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Paracambi 26/11/2014 TEC00205 – RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS TURMA C1/B1 AULA 11 – SOLICITAÇÕES SIMPLES (Parte IIIA – Torção) Prof. Eliane Pires UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL 07/12/2021 2021.2 2 Sumário Parte I • Classes de solicitações • Tração Parte II • Compressão • Cisalhamento Parte III • Torção (A) • Flexão (B) 3 Classes de Solicitações Existem 5 tipos de solicitações (esforços) Mecânicas Simples: • Tração • Compressão • Cisalhamento • Torção • Flexão Figura 6.1 Solicitações Simples. 4 CONCEITOS BÁSICOS Deformação Específica (ε): variação relativa do comprimento, mudança de forma. TORÇÃO (T): resposta interna do objeto. Quantidade de força aplicada em unidade de área. Dimensionamento: calcular ou preestabelecer as dimensões ou proporções de algo. Eixos: linha reta, real ou imaginária, que atravessa o centro de um corpo e em torno da qual esse corpo efetua ou pode efetuar movimento de rotação, transmitindo potência. A maioria dos eixos tem seções transversais circulares sólidas ou tubulares. Eixo virabrequim ou eixo de manivelas de automóvel Eixo propulsor de um navio Pistão Volante motor Camisa do pistão 5 Exemplos de barras em torção: eixos propulsores, hastes de direção, brocas de furadeiras. Eixos propulsores Broca de furadeira OBJETIVO: • Desenvolver fórmulas para as deformações e tensões em barras circulares submetidas à torção. • Analisar o estado de tensão conhecido como cisalhamento puro e obter a relação entre os módulos de elasticidade E e G, em tração e cisalhamento, respectivamente. • Analisar eixos de rotação e determinar a potência que eles transmitem. 6 Torção se refere ao giro de uma barra retilínea quando carregada por momentos torçores (torques) que tendem a produzir rotações sobre o eixo longitudinal da barra, conforme Figura 1. Figura 1-Torção de uma chave de fenda devido a um torque T aplicado no cabo. Definições Figura 2 -Torção de uma toalha. Uma mão aplica e a outra resiste ao torque. 7 Movimento de torque – Quando uma barra reta é submetida, exclusivamente, a um momento em torno do eixo da barra, diz-se que estará submetida a um momento torçor (ou torque). Motor elétrico Eixo Rotor Bomba Fig 3A -Bomba com rotor centrífugo. Definições (aplicador do torque) ( do torque) Fig 3B - Eixo de acomplamento. Fig 4 - Bomba centrífuga com rotor axial. elétrico Bomba 8 (*) Nota: A Associação Brasileira de Normas