Livro - R M - R. C. Hibbeler - 7ª Ed

Livro - R M - R. C. Hibbeler - 7ª Ed

(Parte 1 de 7)

7a e IÇ

R. C. Hibbel

7º edição

Conversão para SI

S. C. Fan Nanyang Technological University

Tradução

Arlete Simille Marques Engenheira Química -Universidade Federal do Paraná

Revisão técnica

Sebastião Simões da Cunha Jr. Instituto de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de ltajubá

São Paulo Brasil Argentina Colômbia Costa Rica Chile Espanha Guatemala México Peru Porto Rico Venezuela

© 2010 Pearson Education do Brasil

© 2008 Pearson Education South Asia Pte Ltd. Título original: Mechanics of materiais, seventh edition

Tradução autorizada a partir da edição de Cingapura, adaptada da edição original em inglês Mechahics of materiais, 7th edition, de Russell Hibbeler, publicada pela Pearson Education, Inc., sob o selo Prentice Hall.

Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio, eletrônico ou mecânico, incluin,?o fotocópia, gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e trapsfnissã'o de informação, sem prévia autorização, por escrito, da Pearson Education do Brasil.

Diretor editorial: Roger Trimer Gerente editorial: Sabrina Cairo

Supervisor de produção editorial: Marcelo Françozo

Editora: Gabriela Trevisan

Preparação: Renata Gonçalves e Sonia Midori

Revisão: Regiane Miyashiro

Capa: Alexandre Mieda Edito ração eletrônica: ERJ Composição Editorial

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil)

Hibbeler, Russell Charles

Resistência dos materiais I Russell Charles Hibbeler ; tradução Arlete Simille Marques ; revisão técnica Sebastião Simões da Cunha Jr.- 7. ed. -São Paulo : Pearson Prentice Hall, 2010.

Título original: Mechanics of materiais. ISBN 978-85-7605-373-6

1. Estruturas -Análise (Engenharia) 2. Resistência dos materiais I. Título.

Índice para catálogo sistemático: 1. Resistência dos materiais :Engenharia 620.112

Direitos exclusivos para a língua portuguesa cedidos à

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CDD-620.112

Ao estudante

Com a esperança de que esta obra estimule o interesse pela resistência dos materiais e proporcione um guia aceitável para o entendimento da matéria.

Sumário

1.1 Introdução1
1.2 Equilíbrio de um corpo deformável1

1 . Tensão 1 1.3 Tensão 14

1.4 Tensão normal média em uma barra com carga axial 15

1.5 Tensão de cisalhamento média20

1.6 Tensão admissível 32 1.7 Projeto de acoplamentos simples 3

2. Deformação 47

2.1 Deformação .47 2.2 Conceito de deformação 47

3. Propriedades mecânicas dos materiais 57

3.1 O ensaio de tração e compressão .57 3.2 O diagrama tensão-deformação 58

3.3 Comportamento da tensão-deformação de materiais dúcteis e frágeis .60

3.4 Lei de Hooke .63 3.5 Energia de deformação .64 3.6 Coeficiente de Poisson 73

3.7 O diagrama tensão-deformação de cisalhamento .74

*3.8 Falha de materiais devida à fluência e à fadiga .76

4. Carga axial 85

4.1 Princípio de Saint-Venant 85

4.2 Deformação elástica de um elemento submetido a carga axial .86

4.3 Princípio da superposição 95

4.4 Elemento com carga axial estaticamente indeterminado 96

4.5 Método de análise de força para elementos carregados axial mente 100

4.6 Tensão térmica 106 4.7 Concentrações de tensão 1 *4.8 Deformação axial inelástica 114

*4.9 Tensão residual 116

5. Torção

5.1 Deformação por torção de um 125

5.3 Transmissão de potência132

eixo circular .125 5.2 A fórmula da torção 126 5.4 Ângulo de torção 139

carregados com torque150
*5.6 Eixos maciços não circulares155

5.5 Elementos estaticamente indeterminados

transversais fechadas157
5.8 Concentração de tensão165
*5.9 Torção inelástica167
*5.1 O Tensão residual172

*5.7 Tubos de parede fina com seções

6. Flexão

6.1 Diagramas de força cortante 181

e momento fletor181

6.2 Método gráfico para construir diagramas de força cortante e momento fletor 188

elemento reto201
6.4 A fórmula da flexão203
6.5 Flexão assimétrica216
*6.6 Vigas compostas224
*6. 7 Vigas de concreto armado229
*6.8 Vigas curvas231
6. 9 Concentrações de tensão236
* 6.1 O Flexão inelástica244
6.1 Tensão residual251

