Capítulo 2 Cargas e esforços

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1 Cargas e esforços Professora Elaine Toscano Capítulo 2 Cargas e esforços 2.1 Cargas té o presente momento foram adotadas apenas cargas concentradas e cargasmomento nos exemplos, no entanto, na prática, o tipo mais usual de carregamento é o distribuido. Como principal exemplo podese citar o peso próprio da estrutura: vigas, lajes, etc. De uma forma geral, todas as forças aplicadas sobre uma estrutura são transmitidas através de uma superfície de contato. Uma carga é dita concentrada quando a área dessa superfície de contato é tão pequena que pode ser considerada nula, sem que o erro cometido com essa simplificação seja significativo para efeitos de cálculo estrutural. Caso contrário, a carga é considerada distribuída. Um exemplo de carga concentrada é o caso de vigas secundárias descarregando suas reações sobre vigas principais. Neste caso, a viga principal ira ter um carregamento distribuido (proveniente do seu peso próprio e de outras solicitações contínuas) e cargas concentradas onde estão apoiadas as vigas secundárias Tipos principais de cargas distribuídas Os tipos mais usuais de cargas distribuídas que ocorrem na prática em estruturas compostas de barras (que podem ser representadas pelos eixos longitudinais de seus elementos) são as cargas uniformemente distribuídas e as cargas triangulares (mais comum em casos de empuxos de terra e de água). forma de representalas em um modelo estrutural pode ser vista abaixo: Carga uniformemente distribuída q q Carga triangular 2.2 Cargas equivalentes Para efeito deo cálculo das reações de apoio utilizase o conceito de cargas equivalentes para se trabalhar com a resultante de um carregamento distribuido. Como uma carga distribuída pode ser encarada como uma soma infinita de cargas concentradas aplicadas sobre áreas infinitesimais (q.), a resultante de um carregamento distribuído genérico como o mostrado na figura abaixo será igual a: Ultima atualização em 29/6/

2 postila de Isostática Professora Elaine Toscano B R = q. ou seja, a carga equivalente é igual à área limitada entre a curva que define a variação do carregamento e o eixo da estrutura q o O ponto de aplicação dessa resultante é definido pela abscissa s do centro de gravidade dessa área. s s q.d R B s Recordando 3 Centros de gravidade O centro de gravidade ou baricentro de um corpo é o ponto onde pode ser pensado que toda a massa do corpo está concentrada para o cálculo de vários efeitos relacionados com a gravidade. Em figurtas planas de massa homogênea o centro de massa coincide com o centro de gravidade. Para n partículas, cada uma com posição r i e massa m i, o centro de massa R é dado por: R 1 M = m r i i Onde m i é a massa de cada uma das partículas, M é a massa do corpo, r i é a posição de cada partícula O anexo 1 apresenta uma tabela com os centros de massa das principais figuras geométricas. 2.3 Esforços seccionais té o presente momento já foram estudadas as reações de apoio através da aplicação das equações de equilíbrio. No entanto, o principal objetivo do estudo das estruturas isostáticas é determinar de que forma as solicitações das cargas influenciam cada uma das seções de um corpo. ó a partir da quantificação destes esforços seccionais tornase possível dimensionar uma estrutura com propriedades geométricas e materiais adequados para resistir a tais esforços. Esforços seccionais são os efeitos estáticos que um conjunto de cargas e reações de apoio provocam em cada uma das seções transversais da peça em estudo.. 16

3 Cargas e esforços Professora Elaine Toscano Considerese em equilíbrio um corpo submetido a um conjunto de forças (carregamentos e reações de apoio). o secionalo por um plano P, que o intercepta segundo uma seção, o corpo é dividido em duas partes e B. Para manutenção do estado de equilíbrio em cada uma das partes, é necessário aplicar na seção um sistema estaticamente equivalente ao das forças aplicadas na parte suprimida. Tal sistema estático pode sempre ser desmembrado em um vetor força (R) e um vetor momento (M) aplicados no centro de gravidade da seção. ssim se definem os esforços seccionais em uma seção de uma peça, os quais podem ser quantificados utilizandose todas as forças atuantes à esquerda da seção OU utilizandose as forças à sua direita. 1.1 P M R R B M Nota: Um engano comum é o aluno confundir o somatório das forças e momentos (equações de equilibrio) com as equações que devem ser usadas para o cálculo dos esforços seccionais. É sempre útil frizar que enquanto no primeiro caso são utilizadas todas as cargas atuantes na estrutura para a determinação das reações de apoio, no segundo caso se utiliza apenas um dos dois lados da seção para a determinação dos esforços seccionais, até porque, caso fossem usadas as cargas de ambos os lados, o resultado seria sempre nulo (conforme definição de um corpo em equilíbrio). Ultima atualização em 29/6/