Técnicas, ABNT, possui diferentes normas de ensaio de torção, para diferentes produtos. Por exemplo: A NBR 6003:2021 prescreve o método para fios e cabos de aço e a NBR 13513:2009 prescreve o método para cabos de fibra ótica. * 9 10 11 As fraturas observadas no ensaio de torção são diferentes daquelas obtidas no ensaio de tração. Os materiais dúcteis fraturam por cisalhamento ao longo do plano de tensão de cisalhamento máxima (que, geralmente, ocorre em um plano normal ao eixo de torção, ou seja, a 90º). Os materiais frágeis fraturam em função das tensões normais máximas (que são trativas), que ocorrem nos planos principais, geralmente a 45º em relação ao eixo de torção. 90º 12 Ensaio de Torção 13 Deformação por torção de um eixo circular ∅ = â𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑟çã𝑜 (𝑜𝑢 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑡𝑎çã𝑜) 𝛾 = â𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟çã𝑜 (𝑜𝑢 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑓. 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑎𝑙) 14 • Torque (T) é um momento que tende a torcer um elemento em torno de seu eixo longitudinal. • Se o ângulo de rotação (∅) da seção transversal for pequeno, o comprimento (L) e o raio do eixo da seção transversal (c) permanecerão inalterados. Deformação por torção de um eixo circular c retângulo losango 15 𝜌𝑑∅ = 𝛾𝑑𝑥 → A deformação longitudinal (𝛾), que ocorre por cisalhamento, ao longo do eixo longitudinal do cilindro, pode ser relacionada com a rotação (∅), que ocorre na seção transversal: Como 𝑑∅ 𝑑𝑥 é constante sobre a seção transversal, então a deformação por cisalhamento (𝛾) varia com a distância radial 𝜌 a partir do centro do eixo. 𝑑∅ 𝑑𝑥 = 𝛾 𝜌 = 𝛾𝑚á𝑥 𝑐 , 𝑒𝑛𝑡ã𝑜 𝛾 = 𝜌 𝑐 𝛾𝑚á𝑥 (𝑒𝑞. 2) A deformação por cisalhamento (𝛾) no interior do eixo varia linearmente de zero no centro do eixo até um máximo de (𝛾𝑚á𝑥) em seu limite externo. 𝛾 = 𝜌 𝑑∅ 𝑑𝑥 (𝑒𝑞. 1) 16 Fórmula de torção •Se o material for linear-elástico, então a lei de Hooke se aplica. τ = Gγ ou τmáx = Gγmáx •Uma variação linear em 𝛄 , resulta em uma variação linear em 𝛕, correspondente ao longo de qualquer linha radial na seção transversal. Fazendo analogia com a eq. 2, então: 𝜏 = 𝜌 𝑐 𝜏𝑚á𝑥. Cada elemento de área dA, localizado em 𝜌 está sujeito a uma força 𝑑𝐹 = 𝜏𝑑𝐴. O torque T produzido por essa força é: 𝑑𝑇 = 𝜌 𝜏𝑑𝐴 = 𝑇 = 𝜌 𝜏𝑑𝐴 = 𝜌 𝜌 𝑐 𝜏𝑚á𝑥𝑑𝐴 𝐴𝐴 𝜏𝑚á𝑥 𝑐 No entanto, é constante , e portanto: 𝑇 = 𝜏𝑚á𝑥 𝑐 𝜌2𝑑𝐴 𝐴 A integral é o momento polar de inércia, J, da área da seção transversal em torno do centro do eixo. 