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Aula 7 Forças e Tensões

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Aula 7 Forças e Tensões
Formulário
𝜎=
𝑁
𝐴
𝜎 = 𝐸𝜖
𝛿= Σ
𝜎𝑎 =
𝜈=−
𝑁𝐿
𝐴𝐸
𝑃
𝜖𝑙𝑎𝑡
𝜖𝑙𝑜𝑛𝑔
𝐹. 𝑆. =
𝑉
𝐴
𝐹. 𝑆. =
𝐹𝑎𝑑𝑚
𝜏 = 𝐺𝛾
𝜋 = 3,1416
𝜖𝑙𝑜𝑛𝑔 =
𝐹𝑟𝑢𝑝
𝐴 = 𝑡𝑑
𝐴
𝜏𝑚é𝑑 =
𝐴 = 𝜋𝑟 2
𝐴 = 𝐵𝐻
𝐹𝑥 = 𝐹𝑐𝑜𝑠𝛼
𝐺=
𝛿
𝐿
𝜎𝑟𝑢𝑝
𝜎𝑎𝑑𝑚
𝜖𝑙𝑎𝑡 =
𝛿´
𝑟
𝐹. 𝑆. =
𝐹𝑦 = 𝐹𝑠𝑒𝑛𝛼
𝜏𝑟𝑢𝑝
𝜏𝑎𝑑𝑚
2
𝐹 = √(𝐹𝑥 )2 + (𝐹𝑦 )
𝐸
2(1+ 𝜈)
1
Na fabricação de produtos de aço, a solda é o mais generalizado processo de ligação de peças.
Consiste em aquecer as partes e depois depositar uma liga metálica fundida entre elas (eletrodo).
Usa-se para isso o maçarico elétrico. Existem dois tipos principais de depósito e solda:
Solda de topo (ou penetração).
Dimensionamento. Considere a seção resistente como 𝑎 × 𝑒 . A tensão a considerar é de tração
ou compressão.
2
Solda lateral (ou de filete)
Dimensionamento. Considere a seção resistente como 𝑐 × 𝑏. A tensão a considerar é de
cisalhamento.
3
Exercício 8
Duas chapas de 203 mm de largura e 13 mm de espessura são soldadas de topo, como se
mostra na figura. Determinar o máximo valor de P. Tensões admissíveis nas soldas:
cisalhamento = 79 MPa, tração = 91 MPa, compressão = 126 MPa
Solução
𝜎=
𝑁
𝐴
𝐴 = 𝐵𝐻
𝜎𝑎𝑑𝑚 =
𝑃
𝐵𝐻
𝑃 = (𝜎𝑎𝑑𝑚 )(𝐵𝐻)
𝑃 = (91 × 106 𝑁⁄ 2 ) (0,203 𝑚 × 0,013𝑚) = 240 × 103 𝑁 = 240 𝑘𝑁
𝑚
4
Exercício 9
Duas chapas de aço são soldadas, por intermédio de cordões laterais de solda, como indica na
figura. As chapas têm 1,27 cm de espessura e o comprimento dos cordões é de 18 cm. A tensão
de ruptura ao cisalhamento na solda é 110,6 MPa. Considere fator de segurança 1,4. Determine a
força admissível F.
5
Solução
A prática mostra que o cisalhamento acontece a 45o com as superfícies das chapas (c).
𝑐
𝑠𝑒𝑛 45° =
𝑎
𝑐 = 𝑎 𝑠𝑒𝑛 45° = (1,27 𝑐𝑚) 𝑠𝑒𝑛 45° = 0,90 𝑐𝑚
A área resistente em cada cordão de solda é: (0,18 𝑚)(0,0090 𝑚) = 1,62 × 10−3 𝑚2
Área total resistente = 2(1,62 × 10−3 𝑚2 ) = 3,24 × 10−3 𝑚2
𝐹. 𝑆. =
𝜏𝑟𝑢𝑝
𝜏𝑎𝑑𝑚
𝜏𝑚é𝑑 =
𝑉
𝐴
𝜏𝑎𝑑𝑚 =
𝜏𝑎𝑑𝑚 =
𝜏𝑟𝑢𝑝
𝐹.𝑆.
=
110,6 𝑀𝑃𝑎
1,4
= 79 MPa
𝐹
Á𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑡𝑒
𝐹
⁄𝑚2 =
3,24×10−3 𝑚2
6𝑁
79 × 10
𝐹 = (79 × 106 𝑁⁄ 2 ) (3,24 × 10−3 𝑚2 ) = 255960 𝑁 = 255,96 × 103 𝑁 = 255.96 𝑘𝑁
𝑚
6
PP1.6 (pág. 31). A junta em V transmite a força de 5 kN de uma barra para a outra. Determine as
componentes resultantes da força normal e da força de cisalhamento na face da solda, seção AB.
7
Solução
Σ 𝐹ℎ = 0
𝐹𝑥 = 𝐹𝑐𝑜𝑠𝛼
−5+𝐹 =0
𝐹 = 5 𝑘𝑁
𝐹𝑦 = 𝐹𝑠𝑒𝑛𝛼
N = 𝐹𝑐𝑜𝑠𝛼 = 5 cos 30° = 4,33 𝑘𝑁
V = 𝐹𝑠𝑒𝑛𝛼 = 5 sen 30° = 2,50 𝑘𝑁
8
Exercício 10. Um bloco retangular é feito de material que tem módulo de elasticidade de
cisalhamento = 600 MPa. O bloco é colado a duas placas horizontais rígidas, como mostra a figura.
A placa inferior é fixa e a placa superior é submetida à força P = 96 kN. Determine:
a) o ângulo de distorção.
b) quanto se move a placa superior sob a ação da força.
