é obtido pelo somatório de TODOS os momentos à esquerda da seção. 0vF =∑ 0MA =∑ R1 - F + R2 = 0 ; R1 = 4 - R2 ; R1 = 4.0 - 2.4 = 1.6 - F1(6) + R2 (10) = 0 ; R2 = (4 x 6) / 10 ; R2 = 2.4 Reações - seção x entre o apoio esquerdo e a carga concentrada aplicada. V= R1= 1.6 M= R1 x = 1.6 x ( M = 0 em A e M = 9.6 em C) - seção x entre a carga concentrada aplicada e o apoio direito: V= R1 – F = 1.6 – 4.0 = -2.6 M= R1 x – F (x-6) = 1.6 x – 4.0 x + 4.0 x 6 = 24 – 2.4 x (M=9.6 em C e M=0 em B) Determine os diagramas da força cortante e do momento flector da viga seguinte Problema Esboce os diagramas de força cortante e momento flector, e determine a tensão normal máxima SOLUÇÃO: • Tratando a viga como um corpo rígido, determinar as forças de reacção nos apoios • Identificar os máximos de força cortante e momento flector nos diagramas • Determinar a tensão normal máxima • Seccionar a viga em pontos junto aos apoios e pontos de aplicação de cargas e aplicar as condições de equilíbrio estático para determinar esforços internos nos diversos troços. Problema SOLUÇÃO: • Tratando a viga como um corpo rígido, determinar as forças de reacção nos apoios ∑ ∑ ==== kN14kN40:0 DBBy RRMF • Seccionar a viga e aplicar as condições de equilíbrio estático: ( )( ) 00m0kN200 kN200kN200 111 11 ==+∑ = −==−−∑ = MMM VVFy ( )( ) mkN500m5.2kN200 kN200kN200 222 22 ⋅−==+∑ = −==−−∑ = MMM VVFy 0kN14 mkN28kN14 mkN28kN26 mkN50kN26 66 55 44 33 =−= ⋅+=−= ⋅+=+= ⋅−=+= MV MV MV MV Problema ( )( ) 36 3 B m 36 2 6 12 6 1 m1033.833 mN1050 W M m1033.833 m250.0m080.0hbW − − × ⋅× ==σ ×= == Pa100.60 6m ×=σ ( )( ) 36 3 B m 36 2 6 12 6 1 m1033.833 mN1050 W M m1033.833 m250.0m080.0hbW − − × ⋅× ==σ ×= == •Determinação da tensão normal máxima: Identificação dos valores máximos dos esforços, através dos diagramas: mkN50MMkN26V Bmm ⋅=== ( )( ) 36 3 B m 36 2 6 12 6 1 m1033.833 mN1050 W M m1033.833 m250.0m080.0hbW − − × ⋅× ==σ ×= == Relações entre Carregamento, Força Cortante e Momento Flector ( ) xwV 0xwVVV:0Fy ∆−=∆ =∆−∆+−=∑ ∫−=− −= D C x x CD dxwVV dx dV w Relação entre carregamento e força cortante: VD= VC - área sob a curva de carregamento entre xC e xD Relação entre força cortante e momento flector: ( ) ( )221 0 2 :0 xwxVM x xwxVMMMMC ∆−∆=∆ = ∆∆+∆−−∆+=∑ ′ ∫=− = D C x x CD dxVMM V dx dM MD= MC - área sob o diagrama da força cortante entre xC e xD Flexão Pura Flexão Pura: Peças prismáticas sujeitas a um par de momentos de igual módulo e sentidos opostos, atuando no mesmo plano longitudinal Exemplo de Flexão Pura Carregamento Transversal: Carregamento transversal concentrado ou distribuído produz forças internas equivalentes a uma força cortante e um momento Elemento Simétrico em Flexão Pura As forças internas produzidas em qualquer secção transversal são equivalentes ao momento interno na seção definido como momento flector da secção. O momento das forças internas é o mesmo em torno de qualquer eixo perpendicular ao plano dos momentos. A distribuição das forças internas elementares, em cada seção tem que obedecer às equações de equilíbrio: ∫ =σ−= ∫ =σ= ∫ =σ= MdAyM 0dAzM 0dAF xz xy xx Deformações em Flexão Elemento com um plano de simetria em flexão pura: • permanece simétrico • flecte