𝜏𝑚á𝑥 17 Fórmula de torção tmáx= tensão de cisalhamento máxima no eixo, que ocorre em sua superfície externa (MPa). Ɣ= deformação por cisalhamento (rad). T= torque interno resultante que age na seção transversal. Seu valor é determinado a partir do método das seções e da equação de equilíbrio do momento aplicada em torno do eixo longitudinal (N.m). J= momento polar de inércia da área da seção transversal. Descreve a resistência da forma da seção transversal à torção (m4). c= raio externo do eixo (m). ρ= raio interno do eixo (m). Reorganizando, 𝜏𝑚á𝑥 = 𝑇𝑐 𝐽 𝑜𝑢 𝜏 = 𝑇𝜌 𝐽 Momento polar de inércia Eixo com seção transversal circular maciça. Eixo com seção transversal tubular (oca). 𝐽 = 𝜋 2 𝑐4 𝐽 = 𝜋 2 𝑐𝑒𝑥𝑡 4 − 𝑐𝑖𝑛𝑡 4 18 Distribuição da tensão cisalhante A tensão cisalhante (𝝉) varia linearmente ao longo de cada reta radial da seção transversal TEC 00219 – Mecânica dos Sólidos Conforme visto anteriormente, a tensão de cisalhamento numa barra de seção circular é máxima na superfície e nula no centro. Consequentemente, grande parte do material trabalha com tensões bem inferiores à tensão admissível. Se a redução de peso e a economia de material forem fatores importantes, é preferível usar eixos vazados. A análise da torção de barras de seção circular vazada assemelha- se à de barras de seção circular cheia. 20 O eixo maciço e o tubo, mostrados na Figura ao lado, são feitos de um material que tem tensão de cisalhamento admissível de 75 MPa. Determine o torque máximo, que pode ser aplicado a cada seção transversal e mostre a tensão agindo sobre um pequeno elemento do material no ponto A do eixo e nos pontos B e C do tubo. Os índice m e t denotam maciço e tubular, respectivamente. Exemplo 1 21 Propriedades da seção: Os momento polares de inércia para o eixo maciço (𝐽𝑚) e para o tubo (𝐽𝑡) são: 𝐽𝑚 = 𝜋 2 ∙ 𝑐4 = 𝜋 2 ∙ 0,1𝑚 4 = 0,1571 ∙ 10−3 𝑚4 𝐽𝑡 = 𝜋 2 ∙ 𝑐𝑒 4 − 𝑐𝑖 4 = 𝜋 2 ∙ 0,1𝑚 4 − 0,075𝑚 4 = 0,1074 ∙ 10−3 𝑚4 Tensão de cisalhamento máxima (admissível) é de 75 MPa, ou 75 x 106 N/m2. Daí, o torque máximo, em cada caso é: 𝜏𝑚á𝑥 𝑚 = 𝑇 ∙ 𝑟 𝐽 ; 𝜏𝑚á𝑥 𝑡 = 𝑇 ∙ 𝑟 𝐽 ; 75 ∙ 106𝑁 𝑚2 = 𝑇𝑚∙ 0,1 𝑚 0,1571∙ 10−3 𝑚4 𝑇𝑚 = 118 𝑘𝑁.𝑚 (resp) 75 ∙ 106𝑁 𝑚2 = 𝑇𝑡∙ 0,1 𝑚 0,1074∙ 10−3 𝑚4 𝑇𝑡 = 80,5 𝑘𝑁.𝑚 (resp) Solução Exemplo 1 22 Além disso, a tensão de cisalhamento no raio interno do tubo é: Esses resultados são mostrados agindo sobre pequenos elementos da Figura do Exemplo 1. Note como a tensão de cisalhamento na face frontal (sombreada) do elemento contribui para o torque.Como consequência, as componentes da tensão de cisalhamento agem sobre as outras três faces. 