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resistencia dos materiais
Tipologia: Notas de estudo
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Engenharia Mecânica Resistência dos Materiais I
Estudar a flexão em barras é estudar o efeito dos momentos fletores nestas barras.
O estudo da flexão que se inicia, será dividido, para fim de entendimento, em duas partes:
Antes de iniciar o estudo propriamente dito das tensões desenvolvidas na flexão é necessário recordar:
d F
P Plano do Momento
Linha de ação da Força
Figura 1 – Força F; ponto P e o plano do momento.
Para o ponto P da figura 1, a intensidade do momento (M) da força F é igual a:
M =F× d
e seu sentido é anti-horário.
Lembre-se aqui que; a distância entre um ponto e uma linha é sempre tomada na direção perpendicular a esta linha.
Plano do Momento
P M
Figura 2 – Momento M no ponto P e o plano do momento.
Figura 3 – Momento fletor em uma barra.
Uma observação importante é lembrar que os esforços solicitantes são sempre calculados em relação ao
Eixo da barra
Engenharia Mecânica Resistência dos Materiais I centro de gravidade da seção estudada.
O estudo das tensões na flexão se inicia pela classificação da flexão. A flexão é classificada de acordo com dois critérios:
Com este critério a flexão pode ser: 1.1. Flexão Normal Quando o plano do momento contém um dos eixos centrais de inércia da seção. Na figura 4, o par de eixos centrais de inércia é constituído pelos eixos y e z. Nesta figura, o plano do momento contém o eixo y.
Figura 4– Flexão Normal.
1.2. Flexão Oblíqua Quando nenhum dos eixos centrais de inércia da seção está contidos no plano do momento. Na figura 5, o plano do momento está inclinado em relação ao par de eixos centrais de inércia da seção.
Figura 5 – Flexão Oblíqua.
Com este critério a flexão pode ser: 2.1. Flexão Pura Quando o momento fletor é o único esforço solicitante que atua na seção.
2.2. Flexão Simples Quando, além do momento fletor, atua uma força cortante na seção.
2.3. Flexão Composta Quando, além do momento fletor, atua uma força normal na seção.
Note-se que estes critérios são complementares. Assim, é possível existir uma flexão pura normal , uma flexão simples oblíqua , etc.
Tensões Normais na Flexão Pura Normal
Seja uma seção transversal, de área A, de uma barra em equilíbrio, onde é conhecido o par de eixos central de inércia (y;z),
Engenharia Mecânica Resistência dos Materiais I
Figura 10 – Deslocamento dos pontos de uma seção transversal.
Note-se que as deformações que ocorrem nos pontos são
deformações longitudinais (ε). Este tipo de deformação está associada à
presença de uma tensão normal (σ).
Dentro do regime elástico, as deformações destes pontos são proporcionais às tensões que neles atuam. Assim, é possível concluir que as tensões normais que atuam nos pontos da seção são proporcionais às distâncias entre os pontos e o eixo y.
M σ
−σ
Figura 11 – Distribuição de tensões ao longo de uma linha paralela ao eixo z,
Como a tensão é proporcional à distância entre o ponto que ela atua e o eixo y, a variação desta tensão é
linear com esta distância e pode ser escrita como:
σ =a ×z+ b (1)
onde a e b são constantes.
Para determinar a tensão normal que atua em cada ponto da seção, se deve lembrar que:
=∫ ( σ× ) A
M z dA (2)
= ∫ σ× A
N dA (3)
Lembrando que não existe força normal aplicada na seção o resultado da expressão (3) deve ser nulo. Assim, se tem:
N dA 0 A
= (^) ∫σ× =
A
∫ × +^ =
A A
∫ ×^ +∫ ×^ =
A A
× (^) ∫ + ×∫ = (4)
Na expressão (4), a integral
∫^ (^ ) A
z dA é igual ao momento estático
da área da seção em relação ao eixo y. Como o eixo y contém o centro de gravidade da seção, este momento estático é igual a zero. Assim, é possível escrever:
a × 0 +b×A= 0
Engenharia Mecânica Resistência dos Materiais I b × A= 0 (5)
Na expressão (5), a área A não pode ser igual a zero então, a constante b deve ser igual a zero.
