Entendendo Forças Internas e Estruturas em Engenharia

A aplicação de forças externas a um elemento estrutural (carregamento e reações dos vínculos) provoca a ocorrência de forças internas.

Esforços Internos

• Compressão
• Tração
• Cisalhamento
• Torção
• Flexão

Conceitos Fundamentais

Resistência

Capacidade que o material possui de suportar os esforços sem romper.

Rigidez

Capacidade de resistir à deformação elástica sob tensão (rígido x flexível).

Ductilidade

Capacidade de se deformar plasticamente sob tensão antes de romper (dúctil x frágil).

Materiais e Suas Propriedades

• Concreto resiste a compressão (frágil e flexível).
• Madeira resiste igualmente a compressão e tração (frágil).
• Aço resiste igualmente a tração e compressão (dúctil).

Deformações

Deformação Elástica

Precede a deformação plástica, é reversível, desaparece quando a tensão é removida e é praticamente proporcional à tensão aplicada.

Deformação Plástica

É provocada por tensões que ultrapassam o limite da elasticidade e é irreversível, pois resulta no deslocamento permanente dos átomos e, portanto, não desaparece quando a tensão é removida.

Tração e Compressão Simples

Tração Simples

Elemento submetido a forças externas normais à sua seção sofre um aumento no seu tamanho, na direção do seu eixo.

Seção Transversal

O equilíbrio interno será obtido quando o material de sua seção for suficientemente resistente para reagir às tensões de tração ou compressão simples (tirantes, treliças, membranas, contraventamentos).

Tirantes

O equilíbrio interno será obtido quando o material de sua seção for suficientemente resistente para reagir às tensões de tração simples.

Compressão Simples

Uma barra, quando submetida a forças externas normais à sua seção, sofre uma diminuição no seu tamanho (pilares, alvenaria estrutural, treliças, arcos).

Pode ocorrer a perda da estabilidade da peça bem antes que seja atingida a tensão de ruptura à compressão do material - flambagem.

Flambagem

Depende de diversos fatores: intensidade da força, material (módulo de elasticidade), comprimento da barra e forma e dimensões da seção.

Momento Fletor

As seções da barra giram em relação ao eixo horizontal que passa pelo seu centro de gravidade. As seções mais próximas ao centro da barra giram mais que as mais próximas aos apoios.

Momento

Quando um par de forças da mesma direção e sentido contrário, chamado de binário, atua, ocorrerá um giro. Quanto mais afastadas estiverem as forças, maior será a intensidade do giro. Quanto maior for o braço da ferramenta, menor será a força necessária para provocar o giro do parafuso.

Momento Fletor

Para que as seções girem, é necessário um momento, composto pelo par de forças que provoca um binário interno, que faz com que as seções se aproximem acima e se afastem abaixo do eixo horizontal.

O equilíbrio interno se dá quando o material é suficientemente resistente para absorver o binário interno de tração-compressão que ocorre na seção, ou quando o material, não tendo tal resistência, exige que o braço do binário seja suficientemente grande para que as forças do binário tenham um valor menor, compatível com a resistência desse material.

Flechas e Flexão

As deformações que ocorrem no eixo horizontal são denominadas flechas, que provocam no eixo horizontal reações semelhantes à flambagem, ou seja: flechas e giros das seções - flexão.

O esforço que provoca o giro das seções e o aparecimento de flechas ao longo da viga - momento fletor.

Momento de Inércia

Viga - quanto mais seção (massa) existir afastada do centro de gravidade da peça, mais eficiente será o comportamento da viga submetida predominantemente à flexão.

Força Cortante

Ocorre paralela às seções da barra e pode variar ao longo do comprimento. É sempre máxima junto aos apoios.

Força Cortante Horizontal

Onde ocorre a possibilidade de escorregamento entre as fatias horizontais da peça.

Sempre que ocorrer a possibilidade de escorregamento vertical, haverá o escorregamento horizontal. Esses escorregamentos combinados resultam em forças inclinadas de tração e compressão.

No caso da força cortante, o equilíbrio interno se dá quando o material é suficientemente resistente para reagir às tensões de tração e de compressão inclinadas devidas à tendência de escorregamentos verticais e horizontais das seções.

Momento Torçor

As seções giram com o eixo da barra mantendo-se retas, provocando giro relativo entre as seções transversais, um escorregamento longitudinal das seções horizontais.

O equilíbrio interno se dá quando o material tiver resistência suficiente para reagir às tensões de tração e de compressão resultantes da tendência de escorregamento transversal e longitudinal das seções.

Fórmulas

Área = Base x Altura