Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
PRINCÍPIOS DE MECÂNICA E RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS AULA 6 Prof.a Francielly Elizabeth de Castro Silva 2 CONVERSA INICIAL Nesta aula, você aprenderá a calcular a tensão normal de estruturas, aprenderá a projetar alguns elementos submetidos a uma tensão admissível, descobrirá o comportamento mecânico dos materiais por meio do diagrama de tensão versus deformação e aprenderá a relacionar as propriedades dos materiais no projeto de estruturas. Iniciamos a parte que diz respeito à Resistência dos Materiais. A partir de agora, nos basearemos no livro Resistência dos Materiais do autor Hibbeler para desenvolver os estudos desta aula. TEMA 1 – TENSÃO Anteriormente, nós tratávamos os corpos como rígidos, ou seja, indeformáveis. Nós não estávamos preocupados com as deformações que as estruturas sofriam mediante a aplicação de uma força, porém, sabemos que este é um assunto importante no projeto de componentes mecânicos, mecanismos e estruturas. A resistência dos materiais é a área da mecânica que estuda a interação entre as forças externas aplicadas a um corpo deformável e a intensidade das forças internas que agem no interior do corpo. Sabemos que, ao aplicar uma força sobre um objeto, este sofrerá uma tensão que provocará uma determinada deformação que pode ser diretamente proporcional à tensão. Por exemplo, ao martelar um prego na direção transversal, ele apresentará uma determinada deformação, como mostra a Figura 1a. Ou se comprimirmos uma mola, ela também se deformará com uma certa quantidade (Figura 1b): Figura 1 – Deformação (a) de um prego e (b) de uma mola (a) (b) Créditos: BIG PANTS PRODUCTION/Shutterstock; IAROSLAV NELIUBOV/Shutterstock. 3 No Tema 3, falaremos um pouco mais sobre a deformação, e aqui falaremos sobre a tensão. Em muitos problemas que trabalhamos anteriormente, nós estávamos preocupados em determinar as forças nos elementos estruturais. Vejamos novamente exemplos apresentados em conteúdos anteriores: Figura 2 – Exemplos (a) (b) Fonte: Hibbeler, 2011. No Exemplo da Figura 2a, nós calculamos as forças nos cabos BA e BC, e no Exemplo da Figura 2b, nós determinamos as forças nas barras GF, CF e CD da treliça. Note que nós não determinamos qual é o diâmetro dos cabos e nem das barras da treliça, pois afinal de contas, o que queremos é justamente saber quais são as dimensões dos elementos estruturais a fim de poder construir a estrutura. Para determinar as dimensões dos elementos estruturais, é necessário calcular a tensão, ou assumir um valor limite de tensão para o material que será utilizado no projeto. Mas o que é a tensão? Para entender melhor esse conceito, vamos analisar as Figuras 3a e 3b. Figura 3 – Pessoa levantando um altere de (a) 1 kg e (b) de 10 kg (a) (b) Crédito: VANKAD/Shutterstock; MARKO POPLASEN/Shutterstock. 4 Vamos supor que o braço de ambas as figuras é da mesma pessoa, logo, em qual das duas situações ele se cansará mais facilmente? A resposta é óbvia: quanto maior a carga, mais cansado (estressado) ficará o braço, portanto, a segunda opção é a que provoca maior “estresse” do braço, ou maior tensão. Vimos na figura anterior que a força é responsável pela tensão, mas e se a força peso do altere for a mesma (10 kg por exemplo), mas um dos braços for mais fino que o outro como mostra a Figura 4, qual desses braços ficará menos cansado ao sustentar essa carga? Figura 4 – Braços com diferentes tamanhos Créditos:– BODY STOCK/Shutterstock. A resposta a essa pergunta também é óbvia, o braço mais forte com maior área ficará menos cansando ou estressado, ou seja, ficará menos tenso. Como esses dois exemplos, concluímos que além da força, a geometria, mais especificamente a área do elemento estrutural é importante no cálculo da tensão. Vimos anteriormente que existem três tipos de esforços: força normal (𝑁𝑁), força cortante (𝑉𝑉) e momento fletor (𝑀𝑀). Há também o esforço do tipo torque, visto em conteúdos anteriores. Esses esforços provocarão as respectivas tensões: tensão normal (𝜎𝜎), tensão de cisalhamento devido a uma força cortante (𝜏𝜏), tensão de flexão (𝜎𝜎) e tensão de cisalhamento devido a um torque. Nesta aula, vamos nos ater somente à primeira, tensão normal, e na disciplina de Resistência dos Materiais, as demais tensões serão explanadas. 5 1.1 Tensão normal A tensão normal é provocada por uma força aplicada perpendicularmente a uma área, como mostra a Figura 5a. Esse tipo de tensão ocorre quando comprimimos ou tracionamos um objeto. Um exemplo são as colunas de edificações que sustentam as vigas, lajes, paredes etc., como mostra a Figura 5b. Figura 5 – (a) Modelo de objeto submetido à uma tensão normal e (b) colunas de uma construção (a) (b) Créditos: Rootstock/Shutterstock. Na Figura 5a, temos duas informações necessárias para o cálculo da tensão normal média, são elas: força normal (𝑁𝑁) e área da seção transversal (𝐴𝐴), portanto, a tensão normal média é descrita como: 𝜎𝜎 = 𝑁𝑁 𝐴𝐴 . (1) No sistema internacional de unidades, a tensão é dada em Pascal (Pa), que corresponde a N/m². Para aplicar a equação acima, vamos considerar alguns exemplos já trabalhados anteriormente. Exemplo 1: considerando o exemplo mostrado na Figura 2a, calcule a tensão normal média em cada cabo, sabendo que o cabo BA possui um diâmetro igual à 5 mm e o diâmetro do cabo BC igual a 8 mm. N A 6 Solução: na resolução deste exemplo, já calculamos anteriormente as forças nos cabos, em que 𝐹𝐹𝐵𝐵𝐵𝐵 = 420,43 𝑁𝑁 e 𝐹𝐹𝐵𝐵𝐵𝐵 = 475,66 𝑁𝑁, logo, podemos partir para a aplicação da Equação 1. Observe que os diâmetros foram fornecidos em milímetros, logo, temos que passar para metros para deixar no sistema internacional de unidades. Para isso, dividimos o valor do diâmetro por 1000 ou multiplicamos por 10−3, além disso, em geral, aplicamos a seguinte equação para o cálculo da área de uma circunferência: 𝐴𝐴 = 𝜋𝜋. 𝑟𝑟², em que 𝑟𝑟 corresponde ao raio da circunferência; logo, temos que dividir o diâmetro dos cabos por 2 para obter seu raio e também por 1000 para deixá-lo em metros, assim temos: 𝜎𝜎𝐵𝐵𝐵𝐵 = 𝐹𝐹𝐵𝐵𝐵𝐵 𝐴𝐴𝐵𝐵𝐵𝐵 = 420,43 (𝜋𝜋. 0,00252) = 420,43 1,9635.10−5 , logo, 𝜎𝜎𝐵𝐵𝐵𝐵 = 21,41. 106 𝑃𝑃𝑃𝑃 ou 𝜎𝜎𝐵𝐵𝐵𝐵 = 21,41 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃 e 𝜎𝜎𝐵𝐵𝐵𝐵 = 𝐹𝐹𝐵𝐵𝐵𝐵 𝐴𝐴𝐵𝐵𝐵𝐵 = 475,66 (𝜋𝜋. 0,0042) = 475,66 5,0265.10−5 , logo, 𝜎𝜎𝐵𝐵𝐵𝐵 = 9,46. 