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DISCIPLINA: MECÂNICA DISCIPLINA: MECÂNICA E RESISTÊNCIA DOS E RESISTÊNCIA DOS MATERIAISMATERIAIS CEFET-MG Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais MATERIAISMATERIAIS “Capítulo 1 – Conceito de Tensão” Professor: Alexandre Hubinger INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO Tensões normais Tensões de cisalhamento Tensões de esmagamento conceito de tensãoconceito de tensão Aplicações na análise de estruturas simples Tensão última Fatores de segurança INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO A resistência dos materiais, proporciona ao engenheiro os meios que o possibilitam analisar e projetar máquinas e estruturas. analisar e projetar máquinas e estruturas. (BEER & JOHNSTON) conceito de tensãoconceito de tensão Considerando a estrutura da figura, que consiste das barras AB e BC, verificaremos se essa estrutura pode FORÇAS E TENSÕESFORÇAS E TENSÕES essa estrutura pode suportar com segurança a carga de 30 kN, aplicada no ponto B. conceito de tensãoconceito de tensão Do nosso conhecimento de estática, podemos estudar o equilíbrio no ponto B e determinar as FORÇAS E TENSÕESFORÇAS E TENSÕES ponto B e determinar as forças FAB e FBC atuantes nas respectivas barras. conceito de tensãoconceito de tensão FORÇAS E TENSÕESFORÇAS E TENSÕES kN 40FAB kN 50FBC conceito de tensãoconceito de tensão Concluímos também que a barra BC sofre tração e a barra AB FORÇAS E TENSÕESFORÇAS E TENSÕES tração e a barra AB sofre compressão. conceito de tensãoconceito de tensão Mas, somente o fato de determinar as forças não é capaz de nos dizer se a barra BC irá romper-se, pois ela representa somente a resultante de todas as forças distribuídas em toda a área superficial. FORÇAS E TENSÕESFORÇAS E TENSÕES conceito de tensãoconceito de tensão Portanto, a tensão em uma barra de seção transversal A, sujeita a uma força axial P será: FORÇAS E TENSÕESFORÇAS E TENSÕES A P 2 N P Pa A 2m A Pa 10 GPa 1 Pa 10 MPa 1 Pa 10 kPa 1 9 6 3 conceito de tensãoconceito de tensão No Sistema Internacional (SI): FORÇAS E TENSÕESFORÇAS E TENSÕES 2m A N P Pa 2m A Pa 10 GPa 1 Pa 10 MPa 1 Pa 10 kPa 1 9 6 3 conceito de tensãoconceito de tensão Utilizando as Unidades Inglesas: FORÇAS E TENSÕESFORÇAS E TENSÕES kip ou lb P ksi ou psi 2in A kip ou lb P conceito de tensãoconceito de tensão Voltando ao estudo da barra BC, a barra é constituída de aço e possui diâmetro de 20 mm. Por convenção, consideraremos que FORÇAS E TENSÕESFORÇAS E TENSÕES consideraremos que quando a barra está submetida à tração o sinal da tensão é positivo e quando está submetida à compressão o sinal da tensão é negativo. conceito de tensãoconceito de tensão FORÇAS E TENSÕESFORÇAS E TENSÕES 2 BC r A kN 50 FP 2r A conceito de tensãoconceito de tensão FORÇAS E TENSÕESFORÇAS E TENSÕES MPa 159 BC conceito de tensãoconceito de tensão O valor da tensão calculada na barra BC deve ser comparado com o máximo valor de tensão que pode ser aplicado com segurança no aço utilizado. Através de tabelas de propriedades dos materiais, a tensão máxima admissível para o material utilizado é: FORÇAS E TENSÕESFORÇAS E TENSÕES MPa 165 adm MPa 165 