𝜏𝑖𝑛𝑡 𝑡 = 𝑇 ∙ 𝑟 𝐽 = 80,5 ∙ 103 𝑁 ∙ 𝑚 0,075𝑚 0,1074 ∙ 10−3 𝑚4 = 56,2 𝑀𝑃𝑎 23 Um eixo está apoiado em dois mancais e sujeito a três torques. Determine a tensão de cisalhamento desenvolvida nos pontos A e B localizados na seção a–a do eixo. Exemplo 2: seção a–a 24 Pelo diagrama de corpo livre do segmento esquerdo, O momento polar de inércia para o eixo x é Visto que A se encontra em r = 0,075 m, Da mesma forma, para B, em r = 0,015 m, temos 𝑀𝑥 = 0; 4,25 𝑘𝑁 ∙ 𝑚 − 3,0 𝑘𝑁 ∙ 𝑚 − 𝑇 = 0 → 𝑇 = 1,25 𝑘𝑁 ∙ 𝑚 𝐽 = 𝜋 2 0,075𝑚 4 = 49,70 10 −6 𝑚4 Solução Exemplo 2 𝝉𝑨 = 𝑇 ∙ 𝑟 𝐽 = 1,25 103 𝑁 ∙ 𝑚 0,075 𝑚 49,70 10−6 𝑚4 = 𝟏, 𝟖𝟗 𝑴𝑷𝒂 (𝑟𝑒𝑠𝑝𝑜𝑠𝑡𝑎) 𝐽 = 𝜋 2 0,075𝑚 4 = 49,70 10 −6 𝑚4 𝝉𝑩 = 𝑇 ∙ 𝑟 𝐽 = 1,25 103 𝑁 ∙ 𝑚 0,015 𝑚 49,70 10−6 𝑚4 = 𝟎, 𝟑𝟕𝟕 𝑴𝑷𝒂 (𝑟𝑒𝑠𝑝𝑜𝑠𝑡𝑎) Conversão: 1HP =746 W HP: horse-power Transmissão de potência • Potência (P) é definida como trabalho realizado (𝑇 ∙d𝜃) por unidade de tempo (dt). • Eixos e tubos com seção transversal circular são frequente- mente empregados para transmitir a potência gerada por máquinas. • Quando usados para essa finalidade, os eixos são submetidos a torques que depen- dem da potência gerada pela máquina e da velocidade angular do eixo. 𝑃 = 𝑇 ∙ 𝑑𝜃 𝑑𝑡 Onde: T = Torque aplicado d𝜃= ângulo de torção • Sabe-se que a velocidade angular (w) do eixo é dada por: 𝑤 = 𝑑𝜃 𝑑𝑡 Portanto: 𝑃 = 𝑇 ∙ 𝑤 No SI, a potência (P) é expressa em watts (W). 1W= 1N.m/s A unidade de velocidade angular (w) é expressa em rad/s 26 Relação potência e frequência No caso de análise de máquinas, a frequência de rotação de um eixo é geralmente conhecida. Portanto, a equação da potência pode ser escrita do seguinte modo: 𝑃 = 𝑇 ∙ 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑓 Expressa em hertz (1 Hz = 1 ciclo/s), a frequência representa o número de revoluções que o eixo realiza por segundo. Como 1 ciclo/s = 2π radianos, pode-se escrever que 𝑤 = 2 ∙ 𝜋 ∙ 𝑓 27 • Conhecendo o torque aplicado (T) e a tensão de cisalhamento admissível do material (𝜏𝑎𝑑𝑚), podemos determinar a dimensão da seção transversal do eixo usando a fórmula da torção: 𝜏𝑚á𝑥 = 𝑇𝑐 𝐽 • Para o projeto do eixo, o parâmetro de projeto ou parâmetro geométrico (J/r) é utilizado; e seu valor é: 𝐽 𝑟 = 𝑇 𝜏𝑎𝑑𝑚 Onde, J é o momento polar de inércia; r é o raio do eixo; 𝜏𝑎𝑑𝑚 é a tensão cisalhante admissível; T é o torque aplicado. Projeto do eixo 28 Um motor