106 𝑃𝑃𝑃𝑃 ou 𝜎𝜎𝐵𝐵𝐵𝐵 = 9,46 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃. Esses valores de tensão nos indicam quais os possíveis materiais que poderíamos utilizar nos cabos. Cada material possui um determinado limite de tensão, logo, poderíamos escolher um material que possui uma tensão acima da tensão que calculamos. Veremos mais detalhes sobre esse aspecto dos materiais no Tema 4. Exemplo 2: considerando o exemplo de treliça mostrado na Figura 2b, calcule o diâmetro das barras GF, CF e CD, sabendo que o material escolhido é o aço estrutural A-36 e que sua tensão máxima no regime elástico é igual a 250 MPa (𝜎𝜎𝑒𝑒). Solução: na solução deste exemplo, já calculamos anteriormente as forças nas barras solicitadas no enunciado, em que 𝐹𝐹𝐵𝐵𝐶𝐶 = 4,75 𝑘𝑘𝑁𝑁, 𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 = 4,85 𝑘𝑘𝑁𝑁 e 𝐹𝐹𝐵𝐵𝐹𝐹 = 0,59 𝑘𝑘𝑁𝑁, logo, podemos partir para a aplicação da Equação 1, isolando a área da equação, assim temos para cada barra o seguinte: 𝜎𝜎𝑒𝑒 = 𝐹𝐹𝐵𝐵𝐶𝐶 𝐴𝐴𝐵𝐵𝐶𝐶 → 𝐴𝐴𝐵𝐵𝐶𝐶 = 𝐹𝐹𝐵𝐵𝐶𝐶 𝜎𝜎𝑒𝑒 = 4,75.103 250. 106 , logo, 𝐴𝐴𝐵𝐵𝐶𝐶 = 1,9. 10−5 𝑚𝑚2, 𝜎𝜎𝑒𝑒 = 𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 𝐴𝐴𝐹𝐹𝐹𝐹 → 𝐴𝐴𝐹𝐹𝐹𝐹 = 𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 𝜎𝜎𝑒𝑒 = 4,85.103 250. 106 , logo, 𝐴𝐴𝐹𝐹𝐹𝐹 = 1,94. 10−5 𝑚𝑚2 e𝜎𝜎𝑒𝑒 = 𝐹𝐹𝐵𝐵𝐹𝐹 𝐴𝐴𝐵𝐵𝐹𝐹 → 𝐴𝐴𝐵𝐵𝐹𝐹 = 𝐹𝐹𝐵𝐵𝐹𝐹 𝜎𝜎𝑒𝑒 = 0,59.103 250. 106 , logo, 𝐴𝐴𝐵𝐵𝐹𝐹 = 2,36. 10−6 𝑚𝑚2. 7 Note que ainda não obtivemos o diâmetro de cada barra, mas a área. Para obter o diâmetro, podemos isolar o raio da equação do cálculo da área de uma circunferência, ou o diâmetro. Veja as duas formas equivalentes: 𝐴𝐴 = 𝜋𝜋. 𝑟𝑟2 ou 𝐴𝐴 = 𝜋𝜋.𝑑𝑑² 4 . (2) A segunda forma é mais apropriada para o nosso problema, já que quando vamos projetar esse tipo de elemento, ao comprá-lo, precisamos fornecer ao vendedor o diâmetro da barra e não o raio. Portanto, substituindo essa equação nos resultados de área para cada barra, temos: 𝐴𝐴 = 𝜋𝜋.𝑑𝑑² 4 , isolando o diâmetro temos: 𝑑𝑑 = � 4𝐴𝐴 𝜋𝜋 𝑑𝑑𝐵𝐵𝐶𝐶 = � 4𝐴𝐴𝐵𝐵𝐶𝐶 𝜋𝜋 = � 4.1,9. 10−5 𝜋𝜋 = �2,419. 10−5, consequentemente, 𝑑𝑑𝐵𝐵𝐶𝐶 = 4,918. 10−3 𝑚𝑚, multiplicando o resultado por 1000 calculamos o resultado em mm, logo 𝑑𝑑𝐵𝐵𝐶𝐶 = 4,918 𝑚𝑚𝑚𝑚, 𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹 = � 4𝐴𝐴𝐹𝐹𝐹𝐹 𝜋𝜋 = � 4.1,94. 10−5 𝜋𝜋 = �2,47. 10−5, logo, 𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹 = 4,97. 10−3 𝑚𝑚 ou 𝑑𝑑𝐹𝐹𝐹𝐹 = 4,97 𝑚𝑚𝑚𝑚 e 𝑑𝑑𝐵𝐵𝐹𝐹 = � 4𝐴𝐴𝐵𝐵𝐹𝐹 𝜋𝜋 = � 4.2,36. 10−6 𝜋𝜋 = �3,005. 10−6, logo, 𝑑𝑑𝐵𝐵𝐹𝐹 = 1,73. 10−3 𝑚𝑚 ou 𝑑𝑑𝐵𝐵𝐹𝐹 = 1,73 𝑚𝑚𝑚𝑚. Finalizamos o exemplo, mas podemos refletir sobre algo importante na construção dessa treliça. Na maioria dos projetos, opta-se em escolher o mesmo diâmetro para todas as barras e um diâmetro que possa ser encontrado no mercado (diâmetro comercial). Supondo que as barras são fornecidas no mercado com valores de intervalos de 1 mm e que todas as barras da treliça devem possuir o mesmo diâmetro, qual será o diâmetro escolhido? Com base nas três barras calculadas, devemos optar pelo maior diâmetro, pois sabemos que esse diâmetro atenderá à força e tensão das três barras. Logo, o diâmetro é 4,97 mm. Mas como no mercado encontraremos apenas barras de diâmetro igual a 4 ou 5 mm, temos que escolher o diâmetro maior a fim de que a estrutura não venha a falhar. Portanto, vamos comprar barras de 5 mm de diâmetro. 8 Vamos exercitar mais um pouco este conhecimento aplicando o conceito que será desenvolvido no próximo tema. TEMA 2 – TENSÃO ADMISSÍVEL E FATOR DE SEGURANÇA Em um projeto e construção de uma estrutura ou de uma máquina, vários fatores não podem ser controlados. Vamos tomar como exemplo a produção da roda de um carro popular. É muito difícil garantir que: o material utilizado na fabricação da roda é totalmente uniforme e sem imperfeições; que as dimensões são exatamente as estabelecidas no projeto após os processos de fabricação; e que as cargas aplicadas são iguais as definidas no projeto. Além disso, no uso deste equipamento/estrutura, é possível ocorrer cargas que não foram previstas no projeto, tais como algum tipo de vibração, choques, ou cargas acidentais desconhecidas. Há também os problemas relacionados com a corrosão, ou desgaste devido às intempéries como chuva, neve, rajadas de vento, temperaturas muito elevadas etc. O exemplo citado foi o de uma roda de carro, objeto razoavelmente simples, mas isso pode ocorrer com qualquer tipo de estrutura, desde um alicate de unha, até um tipo de construção complexa como prédios, barragens, portos, ou grandes máquinas como aviões, naves espaciais e satélite. Devido a esses fatores, o engenheiro responsável pelo projeto envolvendo elementos estruturais deve restringir os valores de tensão atuantes no material a um nível seguro. Além disso, é necessário manter uma fiscalização/manutenção periódica da estrutura ou máquina de uso contínuo. Um método para especificação da carga admissível é com o uso do fator de segurança (𝐹𝐹𝐹𝐹). Tomando por exemplo a carga de ruptura de um determinado material, 𝐹𝐹𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟, ela pode ser determinada experimentalmente. Já o fator de segurança depende do tipo de aplicação do elemento estrutural. A seguinte tabela mostra os fatores de segurança utilizados em diferentes aplicações dos cabos de aço: 9 Tabela 1 – Fatores de segurança dos cabos de aços em diferentes aplicações Fonte: CableMax, 2020. Observe, na tabela acima, que o fator de segurança aumenta à medida que a aplicação envolve diretamente as vidas humanas. O fator de segurança pode ser definido das seguintes formas: 𝐹𝐹𝐹𝐹 = 𝐹𝐹𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝐹𝐹𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 , ou 𝐹𝐹𝐹𝐹 = 𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝜎𝜎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 , ou ainda 𝐹𝐹𝐹𝐹 = 𝜏𝜏𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝜏𝜏𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 , (3) em que 𝐹𝐹𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎, 𝜎𝜎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 e 𝜏𝜏𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 correspondem, respectivamente, à força admissível, tensão admissível e tensão de cisalhamento admissível, 𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 e 𝜏𝜏𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 correspondem à tensão de ruptura e tensão de ruptura ao cisalhamento. O fator de segurança deve ser sempre maior que 1, a fim de que a força ou tensão admitida no projeto seja sempre menor que a de ruptura, caso contrário, certamente haverá a falha no sistema. Nem sempre o fator de segurança assumirá valores elevados em casos que envolvam vidas humanas, pois há situações em que é necessário um fator de segurança próximo de 1, como por exemplo o projeto de componentes de um avião ou de veículos espaciais. Utiliza-se um fator de segurança mais estreito a fim de reduzir o peso do veículo. Exemplo 3: considere a barra aparafusada já trabalhada em conteúdos anteriores. Sabendo que a tensão de ruptura do material da barra é 𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = 300 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃, determine a área da seção transversal da barra considerando somente a força normal no problema e um fator de segurança igual a 2. 