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1 Universidade Estadual de Campinas Faculdade de Engenharia Civil Departamento de Estruturas IC-908-L – TÓPICOS EM ENGENHARIA DE ESTRUTURAS VIII 2º LISTA DE EXERCÍCIOS Aluno: Engº Fábio Albino de Souza

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Universidade Estadual de CampinasFaculdade de Engenharia CivilDepartamento de Estruturas

IC-908-L – TÓPICOS EM ENGENHARIA DE ESTRUTURAS VIII

2º LISTA DE EXERCÍCIOS

Aluno: Engº Fábio Albino de Souza

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1º Questão

1 -) Demonstrar a torção em uma seção retangular.

Resposta:

Torção em elementos prismáticos

Consideramos a torção livre de um sólido prismático, elástico através de momentos no fim dos elementos equilibrando-os, como mostrado em Figo. 01. O eixo longitudinal do prisma coincide com o eixo-z de nosso RCS,(sistema de referência de coordenadas) e a superfície lateral do prisma é paralela ao eixo-z. A (constante) secção transversal do prisma é denotada pelo símbolo A,e o contorno é o C.

Fig 01 – Torção em um prisma

Para muitos problemas será vantajoso definir uma função analítica F(z) = Φ + iΨ de variável complexa z= x+iy onde

É mostrado na teoria de funções analíticas de uma variável complexa que a realidade, conjugado funções Φ (função empenamento) e Ψ (função contorno) satisfaz equações de Cauchy-Riemann.

1i

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Para simplificar a condição de contorno no problema de torção, Ludwig Prandtl (1875-1953) propôs uma função de tensão tal que

Em substituição em obtemos

e olhando e

1º Questão

1 -) Demonstrar a torção em uma seção retangular.

Continuação Resposta:

xyyx

,

e que ambos Φ e Ψ são funções harmônicas, que é:

02 em A

)(21 22 yx

),( yx

)(21 22 yx 02

22 em A

)(21 22 yx kyx )(

21 22 em C onde k é uma constante

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1º Questão

1 -) Demonstrar a torção em uma seção retangular.

Continuação Resposta:

Concluimos que:

k em C

Para seções retangulares

22

Para seções retangulares vamos buscar soluções dos problemas apartir de equações anteriores.

k em COnde C é o retângulo como mostrado abaixo:

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1º Questão

1 -) Demonstrar a torção em uma seção retangular.

Continuação Resposta:

Vamos começar com desenvolvimento da constante -2 dentro alcance da metade da série dos co-senos Fourier, que é:

xn n

n

n

cos)12(

)1(820

,)12(a

nn

22axa

Agora, admitimos uma solução produto:

xyfyx nn

n cos)(),(0

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1º Questão

1 -) Demonstrar a torção em uma seção retangular.

Continuação Resposta:

Por substituição de exn n

n

n

cos)12(

)1(820

Dentro de , nós obtemos:

xyfyx nn

n cos)(),(0

22

)12()1(82

2

2

n

fdyfd n

nnn

E é mostrado com prazer que:

)12()1(18sinhcosh 2

nyByAf

n

nnnnnn

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1º Questão

1 -) Demonstrar a torção em uma seção retangular.

Continuação Resposta:

Equação satisfaz a condiçãoxyfyx nn

n cos)(),(0

e devido a , isto requer que k=0.

0),2/ ya

k

De acordo com , nós também requeremos ou se equivale a:k 0)2/,( bx 02

bf n

Por substituição em nós obtemos)12(

)1(18sinhcosh 2

n

yByAfn

nnnnnn 0

2

bf n

0nB

)2/cosh(1

)12()1(18

2 bnA

n

n

nn

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1º Questão

1 -) Demonstrar a torção em uma seção retangular.

Continuação Resposta:

E substituindo estas constantes em

xyfyx nn

n cos)(),(0

)12()1(18sinhcosh 2

nyByAf

n

nnnnnn

e resulta em: (veja->)

xby

nayx n

n

n

n

n

cos

)2/cosh(cosh

1)12(

)1(8),(0

33

2

Se nós empregamos a expansão do meio da série dos co-senos Fourier

0

33

22

2

cos)12(

)1(84 n

n

n

xn

axa 22

axa

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1º Questão

1 -) Demonstrar a torção em uma seção retangular.

