Exercícios Resolvidos de Colunas com cargas excêntricas

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Enunciado

A coluna W 200 × 22 de aço estrutural A - 36 está engastada no topo e na base. Se suportar os momentos M = 35   k N . m nas extremidades, determine a força axial P que pode ser aplicada. Ocorre flexão em torno do eixo x x . Use a fórmula da interação com σ f   ( a d m ) = 168   M P a .

Passo 1

Pessoal, nesse caso o problema já forneceu o momento e pede a maior força axial P que pode ser aplicada. Então a gente vai precisar calcular a tensão admissível através daquelas equações tabeladas e do índice de esbeltez.

Passo 2

Vamos começar calculando o índice de esbeltez da coluna

K L r

Como a coluna está engastada na base e no topo temos que K = 0,5 , a altura da coluna é L = 4,8   m , agora falta achar o raio de giração r , que pode ser achado através da relação entre o momento de inércia e a área.

I = A . r 2

O momento de inércia é o do perfil W 200 × 22 , lembrando que para calcular o raio de giração precisamos do menor momento de inérica. Assim temos que

I = 1,42.10 - 6   m 4

E a área

A = 2860   m m 2 = 2,86.10 - 3   m 2

Sendo assim vamos ter o raio de giração

r = I A

r = 1,42.10 - 6 2,86.10 - 3

r = 0,0223   m

Logo, podemos calcular o valor do índice de esbeltez:

K L r = 0,5 × 4,8 0,0223 = 107,62

E o índice de esbeltez comparativo. Esse valor é inerente ao material, não dependendo da geometria da coluna:

K L r c = 2 π 2 E σ e

Aqui a gente tem que olhar nas tabelas para o aço A - 36 e achar:

E = 200   G P a

σ e = 250   M P a

K L r c = 2 π 2 ( 200.10 9 ) 250.10 6

K L r c = 125,66

Show! Agora temos os dois valores e podemos utilizar a tabela para fazer a comparação e saber qual equação utilizar.

Passo 3

A tabela é a seguinte.

Como a gente já calculou os dois índices de esbeltez, basta comparar os termos e vamos ter:

107,62 < 125,66

Logo,

K L r < K L r c

Ou seja, vamos utilizar a segunda equação para o cálculo da tensão admissível.

σ a d m = 1 F S   .     1 - K L r 2 2 K L r c 2 σ e

É claro que temos que calcular F S antes, logo:

F S = 5 3 + 3 8 K L / r K L / r c - 1 8 K L / r 3 K L / r 3 c  

Assim, vamos ter:

F S = 5 3 + 3 8 107,62 ( 125,66 ) - 1 8 107,62 3 125,66 3  

F S = 1,667 + 0,3212 - 0,0785  

F S = 1,91

Agora podemos calcular o valor da tensão admissível

σ a d m = 1 1,91   .     1 - 107,62 2 2 ( 125,66 ) 2 250

Logo, vamos obter

σ a d m   ( c e n t r a d a ) = 82,89   M P a

Passo 4

Agora podemos aplicar a equação da interação:

Para a tensão de flexão vamos precisar do momento de inércia I e da distância c . O próprio problema nos diz que a flexão ocorre em torno do eixo x x logo, tirando da tabela de perfis de abas largas para o perfil W 200 × 22 :

I x x = 20.10 - 6   m 4

E o valor de c é a metade da altura d (na tabela a altura é d mesmo! kkk)

c = d 2 = 206 2 = 103   m m

O resto dos valores nós já temos então vamos substituir na equação

P / A σ a d m   ( c e n t r a d a ) + M . c / I σ a d m   ( f l e x ã o ) ≤ 1

( P / 2,86.10 - 3 )   82,89.10 6 + ( 35000 × 0,103 ) / ( 20.10 - 6 ) 168.10 6 ≤ 1

4,218.10 - 6 P + 1,0729 ≤ 1

F A L S O ‼ !

Perceba que não existem valor de P para que essa equação seja satisfeita. Sendo assim, apenas o momento fletor já é suficiente para fazer com que ocorra flambagem!

Passo 5

Uai não acabou o problema não???

Acabou gente!!! Mas eu vi aqui que no gabarito do livro e em alguns solucionários o resultado dá 4,52   k N e achei necessário explicar isso para vocês porque pode causar uma certa confusão.

Tanto no gabarito do livro quanto nesses solucionários eu não sei porque utilizaram M = 32   k N . m ao invés de M = 35   k N . m . Capaz de ser um erro do próprio livro. De qualquer forma vou fazer utilizando M = 32 k N . m para vocês entenderem:

P / A σ a d m   ( c e n t r a d a ) + M . c / I σ a d m   ( f l e x ã o ) ≤ 1

( P / 2,86.10 - 3 )   82,89.10 6 + ( 32000 × 0,103 ) / ( 20.10 - 6 ) 168.10 6 ≤ 1

4,218.10 - 6   P + 0,98095 ≤ 1

P ≤ 4,52   k N

Então a carga máxima, neste caso, se torno P = 4,52   k N . Beleza galera?

Além disso a gente tem que verificar se podemos utilizar esse método:

σ a x i a l σ a x i a l   ( a d m ) < 0,15

P / A 82,89.10 6 < 0,15

4,52.10 3 / 2,86.10 - 3 82,89.10 6 < 0,15

0,019 < 0,15     O K !

Como deu dentro do esperado então podemos utilizar o método! Mas isso só valeria se M = 32   k N . m beleza?

E aí, isso te ajudou???

Resposta

Quando M = 35   k N . m :

4,218.10 - 6 P + 1,0729 ≤ 1

F A L S O ‼ !

Perceba que não existem valor de P para que essa equação seja satisfeita. Sendo assim, apenas o momento fletor já é suficiente para fazer com que ocorra flambagem!

Ou, considerando M = 32   k N . m :

P = 4,52   k N

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