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Resistência dos Materiais Antonio Ronaldo Costa Dias 03 Sumário CAPÍTULO 4 – Torção ....................................................................................................05 Introdução ....................................................................................................................05 4.1 Momento torçor: diagramas ......................................................................................05 4.1.1 O que é a torção ............................................................................................05 4.1.2 Efeitos da torção .............................................................................................07 4.1.3 Momentos de torção ........................................................................................07 4.1.4 Momento polar de inércia ................................................................................08 4.1.5 O efeito cisalhante na torção ............................................................................08 4.1.6 Diagramas de torção .......................................................................................09 4.1.7 Resistência à torção .........................................................................................10 4.2 Torção em eixos .......................................................................................................12 4.2.1 Ensaio de torção .............................................................................................12 4.2.2 Rigidez ...........................................................................................................12 4.2.3 Ângulo de torção ............................................................................................13 4.2.4 Materiais dúcteis e frágeis ................................................................................16 4.3 Torção em eixos vazados ...........................................................................................16 4.3.1 Tensão de cisalhamento ...................................................................................16 4.3.2 Momento polar de inércia ................................................................................16 Síntese ..........................................................................................................................19 Referências Bibliográficas ................................................................................................20 05 Capítulo 4 Introdução Um efeito que muitas vezes tem origem da tentativa de giro de uma peça em seu próprio eixo e que pode causar efeitos catastróficos é conhecido como torção. A torção está presente quando, por exemplo, um eixo transmite uma rotação de uma engrenagem para outra engrenagem, ou ainda quando uma placa de trânsito, apoiada por apenas um poste, sofre o efeito do vento em condições meteorológicas adversas. Neste capítulo, estudaremos as origens do efeito da torção e suas consequências para as estru- tura comumente encontradas nos ambientes urbanos. Abordaremos os cálculos do ângulo de torção e também a deformação causada na peça. 4.1 Momento torçor: diagramas Sabemos que o conceito de momento aparece em várias situações de nosso dia a dia, certo? Por exemplo, quando abrimos uma lata de conserva, quando estamos preparando um alimento ou ainda quando abrimos uma caixa de madeira. Nessas situações, precisamos de um apoio para aumentar a força que estamos aplicando ou de ferramentas que podem resistir ao efeito torcional que estamos aplicando. 4.1.1 O que é a torção A torção é um fenômeno puramente mecânico, no qual há um giro da seção transversal de uma peça de modo que suas fibras externas se deformam, ficando no formato de uma hélice. A tor- ção, em muitos casos, é um efeito negativo porque compromete significamente a dimensão do elemento estrutural, levando-o ao colapso. Figura 1 – Efeito da torção em uma barra de aço. Fonte: Shutterstock, 2015. Torção 06 Laureate- International Universities Resistência dos Materiais Na figura anterior, é possível constatar que a torção em materiais maleáveis e dúcteis, como o aço, faz com que eles adquiram uma característica geométrica em suas fibras externas, asse- melhando-se a uma hélice. Vale ressaltar