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INTRODUÇÃO À RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS AULA 5 Profª Eimi Veridiane Suzuki CONVERSA INICIAL Seja bem-vindo a aula sobre resistência dos materiais. Estudaremos aqui flexão, a deformação e a tensão causada por esse esforço. Ainda sobre o tema flexão, vamos saber mais sobre flexão assimétrica e elementos compostos; por último, aprenderemos sobre vasos de pressão de paredes finas. TEMA 1 – DEFORMAÇÃO POR FLEXÃO DE UM ELEMENTO RETO Quando uma carga é aplicada a uma barra, uma deformação possível é que ela se curve. Ou seja: ela pode fletir. Antes de falarmos de deformação por flexão, conheceremos o conceito de flexão pura. 1.1 FLEXÃO PURA A flexão pura ocorre quando o único esforço interno presente na barra é o momento fletor. A Figura 1 mostra um exemplo de uma viga que está em flexão pura. Figura 1 – (a) Viga que está em flexão pura e (b) seu diagrama de momento fletor Fonte: Gere; Goodno, 2017. 1.2 DEFORMAÇÕES Quando uma barra se deforma por flexão, ela se curva no sentido longitudinal, como pode ser visto na Figura 2. A parte de cima da barra está sofrendo compressão, enquanto a parte de baixo está sendo tracionada. Sempre existirá uma linha que não estará nem em tração, nem em compressão. De fato, essa linha será a transição entre a parte tracionada e comprimida. Essa linha é chamada de linha neutra (Figura 3). Figura 2 – Elemento reto antes e depois da deformação por flexão Fonte: Hibbeler, 2015. Figura 3 – Linha neutra Fonte: Beer et al., 2015. Com base na linha neutra mostrada na Figura 3, vamos chamar de y a menor distância entre a linha neutra e um ponto qualquer da barra; já o ρ é o raio do arco, e seu inverso é a curvatura (κ). O quanto um pedaço da barra vai se deformar depende da distância que esse pedaço tem do eixo neutro (y). A deformação longitudinal pode ser achada pela seguinte equação: A maior distância possível a partir da linha neutra é chamada de c, e esse é o pedaço que vai sofrer maior deformação. 1.3 EXEMPLOS Exemplo 1 (Gere; Goodno, 2015): Determine a deformação normal máxima produzida em um cabo de aço com diâmetro d = 1,6 mm quando ele está fletindo sobre um tubo cilíndrico de raio R = 500 mm (observe a figura). Solução: O cabo de aço tem seção circular, ou seja, ele é simétrico e sua linha neutra estará passando bem pelo meio. A partir da Figura 3, podemos ver que: Se queremos a deformação máxima, y = c. TEMA 2 – TENSÃO DE FLEXÃO EM REGIME ELÁSTICO No tema anterior vimos deformação causada pela flexão – Figura 4(a) – e que a linha neutra separa a parte da viga que está sendo comprimida da parte tracionada. A Figura 4(b) e a Figura 4(c) mostram a distribuição de tensão de uma seção da viga. Figura 4 – Deformação e distribuição de tensão em barra Fonte: Hibbeler, 2015. Podemos também ver na Figura 4 que, quanto mais afastado da linha neutra, maior é a tensão; ainda observando a Figura 4, vemos que a tensão varia em y, mas não em z. Para calcular essa tensão usamos a seguinte equação: Para a tensão máxima, usamos y = c. Essas fórmulas são usadas quando a seção transversal é simétrica em relação a um dos eixos e, quando o momento é perpendicular a esse eixo, o elemento deve ser reto. 2.1 EXEMPLOS Exemplo 1 (Beer et al., 2015): Sabendo que o momento mostrado atua em um plano vertical, determine a tensão no (a) ponto A e (b) ponto B. Solução: Primeiramente, temos de localizar a linha neutra. Observando a direção do momento e como a figura é simétrica em torno do eixo do momento, a linha neutra está na metade da altura. Agora, vamos descobrir o momento de inércia; o momento de inércia de um retângulo é tabelado, mas esse retângulo é vazado. Portanto: (a) Tensão no ponto A: O (C) indica compressão. (b) Tensão