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C A P ÍT U L O 2 TORÇÃO. Profa. Dra. Fernanda Rodrigues Mittelbach 3. Torção. 3.1. Definições iniciais. No caso das barras submetida a força normal foram definidos: - tensão normal e ε – deformação específica, sendo E No caso de torção ficam definidos: - tensão de cisalhamento e - distorção angular Distorção: retas inicialmente perpendiculares em uma vizinhança, passam a ter um ângulo diferente de 90º entre si. A A* B B* C t C* s A* B* st C* Deformação angular (ou distorção) st no ponto A e associada às direções s, t redução do ângulo (originalmente reto) entre AB e AC. *** 2 BACst Figura 3-1 Lei de Hooke Generalizada: G , sendo G o módulo de elasticidade transversal. 3.2. Teoria Elementar de Coulomb Efeitos causados pela solicitação à torção: Capítulo 3: Torção 2 Giro relativo entre as seções; Por causa desses giros surgem tensões de cisalhamento. Hipóteses adotadas: Material homogêneo, isótropo e linearmente elástico; As seções transversais permanecem planas e giram, sem se deformar umas em relação às outras (as seções giram como se fossem planos rígidos). Observa-se pelas hipóteses que a teoria elementar de Coulomb só é válida se a seção transversal da barra for circular (cheia ou vazada). Se a seção transversal não for circular, ocorre o chamado empenamento da mesma. Convenção de sinais: Seja uma barra com o referencial indicado na figura. Um ponto genérico tem coordenadas (polares) x, r, . Os momentos de torção positivos têm os sentidos mostrados, e as rotações são positivas quando a seção gira de y para z. xy z r R l S T T x x S S M t M t T T Figura 3-2 O momento torçor tM é positivo, desde que solicite um parafuso de rosca direita no sentido de apertá-lo. Capítulo 3: Torção 3 Do eixo solicitado a torção, retira-se um elemento infinitesimal. Na direção longitudinal atua a tensão de cisalhamento x e na direção transversal, atua x . x T T x x xx x dx l Figura 3-3 Pelo teorema de Cauchy xx A variação do ângulo reto é a distorção x . Admitindo a hipótese de que a seção S gira em relação a S0 sem se deformar, ocorrem distorções x nos planos que têm a direção radial para normal. Num elemento infinitesimal da periferia da barra (r = R), a distorção é dada por: x dx d R x x = R ds S0 S dx d R dx ds Rrx Figura 3-4 A mesma conclusão é válida para um elemento qualquer no interior, à distância r do eixo, tendo-se assim: dx d rx , isto é, a distorção x é proporcional ao raio e o valor máximo ocorre na periferia do eixo com 2 D Rr . Assim, tem-se Rrxmáx . Capítulo 3: Torção 4 Define-se o ângulo de torção por unidade de comprimento, designado por , como dx d , e conseqüentemente a distorção se escreve rx Da lei de Hooke genaralizada: xx G , onde G é o módulo de elasticidade transversal que se relaciona com o módulo de elasticidade longitudinal E por meio da seguinte equação: 2 1 E G , sendo o coeficiente de Poisson. A partir disso pode-se escrever: GG G máxmáx x xxx logo: máxmáxx máxx máxx D r R r GR r GR r 2 Da mesma forma que para tensões normais, pode-se definir uma tensão de cisalhamento admissível e um coeficiente de segurança s, em que: s máx . 