10 Fonte: com base em Hibbeler, 2011. Solução: neste exemplo, fizemos uma seção no ponto C para obter a força normal 𝑁𝑁 = 400 𝑁𝑁. A partir da tensão de ruptura do material da barra e do fator de segurança, podemos determinar a tensão admissível no projeto aplicando a Equação 3, assim temos que: 𝐹𝐹𝐹𝐹 = 𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝜎𝜎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 , isolando 𝜎𝜎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎, temos 𝜎𝜎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝐹𝐹𝐹𝐹 = 300 2 , logo,𝜎𝜎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 150 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃. Com a força normal, podemos aplicar a Equação 1 para obter a área da seção transversal da barra aparafusada, ou seja: 𝜎𝜎 = 𝑁𝑁 𝐴𝐴 , isolando 𝐴𝐴, temos 𝐴𝐴 = 𝑁𝑁 𝜎𝜎 , em que 𝜎𝜎 corresponde à tensão admissível neste exemplo, logo: 𝐴𝐴 = 𝑁𝑁 𝜎𝜎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 400 150. 106 , consequentemente, 𝐴𝐴 = 2,666. 10−6 𝑚𝑚2 ou multiplicando o resultado por 106 vamos obter o resultado em mm², portanto, 𝐴𝐴 = 2,666 𝑚𝑚𝑚𝑚². Exemplo 4: os dois elementos mostrados na figura estão interligados por pinos em B. Se a tensão de ruptura para a haste que está sendo tracionada for 𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = 172,5 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃, determine com aproximação de 1 mm o menor diâmetro da 11 haste BC necessário para suportar a carga mostrada. Considere um fator de segurança igual a 1,5. Fonte: Hibbeler, 2010. Solução: O primeiro passo é construir o DCL do problema (como visto anteriormente). No ponto A, existe um pino prendendo a estrutura na parede (2 reações de apoio), e no ponto B, temos uma haste segurando a estrutura na posição (uma reação de apoio na direção da haste). Logo, o DCL fica da seguinte forma: Para calcular a força na haste BC, vamos fazer o somatório dos momentos em torno do ponto A, assim temos: �𝑀𝑀𝐵𝐵 = 0; −6.2 + 𝐹𝐹𝐵𝐵𝐵𝐵. 3 5 . (2 + 1) = 0 𝐹𝐹𝐵𝐵𝐵𝐵. 3 5 . 3 = 6.2 𝐹𝐹𝐵𝐵𝐵𝐵 = 6.2. 5 9 , logo, 𝐹𝐹𝐵𝐵𝐵𝐵 = 6,667 𝑘𝑘𝑁𝑁. O próximo passo é determinar a tensão admissível por meio da Equação 3, descrita como: 12 𝐹𝐹𝐹𝐹 = 𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝜎𝜎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 , isolando 𝜎𝜎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎, temos 𝜎𝜎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝐹𝐹𝐹𝐹 = 172,5 1,5 , logo,𝜎𝜎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 115 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃. Substituindo a tensão admissível e a força 𝐹𝐹𝐵𝐵𝐵𝐵 na Equação 1, podemos determinar a área da seção transversal da haste: 𝜎𝜎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 𝐹𝐹𝐵𝐵𝐵𝐵 𝐴𝐴𝐵𝐵𝐵𝐵 , isolando 𝐴𝐴𝐵𝐵𝐵𝐵 , temos 𝐴𝐴𝐵𝐵𝐵𝐵 = 𝐹𝐹𝐵𝐵𝐵𝐵 𝜎𝜎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 6,667. 103 115. 106 , logo, 𝐴𝐴𝐵𝐵𝐵𝐵 = 5,797. 10−5. Para determinar o diâmetro da haste, basta aplicarmos a Equação 2, assim temos: 𝐴𝐴𝐵𝐵𝐵𝐵 = 𝜋𝜋.𝑑𝑑𝐵𝐵𝐵𝐵² 4 , isolando 𝑑𝑑𝐵𝐵𝐵𝐵 ficamos com 𝑑𝑑𝐵𝐵𝐵𝐵 = � 4𝐴𝐴𝐵𝐵𝐵𝐵 𝜋𝜋 = � 4.5,797. 10−5 𝜋𝜋 , logo, 𝑑𝑑𝐵𝐵𝐵𝐵 = 8,59. 10−3 𝑚𝑚 ou 𝑑𝑑𝐵𝐵𝐵𝐵 = 8,59 𝑚𝑚𝑚𝑚. Como é solicitado que o diâmetro tenha aproximação de 1 mm, temos que considerar 𝑑𝑑𝐵𝐵𝐵𝐵 = 9 𝑚𝑚𝑚𝑚 a fim de atender a tensão admissível estabelecida. Exemplo 5: a lança é sustentada por um cabo de 6 mm diâmetro com uma tensão normal admissível 𝜎𝜎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 168 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃. Calcule a maior carga que pode ser aplicada sem provocar a ruptura do cabo quando 𝜃𝜃 = 30° e 𝜙𝜙 = 45°. Despreze o tamanho do guincho. Fonte: Hibbeler, 2010. Solução: Como foi fornecida a tensão admissível e o diâmetro do cabo, podemos determinar a força no cabo aplicando a Equação 1, logo temos que: 𝜎𝜎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 𝐹𝐹𝐵𝐵 𝐴𝐴𝐵𝐵 , isolando 𝐹𝐹𝐵𝐵 temos 𝐹𝐹𝐵𝐵 = 𝜎𝜎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎.𝐴𝐴𝐵𝐵 = 𝜎𝜎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎. 𝜋𝜋𝑑𝑑𝐵𝐵² 4 13 𝐹𝐹𝐵𝐵 = 168. 106. 𝜋𝜋0,006² 4 , resolvendo temos que 𝐹𝐹𝐵𝐵 = 4,75. 103 𝑁𝑁 ou 𝐹𝐹𝐵𝐵 = 4,75 𝑘𝑘𝑁𝑁. Para determinar a força máxima da carga aplicada no guindaste, temos que fazer um DCL do nó B que conecta o cabo, a haste do guindaste e a carga, assim temos o seguinte DCL: Utilizando a metodologia desenvolvida em conteúdos anteriores, vamos utilizar as Equações de equilíbrio ∑𝐹𝐹𝑥𝑥 = 0 e ∑𝐹𝐹𝑦𝑦 = 0 para calcular as forças 𝐹𝐹𝐵𝐵 e 𝑃𝑃: �𝐹𝐹𝑥𝑥 = 0 ; −𝐹𝐹𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐30 + 𝐹𝐹𝐵𝐵𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐45 = 0 𝐹𝐹𝐵𝐵𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐45 = 𝐹𝐹𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐30 𝐹𝐹𝐵𝐵 = 𝐹𝐹𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐30 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐45 , como 𝐹𝐹𝐵𝐵 = 4,75 𝑘𝑘𝑁𝑁, logo, 𝐹𝐹𝐵𝐵 = 4,75𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐30 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐45 , portanto, 𝐹𝐹𝐵𝐵 = 5,818 𝑘𝑘𝑁𝑁 e �𝐹𝐹𝑦𝑦 = 0 ; −𝐹𝐹𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠30 + 𝐹𝐹𝐵𝐵𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠45 − 𝑃𝑃 = 0 𝑃𝑃 = −𝐹𝐹𝑐𝑐𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠30 + 𝐹𝐹𝐵𝐵𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠45 𝑃𝑃 = −4,75𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠30 + 5,818𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠45, logo a carga máxim 𝑃𝑃 é 𝑃𝑃 = 1,74 𝑘𝑘𝑁𝑁. TEMA 3 – DEFORMAÇÃO Mediante a aplicação de uma força, o objeto sofre uma tensão que gera uma determinada deformação. Essa deformação pode ser visível como quando comprimimos uma mola, mas pode não ser visível, como quando as cargas comprimem uma coluna de concreto. A deformação pode ser obtida de forma experimental ou por meio de cálculos a partir do conhecimento das propriedades do material que compõem o objeto analisado. 