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Departamento de Engenharia Mecânica Mecânica dos Sólidos I Parte 3 – Estado Plano de Tensão Prof. Arthur M. B. Braga 2015.1 Mecânica dos Sólidos I Mecânica dos Sólidos Problema Corpo sujeito a ação de esforços externos (forças, momentos, etc.) F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 Determinar • Esforços internos (tensões) • Deformações • Deslocamentos Mecânica dos Sólidos I Determinação da Distribuição de Tensão no Corpo Sujeito à Ação de Forças Externas F7 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F8 P (x,y,z) ),,( zyxσ x z y σxy σxx σxz σzy σzx σzz σyy σyx σyz Mecânica dos Sólidos I Representação Gráfica do Estado de Tensão no Ponto (Paralelepípedo Fundamental) x z y σxy σxx σxz σzy σzx σzz σyy σyx σyz Mecânica dos Sólidos I F Barras Carregadas Axialmente F sxx z y x sxx [ ] ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 000 000 00xx σ σ A F xx =σ Mecânica dos Sólidos I Eixos Sujeitos a Carregamentos de Torção θ r x θ z θ x z x r C C [ ] ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 00 00 000 z zσ θ θ σ σ y σθz = TD 2J Em coordenadas cilíndricas Mecânica dos Sólidos I Eixos Sujeitos a Carregamentos de Torção A x T T y z A x y z )0(>= xzστ [ ] ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 00 000 00 xz xz σ σ σ J TDDxz 2 )2( ==τσ Em coordenadas Cartesianas Mecânica dos Sólidos I x T T y z B Eixos Sujeitos a Carregamentos de Torção B )0(<= xyστ [ ] ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 000 00 00 xy xy σ σ σ x y z J TDDxy 2 )2( −=−= τσ Em coordenadas Cartesianas Mecânica dos Sólidos I Tensões de Flexão em Barras (vigas) xxσ x y [ ] ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 000 000 00)( ),,( y zyx xxσ σ I Myyxx −=)(σ Tensões Normais de Flexão – Causadas pelo Momento Fletor M M Mecânica dos Sólidos I Tensões normais e cisalhantes em vigas sob carregamentos de flexão )(xq x y )(xM )(xV Mecânica dos Sólidos I Tensões de Flexão em Barras (vigas) [ ] ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 000 000 00),( ),,( yx zyx xxσ σ I xMyyxxx )(),( −=σ Tensões Normais de Flexão Devido ao Momento Fletor xxσ Mecânica dos Sólidos I Tensões cisalhantes em vigas sob carregamentos de flexão – Esforço Cortante Viga de seção retangular: y ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞⎜ ⎝ ⎛−= 2 41 2 3)( h y bh Vyxyσ bh Vy xyxy 2 3)0(})(max{ ==σσ Mecânica dos Sólidos I Tensões cisalhantes em vigas sob carregamentos de flexão – Esforço Cortante Viga de seção Circular: y A Vy xyxy 3 4)0(})(max{ ==σσ Iyb yQVyxy )( )()( =σ Mecânica dos Sólidos I Vasos de Pressão de Paredes Finas (D>>t) P t PD 4 =θθσ t PD 4 =ϕϕσ ϕϕσ θθσ Vasos esféricos Mecânica dos Sólidos I Vasos de Pressão de Paredes Finas (D>>t) P t PD 2 =θθσ t PD xx 4 =σ xxσ θθσ Vasos cilíndricos Mecânica dos Sólidos I Exercício z N N Uma barra de perfil circular deve suportar um carregamento axial N = 50 kN. No projeto será utilizado um perfil laminado de aço SAE 1020, com limite de escoamento SY = 210 MPa. Deve ser utilizado um coeficiente de segurança ns= 2,0 no projeto contra a falha por escoamento do material. Determinar qual o diâmetro mínimo para a barra. Mecânica dos Sólidos I Regime Plástico Regime Elástico Carregamentos e Deformações Uniaxiais Ensaio de Tração Sy 0,2% σ = F/A ε = δ/L F F Su Estricção Mecânica dos Sólidos I Exercício (continuação) z N N Uma barra de perfil circular deve suportar um carregamento axial N = 50 kN. No projeto será utilizado um perfil laminado de aço SAE 1020, com limite de escoamento SY = 210 MPa. Deve ser utilizado um coeficiente de segurança ns= 2,0 no projeto contra a falha por escoamento do material. Determinar qual o diâmetro mínimo para a barra. Resposta: D > 24,6 mm Mecânica dos Sólidos I Exercício (continuação) Escolhemos