que essa característica é observável em materiais que experimentam determinada deformação, tais como os aços, os metais não ferrosos e também os polímeros. Materiais frágeis, tais como a cerâmica, não apresentam essa característica e rompe- rão sem sobreaviso. Saiba que a torção não é somente um efeito negativo em estruturas e componentes mecânicos. Observe, por exemplo, a figura a seguir. Ela mostra uma mola de torção muito utilizada em dis- positivos como portas e janelas, no intuito de garantir o retorno logo após sua abertura. Também podemos citar processos de fabricação de ferramentas de aço que precisam resistir à torção, tais como chaves de fenda, chaves de roda etc. Figura 2 – Molas de torção são muito utilizadas para facilitar o abre e fecha de portas ou mecanismos. Fonte: Shutterstock, 2015. A torção também está presente em estruturas metálicas, tais como torres, postes e coberturas, posto que essas estruturas sofrem com a intensidade do vento. NÃO DEIXE DE VER... O vídeo institucional da empresa americana Hebo Machines Company a respeito da fabricação de portões fala a da torção de barras de aço. Essa empresa utiliza máquinas de ação hidráulica para efetuar a torção de diversas barras retangulares, no intuito de atingir um efeito estético e um acabamento perfeito. Você pode visualizar o vídeo aces- sando o link: < https://www.youtube.com/watch?v=8qGHWZm0C-o>. 07 4.1.2 Efeitos da torção A torção pode trazer algumas consequências a qualquer barra de seção transversal, de qualquer formato. Listamos as principais consequências a seguir. Confira! • Deformação angular da peça em relação ao seu eixo, ou seja, a barra ficará torcida em relação ao seu eixo original. • Originar tensões de cisalhamento nas seções transversais da barra, as quais farão com que a peça sofra ruptura por corte. Figura 3 – Cabos de aço são elementos estruturais projetados para suportar o efeito da torção. Fonte: Shutterstock, 2015. 4.1.3 Momentos de torção Para que ocorra a torção em determinada peça, devemos ter em mente que forças precisam cau- sar momentos no plano transversal da peça, ou seja, parte perpendicular ao eixo. Por exemplo, observe a figura seguinte, na qual uma correia está transmitindo uma força para a extremidade da engrenagem, a qual, por sua vez, causa um giro na engrenagem e uma torção no eixo que está acoplado. Grave bem: a força da correia em conjunto com o raio da engrenagem é chama- da de momento de torção e é responsável pelo efeito torcional na barra. Quanto maior o raio do elemento sujeito a este efeito, maior é o efeito torcional, ou seja, maior é a tendência em girar o eixo. É por isso que em sistemas de transmissão com grandes polias ou engrenagens há uma melhor e maior tendência ao giro do eixo. Podemos calcular o momento de torção aplicando a seguinte fórmula: M = F · r Em que “F” é a força empregada na extremidade da barra, da engrenagem ou da polia e “r” é o raio desses elementos. 08 Laureate- International Universities Resistência dos Materiais F r Figura 4 – Força na extremidade da barra causando um momento de torção. Fonte: Elaborada pelo autor, 2015. 4.1.4 Momento polar de inércia Uma característica apenas geométrica e que não possui nenhum significado físico para a torção é o momento polar de inércia, o qual aparece no cálculo do efeito de cisalhamento (corte) em elementos submetidos à torção. Como o momento polar é uma característica geométrica, isso significa que cada elemento com um perfil geométrico característico terá sua fórmula para o cálculo do momento polar. Um caso bastante comum são os eixos circulares, muito utilizados em sistemas de transmissão. J = p · D4 32 Em que “D” é odiâmetro do eixo submetido à torção. Exemplo Calcule o momento polar de inércia para um eixo maciço de 50 mm de diâmetro: J = p · 504 = 613281,25 mm4 32 4.1.5 O efeito cisalhante na torção Um dos efeitos catastróficos e de interesse dos estudiosos em resistência dos materiais é saber se uma barra submetida a um momento de torção irá se romper. Para isso, deve-se calcular a tensão cisalhante nas fibras externas do elemento submetido à torção. Podemos calcular a tensão cisalhante através da seguinte fórmula: t = M · (r) J O efeito cisalhante varia desde o centro da peça, já que em seu interior o raio é nulo. Não há, portanto, efeito cisalhante até a fibra mais externa, na qual o momento de torção é máximo e também o seu efeito de cisalhamento. 