Enunciado

A coluna é usada para sustentar o piso superior, que exerce uma força de 3.000   l b no topo dela. O efeito da pressão do solo na lateral da coluna é distribuído como mostado na figura. Substitua esse carregamento por uma força resultante equivalente e especifique em que ponto a força atua ao longo da coluna, a partir de sua base em A .

Passo 1

Para encontrar a força total gerada por essa distribuição, primeiro precisamos calcular a área do trapézio na figura:

F 1 = 1 2 80 + 200 9 = 1260   l b

E essa força age na direção horizontal, apontando para a esquerda:

F → 1 = - 1260   i ^   l b

Além disso temos a força de 3000   l b vindo de cima para baixo:

F → 2 = - 3000   j ^   l b

E então a força resultante é:

∑ F → = F → 1 + F → 2

∑ F → = - 1260   i ^ - 3000   j ^

Passo 2

Podemos especificar esse vetor usando seu módulo e o ângulo que forma com algum semieixo.

F = 1260 2 + 3000 2 = 3,25.10 3   l b

E como as duas componentes do vetor são negativas, vamos definir sua direção usando o ângulo que ele forma com o semieixo horizontal negativo no sentido anti-horário:

θ = arctan ⁡ 3000 1260 = 67,2 °

Passo 3

Agora, para definir o ponto correto de aplicação da nossa força F , vamos calcular o momento resultante em relação a A .

A força de 3000   l b não produz momento em relação a A , porque sua linha de ação passa pelo ponto.

Olhando para as forças geradas pela distribuição, descobrimos que é útil separar em duas partes:

E, para cada área, a sua força associada vai agir na direção do centroide da figura. No caso do quadrado, o centroide está na metade da sua altura, então:

M 1 = F h 2 = 9 80 9 2 = 3240   l b ∙ p é s

E no caso do triângulo retângulo, o seu centroide tem altura igual a 1 / 3 da altura total, quando contanto a partir da parte mais “cheia” do triângulo:

M 2 = F h 3 = 1 2 200 - 80 9 9 3 = 1620   l b ∙ p é

Então o momento total é:

M = M 1 + M 2 = 1620 + 3240

M = 4860   l b ∙ p é

Passo 4

Sabendo qual deve ser o momento resultante, já podemos calcular a posição adequada da força resultante:

F x   h = M

Só precisamos considerar a componente horizontal da força, já que a vertical terá momento nulo em relação ao ponto A .

1260   h = 4860

h = 3,86   p é s

Resposta

O carregamento pode ser substituído por uma força de 3,25.10 3   l b formando um ângulo de 67,2 ° com o semieixo horizontal negativo, agindo a 3,86   p é s da base em A .

Ver Outros Exercícios desse livro