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1 Questão (Q-3, P1-15/09/2009-turmas A e C) 1 – Explique as principais características do comportamento elástico e comportamento plástico. Desenhe o diagrama de tensão-deformação, identificando os trechos com cada comportamento. Comportamento elástico – sem deformações residuais. Obedece a lei de Hooke até a tensão limite de proporcionalidade. (Lei de Hooke: E , a inclinação da reta formada entre as deformações e tensões é chamada de módulo de elasticidade (E).) Comportamento plástico – deformações residuais. É dividido em 3 regiões: escoamento, endurecimento e estricção. 1. Escoamento – corpo-de-prova se alonga sem qualquer acréscimo de carga. 2. Endurecimento - a área da seção transversal do corpo-de-prova diminui uniformemente. Para um incremento de carga, a tensão aumenta até atingir a tensão máxima = tensão última. 3. Estricção - a área da seção transversal começa a diminuir em uma região localizada do corpo-de-prova. Diagrama de tensão-deformação 2 – Um corpo-de-prova com comprimento original de 1,00 m e diâmetro de 0,02 m é submetido a uma força axial de 500 kN. Determine seu alongamento, considerando que ele permaneça em regime elástico. Dado: E = 200 GPa. m EA FL m d A 3 49 3 0 24 2 0 108 1014,310200 110500 1014,3 4 2 a Questão (Q-3, P1-17/09/2009 – Turmas B e D) 1 - A barra AD mostrada na figura é rígida e mantida originalmente na posição horizontal quando o peso W é suportado em D. Se o peso causa um alongamento de 0,5 mm no cabo DC, determine a deformação no cabo. Determine também o peso W, considerando módulo de elasticidade do cabo 200 GPa e área da seção transversal de 0.002 m². MN L EA F EA FL L 1 105,2 200 5.0 0 0 3 2 – Na Figura abaixo é ilustrado o diagrama de tensão-deformação obtido de dois diferentes aços determinados em um ensaio de tração. Indique qual é a curva correspondente a um aço frágil e a curva de um aço dúctil. Justifique. Curva 1 – Aço Frágil Curva 2 – Aço Dúctil Aço Frágil apresenta pouco ou nenhum escoamento. Aço Dúctil suporta grandes deformações antes de se romper. 3 Questão (Q-3, P1-15/09/2009-turmas E) 1 – Uma barra é submetida a uma força axial de 50 kN, determine a variação em seu comprimento após a aplicação da carga. Considere que o material tenha um comportamento linear-elástico. Dados: E = 200 GPa. m EA FL 4 9 3 0 10075,0 05,01,010200 5,11050 2 – Identifique os comportamentos descritos abaixo. Esboce o diagrama tensão- deformação de um aço dúctil e identifique esses comportamentos no diagrama. a) A relação entre a tensão e deformação é proporcional. Caso haja o descarregamento do corpo-de-prova, ele retorna ao comprimento inicial. Região elástica b) A área da seção transversal começa a diminuir em uma região localizada do corpo-de-prova. Estricção c) O corpo-de-prova se alonga sem qualquer acréscimo de carga. Escoamento Diagrama de tensão-deformação 4 a Questão (Q-3, P1-17/09/2009 – Turmas F) 1 – Considere o diagrama tensão-deformação abaixo. a) Determine o módulo de elasticidade. b) Se um corpo-de-prova de comprimento inicial igual a 1000 mm apresenta um alongamento de 1,5 mm, determine a carga atuante nesse corpo-de-prova. Dado: A0 = 0,02 m². MN L EA F EA FL GPaE 6 200 0005.0 10100 0 0 6 2 – Esboce a curva de um aço dúctil e a curva de um aço frágil. Explique a diferença entre as curvas. Indique as 4 regiões que comandam a curva de um aço dúctil. Curva 1 – Aço Frágil Curva 2 – Aço Dúctil Aço Frágil apresenta pouco ou nenhum escoamento. Aço Dúctil suporta grandes deformações antes de se romper. Diagrama de tensão-deformação 5 a Questão (Q-3, P1-06/04/2010, Turmas A e E) Considere as barras AB e BC, ambas maciças e de aço, submetidas ao carregamento axial