uma barra com diâmetro D = 25,4 mm. Além do esforço axial de 50 kN, esta barra seria capaz de suportar simultaneamente um torque? De qual valor? Para responder considere Sy = 210 Mpa e um coeficiente de segurança ns = 2,0. z T T N N Mecânica dos Sólidos I Determinação da Distribuição de Tensão no Corpo Sujeito à Ação de Forças Externas Carregamento combinado: Força Axial e Torção z T T N N Mecânica dos Sólidos I Força Axial e Torção • Hipóteses – Pequenas Deformações – Comportamento Elástico Linear • Sob estas hipóteses, pode-se aplicar o princípio da superposição • Os estados de tensão resultantes de cada um dos carregamentos são calculados independentemente e somados. Mecânica dos Sólidos I Força Axial e Torção [ ] ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 00 000 0 xz xzxx σ σ σσ J TD A N xzxx 2 e == σσ x T T y z N N x z xzσ xxσ x y z Mecânica dos Sólidos I Força Axial e Torção [ ] ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 000 00 0 xy xyxx σ σ σσ J TD A N xyxx 2 e −== σσ x T T y z N N x y z x y xxσ xyσ Mecânica dos Sólidos I σ1 σ3 σ2 Sy Sy Início do escoamento no ensaio de tração Estado 3D de Tensão σeq σeq Critério de Escoamento Estado Uniaxial Equivalente Tensões Principais Aplicação: Critérios de Falha Tensões Principais Mecânica dos Sólidos I Corpo em equilíbrio sujeito à ação de um conjunto de forças externas F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 Corpo em equilíbrio significa que qualquer parte (subvolume) do corpo deve também estar em equilíbrio Mecânica dos Sólidos I Corpo em equilíbrio sujeito à ação de um conjunto de forças externas F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 Corte por um plano definido pelo vetor normal n Mecânica dos Sólidos I F1 F2 F3 F4 F8 n Corpo em equilíbrio sujeito à ação de um conjunto de forças externas Forças internas de ligação (forças de superfície) mantêm as duas partes do corpo em equilíbrio Mecânica dos Sólidos I Corpo em equilíbrio sujeito à ação de um conjunto de forças externas F1 F2 F3 F4 F8 n DF n DA DF – Força de superfície resultante atuando sobre o elemento de área DA Mecânica dos Sólidos I ΔA n ΔF Definição do Vetor Tensão t AΔ Δ Δ Ft 0A→ = lim Vetor tensão s tn ts nt ⋅=nt ( )nntt ⋅−=st Componente normal (tensão normal) Componente tangencial (tensão cisalhante) Mecânica dos Sólidos I Estado de Tensão em um Ponto O vetor tensão associado à direção cuja normal é n, pode então ser calculado a partir do tensor de tensões: em notações mais concisas: ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎪ ⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ z y x zzzyzx yzyyyx xzxyxx n n n σσσ σσσ σσσ t t t z y x )( )( )( n n n { } [ ]{ } nσt nn == )()( ounσt Mecânica dos Sólidos I TensõesPrincipais e Planos Principais Dado o estado de tensão num ponto, os planos principais são definidos como aqueles planos onde a componente tangencial (cisalhante) do vetor tensão é nula A equação abaixo relaciona o vetor tensão atuando sobre um plano definido pela norman n com o tensor de tensões: ou, em forma matricial: nσt n =)( { } [ ]{ }nσt =)(n Mecânica dos Sólidos I Tensões Principais e Planos Principais Deseja-se determinar os planos definidos pelas suas normais n, tais que os vetores tensão atuando sobre eles têm a forma: Substituindo-se esta expressão na equação da tela anterior, obtém-se: ou em forma matricial: nt n λ=)( nnσ λ= [ ]{ } { }nnσ λ= Mecânica dos Sólidos I Tensões Principais e Planos Principais Portanto, a determinação dos planos principais fica reduzida à solução de um problema de autovalores: – Os autovetores do tensor de tensão definem os planos (direções) principais. – Os autovalores do tensor de tensão, λ, são as tensões principais. nnσ λ= Mecânica dos Sólidos I Tensões Principais e Planos Principais Exemplo: Considere o estado