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Mecânica dos Materiais
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Capítulo 4
Flexão Pura
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Flexão Pura - Sumário Cap. 4
Flexão Pura
Flexão Pura em Membros Simétricos
Deformações devidas à Flexão
Propriedades duma secção rectaFlexão em Membros com Diversos
Vigas de Betão Reforçado
Concentração de Tensões
Carregamento Assimétrico
Exercícios Resolvidos
Exercícios Propostos
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Flexão Pura Cap. 4
Flexão Pura: Membros prismáticossujeitos a iguais e opostos momentos
flectores actuando no mesmo planolongitudinal
400 N0,3 m 0,3 m0,7 m
400 N 400 N
400 N
M = 120 NmM = 120 Nm
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Outros Tipos de Carregamento Cap. 4
• Princípio da Sobreposição: A tensãonormal devida à flexão pura pode sercombinada com a tensão normal devidaao esforço axial e tensão de corte devida
ao esforço de corte, para se achar oestado total de tensão.
• Carregamento Transverso: Cargastransversa, concentradas ou distribuídasque produzem esforços internosequivalentes a uma força de corte e a ummomento
• Carregamento Excêntrico:Carregamento axial que não passa pelocentro geométrico da secção e que
produz forças equivalentes a uma forçaaxial e a um momento
P=200N
P=200N
P=200N
P=200N
M=25Nm
0,125m 0,125m
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Flexão Pura – Simetria de Esforço Cap. 4
∫ =−=∫ ==
∫ ==
M dA y M dA z M
dA F
x z
x y
x x
σ σ
σ
0
0
• Estes pressupostos podem ser aplicados aosomatório das forças e dos momentos internosem um qualquer elemento da secção.
• As forças internas em qualquer secção recta sãoequivalentes a um momento. Os dois momentosopostos são o momento flector .
• Da estática, o binário M resulta de duas forças
iguais e opostas.• O somatório das forças em qualquer direcção é
zero.
• O momento é o mesmo em relação a qualquereixo perpendicular ao seu plano.
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Flexão Pura - Deformações Cap. 4
• Flecte uniformemente formando um arco circular
• A secção recta mantêm-se plana e e a suadirecção passa pelo centro do arco
• O comprimento da superfície superior diminui e oda superfície inferior aumenta
• Deve existir uma superfície neutra paralela às
superfícies superior e inferior e em relação às quaisa distância não varia
• As tensões e deformações são negativas
(compressão) acima da superfície neutra, epositivas (tracção) abaixo da superfície neutra
Flexão Pura numa barra simétrica com planode simetria:• A barra mantêm-se simétrica
a) Secção vertical longitudinal(plano de simetria)
b) Secção horizontal longitudinal
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Deformação Devida à Flexão Cap. 4
Considere uma barra de comprimento L.
Depois de flectir o comprimento da superfícieneutra mantêm o comprimento. Noutras
superfícies,
( )
( )
(a deformaçao varia linearmente)
or
x
m
m
x m
L y
L L y y
y y
L
c c ρ
y
c
ρ θ
δ ρ θ ρθ θ
δ θ ε
ρθ ρ
ε ρ ε
ε ε
′ = −
′= − = − − = −
= = − = −
= =
= −Eixo Neutro
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Tensão Devida à Flexão Cap. 4
• Para um material elástico,
(a tensao varia linearmente)
x x m
m
y E E
c
y
c
σ ε ε
σ
= = −
= −
• Em equilíbrio estático,
∫
∫ ∫
−=
−===
dA yc
dA
c
ydA F
m
m x x
σ
σ σ
0
0
O momento estático da secçãotransversal em relação ao eixoneutro deve ser zero. Logo, o eixoneutro deve passar no centrogeométrico da secção.