14 Há dois tipos de deformação: a deformação normal e a deformação por cisalhamento. A deformação normal está associada à mudança de comprimento do corpo analisado, ou seja, está associada ao alongamento ou ao encurtamento do corpo. Já a deformação por cisalhamento está associada à perda de perpendicularidade entre dois segmentos de reta. Esta última será estudada somente na disciplina Resistência dos Materiais. Aqui vamos nos ater somente às deformações normais. A Figura 6a apresenta uma barra indeformada antes da aplicação da carga, e a Figura 6b mostra a barra deformada após a aplicação da carga: Figura 6 – Barra (a) indeformada e (b) deformada Os termos apresentados na Figura 6 são: 𝐿𝐿𝑖𝑖 que corresponde ao comprimento inicial do corpo, 𝐹𝐹 é a força aplicada ao corpo, 𝐿𝐿𝑓𝑓 é o comprimento final do corpo após aplicação da força, 𝛿𝛿 é o deslocamento do corpo após aplicação da força, 𝐷𝐷𝑖𝑖 é o diâmetro inicial do corpo e 𝐷𝐷𝑓𝑓 é o diâmetro final do corpo. Observe que ao aplicar uma força normal, seja ela de tração ou de compressão, o corpo sofre uma deformação longitudinal, ou seja, ao longo do seu comprimento, e sofre uma deformação transversal ou radial, ou seja, ao longo da sua seção transversal. Por isso que quando esticamos um pedaço de borracha, por exemplo, ele apresentará um alongamento ao longo do comprimento e uma contração ao longo do seu raio ou da sua seção transversal. A deformação normal é uma quantidade adimensional (sem dimensão). A expressão para as quantidades de deformação longitudinal, 𝜀𝜀𝑙𝑙, e transversal, 𝜀𝜀𝑡𝑡, são descritas, respectivamente, como: 𝜀𝜀𝑙𝑙 = 𝐿𝐿𝑓𝑓 − 𝐿𝐿𝑖𝑖 𝐿𝐿𝑖𝑖 ou 𝜀𝜀𝑙𝑙 = 𝛿𝛿 𝐿𝐿𝑖𝑖 e (4) 𝜀𝜀𝑡𝑡 = 𝐷𝐷𝑓𝑓 − 𝐷𝐷𝑖𝑖 𝐷𝐷𝑖𝑖 ou 𝜀𝜀𝑡𝑡 = 𝛿𝛿′ 𝐷𝐷𝑖𝑖 , (5) 𝐷𝐷𝑖𝑖 𝐿𝐿𝑖𝑖 (a) (b) 𝐷𝐷𝑖𝑖 𝐷𝐷𝑓𝑓 𝐿𝐿𝑖𝑖 𝐿𝐿𝑓𝑓 𝛿𝛿 𝐹𝐹 15 em que 𝛿𝛿 corresponde ao alongamento ou encurtamento do corpo e 𝛿𝛿′ à contração ou expansão da seção transversal do corpo. A maior parte dos projetos de engenharia envolve problemas em que apenas pequenas deformações são permitidas. Em geral, quase todas estruturas e máquinas são bastante rígidas e as deformações que ocorrem durante seu uso são muito pequenas e muitas vezes imperceptíveis. Nesta aula, serão consideradas apenas as pequenas deformações, ou seja, a deformação do corpo (estrutura ou elemento de máquina) é muito menor que uma unidade (𝜀𝜀 ≪ 1). Exemplo 6: ao vedar uma rosca, é comum utilizar uma fita do tipo veda rosca que estica ao envolvê-la sobre a rosca. Supondo que a fita possui 200 mm de comprimento e ela percorra 3 voltas sobre uma rosca de diâmetro igual a 25 mm, qual é deformação normal da fita após este procedimento? Créditos:RUKAWAJUNG/Shutterstock. Solução: este exemplo pode ser resolvido aplicando a Equação 4, em que 𝐿𝐿𝑖𝑖 = 200 𝑚𝑚𝑚𝑚 e 𝐿𝐿𝑓𝑓 = 3. (2𝜋𝜋𝑟𝑟) 𝑚𝑚𝑚𝑚, em que 2𝜋𝜋𝑟𝑟 corresponde ao cálculo do perímetro da rosca, sendo 𝑟𝑟 o raio da rosca, e 3 é o número de voltas que a fita envolverá a rosca, assim, temos que 𝐿𝐿𝑓𝑓 = 3. (2𝜋𝜋12,5) = 235,62 𝑚𝑚𝑚𝑚 , logo: 𝜀𝜀𝑙𝑙 = 𝐿𝐿𝑓𝑓 − 𝐿𝐿𝑖𝑖 𝐿𝐿𝑖𝑖 = 235,62 − 200 200 = 35,62 200 , portanto, 𝜀𝜀𝑙𝑙 = 0,178 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚𝑚 ou 𝜀𝜀𝑙𝑙 = 0,178. Exemplo 7: o diâmetro da parte mais inflada do balão de borracha é 𝑑𝑑 = 200 𝑚𝑚𝑚𝑚. Ao encher um pouco mais esse balão, ele passou a ter um diâmetro 𝑑𝑑 = 225 𝑚𝑚𝑚𝑚. Qual é a deformação da borracha neste caso? 16 Créditos:ERIK SVOBODA/Shutterstock. Solução: este exemplo pode ser resolvido mediante a aplicação da Equação 5, em que 𝐷𝐷𝑖𝑖 = 200 𝑚𝑚𝑚𝑚 e 𝐷𝐷𝑓𝑓 = 225 𝑚𝑚𝑚𝑚, logo: 𝜀𝜀𝑡𝑡 = 𝐷𝐷𝑓𝑓 − 𝐷𝐷𝑖𝑖 𝐷𝐷𝑖𝑖 = 225 − 200 200 = 25 200 , portanto, 𝜀𝜀𝑡𝑡 = 0,125 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚𝑚 ou 𝜀𝜀𝑡𝑡 = 0,125. Exemplo 8: os elevadores são movimentados por um motor que gira uma polia que enrola ou desenrola os cabos que sustentam o elevador (Figura a). Supondo que esses cabos na sua configuração sem passageiros possuam um comprimento de 100 m (Figura b) e, ao entrar no elevador 8 passageiros, os cabos esticam 10 cm, qual é a deformação de cada cabo do elevador? (a) (b) Créditos: Kangshutters/Shutterstock; Sunti Wongyai/Shutterstock. Solução: conforme o enunciado, os cabos do elevador esticam uma quantidade de 10 cm, ou seja, 0,1 m. Logo, isso significa que ele variou seu comprimento nesta quantidade, portanto, 𝛿𝛿 = 0,1 𝑚𝑚. Aplicando a Equação 4, temos que: 𝑑𝑑 17 𝜀𝜀𝑙𝑙 = 𝐿𝐿𝑓𝑓 − 𝐿𝐿𝑖𝑖 𝐿𝐿𝑖𝑖 = 𝛿𝛿 𝐿𝐿𝑖𝑖 = 0,1 100 , consequentemente, 𝜀𝜀𝑙𝑙 = 0,001 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚𝑚 ou 𝜀𝜀𝑙𝑙 = 0,001. Exemplo 9: os dois cabos estão interligados em 𝐴𝐴. Se a força 𝑷𝑷 provocar um deslocamento horizontal de 2 mm do ponto 𝐴𝐴, calcule a deformação normal desenvolvidaem cada cabo. Fonte: Hibbeler, 2011. Solução: este é um problema que envolve trigonometria. Podemos desenhar os deslocamentos dos cabos após aplicação da força 𝑷𝑷: O ângulo 𝛼𝛼 pode ser obtido facilmente subtraindo de 180° a inclinação do cabo em relação ao eixo x, ou seja, 𝛼𝛼 = 180 − 30 = 150°. Anteriormente, vimos a aplicação da lei dos senos e cossenos em problemas da mecânica. Vamos utilizar a lei dos cossenos neste problema para 18 obter o comprimento final do cabo, 𝐿𝐿𝑓𝑓. Aplicando ao problema a mesma equação utilizada anteriormente para o problema em tela, temos: 𝐿𝐿𝑓𝑓 = �3002 + 22 − 2.300.2. cos150 = �90000 + 4 − (−1039,23) 𝐿𝐿𝑓𝑓 = �91043,23 = 301,734 𝑚𝑚𝑚𝑚. Com o comprimento final do cabo, aplicamos a Equação 4 para obter sua deformação normal, logo: 𝜀𝜀𝑙𝑙 = 301,734 − 300 300 = 1,734 300 , portanto, 𝜀𝜀𝑙𝑙 = 5,779. 10−3 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚𝑚 ou 𝜀𝜀𝑙𝑙 = 5,779. 10−3. Neste tema, aprendemos sobre a deformação normal dos corpos. No próximo tema, você aprenderá sobre um ensaio fundamental para descrever o comportamento dos materiais. Esse ensaio envolve os conceitos vistos nesta aula: tensão e deformação. TEMA 4 – DIAGRAMA TENSÃO VERSUS DEFORMAÇÃO Como vimos os conceitos básicos de tensão e deformação nos temas anteriores, neste tema veremos como a tensão pode ser relacionada com a deformação por meio de métodos experimentais que produzem o diagrama de tensão versus deformação para um determinado material. A resistência de um material depende de sua capacidade em resistir uma força sem se deformar excessivamente ou sem se romper. Na engenharia, um dos ensaios mais importantes que descreve algumas características dos materiais é o ensaio de tração ou ensaio de compressão. O ensaio de tração/compressão consiste em aplicar uma carga progressiva sobre o material e analisar seu alongamento/encurtamento ou deformação. Essa carga é aplicada por uma máquina com um transdutor de força acoplado que mede a força aplicada (Figuras 6a e 6b) e a deformação pode ser medida por extensômetros de resistência elétrica denominados Strain Gauge (Figura 6c). Para realizar o ensaio de tração ou compressão, prepara-se um corpo de prova de tamanho padronizado e o extensômetro é colado na amostra a fim de identificar as deformações do corpo de prova durante a aplicação da força (Figura 6d). 