Projeto de Máquinas - semana 3

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Projeto de Máquinas
CCE1055
Prof. MSc. Antônio Barroso
18/02/2020
Semana 3
Tratamentos anticorrosivos
• Tratamentos anticorrosivos para elementos de
máquinas:
– Tratamento de superfície: Revestimentos superficiais que
imprimem resistência corrosiva (películas protetoras de óxidos
ou hidróxidos).
• Ex: Pinturas, Galvanização, Proteção catódica, Inibição (anódica)...
– Material de fabricação (elementos de adição): Modifica o
material ou escolhe um novo adequado e resistente ao
ambiente corrosivo
• Ex: Molas para ambientes corrosivos – Metal Monel (33% Cu + 67% Ni)
ou Aço Inox ( > 11% Cr).
• Para equipamentos em aço, o meio corrosivo mais
importante é a atmosfera, que depende de:
– Oxigênio (praticamente fixo);
– Umidade relativa do ar (altamente variável);
– Temperatura (Em geral, piora a corrosão);
– Atmosferas agressivas (poluentes, salinização, gases);
Tratamentos anticorrosivos
• Em geral, o aço carbono apresenta maiores taxas de corrosão com
aumento da temperatura em meio contendo CO2.
Tratamentos anticorrosivos
• O sistema de tratamento de superfície terá grande influência nas
definições de projeto estrutural metálico, ou seja, o tipo de aço a
ser empregado, tipo de perfil e espessura, dimensão das peças,
necessidade de reforço e juntas aparafusadas.
– Revestimentos orgânicos – PINTURAS
– Revestimentos metálicos – GALVANIZAÇÃO ou GALVANOPLASTIA
• PINTURAS – Aumentar a durabilidade da estrutura, impedindo o
processo de corrosão.
– Tintas anticorrosivas exclusivas para superfícies metálicas.
– Alto desempenho: aderência, impermeabilidade e flexibilidade.
Tratamentos anticorrosivos
– Barreira: Tintas espessas e com resinas de alta impermeabilidade e alta
aderência que criam uma barreira. Quanto mais tempo o vapor, o oxigênio
e os gases corrosivos levarem para atravessar a película, melhor é a tinta.
• Exemplos: Tintas epóxi (poliamina, poliamida, etc).
– Inibição (passivação anódica): São aquelas tintas que possuem pigmentos
anticorrosivos de inibição anódica, que alteraram a agressividade do meio
corrosivo, formando camadas isolantes junto ao metal, quando os agentes
corrosivos atravessam a película de tinta.
• Exemplos: Zarcão, cromato de zinco, fosfato de zinco, silicato de cálcio.
– Eletroquímica (proteção catódica): Inclusão de uma quantidade suficiente
de um metal mais negativo, como o zinco, na tinta. Ao riscar a superfície,
haverá consumo do zinco e não do aço, evitando a corrosão. No entanto, um
corte profundo acaba com a proteção.
• Exemplos: Etil-silicato de zinco, Epóxi rica em Zinco.
Tratamentos anticorrosivos
• Galvanização: Conhecida também como Zincagem por imersão a
quente, é um revestimento obtido pela imersão do aço ou ferro em
um banho de zinco (Zn) fundido. O ferro e o zinco reagem para
formar camadas de liga, que são então cobertas por uma camada
de zinco puro quando a peça é retirada deste banho.
• Cromagem: Cobertura do material com fina camada de cromo
(Cr). Feita através de várias etapas de banho na peça, incluindo
banhos de Cobre e Níquel, antes de realizar o banho de cromo.
Tratamentos anticorrosivos
Tratamentos anticorrosivos
Semana 3
Estudo das Tensões nos Elementos
• Estudo das tensões: Principais tipos de tensões;
• Tensões Combinadas;
• Tensões em Cilindros de Paredes Finas e Grossas;
• Deflexão em Vigas;
• Concentração de Tensões.