3.3. Seção transversal circular cheia. Determinação da tensão de cisalhamento dA R r dr x Figura 3-5 Em cada seção transversal da barra ou eixo, o momento de torção tM é o momento resultante das tensões de cisalhamento, cujo valor, pela convenção de sinais adotada,é dado por: A xt dArM p t máxp máx A máx A máxt J RM J R dAr R dAr R r M 2 Capítulo 3: Torção 5 onde Jp é o chamado momento de inércia de área polar. Ou ainda, sendo 2dA r dr e máxx R r , faz-se a integral de 0r até r = R R máxmáx R R máxt r R drr R rdrr R r M 0 4 3 0 0 4 22 2 33 34 162 24 2 D M R MRR R M ttmáxmáxmáxt Que pode ser escrita na seguinte forma: t t máx w M , em que 3 16 t D w é o chamado módulo de resistência à torção Determinação do deslocamento (rotação). Foi mostrado anteriormente que: dx D d máx 2 e sabendo que G máx máx . Logo: dx GD ddx G D d máx máx 2 2 A rotação relativa entre as seções x =0 e x da barra será: x GJ M dx J RM GD xdx GD d p t p t xx máx x 000 2 0 2 , sendo G, Jp e Mt,constantes no trecho. Ou, tendo que 32 4D J p para a seção circular cheia: x GD M x t 4 32 0 Neste caso, a rotação x varia linearmente com x, de modo que dois pontos são suficientes para determinar a função. No caso de a extremidade em x = 0 ser engastada, conforme ilustra a figura a seguir, tem-se: Capítulo 3: Torção 6 lA B T (x) x A B Mt . x G Jp Mt . l G Jp l Figura 3-6 l GJ M xlx xx p t 00 3.4. Seção transversal circular vazada – tubo de parede grossa. As deduções são semelhantes, chegando-se às seguintes equações: t t p t p t máx w M J DM J RM 2 , em que o módulo de resistência é calculado por: 4 4 16 t D d w D , sendo d o diâmetro interno da seção e 32 44 dD J p . 3.5. Exemplos – estruturas isostáticas 3.5.1. Determine os valores máximos da tensão e do giro. Verifique se existe alguma seção, além do engaste, com giro nulo. Caso exista determine sua posição. 2m 1m 3m 15kN.m 10kN.m 50kN.m TR III II I A B C D x Figura 3-7 Dados: G = 8000 kN/cm2, DAB = DBC = 8 cm e DCD = 6 cm Capítulo 3: Torção 7 Reação de apoio: kNmTTT RRx 2501015500 Esforços solicitantes e diagrama: Seção I Mt 10kN.m 10 0 10t tM M kN m (negativo) Figura 3-8 Seção II Mt 25kN.m 15 10 0 25t tM M kN m Figura 3-9 Seção III Mt25kN.m 25 0 25t tM M kN m Figura 3-10 25 -25 -10 Mt (kN.m) Figura 3-31 Tensões de cisalhamento: Como foi pedido para se determinar a máxima tensão d cisalhamento, é necessário calcular máx na extremidade da seção em cada trecho. Trecho AB: 2 3 33 /87,24 53,100 2500 53,100 16 8 16 cmkN w M cm D w tAB tAB máxAB ABAB tAB (o sinal não tem influência na verificaçãoda resistência) Capítulo 3: Torção 8 Trecho BC: 2 3 /87,24 53,100 2500 53,100 cmkN w M cmww tBC tBC máxBC tt ABBC (o sinal não tem influência na verificação da resistência) Trecho CD: 2 3 33 /58,23 41,42 1000 41,42 16 6 16 cmkN w M cm D w tCD tCD máxCD CD tCD (o sinal não tem influência na verificação da resistência) Logo: máx = máxAB ou máxBC 2/87,24 cmkNmáx Determinação dos deslocamentos, giros ou rotações das seções: l GJ M x p t e 32 4D J p 4 4 12,402 32 8 cmJJ BCAB pp 4 4 23,127 32 6 cmJ CDp Trecho AB: radl GJ M AB p t AB AB AB 1554,0 12,4028000 2002500 Trecho BC: radl GJ M BC p t BC BC BC 0777,0 12,4028000 1002500 Trecho CD: radl GJ M CD p t CD CD CD 2947,0 23,1278000 3001000 rad BCABAC 0777,00777,01554,0 rad CDACAD 217,0295,00777,0 Capítulo 3: Torção 9 x0 = - 0,1554radAB = 0,0777radBC = - 0,0777 radAC = 0,2947radCD (rad) AB BC = 0,217 radADAC CD A B C D Figura 3-12 Seção de rotação nula: mx xx 209,2 0777,0 3 217,0 0 00 . 