esquematizado abaixo. Sabendo que o diâmetro da barra BC é dBC = 0,15 m, pede-se: a) O deslocamento vertical do ponto B (B); b) O diâmetro da barra AB (dAB) para que a tensão normal em cada barra seja de mesma intensidade. Dado: Eaço = 200 GPa a) b) 6 a Questão (Q-4, P1-06/04/2010, Turmas A e E) A Lei de Hooke, na sua forma uniaxial, estabelece uma relação linear entre a tensão aplicada e a deformação decorrente, dada por = E, onde é a tensão, E o Módulo de Elasticidade e a deformação. Sabe-se também que a lei de Hooke aplicada a uma mola resulta na equação F = k x, onde F é a força aplicada, k é a rigidez da mola e x o alongamento ou encurtamento da mola em relação à sua posição neutra. a) Qual o significado físico da rigidez da mola? E do Módulo de Elasticidade? b) Uma barra prismática de seção transversal constante submetida a uma tensão uniaxial de tração ou compressão dentro do limite elástico pode ser modelada como uma mola. Pede-se obter o coeficiente de rigidez de uma barra de seção transversal A e módulo de elasticidade E. a) Rigidez é a força necessária para produzir um alongamento unitário. Módulo de Elasticidade é a tensão necessária para produzir uma deformação unitária. b) K F L EA E E F L A L L 2,0 m 1,5 m 100 kN 400 kN 400 kN A B C BCAB BC BC AB AB A P A P 44 22 BC BC AB AB d P d P md P P d BC BC AB AB 05,015,0 10900 10100 3 3 mm 5,0 4 15,0 10200 210900 2 9 3 BCaço BCBC BC AE LP 7 a Questão (Q-3, P1-08/04/2010, Turmas B e F) Considere a viga rígida esquematizada abaixo, submetida ao seu peso próprio w = 1 kN/m e duas cargas concentradas P. Sabendo que a viga está sustentada por duas barras de aço e que a tensão normal em cada barra é = 50 MPa, pede-se: a) O deslocamento vertical da viga; b) A intensidade da força P, sendo que a área da seção transversal de cada barra é A = 10 -4 m 2 . Dado: Eaço = 200 GPa a) b) 8 a Questão (Q-4, P1-08/04/2010, Turmas B e F) A figura abaixo apresenta o gráfico tensão-deformação do alumínio. O ponto A (E, E) representa o limite de elasticidade do material. Quando o limite elástico do material é ultrapassado, passa a ocorrer deformação plástica. Sabe-se que quando há deformação plástica apenas a parte elástica é recuperada após o descarregamento, havendo, portanto, uma deformação permanente ou residual no material. Pede-se: a) Qual o Módulo de Elasticidade do material? b) Supondo que o corpo de prova seja carregado até o ponto B e depois descarregado, qual seria a deformação permanente após o descarregamento? c) Se o corpo de prova fosse novamente carregado qual seria o novo limite elástico? a) 450 MPa 75 GPa 0,006 E b) res 600 0,023 0,015 75000 c) 600 MPaE açoEL mm 5 10200 21050 9 6 açoE L 2 m 2 m P P w=1 kN/m 2 m 2 m kN 5101050 46 APbarra 0VF kN 22 1652 2 62 wP P barra 9 a Questão (Q-3, P1-06/04/2010, Turmas C) Considere a viga rígida submetida ao carregamento distribuído esquematizado, sustentada pelas barras AB e CD. Sabendo que a barra CD é de alumínio e a área de sua seção transversal é ACD = 210 -4 m 2 , pede-se: a) A tensão normal na barra CD (CD); b) A área da seção transversal da barra de aço AB (AAB), supondo que o deslocamento vertical da viga é uniforme após a deformação das barras. Dados: Ealumínio = 70 GPa, Eaço = 200 GPa a) b) 10 a Questão (Q-4, P1-06/04/2010, Turmas C) A figura abaixo apresenta o gráfico tensão-deformação típico de um aço dúctil. Identifique no gráfico as regiões realçadas e os pontos marcados, explicando o seu significado. Região elástica– a relação entre a tensão e a deformação é proporcional. A deformação é reversível. Escoamento – o corpo de prova sofre deformação sem que haja acréscimo na tensão Endurecimento por deformação – após escoar, o material ganha resistência e permite o