de tensão dado pelo tensor: As componentes do tensor referem-se a uma base Cartesiana. Seus autovalores são obtidos resolvendo-se a equação: [ ] ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 5000 05010 01050 σ (em MPa) 0 5000 05010 01050 det = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − − λ λ λ Mecânica dos Sólidos I Tensões Principais e Planos Principais Expandindo-se este determinante, obtém-se a equação: Cujas raízes são: Mostra-se ainda que as direções (planos) principais são definidas pelos autovetores (unitários e ortogonais) ( )( ) 05024001002 =−+− λλλ MPa40e MPa,50MPa,60 321 === λλλ jinknjin 2 2 2 2,, 2 2 2 2 321 −==+= e Mecânica dos Sólidos I Tensões Principais e Planos Principais x z y 50 50 10 50 10 45° x z y 50 60 40 Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão F2 F3 F4 F5 F6 F7 F1 x z y σxy σxx σyy σyx x y σxx σxx σyy σyy σxy σxy σxy σxy [ ] ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 000 0 0 yyxy xyxx σ σσ σσ Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão: Força Axial e Torção [ ] ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 00 000 0 xz xzxx σ σ σσ J TD A N xzxx 2 e == σσ x T T y z N N x z xzσ xxσ x y z Mecânica dos Sólidos I Vasos de Pressão de Paredes Finas (D>>t) P t PD 2 =θθσ t PD xx 4 =σ xxσ θθσ Vasos cilíndricos Mecânica dos Sólidos I Vasos de Pressão de Paredes Finas (D>>t) Vasos cilíndricos Tensões já estão nas direções principais! Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão Conhecidas as componentes do tensor de tensões num ponto onde o estado de tensão é plano, determinar o vetor tensão em planos arbitrários F1 F1 F1 F1 z y x Mecânica dos Sólidos I F1 F1 F1 F1 z y x P Estado Plano de Tensão Considere o ponto P x y σxx σxx σyy σyy σxy σxy σxy σxy Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão Considere um plano passando pelo ponto P F1 F1 F1 F1 z y x P Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão O plano é determinado pela normal n que faz um ângulo a com o eixo x F1 F1 F1 F1 z y x t(n) n a Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão n t(n) y x z α σxx σxy σyy σxy τα σα Deseja-se determinar σα e τα em função das tensões σxx, σxy e σyy [ ] ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 000 0 0 yyxy xyxx σ σσ σσ Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão Impondo-se o equilíbrio de forças nas duas direções obtém-se: ασα σσ τ ασα σσσσ σ α α 2cos2sin 2 2sin2cos 22 xy yyxx xy yyxxyyxx + − −= + − + + = n t(n) y x z α σxx σxy σyy σxy τα σα Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão O mesmo resultado é obtido considerando-se [ ] ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 000 0 0 yyxy xyxx σ σσ σσ { } ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ = 0 sin cos α α n { } [ ]{ } ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ + + = ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ == 0 sincos sincos 0 sin cos 000 0 0 )( ασασ ασασ α α σσ σσ σα yyxy xyxx yyxy xyxx nt { } { } { } { }nσt ntσ T αα α ατ α −= = )( )( Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão Tensões e direções principais Problema: Determinar as direções dos planos, determinados pelos ângulos a, onde ocorrem os valores máximo e mínimo de σα logo ( ) αα τασασσα σ 22cos22sin =+−−= xyyyxxd d 00 =⇒= αα τα σ d d Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão Tensões e direções principais ( ) 02cos22sin =+−−= ασασσ α σα xyyyxxd d ⇓ yyxx xy p σσ σ α − = 2 2tan ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = − yyxx xy p σσ σ α 2 tan 2 1 1 logo Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão Tensões e direções principais As tensões edireções principais sao dadas pelas expressões: R R mIII yyxx yyxx m xy ±= +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − = + = σσ σ σσ σσ σ , 2 2 