uniformemente e toma a forma de um arco de círculo • plano da secção transversal passa através do centro de curvatura e permanece plana • comprimento do topo decresce enquanto o comprimento da base aumenta tensões e extensões são negativas (compressão) acima do plano neutro e positivas (tração) abaixo desse mesmo plano uma superfície neutra tem de existir paralela às superfícies superior e inferior, e para a qual o comprimento permanece inalterado Extensões de Flexão Considere o elemento de comprimento L. Após a deformação, o comprimento da superfície neutra permanece inalterado, enquanto que noutras seções se tem: ( ) ( ) mx m m x c y c ρou c yy L yyLL yL ε−=ε ε = ρ =ε ρ −= ρθ θ −= δ =ε θ−=ρθ−θ−ρ=−′=δ θ−ρ=′ Tensões de Flexão m mxx c y E c yE σ−= ε−=ε=σ Para um material linear elástico: (tensão varia linearmente) ∫ρ −= ∫ ρ −=∫σ== dAyE0 dAEydA0F xx Equilíbrio estático: Primeiro momento de área em relação ao plano neutro é nulo. Consequentemente, a superfície neutra passa através do centróide da seção. I My ) EI yM(E Ey Sendo curvatura EI M1 EIdAyEM dAyyEdAyM x x x 2 x −=σ −=σ ρ −=σ = ρ ρ =∫ρ = ∫ ρ −−∫ =σ−= Equilíbrio estático, continuaçãoTensão normal máxima de flexão: flexão à rigidez de modulo c IW W M I Mc m == ==σ Uma secção com maior módulo de rigidez à flexão apresentará uma tensão máxima inferior Problema Uma viga de madeira destina-se a suportar três cargas concentradas. Sabendo que para este tipo de madeira: kPa850MPa12 == admadm τσ determine a profundidade d mínima da viga. SOLUÇÃO: • Traçar os diagramas de esforço transverso e momento flector e identificar os valores máximos. • Determinar a profundidade da viga, com base na tensão normal admissível. • Determine a profundidade da viga, com base na tensão de corte admissível. • A profundidade mínima da viga será o maior desses dois valores. Problema SOLUÇÃO: Diagramas de esforço transverso e momento flector e respectivos máximos mkN7.11 kN15 max max ⋅= = M V Problema ( ) ( ) 2 2 6 1 2 6 1 3 12 1 m015.0 m090.0 d d db c IS dbI = = == = • Cálculo da profundidade da viga, com base na tensão normal admissível: ( ) mm255 m015.0 mN107.11MPa 12 2 3 max = ⋅× = = d d S M admσ • Cálculo da profundidade da viga, com base na tensão de corte admissível: ( ) mm294 m0.090 N15000 2 3kPa850 2 3 max = = = d d A V admτ • A profundidade necessária será a maior das duas: mm294=d Carga Axial Excêntrica num Plano de Simetria PdM PF = = ( ) ( ) I My A P flexãoxcentricaxx −= σ+σ=σ Exemplo Um elo de corrente (aberto) é obtido pela conformação (flexão) de varões de aço até estes tomarem a forma da figura. Para uma força aplicada de 800 N, determine (a) as tensões máximas de tracção e de compressão, (b) a distância entre o centróide da secção e o eixo neutro. SOLUÇÃO: • Calcular a carga axial centrada equivalente e o momento flector • Sobrepor a tensão uniforme devida à carga axial centrada e a tensão linear devida ao momento flector • Calcular as tensões máximas de tracção e compressão nas faces internas e externas, respectivamente. • Calcular a posição do eixo neutro através da localização dos pontos onde a tensão normal é nula. • Força normal e momento flector equivalentes: ( ) MPa1.7 