• No equilíbrio estático,
2
Substituindo
x m
m m
m
x m
x
y M y dA y dA
c
I M y dA
c c
Mc M
I W
y
c
My
I
σ σ
σ σ
σ
σ σ
σ
= − = − −
= =
= =
= −
= −
∫ ∫ ∫
Superfície Neutra
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Propriedades da Secção Recta da Viga Cap. 4
• A máxima tensão normal devida à flexão é,
momento de inercia no plano
modulo de resistencia
m
Mc M
I W
I
I
W c
σ = =
=
= =
Uma secção recta com maior módulo deresistência terá uma tensão máxima mais baixa
• Considere uma secção recta rectangular,31
312 1 16 62
bh I W bh Ah
c h= = = =
Entre as duas barras com secções rectas com amesma área, a barra com maior altura serámais resistente à flexão.
A=24cm2
h=8cmh=6cm
b=3cmb=4cm
• As vigas estruturais são projectadas para teremum elevado módulo de resistência.Perfil HPerfil I
L.N.
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Propriedades de Perfis – Norma Europeia Cap. 4
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Deformações na Secção Recta Cap. 4
• Embora as secções rectas se mantenham planas asdeformações nos eixos yy e zz não são nulas.
ρ
ν νε ε
ρ
ν νε ε
y y x z x y =−==−=
• A expansão acima da superfície neutra e acontracção abaixo da mesma superfície causauma curvatura chamada de anticlástica.
1 curvatura anticlasticaν ρ ρ = =′
• A deformação devida ao momento flector équantificada pela curvatura da superfície neutra
EI M
I
Mc
Ec Ecc
mm
=
===11 σ ε
ρ
SuperfícieNeutra
Eixo Neutro dasecção recta
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Problema 4.2 Cap. 4
Uma peça de ferro fundido é solicitadapelo momento flector de 3 kN-m.Sabendo que E = 165 GPa edesprezando o efeito das
concordâncias, determine (a) as tensõesmáximas de tracção e de compressãona peça, (b) o seu raio de curvatura.
SOLUÇÃO:
• Baseado na geometria da secção rectacalcula-se o centro geométrico e omomento de inércia.
( )∑ +=∑∑= ′
2d A I I A
A yY x
• Aplica-se a expressão da tensão
devida a momentos para achar astensões máximas de tracção e decompressão.
I
Mcm =σ
• Calcula-se o raio de curvatura
EI
M =ρ
1
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Problema 4.2 Cap. 4
SOLUÇÃO:
Baseado na geometria da secção recta calcula-se o centro geométrico e o momento deinércia.
mm383000
10114 3=
×=
∑∑=
A
A yY
∑ ×==∑
×=××=×
3
3
3
32
101143000
104220120030402
109050180090201
mm,mm,mmArea,
A y A
A y y
( ) ( )49-3
2312123
121
231212
m10868mm10868
18120040301218002090
×=×=
×+×+×+×=
∑ +=∑ +=′
I
d Abhd A I I x
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Problema 4.2 Cap. 4
• Aplica-se a expressão da tensão devida amomentos para achar as tensões máximas detracção e de compressão.
49
49
mm10868
m038.0mkN3mm10868
m022.0mkN3
−
−
×
×⋅−=−=
×
×⋅==
=
I
c M
I
c M I
Mc
B B
A A
m
σ
σ
σ
MPa0.76+= Aσ
MPa3.131−= Bσ
• Calcula-se o raio de curvatura
( )( )49- m10868GPa165
mkN3
1
×
⋅=
=
EI
M
ρ
m7.47
m1095.201 1-3
=
×= −
ρ
ρ
Centro de Curvatura
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Flexão em Membros com Diversos Materiais Cap. 4
• A deformação normal varia linearmente.
ρ ε
y
x −=• As tensões são dadas por
ρ ε σ
ρ ε σ
y E E
y E E x x
222
111 −==−==
E o eixo neutro deixa de passar pelocentro geométrico da secção.
• As forças elementares na secção são
dA y E dAdF dA y E dAdF ρ
σ ρ
σ 222
111 −==−==
• Considere uma viga de materialcompósito formada por dois materiaiscom E 1 e E 2.
L.N.
( )( )
12112 E
E ndAn
y E dA
ynE dF =−=−= ρ ρ
• Obtem-se uma relação, n,
x x
x
n
I
My
σ σ σ σ
σ
==
−=
21
L.N.
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Exemplo 4.3 Cap. 4
SOLUÇÃO:• Transforme a barra numa secção recta
equivalente inteiramente de latão.