adm Portanto: admBC MPa 165MPa 159 Conclusão: O material suporta o esforço conceito de tensãoconceito de tensão Como estudado anteriormente: FORÇAS AXIAIS; TENSÕES NORMAISFORÇAS AXIAIS; TENSÕES NORMAIS A P 2m A N P Pa 3 Pa 10 GPa 1 Pa 10 MPa 1 Pa 10 kPa 1 9 6 3 Esse tipo de carregamento é chamado de carga centrada. conceito de tensãoconceito de tensão Quando duas forças P e P’ são aplicadas a uma barra AB, na direção transversal a barra, ocorre um tipo de tensão diferente: TENSÕES DE CISALHAMENTOTENSÕES DE CISALHAMENTO A força resultante P é chamada força cortante. O cálculo da tensão média de O cálculo da tensão média de cisalhamento é calculada através da fórmula: A P méd conceito de tensãoconceito de tensão A tensão de cisalhamento ocorre em geral em parafusos, rebites e pinos que ligam as diversas partes das máquinas e estruturas. Caso de cisalhamento simples: TENSÕES DE CISALHAMENTOTENSÕES DE CISALHAMENTO A F A P méd conceito de tensãoconceito de tensão Caso de cisalhamento duplo: TENSÕES DE CISALHAMENTOTENSÕES DE CISALHAMENTO FP A2 F A P méd conceito de tensãoconceito de tensão Os parafusos, pinos e rebites provocam tensões de esmagamento nas barras que estão ligando, ao longo da superfície de contato. TENSÕES DE ESMAGAMENTOTENSÕES DE ESMAGAMENTO td P A P esm conceito de tensãoconceito de tensão Continuando a análise na estrutura APLICAÇÃO NA ANÁLISE DE ESTRUTURAS APLICAÇÃO NA ANÁLISE DE ESTRUTURAS SIMPLESSIMPLES estrutura composta pelas barras AB e BC do início: conceito de tensãoconceito de tensão APLICAÇÃO NA ANÁLISE DE ESTRUTURAS APLICAÇÃO NA ANÁLISE DE ESTRUTURAS SIMPLESSIMPLES a) Continuando com a barra BC, já realizamos a análise na seção transversal circular mas, no entanto, as partes achatadas da barra também estão sob tração e, na seção mais estreita, onde está localizado o furo temos: MPa167 10300 1050 )10251040(1020 1050 A F 6 3 333 3 extr.BC BC .extrBC conceito de tensãoconceito de tensão MPa167.extrBC Agora, vamos analisar a barra AB: MPa7,26 101500 1040 10301050 1040 A F .extrBC 6 3 33 3 AB AB AB APLICAÇÃO NA ANÁLISE DE ESTRUTURAS APLICAÇÃO NA ANÁLISE DE ESTRUTURAS SIMPLESSIMPLES b) Determinação da tensão de cisalhamento nas conexões: )1025( 1050 A F 23 3 C.pino BC C.méd Pino C: Podemos observar que ele está submetido à condição de cisalhamento simples: conceito de tensãoconceito de tensão MPa102 4 )1025(A C.méd C.pino APLICAÇÃO NA ANÁLISE DE ESTRUTURAS APLICAÇÃO NA ANÁLISE DE ESTRUTURAS SIMPLESSIMPLES )1025( 2 1040 A 2 F 23 3 AB A.méd Pino A: Podemos observar que ele está submetido à condição de cisalhamento simples: conceito de tensãoconceito de tensão MPa7,40 4 )1025(A A.méd 23 A.pino A.méd APLICAÇÃO NA ANÁLISE DE ESTRUTURAS APLICAÇÃO NA ANÁLISE DE ESTRUTURAS SIMPLESSIMPLES Pino D: Podemos dividí-lo em cinco partes: Nas partes DE e DG: PE = 15 kN PG = 25 kN Como o pino é simétrico, temos que as maiores tensões de cisalhamento ocorrem nas seções G e H: conceito de tensãoconceito de tensão MPa9,50 4 )1025( 2 1050 A 2 F D.méd 23 3 D.pino H/G D.méd G e H: APLICAÇÃO NA ANÁLISE DE ESTRUTURAS APLICAÇÃO NA ANÁLISE DE ESTRUTURAS SIMPLESSIMPLES b) Determinação das tensões de esmagamento: MPa3,53 10251030 1040 