- Aula 7 dos Materiais Resistências - Aula 5 dos Materiais Resistências RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS – AMB 28 AULA 7 Professor Alberto Dresch Webler 1 Resistências dos Materiais - Aula 7 Aula 7 • Tensão e deformação de cisalhamento; • Tensões e cargas admissíveis; • Dimensionamento para cargas axiais e cisalhamento puro. • Datas: • 11/06 Prova 2 • 18/06 R+ 2 Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Tensão • Até agora consideramos que tipo de tensão? • Normal • Tensões normais produzidas por cargas axiais agindo em barras retas. • Essas tensões são normais porque agem em direções perpendiculares à superfície do material. • Agora iremos considerar outro tipo de tensão, chamada de tensão de cisalhamento, que agem tangencialmente a à superfície do material. 3 Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Tensão e deformação de cisalhamento • Considere a figura abaixo! 4 Resistências dos Materiais - Aula 7 Ocorre tensões de contato, denominadas tensão de esmagamento. A Juntas tendem a cisalhar, cortar o parafuso, esse tendência de resistir é denominada de tensão de cisalhamento. 5 Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Tensão • A distribuição da tensão de esmagamento é difícil de se determinar, por isso é comum assumir que as tensões são uniformemente distribuídas. • Baseados na suposição de distribuição uniforme, podemos calcular uma tensão de esmagamento média σb dividindo a força de contato total Fb pela área de contato (ou de suporte) Ab. σb = Fb Ab 6 Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Tensão • A força de contato Fb, representada pela tensões chamada de 1, é igual? • P/2! • O mesmo para o segmento 3. E para o 2? •? 7 Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Tensão • O diagrama de corpo livro (figura d, acima) mostra que existe uma tendência de cisalhar o parafuso ao longo das seções transversais mn e pq. • A partir do diagrama vemos que as forças de cisalhamento V agem sobre as superfície cortadas do parafuso. 8 Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Tensão • Neste exemplo em particular, há dois planos de cisalhamento (mn e pq), e dizemos que o parafuso está sob cisalhamento duplo. • Em cisalhamento duplo, cada uma das forças de cisalhamento é igual à metade da carga total transmitida pelo parafuso. 9 Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Tensão • Em cisalhamento duplo, cada umas das forças de cisalhamento é igual à metade da carga total transmitida pelo parafuso, isto é, V=P/2 10 Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Tensão • Na figura abaixo. Está sob cisalhamento simples ou duplo? Cisalhamento simples! 11 Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Tensão • Parafuso sobre o carregamento simples ou direto. 12 Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Tensão • Nos nossos estudos sobre as conexões parafusadas, desconsideramos o atrito. • O atrito é importante? • Em quais aspectos? • A presença do atrito significa que parte da carga deve-se forças de atrito, reduzindo assim as cargas nos parafusos. • Uma vez que as forças de atrito não são confiáveis e difíceis de medir, é uma pratica comum pecar a favor da segurança e omiti-las nos cálculos. 13 Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Tensão • A tensão de cisalhamento média na área de seção transversal de um parafuso é obtido dividindo-se a força de cisalhamento total V pela área A da seção transversal na qual ela age: τmédia = 𝑉 𝐴 V= Força de cisalhamento A = Área da seção transversal 14 Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Deformação de cisalhamento • Tensões de cisalhamento agindo em um elemento de material são acompanhadas por deformações de cisalhamento. • Para visualizar essas deformações, notamos que as tensões de cisalhamento não tem tendência de alongar ou encurtar o elemento nas direções x, y e z, ou em outras palavras os comprimentos dos lados do elemento não mudam. 