• Determine as propriedades da novasecção recta equivalente de latão.
• Calcule a máxima tensão nesta secçãotransformada. Esta é a tensão correcta naspartes de latão da peça.
• Determine a máxima tensão na porção
de aço multiplicando a tensão calculadapara o latão pelo racio dos módulos deelasticidade.
A barra é composta por uma uniãode partes de aço ( E s = 200GPa) elatão ( E b = 100 GPa). Determine atensão máxima no aço e no latão
sabendo que a barra está sujeita aflexão pura por um momentoM=5KNm.
20mm
10mm10mm
75mm
LatãoLatão
Aço
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Exemplo 4.3 Cap. 4
• Determine as propriedades da nova secção recta
equivalente de latão.( )( )
331 112 12
6 4
60 75mm
2.109*10
T I b h mm
mm
= =
=
SOLUÇÃO:
• Transforme a barra numa secção rectaequivalente inteiramente de latão
2002.0
100(20 )*(2.0) 40,0
s
b
T
E GPan
E GPa
b mm mm
= = =
= =
• Calcule as tensões máximas( )( )
6 4
5 kNm 37.5 mm88.9 MPa
2.109*10 mmm
Mc
I σ = = =
( )
( )max
max2.0 88.9 177.8
b m
s mn MPa
σ σ
σ σ
=
= = × =( )
( )max
max
88.9 MPa
177.8 MPab
s
σ
σ
=
=
20mm
10mm10mm
75mm
LatãoLatão
Aço
10mm10mm 40mm
75mm
C=37,5mm
60mm
Latão
L.N.
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Betão Pré-Esforçado Cap. 4
• As vigas de betão sujeitas a momentos sãoreforçadas com barras de ferro.
• Para determinar a localização do eixo neutro,
( ) ( )
0
022
21 =−+
=−−d An x An xb
xd An
x
bx
s s
s
• As barras de ferro suportam o esforço detracção, abaixo da superfície neutra. Na zona
superior à superfície neutra, o cimento suportaos esforços de compressão.
• Na secção transformada a área da secção recta do
aço, A s , é substituída por uma área equivalentenA s where n = E s /E c.
L.N.
• A tensão normal no aço e no cimento é dada por:
x s xc
x
n
I
My
σ σ σ σ
σ
==
−=
L.N.
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Problema 4.4 Cap. 4
SOLUÇÃO:
• Transforme a secção numa secçãointeiramente de cimento.
• Determine as novas propriedadesgeométricas desta nova secção.
• Calcule as tensões máximas noaço e no cimento.
Uma lage de chão é reforçada com varõesde aço de 16 mm de diâmetro localizados 25mm acima da face inferior da lage e com um
espaçamento de 125 mm entre eixos. Omódulo de elasticidade do betão é de 20Gpa e o do aço de 200 Gpa. Sabendo que alage está submetida, em cada metro de
largura, a um momento de 12 KNm,determine: a) a tensão máxima no betão e b)a tensão no aço.
100mm
125mm
125mm
125mm
125mm
125mm
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Problema 4.4 Cap. 4
SOLUÇÃO:
• Transforme a secção numa secção inteiramentede cimento.
( )2 3 2
4
200 GPa10
20 GPa10*8 0,016 1,608*10
a
b
s
E n
E
nA m mπ −
= = =
= = • Determine as novas propriedades geométricas
desta nova secção.
( )
( )( ) ( )( )
3
3 23 6 413
(1 ) (16.08*10 ) 0,10 0 0.042872
1 0.04287 16.08*10 0.10 0.04287 78.75*10
xm x m x x mm
I cm
−
− −
− − = =
= + − =
• Calcule as tensões máximas no aço e nocimento.