acréscimo na tensão Estricção – a área da seção transversal diminui sensivelmente em uma região localizada do corpo de prova OBS: Não há necessidade de o aluno saber a diferença entre o limite de proporcionalidade e o limite de elasticidade 4 m 2,5 m p =1,5 kN/m p =1,5 kN/m A B C D 2,5 m 2,5 m 2,5 m 0VF kN p Pbarra 75,3 2 5,15 2 5 MPa 75,18 102 1075,3 4 3 A Pbarra BCAB CDalumínio barra ABaço barra AE LP AE LP mA E E A CD aço alumínio AB 44 9 9 107,0102 10200 1070 11 a Questão (Q-3, P1-15/04/2010, Turmas D) Considere que o peso P está sustentado por dois cabos, como esquematizado na figura. Sabendo que a tensão normal atuando em cada cabo é = 30 MPa, determine: a) O valor do peso P, sendo que a área da seção transversal do cabo é A = 510-4 m2; b) O módulo de elasticidade E dos cabos para que o ponto C se desloque verticalmente de = 2,5 mm após a deformação dos cabos. a) b) 12 a Questão (Q-4, P1-15/04/2010, Turmas D) A figura abaixo apresenta o gráfico tensão-deformação típico de um aço dúctil. Nota-se que, após chegar ao limite de resistência, o material não suporta acréscimo na carga e a mesma decresce até que o material se rompe. O gráfico representa o que realmente ocorre no material em termos de tensão? Se não há acréscimo na carga, por que razão o corpo-de-prova chega à ruptura? Explique com suas palavras, apoiando-se nos conceitos de tensão de engenharia e tensão real. Resposta: A tensão de engenharia é calculada a partir da seção transversal inicial do corpo-de-prova. A tensão real é aquela que leva em conta a mudança da seção transversal do corpo-de-prova. Na verdade, a tensão no material continua crescendo após o limite de resistência, pois a área da seção transversal diminui devido à estricção, mesmo com o decréscimo da carga aplicada. 4 m A C B 3 m 3 m P kN 151051030 46 APcabo 0VF kN 245 4 152cos2 caboPP m 50 L m 002,5)105,24(3 232 fL GPa 75 5 5002,5 1030 6 0 0 L LL E f 13 a Questão (Q-3, P1-05/04/2010, Turmas G) Considere a viga rígida esquematizada abaixo, sustentada pelas duas barras AB e CD. Após a aplicação das cargas, as barras se deformam e a viga rígida assume a configuração A’C’ indicada na figura, sendo os deslocamentos verticais A = 0,1 m e C = 0,2 m. Sabendo que a área da seção transversal de cada barra é A = 410 -4 m 2 e que a barra AB é de alumínio, determine: a) O módulo de elasticidade ECD da barra CD para que as tensões normais em ambas as barras sejam de mesma intensidade; b) O valor da carga P. Dado: Ealumínio = 70 GPa a) b) CDAB kN 700 4 10410701,0 49 L AE P alumínioABcabo CDCDABalumínio EE GPa 35 2,0 1,0 1070 / / 9 L L EEE CD AB alumínio CD AB alumínioCD 0VF kN 140070022 caboPP A’ D B 4 m 3 m 3 m C A C C’ P 14 a Questão (Q-4, P1-05/04/2010, Turmas G) Dois materiais diferentes são testados em tração. Os corpos de prova são idênticos, com comprimento inicial de 50,8 mm (2”) e diâmetro inicial de 12,7 mm (1/2”). No momento da fratura o material A apresentou um comprimento final de 69,4 mm e tensão nominal de ruptura de 310 MPa. O material B, por sua vez, rompeu com uma tensão nominal de 480 MPa e comprimento final de 54,5 mm. Os diâmetros medidos após a fratura foram 6,06 mm e 11,46 mm, respectivamente. Obtenha a deformação e a redução percentual da área da seção transversal para cada material ao final do ensaio. Obtenha a tensão real de ruptura nos dois casos. Classifique os materiais como dúcteis ou frágeis e justifique. Esboce o gráfico tensão-deformação de cada um dos materiais. Material A A A 2 A 2 2 real 2 69,4 50,8 0,366 50,8 6,06 % 100 22,8% 12,7 12,7 310 1361,5 MPa 6,06 A DÚCTIL Material B B B 2 B 2 2 real 2 54,5 50,8 0,073 50,8 11,46 % 100 81,4% 12,7 12,7 480 589,5 MPa 11,46 A FRÁGIL 15 a Questão (Q-3, P1-31/08/2010, Turmas