dt F A.esm 33 3 AB A.esm No pino A na barra AB: conceito de tensãoconceito de tensão MPa32 10251050 1040 dt F A.esm 33 3 AB Asup.esm No pino A no suporte A: Ex. 1.1 – No suporte da figura, a haste ABC tem na parte superior 9 mm de espessura e na parte inferior 6 mm de espessura de cada lado. Uma resina a base de epoxy é utilizada para colar as partes superior e inferior da haste no ponto B. Os pinos no ponto A e C têm 9 mm e 6 mm de diâmetro respectivamente. Pede-se determinar APLICAÇÃO NA ANÁLISE DE ESTRUTURAS APLICAÇÃO NA ANÁLISE DE ESTRUTURAS SIMPLESSIMPLES a) A tensão de cisalhamento no pino A; b) A tensão de cisalhamento no pino C; conceito de tensãoconceito de tensão b) A tensão de cisalhamento no pino C; c) A maior tensão normal na haste ABC; d) A tensão média de cisalhamento nas superfícies coladas no ponto B; e) A tensão de esmagamento na haste em C. EXERCÍCIO 1.9 – página 22 Sabendo-se que a haste de ligação BD tem uma seção transversal uniforme, de área igual EXERCÍCIOS:EXERCÍCIOS: transversal uniforme, de área igual a 800 mm2, determine a intensidadeda carga P para que a tensão normal na haste BD seja 50 MPa. conceito de tensãoconceito de tensão TENSÃO EM UM PLANO OBLÍQUO SOB TENSÃO EM UM PLANO OBLÍQUO SOB CARREGAMENTO AXIALCARREGAMENTO AXIAL Mas, forças axiais provocam tensões normais e tensões de cisalhamento em planos que não são perpendiculares ao eixo do elemento conceito de tensãoconceito de tensão E, forças transversais agindo sob um parafuso, ou um pino, provocam tensões normais e tensões de cisalhamento em planos que não são perpendiculares ao eixo do parafuso ou do pino TENSÃO EM UM PLANO OBLÍQUO SOB TENSÃO EM UM PLANO OBLÍQUO SOB CARREGAMENTO AXIALCARREGAMENTO AXIAL Se cortarmos a barra por um plano formando um ângulo com um plano normal: cosPF senPV F resultante de forças normais distribuídas sobre a seção; V resultante das forças tangenciais. conceito de tensãoconceito de tensão Tensões médias: A F A V cos A AcosAA 00 2 00 cos A P cosA cosP cossen A P cosA senP 00 TENSÃO EM UM PLANO OBLÍQUO SOB TENSÃO EM UM PLANO OBLÍQUO SOB CARREGAMENTO AXIALCARREGAMENTO AXIAL 0 m 090 e 0 Para zero de aproxima se 90 de próximo A P máxima é , normal, tensão0 conceito de tensãoconceito de tensão 0 2 0 00 m A2 P 45cos A P ' A2 P 45cos45sen A P máximoseu valor o alcança 45 Para 090 e 0 Para TENSÃO SOB CONDIÇÕES GERAIS DE TENSÃO SOB CONDIÇÕES GERAIS DE CARREGAMENTO, COMPONENTE DE TENSÃOCARREGAMENTO, COMPONENTE DE TENSÃO Muitos elementos estruturais e de máquinas estão sob condições de carregamento mais complexas. Vamos passar um corte através de um ponto Q, qualquer, utilizando um plano paralelo ao plano y-z. conceito de tensãoconceito de tensão plano y-z. Fx força normal Vx força cortante As forças estão agindo sobre uma pequena área A em torno do ponto Q. TENSÃO SOB CONDIÇÕES GERAIS DE TENSÃO SOB CONDIÇÕES GERAIS DE CARREGAMENTO, COMPONENTE DE TENSÃOCARREGAMENTO, COMPONENTE DE TENSÃO Dividindo a intensidade de cada força pela área A e aplicando limites A→0 definimos três componentes: O mesmo é válido para a parte do corpo localizada à direita do plano vertical através de Q. Notar que os sentidos são opostos: conceito