19 Figura 6 – (a) Modelo representativo de máquina de ensaio de tração/compressão, (b) máquina real de ensaio de tração/ compressão, (c) extensômetro Strain Gauge e (d) típico corpo de prova com extensômetro. (a) (b) (c) (d) Fonte: Hibbeler, 2018; MRS_YA/Shutterstock. Com os dados obtidos no ensaio, plota-se o diagrama tensão versus deformação, em que o eixo da ordenada corresponde à tensão aplicada ao corpo de prova e o eixo da abcissa corresponde à deformação devido à carga aplicada. O ensaio é feito até o material se romper, assim o engenheiro conseguirá compreender como o material se comporta mediante ao aumento gradual de uma força. Um exemplo didático do diagrama de tensão x deformação de um material dúctil é apresentado na Figura 7. 20 Figura 7 – Exemplo didático de diagrama de tensão x deformação de um material dúctil Fonte: Hibbeler, 2018. Note que existem algumas etapas neste diagrama, são elas: • Região elástica – Esta região descreve o comportamento elástico do material. Note que neste trecho o diagrama é representado por uma reta, logo, há uma proporcionalidade entre a tensão e a deformação, em outras palavras, o material é linearmente elástico. O limite superior de tensão nesta região é denominado tensão limite de proporcionalidade e é representado por 𝜎𝜎𝑙𝑙𝑟𝑟. Nesta região, se a carga for removida, o corpo de prova voltará à sua forma original, por isso recebe o nome de região elástica. • Escoamento – Esta etapa ocorre logo após a tensão limite de proporcionalidade e é caracterizada por provocar uma deformação no material mantendo a tensão, ou seja, o material continua se deformando sem que haja um aumento da carga. As deformações que ocorrem a partir desta etapa são do tipo plásticas (permanentes). A tensão que caracteriza esse comportamento é chamada de tensão de escoamento, 𝜎𝜎𝑒𝑒 e é muito empregada nos projetos estruturais, justamente por ser um valor ligeiramente acima da tensão limite de proporcionalidade. Esta tensão é 21 extraída do diagrama traçando uma reta paralela à linha elástica para uma deformação de 0,2%. Ela é frequentemente disponibilizada nas tabelas que apresentam o comportamento mecânico dos materiais. • Endurecimento por deformação – Após o escoamento, pode-se aumentar a carga, o que resulta em uma curva que cresce continuamente até um certo limite denominado limite de resistência à tração, representado por 𝜎𝜎𝑟𝑟 (última), ou em algumas literaturas 𝜎𝜎𝑎𝑎á𝑥𝑥. Essa tensão pode variar desde aproximadamente 50 MPa para um alumínio até um valor tão elevado quando 30000 MPa para aços de alta resistência. Considerando um ensaio de tração, enquanto o corpo se alonga, a sua seção transversal se contrai. Essa contração do diâmetro é razoavelmente uniforme até a tensão limite de resistência à tração. • Estricção – No limite de resistência, a área da seção transversal começa a diminuir em uma certa região do corpo de prova, fenômeno denominado de estricção ou empescoçamento (Figura 8a). Ela é causada por planos deslizantes formados no interior do material, e as deformações reais produzidas são causadas por tensão de cisalhamento. Essa estricção aumenta, logo o corpo de prova é “estrangulado” até seu rompimento (Figura 8b). Neste ponto de rompimento, é identificada a tensão de ruptura, representada por 𝜎𝜎𝑓𝑓 (final) ou em outras literaturas por 𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟. Figura 8 – (a) Estricção e (b) rompimento do corpo de prova (a) (b) Fonte: Hibbeler, 2018. As três últimas etapas do diagrama demonstram um comportamento plástico, ou seja, após a retirada da força, o material não volta à sua configuração inicial e passa a assumir uma forma deformada “permanente”. A maioria das estruturas é projetada considerando apenas as deformações elásticas, pois uma estrutura que se deformou plasticamente, ou seja, que se deformou permanentemente, pode não ser capaz de funcionar de forma adequada como previsto no projeto. 22 Na Figura 7, dois diagramas estão plotados. O primeiro é denominado diagrama de tensão x deformação de engenharia que termina na tensão de ruptura, e o segundo é o diagrama tensão x deformação real que termina na tensão de ruptura real. A diferença entre os dois diagramas é a seguinte: o diagrama tensão x deformação de engenharia considera a área inicial do corpo de prova para o cálculo da tensão, aplicando a Equação 1. Já o diagrama tensão x deformação real considera a mudança de área durante todo ensaio, logo, a tensão é calculada de forma mais precisa, pois ao longo do experimento, a área diminui até romper o corpo de prova. Apesar dos diagramas de engenharia e real serem diferentes, a maioria das estruturas são projetadas de forma que os materiais trabalhem na região elástica, pois a distorção do material não é severa dentro dessa faixa. Contanto que o material usado no projeto seja “rígido”, como a maioria dos metais, os erros associados entre usar os valores reais e de engenharia são muito baixos, da ordem de 0,1%. Essa é uma das principais razões para a utilização dos diagramas tensão-deformação de engenharia. 4.1 Comportamento do diagrama de tensão versus deformação de materiais dúcteis e frágeis Os materiais podem ser caracterizados como dúcteis ou frágeis. Os materiais dúcteis quando submetidos a uma força/tensão sofrem grandes deformações antes de se romper. Exemplos desse tipo de material são: aço, alumínio, borracha etc. Osmateriais frágeis são aqueles que exibem pouco ou nenhum escoamento antes da ruptura. O ferro fundido, o vidro e a cerâmica são alguns exemplos desse tipo de material. A Figura 9 mostra um típico diagrama de tensão x deformação de um material dúctil e frágil. Figura 9 – Diagrama tensão x deformação de um material dúctil e frágil 23 Fonte: Callister e Retwisch, 2018. Algumas diferenças entre os materiais dúcteis e frágeis são apresentadas na Tabela 1: Tabela 1 – Características dos materiais dúcteis e frágeis Material dúctil Material frágil Grandes deformações antes do rompimento Pequenas deformações antes do rompimento Em geral: 𝜎𝜎𝑒𝑒 ≠ 𝜎𝜎𝑟𝑟 ≠ 𝜎𝜎𝑓𝑓 Em geral: 𝜎𝜎𝑒𝑒 = 𝜎𝜎𝑟𝑟 = 𝜎𝜎𝑓𝑓 Possui estricção Não possui estricção Uma das desvantagens em se trabalhar com materiais frágeis é a manutenção de peças, pois como esses materiais não se deformam muito e nem possuem estricção, é difícil para o manutentor identificar se a peça precisa ser trocada. Na maioria dos casos, a peça rompe de forma repentina. Exemplo 10: identifique no diagrama de tensão x deformação mostrado na figura a tensão limite de proporcionalidade, a tensão de escoamento com base em uma deformação residual de 0,2%, a tensão limite de resistência à tração e a tensão de ruptura. Observe que o diagrama menor com os pontos 𝐴𝐴 a 𝐴𝐴’ é um zoom da parte do início do diagrama e serve para identificar melhor a parte elástica e a tensão de escoamento. 