3.5.2. Calcular o valor admissível de P. Para o valor calculado de P, qual é o giro na extremidade da barra. 2m 2m 4m TA II I A B C D 1,5 P 1,5 P P P x 1,5 P 1,5 P P P 4 cm 8 cm G = 8000 kN/cm = 10 kN/cm2 2 Figura 3-43 Reação de apoio: PPPTPPTT AAx 16412045,180 Esforços solicitantes e diagramas Seção I Mt 4 P 4 0 4t tM P M P Figura 3-5 Seção II Mt 4 P 12 P 12 4 0 16t tM P P M P Figura 3-6 Diagrama final: Capítulo 3: Torção 10 A B C D Mt 16 P 4 P Figura 3-7 Tensão de cisalhamento máxima na seção: 3 16 t D w 3 38 100,53 16AB AB t tw w cm , 3100,53 BC ABt t w w cm 3 34 12,57 16CD CD t tw w cm t t máx w M máx P P máxAB 159,0 53,100 16 kNPP máxAB 90,6210159,0 P P máxBC 04,0 53,100 4 kNPP máxBC 2501004,0 P P máxCD 318,0 57,12 4 kNPP máxBC 45,3110318,0 Logo: kNP 45,31 - Determinação do giro na extremidade: 32 4D J p 4 4 12,402 32 8 cmJ ABp , ABBC pp JJ 4 4 13,25 32 4 cmJ CDp x GJ M x p t radl GJ M AB p t AB AB AB 031,0200 12,4028000 45,3116 radl GJ M BC p t BC BC BC 008,0200 12,4028000 45,314 radl GJ M CD p t CD CD CD 250,0400 13,258000 45,314 Capítulo 3: Torção 11 radCDBCABAD 289,0250,0008,0031,0 3.6. Exemplos – Estruturas estaticamente indeterminadas De forma análoga ao que ocorre em vigas e barras sujeitas a cargas axiais, a resolução de barras estaticamente indeterminadas submetidas a torção se faz através da utilização de uma equação de compatibilidade. A compatibilidade, no caso da torção se faz através do ângulo de giro. 3.6.1. Calcular o valor admissível do momento de torção T que pode ser aplicado à barra a seguir. Dado: 2 10 kN cm . III TA TD T 40cm 40cm 15cm A B C D x 4c m 6c m - Reações de apoio: III TA TD T A B C D Equação de equilíbrio: TTTTTTT DADAx 00 Esforços solicitantes tM : Trecho AB – seção I: Capítulo 3: Torção 12 TA Mt 0A t t AT M M T Trecho BD – seção II: TA T Mt 0A t t AT T M M T T Equação de compatibilidade: 00 CDBCABDAD x GJ M x p t e 32 4D J p 4 4 23,127 32 6 cmJJ BCAB pp 4 4 13,25 32 4 cmJ CDp 0 13,25 15 23,127 40 23,127 40 G TT G TT G T AAA CDBCABD 0597,0597,0314,0314,0314,0 TTTTT AAA TTTT AA 744,00911,0225,1 TTTTTTTTT ADDA 256,0744,0 - Cálculo das tensões máximas em cada trecho: 2/10 cmkNmáx , t t máx w M e 16 3D wt 3 3 3 3 6 42,41 16 4 12,57 16 AB BC AB BC CD CD t t t t t t w w w w cm w w cm kNcmT T w T ABt A máxAB 03,57010 41,42 744,0 Capítulo 3: Torção 13 kNcmT T w T BCt D máxBC 64,165610 41,42 256,0 kNcmT T w T CDt D máxAB 01,49110 57,12 256,0 Logo: kNcmTkNcmT 01,49101,491 3.6.2. Calcular o momento de torção T admissível para a estrutura a seguir. T 100cm 100cm A,B C D TC 10 0c m 10 0c m E = 21.000 kN/cm = 8 kN/cm2 2 = 12 kN/cm2 G = 7.000 kN/cm2 y x A B VA VB = 1cm 4 c m -Reações e esforços solicitantes T A,B C D TC VA VB VC Quando o torque T agir ambos os fios vão se alongar de um mesmo comprimento l , já que os dois fios são idênticos. Assim, tem-se que a normal nos dois fios será a mesma e VVV BA 000 CBACy VVVVF TVTVTTT CCx 4040 Trecho CD: MtTC 0 4C t t C tT M M T M V T Capítulo 3: Torção 14 Trecho DA: TC T Mt 0 4 4C t t C t tT T M M T T M V T T M V - Compatibilidade de deslocamentos N = V R N = V L L Considerando pequenas deformações: 210 4 100 4 1 21000 2 V l V ll EA N l Rl R l tg x GJ M x p t , 32 4D J p e DACDCA TVVTVVTV 8 17920 32 44 470 32 32 4 7000 1004 32 4 7000 1004 444 Pela compatibilidade: TVVT TVVTV V Rl 075,01075,0 8 17920 322210 48 17920 32 2 210 4 TVVV BA 075,0 e TTC 7,0 - Cálculo das tensões máximas e determinação T Condição das barras verticais N 0,075T 0,075T 2 0,075 12 12 125,66 1 44 N V T T kN cm A Capítulo 3: Torção 15 Condição da barra horizontal C D A,B 0,3T -0,7T t t máx w M e 2/8 cmkNmáx kNcmT T máx 61,1438 16 4 7,0 3 Logo: kNcmT 66,125. 