09 Exemplo Um eixo maciço de 80 mm de diâmetro está sendo submetido a um efeito de torção oriundo de uma polia de 100 mm de diâmetro, à qual está sendo aplicada uma força de 10 kgf. Qual o efeito da tensão cisalhante a 20 mm do centro do eixo? Cálculo do momento de torção: M = F · r Observe que o raio da polia é de 50 mm: M = 10 · 50 = 500 kgf.mm Cálculo do momento polar de inércia: J = p · 804 = 4019200 mm4 32 Cálculo do efeito cisalhante na torção: t = M · (r) J Observe que o eixo possui 80 mm de diâmetro e 40 mm de raio. Neste caso específico, r = 20 mm, pois estamos calculando a tensão cisalhante no interior da peça, a 20 mm de seu centro. t = 500 · (20) = 2,48 · 10–3 kgf/mm2 4019200 4.1.6 Diagramas de torção Os diagramas de torção podem ser elaborados seguindo os cálculos da tensão cisalhante; desde o centro dos eixos em que a referência é dada como a inicial nula até sua extremidade. Para elaborar o diagrama, primeiro calculamos a tensão de torção cisalhante intermediária e a tensão de torção cisalhante máxima. A tensão de torção cisalhante intermediária será dada pela tensão de torção no ponto médio do raio do eixo. Utilizando o exemplo anterior, podemos calcular a tensão de torção cisalhante no ponto máximo, que é a 40 mm do centro do eixo, já que o diâmetro do eixo é de 80 mm. Observe a elaboração do diagrama a seguir! Tensão de torção no centro (Ponto 1). O valor é nulo, já que o raio no centro do eixo é zero. Tensão de torção no ponto médio, valor calculado no exemplo anterior (Ponto 2). t = 500 · (20) = 2,48 · 10–3 kgf/mm2 4019200 Tensão de torção no ponto mais externo do eixo, exatamente o dobro do valor calculado ante- riormente (Ponto 3). t = 500 · (40) = 4,97 · 10–3 kgf/mm2 4019200 10 Laureate- International Universities Resistência dos Materiais Com os valores em mãos, desenhamos, então, um triângulo cujo cateto é dado pelos pontos calculados anteriormente. F 3 2 1 r Figura 5 – Força na extremidade da barra causando um momento de torção. Fonte: Elaborada pelo autor, 2015. Observe a figura anterior. Quanto mais longe do centro do eixo, maior sua tensão de torção ci- salhante e, consequentemente, maior o seu efeito. Pode-se entender que o diagrama desenhado indicará claramente onde a tensão de cisalhamento de torção terá o maior efeito. O objetivo de elaborar um diagrama de torção é exatamente este, ou seja, indicar onde o efeito torcional é maior. No caso da figura apresentada, especificamente, fizemos o diagrama com apenas três pontos, mas podemos elaborar uma tabela com mais pontos, indicando cada um dos valores da torção desde o centro do eixo até a sua extremidade. 4.1.7 Resistência à torção Todo material submetido a um esforço externo tende a “resistir” a esse esforço, em outras pala- vras, esse elemento oferece uma resistência à força, tentando retornar à dimensão original. Tal comportamento é chamado de comportamento elástico. No caso da torção, essa propriedade dita esse comportamento e é chamada de resistência à torção. A resistência à torção é o que garante que estruturas metálicas e postes suportem os efeitos aos quais são submetidos quando um momento de torção aparece em seu eixo. Um dos fatores primordiais para que a peça tenha uma elevada resistência à torção é sua ge- ometria de construção e também o material do qual ela foi fabricada. Materiais cerâmicos e alguns polímeros possuem baixa resistência à torção, enquanto materiais dúcteis tendem a resistir melhor a tais efeitos. Podemos concluir, então, que um fator que deve ser levado em conta no projeto de elementos que serão submetidos a torção será o formato e também seu material de construção. 