de tensãoconceito de tensão opostos: TENSÃO SOB CONDIÇÕES GERAIS DE TENSÃO SOB CONDIÇÕES GERAIS DE CARREGAMENTO, COMPONENTE DE TENSÃOCARREGAMENTO, COMPONENTE DE TENSÃO Agora, passando um corte através de Q paralelo ao plano z-x e, finalmente, um corte através de Q paralelo ao plano x-y, da mesma forma teremos: // plano z-x → y, yz, yx // plano x-y → z, zx, zy conceito de tensãoconceito de tensão Para facilitar a visualização de tensão no ponto Q, consideraremos um pequeno cubo de lado a centrado em Q e as tensões que atuam em cada uma das seis faces do cubo: TENSÃO SOB CONDIÇÕES GERAIS DE TENSÃO SOB CONDIÇÕES GERAIS DE CARREGAMENTO, COMPONENTE DE TENSÃOCARREGAMENTO, COMPONENTE DE TENSÃO Podemos obter as forças que atuam nas faces do cubo multiplicando as tensões por A: Utilizaremos as equações de equilíbrio do corpo rígido para determinar: conceito de tensãoconceito de tensão xy = yx yz = zy zx = xz TENSÃO SOB CONDIÇÕES GERAIS DE TENSÃO SOB CONDIÇÕES GERAIS DE CARREGAMENTO, COMPONENTE DE TENSÃOCARREGAMENTO, COMPONENTE DE TENSÃO CONCLUSÕES:CONCLUSÕES: • São necessários somente seis componentes de tensão para definir estado de tensão de um determinado ponto Q em lugar das nove componentes consideradas originalmente. (x, y, z, xy, yx, yz, zy, zx, xz) • Em um determinado ponto, o cisalhamento não pode ocorrer conceito de tensãoconceito de tensão • Em um determinado ponto, o cisalhamento não pode ocorrer em apenas um plano, deve sempre existir uma tensão de cisalhamento igual em outro plano perpendicular ao primeiro. TENSÃO SOB CONDIÇÕES GERAIS DE TENSÃO SOB CONDIÇÕES GERAIS DE CARREGAMENTO, COMPONENTE DE TENSÃOCARREGAMENTO, COMPONENTE DE TENSÃO conceito de tensãoconceito de tensão A determinação das tensões é apenas um passo necessário no desenvolvimento de dois dos mais importantes estudos: TENSÕES ADMISSÍVEIS E TENSÕES ÚLTIMAS; TENSÕES ADMISSÍVEIS E TENSÕES ÚLTIMAS; COEFICIENTE DE SEGURANÇACOEFICIENTE DE SEGURANÇA A análise de estruturas e máquinas existentes para prever conceito de tensãoconceito de tensão A análise de estruturas e máquinas existentes para prever o seu comportamento sob condições de carga específicas; O projeto de novas máquinas e estruturas que deverão cumprir determinadas funções de maneira segura e econômica. A maneira com que o material vai se comportar sob condições conhecidas de carregamentos pode ser determinada realizando-se testes. O teste de aplicar uma tensão axial de tração em um corpo de prova de aço é utilizado para obter a tensão última a tração do material. TENSÕES ADMISSÍVEIS E TENSÕES ÚLTIMAS; TENSÕES ADMISSÍVEIS E TENSÕES ÚLTIMAS; COEFICIENTE DE SEGURANÇACOEFICIENTE DE SEGURANÇA material. A tensão última corresponde a carregamento último que o corpo de prova irá se quebrar ou perder resistência. conceito de tensãoconceito de tensão A PU U Uma peça estrutural ou um componente de máquina deve ser projetada de forma que a carga última seja consideravelmente maior que o carregamento que essa peça ou elemento irão suportar em condições normais de utilização. A carga para a qual a peça deve ser projetada é chamada TENSÕES ADMISSÍVEIS E TENSÕES ÚLTIMAS; TENSÕES ADMISSÍVEIS E TENSÕES