m101.113 N800 m101.113 m006.0 260 26 22 = × == ×= == − − A P cA σ pipi • Tensão normal devida a força centrada ( ) ( )( ) MPa7.70 m10018.1 m006.0mN12 m10018.1 m 006.0 49 49 4 4 14 4 1 = × ⋅ == ×= == − − I Mc cI mσ pipi • Tensão normal devida ao momento flector ( )( ) mN12 mm015.0N800 N800 ⋅= == = PdM P • Tensões máximas de tracção e de compressão 7.701.7 7.701.7 0 0 −= −= += += mc mt σσσ σσσ MPa8.77=tσ MPa6.63−=cσ • Posição do eixo neutro ( ) mN12 m10018.1MPa1.7 0 49 0 0 ⋅ × == −= − M I A Py I My A P mm600.00 =y Problema Sobre uma peça de ferro fundido é aplicado um momento de 3 kN-m. Sabendo que E = 165 GPa e não considerando efeitos de concentração de tensão, determine (a) as tensões máximas de tracção e compressão, (b) o raio de curvatura. SOLUÇÃO: • Com base na geometria da secção transversal, calcular a posição do centróide e o valor do seu momento de inércia: ( )∑ += ∑ ∑ = ′ 2dAII A AyY x • Aplicar a expressão seguinte para determinar as tensões máximas de flexão: I Mc m =σ • Calcular a curvatura: EI M =ρ 1 Problema SOLUÇÃO: •Com base na geometria da secção transversal, calcular a posição do centróide e o valor do seu momento de inércia: mm 38 3000 10114 3 = × = ∑ ∑ = A AyY ∑ ×==∑ ×=× ×=× 3 3 3 32 101143000 104220120030402 109050180090201 mm ,mm ,mm Area, AyA Ayy ( ) ( ) ( ) ( ) 49-3 23 12 123 12 1 23 12 12 m10868 mm10868 18120040301218002090 ×=×= ×+×+×+×= ∑ +=∑ +=′ I dAbhdAIIx Problema • Determinar as tensões máximas de flexão: 49 49 mm10868 m038.0mkN 3 mm10868 m022.0mkN 3 − − × ×⋅ −=−= × ×⋅ == = I cM I cM I Mc B B A A m σ σ σ MPa 0.76+=Aσ MPa 3.131−=Bσ • Calcular a curvatura ( )( )49- m10868GPa 165 mkN 3 1 × ⋅ = = EI M ρ m 7.47 m1095.201 1-3 = ×= − ρ ρ Considere-se um corpo de massa m sujeito à atração da gravidade. O seu peso é dado por W= m g Centro de gravidade Para um elemento do corpo de massa dm, corresponde um elemento de peso dW ∫= WW d Por sua vez o momento do peso W em relação qualquer eixo é igual à soma dos momentos, em relação ao mesmo eixo, dos momentos das forças elementares dW ∫= W W d xx ∫= W W d yy ∫= W W d zz W W ∫ = d x x W W ∫ = d yy W W ∫ = d z z W W ∫ = d r r Centro de massa Tem-se ; dW=dm ggW m= g g m md x x ∫= ⇒ m md x x ∫= m md y y ∫= m md z z ∫= campo gravitacional for considerado constante Quando o campo gravitacional for considerado constante, o centro de gravidade coincide com o centro de massa. Centróides de linhas, áreas e volumes Sendo dm = ρ dV, pode escrever-se: ∫ρ ∫ ρ = dV Vd x x ∫ρ ∫ ρ = dV Vd y y ∫ρ ∫ ρ = dV Vd z z Se a densidade ρ for constante, então nas expressões anteriores este fator constante cancela, e o ponto definido por estas coordenadas designa-se por centróide, uma propriedade puramente geométrica. Quando a densidade é constante, o centro de massa e o centróide coincidem. Linhas: corpos que podem ser modelados por uma linha. • Uma barra esbelta ou um arame de comprimento L, seção transversal A, e densidade ρ. Este corpo pode ser modelado por uma linha, em que dm = ρ dA dL • Se ρ e A forem constantes ao longo do comprimento da barra, (dm = ρA dL) as coordenadas do centro de massa são também as do centróide AL dL xA x ρ ∫ρ = L Ld x x ∫= L Ld y y ∫= L Ld z z ∫= Areas: corpos que podem ser modelados por uma área. • Quando um corpo de densidade ρ tem uma espessura constante t, podemos modelá-lo como uma superficie de área A, sendo neste caso dm = ρ t dA Se ρ e t forem constantes em toda a área, as coordenadas do centro de massa são também as do centróide. A t dA x t x ρ ∫ρ = dm = ρ t dA m= ρ t ∫dA A dA x x ∫= A Ad y y ∫= A Ad z z ∫= A Ad y y ∫= A Ad z z ∫= Volumes • para um corpo genérico de volume V, tem-se dm = ρ dV Quando o corpo tem densidade ρ constante em todo o volume, as coordenadas do centro de massa são também as do centróide. V Vd x x ρ ∫ρ = V Vd x x ∫= V Vd y y ∫= V Vd z z ∫= Se o corpo tem um eixo de simetria o centróide está nesse plano. Se tiver um eixo de simetria o centróide está nesse eixo. Momentos de inércia retangulares e polares de áreas planas • O momento de inércia do elemento dA em relação aos eixos retangulares x e y são dados por: Ad yxI d 2= Ad xyI d 2= Os momentos de inércia da área A em relação aos mesmos eixos são então: ∫= Ad yxI 2 ∫= Ad xyI 2 ; • O momento de inércia em relação ao polo O (eixo z) é então dado por: ∫ρ= Ad zI 2 e chama-se momento polar de inércia Sendo , vem ainda:222 ryx =+ yIxIzI +=Transformação de eixos. A distancia de dA ao eixo x é y=y0+dx. Então tem-se: Ad dyxI d 2 x0 += ( ) ∫+∫+∫ =∫ += Ad yd 2Ad dAd y Ad dyxI 0 2 x 2 0 2 x0 x 0d AxIxI 2x ++= 2 xd AxIxI += 2yd AyIyI += ; E também : 2d AzIzI += Problema • Determine as coordenadas do centróide da área triangular dx x a bdx ydA == dy yb a ady xdA −== a 3 2 b a 2 1 3 ba b a 2 1 3 a a b b a 2 1 3 x a b b a 2 1 dxx a b b a 2 1 dx x a b x A dA x x 23 a 0 3 2 ===== == ∫∫∫ b a 2 1 3 y b a 2 ay b a 2 1 dyy b a ay b a 2 1 dy y b a a y A dA y y b 0 32 2 − = − = − == ∫∫ ∫ b 3 1 b a 2 1 6 ab b a 2 1 6 ab2 6 ab3 b a 2 1 b3 ab 2 ab 22232 == − = − = Problema • Determine os momentos de inercia Ix e Iy da área triangular dx x a bdx ydA == dy y b a ady xdA −== dy )y b a -ay( dy y b a aydAyI 3b0 2b 0 2 A 2 x ∫∫∫ = −== 12 ab 36 ab9 36 ab12 4 ab 3 ab b4 ab 3 ab b4 ay 3 ay 3333343 b 0 43 =−=−=−= −= a 0 4 3a 0 a 0 2 A 2 a4 x bdx )x a b( dx x a b x dAxIy == == ∫∫∫ 4 ba a4 ba 34 == Problema • Determine os momentos de inércia da área circular em relação aos eixos x e y. dr d rdA θ= ( ) ∫∫∫∫ pi θθ=θθ== R0 320 22A 2A 2x dr r d sendrrdsenrdAyI 4 R 8 R2 4 R0 2 2 4 r 4 2sen 2 444R 0 42 0 pi = pi = − pi = θ − θ = pi ( ) ∫∫∫∫ pi θθ=θθ== R0 320 22A 2A 2y dr r d cosdrrd cosrdAxI 4 R 8 R2 4 R0 2 2 4 r 4 2sen 2 444R 0 42 0 pi = pi = + pi = θ+θ= pi Problema • Determine os momentos de inércia polar do anel e da área circular Área do anel: drd rdA θ= • Fazendo dr = t = constante, vem: ( ) [ ] tr2 t rd )r( t td rrdArI 3203320A 2A 20a pi=θ=θ=θ== pipi∫∫∫ O momento polar para toda a área circular é então: 32 D 2 R 4 R2 4 r 2drr2I 444R 0 4 R 0 3 0 pi = pi = pi = pi=pi= ∫ Ou usando drd rdA θ= ( ) [ ] R 0 4 2 0 R 0 32 0A 2 A 2 0 4 r drrddrd rrdArI θ=θ=θ== pipi ∫∫∫∫ 32 D 2 R 4 R2 444 pi = pi = pi = Carregamento Transversal. Tensões de cisalhamento Um carregamento transversal resulta em tensões normais e de cisalhamento nas secções transversais do membro. A distribuição de tensões normais e de cisalhamento satisfaz: Quando tensões de