1-6 4
2-6 4
(12 kNm) (0.04287 )
78.75*10 m(12 kNm) (0.05713 )
1078.75*10 m
b
a
Mc m
I
Mc mmn
I
σ
σ
×= =
×= =
6.53b MPaσ =
87.1a
MPaσ =
1m
0,1m
0,1-x
L.N.
nAa=16,08*10-3m2
σb=6,53MPa
σa=87,1MPa
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Concentração de Tensões Cap. 4
As concentrações de tensão podem
ocorrer:
• Na vizinhança dos pontos deaplicação das cargas
I
Mc K
m =σ
• Na vizinhança dasdescontinuidades geométricas
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Cargas Excêntricas num Plano de Simetria Cap. 4
• As tensões devidas a uma carga descentrada sãodeterminadas pela sobreposição das tensõesuniformes devidas a uma carga centrada e a uma
distribuição linear de tensões devida ao momentoflector.
( ) ( )centrada flexao x x x
P My
A I
σ σ σ = +
= −
• Carregamentodescentrado
Pd M
P F
==
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Exemplo 4.07 Cap. 4
Um elo aberto de uma cadeia é obtido flectindo uma barra de aço, de baixo teor emcarbono, com 12 mm de diâmetro. Sabendo que a corrente deve suportar uma cargade 800 N, determine a) a tensão máxima de tracção e de compressão na parte
rectilinea do elo, b) a distância entre os eixos central e neutro de uma dada secçãotransversal.
SOLUÇÃO:
• Determinar as cargas equivalentes,centrada e momento flector
• Sobropor a tensão uniforme (carga
centrada) com a tensão linear(momento flector).
• Determinar a máxima tensão de
tracção e de compressão.• Encontrar o eixo neutro através da
determinação do ponto onde atensão normal é nula.
800N
800N
15mm
12mm
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J ( p )
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Exemplo 4.07 Cap. 4
• Carga centrada equivalente emomento flector
( )( )
800
800 0.015
12
P N
M Pd N m
Nm
=
= ==
d=15mm
800N
( )22
6 2
0 6 2
0.006
113.1*10
800
113.1*10
7.07
A c m
m
P N
A m
MPa
π π
σ
−
−
= =
=
= =
=
• Tensão normal devida àcarga centrada7,1MPa
( )
( )( )
441 14 4
9 4
9 4
0.006
1.018 10
12 0.006
1.018 10
70.7
m
I c m
m
Nm m Mc
I m
MPa
π π
σ
−
−
= =
= ×
= =×
=
• Tensão normal devidaao momento flector
70,7MPa
-70,7MPa
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p
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Exemplo 4.07 Cap. 4
• Tensões máximas de tracção e decompressão
0
0
7.1 70.7
7.1 70.7
t m
c m
σ σ σ
σ σ σ
= +
= += −= −
77.8t
MPaσ =
63.6c MPaσ = −
• Localização do eixo neutro
( )
0
9 4
0
0
1.018 10 m
7.07 12
My P
A I
P I
y MPa A M Nm
−
= −
×
= =
0 0.600 y m=
70,7MPa
-70,7MPa-63,6MPa
77,8MPa
7,1MPa
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Problema 4.8 Cap. 4
Determine a máxima força P que pode seraplicada à peça de ferro fundido representada,sabendo que a tensão admissível de tracção éde 30 Mpa e a tensão admissível de compressão
é de 120 Mpa.
SOLUÇÃO:
• Determinar as cargas equivalentes, centrada emomento flector
• Determinar as cargas críticas para as tensõesadmissiveis de tracção e de compressão.
• A carga admissível é a menor das cargascríticas.
Dados:
49
23
m10868
m038.0
m103
−
−
×=
=
×=
I
Y
A
• Sobropor a tensão uniforme (carga centrada)com a tensão linear (momento flector).
Secção a-a
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Problema 4.8 Cap. 4
• Determinar as cargas equivalentes, centrada emomento flector
0.038 0.010 0.028 m
carga centrada
0.028 momento flector
d
P
M Pd P
= − === = =
• Determinar cargas críticas p/ tensões admissiveis.
kN6.79MPa1201559
kN6.79MPa30377
=−=−===+=
P P
P P
B
A
σ
σ
kN0.77=
P
• Máxima carga admissível
• Subrepor as tensões (carga centrada e momento)
( )( )
( )( ) P
P P
I
Mc
A
P
P P P
I
Mc
A
P
A B
A A
155910868
022.0028.0
103
37710868
022.0028.0
103
93
93
−=×
−×
−=−−=
+=×
+×
−=+−=
−−
−−
σ
σ
Secção a-a
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Flexão Assimétrica ou Desviada Cap. 4
• Vamos agora considerar situações em que omomento flector não actua num plano desimetria da peça.