no ponto B: O (T) indica que a tensão é de tração. Exemplo 2 (Hibbeler, 2015): A peça feita de alumínio está sujeita a um momento M = 75 N.m. Determine a tensão de flexão criada nos pontos B e C na seção transversal. Solução: Primeiro, devemos encontrar a linha neutra. O momento gira ao redor do eixo horizontal, e a figura não é simétrica ao redor de uma linha horizontal. Vamos calcular o centroide nesse sentido. Podemos dividir a figura em três partes: a horizontal superior e as duas verticais. Agora sabemos que a linha neutra está a uma altura de 32,5 mm a partir da base. Calcularemos o momento de inércia, dividindo a figura da mesma maneira. Para o B, a distância da linha neutra até B, ou seja, y será: Calculando a tensão em B: Para o C y será: Calculando a tensão em B: TEMA 3 – FLEXÃO ASSIMÉTRICA Para usar a equação da tensão de flexão, a seção transversal deve ser simétrica em relação a um dos eixos, e o momento deve ser perpendicular a esse eixo. E quando isso não acontece? A resposta é: chamaremos de flexão assimétrica. Podemos ver alguns exemplos na Figura 5. Figura 5 – Casos de flexão assimétrica Fonte: Beer et al., 2015. Na flexão assimétrica, como o momento não está alinhado a um eixo, devemos decompor o momento e usar o princípio da superposição. Onde y e z são medidas do eixo até o ponto analisado. Na Figura 6, podemos ver como decompomos o momento e analisamos cada um separadamente, e então somamos os resultados. A Figura 6 também mostra como fica a distribuição de tensão para o exemplo mostrado. A mesma figura também mostra que o ângulo entre o momento e o eixo principal z é chamado de θ. Este ângulo θ é usado para achar a orientação da linha neutra. Onde α é o ângulo entre o eixo principal e a linha neutra. Figura 6 – Decomposição do momento e princípio da superposição para a flexão assimétrica Fonte: Hibbeler, 2015. 3.1 EXEMPLOS Exemplo 1 (Hibbeler, 2015): Se o momento interno resultante que age na seção transversal da escora de alumínio tiver valor M = 520 N.m., e for direcionado como mostra a figura, determine a tensão de flexão nos pontos A e B. A localização y do centroide C da área da seção transversal da escora também deve ser determinada. Especifique, ainda, a orientação do eixo neutro. Solução: Vamos chamar o ângulo entre a parte negativa do eixo z e o momento M de β. Vamos decompor o momento: O Mz é negativo pois o estará na parte negativa do eixo z. Agora, vamos achar o centroide. No eixo z, ele é simétrico, então estará na metade, mas em y, teremos de calcular. Para isso, vamos dividir a figura em três partes, duas com 200 mm de altura e 20 mm de base, e uma com 360 mm de base e 20 mm de altura. Como na figura está a partir de cima, será a distância do centro da figura até o ponto mais alto. Agora calculamos Iy e Iz usando o teorema dos eixos paralelos: Vamos achar a tensão no ponto A: Vamos achar a tensão no ponto B: Por último, devemos encontrar a orientação da linha neutra. O ângulo θ é entre M e a parte positiva do eixo principal z. Exemplo 2 (Beer et al., 2015): O momento M atua em um plano vertical, e é aplicado a uma viga orientada conforme a figura. Determine (a) o ângulo que a linha neutra forma com a horizontal e (b) a tensão de tração máxima da viga. Solução: Como a figura está inclinada, vamos usar os eixos y’ e z’ que estão alinhados à figura. Como os momentos de inércia já são dados, vamos diretamente à linha neutra. Sabemos que α’ é um ângulo que inicia em z’ positivo e vai em direção a y’ positivo, mas queremos que inicie no z verdadeiro. Temos que decompor M: Para encontrar a tensão máxima, vamos testar os quatro vértices. Vamos achar as coordenadas dos pontos em relação à y’ e z’. Ponto A: Ponto B: Ponto D: Ponto E: As tensões máximas ocorrem nos pontos B