15 Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Deformação de cisalhamento • Na deformação, ocorre que um paralelepípedo retangular é deformado em um paralelepípedo oblíquo e as faces anterior e posterior formam losangos. 16 Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Lei de Hooke em cisalhamento • As propriedades de uma material sob cisalhamento podem ser determinadas experimentalmente sob cisalhamento direto (simples) ou de ensaio de torção. • Nos testes em tração diagrama de tensão-deformação para cisalhamento. • Esses diagramas são similares em forma ao diagramas de tensão de ensaio de tração. 17 Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Lei de Hooke em cisalhamento • Podemos obter propriedades dos materiais como: • • • • Limite de proporcionalidade; Módulo de elasticidade; Tensão de escoamento; Tensão ultima. • Essas propriedades no cisalhamento ficam geralmente em torno da metade dos valores obtidos para as mesmas propriedades na tração. 18 • Por exemplo: • A tensão de escoamento para o aço estrutural em cisalhamento é de 0,5 a 0,6 vezes a tensão de escoamento em tração. www.sandre.com.br Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Lei de Hooke em cisalhamento 19 Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Lei de Hooke em cisalhamento • Para muitos materiais, a parte inicial do digrama de tensão-deformação para cisalhamento é uma reta através da origem, exatamente como tração. • Para essa região elástica linear, a tensão de cisalhamento e a deformação de cisalhamento são proporcionais, e por isso, temos a seguinte equação para a Lei de Hooke em cisalhamento. τ=Gγ G= Módulo de elasticidade para cisalhamento (também chamado de módulo de rigidez); τ = Tensão em cisalhamento; γ = Deformação em cisalhamento. 20 Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Lei de Hooke em cisalhamento • O módulo de cisalhamento G tem as mesmas unidade que o módulo de tração E, ou seja em Pa (pascal). • Para aço doce, o valores típicos de G são 75GPa; para ligas de alumínio, os valores típicos são 28 Gpa. • O que é aço doce? • O aço é uma liga de ferro e carbono, geralmente contendo 0,008% até 2,0% de carbono, além de outros elementos de liga. O aço com baixo teor de carbono e baixos teores de ligas é comercialmente chamado de “aço doce”. 21 Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Lei de Hooke em cisalhamento • O módulo de elasticidade para tração e cisalhamento está relacionado da seguinte maneira: G= 𝐸 2(1+𝑣) • 𝑣 = Coeficiente de Poisson; 22 Resistências dos Materiais - Aula 7 1. Exemplo • Uma prensa usada para fazer furos em placas de aço é mostrada na Figura abaixo. Assuma que a prensa com diâmetro d=20mm é usada para fazer um furo em placa de 8mm, como mostrado na vista transversal. 23 Resistências dos Materiais - Aula 7 Exemplo Cont. • Se uma força P=110kN é necessário para criar o furo, qual é a tensão de cisalhamento média na placa e a tensão de compressão média na prensa? 24 Resistências dos Materiais - Aula 7 Solução • Primeiro passo é determinar a área. • Essa área é a de cisalhamento. As=2πr.H As=2. π. 10.8=160π= 502,655mm2 Determinar a tensão de cisalhamento média É cisalhamento simples ou duplo? τmédia = 𝑃1 110 𝐾𝑛 = 2=219MPa 𝐴𝑠 502,7𝑚𝑚 25 Resistências dos Materiais - Aula 7 Solução • A tensão de compressão média da prensa é •σ= 𝑃1 𝐴 = 𝑃1 110𝑘𝑁 2= 2=350MPa π.𝑟 π.