M gera uma potência de 3750 W e a transmite ao eixo maciço de aço AB ao qual está acoplado. Se o eixo girar a uma velocidade angular ω = 175 rpm e o aço tiver uma tensão de cisalhamento admissível 𝜏𝑎𝑑𝑚= 100 MPa, determine o diâmetro exigido para o eixo com precisão de mm. Exemplo 3 29 O torque no eixo é Solução Exemplo 3 Assim, Visto que d = 2 r, então d = 21,84 mm. Seleciona-se um eixo com diâmetro de 22 mm. 𝐽 𝑟 = 𝜋 ∙ 𝑟4 2 ∙ 1 𝑟 = 𝑇 𝜏𝑎𝑑𝑚 𝑟 = 2𝑇 𝜋𝜏𝑎𝑑𝑚 1/3 = 2 ∙ 204,6 ∙ 1000 𝜋 ∙ 100 1/3 = 10,92𝑚𝑚 𝑃 = 𝑇𝑤 3750 𝑤 = 𝑇 175 ∙ 2𝜋𝑟𝑎𝑑 60𝑠 → 𝑇 = 204,6 𝑁𝑚 30 Ângulo de torção, Ø Integrando em todo o comprimento L do eixo, temos o ângulo de torção ∅ para o eixo inteiro: Ø = ângulo de torção; T(x) = torque interno; J(x) = momento polar de inércia do eixo; G (x) = módulo de elasticidade transversal (ou de cisalhamento). ∅ = 𝑇 𝑥 𝑑𝑥 𝐽 𝑥 𝐺(𝑥) 𝐿 0 𝑑∅ = 𝛾 𝑑𝑥 𝜌 (𝑒𝑞. 3) 𝜏 = 𝑇(𝑥)𝜌 𝐽(𝑥) 𝛾 = 𝑇(𝑥)𝜌 𝐽 𝑥 𝐺(𝑥) Os valores de 𝛾 𝑒 𝑑∅ estão relacionados Usando a Lei de Hooke: 𝛾 = 𝜏 𝐺 E a tensão cisalhante da fórmula de torção: então, Substituindo 𝛾 𝑛𝑎 𝑒𝑞. 3 𝑡𝑒𝑚 − 𝑠𝑒: 𝑑∅ = 𝑇(𝑥) 𝐽 𝑥 𝐺(𝑥) 𝑑𝑥 31 Considerando que o material seja homogêneo de modo que G seja constante. A área da seção transversal e o torque externo são constantes, então: A convenção de sinal é determinada pela regra da mão direita. ∅ = 𝑇𝐿 𝐽𝐺 Se o eixo tiver torques múltiplos, ou áreas da seção transversal variáveis então: ∅ = 𝑇𝐿 𝐽𝐺 A Eq acima mostra analogia com a eq da barra axialmente carregada, ∆𝐿 = 𝑃𝐿 𝐸𝐴 . 32 Exemplo 4 Determine o ângulo de torção da extremidade A do eixo de aço A-36 mostrado na Figura abaixo. Além disso, qual é o ângulo de torção de A em relação a C? O eixo tem um diâmetro de 200 mm. 33 Solução Exemplo 4 Torque interno: pelo método das seções e usando a regra da mão direita TAB = +80 KN.m, TBC = -70 kN.m e TCD = -10 kN.m. 34 Ângulo de torção: o momento polar de inércia para o eixo é: 𝐽 = 𝜋 2 0,1𝑚 4 = 0,1571 10 −3𝑚4 Para o aço A-36, é dado G = 75 GPa (tabelado). A extremidade A do eixo tem uma rotação de: ∅𝐴 = 𝑇 ∙ 𝐿 𝐽 ∙ 𝐺 = 80 ∙ 103𝑁 ∙ 𝑚 3 𝑚 0,1571 10−3 𝑚4 75 109 𝑁/𝑚2 + + −70 103 𝑁 ∙ 𝑚 2𝑚 0,1571 10−3 𝑚4 75 109 𝑁/𝑚2 + −10 103 𝑁 ∙ 𝑚 1,5𝑚 0,1571 10−3 𝑚4 75 109 𝑁/𝑚2 ∅𝐴 = 7,22 10 −3 𝑟𝑎𝑑 (𝑟𝑒𝑠𝑝𝑜𝑠𝑡𝑎) 35 O ângulo relativo de torção de A em relação a C (∅𝐴/𝐶) envolve apenas dois segmentos do eixo (AB e AC): ∅𝐴/𝐶 = 𝑇𝐿 𝐽𝐺 = 80 ∙ 103𝑁 ∙ 𝑚 3 𝑚 0,1571 10−3 𝑚4 75 109 𝑁/𝑚2 + + −70 103 𝑁 ∙ 𝑚 2𝑚 0,1571 10−3 𝑚4 75 109 𝑁/𝑚2 ∅𝑨/𝑪 = 𝟖, 𝟒𝟗 𝟏𝟎 −𝟑 𝒓𝒂𝒅 (𝑟𝑒𝑠𝑝𝑜𝑠𝑡𝑎) Resultados positivos do ângulo de torção indicam