Solução
a)
𝜏 = 𝐺𝛾
𝜏𝑚é𝑑 =
𝑃
𝐴
=
𝜏𝑚é𝑑 =
𝑉
𝐴
96×103 𝑁
(0,160𝑚)(0,050𝑚 )
𝐴 = 𝐵𝐻
= 12 × 106 𝑁⁄ 2
𝑚
9
𝜏 = 𝐺𝛾
b)
𝛾=
𝜏
𝐺
=
12×106 𝑁⁄ 2
𝑚
600×106 𝑁⁄ 2
𝑚
= 0,02 rad
a placa superior se move = (0,02)(40mm) = 0,8 mm
10
Exercício 11. A tensão de cisalhamento, numa peça de aço é de 100 MPa. Sendo o módulo de
elasticidade transversal = 84 GPa, determine o ângulo de distorção.
Solução
Módulo de elasticidade transversal = módulo de elasticidade de cisalhamento = módulo de rigidez
𝜏 = 𝐺𝛾
𝛾=
𝜏
𝐺
=
100×106 𝑁⁄ 2
𝑚
84×109 𝑁⁄ 2
𝑚
= 0,00119 rad
11
PF1.19 (pág 46). Se o parafuso de olhal é feito de um material com limite de resistência de 𝜎𝑒 =
250 𝑀𝑃𝑎, determine o diâmetro d mínimo necessário da sua haste. Aplique um fator de segurança
= 1,5 no escoamento.
Solução
𝜎=
𝑁
𝐴 = 𝜋𝑟 2
𝐴
𝜎𝑎𝑑𝑚 =
𝜎𝑟𝑢𝑝
𝐹.𝑆.
=
𝜎𝑟𝑢𝑝
𝜎𝑎𝑑𝑚
𝜎𝑟𝑢𝑝= 𝜎𝑒
= 166,67 𝑀𝑃𝑎
30×103 𝑁
⁄𝑚2 =
3,1416𝑟 2
6𝑁
166,67 × 10
250 𝑀𝑃𝑎
1,5
𝐹. 𝑆. =
𝜋 = 3,1416
30×103
𝑟 =
3,1416(166,67×106 )
2
12
𝑟
30×103
=√
3,1416(166,67×106 )
= 0,00757 𝑚 = 7,57 𝑚𝑚
diâmetro = 2𝑟 = 2(7,57 mm) = 15,14 mm
diâmetro = 16 mm
13
Exercício 12.
Determine a tensão de apoio (ou esmagamento) entre a arruela e a peça vertical da figura do
exercício PF1.19. Considere o diâmetro interno da arruela = 18 mm e o diâmetro externo = 36
mm.
Solução
𝜎𝑎 =
𝑃
𝐴
𝐴 = 𝜋𝑟 2
𝜋 = 3,1416
𝐴 = [3,1416(0,018𝑚)2 − 3,1416(0,009𝑚)2 ] = 7,634 × 10−4 𝑚2
𝜎𝑎 =
𝑃
𝐴
30×103 𝑁
= 7,634×10−4𝑚2 = 39,30 × 106 𝑁⁄𝑚2 = 39,30 𝑀𝑃𝑎
14
15
Exercício 13. Em um teste de tração, uma barra de 20 mm de diâmetro, feita de um plástico que
acaba de ser desenvolvido, é submetida a uma força P de intensidade 6 kN. Sabendo-se que um
alongamento de 14 mm e um decréscimo de 0,85 mm no diâmetro são observados, em um trecho
central de 150 mm de comprimento, determinar: o módulo de elasticidade longitudinal, o módulo de
elasticidade de cisalhamento (módulo de elasticidade transversal) e o coeficiente de Poisson do
material.
16
𝜖𝑙𝑎𝑡 =
𝜎=
𝑁
𝐴
𝜎
𝐸=
𝜖
𝐺=
𝛿´
𝜈=−
𝑟
=
=
𝜖𝑙𝑎𝑡 =
𝜎=
𝜎 = 𝐸𝜖
Solução:
𝛿´
𝑟
𝜖𝑙𝑎𝑡
19,10×106 𝑁⁄ 2
𝑚
0,0933
− 0,85 𝑚𝑚
20 𝑚𝑚
𝐸
2(1+ 𝜈)
=
𝐴 = 𝜋𝑟 2
𝐺=
𝜖𝑙𝑜𝑛𝑔
6×103 𝑁
3,1416(0,010𝑚)2
=
𝑁
𝐴
𝜖𝑙𝑜𝑛𝑔 =
𝜋 = 3,1416
𝛿
𝐿
𝐸
2(1+ 𝜈)
𝛿
= 19,10 × 106 𝑁⁄𝑚2 𝜖𝑙𝑜𝑛𝑔 = 𝐿 =
14 𝑚𝑚
150𝑚𝑚
= 0,0933
= 205 × 106 𝑁⁄𝑚2 = 205 𝑀𝑃𝑎
= − 0,0425
205×106 𝑁⁄ 2
𝑚
2(1+0,455)
𝜈=−
𝜖𝑙𝑎𝑡
𝜖𝑙𝑜𝑛𝑔
=−
− 0,0425
0,0933
= 0,455
= 70,4 × 106 𝑁⁄𝑚2 = 70,4 𝑀𝑃𝑎
17
- Exercícios para estudar e praticar:
PF 1,8 (pág. 31); PF 1,11 (pág. 32); P 1.32 (pág. 32); P 1.45 (pág. 34); PF 1.22 (pág. 46) e PF
1.18 (pág. 46).
18
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