2 2 yyxx xy p σσ σ α − = 2 2tan Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão Tensões e direções principais As tensões e direções principais podem também ser obtidas a partir de um problema de autovalor: ( ) 0)()( 00 0 0 det 22 =−++−−= ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − − − xyyyxxyyxxyyxy xyxx σσσσσσσσ σ σσσ σσσ 0 22 22 2 2 2 2 = +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + = +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + = III xy yyxxyyxx II xy yyxxyyxx I σ σ σσσσ σ σ σσσσ σ Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão Tensões e direções principais yyxx xy p σσ σ α − = 2 2tan RR mIImI −=>+= σσσσ + + + − − + + − − − + − xxxx σσ − xyσ )2tan( pα pα 40 πα << p )( pασα )2( πασα +p Iσ IIσ 40 πα << p 04 <<− pαπ 04 <<− pαπ IIσ Iσ Iσ IIσ IIσ Iσ yyxx σσ − Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão Tensões e direções principais Alternativa: i. Dados ii. iii. iv. xyyyxx σσσ ,, ) 2 (Tan 2 1 1- yyxx xy p σσ σ α − = )2sin()2cos( 22 )2( )2sin()2cos( 22 )( pyp yyxxyyxx p pyp yyxxyyxx p ασα σσσσ πασ ασα σσσσ ασ α α − − − + =+ + − + + = { } { })2(),(min )2(),(max πασασσ πασασσ αα αα += += ppII ppI Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão Tensões e direções principais Ex: Determinar tensões e direções principais x y -40 MPa 60 MPa -110 MPa -40 MPa -40 MPa 60 MPa -110 MPa -40 MPa [ ] ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − −− = 000 06040 040110 σ (em MPa) Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão Tensões e direções principais Ex: Determinar tensões e direções principais (cont.) MPa60 MPa40 MPa110 = −= −= yy xy xx σ σ σ !6,12 2 Tan 2 1 MPa9,932 MPa25 2 1- 2 2 =⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = =+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − = −= + = yyxx xy p xy yyxx yyxx m R σσ σ α σ σσ σσ σ ⇒ Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão Tensões e direções principais Ex: Determinar tensões e direções principais (cont.) Considerando a tabela do Slide 43: MPa9,118)( MPa9,68)2( −=−== =+=+= R R mpII mpI σασσ σπασσ α α 110− 110− 40− 40− 40− 40− 60 60 x y Rotação de +12,6° em torno do eixo z x y px py !6,12 9,118− 9,118− 9,68 9,68 Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão Máxima tensão cisalhante Problema: Determinar os planos onde ocorrem as máxima e mínima tensões cisalhantes logo portanto ( ) ασασσ α τα 2sin22cos xyyyxxd d −−−= p xy yyxx sd d α σ σσ α α τα 2cot 2 2tan0 −= − −=⇒= ⎟ ⎠ ⎞⎜ ⎝ ⎛ +−= 4 παα ps Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão Máxima tensão cisalhante I II σII σI σI σII 45° τmax σI + σII 2 σI + σII 2 τmax σI + σII 2 σI + σII 2 22 2 2 max IIIyyxx xy R σσσ σσ τ −=+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − == Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão Impondo-se o equilíbrio de forças nas duas direções obtém-se: ασα σσ τ ασα σσσσ σ α α 2cos2sin 2 2sin2cos 22 xy yyxx xy yyxxyyxx + − −= + − + + = n t(n) y x z α σxx σxy σyy σxy τα σα Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão Círculo de Mohr sII sI C R 0 t s sm tmax R R R mII mI yyxx yyxx m xy −= += +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − = + = σσ σσ σ σσ σσ σ 2 2 2 2 Mecânica dos Sólidos I Estado Plano de Tensão Círculo de Mohr C 0 σ σyy σ σxy σxx + σyy 2 Ponto correspondente a σxx e σsxy 2αp τ x y σxx σxx σyy σyy σxy σxy σxy σxy Mecânica dos Sólidos I Estado Triaxial de Tensão Círculo de Mohr x z y σxy σxx σxz σzy σzx σzz σyy σyx σyz Mecânica dos Sólidos I Estado Triaxial de Tensão - Círculo de Mohr τ σ σ2 σ1 σ3 σ1 - σ2 2 σ2 - σ3 2 τmax = σ1 - σ3 2 Mecânica dos Sólidos I Estado Triaxial de Tensão Círculo de Mohr σ2 σ1 σ3 Plano onde ocorre a tensão cisalhante máxima (paralelo ao eixo 2 e a 45° com a direção 1) 3 1 2
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