• Na generalidade dos casos, o eixo neutro dasecção não coincidirá com o eixo deactuação do momento.
• Não é possível admitir que a peça sedeforma no plano em que actua o binário.
L.N.
L.N.
L.N.
• O eixo neutro da secção recta coincidia como eixo do momento
• A análise da flexão pura tem sido limitada apeças com pelo menos um plano de simetria,com binários actuando nesse plano.
• As peças permaneciam simétricas
relativamente a esses planos.
L.N.
L.N.L.N.
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Flexão Assimétrica Cap. 4
Determinação das condições em que oeixo neutro de uma secção de forma
arbitrária coincide com o eixo deactuação do momento.
•
o vector do binário deve ter a direcção
de um eixo geométrico principal
0
ou 0
y x m
yz
y M z dA z dAc
yz dA I produto de inercia
σ σ = = = −
= = =∫ ∫
∫
• A força e o momento resultantes
da distribuição de tensões numaporção elementar da secçãodevem satisfazer as condições
0 x y z F M M M momento aplicado= = = =
•
o eixo neutro passa no centro
geométrico
0
ou 0
x x m
y
F dA dAc
y dA
σ σ
= = = −
=∫ ∫
∫
•
define a distribuição de tensões
ou M
z m
m z
y M M y dA
c
σ I I I momento de inercia
c
σ = = − −
= = =
∫
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Flexão Assimétrica Cap. 4
Subreposição é aplicada para determinar tensões, namaior parte dos casos, resultantes de flexão assimétrica.
• Decompor o vector momento nas componentes Mz
e My.
θ θ sincos M M M M y z ==• Sobrepor as tensões de cada plano
y
y
z
z x
I
y M
I
y M +−=σ
• No eixo neutro,
( ) ( )
θ φ
θ θ σ
tantan
sincos0
y
z
y z y
y
z
z x
I
I
z
y
I
y M
I
y M
I
y M
I
y M
==
+−=+−==
L . N .
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Exemplo 4.08 Cap. 4
Um binário de 200 Nm é aplicado auma viga de madeira com secçãotransversal rectangular de 40*90 mm,num plano que forma um ângulo de 30ºcom a direcção vertical. Determine a) atensão máxima na viga e b) o ânguloque a superfície neutra forma com oplano horizontal
SOLUÇÃO:• Decompor o vector momento nas
componentes Mz e My (eixosprincipais), e calcular as tensões
θ θ sincos M M M M y z ==
• Sobrepor as tensões de cada plano
y
y
z
z x
I
y M
I
y M +−=σ
• Determinar o ângulo da eixo neutro.
θ φ tantan y
z
I
I
z
y ==
90mm
40mm
200Nm
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Exemplo 4.08 Cap. 4
• A máxima tensão de tracção ocorre em A
max 1 2 3.21 4.17σ σ σ = + = + max 7.38 MPaσ =
• Decompor o vector momento nas componentes Mz e My
(eixos principais), e calcular as tensões
( )
( )
( )( )
( )( )
( )( )
3 6 4112
3 6 4112
1 6 4
200 cos30 173, 2
200 sin 30 100
0.040 0.090 2.43*10
0.090 0.040 0.480*10
A maxima tensao de tracçao devida a ocorre ao longo de
173, 2 0.045 3.22,43*10
z
y
z
y
z
z
z
M Nm Nm
M Nm Nm
I m m m
I m m m
M AB
Nm m M y
I mσ
−
−
−
= =
= =
= =
= =
= = =
( )( )
2 6 4
1
A maxima tensao de tracçao devida a ocorre ao longo de
100 0.0204.17
0.480*10
y
y
y
MPa
M AD
M z Nm m MPa
I mσ
−= = =
20mm
45mm
200Nm
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Exemplo 4.08 Cap. 4
• Determinação do ângulo do eixo neutro.