3.7. Tubo de parede fina z y T a b cd T x e A figura anterior ilustra um tubo de parede fina e seção transversal qualquer. Pode haver variação da espessura, e, ao longo da seção, porém, seu valor é considerado muito pequeno em relação à largura total da seção. As tensões de cisalhamento que surgem devido à ação do torque T são consideradas uniformes ao longo da pequena espessura da parede o tubo, porém pode haver variação dessa intensidade ao redor da seção. Note-se que o torque tem sinal negativo e as tensões sinal positivo, de acordo com a convenção de sinais adotada. a b cd F1 F2 dx x Considere agora um elemento abcd de comprimento dx retirado do tubo. As tensões x surgem devido ao torque T, e as forças 1F e 2F são as resultantes das Capítulo 3: Torção 16 tensões x longitudinais associadas ao teorema de Cauchy. Essas resultantes são dadas por: 1 1 1F e dx e 2 2 2F e dx , em que: 1 2 1 1 2 2F F e e . Devido à arbitrariedade do elemento abcd, pode-se dizer que tal produto é constante ao longo da seção. Nos casos em que a espessura e for uniforme na seção, a tensão x também será. O produto eef médx é chamado fluxo de cisalhamento. Note-se que a máxima tensão de cisalhamento ocorre onde a espessura é menor. dsfds r O Com o objetivo de relacionar o fluxo de cisalhamento com o torque T que age sobre o tubo, considera-se um elemento de comprimento ds da seção transversal. A força de cisalhamento total agindo neste elemento é fds, e m momento desta força em torno de um ponto O é dado por: rfdsdMt onde r é a distância do ponto O à tangente a linha média da parede do tubo. O torque total é obtido integrando ao longo do comprimento Lm total da linha média da seção transversal: mL t rdsfM 0 Pode-se dar uma interpretação geométrica simples para a integral da expressão anterior. A quantidade rds representa o dobro da área do pequeno triângulo hachurada da figura anterior. Assim a integral representa o dobro da área compreendida no interior do perímetro médio da seção transversal. Denotando-se esta área por Am, tem-se: eA M A M effAM m t méd m t médmt 22 2 . O ângulo de torção por unidade de comprimento pode ser determinado considerando a energia de deformação do tubo. A energia por unidade de volume é dada por: Capítulo 3: Torção 17 2 2 0 22 0 222 eG f G G dGdu médxméd . A energia de deformação por unidade de comprimento se escreve: mm LL A e ds G f dseuuda 0 2 0 2 U e, sendo m t A M f 2 , mm L m t L m t e ds GA M T e ds GA M 0 2 0 2 2 42 1 8 U Se a espessura e for constante na seção transversal: m m t L eGA M 24 . O ângulo de torção é determinado através da equação dx d . Buscando analogia com o caso da seção circular tratado anteriormente, define-se a constante de torção da seção transversal como: mL m t e ds A J 0 24 , sendo m m t L eA J 24 no caso de a espessura da seção transversal ser constante. Para um tubo circular de parede fina e espessura constante, pode-se considerar a tensão méd uniforme atuando na área mD e . Dm /2 e O méd Assim, o momento de torção pode ser calculado por: 2 2 2 m t méd m médmt De MD eDM , com 20 mDe Que pode ser escrita da seguinte forma: Capítulo 3: Torção 18 t t méd w M , com 2 2 m t e D w sendo o módulo de resistência à torção. O giro relativo entre duas seções é obtido por: dx De M DG xxdx DG d x x m t m x x méd m x x 000 20 222 , que pode ser escrito, para um trecho de momento de torção e seção transversal constante, na seguinte forma: o t t xx GJ M xx 0 , sendo 4 3 eD J mt a constante de torção da seção transversal. 3.8. Exemplos Importantes 3.8.1. Uma barra cilíndrica é engastada na extremidade A e submetida a um torque uniformemente distribuído t. Determinar a fórmula para a rotação na extremidade B. Considere G e Jp conhecidos. t x l A B r x D seção reta Determinação do momento de torção t t Mt Mt TA x l-x 00 xltMT tx lxtM t ppp t GJ xlt GJ lxt GJ M dx d p l p l p l GJ tlx lx GJ t l GJ xlt d 22 0 2 0 2 00 Capítulo 3: Torção 19 Sendo 00 , a rotação na extremidade B resulta: p B GJ tl l 2 2 . 3.8.2. Uma peça é composta de um cilindro de um material elástico, sendo G1 o módulo de elasticidade transversal e um tubo externo de outro material elástico cujo módulo de elasticidade do material é G2 . Os materiais trabalham de forma solidária em irr . Determinar as funções para o ângulo de rotação e a componente de tensão x resultantes da aplicação do torque T. T T x r r i 0 l T M r r i 0 St 1 Mt 2 Passando uma seção S na peça e efetuando o equilíbrio de uma das partes, tem-se: TMMT ttx 21 0 , sendo 1 tM o momento de torção no material 1 e 2 tM o momento de torção no material 2. Como os materiais trabalham de forma solidária: xxx 21 , e assim xx dx d x dx d 21 . Utilizando a igualdade entre os ângulos de torção por unidade de comprimento: 1 1 1 1 p t JG M dx xd e 2 2 2 2 p t JG M dx xd 2 2 1 1 21 p t p t JG M JG M . Utilizando a condição de equilíbrio, podemos escrever que 12 tt MTM , com isso 2 1 1 1 21 p t p t JG MT JG M . Manipulando algebricamente: Capítulo 3: Torção 20 21 1 1 221 1121 22 1 1 1 21 1 221 12 221 pp p t ppp ptpt pp t p t JGJG JGT M JG T JGJG JGMJGM JG T JG M JG M 21 2 21 1 12 21 2 21 1 pp p pp p tt JGJG JGT JGJG JGT TMTM Tendo os valores de 1 tM e 2 tM se torna imediata a determinação de xxx 21 e de rx . x JGJG T x JGJG T JG M dx d ppppp t 21211 1 21211 0 ; 0 2 2 1 1 0 rrr,r J M rr,r J M r i P t i P t x 0 21 2 21 1 21 210 rrr,r JGJG GT rr,r JGJG GT r i pp i pp x . Sendo 2 4 1 i p r J e 2 44 0 1 i p rr J . 3.8.3. Um tubo de alumínio de seção retangular (60x100)mm2 foi fabricado por extrusão. Determinar a componente média de tensão de cisalhamento méd em cada uma das paredes do tubo, quando este fica submetido a um torque de 3kNm . 100mm 60mm 3mm 3mm 5mm 5mm A B C D Sendo, para uma seção de paredes delgadas, a tensão média dada por: eA M m t méd 2 , onde Mt é o momento de torção solicitante, Am é a compreendida no interior do perímetro médio da seção do tubo e e é a espessura da parede da seção do tubo no ponto considerado. No presente exemplo: Capítulo 3: Torção 21 22 76,535376 2 5 2 3 100 2 5 2 3 60 cmAmmA mm Nas “paredes” AB e AD, nas quais e = 0,3cm: 2/30,9 3,076,532 300 cmkN ADmédABméd . Nas “paredes” BC e CD, nas quais e = 0,5cm: 2/58,5 5,076,532 300 cmkN CDmédBCméd .
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