24 Fonte: Hibbeler, 2018. Solução: a primeira tensão a ser identificada é a tensão limite de proporcionalidade. Essa tensão está localizada no final da reta que representa a região elástica. Analisando a parte que contém o zoom do diagrama, observamos que o ponto A está no final dessa reta, logo, traçando uma reta paralela à abscissa, podemos obter esta tensão: Note que a tensão limite de proporcionalidade está entre os valores de 300 e 400 MPa e está um pouco abaixo da metade desses valores. Portanto, podemos considerar que 𝜎𝜎𝑙𝑙𝑟𝑟 ≅ 345 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃. A tensão de escoamento é tomada com base em uma deformação residual de 0,2%. Para obtê-la, traçaremos uma reta paralela à reta da região zoom 345 25 elástica, com início na deformação residual de 0,2%, ou seja, 0,002 mm/mm e término ao tocar a curva do diagrama com o zoom. Ao tocar o diagrama, neste ponto traçaremos uma reta paralela ao eixo das abscissas: A tensão de escoamento está entre os valores de 400 e 500 MPa, e ainda está um pouco acima da metade desses valores. Portanto, podemos considerar que 𝜎𝜎𝑒𝑒 ≅ 460 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃. As próximas tensões são obtidas de forma direta observando o gráfico. A tensão limite de resistência à tração é a máxima tensão que a curva do gráfico atinge. Ela está sendo representada pelo ponto B. Já a tensão de ruptura é a tensão em que o gráfico termina. Ela está sendo representada pelo ponto C. 460 345 345 460 620 740 26 Observando o diagrama acima com as linhas traçadas para identificar a tensão limite de resistência à tração e a tensão de ruptura, podemos observar que a tensão limite de resistência à tração está entre 700 a 800 MPa e é um valor um pouco menor que a metade deste intervalo, ou seja, 𝜎𝜎𝑎𝑎á𝑥𝑥 ≅ 740 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃. A tensão de ruptura está um pouco acima da tensão de 600 MPa, logo, podemos dizer que 𝜎𝜎𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 ≅ 620 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃. TEMA 5 – LEI DE HOOKE Muitos dos materiais utilizados nos projetos de engenharia possuem uma região elástica de comportamento linear como observamos na Figura 7. Dentro dessa região, existe uma proporcionalidade entre a tensão e a deformação, ou seja, um aumento da tensão provocará um aumento proporcional da deformação. Por exemplo, se a tensão for dobrada, sua deformação também será. Essa relação de proporcionalidade foi observada por Robert Hooke em 1976 no estudo de mola, e é conhecida como lei de Hooke e pode ser descrita matematicamente como: 𝜎𝜎 = 𝐸𝐸𝜀𝜀, (6) em que 𝜎𝜎 corresponde à tensão, 𝐸𝐸 ao módulo de elasticidade e 𝜀𝜀 é a deformação. O módulo de elasticidade é um parâmetro essencial na caracterização dos materiais. Quanto maior for seu valor, mais rígido é o material. Por exemplo, o módulo de elasticidade do aço é em torno de 200 GPa e o da borracha vulcanizada está na faixa dos 0,7 MPa. Ele também é chamado de módulo de Young, nome que se deve a Thomas Young, que teve seu trabalho sobre módulo de elasticidade publicado em 1807. A maneira mais fácil para se obter esse parâmetro é por meio da leitura da tensão limite de proporcionalidade e sua respectiva deformação (deformação limite de proporcionalidade) no diagrama tensão x deformação, pois isolando o 𝐸𝐸 da Equação 6 e aplicando esses dois parâmetros, temos: 𝐸𝐸 = 𝜎𝜎𝑙𝑙𝑟𝑟 𝜀𝜀𝑙𝑙𝑟𝑟 . (7) Exemplo 11: considere o diagrama tensão x deformação do Exemplo 10 e calcule o módulo de elasticidade do material apresentado. 27 Solução: vimos no diagrama tensão x deformação do Exemplo 10 que a tensão limite de proporcionalidade é 𝜎𝜎𝑙𝑙𝑟𝑟 ≅ 345 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃. Para essa tensão, vamos determinar sua respectiva deformação analisando o gráfico: Analisando o diagrama acima, observe que para a tensão limite de proporcionalidade de 345 MPa a deformação é 0,0016 mm/mm. Tomamos o valor de deformação representado pela cor azul, pois é referente ao gráfico em que foi aplicado o zoom. Com esses dois valores, calculamos de forma direta o módulo de elasticidade por meio da Equação 7: 𝐸𝐸 = 𝜎𝜎𝑙𝑙𝑟𝑟 𝜀𝜀𝑙𝑙𝑟𝑟 = 345. 106 0,0016 , 𝑝𝑝𝑐𝑐𝑟𝑟𝑝𝑝𝑃𝑃𝑠𝑠𝑝𝑝𝑐𝑐, 𝐸𝐸 = 216,625. 109 𝑃𝑃𝑃𝑃 ou 𝐸𝐸 = 216,625 𝐺𝐺𝑃𝑃𝑃𝑃. O módulo de elasticidade é o mesmo para toda a região elástica, o que vai mudar é a tensão e consequentemente a deformação. Sabendo o que é o módulo de elasticidade e a Equação da lei de Hooke, podemos resolver alguns problemas de engenharia e projetar algumas peças. Vamos aos exemplos para aplicar os conhecimentos vistos até aqui e entender um pouco melhor deste assunto. Exemplo 12: considere um arame cilíndrico de níquel com 2,0 mm de diâmetro e 30 m de comprimento. Calcule seu alongamento quando uma carga de 300 N é aplicada. Considere que a deformação do arame seja totalmente elástica. 345 28 Fonte: Callister; Retwisch, 2018. Solução: para obter o alongamento do arame, temos que aplicar a Equação 4, mas para aplicá-la, é necessário descobrir qual é a deformação que o arame está sofrendo devido à força de 300 N. Para obter essa deformação, vamos aplicar a lei de Hooke (Equação 6), mas não será possível aplicá-la sem antes conhecer a tensão provocada pela força de 300 N e o módulo de elasticidade desse material. Portanto, vamos iniciar a resolução do exemplo calculando a tensão devido à força aplicada. Para isso, vamos utilizar a Equação 1, em que o raio do arame é 1 mm ou 0,001 m: 𝜎𝜎 = 𝑁𝑁 𝐴𝐴 = 𝑁𝑁 𝜋𝜋𝑟𝑟2 = 300 𝜋𝜋. 0,001² , logo, 𝜎𝜎 = 95,49. 106 𝑃𝑃𝑃𝑃 ou 𝜎𝜎 = 95,49 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃. Calculamos a tensão que está ocorrendo no material para a carga de 300 N aplicada. A pergunta a se fazer é: esta tensão está na região elástica? Se sim, podemos aplicar a lei de Hooke para obter sua respectiva deformação. Vamos observar o diagrama de tensão x deformação. Qual é a tensão limite de proporcionalidade que define o último valor de tensão dentro da região elástica? 