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A - Introdução RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS 1.0 - INTRODUÇÃO 1.1 – OBJETIVOS E MÉTODOS DA RESISTÊNCIA DOS MATERIAIS A Resistência dos Materiais é o ramo da Mecânica dos Corpos Deformáveis que se propõe, basicamente, a selecionar os materiais de construção e estabelecer as proporções e as dimensões dos elementos para uma estrutura ou máquina, a fim de capacitá-las a cumprir suas finalidades, com segurança, confiabilidade, durabilidade e em condições econômicas. A capacidade de um elemento, em uma estrutura ou máquina, de resistir à ruína é chamada de resistência do elemento e constitui o problema principal para a análise nesta disciplina. A limitação das deformações, em muitos casos, se torna necessária para atender a requisitos de confiabilidade (deformações exageradas podem ser confundidas com falta de segurança) ou precisão (caso de máquinas operatrizes ou ferramentas). A capacidade de um elemento reagir às deformações é chamada de rigidez do elemento. Muitas vezes, apesar de os elementos estruturais satisfazerem aos requisitos de resistência e de rigidez sob a ação das cargas, a estrutura, como um todo, não é capaz de manter o estado de equilíbrio, por instabilidade. A estabilidade das estruturas é outro problema a ser analisado. Estados perigosos provocados por descontinuidades na geometria dos elementos (concentração de tensões), por cargas alternativas (ressonância e fadiga do material) e por cargas dinâmicas (choque mecânico) serão também estudados. A escolha dos materiais, das proporções e das dimensões dos elementos de construção deve ser feita baseada em critérios de otimização, visando, invariavelmente, a custos mínimos, menores pesos (fundamental na indústria aeronáutica), facilidade de fabricação, de montagem, manutenção e reparo. Na solução de seus problemas básicos, a Resistência dos Materiais estabelece modelos matemáticos simplificados (esquemas de cálculo) para descrever a complexa realidade física, permitindo uma fácil resolução dos problemas, obtendo-se resultados aproximados que, posteriormente, são corrigidos através de coeficientes que levam em conta as simplificações feitas. Esses coeficientes de correção (coeficientes de segurança) são estabelecidos experimentalmente e muitas vezes arbitrados por Normas Técnicas ou em função da habilidade e experiência do projetista. A solução de problemas mais complexos, para os quais os esquemas simplificados da Resistência dos Materiais não se enquadram, é em geral tratada pela Teoria da Elasticidade (outro ramo da Mecânica dos Corpos Deformáveis que se propõe a solucionar os mesmos problemas da Resistência dos Materiais, porém através da utilização de métodos matemáticos mais complexos, mas de maior abrangência). 1 A - Introdução 1.2 – HIPÓTESES SIMPLIFICADORAS Em sua maioria, as construções e as máquinas são muito complicadas quanto às características dos materiais, a forma e geometria dos elementos estruturais, tipos de carregamento, vinculação etc. e, a menos que sejam estabelecidos esquemas de cálculo e hipóteses simplificadoras, a análise dos problemas seria impraticável. A validade de tais hipóteses é constatada experimentalmente. a) Quanto aos materiais: Os materiais serão supostos contínuos (ausência de imperfeições, bolhas etc) homogêneos (iguais propriedades em todos os seus pontos), e isótropos (iguais propriedades em todas as direções). Essas hipóteses nos permitem aplicar as técnicas elementares do cálculo infinitesimal para a solução matemática dos problemas. Deve-se ter cautela, entretanto, quanto à sua aplicação para certos materiais de construção (como o concreto ou a madeira), ou materiais de estrutura cristalina (como o granito) cujas características heterogêneas e anisotrópicas nos levariam a resultados apenas aproximados. Outra suposição freqüentemente utilizada é de que os materiais são perfeitamente elásticos (sofrendo deformações cuja extensão é proporcional aos esforços a que estão submetidos, retornando às dimensões originais quando cessam esses esforços). b) Quando à geometria dos elementos estruturais: Os elementos estruturais serão reduzidos aos seguintes modelos simplificados (Fig. 1.2.1): BLOCOS – corpos cujas três dimensões principais são da mesma ordem de grandeza (a ~b ~c); FOLHAS – corpos que têm uma das dimensões (denominada espessura) muito menor (*) que as outras duas (e << a ~b); BARRAS – corpos que têm uma das dimensões (denominada comprimento) muito maior (*) que as outras duas (c >> a ~b). (*) da ordem de 10 vezes ou mais. A Resistência dos Materiais Elementar propõe métodos para resolução de problemas envolvendo elementos estruturais do tipo de barras. Estudos mais avançados dão conta da solução de alguns problemas relativos às folhas. O estudo dos blocos não é tratado pela Resistência dos Materiais, devendo-se recorrer aos métodos da Teoria da Elasticidade. 