6.3 Deformação por flexão de um

7. Cisalhamento transversal 262

7.2 A fórmula do cisalhamento263
7.3 Tensões de cisalhamento em vigas264

7.1 Cisalhamento em elementos retos 262

7.4 Fluxo de cisalhamento em estruturas compostas por vários elementos ..276

de paredes finas285

7.5 Fluxo de cisalhamento em elementos

transversais abertas289

*7 .6 Centro de cisalhamento para seções

8. Cargas combinadas 300

8.1 Vasos de pressão de paredes finas .300

cargas combinadas304

8.2 Estado de tensão causado por

9. Transformação de tensão 321

9.1 Transformação de tensão no plano 321

de tensão no plano324

9.2 Equações gerais de transformação

cisalhamento máxima no plano327
9.4 Círculo de Mohr-tensão no plano338

9.3 Tensões principais e tensão de

carga axial e torção345

9.5 Tensão em eixos provocada por

de uma viga prismática346

9.6 Variações de tensão ao longo

máxima absoluta351

9.7 Tensão de cisalhamento

1 O. Transformação da deformação 361

1 0.1 Deformação plana361

10.2 Equações gerais de transformação no plano de deformação ...................... 362

de deformação367

*1 0.3 Círculo de Mo h r-plano

máxima absoluta373
10.5 Rosetas de deformação37 6

*1 0.4 Deformação por cisalhamento

propriedades379
*1 0.7 Teorias de falhas387

10.6 Relações entre o material e suas

1. Projeto de vigas e eixos 401

1.1 Base para o projeto de vigas401
1.2 Projeto de viga prismática401
*1.3 Vigas totalmente solicitadas41
*1 .4 Projeto de eixos413

12. Deflexão em vigas e eixos 421

12.1 A linha elástica421
integração423
'12.3 Funções de descontinuidade435

12.2 Inclinação e deslocamento por

método dos momentos de área442
12.5 Método da superposição452

'12.4 Inclinação e deslocamento pelo

indeterminados457

12.6 Vigas e eixos estaticamente

12.7 Vigas e eixos estaticamente indeterminados- método

da integração458

*12.8 Vigas e eixos estaticamente indeterminados- método

dos momentos de área461

12.9 Vigas e eixos estaticamente indeterminados-método da

superposição466

13. Flambagem de colunas 477

13.1 Carga crítica477
13.2 Coluna ideal com apoios de pinos478
13.3 Colunas com vários tipos de apoio483
*13.4 A fórmula da secante492
*13.5 Flambagem inelástica497
concêntricas502

'13.6 Projeto de colunas para cargas

cargas excêntricas510

*13.7 Projeto de colunas para

14. Métodos de energia 519

de deformação519

14.1 Trabalho externo e energia

para vários tipos de carga522
14.3 Conservação de energia531
14.4 Carga de impacto535
*14.5 Princípio do trabalho virtual543

14.2 Energia de deformação elástica

aplicado a treliças545

*14.6 Método das forças virtuais

aplicado a vigas551
*14.8 Teorema de Castigliano558

'14. 7 Método das forças virtuais

aplicado a treliças558

*14.9 Teorema de Castigliano

*14.10 Teorema de Castigliano aplicado a vigas .................................... 561

Apêndices

A Propriedades geométricas de uma área 568

A.3 Produto de inércia para uma área572

A.1 Centroide de uma área 568 A.2 Momento de inércia de uma área 570

A.4 Momentos de inércia para uma área em torno de eixos inclinados 574

A.5 Círculo de Mohr para momentos de inércia 576

B Propriedades geométricas de perfis estruturais 582 c Inclinações e deflexões de vigas 586

D Revisão de fundamentos de engenharia 588

Soluções parciais e respostas 599 Índice remissivo 628

Prefácio

O objetivo deste livro é oferecer ao estudante uma apresentação clara e minuciosa da teoria e da apli cação dos princípios fundamentais da resistência. dos materiais. O entendimento é baseado na explanação do comportamento físico dos materiais sob carga e na subsequente modelagem desse comportamento para desenvolver a teoria. A ênfase recai sobre a importân cia de satisfazer os requisitos de equilíbrio, compatibi lidade de deformação e comportamento do material.