A e F) Os cabos de aço AB e AC suportam o peso P = 50 kN, como indicado na figura. Sabendo que o diâmetro do cabo AB é dAB = 2 cm, pede-se: a) O diâmetro do cabo AC para que a tensão seja a mesma nos dois cabos (dAC); b) O alogamento do cabo AC para o diâmetro obtido no item anterior (AC). Dado: Eaço = 200 GPa a) PAB = 43,3 kN e PAC = 25 kN (por equilíbrio de forças em A) MPa 83,137 101416,3 103,43 4 3 AB AB AB A P cm 52,1 m 1081,1 1083,137 1025 AC 24 6 3 d P A AC AC AC b) mm 14,4 1081,110200 61025 49 3 AC ACAC AC AE LP 16 a Questão (Q-4, P1-31/08/2010, Turmas A e F) Esboce o gráfico tensão-deformação de um aço dúctil, como o que foi testado no laboratório, e explique, com suas palavras, as etapas percorridas no gráfico até a ruptura do corpo de prova. Explique a diferença entre um material frágil e um material dúctil. Região elástica – a relação entre a tensão e a deformação é proporcional. A deformação é reversível. Escoamento – o corpo de prova sofre deformação sem que haja acréscimo na tensão Endurecimento por deformação – após escoar, o material ganha resistência e permite o acréscimo na tensão Estricção – a área da seção transversal diminui sensivelmente em uma região localizada do corpo de prova Material dúctil: deforma-se muito até a ruptura, em geral apresenta considerável redução da seção transversal Material frágil: deforma-se pouco até a ruptura, com pouca ou nenhuma redução da seção transversal P 3 m 60º 30º A B C 17 a Questão (Q-3, P1-02/09/2010, Turmas B e G) A carga P é suportada pelo conjunto formado pela viga rígida AC e pelas 3 hastes de aço AB, CD e EF, de diâmetros dAB = dCD = 1,5 cm e dEF = 2,5 cm. Pede-se: a) O valor máximo da carga P para que a tensão nos cabos AB e CD não ultrapasse adm = 200 MPa; b) O deslocamento vertical do ponto F para a carga P obtida no item anterior (F). Dado: Eaço = 200 GPa a) PEF = P e PAB = PCD = 2 P (por equilíbrio da viga rígida) kPa 68,70P MPa 200 1077,1 2/ 4 P A P A P CD CD AB AB CDAB b) EF EFEF AB ABAB EFABF AE LP AE LP mm 44,4 1091,410200 21068,70 1077,110200 31034,35 49 3 49 3 F 18 a Questão (Q-4, P1-02/09/2010, Turmas B e G) A figura abaixo apresenta o gráfico tensão-deformação de um material de comportamento bilinear. Calcule o módulo de elasticidade do material. Considerando um corpo de prova com seção transversal circular de 12,7 mm de diâmetro, calcule as forças necessárias para atingir as tensões de 450 e 600 MPa, respectivamente. Calcule, para cada uma dessas forças, qual será o alongamento medido em laboratório, para um comprimento inicial de referência do corpo de prova igual a 50,8 mm. 450 MPa 300 GPa 0,0015 E 23 6 1 1 12,7 10 450 10 57 4 F A kN 23 6 2 2 12,7 10 600 10 76 4 F A kN 1 1 0 0,0015 50,8 0,0762L mm 2 2 0 0,3 50,8 15,24L mm P 3 m A F B C D 2 m 2 m 2 m E 9 40,0025 0,001 70 10 80 10 840F A EA kN 19 a Questão (Q-3, P1-31/08/2010, Turmas C) A barra AC suporta as cargas P1 = 20 kN e P2 = 50 kN, como esquematizadoabaixo. Pede-se: a) O diâmetro da barra AC para que o deslocamento vertical do ponto C não ultrapasse 2 mm (dAC); b) A tensão no trecho AB para o diâmetro calculado no item anterior (AB). Dado: E = 90 GPa a) PAB = 84,64 kN e PBC = 50 kN (pelo método das seções) BC BCBC AB ABAB BCABC AE LP AE LP cm 01,21018,3Am102 1090 3,01050 1090 5,01064,84 243 9 3 9 3 dm AA F b) MPa 79,265 1018,3 1064,84 4 3 AB AB AB A P 20 a Questão (Q-4, P1-31/08/2010, Turmas C) A figura abaixo representa o trem de pouso de um avião. O suporte é feito de alumínio, com módulo de elasticidade E = 70 GPa. Um extensômetro é colocado no suporte para determinar a mudança de peso no avião após o seu carregamento com tripulantes e bagagem. Considerando que antes do carregamento a leitura no extensômetro era de = 0,001 e, após o carregamento, de = 0,0025, determine a mudança na força que age sobre o suporte. Utilize uma área de seção transversal de 80 cm 2 . 