4 postila de Isostática Professora Elaine Toscano Quadro 5 istema estaticamente equivalente abendo+ figura abaixo é capaz de mostrar que para se reduzir um sistema de forças qualquer a um determinado ponto no espaço, basta transferir todas as forças para esse ponto, acrescentando, para cada uma delas, seu momento em relação ao ponto. F F F F = O = F O m Podese dizer, portanto, que todo sistema de forças é redutível a um sistema estaticamente equivalente, composto de uma força resultante R e de um momento resultante m em relação a qualquer ponto O do espaço. Decompondose o vetor R em uma componente perpendicular à seção e outra situada no próprio plano P, obtemos, respectivamente, o esforço normal e o esforço cortante atuantes na seção, podendo ainda este último ser decomposto em duas componentes, nas direções dos dois eixos de referência ortogonais à normal ao plano P. Da mesma forma, se o vetor M for decomposto em uma componente normal e outra no plano P, teremos, respectivamente, os momentos torçor e fletor. ssim como o esforço cortante, o momento fletor pode ser decomposto em duas componentes ortogonais entre si, nas direções dos dois eixos coordenados situados no plano P. Numa seção transversal s de uma barra de uma estrutura espacial qualquer, tomandose um sistema de eixos coordenados onde o eixo x tem a direção longitudinal à barra, são, portanto, seis os esforços seccionais considerados: N(s) esforço Normal = Rx Q y (s) componente do esforço cortante na direção y = Ry Q z (s) componente do esforço cortante na direção z = Rz T(s) momento torsor = Mx M y (s) componente do momento fletor na direção y = My M z (s) componente do momento fletor na direção z = Mz No caso particular dos quadros planos, as cargas atuantes, necessariamente contidas no plano da estrutura, fazem com que tenhamos apenas três tipos de esforços seccionais a considerar: momento fletor, esforço normal e esforço cortante. Da mesma forma, como, por definição, as cargas nas grelhas planas são sempre perpendiculares ao plano da estrutura, tais estruturas só admitem três tipos de esforços seccionais: momento fletor, momento torçor e esforço cortante. 18

5 Cargas e esforços Professora Elaine Toscano Esforço normal (N) O esforço normal em uma seção transversal da barra é a soma de todas as forças ligadas a seção por um lado ou pelo outro, projetadass na direção do eixo da barra (normal à seção). O esforço normal é: positivo na tração (forças saindo da seção ) e negativo na compressão (forças entrando na seção ) N(+) N() Esforço cortante (Q) O esforço cortante em uma seção transversal da barra é a soma de todas as forças ligadas a seção por um lado ou pelo outro, projetadas na direção perpendicular ao eixo da barra.. Como o corpo encontrase em equilíbrio, o somatório das forças calculado de um lado terá sempre módulo igual e direção contraria ao somatório realizado utilizandose as forças do outro lado da seção. Desta forma, podese dizer que estas forças se representam como se formassem um binário. Esta analogia é útil para a definição de sinais. O esforço cortante é: positivo quando o binário parece atuar no sentido horário e negativo quando o binário parece atuar no sentido antihorário Q(+) Q() Ultima atualização em 29/6/

6 postila de Isostática Professora Elaine Toscano Momento fletor (M) O momento fletor em uma seção transversal da barra é a soma de todos os momentos produzidos pelas forças ligadas a esta seção por um lado ou pelo outro, considerandose apenas as componentes de momento em torno dos eixos do plano da seção transversal.. O momento fletor é positivo quando traciona as fibras inferiores da barra e negativo quando traciona as fibras superiores da barra. + M(+) M() Nota: Mais importante do que saber o sinal do momento é saber em que lado da barra as fibras estão tracionadas. No caso de barras verticais é preciso apenas identificar se o lado tracionado está a direita ou a esquerda.. lguns autores, a fim de eliminar a necessidade de escrever que fibras da seção estão sendo tracionadas, fazem um pontilhado de um lado das barras. ssim o momento será positivo quando tracionar o lado pontilhado e negativo em caso contrário. Quando forem estudados os diagramas de esforços, o diagrama de momentos fletores será sempre traçado no lado tracionado Momento torçor (T) O momento torçor em uma seção transversal da barra é a soma de todos os momentos produzidos pelas forças ligadas a esta seção por um lado ou pelo outro, considerandose apenas as componentes de momento em torno do eixo perpendicular a seção transversal, isto é, na direção da barra.. O momento torçor é: positivo quando o vetor de seta dupla parece estar saindo da seção e negativo quando o vetor de seta dupla parece estar entrando na seção + T(+) T() 20