2 A - Introdução b BLOCOS a c e CASCAS b a FOLHAS CHAPAS PLACAS PLACAS ARCOS BARRAS BARRAS BARRAS RETAS VIGAS PERFIS DELGADOS L Fig. 1.2.1 – Classificação dos elementos estruturais quanto a sua geometria. c) Quanto ao carregamento: Os esforços que atuam nas estruturas serão representados através dos seguintes modelos simplificados (Fig. 1.2.2): Forças distribuídas – em volumes (como a ação gravitacional, como as forças de inércia nos corpos acelerados), em superfícies (como a ação de esforços sobre placas, a ação da pressão de fluidos, p = dF/dA) e em linha (como a ação ao longo de vigas, q = dF/dx); Forças Concentradas – ações localizadas em áreas de pequena extensão quando comparadas com as dimensões do corpo. É fácil perceber que tal conceito 3 A - Introdução (uma força concentrada em um ponto) é uma abstração já que, para uma área de contato praticamente nula, uma força finita provocaria uma pressão ilimitada, o que nenhum material seria capaz de suportar sem se romper. q(x) W P (c) (a) (b) F (d) Fig. 1.2.2 – Tipos de Carregamento: forças distribuídas (a) em volumes, (b) em superfícies, (c) em linha; (d) forças concentradas. d) Quanto aos vínculos Os vínculos são dispositivos mecânicos que impedem certos movimentos da estrutura ou máquina, através de esforços reativos cujos tipos são estudados nos cursos de Mecânica dos Corpos Rígidos. Para o caso particular e muito comum de esforços coplanares, os vínculos são classificados em três categorias (Fig. 1.2.3) Apoio móvel - capaz de impedir o movimento do ponto vinculado do corpo numa direção pré-determinada; Apoio fixo – capaz de impedir qualquer movimento do ponto vinculado do corpo em todas as direções; 4 A - Introdução Engastamento – capaz de impedir qualquer movimento do ponto vinculado do corpo e o movimento de rotação do corpo em relação a esse ponto. APOIO MOVEL SÍMBOLO Biela ou conectora Pino deslizante rodete R APOIO FIXO SÍMBOLO Rx Ry rótula E N G A S T A M E N T O SÍMBOLO Rx Mz Ry Fig. 1.2.3 – Tipos de vínculos e reações de apoio e) Inexistência de esforços iniciais – Nos processos de conformação e tratamento térmico dos materiais (fundição, usinagem, laminação, forjamento, embutimento, têmpera, etc) surgem esforços localizados cuja presença não será considerada em nossos estudos. Suporemos que não existem esforços iniciais no corpo antes de seu carregamento. Quando existirem fortes razões para que tais esforços precisem ser considerados, eles serão determinados experimentalmente. f) Princípio de Saint’Venant – Uma hipótese simplificadora que é sustentada pela observação experimental é a estabelecida por Saint’Venant, indicando que em pontos suficientemente afastados das regiões de aplicação dos esforços, os efeitos internos se manifestam independentemente da forma de distribuição daqueles esforços. Este princípio permite o cálculo dos esforços no interior dos corpos utilizando a resultante 5 A - Introdução dos esforços atuantes, como uma força concentrada equivalente, hipótese válida apenas para pontos afastados em relação ao local onde os esforços são distribuídos, de uma distância d superior a 1,5 a 2,0 vezes a maior dimensão b da distribuição da carga. b d q esforços internos q.b d + b/2 Fig. 1.2.4 – Princípio de Saint’Venant. g) Princípio da Superposição dos Efeitos Os efeitos de um sistema de várias forças agindo em um corpo (ações internas ou deformações) será igual à soma dos efeitos parciais produzidos nesse corpo quando cada esforço é aplicado isoladamente, independentemente da ordem de aplicação. Este princípio, largamente utilizado na Mecânica dos Corpos Rígidos, pode ser estendido aos corpos deformáveis desde que: 1º) os deslocamentos dos pontos de aplicação das forças sejam pequenos quando comparados com as dimensões da estrutura (manutenção da geometria inicial); 2º) os deslocamentos devidos às deformações da estrutura variem linearmente com os esforços (proporcionalidade esforço-deformação). Na Fig. 1.2.5 são apresentados dois exemplos sendo um (a) onde o princípio da superposição pode ser aplicado e outro (b), onde não pode ser aplicado. (a) (b) P1 P1 F1 P2 P2 F2 P3 = P1 + P2 P3=P1+P2 F3 ≠ F1 + F2 F3 = F1 + F2 Fig. 1.2.5 – Princípio da Superposição dos Efeitos 6 A - Introdução 1.3 - ESFORÇOS Os esforços que atuam sobre um sistema material ou parte de uma estrutura podem ser classificados segundo o quadro: Permanentes ATIVOS EXTERNOS Acidentais REATIVOS Força Normal Força Cortante ESFORÇOS SECCIONAIS Momento Fletor Momento Torçor (Torque) INTERNOS Tensão Normal LOCAIS Tensão Tangencial a) Esforços Externos – são os que atuam no sistema material em análise (por contato ou ação à distância) oriundos da ação de outro sistema (o peso próprio, a ação do vento, esforços vinculares, são exemplos de esforços externos). Os esforços ativos serão classificados de permanentes quando atuam constantemente sobre a estrutura (como seu peso próprio) e acidentais quando atuam de forma transitória (o efeito do vento nas construções, carga de partida das máquinas, etc.). Esses esforços são em geral conhecidos a priori (através das Normas Técnicas, requisitos para o projeto, etc). No projeto de novas estruturas o peso próprio é inicialmente desconhecido já que as dimensões das partes não estão ainda estabelecidas. O peso próprio é levado em conta nesses casos a partir de um peso estimado e utilizando-se um método de cálculo iterativo, rapidamente convergente. Os esforços produzidos pelos vínculos, também externos, são denominados de esforços reativos, ou reações dos apoios, sendo determinados pelas equações da Estática que regem o equilíbrio das forças sobre um corpo em repouso que, no caso de carregamentos coplanares, se reduzem a: ΣFx =0 ΣFy =0 ΣMz =0 Quando o número de reações vinculares desconhecidas iguala o número de equações da Estática utilizáveis, a estrutura é dita isostática (ou estaticamente determinada). Caso o número de reações seja superior ao número de equações disponíveis, estaremos diante de uma estrutura hiperestática. A determinação dos esforços reativos nessas estruturas estaticamente indeterminadas será feito utilizando-se equações suplementares que caracterizem a compatibilidade de deformações e que serão estudadas no presente curso. Como exemplo, a Fig. 1.3.1 apresenta um esquema da estrutura isostática de um guindaste onde se pode reconhecer que o peso de 20 toneladas como um esforço externo ativo permanente, a carga de 10 tf como um esforço externo ativo transitório. A ponte móvel se apóia no mancal superior B (apoio fixo) e encosta-se em A (apoio móvel) na pista circular fixa à torre. A determinação das reações nesses apoios, feita através das equações da Estática, nos permite obter: A = 10,0 tf (