Continuação Resposta:

Então podemos escrever da seguinte forma:xby

nayx n

n

n

n

n

cos

)2/cosh(cosh1

)12()1(8),(

033

2

x

by

naxayx n

n

n

n

n

cos

2/coshcosh

1218

4,

033

22

2

Com a ajuda de e y

Gxz

xGyz

x

by

naxayx n

n

n

n

n

cos

2/coshcosh

1218

4,

033

22

2

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1º Questão

1 -) Demonstrar a torção em uma seção retangular.

Continuação Resposta:

Nós podemos obter as tensões de cisalhamento (cortantes) que são:

0

22 2/cosh12cossinh18

n n

nnn

xz bnxyGa

022 2/cosh12

sincosh142n n

nnn

yz bnxy

axGa

E substituindo a nos campos da equação

abaixo

x

by

naxayx n

n

n

n

n

cos

2/coshcosh

1218

4,

033

22

2

A

dAy

yx

xGD )(

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1º Questão

1 -) Demonstrar a torção em uma seção retangular.

Continuação Resposta:

O momento de torção é:

055

3

122/tanh1921

31

n

n

nb

babaGD

Não é difícil de mostrar que no presente caso

42/cosh12

cos182

2

033

22 iabn

zaiziizFn n

nn

Então que:

0

33

2

2/cosh12sinsinh18

n n

nnn

bnxyaxy

0

33

222

2

2/cosh12coscosh18

21

4 n n

nnn

bnxyaxya

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1º Questão

1 -) Demonstrar a torção em uma seção retangular.

Continuação Resposta:

A seguir nós assumimos que b ≥ a. Então a maior tensão cisalhamento acontecerá em (x,y)=(a,0).

Usando nós podemos escrever

Onde:

022 2/cosh12

sincosh142n n

nnn

bnxy

axGayz

akGayz 0,max

023 2/cosh121412

n nbnk

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1º Questão

1 -) Demonstrar a torção em uma seção retangular.

Continuação Resposta:

Então podemos listar valores numéricos em uma Tabela (abaixo) para valores específicos de a/b.

Isto é conveniente escrito na forma:

Onde:

055

3

122/tanh1921

31

n

n

nb

babaGD

baGkD 31

0551 122/tanh1921

31

n

n

nb

bak

Tabela de Constantes

Seção Retangular (Torção)

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1º Questão

1 -) Demonstrar a torção em uma seção retangular.

Continuação Resposta:

Em vista de e akGayz 0,max

023 2/cosh121412

n nbnk

baGkD 31

0551 122/tanh1921

31

n

n

nb

bak

Nós podemos escrever:

13

maxbkaak

G

bak 2

2

1max

kk

k 12

Valores numéricos de k1 e k2 estão disponíveis na Tabela de Constantes para uma relação de valores específicos de b/a.

A figura ao lado mostra o mapa de contorno da função empenamento Ø (x,y) para a seção quadrada.

Estes são obtidos com a ajuda da equação

e a=b

0

33

2

2/cosh12sinsinh18

n n

nnn

bnxyaxy

Mapa de Contorno da Função Empenamento

Para seção quadrada

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► Bibliografia

Apostila Resistência dos Materiais – Prof. Nilson Tadeu Mascia

Notações de aula: Complementos Resistência dos Materiais – Prof. Nilson Tadeu Mascia

Timoshenko, Goodier – Teoria da Elasticidade – 3º Edição -

Heymann, Jacques. –Elements of stress analysis , Cambridge University Press.

Féodosiev, V.. –Resistência dos Materiais.- Edições Lopes da Silva, 1977

Boresi, Arthur – Sidebotoom Omar M., –Advanced Mechanics of Materials , Fourth Edition , John Wiley & Sons

Ugural A. C, Fenster S.K. – Advanced Strength and Applied Elasticity, Second Edition Elsevier