6 4
6 4
2.43*10tan tan tan 30
0.480*10
2.92
z
y
I m
I mφ θ
−
−= =
=
º71.1φ =
S .
N .
-7,38MPa
7,38MPa
E i x o n e u t r o
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C G l d C t A i l E ê t i C 4
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Caso Geral de Carregamento Axial Excêntrico Cap. 4
• Considere o membro linear sujeito a cargasexcêntricas, iguais e opostas.
• A carga excêntrica é equivalente a um sistema
com uma carga concêntrica e dois momentos.carga centrada
y z
P
M Pa M Pb
== =
• Pelo principio da sobreposição, adistribuição das tensões é
y
y
z
z x
I
z M
I
y M
A
P +−=σ
• Se o eixo neutro estiver contido na secção,pode ser encontrado por:
A
P z
I
M y
I
M
y
y
z
z =−
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E ercícios Resol idos Cap 4
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Exercícios Resolvidos Cap. 4
Dois momentos iguais e opostos de
magnitude M=15 kNm são aplicados àviga AB mostrada, com secção em C.Sabendo que o binário provoca umaflexão da viga no plano horizontal,
determine as tensões: a) no ponto Cb) no ponto Dc) no ponto E
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Exercícios Resolvidos Cap 4
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Exercícios Resolvidos Cap. 4
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Exercícios Resolvidos Cap 4
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Exercícios Resolvidos Cap. 4
Um binário de magnitude M é aplicado a
uma barra de secção recta quadrada, delado a. Para cada uma das orientaçõesmostradas, determine a máxima tensãoinstalada na barra, e a curvatura da barra.
Para um triângulo, o momento de
inércia em relação à base é dado por:
Solução
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Exercícios Resolvidos Cap. 4
Determine a tensão no ponto A e B,
a) para as cargas mostradas,b) para cargas de 60 kN aplicadas somente nos pontos 1 e 2.
a) Carga centrada
b) Carga descentrada
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Exercícios Resolvidos Cap. 4
A porção vertical do grampo da figura consiste num tubo rectangular com uma
espessura de 12 mm. Sabendo que o grampo deve ser apertado até que as forçasnos mordentes atinjam 6 KN, determine as tensões:
a) no ponto A
b) no ponto B
250mm100mm
100mm
75mm
Secção a-a
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Exercícios Resolvidos Cap. 4
Uma força vertical P de magnitude 20
KN é aplicada no ponto C, localizadonum eixo de simetria da secção recta dapequena coluna da figura. Sabendo quey=125 mm, determine:
a) a tensão no ponto Ab) a tensão no ponto Bc) a localização do eixo neutro 50mm 50mm
25mm
100mm
50mm
75mm 75mm
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Exercícios Propostos Cap. 4
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Exercícios Propostos Cap. 4
Um momento flector de 200 Nm é aplicado noplano A-A, cuja secção está na figura. Qual a
máxima tensão instalada nesta viga?
Um veio circular oco de 4cm de diâmetroexterior, 3cm de diâmetro interior, suportauma carga de 200 N. Sabendo que x=1mcalcule a máxima tensão devida à flexão.
Uma place de 1 cm de espessura, de aço (E = 200 GPa) tem as descontinuidades geométricas mostradas.As dimensões são D = 3 cm, d = 1.5 cm, e r = 3 mm. Qual a máxima tensão instalada quando é aplicado ummomento flector de 200 Nm?
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Exercícios Propostos Cap. 4
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Exercícios Propostos Cap. 4
O grampo em C é maciço e de secção circular de 2 cm
de diâmetro. Qual a máxima tensão na secção A-Aquando ele é ajustado até uma força F = 500 N?
A viga em C (C250*45) tem o carregamento
indicado. Quando z = 1 m qual a máxima forçaque a viga pode suportar para que a tensão nãoultrapasse 200 MPa?
A viga em I (IPE 300) apresentada na figura é carregada conforme a figura. Quando, x = 0.75 m, F 1
= 200 N, e F 2 = 500 N, qual a máxima tensão instalada na viga?
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Exercícios Propostos Cap. 4
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e c c os opostos Cap.
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Exercícios Propostos Cap. 4
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p p