ÚLTIMAS; COEFICIENTE DE SEGURANÇACOEFICIENTE DE SEGURANÇA A carga para a qual a peça deve ser projetada é chamada de carregamento admissível, ou seja, carga de projeto. A relação o carregamento último e o carregamento admissível é chamado de coeficiente de segurança. conceito de tensãoconceito de tensão admissível Tensão última Tensão admissível Carga última Carga CS A escolha do coeficiente de segurança adequado depende de vários fatores como: TENSÕES ADMISSÍVEIS E TENSÕES ÚLTIMAS; TENSÕES ADMISSÍVEIS E TENSÕES ÚLTIMAS; COEFICIENTE DE SEGURANÇACOEFICIENTE DE SEGURANÇA Modificações que ocorrem nas propriedades do material; O número de vezes em que a carga é aplicada durante a vida da estrutura ou máquina; O tipo de carregamento para o qual se projeta, ou que poderá atuar futuramente; conceito de tensãoconceito de tensão atuar futuramente; O modo de ruptura que pode ocorrer; Métodos aproximados e análise; Deterioração que poderá ocorrer no futuro devido à falta de manutenção ou por causas naturais imprevisíveis; A importância de um certo membro para a integridade de toda a estrutura. Os coeficientes de segurança são, na maioria das aplicações em estruturas e máquinas, determinados por especificações de projeto, códigos de construção e normas técnicas. Por exemplo: TENSÕES ADMISSÍVEIS E TENSÕES ÚLTIMAS; TENSÕES ADMISSÍVEIS E TENSÕES ÚLTIMAS; COEFICIENTE DE SEGURANÇACOEFICIENTE DE SEGURANÇA Aço: Instituto Americano de Construção Metálica, Especificações para o projeto e a execução de estruturas metálicas para edifícios. conceito de tensãoconceito de tensão Concreto: Instituto Americano do Concreto, Código de Edificações, requisitos para concreto armado. Madeira: Associação Nacional de Produtos Florestais, Especificação Nacional para projeto em madeira estrutural e suas ligações. Pontes Rodoviárias: Associação Americana dos funcionários de rodovias estaduais, Especificação padrão para pontes rodoviárias. Para Pontes Rolantes: TENSÕES ADMISSÍVEIS E TENSÕES ÚLTIMAS; TENSÕES ADMISSÍVEIS E TENSÕES ÚLTIMAS; COEFICIENTE DE SEGURANÇACOEFICIENTE DE SEGURANÇA NBR 8400: Cálculo de Equipamentos para Levantamento e Movimentação de Cargas conceito de tensãoconceito de tensão AISE 6: Specification for electric overhead traveling Ex 1.2 – Duas forças são aplicadas ao suporte da figura. a) Sabendo-se que a barrade controle AB é feita de aço com tensão última de 600 MPa, determinar o diâmetro da barra para que o coeficiente de segurança seja 3,3. b) O pino no ponto C é feito de aço com TENSÕES ADMISSÍVEIS E TENSÕES ÚLTIMAS; TENSÕES ADMISSÍVEIS E TENSÕES ÚLTIMAS; COEFICIENTE DE SEGURANÇACOEFICIENTE DE SEGURANÇA tensão última a cisalhamento de 350 MPa. Determine o diâmetro do pino C que leva a um coeficiente de segurança ao cisalhamento de valor 3,3. c) Determinar a espessura necessária das chapas de apoio em C, sabendo-se que a tensão admissível para esmagamento do aço utilizado é 300 MPa. conceito de tensãoconceito de tensão EXEMPLO 1.2:EXEMPLO 1.2: DIAGRAMA DE CORPO LIVRE: conceito de tensãoconceito de tensão EXEMPLO 1.2:EXEMPLO 1.2: EQUAÇÕES DE EQUILÍBRIO: kN 40P06,0153,0506,0P0M kN 65C015-50-C 0F 0CP0F C yyy xx conceito de tensãoconceito de tensão