29 Pelo diagrama, é possível observar que a tensão limite de proporcionalidade está entre 1000 e 1500 MPa, sendo que está mais próxima dos 1500 MPa. Por isso, podemos considerar que 𝜎𝜎𝑙𝑙𝑟𝑟 ≅ 1400 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃. Portanto, a tensão que está sendo aplicada ao arame está dentro do regime elástico,pois é um valor abaixo da tensão limite de proporcionalidade. Agora precisamos obter o módulo de elasticidade do material. Esse parâmetro pode ser calculado conhecendo a tensão limite de proporcionalidade e sua respectiva deformação. Portanto, precisamos descobrir qual é a deformação limite de proporcionalidade. Para isso, vamos novamente recorrer ao diagrama tensão x deformação: Observe que a deformação dentro do limite de proporcionalidade está entre 0,005 e 0,0075, e como está além da metade deste intervalo, podemos 1400 1400 0,0065 30 dizer que 𝜀𝜀𝑙𝑙𝑟𝑟 ≅ 0,0065 𝑚𝑚𝑚𝑚/𝑚𝑚𝑚𝑚. Com esse parâmetro e a tensão limite de proporcionalidade, vamos calcular o módulo de elasticidade por meio da Equação 7: 𝐸𝐸 = 𝜎𝜎𝑙𝑙𝑟𝑟 𝜀𝜀𝑙𝑙𝑟𝑟 = 1400. 106 0,0065 , logo, 𝐸𝐸 = 215,38. 109 𝑃𝑃𝑃𝑃 ou 𝐸𝐸 = 215,38 𝐺𝐺𝑃𝑃𝑃𝑃. Como mencionado anteriormente, o módulo de elasticidade é o mesmo para toda região elástica. Sabendo disso, podemos aplicar a lei de Hooke (Equação 6) para descobrir qual é a deformação para a tensão que está ocorrendo no material, ou seja, para 𝜎𝜎 = 95,49 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃, assim temos que: 𝜎𝜎 = 𝐸𝐸𝜀𝜀, isolando 𝜀𝜀 ficamos com 𝜀𝜀 = 𝜎𝜎 𝐸𝐸 = 95,49. 106 215,38. 109 , logo, 𝜀𝜀 = 4,43. 10−4 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚𝑚 . Com a deformação do arame, aplicaremos a Equação 4 para obter o alongamento do arame e, assim, concluir o exemplo: 𝜀𝜀𝑙𝑙 = 𝛿𝛿 𝐿𝐿𝑖𝑖 , isolando o 𝛿𝛿 ficamos com 𝛿𝛿 = 𝜀𝜀𝑙𝑙 . 𝐿𝐿𝑖𝑖 , em que 𝜀𝜀𝑙𝑙 é a deformação longitudinal do arame, ou seja, os 4,43. 10−4 mm/mm e 𝐿𝐿𝑖𝑖 é o comprimento inicial do arame (30 m). 𝛿𝛿 = 𝜀𝜀𝑙𝑙 . 𝐿𝐿𝑖𝑖 = 4,43. 10−4. 30, portanto, 𝛿𝛿 = 0,0133 𝑚𝑚 ou 𝛿𝛿 = 1,33. 10−5 𝑚𝑚𝑚𝑚. Observe que como o comprimento inicial foi mantido em metros e a deformação é um parâmetro adimensional, o resultado saiu em metros. Se tivéssemos transformado para milímetros o comprimento inicial, o resultado do alongamento seria em milímetros. Exemplo 13: o diagrama tensão x deformação de uma liga de alumínio utilizada na fabricação de peças de aeronaves é mostrado na figura. Se um corpo de prova desse material estiver sujeito a uma tensão de tração de 600 MPa, determine sua deformação permanente quando a carga for retirada. 31 Fonte: Hibbeler, 2018. Considere que a tensão limite de proporcionalidade é 450 MPa e sua respectiva deformação é 0,006 mm/mm e que a deformação para a tensão de 600 MPa é igual a 0,023 mm/mm. Solução: como a tensão limite de proporcionalidade e sua respectiva deformação foram fornecidas no enunciado, podemos determinar o módulo elasticidade aplicando a Equação 7, assim temos: 𝐸𝐸 = 450. 106 0,006 , consequentemente, 𝐸𝐸 = 75. 109 𝑃𝑃𝑃𝑃 ou 𝐸𝐸 = 75 𝐺𝐺𝑃𝑃𝑃𝑃. Conforme o enunciado, a tensão que está sendo aplicada sobre o corpo de prova é de 600 MPa, logo, essa tensão supera a tensão limite de proporcionalidade, portanto, o material já não está mais trabalhando na região elástica, o que significa que ao retirar a carga o material não retornará à sua configuração inicial, ele terá uma deformação permanente. A pergunta é, quanto é essa deformação permanente? Reflita sobre a seguinte situação: imagine que você está entortando (flexionando) uma barra metálica como mostra a Figura 10: Figura 10 – Pessoa aplicando uma determinada força para deformar uma barra metálica 32 Créditos:PAVLO LYS/Shutterstock. A força que você está aplicando é suficientemente grande para provocar deformações permanentes nessa barra. A pergunta a ser feita aqui é: ao parar de aplicar essa força sobre a barra, ela ficará deformada do mesmo jeito quando aplicada a força ou ela retornará um pouco ao seu estado inicial? Você pode fazer o teste e, assim, observará que o material acaba retornando um pouquinho à sua configuração original, em outras palavras, o material recupera um pouco a deformação. Para descobrir a quantidade desta deformação que o material recupera, aplicamos uma reta paralela à reta da região elástica, porém iniciando a partir da tensão aplicada sobre o material. Vamos fazer isso no diagrama tensão x deformação do exemplo: No diagrama, observe o triângulo formado quando desenhada a linha vermelha paralela à linha do comportamento elástico: 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑐𝑐 33 Para obter a deformação recuperada, 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑐𝑐, vamos aplicar a tangente do ângulo 𝛼𝛼, ou seja: 𝑝𝑝𝑃𝑃𝑠𝑠𝛼𝛼 = 600. 106 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑐𝑐 . Observe a semelhança dessa equação com a Equação 7, em que 𝐸𝐸 = 𝜎𝜎𝑙𝑙𝑙𝑙 𝜀𝜀𝑙𝑙𝑙𝑙 . O módulo de elasticidade equivale à 𝑝𝑝𝑃𝑃𝑠𝑠𝛼𝛼, pois a reta vermelha desenhada possui e mesma inclinação que a reta dentro do comportamento linear, portanto, podemos reescrever a equação anterior como: 𝐸𝐸 = 600. 106 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑐𝑐 . Isolando 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑐𝑐 ficamos com 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑐𝑐 = 600. 106 𝐸𝐸 . O módulo de elasticidade foi obtido logo no início do exemplo. Substituindo-o na equação acima, ficamos com: 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑐𝑐 = 600. 106 75. 109 , portanto, 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑐𝑐 = 8. 10−3 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚𝑚 . Para determinar a deformação permanente do corpo de prova, 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑟𝑟, basta subtrairmos da deformação final (para a tensão de 600 MPa) a deformação recuperada, ou seja: 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑟𝑟 = 0,023 − 8. 10−3, portanto, 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑟𝑟 = 0,015 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚𝑚 . Graficamente, a deformação permanente é representada como: 34 Note que o resultado 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑟𝑟 = 0,015 faz total sentido analisando o diagrama acima. Exemplo 14: uma haste de alumínio com seção transversal circular está sujeita a uma carga axial de 10 kN como mostra a Figura (a). O diagrama tensão x deformação desse material é mostrado na Figura (b). Determine o valor do alongamento dessa haste com a carga aplicada e após a retirada da carga (alongamento permanente). Considere 𝐸𝐸𝑎𝑎𝑙𝑙 = 70 𝐺𝐺𝑃𝑃𝑃𝑃. (a) (b) Fonte: Hibbeler, 2018. Solução: podemos iniciar os cálculos determinando a tensão para cada seção da haste, em que o trecho AB possui um diâmetro equivalente a 20 mm (raio igual a 10 mm ou 0,01 m) e o trecho BC um diâmetro de 15 mm (raio igual a 7,5 mm ou 0,0075 m). Aplicando a Equação 1, temos: 35 𝜎𝜎𝐵𝐵𝐵𝐵 = 10. 