(10) 26 Resistências dos Materiais - Aula 7 Exemplo 2. • Um apoio de aço S, servindo como base para um guindaste de barco, transmite uma força de compressão P=54kN para o deque de um píer (Figura a). • O apoio tem uma área de seção transversal quadrada e vazada com espessura de t=12mm (Figura B) e o ângulo θ entre o apoio e a horizontal é 40°. • Um pino passa através do apoio transmite a força de compressão do apoio para as duas presilhas G que estão soldadas à placa base B. Quatro parafusos fixam a placa base ao deck. 27 Resistências dos Materiais - Aula 7 • O diâmetro do pino é dpino=18mm, as espessuras das presilhas tg=15mm, a espessura da placa base é tb=8mm e o dímetro do parafuso de ancoragem é dparafuso=12mm. 28 Resistências dos Materiais - Aula 7 • Determine as seguinte tensões: • a) Tensão de esmagamento entre o suporte e o pino; • b) Tensão de cisalhamento no pino; • c) Tensão de esmagamento entre o pino e as presilhas; • d) Tensão esmagamento entre os parafuso de ancoragem e a placa base • e) Tensão de cisalhamento nos parafusos de ancoragem. • Desconsidere qualquer atrito. 29 Resistências dos Materiais - Aula 7 Solução • a) Tensão de esmagamento entre o suporte e o pino; 𝑃 σb1= 2𝑡𝑑𝑝𝑖𝑛𝑜 = 54𝑘𝑁 2.12.18 = 125MPa Essa tensão não é excessiva para um suporte feito de aço estrutural 30 Resistências dos Materiais - Aula 7 Solução • b) Tensão de cisalhamento no pino; É cisalhamento simples ou duplo? • Podemos fazer assim. Considerando a P total e o dobro da área do pino. • τmédia = 𝑃1 𝐴𝑠 = 54𝑘𝑁 2π𝑟² = 54𝑘𝑁 2π9² = 106MPa • Ou assim, ou dividindo para cada parte. P/2 • τmédia = 𝑃1 𝐴𝑠 = 27𝑘𝑁 π𝑟² = 27𝑘𝑁 π9² = 106MPa 31 Resistências dos Materiais - Aula 7 Solução • Em geral esse tipo de pino é feito de aço de alta resistência, normalmente acima de 340MPa em tração e por sua vez, facilmente suporta essa força cisalhante. 32 Resistências dos Materiais - Aula 7 Solução • c) Tensão de esmagamento entre o pino e as presilhas; • 𝑃 σb2= 2𝑡𝐺𝑝𝑖𝑛𝑜 = 54𝑘𝑁 2.15.18 = 100 MPa • d) Tensão de esmagamento entre os parafuso de ancoragem e a placa base. • 𝑃.𝑐𝑜𝑠40° σb2= 2𝑡𝑏𝑑𝑝𝑎𝑟𝑎𝑓𝑢𝑠𝑜 = 54𝑘𝑁.𝑐𝑜𝑠40° 2.8.12 = 108 MPa 33 Resistências dos Materiais - Aula 7 Solução • e) Tensão de cisalhamento nos parafusos de ancoragem. • 𝑃.𝑐𝑜𝑠40 τparafuso= 2 4π𝑑 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑓𝑢𝑠𝑜/4 = 54𝑘𝑁.𝑐𝑜𝑠40 4π.122 /4 = 91,4 MPa 34 Resistências dos Materiais - Aula 7 2. Tensões e cargas admissíveis • A engenharia foi descrita como a aplicação da ciência no cotidiano da vida! • Para cumprir essa missão, os engenheiros projetam uma variedade quase infinita de objetos para servir às necessidade básica da sociedade. • ETA, ETE, casas, transporte, comunicações e outros. 35 Resistências dos Materiais - Aula 7 2. Tensões e cargas admissíveis • Na mecânica dos materiais (resistência dos materiais), devemos determina a capacidade do objeto suportar ou transmitir cargas. • Por exemplo: • Prédios; • Máquinas; • Contêineres; • Caminhões; • Aviões; • Outros. 36 Resistências dos Materiais - Aula 7 2. Fatores de segurança • Se ocorrer uma falha na estrutura, o que pode ocorrer? • Logo as cargas que a estrutura é capaz de suportar devem ser maiores que as cargas às quais a estrutura será submetida quando utilizada. • Assim, a resistência real de uma estrutura deve exceder a resistência exigida. 37 Resistências dos Materiais - Aula 7 2. Tensões e cargas admissíveis • A razão da resistência real em relação à resistência exigida é chamada de fator de segurança n: Fator de segurança n= Resistência Real Resistência exigida • O fator de segurança é maior ou menor que 1? • Evidentemente maior que 1! Esses valores podem variar entre 1 até 10. 38 Resistências dos Materiais - Aula 7 2. Fator de segurança • Fator de segurança em projetos não é um procedimento simples, porque tanto a resistência como falha tem muitos significados diferentes. • A resistência pode ser medida pela capacidade de se carregar uma carga de uma estrutura ou pode ser medida como a tensão no material. • A falha pode significar fratura ou colapso total de uma estrutura ou pode indicar que as deformações tornaramse tão grande que a estrutura não é mais capaz de cumprir sua função. 