cisalhamento são exercidas nas faces verticais de um elemento de volume, tensões iguais em módulo são exercidas também nas faces horizontais. Tensões de cisalhamento longitudinais surgem em qualquer membro submetido a carregamento transversal. ( ) ( ) 0dAyM0dAF 0dAzMVdAF 0dAzyM0dAF xzxzz xyxyy xyxzxxx =∫ σ−==∫ τ= =∫ σ=−=∫ τ= =∫ τ−τ==∫σ= Força cortante na face horizontal de um elemento • Equilíbrio num elemento ∆x: ( ) ∫ − =∆ ∑ ∫ −+∆== A CD A DDx dAy I MMH dAHF σσ0 xVx dx dMMM dAyQ CD A ∆=∆=− ∫= • Note que: corte de fluxo== ∆ ∆ = ∆=∆ I VQ x Hq x I VQH • Substituindo: corte de fluxo== ∆ ∆ = I VQ x Hq Fluxo de corte: totalsecção da área de momento segundo de acima área da momento primeiro ' 2 1 = = = = ∫ ∫ + AA A dAyI y dAyQ O mesmo para a área inferior HH QQ q I QV x Hq ∆−=′∆ = =′+ ′ −= ′ = ∆ ′∆ =′ neutro eixo ao relação em momento primeiro 0 Cálculo da tensão de cisalhamento em um elemento τ τ • A tensão de corte média na face horizontal do elemento é obtida dividindo a força de corte no elemento pela área da face. It VQ xt x I VQ A xq A H med = ∆ ∆ = ∆ ∆ = ∆ ∆ =τ Nas faces superior e inferior do elemento yx= 0, resultando que xy= 0 nas arestas superior e inferior das secções transversais. τ τ Se a largura do elemento for comparável ou grande relativamente à sua profundidade, as tensões de corte em D´’1 e D´’2 serão significativamente mais elevadas do que em D’. Tensões de cisalhamento em tipos comuns de vigas Para uma seção retangular estreita (b < h/4) a variação da tensão ao longo da largura é muito pequena. Pode ser então usada a expressão anterior para obter a tensão em qualquer ponto da seção xyτ xyτ Sendo A=b (c-y) e = (c+y)/2, ainda Q=A y y Q=A =b(c-y)(c+y)/2y 3c b 3 2I = )y(c b 2 1 22 −= ( ) 3 22 xy c b y c 4 3V It VQ − ==τ Sendo: A=b (2 c) ( ) −= − =τ 2 2 2 22 xy c y1 A V 2 3 c A2 y c 3 V Para y=0 a tensão é máxima A V 2 3 max ==τ It VQ med =τ Seção transversal em I Nas mesas e na alma obtém-se a tensão media pela formula já conhecida Na prática assume-se que toda a força cortante é suportada pela alma, e faz-se alma max A V =τ Tensões de Corte em Membros de Parede Fina • Considere um segmento de uma viga I sujeita a uma força de corte vertical V. • Força de corte longitudinal no elemento: x I VQH ∆=∆ It VQ xt H xzzx =∆ ∆ ≈=ττ • Correspondente tensão de cisalhamento: • NOTE QUE: 0≈xyτ 0≈xzτ nas flanges na alma Expressão similar encontrada anteriormente para a tensão de cisalhamento na alma: It VQ xy =τ • Para a secção representada, q cresce desde zero em A até um valor máximo em C e C’ e depois volta a decrescer até zero em E. • O sentido de q nas partes horizontais pode ser inferido pelo sentido nas partes verticais, ou pelo sentido do esforço de cisalhamento V. I VQ tq =τ= A variação do fluxo de corte ao longo da secção depende apenas da variação do primeiro momento de área: • Para uma secção I de abas largas, o fluxo de corte cresce de forma simétrica desde zero em A e A’, atinge o valor máximo em C e depois decresce até zero em E e E’. • A forma contínua como q varia e a separação e aproximação nas junções sugere uma analogia com o escoamento de um fluido.
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