que a extremidade A girará como indicado pela curvatura dos dedos da mão direita, qdo o polegar aponta para fora do eixo. 36 Eixo estaticamente indeterminado Quando as equações da estática são insuficientes para a determinação dos esforços internos de torção, é preciso levar em conta as condições de deformação da estrutura. Exemplo 5 Um eixo AB bi-engastado de seção transversal circular tem 250 mm de comprimento e 20 mm de diâmetro (raio = 10 mm). No trecho de 125 mm a partir da extremidade B, o eixo tem seção vazada com diâmetro interno de 16 mm (raio = 8 mm). Pede-se para determinar o momento torsor em cada apoio, quando um torque de 120 N∙m é aplicado no ponto médio de AB. 37 𝑀 = 0 A barra é estaticamente indeterminada, porque existem dois momentos torsores desconhecidos, TA e TB, e apenas uma equação de equilíbrio: 𝑇𝐴 + 𝑇𝐵 = 120 𝑁 ∙ 𝑚 Solução Exemplo 5 A condição de compatibilidade exige que o ângulo de torção de uma extremidade do eixo em relação á outra seja igual a zero, uma vez que os apoios nas extremidades são fixos. Então: Desde que o material seja linear-elástico, podemos aplicar a relação carga deslocamento: ∅ = 𝑇𝐿 𝐽𝐺 ØA/B = 0 38 O torque interno no segmento AC é: + TA ; e no segmento CB é: – TB. Então: 𝑇𝐴 ∙ 𝐿1 𝐺 ∙ 𝐽1 = 𝑇𝐵 ∙ 𝐿2 𝐺 ∙ 𝐽2 𝑇𝐵 = 𝐽2 𝐽1 ∙ 𝑇𝐴 = 𝜋 2 (10 4 − 84) 𝜋 2 (10 4) ∙ 𝑇𝐴 E, como L1 = L2, então: 𝑇𝐴 + 0,59 ∙ 𝑇𝐴 = 120 𝑁 ∙ 𝑚 Como: 𝑇𝐵 = 0,59 ∙ 𝑇𝐴 𝑇𝐴 + 𝑇𝐵 = 120 𝑁 ∙ 𝑚 Logo: Portanto: 𝑻𝑨 = 𝟕𝟓, 𝟓 𝑵 ∙ 𝒎 𝑻𝑩 = 𝟒𝟒, 𝟓 𝑵 ∙ 𝒎 Solução Exemplo 5 39 Eixos maciços não circulares A tensão de cisalhamento máxima e o ângulo de torção para eixos com seção transversal não circular são: 40 O eixo de alumínio 6061-T6 tem área de seção transversal na forma de um triângulo equilátero. Determine o maior torque T que pode ser aplicado à extremidade do eixo, se a tensão de cisalhamento admissível for 𝜏𝑎𝑑𝑚 = 56 MPa e o ângulo de torção na extremidade estiver restrito a Øadm = 0,02 rad. GAl = 26 GPa. Exemplo 6 41 Solução Exemplo 6 Por definição, o torque interno resultante em qualquer seção transversal ao longo da linha central do eixo também é T. Por comparação, o torque é limitado devido ao ângulo de torção. Oportanto, o torque T de 24,12 N∙m é o máximoque pode ser aplicado para que o ângulo de torção não ultrapasse 0,02 rad. 𝜏𝑎𝑑𝑚 = 20 𝑇 𝑎3 (𝑡𝑎𝑏 𝑠𝑙𝑖𝑑𝑒 39); 56 𝑁 𝑚𝑚2 = 20 𝑇 40𝑚𝑚 3 → 𝑇 = 179200𝑁𝑚𝑚 → 𝑇 = 179,2 𝑁 ∙ 𝑚 ∅𝑎𝑑𝑚 = 46 𝑇𝐿 𝑎4𝐺𝐴𝑙 (𝑡𝑎𝑏 𝑠𝑙𝑖𝑑𝑒 39); 0,02 𝑟𝑎𝑑 = 46 𝑇 1200𝑚𝑚 40𝑚𝑚 4 26000 𝑁 𝑚𝑚2 → 𝑇 = 24116 𝑁 ∙ 𝑚𝑚 = 𝟐𝟒, 𝟏𝟐 𝑵 ∙ 𝒎 (𝒓𝒆𝒔𝒑) 42 Fim da aula