39 Resistências dos Materiais - Aula 7 2. Tensões e cargas admissíveis • A determinação do fator de segurança deve levar em consideração os seguinte problemas: • Probabilidade de sobrecarregamento acidental da estrutura por cargas excedem as cargas de projeto; • Tipos de cargas (estática ou dinâmica); • O quão as cargas são conhecidas; • Possibilidade de falha por fadiga; • Imprecisão na construção; • Variabilidade na qualidade do trabalho humano; • Variabilidade das propriedades dos materiais; • Deterioração devido a corrosão; • Outras considerações! 40 Resistências dos Materiais - Aula 7 2. Tensões e cargas admissíveis • Qual o problema de inserir um fator de segurança alto? • Desperdício de material!!! • Possivelmente inaplicável! • Falar sobre o exemplo de Vila Velha! Tempo de retorno. 41 Resistências dos Materiais - Aula 7 2. Tensões e cargas admissíveis • Devido a complexibilidade e incertezas, os fatores de segurança devem ser determinados em uma base probabilística. • Eles geralmente são estabelecidos por grupos de engenheiros experientes que escrevem as normas e especificações usadas pelos projetistas e algumas vezes são até mesmo definidas por lei. • As provisões de norma e especificações devem fornecer níveis razoáveis de segurança. 42 Resistências dos Materiais - Aula 7 2. Tensões e cargas admissíveis • Em algumas áreas, o fator de segurança pode ser chamado de margem de segurança, exemplo a aviação. • Margem = n – 1 • Margem é expresso em %, de forma que o valor dado acima é multiplicado por 100. 43 Resistências dos Materiais - Aula 7 2. Tensões e cargas admissíveis • Tensões admissíveis • Fatores de segurança são definidos e implementados de várias formas. Para muitas estruturas, é importante que o material permaneça dentro do intervalo elástico linear. • Porque? • Para evitar deformações permanentes quando as cargas são removidas. • Sob essas condições, o fator de segurança é estabelecido em relação ao escoamento da estrutura. 44 Resistências dos Materiais - Aula 7 2. Tensões admissíveis • O escoamento se inicia quando a tensão de escoamento é atingida em qualquer ponto na estrutura. • Por isso, aplicando um fator de segurança à tensão de escoamento, obtemos uma tensão admissível ( também chamada de tensão de trabalho). • Tensão admissível = 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐹𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑎𝑛ç𝑎 45 Resistências dos Materiais - Aula 7 2. Tensões admissíveis • Para tração e cisalhamento, respectivamente: σ𝑦 σadm= 𝑛1 e τ𝑦 τadm= 𝑛2 • Em que σ𝑦 e τ𝑦 são as tensões de escoamento e n1 e n2 são os fatores de segurança. • No projeto de edifício, um fator típico de segurança em relação ao escoamento em tração é 1,67, dessa forma uma aço mole tendo um tensão de escoamento de 250MPa tem uma tensão admissível de 150MPa. 46 Resistências dos Materiais - Aula 7 2. Tensões e cargas admissíveis • Alguma vezes o fator de segurança é aplicado a tensão última em vez da tensão de escoamento. • Esse métodos pode ser aplicado a que tipos de materiais? • Esse método é aplicável para materiais frágeis, como concreto é alguns plásticos, e para materiais sem uma tensão de escoamento claramente definida, como madeira e aços de alta resistência. 47 Resistências dos Materiais - Aula 7 2. Tensões e cargas admissíveis • Nesses casos as tensões admissíveis em tração e cisalhamento são: • σ𝑢 σadm= 𝑛1 e τ𝑢 τadm= 𝑛2 • Em que σ𝑢 e τ𝑢 são as tensões máxima (ou resistência máximas). Os fatores de segurança em relação à tensão máxima de um material são geralmente maiores que aqueles baseados em resistência de escoamento. • Para o aço mole em geral adota 2,8 em relação a tensão ultima. 