kN 3,76C6540CCC Nk 40C kN 40P06,0153,0506,0P0M 222 y 2 x x C EXEMPLO 1.2:EXEMPLO 1.2: a) Barra de controle AB: MPa 8,181 3,3 600 CS lim adm Como o coeficiente de segurança deve ser 3,3, a tensão admissível é: Portanto, a área da seção transversal da barra AB é: conceito de tensãoconceito de tensão 26 6 3 adm AB.nec AB.nec adm m 10220 108,181 1040P A A P mm 16,74m 01674,0d 4 d 10220 4 d A AB 2 AB6 2 AB AB.nec Agora, podemos calcular o diâmetro necessário da barra AB: EXEMPLO 1.2:EXEMPLO 1.2: b) Pino C: MPa 1,106 3,3 350 CS lim adm A tensão admissível de cisalhamento é: O pino C está submetido a um cisalhamento duplo, portanto: conceito de tensãoconceito de tensão 26 6 3 adm C.nec C.nec adm m 10360 101,106 2103,76P A A 2C EXEMPLO 1.2:EXEMPLO 1.2: Logo, o diâmetro do pino é: Devemos buscar, dentre os diâmetros de pinos padronizados no mercado, o diâmetro imediatamente superior a 21,4 mm. Vamos utilizar 22 mm mm 4,12dm 0214,0 103604 d 4 d A C 6 C 2 C C.nec conceito de tensãoconceito de tensão mm 6tm 00578,0 102210300 2106,73 t td 2C 36 3 C adm.esm c) Esmagamento em C: Utilizando dC = 22 mm, levando em consideração que a força aplicada em cada suporte é C/2 e a tensão de esmagamento admissível é de 300 MPa: EXERCÍCIO 1.44 A barra de ligação horizontal BC é de 6,35 mm de espessura e é feita de aço com tensão última de tração de 415 MPa. Qual deve ser a largura w dessa barra de EXERCÍCIOS:EXERCÍCIOS: a largura w dessa barra de ligação, se a estrutura for projetada para suportar uma carga P = 36 kN, com um coeficiente de segurança igual a 3? conceito de tensãoconceito de tensão EXERCÍCIO 1.13 Cada uma das quatro hastes verticais ligadas às duas barras horizontais, tem uma seção transversal retangular uniforme de 10 x 40 mm e os pinos tem diâmetro de 14 mm. Determine o máximo valor da tensão normal média, causada pela carga de EXERCÍCIOS:EXERCÍCIOS: causada pela carga de 24 kN, nas hastes conectadas pelos: a) Pontos B e E; b) Pontos C e F. EXERCÍCIO 1.14 Resolver o exercício 1.13, assumindo que a carga de 24 kN é orientada para cima conceito de tensãoconceito de tensão EXERCÍCIO 1.15 Cada uma das hastes de ligação AB e CD tem uma seção transversal retangular uniforme de 6,3 x 25,4 mm e está ligada à barra horizontal BCE por pinos de diâmetro igual a 25,4 mm. EXERCÍCIOS:EXERCÍCIOS: diâmetro igual a 25,4 mm. Considerando que a tensão normal média de ambas as hastes não exceda a 170 MPa, determine a máxima carga que pode ser aplicada no ponto E, se esta carga é dirigida: a) verticalmente para baixo; b) verticalmente para cima. conceito de tensãoconceito de tensão EXERCÍCIO 1.50 Na estrutura de aço mostrada, um pino de 6 mm de diâmetro é usado em C, enquanto que em B e D usam-se pinos de 10 mm de diâmetro. A tensão de cisalhamento última para todas as ligações é de 150 MPa, e atensão EXERCÍCIOS:EXERCÍCIOS: ligações é de 150 MPa, e atensão normal última é de 400 MPa na viga BD. Desejando-se um coeficiente de segurança igual a 3, determine a maior carga P que pode ser aplicada em A. Notar que a viga BD não é reforçada em torno dos furos dos pinos. conceito de tensãoconceito de tensão
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