7 Cargas e esforços Professora Elaine Toscano Quadro 6 importância dos esforços secionais abendo+ O conhecimento de exemplos práticos de atuação dos esforços secionais sempre motiva mais o aprendizado do cálculo destes esforços. O esforço normal, além de ser o principal esforço em pilares, também se encontra em escoras, cabos de aço para estaiamento, barras de treliças de telhados, coberturas, entre outros. Conhecer o tipo de esforço predominante em uma estrutura ajuda até na escolha dos materiais em uma fase de préprojeto. Por exemplo: uma estrutura submetida fundamentalmente a esforços de tração deve priorizar materiais como o aço, que possuem alta resistência a tração. No caso de estruturas submetidas fundamentalmente a compressão, o concreto continua sendo a melhor alternativa. Por causa destas propriedades físicas do concreto e do aço, o momento fletor é de grande importância no dimensionamento das estruturas de concreto armado. flexão, tão comum em vigas e lajes, provocaria fissuras no lado tracionado do concreto se não fossem usadas as armaduras de aço. É por esta razão que os diagramas de momentos fletores são desenhados do lado tracionado. Desta forma, as barras de aço longitudinais das vigas podem ser distribuidas de acordo com a magnitude e o sinal do momento fletor e são chamadas de armadura positiva quando utilizadas na parte inferior da viga e armadura negativa quando utilizadas na parte superior da viga O esforço cortante, além de ser necessário no dimensionamento de todos os tipos de estruturas, é fundamentalmente importante na escolha de parafusos para diversos tipos de ligações estruturais. De acordo com as solicitações de corte na ligação são adotados os tipos, áreas e a distribuição dos parafusos nas ligações. Quanto ao esforço torçor, é interessante observar o comportamento de duas seções transversais de mesma área e formatos diferentes quando submetidas a este esforço. s seções abertas, como os perfis metálicos do tipo I (muito utilizado para resistir a flexão), podem se deformar quando submetidas a torção (empenamento da seção transversal). Já as seções fechadas possuem maior resistência quando submetidas a esforços de torção. 2.4 Exercícios resolvidos 1) Calcular os esforços secionais nas seções indicadas para as estruturas abaixo: a) O primeiro passo para a resolução deste tipo de exercício é sempre calcular as reações de apoio, o que já foi feito no capítulo 1 deste livro (exercício resolvido 1a). Ultima atualização em 29/6/

8 postila de Isostática Professora Elaine Toscano pós o cálculo das reações basta preencher o quadro abaixo com os esforços atuantes na seção indicada. Esforço eção Unidade Normal (N)? KN Cortante (Q)? KN Fletor (M)? KN m Torçor (T)? KN m Como a estrutura e um caso de forças coplanares atuando no plano da estrutura, podese definir o torçor como nulo. Para o cálculo do esforço normal, basta somar todas as forças ligadas a seção por um lado ou pelo outro, na direção horizontal (direção da barra). Neste exemplo não existe força horizontal, então o esforço normal é zero. No caso do cortante consideramse as forças perpendiculares a barra. esquerda da seção há apenas a reação de 2kN para cima. Logo, o cortante vale 2kN (positivo). Para o cálculo do momento fletor, é mais fácil utilizar também o lado esquerdo. M = 2 2 = 4KNm Como utilizamos o lado esquerdo da seção para o cálculo, o momento traciona as fibras inferiores da seção (positivo). ssim temos: b) Esforço eção Unidade Normal (N) 0 KN Cortante (Q) +2 KN Fletor (M) +4 KN m Torçor (T) 0 KN m