48 Resistências dos Materiais - Aula 7 2. Cargas admissíveis • A partir da determinação da tensão admissível é estabelecida para um material e uma estrutura em particular, a carga admissível nessa estrutura pode ser determinada. • A relação entre carga admissível e a tensão admissível depende de cada tipo de estrutura. 49 Resistências dos Materiais - Aula 7 2. Cargas admissíveis • Até agora fizemos diversas considerações, como: • Tensão uniformemente distribuída; • Força axial age através do centroide da seção transversal; • A barra em compressão não envergue; • Tensão de cisalhamento é uniformemente distribuida; 50 Resistências dos Materiais - Aula 7 2. Cargas admissíveis • Para tais condições, a carga adimissível (também chamada de carga permitida ou carga de segurança) é igual à tensão adimissível multiplicada pela área sobre o qual ela age: • Carga admissível = (Tensão admissível)(área) • Para barras em tração e compressão puras (sem flambagem), essa equação se torna • Padm=σadmA 51 Resistências dos Materiais - Aula 7 2. Cargas admissíveis • Para pinos em cisalhamento puro: • Padm=τadmA 52 Resistências dos Materiais - Aula 7 Exemplo • Uma barra de aço, servindo como um cabide vertical para sustentar máquinas pesadas em uma fábrica, é vinculada a um suporte pela conexão parafusada mostrada na figura. A parte principal do cabide tem seção transversal retangular com largura b1=38mm e espessura t=13mm. Na conexão, o cabide é aumentado para uma largura de b2=75mm. O parafuso, que transfere a carga do cabide para os dois suportes, tem diâmetro de 25mm. 53 Resistências dos Materiais - Aula 7 2. Cargas admissíveis 75mm parafuso Arruela cantoneira Cabide 13mm 38mm 54 Resistências dos Materiais - Aula 7 Exemplo • Determine o valor admissível da carga de tração P no parafuso baseados nas quatro considerações a seguir. • a) A tensão de tração admissível na parte principal do cabide é de 110MPa. • b) A tensão de tração admissível no cabide na seção transversal do furo do parafuso é de 75MPa. • c) A tensão de esmagamento admissível entre o cabide e o parafuso é igual é 180MPa. • d) A tensão de cisalhamento admissível no parafuso é de 55 45MPa. Resistências dos Materiais - Aula 7 Solução • A carga admissível em P1 baseada na tensão na parte principal do cabide é igual a tensão admissível em tração vezes a área de seção transversal do cabide. P1=σadmA P1=110*(38*13) • P1= 54,3kN • Uma carga maior que esse valor vai sobrecarregar a parte principal do cabide, isto é, a tensão real excedera a tensão admissível. Reduzindo o fator de segurança. 56 Resistências dos Materiais - Aula 7 Solução • b) Na seção transversal do cabide através do buraco o calculo é similar o anterior. Porém a área e a tensão admissível diferem. P2=σadmA Padm=75*(b2-d)*t P2= 75*(75-25)*13 P2= 48,7kN 57 Resistências dos Materiais - Aula 7 Solução • c) A carga admissível baseada na compressão entre o cabide e o parafuso é igual: P3=σadmA P3=180*(25)*13 P3= 58,5kN 58 Resistências dos Materiais - Aula 7 Solução • d)Está em cisalhamento simples ou duplo? P4=τadmA P4=45*2*(π.d²/4) P4=45*2*(π.25²/4) P4=44,1kN 59 Resistências dos Materiais - Aula 7 Solução • E agora qual a carga que vamos utilizar? • A maior ou menor? • A carga menor, pois esse é o ponto mais frágil. • 44,1kN 60 Resistências dos Materiais - Aula 7 3. Dimensionamento para cargas axiais e cisalhamento puro • Na seção anterior, discutimos a determinação de cargas admissíveis para estruturas simples, e nas demais seções, vimos como determinar as tensões. • A determinação de tais quantidades é conhecida como análise. 