11 Um dos recursos didáticos mais utilizados em resistência dos materiais, por se tratar de uma referência com diversos exemplos e exercícios, é o livro da coleção Schaum do autor William Nash. Nessa obra, teve-se o cuidado de trazer de forma bem resumida e clara os exercícios mais comuns a respeito do fenômeno da torção. Resistência de Materiais. Coleção: Schaums Outlines. NÃO DEIXE DE LER... Figura 6 – Uma correia transmite um movimento giratório para a engrenagem. Fonte: Shutterstock, 2015. Um eixo de seção retangular será mais resistente à torção do que um eixo de seção circular? Na verdade, quando se fabrica um eixo de seção retangular, um maior efeito de cisalhamento estará concentrado nos cantos vivos, dando origem ao que chama- mos de efeito de concentração de tensões. Esse efeito é negativo porque não alivia as tensões concentradas em um ponto, ao passo que um eixo de seção cilíndrica distribui uniformemente as tensões cisalhantes por ele geradas. Dessa forma, um eixo com uma seção circular suportará mais os efeitos de uma torção porque as concentrações de ten- são cisalhante são mais bem distribuídas, gerando tensões mais uniformes e evitando o colapso da peça. NÓS QUEREMOS SABER! 12 Laureate- International Universities Resistência dos Materiais 4.2 Torção em eixos Como discutido no item anterior, a torção em eixos cilíndricos é muito comum em sistemas de transmissão. Com o objetivo de avaliar as propriedades de uma peça em uma situação de tor- ção severa, utiliza-se o ensaio de torção que consiste em submeter a peça a uma torção em seu próprio eixo e medir qual o seu ângulo crítico de torção. Outra abordagem neste item será a investigação do efeito cisalhamento em eixos sólidos e vazados e quais os respectivos ângulos de torção. 4.2.1 Ensaio de torção O corpo de prova do ensaio de torção consiste de uma barra cilíndrica confeccionada em aço e acoplada a uma polia, a qual será submetida a uma força aplicada no sentido horário e anti- -horário. A polia possui um laser que emite uma luz incidente em uma escala posicionada na parte externa, acoplada ao conjunto chamado de equipamento de ensaio de torção. O corpo de prova do ensaio é o elemento que simula o estado torcional da peça. Figura 7 – Esquema de realização do ensaio de torção em uma barra. Fonte: Shutterstock, 2015. 4.2.2 Rigidez A rigidez de uma peça submetida à torção é representada pela letra “G” e medida através da relação entre a tensão de cisalhamento e a deformação na torção. G = t γ 13 A rigidez é uma característica do material e é determinada através de experimentos de torção em laboratório, assim como o ensaio de torção. Podemos dizer que a rigidez de um material é equivalente ao módulo de elasticidade de um material. Sabendo, então, que podemos encontrar a rigidez de determinado material que está sujeito ao esforço de torção, podemos determinar facilmente a sua deformação por torção. γ = t G Rigidez do alumínio: 2,8.10-3 N/m2 = 2,8. 104 kgf/mm2 Rigidez do aço: 8,4.10-3 N/m2 = 8,4. 104 kgf/mm2 Podemos perceber, por esses valores, que é bem mais difícil efetuar a torção em uma barra de aço do que em uma de alumínio. A rigidez possui as mesmas unidades que a tensão de cisalhamento, ou seja, newton por metro quadrado. A medida da rigidez de uma peça deve levar em conta duas hipóteses. Confira! • Os diâmetros paralelos à face plana do elemento após a deformação devem permanecer na mesma medida. • A recuperação da dimensão da peça após a deformação da torção é prevista, ouseja, haverá uma recuperação elástica. 4.2.3 Ângulo de torção O ângulo de torção é o ângulo medido após a peça sofrer o efeito da torção por uma força externa. O ângulo de torção é medido em radianos e será dado pela seguinte fórmula: θ = M · l G · J Em que M é o momento torçor do eixo, l é o comprimento do eixo, G é a rigidez do elemento e J é o momento polar de inércia. Observamos que a intensidade do ângulo de torção é diretamente proporcional ao comprimento da peça e inversamente proporcional à rigidez do material de fabricação do eixo. O ângulo de torção pode ser também expresso em graus, bastando lembrar que 1 radiano equivale a exata- mente 57,29 graus. Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) foi um físico francês que investigou o com- portamento de elementos mecânicos na torção. Coulomb preocupou-se com o ângulo de torção, estudando uma balança chamada de “Balança de Torção”. Saiba, porém, que seu objeto real de estudo eram as forças elétricas que atuavam nesta balança. Além das atribuições como cientista, Coulomb também atuou na área da educação, sendo um ativo inspetor no ensino público. VOCÊ O CONHECE? 