e E, mas como em B a tensão é negativa, ou seja, de compressão, e o problema pede a maior tensão de tração, a resposta será 61,4483 MPa no ponto E. TEMA 4 – BARRAS CONSTITUÍDAS DE MATERIAL COMPOSTO Até agora trabalhamos com vigas ou barras constituídas de apenas um material. Quando uma barra possui mais de um material, ela é chamada de elemento composto, e o cálculo de sua tensãoé feita de maneira diferente da que vimos. Para calcular um elemento composto, usamos o método da seção transformada. Com ele, vamos pegar o módulo de elasticidade dos dois materiais e achamos o fator de transformação (n). Esse fator de transformação vai ser usado para mudar, apenas para os cálculos, a largura de um dos materiais. A Figura 7 ilustra como funciona esse método. Na Figura 7(a), podemos ver uma viga composta de dois materiais: o material rígido 1 e o material menos rígido 2. Como são dois materiais diferentes, a linha neutra não vai passar pelo centro geométrico da seção transversal. Figura 7 – Elemento composto, método da seção transformada Fonte: Hibbeler, 2015. A Figura 7(b) ilustra a deformação (ε) dessa viga vista da lateral. Como essa deformação não pode ser mudada, não mexeremos com a altura da viga. Para compensar o fato dos materiais serem diferentes, aumentamos [Figura 7(e)] ou diminuímos [Figura 7(f)] a largura de um dos materiais multiplicando o valor da base da viga por n, transformando a viga em uma viga de material único. Com a viga sendo de um só material, e com a nova seção transversal, podemos achar a posição da linha neutra e calcular o valor da tensão com essa equação ( já vista anteriormente): Para o material transformado, a tensão ainda terá de ser multiplicada pelo fator de transformação. 4.1 VIGAS DE CONCRETO ARMADO Um caso específico de elemento composto que é muito comum na engenharia é o concreto armado [Figura 8(a)]. Em uma viga deste material, o concreto vai suportar as tensões de compressão, e o aço vai suportar as cargas de tração. Por isso, nesse caso, a seção transformada ficará como na Figura 8(b). Para achar a linha neutra, usamos a equação: Figura 8 – (a) Seção transversal de uma viga de concreto armado; (b) seção transversal transformada; (c) tensões no concreto e força resultante no aço Fonte: Beer et al., 2015. A área transformada de aço é encontrada com a equação: O momento de inércia será: 4.2 EXEMPLOS Exemplo 1 (Hibbeler, 2015): A viga composta é feita de aço A-36 (A) unido a latão vermelho C83400 (B), e tem seção transversal mostrada na figura. Se a tensão de flexão admissível para o aço for (σadm) aço = 180 MPa e, para o latão, (σadm) lat = 60 MPa, determine o momento máximo M que pode ser aplicado à viga. Solução: Vamos transformar a viga em um só material: o aço. Olhando as propriedades dos materiais listados – ao final do livro de Hibbeler (2015) – acharemos os módulos de elasticidade. Vamos transformar o latão em aço mudando a seção transversal: Desenhando a seção transversal transformada: Agora, com a seção transversal transformada, vamos calcular o momento de inércia. Para isso, precisamos achar . Vamos dividir a figura em duas partes de aço e uma de latão transformada. Para o aço: Para o latão – como ele teve a seção transformada: O maior momento fletor admissível será o menor valor, ou seja, 58,7917 kN.m. Exemplo 2 (Beer et al., 2015): A viga de concreto reforçado mostrada na figura está submetida a um momento fletor positivo de 175 kN.m. Sabendo que o módulo de elasticidade é de 25 GPa para o concreto, e de 200 GPa para o aço. Determine (a) a tensão no aço e (b) a tensão máxima no concreto. Solução: Vamos organizar os dados: diâmetro=25 𝑚𝑚=0,025 𝑚 𝑏=300 𝑚𝑚=0,3 𝑚 𝑑=540−60 𝑚𝑚=0,48 𝑚 𝑀=175 𝑘𝑁.𝑚 𝐸aço=200 𝐺𝑃𝑎 𝐸concreto=25 𝐺𝑃𝑎 𝜎aço=? 