); B x = 10,0 tf (); B y = 30,0 tf (); B = 31,6 tf (71,6º ) 7 2m A - Introdução 8m B 20 tf 6m A Pista circular rodetes 10 tf Bx By 20tf A 10tf Fig. 1.3.1 – Estrutura isostática da Ponte Móvel de um Guindaste (AMRJ). 8 A - Introdução b) Esforços Internos Os esforços internos são os oriundos da ação de uma parte da estrutura ou elemento estrutural, sobre outra parte da estrutura, por contato. No exemplo da fig. 1.3.1 podemos reconhecer que a força exercida no rodete A, embora seja um esforço externo para a ponte giratória, será um esforço interno para o guindaste como um todo. Para o caso de elementos em forma de barras (caso mais comumente tratado pela Resistência dos Materiais) podemos analisar os esforços internos atuantes em uma seção transversal (perpendicular ao eixo da barra) e reconhecemos que a ação de uma parte da barra sobre a outra pode ser reduzida a uma força F e a um conjugado de momento G. Ao decompormos estes dois esforços na direção do eixo da barra (direção normal) e no plano da seção (direção tangente), obtemos os chamados esforços seccionais (ou solicitantes) a saber (fig. 1.3.2): M – Momento Fletor N – Força Normal G F T – Momento Torque Q – Força Cortante M A G G N T Q F F N Q M T Fig. 1.3.2 – Esforços Seccionais (ou Solicitantes) A determinação dos esforços seccionais é feita, da mesma forma que os esforços reativos, através das equações da Estática, analisando o equilíbrio dos esforços que atuam na parte da estrutura que foi hipoteticamente secionada. A seguir são apresentados alguns exemplos de determinação de esforços solicitantes. 9 A - Introdução z 1 - Na seção flangeada do engaste: y F x = N = 4 kN (tração) F y= Q y = 0 F z = Q z = 3 kN 3 kN 600mm M x = T = 3 x 0,750 = 2,25 kN.m M y = 3 x 0,600 = 1,80 kN.m M z = 4 x 0,500 = 2,00 kN.m x 300d M = (22 + 1,82) ½ = 2,69 kN.m 350 250 4kN 0,80 kN/m 2 - Traçar os diagramas de esforços solicitantes N, Q e M para o pórtico esquematizado: 3,2kN 2,4 kN C B 5m 4,0 3,2 1 2 2,4 4m C A Ax Ay 10 A - Introdução 4 2,4 3,2 B 5 1 Solução 2 2 C 4 AX Ay 1) Cálculo das Reações: Pelo Σ MA = 0 pode-se escrever: 4x5,5 + 3,2x2 – 2,4 x 4 = Cx8; ) C = 2,35 kN ( Pelo Σ Fx = 0 e Σ Fy = 0, obtem-se: Ax = 2,40 kN ( ) e Ay = 4,85 kN ( ) Força Normal (N) O trecho AB estará comprimido (N=4,85kN), como também o trecho BC (N= 2,40kN). Relembra-se a convenção de sinais para a força N: [+]
tração ; Compressão
[-] -2,4 N (kN) -4,85 +2,35 B x -1,65 -4,85 Força Cortante (Q) Relembra-se a convenção de sinais para a força cortante Q: [+] ; [-] A seção onde se anula o valor de Q é importante (corresponde a um valor extremo de M, já que Q = dM/dx): No trecho CB, tal ocorre em x = 2,9375m. Note que no “joelho” B, a força cortante se converte em normal e vice-versa. Momento Fletor (M) Relembra-se a convenção de sinais para M: Q (kN) +2,4 x 9,60 - + Na seção crítica, onde a força Q é nula: M* = 2,35 x 2,9375 – 0,80 x (2,9375)2/2 M* = 3,45 kN.m 3,45 M KN.m 11 A - Introdução 1.4 – CONCEITO DE TENSÃO. Os esforços locais, em pontos de uma dada seção, serão analisados através de seus valores específicos (por unidade de área) por meio do conceito de tensão. A tensão ( S ) presente em um ponto de uma dada seção de uma barra carregada é o limite da relação entre a força elementar ∆F e a área ∆A no entorno desse ponto, quando ∆A tende a zero: S = Lim (∆F / ∆A) = dF / dA ............................. ( 1.4.1 ) ∆A0 É uma grandeza que tem a mesma dimensão de pressão (como veremos, o estado de tensão denominado “pressão” é uma situação particular do caso geral da tensão), medida em N/m2 (Pascal – Pa), em kgf/cm2, lbf/in2 (psi), dyn/cm2 (bar), etc. Ao decompormos o vetor força elementar dF na direção normal (perpendicular ao plano da seção – dFn) e na direção do plano da seção (dFt), obtemos as duas componentes da tensão: tensão normal ......................... σ = dFn / dA ..............................( 1.4.2) (sigma), que pode ser de tração ou compressão (esmagamento), e tensão tangencial..................... τ = dFt / dA ............................(1.4.3) (táu), também chamada de tensão de cisalhamento ou cisalhante. σ dFn dF S dA dFt Fig. 1.4.1 – Tensão. Tensão Normal. Tensão Tangencial. τ Um fato que, desde o início, deve ser reconhecido é que a tensão que atua em um certo ponto de um certo plano de um corpo carregado depende da orientação do plano selecionado. Num mesmo ponto, porém em um plano diferente, a tensão, em 12 A - Introdução geral, será diferente. Não são apenas as componentes que se modificam com a orientação do plano, mas é o vetor tensão que se altera. Assim é que, por exemplo, no caso simples de uma barra prismática (Fig. 1.4.2), de pequena seção transversal de área A0 e submetida a uma força de tração F pelos topos, fácil será concluir que, em um certo ponto P do plano da seção transversal, atuará uma tensão normal de tração cujo valor será, em média, σ = F/A0, sendo τ = 0. F F Sφ = F / (A0/cos φ) S0 = σ = F/A0 φ φ F (A) A0 (B) Fig. 1.4.2 – Variação da tensão com a orientação do plano da seção. Para uma outra seção, inclinada de um ângulo φ em relação à seção transversal (a direção normal a esta seção formará também um ângulo φ em relação ao eixo da barra), a sua área será maior, valendo Aφ = A0 / cos φ, e como a força total é a mesma (F), a tensão será, em média, Sφ = F / A0 cos φ, e suas componentes valerão: σφ = Sφ cos φ = (F/Α0) cos2 φ, e τφ = Sφ sen φ = (F/Α0) sen φ cos φ Os casos limites em que φ = 0 e φ = 90, nos levam aos valores σ0 = F/A0 e τ0 = 0, bem como, σ90 = 0 e τ90 = 0. Observe o fato relevante de que, apesar de estar a barra simplesmente tracionada, nas seções em que φ = 45º (planos de clivagem), haverá uma tensão tangencial de valor ½ (F/A0) (valor máximo dessa tensão tangencial - metade do valor máximo da tensão normal, ocorrente no plano da seção transversal). Note também que nos planos longitudinais da barra ( φ = 90 ), tanto a tensão normal como a tangencial são nulas. Para identificar o estado de tensão em um ponto de um corpo carregado necessário se torna o conhecimento das tensões ocorrentes em três planos ortogonais que se interceptam no ponto considerado, e que são três vetores, totalizando nove componentes escalares. Uma grandeza deste tipo é designada como um tensor de 2ª ordem 13 F A - Introdução n (a ordem [O] de um tensor é o expoente n da relação [O] = 3 que fornece o número de componentes escalares da grandeza – uma grandeza escalar, como a temperatura, é um tensor de ordem zero, enquanto uma grandeza vetorial, como a força, é um tensor de 1ª ordem). A figura 1.4.3 apresenta um estado de tensão genérico num ponto P de um corpo carregado, definido pelas tensões que atuam em três planos ortogonais que se interceptam no ponto P. y σyy τ* τyx τxy dy P σxx τzy dz τxz dx z σzz x τ* Fig. 1.4.3 – Estado de tensão em um ponto P de um corpo carregado (coloque os índices das duas tensões assinaladas com *, seguindo a convenção exposta no texto a seguir). Utilizou-se uma notação de dupla indexação, na qual o 1º índice informa o plano onde a tensão atua (definido pelo eixo que lhe é perpendicular) e o 2º indica a direção da tensão propriamente dita (por exemplo, τyz é a tensão, tangencial, que atua em um plano perpendicular ao eixo y e é orientada na direção do eixo z). As tensões normais terão sempre índices iguais, por tal convenção, sendo designadas pela letra σ. Quanto aos sinais dessas tensões, adotaremos a seguinte convenção: para uma tensão atuante em uma “face positiva” (aquela cuja normal exterior está orientada no sentido positivo do eixo que lhe é perpendicular), será esta tensão positiva se orientada no sentido positivo do eixo correspondente, e negativa se orientada no sentido oposto; 14 A - Introdução - para uma tensão atuante em uma “face negativa” (aquela cuja normal exterior está orientada no sentido negativo do eixo que lhe é perpendicular), será ela negativa se orientada no sentido positivo do eixo correspondente, e positiva se orientada no sentido oposto. A Figura 1.4.4 a seguir mostra exemplos onde a nomenclatura e os sinais das tensões são indicados. x τ4 τ1 x τ3 y y τ5 τ2 z τ6 z Fig. 1.4.4 – Nomenclatura e sinais das tensões (os eixos x,y,z devem formar triedros diretos). A tensão τ1 é tangencial, atua numa face que tem o eixo x como normal externa (face positiva), é paralela ao eixo y, em seu sentido negativo. Logo, a tensão será designada pelo símbolo τxy e terá sinal negativo; A tensão τ2 é tangencial, atua numa face que tem o eixo z como normal externa (face positiva), é paralela ao eixo x, em seu sentido positivo. Logo, a tensão será designada pelo símbolo τzx e terá sinal positivo; A tensão τ3 é normal, atua numa face que tem o eixo y como perpendicular, porém é uma face negativa; a tensão é paralela ao mesmo eixo y, e em seu sentido negativo. A tensão será nomeada como σy, e terá sinal positivo. Observe que as tensões τij para as quais i=j são tensões normais σ, sendo positivas, se de tração, e negativas, se de compressão, independentemente do sinal das faces, não necessitando ter seus índices repetidos (seria uma redundância). Fica como exercício mostrar que: τ4 = τzy (sinal +); τ5 = τyx (sinal -); τ6 = σx (sinal -). O tensor das tensões [S], com suas 9 componentes escalares, é representado por uma matriz quadrada (3 x 3), sendo a diagonal principal composta pelas tensões normais e os elementos secundários pelas tensões tangenciais. 15 A - Introdução S σx τyx τzx τxy σy τzy τxz τyz σz = .............................................( 1.4.4 ) Convém realçar que, ao se modificar a orientação dos eixos coordenados, as componentes τij sofrerão alterações, porém o estado de tensão no ponto considerado (dependente do carregamento aplicado ao corpo) se mantém invariante. É também importante caracterizar desde logo que a matriz em (1.4.4) é simétrica em relação à diagonal principal, ou seja: τxy = τyx τyz = τzy τzx = τxz .......................................... (1.4.5) A demonstração das equações (1.4.5) pode ser feita analisando-se o equilíbrio de momentos das forças atuantes sobre as faces do paralelepípeto elementar mostrado na Fig. 1.4.3, momentos esses tomados em relação a 3 eixos paralelos aos eixos coordenados, passando pelos pontos médios das faces (equilíbrio de momentos válido, inclusive, para o caso de o elemento estar acelerado, já que o momento de inércia da massa elementar em relação a um seu eixo é nulo – “M = I α”). Assim, para um eixo paralelo ao z, passante pelo ponto médio da face que lhe é perpendicular, de