Estudo das Tensões
• A análise e o projeto de uma dada estrutura e de máquinas
implicam na determinação das tensões e deformações
existentes.
Estudo das Tensões
- Força -
• A força representa a ação de um corpo sobre o outro e é
caracterizada pelo seu ponto de aplicação, sua intensidade,
direção e sentido.
• A intensidade de uma força é expressa em Newton (N) no
Sistema Internacional de Unidades (SI).
Estudo das Tensões
- Força -
• A direção de uma força é definida por sua linha de ação,
ou seja, é a reta ao longo da qual a força atua, sendo
caracterizada pelo ângulo que forma com algum eixo fixo.
• O sentido de uma força é a sua orientação, ou seja, da
esquerda para direita, de baixo para cima, assim por
diante.
• Mesma Direção 
(diagonal com ângulo α)
• Diferentes sentidos
Estudo das Tensões
- Força -
• Condições de equilíbrio estático
Para que um corpo esteja em equilíbrio é necessário que o
somatório das forças atuantes e o somatório dos momentos em
relação a um ponto qualquer sejam nulos.
Estudo das Tensões
- Força -
• Classificação das Forças
Geralmente as forças são classificadas em distribuídas ou
concentradas.
• Distribuida
• Concentrada
Estudo das Tensões
- Força -
• Classificação das Forças
 Forças Distribuídas: São forças distribuídas continuamente,
podendo ocorrer:
- em volumes (como a ação gravitacional);
- em superfícies (como a ação da pressão de fluidos);
- em linha (como a ação ao longo de vigas)
Estudo das Tensões
- Força -
• Classificação das Forças
 Forças Concentradas: São uma forma aproximada de tratar
forças distribuídas em áreas muito pequenas (em relação às
dimensões da estrutura). São representadas por cargas
aplicadas pontualmente;
OBS: NA REALIDADE TODAS AS FORÇAS
ENCONTRADAS SÃO DISTRIBUÍDAS.
Estudo das Tensões
- Força -
• Classificação das Forças
O que é feito é uma
simplificação, que consiste
em representar as forças
distribuídas em uma força
concentrada equivalente,
que é aplicada no centro de
gravidade do elemento em
questão.
Estudo das Tensões
- Conceito de Tensão -
A direção da tensão depende do
tipo de solicitação, ou seja da
direção das cargas atuantes.
Tensão é o resultado da ação de
cargas externas sobre uma
unidade de área da seção
analisada na peça, componente
mecânico ou estrutural submetido
à solicitações mecânicas.
Estudo das Tensões
- Diagrama Tensão/Deformação -
Através de um ensaio de tração, é possível entender as propriedades dos
materiais. São medidos os alongamentos δ, correspondentes aos
acréscimos de carga axial P, que se aplicarem à barra, até a ruptura do
corpo-de-prova.
Estudo das Tensões
- Tensão Admissível -
O engenheiro responsável pelo projeto de elementos estruturais ou
mecânicos deve restringir a tensão do material a um nível seguro,
portanto, deve usar uma tensão segura ou admissível.
 Este carregamento é chamado de admissível ou de projeto.
𝜎𝑎𝑑𝑚 =
𝜎𝑅
𝑆𝑒𝑔
𝜎𝑎𝑑𝑚 =
𝜎𝐸
𝑆𝑒𝑔
Materiais Frágeis
Materiais Dúcteis
Estudo das Tensões
- Classe de Solicitações -
Quando um sistema de forças atua sobre um corpo, o efeito produzido é
diferente de acordo com a direção e sentido e ponto de aplicação destas
forças.
Os efeitos provocados em um corpo podem ser classificados em:
 esforços normais ou axiais: atuam na direção do eixo de um corpo;
 esforços transversais: atuam na direção perpendicular ao eixo de um
corpo
esforços normais ou axiais esforços transversais
Estudo das Tensões
- Classe de Solicitações -
Dependendo do tipo de esforço atuante (axial ou transversal), vão
ser originados diferentes tipos de tensões.