61 Resistências dos Materiais - Aula 7 3. Dimensionamento para cargas axiais e cisalhamento puro • No contexto da mecânica dos materiais, a análise consiste em determinar a resposta de estruturas as cargas, mudanças de temperatura e outras ações físicas. • Por resposta de uma estrutura queremos dizer tensões, deslocamentos e deformações produzidas pelas cargas. • A resposta também se refere à capacidade de uma estrutura de suportar cargas; por exemplo, a carga admissível em uma estrutura é uma forma de resposta. 62 Resistências dos Materiais - Aula 7 3. Dimensionamento para cargas axiais e cisalhamento puro • Uma estrutura é dita conhecida (ou dada) quando temos uma descrição física completa dela, isto é, quando conhecemos todas as suas propriedades. • As propriedades incluem: • • • • • • Tipos dos membros; Como são arranjados; Dimensões dos mesmos; Tipos de suportes; Os materiais usados; Propriedades dos materiais. 63 Resistências dos Materiais - Aula 7 3. Dimensionamento para cargas axiais e cisalhamento puro • Assim, ao analisar uma estrutura, as propriedade são dadas e a resposta devem ser determinadas. • O processo inverso é chamado de dimensionamento. • Ao dimensionar uma estrutura, devemos determinar suas propriedade para que ela suporte as cargas e realize sua devidas funções. 64 Resistências dos Materiais - Aula 7 3. Dimensionamento para cargas axiais e cisalhamento puro • Agora trataremos do dimensionamento em sua forma mais elementar, calculando os tamanhos exigidos de membros em tração simples e de compressão, e cisalhamento sobre pinos e parafusos. • Área exigida= 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎 𝑠𝑒𝑟 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎 𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑠í𝑣𝑒𝑙 • Essa equação pode ser aplicada a qualquer estrutura em que as tensões estejam uniformemente distribuídas sobre a área. 65 Resistências dos Materiais - Aula 7 3. Dimensionamento para cargas axiais e cisalhamento puro • Em adição a resistência, como exemplificado na equação do slide anterior, no dimensionamento devemos incorporar a rigidez e estabilidade. • Rigidez refere-se à capacidade da estrutura de resistir a mudanças na forma (por exemplo, resistir a estiramento, flexão e torção). Limitações na rigidez são as vezes necessária para prevenir deformações excessivas, como grandes deflexões de uma viga, envergamento em pilares. 66 Resistências dos Materiais - Aula 7 3. Dimensionamento para cargas axiais e cisalhamento puro • Ao analisar ou dimensionar estruturas, nos referimos as cargas ou reações. • Cargas são forças ativas aplicadas à estrutura por alguma causa externa, como gravidade, pressão da água, vento e movimento do solo por terremoto. • Reações são forças passivas induzidas nos suportes da estruturas – sua magnitudes e direções são determinadas pela natureza da própria estrutura. 67 • Lista 7 68 Resistências dos Materiais - Aula 7 Exemplo O suporte de duas barras ABC mostrado na figura abaixo tem pinos de sustentação nos pontos A e C, que estão separados por 2m. Os membros AB e AC são barras de aço conectadas por pinos na junta B. O comprimento da barra BC é 3m. Uma placa pesando 5,4kN está suspensa pela barra BC nos pontos D e E, que estão a 0,8m e 0,4m, respectivamente, das extremidades da barra. Determine a área de seção transversal necessária da barra AB e o diâmetro necessário do pino no suporte C se as tensões admissíveis para tração e cisalhamento são de 125MPa e 45MPa, respectivamente (Nota: Os pinos nos suportes estão em cisalhamento duplo. Além disso, desconsidere os pesos dos membros AB e BC.) 69 Resistências dos Materiais - Aula 7 Exemplo 70 Resistências dos Materiais - Aula 7 3. Dimensionamento para cargas axiais e cisalhamento puro 71