área dx.dy, as únicas forças atuantes nas demais faces e que provocam momentos em relação a tal eixo (as que não o cruzam ou que não lhe são paralelas) serão: τxy (dy.dz) e τyx (dx.dz), que, multiplicadas pelos respectivos braços para tomada de momentos nos permite escrever: τxy (dy.dz). (dx/2) = τyx (dx.dz). (dy/2), ficando demonstrado que τxy = τyx . O mesmo procedimento repetido para os outros dois eixos, na mesma condição, nos levará ao que consta nas equações (1.4.5). Uma conseqüência importante dessa propriedade do tensor das tensões é o fato de que a tensão tangencial no contorno livre de peças carregadas é sempre tangente ao contorno (como mostrado na Fig. 1.4.5) 16 A - Introdução τ=0 Q Esta componente de τ não pode existir Fig. 1.4.5 – Tensões tangenciais nos contornos livres das peças. T Outro fato que será analisado em detalhe mais adiante é que a simetria da matriz (1.4.4) nos indica a possibilidade de, por uma conveniente mudança da orientação dos eixos coordenados (x, y, z), obter-se uma matriz equivalente diagonalizada (τij = 0), obtendo-se na diagonal principal as tensões chamadas principais que descrevem o estado de tensão no ponto considerado. Assim como o conceito de força, a idéia de tensão é puramente abstrata, não podendo essa grandeza ser medida diretamente. Como veremos, as tensões são avaliadas indiretamente, através de seus efeitos, as deformações (caberia a pergunta: é a tensão que provoca a deformação ou o inverso – a deformação – fato físico mensurável, é que provoca a tensão – conceito abstrato) 1.5 – TENSÕES EM PEÇAS SOB CARREGAMENTO CENTRADO. Como aplicações iniciais para o estudo do cálculo de tensões em casos mais simples, trataremos de peças que, por suas condições de simetria geométrica e de carregamento centrado, nos permitem admitir uma distribuição uniforme para as tensões ao longo da área em que atuam (em seções afastadas dos esforços localizados, segundo Saint’Venant). Tal valor, embora possa não representar a distribuição real das tensões nos diversos pontos da área considerada, pelo menos, nos indica um valor médio para tais tensões, dando-nos idéia de sua ordem de grandeza. No caso de tração/compressão ou corte (cisalhamento) puros, calcularemos as tensões simplesmente fazendo: σ = N/A e τ = Q/A 17 .................. (1.5.1) A - Introdução Para exemplificar, veja-se a união de chapas mostrada na Fig. 1.5.1, transmitindo uma força de tração de 72 kN, provocando tração nas chapas, corte no pino e compressão (esmagamento) no corpo do pino e nos furos das chapas. 80 75 150 100 B A 72 kN 72 kN 15 20 36 kN 72 kN 36 kN 15 P d = 25mm TRAÇÃO NA CHAPA CORTE NA CHAPA COMPRESSÃO (ESMAGAMENTO) do furo e do corpo lateral (efeito mancal) CORTE DO PINO Área projetada Fig. 1.5.1 – Cálculo de tensões em peças simétricas sob carregamento centrado. As tensões críticas de tração nas chapas ocorrerão nas seções onde há os furos (menor área) e valerão: 18 A - Introdução σA = (36 x 10 N) / [(100 – 25) x 15 x 10-6 m2] = 32 x 106 N/m2 = 32,0 MPa T 3 σΒΤ = (72 x 103 N) / [(150 – 25) x 20 x 10-6 m2] = 28,8 x 106 N/m2 = 28,8 MPa As tensões críticas de cisalhamento nas chapas (nos planos em que seriam rasgadas tangencialmente) valerão: τΑ = (36 x 103 N) / [(2) x 75 x 15 x 10-6 m2] = 16 x 106 N/m2 = 16,0 MPa τΒ = (72 x 103 N) / [(2) x 80 x 20 x 10-6 m2] = 22,5 x 106 N/m2 = 22,5 MPa A tensão de compressão (esmagamento) nos furos das chapas será calculada dividindo-se o valor da força de compressão por uma área menor do que a área em que os esforços se distribuem, a saber, a área projetada num plano perpendicular à direção da força. O valor assim obtido, demonstra-se, é até ligeiramente superior ao valor máximo atingido pelo valor da tensão variável, ocorrente na aresta mediatriz da área solicitada (tensões de Hertz). Teremos então (a favor da segurança): σAC = (36 x 103 N) / [25 x 15 x 10-6 m2] = 96 x 106 N/m2 = 96,0 MPa (C) σBC = (72 x 103 N) / [25 x 20 x 10-6 m2] = 144 x 106 N/m2 = 144 MPa (C) Para o pino de união das chapas, teremos uma tensão tangencial calculada por: τP = ( 36 x 103 N) / [(π/4) x [25]2 x 10-6 m2] = 73,34 x 106 N/m2 = 73,3 MPa As tensões de compressão (esmagamento) no corpo médio do pino (em contato com a chapa B) e em suas duas extremidades (em contato com as chapas A), valerão, respectivamente 144 e 96 MPa (conforme se pode presumir, calcado no princípio da Ação e Reação – já que as áreas de contato se superpõem). OBSERVAÇÃO: os resultados numéricos devem ser apresentados com 3 (três) algarismos significativos (compatível com a precisão dos dados em geral disponíveis na Engenharia – como por exemplo: g = 9,81 m/s2, γaço = 7,83 tf/m3, etc). 19 A - Introdução 1.6 – DEFORMAÇÕES. Os corpos são constituídos de pequenas partículas ou moléculas entre as quais existem forças de interação. Se forças externas são aplicadas ao corpo, as partículas se deslocam, umas em relação às outras, até que as forças interiores estabeleçam uma nova configuração de equilíbrio. A composição desses deslocamentos microscópicos produz modificações volumétricas e de forma que caracterizam as chamadas deformações do corpo. A Fig. 1.6.1 apresenta como exemplo uma barra prismática onde foi marcada uma extensão de comprimento inicial l0 que, sob a ação de uma força de tração N, sofre uma elongação δl. N l0 δl N l = l0 + δl Fig. 1.6.1 – Deformação axial. Elongação ( δl) A magnitude da deformação axial sofrida por uma barra será avaliada pela chamada deformação específica longitudinal (ε), grandeza adimensional (epsilon) definida como: ε = δl / l0 = ( l − l0 ) / l0 ............................ (1.6.1) (de valor muito pequeno, medida em % ou em micros - µ = 10-6 ), positiva, no caso de tração, e negativa, no caso de compressão. O comprimento final da fibra (tracionada, ou comprimida) será expresso por: l = l0 ( 1 + ε ) 20 .......................................(1.6.2) A - Introdução Verifica-se também que, além da deformação longitudinal, ocorre simultaneamente uma modificação das dimensões transversais da barra, de sinal oposto, sendo a deformação específica transversal (ou lateral) dada por: εt = δa / a0 .....................................................(1.6.3) Para peças em forma de chapas é relevante assinalar a variação de sua área, através da deformação específica superficial dada por: εs = δS / S0 = (S – S0) / S0 S = S0 ( 1 + εs ) e, portanto: .......................................(1.6.4) Da mesma maneira, a variação volumétrica de uma peça será mensurada pela deformação específica volumétrica: εv = δV / V0 = (V – V0) / V0 V = V0 ( 1 + ε v ) e, portanto: ......................................(1.6.5) As modificações de forma associadas aos esforços tangenciais são medidas através da denominada deformação específica de distorção, dada por: εd = δu / c0 = tg γ ∼ γ ...........................................(1.6.6) a0 a l0 S0 σ δu δl τ c0 b0 δa δb γ a0 Fig. 1.6.2– Deformações específicas. É fácil demonstrar, diante da pequena extensão dos valores atingidos pelas deformações dos corpos sólidos solicitados, que: (1.6.7) ..................... εs = ε x + ε y Desprezível em presença de ε ε v = εx + ε y + εz Realmente: S = a x b = a0 (1 + εx) b0 (1 + εy) = a0 b0 ( 1+εx+εy+εx εy) = S0 (1 + εs ). 21 A - Introdução A determinação experimental das deformações e seu relacionamento com as tensões são feitos através de ensaios, sendo os mais importantes os de tração e de compressão, realizados na máquina universal esquematizada na Fig. 1.6.3. 3 1 – cilindro e êmbolo 2 – bomba hidráulica (medidor de vazão) 3 – mesa (chassi) móvel 4 – corpo de prova para tração 5 – corpo de prova para compressão 6 – mesa (chassi) fixa 7 – manômetro (medidor de pressão) 8 – fluido hidráulico 4 5 7 x 2 1 6 x 8 Fig. 1.6.3 – Máquina Universal de Ensaios de Tração e Compressão. O manômetro mede a pressão permitindo avaliar a FORÇA aplicada ao corpo de prova. O medidor de vazão da bomba hidráulica mede o volume de fluido (incompressível) injetado no cilindro, permitindo avaliar o deslocamento do êmbolo, e portanto a DEFORMAÇÃO do corpo de prova. Os chassis (mesas) são suficientemente robustos a fim de que suas deformações sejam desprezíveis. A peça a ser ensaiada (corpo de prova) é padronizada e, dependendo das características do material, obtem-se um gráfico da força normal (N) em função da elongação (δl) conforme apresentado abaixo Força Normal Material Dútil 7 6 5 4 Material Frágil 3 2 Borracha 1 1 2 3 4 5 elongação 6 7 22 δl Fig. 1.6.4 – Gráfico Força x elongação. A - Introdução Quando os valores de N são divididos pela área inicial (A0) da seção reta e as elongações δl pelo comprimento inicial l0 do corpo de prova, obtem-se um gráfico para as tensões normais (σ) em função da deformação específica longitudinal (ε) idêntico ao σ anterior (a menos de um fator de escala). * R (MPa) A análise da curva da Fig. 18 (típica de um material dútil como o aço com baixo teor de Carbono) nos permite assinalar os seguintes pontos notáveis: 350 S 300 250 e E1 E2 R P (P) – limite de proporcionalidade (até onde a tensão é proporcional à deformação) 200 (e) – limite de elasticidade (até este limite, quando descarregado, o corpo de prova re- 150 cupera suas dimensões iniciais); (E1-E2) – limite de escoamento (grandes 100 deformações sem o correspondente aumento da tensão); 50 (S) – limite de resistência – estricção – T (brusca diminuição da área da seção); −4 7 x10 (ε) 1 2 3 4 5 6 (R) - limite de ruptura (fase final do estiramento: o corpo de prova se rompe). Fig. 1.6.5 – Diagrama Tensão x Deformação Se, após ter sido atingido o ponto E2 (Fig. 1.6.5), por exemplo, o corpo de prova for descarregado, o gráfico de carga segue a linha E2 T, apresentando o corpo de prova, ao final, uma deformação residual permanente. As tensões reais atuantes no corpo de prova diferem daquelas mostradas no gráfico, já que a deformação lateral, provocando a estricção, diminui o valor da área da seção transversal, fazendo com que a tensão verdadeira seja sempre crescente (como indicado na linha pontilhada até R*). É a favor da segurança adotar-se como valores das tensões limites aqueles calculados como se a área mantivesse sua extensão original A0 , obtendo-se valores para a tensão ligeiramente menores do que aqueles que realmente estão presentes no material, quando do ensaio realizado. Os materiais para os quais o dia- σ grama tensão-deformação não apresenta claramente todos os pontos citados (como os materiais frágeis), o limite de escoamento é adotado arbitrariamente como aquele que, quando atingido, provoca uma deformação permanente padronizada (0,2%, no caso de metais e ligas metálicas em geral – Fig. 1.6.6). É importante reafirmar que o que se provoca diretamente no ensaio não são as tensões, mas sim as deformações, que são feitas crescentes de forma linear. A relação entre as deformações (ε) 0,2% promovidas e as tensões conseqüentes Fig. 1.6.6 – Limite de “escoamento” (arbitrário) será estabelecida através da propriedade para materiais frágeis. denominada elasticidade dos materiais. 