103 𝜋𝜋. 0,01² , consequentemente, 𝜎𝜎𝐵𝐵𝐵𝐵 = 31,83. 106 𝑃𝑃𝑃𝑃 ou 𝜎𝜎𝐵𝐵𝐵𝐵 = 31,83 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃 e 𝜎𝜎𝐵𝐵𝐵𝐵 = 10. 103 𝜋𝜋. 0,0075² , logo, 𝜎𝜎𝐵𝐵𝐵𝐵 = 56,59. 106 𝑃𝑃𝑃𝑃 ou 𝜎𝜎𝐵𝐵𝐵𝐵 = 56,59 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃. Observe que o trecho AB possui uma tensão que está abaixo da tensão limite de proporcionalidade. Note no diagrama que a tensão limite de proporcionalidade equivale a 𝜎𝜎𝑙𝑙𝑟𝑟 = 40 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃. Porém, a tensão do trecho BC é superior à tensão limite de proporcionalidade, o que significa que haverá deformações permanentes após a retirada da carga. Como o módulo de elasticidade foi fornecido no enunciado, podemos calcular a deformação do trecho AB aplicando a lei de Hooke (Equação 6), assim temos: 𝜎𝜎𝐵𝐵𝐵𝐵 = 𝐸𝐸𝑎𝑎𝑙𝑙𝜀𝜀𝐵𝐵𝐵𝐵. Isolando 𝜀𝜀𝐵𝐵𝐵𝐵 ficamos com 𝜀𝜀𝐵𝐵𝐵𝐵 = 𝜎𝜎𝐵𝐵𝐵𝐵 𝐸𝐸𝑎𝑎𝑙𝑙 = 31,83. 106 70. 109 𝜀𝜀𝐵𝐵𝐵𝐵 = 4,55. 10−4 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚𝑚 . Não podemos aplicar a lei de Hooke para obter a deformação do trecho BC, 𝜀𝜀𝐵𝐵𝐵𝐵, pois não está na região elástica. Portanto, para obter 𝜀𝜀𝐵𝐵𝐵𝐵, vamos observar o gráfico e estimar um valor aproximado. Note que a deformação 𝜀𝜀𝐵𝐵𝐵𝐵 está entre 0,04 e 0,06 e está antes da metade desse intervalo, ou seja, antes de 0,05. Portanto, podemos estimar que 𝜀𝜀𝐵𝐵𝐵𝐵 ≅ 0,045 𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑎𝑎𝑎𝑎 . Com as respectivas deformações, podemos aplicar a Equação 4 para determinar o alongamento de cada trecho com a carga aplicada, logo: 36 𝜀𝜀𝐵𝐵𝐵𝐵 = 𝛿𝛿𝐵𝐵𝐵𝐵 𝐿𝐿𝐵𝐵𝐵𝐵 . Isolando 𝛿𝛿𝐵𝐵𝐵𝐵 ficamos com𝛿𝛿𝐵𝐵𝐵𝐵 = 𝜀𝜀𝐵𝐵𝐵𝐵𝐿𝐿𝐵𝐵𝐵𝐵. O comprimento do trecho AB é 600 mm. Substituindo este valor e 𝜀𝜀𝐵𝐵𝐵𝐵 = 4,55. 10−4 na equação acima, ficamos com: 𝛿𝛿𝐵𝐵𝐵𝐵 = 4,55. 10−4. 600, logo, 𝛿𝛿𝐵𝐵𝐵𝐵 = 0,273 𝑚𝑚𝑚𝑚. Fazendo o mesmo processo para o trecho BC, em que o comprimento inicial deste trecho é 400 mm e sua deformação é 𝜀𝜀𝐵𝐵𝐵𝐵 ≅ 0,045, temos: 𝛿𝛿𝐵𝐵𝐵𝐵 = 𝜀𝜀𝐵𝐵𝐵𝐵𝐿𝐿𝐵𝐵𝐵𝐵 = 0,045.400, consequentemente, 𝛿𝛿𝐵𝐵𝐵𝐵 = 18 𝑚𝑚𝑚𝑚. O alongamento total com a carga de 10 kN aplicada é obtido pela simples soma do alongamento de cada trecho, portanto 𝛿𝛿𝑇𝑇 = 𝛿𝛿𝐵𝐵𝐵𝐵 + 𝛿𝛿𝐵𝐵𝐵𝐵 = 0,273 + 18, consequentemente, 𝛿𝛿𝑇𝑇 = 18,273 𝑚𝑚𝑚𝑚. A próxima etapa é descobrir o alongamento permanente após a retirada da carga de 10 kN. Para obtê-lo, temos que lembrar que o trecho AB está trabalhando na região elástica, o que significa que, ao retirar a carga, ele voltará à sua configuração original, portanto, o alongamento será zero para esse trecho (𝛿𝛿𝐵𝐵𝐵𝐵 = 0). Entretanto, o trecho BC não está trabalhando na região elástica e, como discutido no exemplo anterior, isso implica que ao retirar a carga, o material retornará um pouco ao seu comprimento original, porém terá uma deformação e um alongamento permanente. Para determinar a deformação recuperada, 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑐𝑐, vamos desenhar uma reta paralela à reta da região elástica do diagrama, só que iniciando na tensão do trecho BC, ou seja, iniciando em 𝜎𝜎𝐵𝐵𝐵𝐵 = 56,59 𝑀𝑀𝑃𝑃𝑃𝑃: 37 Aplicando a lei de Hooke para descobrir a deformação recuperada, temos: 𝜎𝜎𝐵𝐵𝐵𝐵 = 𝐸𝐸𝑎𝑎𝑙𝑙𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑐𝑐 . Isolando 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑐𝑐 ficamos com 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑐𝑐 = 𝜎𝜎𝐵𝐵𝐵𝐵 𝐸𝐸𝑎𝑎𝑙𝑙 = 56,59. 106 70. 109 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑐𝑐 = 3,80. 10−4 𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑚𝑚𝑚𝑚 . Analisando o diagrama, a deformação permanente, 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑟𝑟, é a deformação total do trecho BC, 𝜀𝜀𝐵𝐵𝐵𝐵 ≅ 0,045, menos a deformação recuperada, ou seja, 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑟𝑟 = 0,045 − 3,80. 10−4, logo, 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑟𝑟 = 0,04462 𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑎𝑎𝑎𝑎 . O alongamento permanente do trecho BC é obtido com a aplicação da Equação 4, assim temos que: 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑟𝑟 = 𝛿𝛿𝐵𝐵𝐵𝐵 𝐿𝐿𝐵𝐵𝐵𝐵 . Isolando 𝛿𝛿𝐵𝐵𝐵𝐵 ficamos com 𝛿𝛿𝐵𝐵𝐵𝐵 = 𝜀𝜀𝑟𝑟𝑒𝑒𝑟𝑟𝐿𝐿𝐵𝐵𝐵𝐵 = 0,04462.400 𝛿𝛿𝐵𝐵𝐵𝐵 = 17,85 𝑚𝑚𝑚𝑚. Por fim, para determinar o alongamento permanente da haste inteira, basta somarmos o alongamento permanente do trecho AB com o do trecho BC: 𝛿𝛿𝑇𝑇 = 𝛿𝛿𝐵𝐵𝐵𝐵 + 𝛿𝛿𝐵𝐵𝐵𝐵 = 0 + 17,85, portanto, 𝛿𝛿𝑇𝑇 = 17,85 𝑚𝑚𝑚𝑚. Note que o alongamento permanente é um valor um tanto elevado e que em muitos projetos não seria tolerável um alongamento tão grande, pois poderia comprometer a estrutura ou o funcionamento do equipamento. O que pode ser feito neste caso para eliminar este alongamento permanente? Temos que trabalhar na região elástica do diagrama, e isso é possível atuando de três formas: • Reduzindo a carga aplicada; • Aumentando a área da haste no trecho BC; • Utilizando um material mais rígido, ou seja, com um módulo de elasticidade maior. FINALIZANDO Nesta aula, você foi introduzido à Resistência dos Materiais. Aqui, nós paramos de tratar os corpos como rígidos, pois estávamos preocupados em conhecer as tensões e deformações que os objetos estão sofrendo. Não deixe de ver os demais exemplos resolvidos do nosso livro texto. Nesta aula, trabalhamos com o Capítulo 1 para o tema de Tensões, 2 para 38 deformações e 3 para os temas de diagrama de tensão x deformação e lei de Hooke. Procure fazer alguns exercícios para praticar e evoluir no seu aprendizado. Esperamos que ao longo do conteúdo seu aprendizado tenha sido muito rico e proveitoso, e lembre-se que você tem um tutor(a) para te ajudar a sanar suas dúvidas da disciplina. Não deixe de procurá-lo(a). Bons estudos e até uma próxima oportunidade! 39 REFERÊNCIAS CALLISTER JUNIOR, W. D.; RETWISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 9. ed. LTC, 2018. HIBBELER, R. C. Resistência dos Materiais. 7. ed. Pearson, 2010. _____. Resistência dos Materiais. 10. ed. Pearson, 2018. CABLE MAX. Tabela de Cabos de Aço. Disponível em: <http://www.cabosdeacocablemax.com.br/tabela-de-cabos-de- aco.html#:~:text=Aplica%C3%A7%C3%B5es%20X%20Fator%20de%20segura n%C3%A7a&text=A%20carga%20de%20trabalho%20de,ruptura%20m%C3%A Dnima%20efetiva%20do%20mesmo>. Acesso em: 22 dez. 2020. Conversa inicial FINALIZANDO REFERÊNCIAS
Compartilhar