60º P 2 50 cm A C 30 cm 60º P 1 P 1 B 21 a Questão (Q-3, P1-02/09/2010, Turmas D) Os cabos de aço AB e AC, de diâmetro d = 2 cm, suportam a carga P, como esquematizado abaixo. Sabendo que a máxima tensão de tração que os cabos suportam é adm = 200 MPa, pede-se: c) O valor máximo da carga P suportada antes que um dos cabos falhe; d) O máximo alongamento do cabo AB para a carga P obtida no item anterior (AB). Eaço = 200 GPa a) PAB = 0,7320 P e PAC = 0,8966 P kN (por equilíbrio de forças em A) kN 83,85PMPa 200 101416,3 P 0,7320 4 A PAB AB kN 08,70PMPa 200 101416,3 P 0,8966 4 A PAC AC kN 08,70)08,70 ;83,85min( P b) mm 5,4 101416,310200 41008,707320,0 49 3 AE LP ABAB AB P 2 m 30º 45º A B C 22 a Questão (Q-3, P1-13/09/2010, Turmas D) A figura abaixo apresenta o gráfico tensão-deformação típico de um aço dúctil. Identifique no gráfico as regiões realçadas e os pontos marcados, explicando o seu significado. Explique, com suas palavras, o significado das duas curvas distintas a partir do patamar de escoamento. Região elástica – a relação entre a tensão e a deformação é proporcional. A deformação é reversível. Escoamento – o corpo de prova sofre deformação sem que haja acréscimo na tensão Endurecimento por deformação – após escoar, o material ganha resistência e permite o acréscimo na tensão Estricção – a área da seção transversal diminui sensivelmente em uma região localizada do corpo de prova A tensão de engenharia é calculada a partir da seção transversal inicial do corpo-de- prova. A tensão real é aquela que leva em consideração a mudança na seção transversal do corpo-de-prova. Na verdade, a tensão no material continua crescendo após o limite de resistência, pois a área da seção transversal diminui devido à estricção, mesmo com o decréscimo na carga aplicada. 23 a Questão (Q-3, P1-13/09/2010, Turmas E) A carga P = 1000 kN é suportada pela viga rígida AC, apoiada pelas colunas de aço AB e CD. Considere que as colunas AB e CD estão apoiadas sobre o solo, havendo apenas reações de apoio verticais (RAB e RCD). Sabendo que a área da seção transversal da coluna AB (AAB) é o dobro da área da coluna CD (ACD), pede-se: c) A posição x da carga P para que a viga continue horizontal após a aplicação da carga (AB = CD); d) A tensão na coluna AB para a posição x obtida no item anterior, considerando AAB = 0,01 m 2 . Dado: Eaço = 200 GPa a) PAB = -250x + 1000 e PAC = 250x kN (por equilíbrio da viga rígida) (mm) 015.0 0.00375- 10200 3101000) -250( 9 3 ABABAB ABAB AB A x A x AE LP (mm) 0.00750 2/10200 310 250 9 3 ABABCD CDCD CD A x A x AE LP mxCDAB 3333,1 b) MPa 67,66 01,0 101000) 1,3333-250( 3 AB AB AB A P 24 a Questão (Q-4, P1-13/09/2010, Turmas E) A figura abaixo apresenta o gráfico tensão-deformação típico de um aço dúctil. Como a região elástica é muito reduzida em relação à região plástica, é apresentada em cinza uma ampliação da deformação inicial. Calcule de forma aproximada, considerando um corpo de prova com 50,8 mm de comprimento e 12,7 mm de diâmetro da seção transversal circular: a) o módulo de elasticidade (E) do material b) a carga suportada pelo corpo de prova no limite de proporcionalidade c) a carga suportada pelo corpo de prova no limite de resistência d) a carga de ruptura do corpo de prova e) o alongamento total sofrido pelo corpo de prova Resposta: a) 280 MPa 280 GPa 0,001 E b) 23 6 12,7 10 280 10 35,5 4 lp lpF A kN c) 23 6 12,7 10 530 10 67,1 4 lim limF A kN d) 23 6 12,7 10 400 10 50,7 4 rup rupF A kN e) 0 0,265 50,8 13,5tot tot L mm P R AB A B C D x 4 m 3 m R CD
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