23 A - Introdução 1.7 – ELASTICIDADE A análise dos gráficos que relacionam tensões e deformações nos leva a concluir que, até certo limite (o de proporcionalidade) a tensão σ varia linearmente com a deformação específica ε, nos permitindo escrever a relação: σ=Eε ..........................(1.7.1) (Lei de Hooke da elasticidade) sendo a constante de proporcionalidade E denominada módulo de elasticidade longitudinal (ou módulo de Young) do material. Esta propriedade é uma grandeza com a mesma dimensão de tensão (para o aço, E = 210 x 109 N/m2 = 210 GPa). A elongação δl sofrida por uma barra reta de comprimento inicial l0 e área de seção reta A0, será obtida de 1. 6.7, levando em conta 1.5.1 e 1.6.1, como: δl = N l0 Ε Α0 ................................... (1.7.2) No caso de materiais para os quais a equação 1.6.7 não se aplica (materiais frágeis, fig. -1.6.6) define-se um módulo de elasticidade inicial (E0 = dσ/dε]ε = 0). Observa-se, também experimentalmente, que as deformações transversais (εt) são proporcionais às longitudinais (ε), ou seja: εt = − ν ε ....................................... (1.7.3) relação que define outra propriedade elástica do material, o coeficiente de Poisson ν, (nî - ο sinal negativo caracteriza o fato de que as deformações lateral e longitudinal têm sempre sentidos opostos). O coeficiente de Poisson é uma grandeza adimensional (que para a maioria dos materiais varia entre 0,25 e 0,33, tendo o valor 0,30 para o aço). Supondo um elemento volumétrico submetido a tensões normais nas três direções ortogonais (Fig. 1.6.7) e, levando em conta o princípio da superposição dos efeitos, podemos escrever as equações que exprimem a Lei de Hooke na forma generalizada para materiais isótropos: σy σz σx εx = (1/E) [ σx - ν (σy + σz )] εy = (1/E) [ σy - ν (σz + σx )] ....... (1.7.4) εz = (1/E) [ σz - ν (σx + σy )] σx σz σy Fig. 1.7.1– Lei de Hooke Generalizada 24 A - Introdução A deformação volumétrica εv pode ser obtida, utilizando as equações 1.6.7 e 1.7.4, como: εv = [(1 – 2ν)/E] [σx + σy + σz ]. Designando por σm a tensão média, definida por (1/3) [σx + σy + σz ], obtemos: εv = [3(1 – 2ν)/E] [ σm ], o que nos permite escrever: σm = K εv onde K = E / 3(1 – 2ν) (K – módulo de elasticidade volumétrico) O fato de as propriedades elásticas citadas serem grandezas necessariamente positivas, indica que o coeficiente de Poisson ν é um número compreendido entre 0 e 0,500 (0 para a cortiça – com vazios internos que se fecham, não provocando a deformação transversal e 0,5 para os líquidos – praticamente incompressíveis – volume constante). Observações experimentais através de ensaios por torção, também dão conta da constatação de que as tensões tangenciais (τ) são proporcionais às deformações por distorção (γ), até certos limites, ou seja: τ=Gγ .......................... (1.7.5) sendo G o chamado módulo de elasticidade transversal (ou módulo de rigidez) que, para o caso dos corpos fluidos, tem um valor nulo. A compatibilidade geométrica dos deslocamentos lineares e distorções de um elemento permite estabelecer uma relação entre as propriedades elásticas acima definidas (levando em conta o fato representado na Fig. 1.7.2), a saber: τ45 = σ/2 ....................................(1.7.6) G = E / 2(1 + ν) a(1- νε) tg (45º - γ/2) = (1 − γ/2)/(1 + γ/2 = = (1 − νε) / (1 + ε) ; levando em conta 1.7.1 e 5, além de que τ45 = σ/2 e que são pequenas as deformações. a σ já que 90º - γ σ Fig. 1.7.2 – Relação entre as deformações longitudinal, lateral e a distorção. a a(1+ε) 25 A - Introdução 1.8 – ENERGIA DE DEFORMAÇÃO. Na fase elástica, o trabalho realizado pelas forças externas é armazenado no corpo deformado sob a forma de energia potencial elástica. No caso de uma barra prismática, de comprimento l0, de seção com área A0 , tracionada por uma força crescente, de zero até o valor final N (Fig 1.7.1), o trabalho W de deformação será dado por: δl W= N d(δl). o que pode ser representado pela área abaixo do gráfico N x δl. Desde que não seja ultrapassado o limite de proporcionalidade, pode-se escrever: W = (1/2) N (δl) = (1/2) (N2 l0 / E A0 ) = (1/2) σ ε (A0 l0). σ σ N W=U Resiliência Tenacidade N (δl) ε (δl) ε Fig. 1.8.1 – Energia de deformação . Resiliência. Tenacidade. O trabalho realizado pela força normal será igual à energia potencial armazenada pela peça (U), nos permitindo escrever que, a energia específica (por unidade de volume V = A0l0) será dada por: u = U/V = (1/2) σ ε = (1/2) σ2/ Ε = (1/2) Ε ε2 .........................(1.8.1) grandeza medida em Joules/m3 = N/m2 = Pa. A energia que um corpo armazena, por unidade de volume, quando, a partir do zero, se eleva o valor da tensão até o limite de proporcionalidade, é a chamada resiliência do material. A energia total despendida (por unidade de volume) até o limite de ruptura é a chamada tenacidade do material (representadas pelas áreas hachuradas na figura 1.7.1). Analogamente se mostra que a energia específica armazenada por distroção será dada por: ud = (1/2) τ γ = (1/2) τ2 / G = (1/2) G γ2 ................... (1.8.2) 1.9 - PROPRIEDADES MECÂNICAS DOS MATERIAIS Os materiais comumente utilizados na construção civil ou mecânica podem ser classificados, de maneira genérica, em dois grandes grupos: os materiais dúteis e os materiais frágeis. A propriedade de um material apresentar grandes deformações 26 A - Introdução residuais sem se romper é a chamada dutilidade ou plasticidade. É uma propriedade primordial para as operações de conformação, como a laminação, embutimento, estrusão, usinagem, etc, normalmente presentes nos processos de