14 Laureate- International Universities Resistência dos Materiais O ângulo de torção é um dos parâmetros estudados pelos metalurgistas e projetistas, pois é ca- paz de revelar se uma estrutura pode girar em seu próprio eixo sem sofrer uma ruptura prévia. Um exemplo de elemento mecânico, no qual não pode haver uma ruptura por cisalhamento devido à torção, é o eixo cardã. O eixo cardã é um elemento de transmissão que permite que as rodas traseiras de um automóvel se movimentem (em sistemas de tração 4x4). Nesses elementos mecâ- nicos, deve-se garantir que haja o mínimo de distorção devido à torção para que não haja folgas. Figura 8 – Eixo cardã em um sistema de transmissão de automóvel. Fonte: Shutterstock, 2015. Exemplo Um eixo maciço de aço de 40 mm de diâmetro possui um comprimento de 1 metro e está aco- plado a uma polia de 100 mm de diâmetro, conectado a uma correia transportadora que aplica 50 kgf de força. Calcule o que se pede a seguir. a) Momento de torção. b) Tensão cisalhante na parte mais afastado do centro do eixo. c) Ângulo de torção. Momento de torção O momento de torção será calculado através da fórmula seguinte, lembrando que o raio da polia é de 50 mm e a força aplicada é de 50 kgf: M = F · r M = 50 · 50 = 2500 kgf.mm 15 Tensão cisalhante A tensão cisalhante na parte mais afastada do centro do eixo será a 20 mm do centro do eixo. Precisamos calcular também o momento polar de inércia do eixo, que será dado por: J = p · 404 = 251200 mm4 32 Agora reunindo os dados apresentados e considerando r = 20 mm: t = M · (r) J t = 2500 · (20) = 0,19 kgf/mm2 251200 Ângulo de torção θ = M · l G · J θ = 2500 · 1000 = 1,185 · 10–4 rad 8,4 · 104 · 251200 Como 1 radiano é igual a 57,32 graus, fazendo uma regra de três simples obtemos o valor em graus: θ = 0,0678 graus Observamos que o valor apresentado é pequeno, porém não é um valor insignificante para uma barra de 1 metro de comprimento. Outra observação é que, neste exemplo, todas as unidades foram convertidas para milímetro, no intuito de obtermos um resultado consistente. Os ângulos de torção são observáveis em tubulações de condução de derivados do pe- tróleo. Imagine, durante o sol escaldante, a quantidade de deformação causada pela dilatação acumulada em uma linha de tubulação. Um livro que aborda muito bem essa questão é “Tubulações Industriais” de Laerce Paula Nunes, editado pela editora LTC. O livro aborda diversas definições de tubos de condução de derivados, e é calculado para encontrar o momento de torção dessas tubulações. NÃO DEIXE DE LER... É interessante observar que, em eixos de seção circular e maciça, quanto maior o comprimento do eixo maior será o ângulo de torção, isso porque o comprimento aumenta proporcionalmente com o ângulo de torção, e também podemos concluir que quanto maior a rigidez do material menor será o seu ângulo de torção, assim como também o momento polar de inércia que depen- de diretamente do diâmetro do eixo. 16 Laureate- International Universities Resistência dos Materiais 4.2.4 Materiais dúcteis e frágeis Na análise da torção, deve-se também levar em conta como esses materiais se comportarão perante a um esforço de torção. Os materiais dúcteis, como o aço e os metais não ferrosos (alu- mínio e cobre, por exemplo), quando submetidos à torção rompem por cisalhamento, ou seja, sua fratura se dá em um plano paralelo ao plano no qual o material se rompeu. Materiais frágeis como os materiais cerâmicos irão se romper em um plano a 45 graus da face desse eixo. Eixos circulares maciços devem ser submetidos a um tratamento superficial antes de serem realmente indicados para determinadas aplicações? Sim. Em muitos casos esses eixos ficarão expostos a um meio corrosivo, seja ele ambiente industrial, marinho ou rural. Todos esses elementos devem ser pintados adequadamente com uma tinta e uma película anticorrosiva para terem sua vida útil prolongada. NÓS QUEREMOS SABER! 4.3 Torção em eixos vazados Eixos vazados são casos clássicos de tubos de paredes finas, muito utilizados em estruturas metáli- cas e em alguns casos para a condução de fluidos ou gases. Nesses eixos, o efeito torcional é mais intenso devido à falta de material em seu interior. Neste tópico, veremos a torção em eixos vazados. 