𝜎concreto=? Vejamos como fica a seção transformada: Vamos descobrir a área de aço transformada em concreto: Agora vamos descobrir o valor de x: Calculando o momento de inércia: Agora calcularemos a tensão máxima no concreto – negativa, pois o concreto está sob compressão. A tensão no aço transformado: Então multiplicaremos pelo fator de transformação: TEMA 5 – VASOS DE PRESSÃO DE PAREDES FINAS Vasos de pressão são estruturas projetadas para conter líquidos gases sob pressão. Suas paredes são consideradas finas quando o raio dividido pela espessura da parede é igual ou maior do que 10. 5.1 VASOS ESFÉRICOS Vamos imaginar um vaso de pressão esférico, como o da Figura 9. A pressão interna deverá ser maior do que a pressão externa, já que contém os gases líquidos sob pressão. Figura 9 – Vaso de pressão esférico Crédito: Haris120297/Shutterstock. Como é uma esfera, a tensão vai ser uniforme em toda a parede (Figura 10). Portanto, uma única equação pode ser usada para calcular a tensão em qualquer ponto do vaso. Figura 10 – Tensões em um vaso de pressão esférico Fonte: Beer et al., 2015. Onde: p é a pressão interna; r é o raio interno; e t é a espessura da parede. 5.2 VASOS CILÍNDRICOS Os vasos de pressão podem ser também cilíndricos, como mostra a Figura 11. Como exemplos desse tipo de vaso, há os tanques de ar comprimido e os extintores de incêndio. Figura 11 – Vaso de pressão cilíndrico Crédito: Haris120297/Shutterstock. Nos vasos de pressão cilíndricos há tensões diferentes nas duas diferentes direções, uma na direção circunferencial e, outra, na direção longitudinal. Chamaremos de σ1 a tensão na direção circunferencial, e, σ2, a tensão longitudinal (Figura 12). Figura 12 – Tensões em um vaso de pressão cilíndrico Fonte: Beer et al., 2015. 5.3 EXEMPLOS Exemplo 1 (Beer et al., 2015) Um vaso de pressão esférico, com diâmetro externo de 750 mm, deve ser fabricado com um aço com limite de tensão σL = 400 MPa. Sabendo que desejamos um coeficiente de segurança de 4 e que a pressão manométrica pode alcançar 4,2 MPa, determine a menor espessura de parede que deve ser usada. Solução: Vamos organizar os dados: 𝜎𝐿=400 𝑀𝑃𝑎 𝑑=750 𝑚𝑚=0,75 𝑚 𝐹𝑆=4 𝑝=4,2 𝑀𝑃𝑎 𝑡=? Como é dado o diâmetro externo, e na equação pede-se o raio interno, vamos descobrir o valor do raio interno. Agora, vamos calcular a tensão admissível. Vamos substituir todos os dados encontrados na fórmula da tensão para vasos de pressão esféricos. Exemplo 2 (Hibbeler, 2015): O tubo de extremidade aberta tem parede de espessura 2 mm e diâmetro interno de 40 mm. Calcule a pressão que o gelo exerceu sobre a parede interna do tubo para provocar a ruptura mostrada na figura. A tensão máxima que o material pode suportar na temperatura de congelamento é σmáx = 360 MPa. Mostre como a tensão age sobre um pequeno elemento de material imediatamente antes de o tubo falhar. Solução: Esse tipo de ruptura ocorre pela tensão na direção circunferencial. FINALIZANDO Nesta aula, estudamos os temas flexão, tensão e deformação por flexão. Aprendemos também sobre flexão assimétrica: vimos como calcular a tensão por flexão quando a viga, ou barra, é composta por mais de um material e, por fim, vimos vasos de pressão de paredes finas. Foram estudados exemplos dos assuntos apresentados, mas, para melhor fixar o conteúdo, faça mais exercícios dos assuntos desta aula. REFERÊNCIAS BEER, F. et al. Mecânica dos materiais. 7. ed. Porto Alegre: AMGH, 2015. GERE, J. M.; GOODNO, B. J. Mecânica dos materiais. 7. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2015. GERE, J. M.; GOODNO, B. J. Mecânica dos materiais. 8. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2017. HIBBELER, R. C. Resistência dos materiais. 7. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2015.
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