 Esforços Normais ou Axiais
• Tensão de Tração
• Tensão de Compressão
 Esforços Transversais
• Tensão de Cisalhamento
• Tensão de Flexão(Tração e 
Compressão)
Estudo das Tensões
- Tipos de Tensões -
• Tensão de Tração
Tensão do tipo axial, em que forças agem para fora do corpo, tendendo
a alongá-lo no sentido da sua linha de aplicação.
𝜎𝑇 =
𝐹
𝐴
Estudo das Tensões
- Tipos de Tensões -
• Tensão de Compressão
Quando as forças agem para dentro de um corpo, tendendo a encurtá-
lo no sentido da carga aplicada.
𝜎𝑐 =
−𝐹
𝐴
Estudo das Tensões
- Tipos de Tensões -
• Tensão de Cisalhamento
 Quando duas forças são aplicadas na direção transversal de um
corpo, a resultante dessas forças é denominada de força cortante.
Ao dividirmos essa resultante pela área da seção transversal,
obtemos a tensão média de cisalhamento.
𝜏 =
𝐹
𝐴
Estudo das Tensões
- Tipos de Tensões -
• Tensão de Cisalhamento
Cisalhamento Simples:
Cisalhamento Duplo:
𝜏 =
𝐹
𝐴
𝜏 =
𝐹
2𝐴
Estudo das Tensões
- Tipos de Tensões-
• Tensão de Cisalhamento
Estudo das Tensões
- Tipos de Tensões -
• Tensão de Cisalhamento
 Cisalhamento Puro: Têm-se
apenas a tensão de
cisalhamento atuante.
 Cisalhamento Combinado: A
tensão de cisalhamento atua
juntamente com a tensão de
flexão.
Estudo das Tensões
- Tipos de Tensões -
• Tensão de Flexão
É uma solicitação transversal que provoca, ou tente a provocar, a
curvatura das peças.
Estudo das Tensões
- Tipos de Tensões -
• Tensão de Flexão
Estudo das Tensões
- Tipos de Tensões -
• Tensão de Flexão
A resistência da peça sujeita a este tipo de tensão depende da sua
geometria (momento de inércia).
Estudo das Tensões
- Tipos de Tensões -
• Tensão de Flexão
 Exemplo
𝑏 = 2𝑚𝑚
ℎ = 36𝑚𝑚
𝐼1 =
2 × 36 3
12
𝐼1 = 7776𝑚𝑚
4
𝑏 = 36𝑚𝑚
ℎ = 2𝑚𝑚
𝐼2 =
36 × 2 3
12
𝐼2 = 24𝑚𝑚
4
𝐼1
𝐼2
=
7776
24
= 324
• M (𝑁 𝑚)
• z (𝑚)
• 𝐼𝑦 (𝑚
4)
• 𝜎 (𝑁/𝑚2)
Estudo das Tensões
- Tipos de Tensões -
• Tensão de Torção
É um tipo de solicitação que tende a girar as seções de um corpo, uma
em relação à outra.
Estudo das Tensões
- Tipos de Tensões -
• Tensão de Torção
𝑇 = 𝐹 𝑑
J = Momento de Inércia 
Polar (𝑚4)
Neste caso, coincide de d ser igual a c, porém isso nem sempre 
será verdade (Ex: cilindros vazados com diferentes espessuras).
Tensões em Cilindros 
• Seja qual for o tipo de tensão atuante, deve-se levar em
consideração a geometria do cilindro para o seu
dimensionamento correto.
Tensões em Cilindros 
• Seja qual for o tipo de tensão atuante, deve-se levar em consideração
a geometria do cilindro para o seu dimensionamento correto.