4.3.1 Tensão de cisalhamento O primeiro questionamento com relação aos eixos vazados, ou de paredes finas, é a respeito do cisalhamento oriundo da torção. A hipótese a ser feita é a de que a tensão cisalhante da torção é constante ao longo de toda a espessura do eixo. Além do mais, podemos considerar como tensão de cisalhamento mínima aquela tensão na parede interna do eixo vazado, e tensão de cisalhamento máxima aquela na parede externa. Uma relação entre a tensão máxima e mínima pode ser obtida pela seguinte fórmula: tmin = r1 · tmaxr2 Em que r1 é o raio interno da peça e r2 é o raio externo da peça. 4.3.2 Momento polar de inércia O momento polar de inércia também será diferente, pois não há material no núcleo da peça. J = p (D4 – d4) 32 Em que “D” é o diâmetro maior do eixo e “d” é o diâmetro menor do eixo. 17 Exemplo Qual será a tensão cisalhante máxima e mínima para um eixo de seção vazada de 100 mm de diâmetro interno e 150 mm de diâmetro externo, considerando um momento torçor de 4400 kgf.mm? t = M r J Dados: M= 4400.103 kgf.mm, r = 75 mm J = p (1504 – 1004) = 39,8 · 106 mm4 32 Substituindo, teremos a tensão cisalhante máxima de: t = 4400 · 103 75 = 83 MPa 39,8 106 Para calcularmos a tensão cisalhante mínima na parede interna do eixo vazado, aplicamos: tmin = 50 · tmax75 tmin = 50 · 83 MPa = 55,33 MPa 75 Concluímos que a tensão na parede interna do tubo vazado é aproximadamente 33% menor do que na parte exterior, confirmando que o eixo vazado é mais frágil em sua parede interna do que externa. Entenda que isso explica a ordem e o rompimento do tubo vazado, que se dá primeiro interiormente e depois na parte externa. Exemplo Utilizando o exemplo anterior, qual será o diâmetro externo do eixo para que ele resista a uma tensão máxima de 100 MPa? Nesse caso, nós já possuímos os valores do momento torçor e momento polar de inércia, man- tendo as mesmas dimensões. Basta isolar a variável r, que é o raio externo da peça: 100 = 4400 · 103 r 39,8 106 r = 90,5 mm Podemos constatar que se quisermos um eixo que resista a uma tensão cisalhante máxima de 100 Mpa, devemos utilizar um eixo aproximadamente 15 mm maior. Nesse caso, o eixo menor será inutilizado pois não é possível aumentar o diâmetro de um eixo vazado, mas, se acontecesse o contrário, deveríamos usiná-lo e deixá-lo menor. 18 Laureate- International Universities Resistência dos Materiais CASO O caso mais emblemático por falha devido à torção foi a suspeita da quebra da coluna de di- reção do carro de Airton Sena, em maio de 1994.Esta foi a tese apresentada pelos promotores de Ímola, na Itália. A coluna de direção é a responsável por transmitir o movimento de direção para as rodas de um veículo. Caso essa importante peça venha a falhar, o carro ficará totalmente desgovernado, indo de encontro a qualquer obstáculo. Ainda hoje acontecem acidentes relacionados com a quebra desse importantíssimo elemento mecânico, causando fatalidades. Embora a indústria au- tomobilística não reconheça, essa peça pode sim vir a falhar em alguns casos, causando sérios transtornos ao motorista. 19 Síntese • Identificamos a torção e seus efeitos. Alguns casos práticos foram apresentados, bem como os seus efeitos negativos e positivos. • A torção provém dos momentos, os quais têm origens diversas, entre eles polias e engrenagens submetidas a forças em suas extremidades. • Uma característica geométrica da peça sem nenhum significado físico é o momento polar de inércia. Essa característica é utilizada para o cálculo da tensão cisalhante de torção. • O maior efeito negativo em um elemento sujeito à torção é a tensão cisalhante devido à torção. Em materiais dúcteis, ela é responsável pelo rompimento da peça em planos paralelos e em materiais frágeis. O rompimento se dá em planos a 45 graus. • O ensaio de torção é muito utilizado para avaliar a resistência à torção de determinada peça. Foi desenvolvido por Coulomb em pesquisa das forças elétricas. • A rigidez é uma característica intrínseca do material e está relacionada à tensão de cisalhamento e a sua deformação por distorção. • Através do momento torçor, do comprimento do eixo, da rigidez da peça e do momento polar de inércia, podemos chegar ao valor do ângulo de torção em radianos. • Eixos vazados também são objetos de estudo da torção, que terá tensões cisalhantes máximas e mínimas. Síntese 20 Laureate- International Universities Referências NASH, W. Resistência dos Materiais. São Paulo: McGraw Hill, 1982. Coleção Schaum. Bibliográficas
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