Elementos novos e aprimorados Material de revisão. Foram acrescentadas no vas seções de revisão no final de cada capítulo para atender às solicitações dos estudantes. Es sas novas seções foram planejadas para ajudá los a relembrar e estudar conceitos fundamen tais dos capítulos. Ilustrações. Com base no impressionante re torno positivo em relação às ilustrações inseri-

No Capítulo 2 são definidas as deformações nor mal e por cisalhamento, e no Capítulo 3 discutimos algumas das propriedades mecânicas importantes dos materiais. Tratamentos separados para carga axial, torção e flexão são apresentados nos capítulos 4, 5 e

6, respectivamente. Em cada um deles são considera dos o comportamento iinear elástico e o comporta mento plástico do material. Além disso, também estão incluídos tópicos relacionados com concentrações de tensões e tensão residual. Cisalhamento transversal é abordado no Capítulo 7, juntamente com uma discus são de tubos de parede fina, fluxo de cisalhamento e centro de cisalhamento. O Capítulo 8 inclui uma dis cussão de vasos de pressão de parede fina e apresenta uma revisão parcial do material abrangido nos capítu los anteriores, como o estado de tensão que resulta de cargas combinadas. No Capítulo 9 são apresentados os conceitos de transformação de estados multiaxiais de tensão. De modo semelhante, o Capítulo 10 discute os métodos de transformação de deformação, incluin do a aplicação de várias teorias de falha. O Capítulo das na edição anterior, aprimoramos 100 ilus-1 apresenta um meio para fazer um resumo e uma trações adicionais como parte do programa de revisão adicionais de material anterior, ao abordar arte fotorrealista. aplicações de projetos de vigas e eixos. O Capítulo 12 Problemas. Nesta sétima edição, os proble-examina vários métodos para calcular deflexões de vimas foram revisados, porém o equilíbrio entre aplicações fáceis, médias e difíceis foi mantido. Cada página do livro passou por uma revisão detalhada executada por três pessoas, além do autor, para verificar a precisão.

Conteúdo

O livro está organizado em 14 capítulos. O Capí tulo 1 começa com uma revisão dos conceitos impor tantes da estática, seguida por uma definição formal de tensão normal e de cisalhamento e por uma discus são da tensão normal em eixos com cargas axiais e da tensão de cisalhamento média provocada por cisalha mento direto.

gas e eixos, além de incluir uma discussão sobre a de terminação das reações desses elementos estruturais, se forem estaticamente indeterminados. O Capítulo 13 dá uma discussão de flambagem de colunas e, por fim, no Capítulo 14, são considerados o problema do impacto e a aplicação de vários métodos de energia para calcular deflexões.

As seções deste livro que contêm material mais avançado são indicadas por um asterisco sobrescrito (*).Se o tempo disponível permitir, alguns desses tó picos poderão ser incluídos no curso. Além do mais, este material oferece uma referência adequada para os princípios básicos, quando forem estudados em ou tros cursos, e pode ser usado como base para projetas especiais.

Método alternativo de abordagem. Al guns professores preferem abordar transformações de tensão e deformação primeiro, antes de discutir aplicações específicas de carga axial, torção, flexão e cisalhamento. Um método possível seria discutir pri meiro a tensão e sua transformação, capítulos 1 e 9, se guidas por deformação e sua transformação, Capítulo

2 e a primeira parte do Capítulo 10. A discussão e os problemas nesses últimos capítulos foram estrutu rados de modo a possibilitar essa abordagem. Além disso, os conjuntos de problemas foram subdivididos de modo que esse material possa ser estudado sem conhecimento prévio dos capítulos envolvidos. Então, os capítulos 3 a 8 podem ser estudados sem perda de continuidade.

Elementos distintivos

Organização e abordagem. O conteúdo de cada capítulo é organizado em seções bem definidas que contêm uma explanação de tópicos específicos, problemas ilustrativos resolvidos e um conjunto de problemas como exercícios para o estudante. Os tópi cos em cada seção estão reunidos em subgrupos espe cíficos definidos por títulos. A finalidade é apresentar um método estruturado para introduzir cada nova de finição ou conceito e tornar o livro conveniente para referência e revisão posteriores.

Sumário do capítulo. Na primeira página de cada capítulo são apresentados os "Objetivos do ca pítulo", que dão uma visão geral do material que será estudado.