• M (𝑁 𝑚)
• z (𝑚)
• 𝐼𝑦 (𝑚
4)
• 𝜎 (𝑁/𝑚2)
Tensões em Cilindros 
• Exemplo: Torção em cilindros
Cargas Distribuídas em Vigas
É comum a ocorrência de cargas distribuídas em vigas.
Vigas são elementos de
barras, submetidas a cargas
transversais em relação a
seu eixo e destinadas a
vencer um vão.
Cargas Distribuídas em Vigas
As cargas distribuídas sobre vigas
são forças por unidade de
comprimento.
Estas forças, uniformes ou
variáveis, podem ser
representadas por uma carga
concentrada equivalente (R),
cujo valor corresponde à área
formada pela figura que
representa a carga distribuída e
é aplicada em seu centro de
gravidade (CG).
Cargas Distribuídas em Vigas
• Carga uniformemente distribuída
ou carga por unidade de
comprimento (N/m, kgf/m)
R = carga equivalente, definida como
R = q * a (área do retângulo)
O ponto de aplicação da carga
equivalente é o centro de gravidade
do retângulo, ou seja,
𝑥 =
𝑎
2
Cargas Distribuídas em Vigas
• Carga Distribuída Variável
Triangular
O valor da carga equivalente é a
área da triângulo, ou seja,
E é aplicada no centro de 
gravidade:
𝑅 =
𝑞 × 𝑎
2
𝑥′ =
2 × 𝑎
3
𝑥′′ =
𝑎
3
Cargas Distribuídas em Vigas
• Carga Distribuída Variável
Trapezoidal
O valor da carga equivalente é a 
área do trapézio, ou seja,
E é aplicada no centro de 
gravidade:
𝑅 =
𝑝 + 𝑞 × 𝑎
2
𝑥′ =
𝑎
3
×
2𝑝 + 𝑞
𝑝 + 𝑞
Concentrações de Tensões
• As tensões calculadas nos diversos componentes e peças
estruturais, pelo uso das expressões da Resistência dos Materiais,
são valores nominais.
𝜎𝑇 =
𝐹
𝐴
Concentrações de Tensões
- Tais pontos correspondem
aos chamados pontos de
concentração de tensões.
Alterações da geometria fazem
com que a distribuição de
tensões fique perturbada,
ocorrendo pontos onde temos
um aumento localizado de
tensões.
Concentrações de Tensões
- Exemplos -
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -
• Para levar em consideração a concentração de tensão em projetos,
podem ser usados os fatores de concentração de tensão.
• A partir das dimensões da peça, e do tipo de carregamento,
escolhemos um fator de concentração de tensão (Kt).
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -
• Cálculo de Tensão Máxima
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -
• Exercício: Determinar graficamente o Kt
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -
• Cálculo de Tensão Máxima
– Para materiais frágeis, o valor do fator 
geométrico de concentração de tensões (𝐾𝑡) é 
diretamente aplicado a tensão média (𝜎𝑚), 
fornecendo a tensão média nominal (𝜎′𝑚);
– Para materiais dúcteis, isso depende de quanto de 
escoamento é possível no material. Define-se uma 
𝜎′𝑚 baseado em 𝜎𝑚 com influência de um fator 
de concentração à tensão média de fadiga (𝐾𝑓𝑚) 
em 3 casos:
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -
1. Tensão máxima nominal < Limite Escoamento
𝜎𝑚𝑎𝑥 < 𝜎𝑒
2. Tensão máxima nominal > Limite Escoamento
𝜎𝑚𝑎𝑥 > 𝜎𝑒
3. Máxima – Mínima > 2 * Limite Escoamento
|𝜎𝑚𝑎𝑥 - 𝜎min| > 2𝜎𝑒
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -
• Cálculo de Tensão Máxima
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -
q = Sensibilidade ao entalhe, definido por tabelas a partir da constante de 
Neuber (a) e o raio de entalhe (r), expressos em polegadas.
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -
Concentrações de Tensões
- Fatores de Concentração de Tensão -