9 Cargas e esforços Professora Elaine Toscano Utilizandose o cálculo das reações de apoio do capítulo 1 (exercício resolvido 1b) Para simplificar os cálculos, vamos considerar para 1 as forças ligadas a ela por baixo, para 2 as forças ligadas pela esquerda e para 3 as forças ligadas a ela por baixo. Para o esforço normal: E para o esforço cortante: eção 1: 1KN saindo da seção (tração) eção 2: 0: nenhuma força horizontal a esquerda. eção 3: 5KN:entrando na seção (compressão). eção 1: 0: nenhuma força horizontal abaixo eção 2:.1+4=5KN a esquerda de 2 eção 3: 2 respostas devem ser dadas. No cálculo do esforço cortante na seção 3, devese considerar ou não a força horizontal de 2KN aplicada na seção? resposta é simples. Considerar os dois casos e fornecer a resposta para uma seção 3i (imediatamene abaixo) e uma seção 3s (imediatamente acima). eção 3: baixo de 3 = 2KN cima de 3 = 22=0 E para o momento fletor: eção 1: 0: nenhuma força abaixo de 1 produz momento eção 2: 1 x 3 4 x 1 = 7KNm (tração superior) eção 3: 2 x 2 =4KNm (tracionando a direita). Esforço eção 1 eção 2 eção 3 3i 3s Unidade Normal (N) KN Cortante (Q) KN Fletor (M) (direita) KN m Ultima atualização em 29/6/

10 postila de Isostática Professora Elaine Toscano c) 1 2 H Força horizontal no primeiro apoio, adotada inicialmente para esquerda ( ) V Força vertical no primeiro apoio, adotada inicialmente para cima ( ) V B Força vertical no segundo apoio, adotada inicialmente para cima ( ) V n i= 1 n i= 1 n i= 1 X Y = 0 : V i i Mz = 0 : H i = 3kN + V M = = 28kN = 0 : B 4x3 = x3 = = 46kN 2 4x3 = 0 = 16x2 + 4 x4 (8x3) x V 2 B = 0 V B = = 18kN Para simplificar os cálculos, vamos considerar para 1 as forças ligadas a ela pela esquerda e para 2 as forças ligadas pela direita. Para o esforço normal: eção 1: 63=3KN entrando na seção (compressão) eção 2: 3kN entrando na seção (compressão). E para o esforço cortante: eção 1: 2816=12kN( à esquerda) eção 2:. 188x3= 6K( à direita) No cálculo do momento fletor na seção 1, devese considerar ou não o momento aplicado de 4KNm? Considerar os dois casos e fornecer a resposta para uma seção 1e (imediatamente a esquerda) e uma seção 1d (imediatamente à direita). E para o momento: eção 1e: 16 x x 1 = 20KNm (tração superior) eção 1d: 16 x x 1 4 = 24KNm (tração superior) eção 2: 18x3 +8 x 3 x 1,5 = 18 (tração inferior) eção Unidade Esforço eção 1 1e 1d 2 Normal (N) 3 3 KN Cortante (Q) KN Fletor (M) KN m 24

11 Cargas e esforços Professora Elaine Toscano 2) Calcular os esforços na seção para a estrutura tridimensional abaixo, cujas barras formam entre si apenas angulos de 90º.: Utilizandose o cálculo das reações de apoio do capítulo 1 (exercício resolvido 2). V = 10kN M x =52kN M y =6kN Tratase de uma grelha plana, isto é, temos q nos preocupar com os seguintes esforços: Cortante: = 6kN ( à esquerda) Momento Fletor: 4 x x 0 = 0 Momento Torçor: 4 x 3 2 x 3 = 6kNm saindo da seção Esforço eção Unidade Cortante (Q) 6 KN Fletor (M) 0 KN m Torçor (T) +6 KN m Ultima atualização em 29/6/

12 postila de Isostática Professora Elaine Toscano 2.5 Exercícios propostos 1) Calcular as reações de apoio e os esforços atuantes nas seções indicadas para as estruturas abaixo: a) b) c) 1 2 d)

13 Cargas e esforços Professora Elaine Toscano 2.6 Respostas dos exercícios propostos a) Esforço eção 1 Unidade 1e 1d Normal (N) 0 KN Cortante (Q) +4 0 KN Fletor (M) +8 KN m b) Esforço eção 1 eção 2 eção 3 Unidade Normal (N) KN Cortante (Q) KN Fletor (M) (esquerda) KN m Ultima atualização em 29/6/

14 postila de Isostática Professora Elaine Toscano c) Esforço eção 1 eção 2 Unidade Normal (N) 2 0 KN Cortante (Q) 0 4 KN Fletor (M) +12 4(direita) KN m d) eção 2 Unidade Esforço eção 1 eção 3 1e 1d 3e 3d Normal (N) KN Cortante (Q) KN Fletor (M) KN m 28