Procedimentos para análise. Encontrado após várias seções do livro, esse recurso exclusivo ofe rece ao leitor um método lógico e ordenado para se guir quando aplicar a teoria. Os problemas dados como exemplo que vêm em seguida são resolvidos segundo o método descrito, de modo a esclarecer sua aplica ção numérica. Entretanto, é preciso entender que, uma vez dominados os princípios e adquiridas a confiança e a capacidade de julgamento suficientes, o estudante poderá desenvolver seus próprios procedimentos para resolver problemas.

Pontos importantes. Esse recurso proporciona uma revisão ou resumo dos conceitos mais importan tes apresentados em uma seção e destaca os pontos mais significativos que devem ser levados em conta na aplicação da teoria para resolver problemas.

Problemas como exemplos. Todos os pro blemas dados como exemplo são apresentados de um modo conciso e em estilo fácil de entender.

Problemas para o estudante resolver. Vá rios problemas neste livro descrevem situações reais encontradas na prática da engenharia. Esperamos que esse realismo estimule o interesse do estudante pela matéria e propicie-lhe um meio para desenvolver sua capacidade de, partindo da descrição física do proble ma, reduzi-lo a um modelo ou a uma representação sim bólica aos quais possa aplicar os princípios aprendidos. Há, no livro, um equilíbrio aproximado entre proble mas que usam unidades SI ou FPS. Além disso, tenta mos organizar os conjuntos de problemas e ordená-los segundo o grau crescente de dificuldade. As respostas para todos os problemas, exceto o quarto de cada série são apresentadas na parte final deste livro. Um aste risco sobrescrito(*) colocado antes do número de um problema indica que sua resposta não foi apresentada. As respostas são dadas com precisão de três algarismos significativos, ainda que os dados para as propriedades dos materiais possam não ter tal grau de precisão. Em bora pareça uma prática pouco recomendável, foi ado ta da simplesmente por consistência e para permitir ao estudante melhor oportunidade de verificar a validade de sua solução. Um quadrado preto (ícone quadrado) é usado para identificar problemas que requerem aná lise numérica ou uma aplicação de computador.

Apêndices. Os apêndices do livro oferecem uma fonte de revisão e listas de dados em forma de tabelas. O Apêndice A dá informações sobre o centroide e o momento de inércia de uma área. Os apêndices B e C apresentam tabelas com dados para formas estruturais e a deflexão e inclinações para vários tipos de vigas e ei xos. O Apêndice D contém problemas típicos, acompa nhados de soluções parciais, que são comumente usados em exames. Esses problemas também podem ser usados para revisão e prática na preparação para os exames.

Verificação tripla da precisão. A sétima edi ção foi submetida à nossa rigorosa revisão, denomi nada triple accuracy checking (verificação tripla de precisão). Além da revisão feita pelo autor de toda a arte gráfica e também de todas as páginas, o texto foi verificado por: Scott Hendricks, Virginia Polytechnic University Karim Nohra, University of South Florida Kurt Norlin, Laurel Technical Services

Recursos para os professores Manual de soluções (em inglês). Manual de so luções preparado pelo autor; também verificado pelo programa triple accuracy checking.

" Recursos de apresentação. Toda a arte gráfica do texto está disponível em slides em PowerPoint e formato JPEG. Esses arquivos estão disponíveis no endereço w.prenhall.com/hibbeler_br. Se você precisar de um login e uma senha para esse site, favor entrar em conta to com seu represen tante local da Pearson Education.

Agradecimentos

Ao longo dos anos, este texto foi moldado pelas sugestões e comentários de muitos de meus colegas professores. Seu encorajamento e boa vontade de fa zer críticas construtivas são muito apreciados e espero que aceitem este reconhecimento anónimo. Gostaria de acrescentar uma nota de agradecimento aos reviso res das várias edições anteriores.

B. Aalami, San Francisco State University R. Alvarez, Hofstra University S. Biggers, Clemson University R. Case, Florida Atlantic University R. Cook, University ofWisconsin-Madison J. Easley, University of Kansas I. Elishakoff, Florida Atlantic University A. Gilat, Ohio State University

J. Hashemi, Texas Tech University H. Huntley, University of Michigan-Dearborn J. Kayser, Lafayette College P. K won, Michigan State University

W. Liddel, Auburn University at Montgomery J. Ligon, Michigan Technological University C. Lissenden, Penn State University D. Liu, Michigan State University

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