fabricação de peças metálicas. Os materiais dúteis são flexíveis, macios, com grande capacidade de absorver energia por deformação (tenacidade). A característica oposta à dutilidade é a chamada fragilidade, típica de materiais quebradiços e duros, que sofrem ruptura sem passar por deformações residuais notáveis. A dureza é uma terceira propriedade importante, caracterizada pela capacidade de o material se opor à penetração mecânica de outros corpos. A seguir é apresentada uma Tabela que indica valores médios de certas propriedades mecânicas de alguns materiais utilizados na construção de estruturas e máquinas. Esses valores variam largamente em função da composição química (teor de elementos de liga), de tratamentos térmicos (aços), temperaturas elevadas (tubos de caldeiras), do tempo (concreto), etc., e devem ser tomados aqui apenas como indicativos de sua ordem de grandeza, para efeito de aplicações em problemas. ρ E G ε α Tensão Limite Escoamento Tensão Limite Ruptura Módulo Massa Módulo Elong. Coef. σ σ τ σ σ τ Específ. Elast.Long. El.Transv. (Tração) Compres Cisalh. (Tração) Compres Cisalh. Percent Dil.Tér. (ton/m3) (GPa) (GPa) (%) (10-6C-1 (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) Aço Estrutural 7,87 200 76 250 250 150 450 450 270 28 11,7 Aço 1020 (temp) 7,87 210 80 230 230 138 620 620 370 22 11,7 Aço 1040(lamn) 7,87 210 80 360 360 215 580 580 350 29 11,7 AçoInox (recoz) 7,92 190 78 510 510 305 1300 1300 780 12 11,7 Ferro Fundido 7,37 165 69 210 800 4 12,1 Alumínio trab. 2,77 70 28 300 300 215 410 410 240 20 23,6 Latão 8,75 105 39 100 100 60 270 270 130 50 17,6 Bronze 8,86 100 45 140 140 85 340 340 200 50 16,9 Concreto 2,41 24 25 10 Vidro 2,50 75 27 5 10 950 Madeira(Pinho) 0,55 13 51 7,6 Carvalho 0,69 12 48 13 Polietileno 0,91 3 48 90 55 Materiais Tabela I – Propriedades Mecânicas de alguns materiais comuns 1.10 – TENSÕES ADMISSÍVEIS. COEFICIENTE DE SEGURANÇA. As tensões de trabalho nos elementos de uma estrutura ou máquina devem ser mantidos suficientemente afastados dos valores limites do material, a fim de se obter certa márgem de segurança para compensar as simplificações feitas nos esquemas de cálculo, na incerteza nos valores dos carregamentos admitidos e nas propriedades mecânicas dos materiais utilizados, e ainda visando à salvaguarda contra danos materiais e pessoais oriundos de uma ruína. É recomendável ainda que a construção não apresente sinais que lancem suspeita sobre sua segurança (deformações exageradas compromentem a confiabilidade) mas apresente sinais visíveis de advertência de estados perigosos, sem que qualquer desses sinais seja evidente sob a ação das cargas de projeto. As tensões que serão consideradas como limites são específicas para cada caso. Por exemplo: aço para molas (a tensão limite é a de proporcionalidade); aço estrutural (a tensão limite é a de escoamento); ferro fundido (a tensão limite é a de ruptura). 27 A - Introdução A tensão máxima de trabalho que se vai admitir estar presente num elemento carregado é a chamada tensão admissível, dada por: Sadm = Slim / C.S. ....................(1.10.1) onde S é a tensão (seja normal σ ou tangencial τ) e C.S. é o chamado coeficiente de segurança, parâmetro adimensional que é introduzido no projeto, baseado na experiência do projetista e em normas técnicas reguladoras. A avaliação do valor do coeficiente de segurança C.S. pode ser norteada pela interação de três fatores cumulativos, através da expressão: C.S = k1 . k2 . k3 ............................................(1.10.2) O fator k1 está relacionado com o controle (confiabilidade) quando às propriedades dos materiais utilizados e quanto à eficácia (precisão) dos modelos de cálculo simplificado assumidos e dos critérios de resistência adotados (minoração da resistência dos materiais adotados). O fator k2 é selecionado em função da natureza e do controle do carregamento admitido (majoração das cargas previstas). O fator k3 é estimado em função da gravidade dos danos, pessoais e materiais, advindos de uma possível ruína (minoração de riscos). A Tabela II a seguir apresenta a ordem de grandeza de valores para os fatores k, algumas vezes utilizados no projeto de estruturas e máquinas. Controle C á l c u l o s Materiais K1 B R M B 1,0 2,0 3,0 R 1,5 2,5 3,5 M 2,0 3,0 4,0 Cargas a p l i c a ç ã o Controle K2 B R M Estática 1,0 1,5 2,0 Cíclica 1,5 2,0 2,5 Dinâmica (choque) 2,0 2,5 3,0 G.D. Materiais p e K3 PG G MG s PG 1,5 1,8 2,0 s o G 2,0 2,5 3,0 a i s MG 2,5 3,0 4,0 Tabela II – Fatores contribuintes para a estimativa do Coeficiente de Segurança. B – Bom ; R – Regular; M – Mau; G.D. – Gravidade dos Danos; PG – Pouco Grave; G – Grave; MG – Muito Grave. Na construção de elementos de máquinas (materiais metálicos) o coeficiente de segurança utilizado varia, em geral, entre 1,5 e 2,0 (na construção aeronáutica o C.S. chega a ser próximo de 1,0, já que as peças são testadas, uma a uma, antes da montagem, enquanto que para um cabo de elevador residencial seu valor pode chegar a 7,0). Na construção mecânica, se verá mais adiante, o fenômeno da fadiga é de especial relevância. Estruturas de madeira ou em concreto, normalmente, são projetadas com coeficiente de segurança entre 2 e 4, enquanto para construção em pedra, esse coeficiente pode atingir valor entre 4 e 6. As normas técnicas (NBR) apresentam os critérios para o estabelecimento de tais coeficientes. As Sociedades Classificadoras da construção naval estabelecem os critérios em função do seguro para o casco e para as máquinas dos navios mercantes. 28