Desta forma, a expressão (1) pode ser escrita da forma apresentada na expressão (7).
σ =a × z (7)
Quando a expressão (7) é substituída na expressão (3), se encontra:
=∫ ( × × ) A
M a z z dA
=∫ ( × ) A
M a z^2 dA
= ×∫ ( ) A
M a z^2 dA (8)
Na expressão (8), a integral
∫^ (^ ) A
z 2 dA é igual ao momento de
inércia da seção em relação ao eixo y (Iy). Assim, é possível escrever:
M =a×Ι y
y
a Ι
Substituindo a expressão (9) na expressão (7), se obtém:
z
y
σ = (10)
A expressão (10) mostra que a tensão em cada ponto depende do momento fletor que atua na seção, do momento de inércia da seção em
relação ao eixo “em torno do qual a seção gira” e da distância entre o ponto considerado e este eixo.
Note-se, também, que neste tipo de flexão a tensão será nula quando a distância entre o ponto considerado e o eixo, “em torno do qual a seção gira”, for igual a zero. Isto é, para os pontos da seção que se encontram sobre este eixo.
À linha formada pelos pontos onde a tensão normal é nula, se dá o nome de Linha Neutra.
A linha neutra “divide” a seção em duas partes: uma parte onde os pontos são tracionados e outra, onde os pontos são comprimidos. Isto pode ser observado pela figura 11.
A figura 12 mostra, mostra para a seção da figura 9 a parte tracionada, a parte comprimida e a linha neutra.
Figura 10 – Linha Neutra; Parte tracionada e parte comprimida de uma seção em uma flexão normal pura.
Lembre-se que, no caso do momento “girar a seção” em torno do eixo z, a tensão em cada ponto da seção pode ser determinada por:
Engenharia Mecânica Resistência dos Materiais I Observa-se, ainda na figura 14, que no lado comprimido existe uma linha de pontos mais afastada da linha neutra. Nestes pontos irá ocorrer a tensão de compressão mais negativa.
A esta tensão se dá o nome de Tensão Extrema de Compressão da
Deve-se lembrar que em uma barra podem existir momentos fletores diferentes em seções diferentes. Assim, é possível dizer que a Tensão Extrema de Tração de uma barra é a maior tensão de tração encontrada dentre as extremas de tração das seções desta barra.
Da mesma forma, a Tensão Extrema de Compressão de uma barra é a tensão de compressão mais negativa, encontrada dentre as extremas de compressão das seções desta barra.
O dimensionamento de uma barra submetida à flexão, com relação à intensidade do esforço aplicado, é feito limitando-se as tensões extremas aos valores das tensões admissíveis do material; isto é:
Na flexão composta, além do momento fletor, existe a presença de uma força normal. Isto pode ser observado na figura 15.
Sabendo-se que a força desenvolve em cada ponto da seção uma tensão normal:
σ = (14)
é possível concluir que a tensão normal resultante existente em uma flexão composta é o resultado da soma vetorial entre a tensão normal desenvolvida pelo momento e a tensão normal desenvolvida pela força.
Figura 15 – Esforços na flexão normal composta.
Assim, para os esforços apresentados na figura 15, a tensão resultante em cada ponto fica:
z
y
y × ⊕ Ι
σ = (15)
No caso do momento “girar a seção” em torno do eixo z; a tensão
Engenharia Mecânica Resistência dos Materiais I resultante em cada ponto na flexão composta fica:
y
z
z (^) × ⊕ Ι
σ = (16)
0 A
z
y
y × ⊕ = Ι
σ=
z
y
y (^) × =− Ι
y
y A M
z ×
Figura 16 – Posição da linha neutra na flexão normal composta.
z
z A M
y ×
Como visto anteriormente, o dimensionamento à flexão normal, é feito limitando-se os valores das tensões extremas aos valores das tensões admissíveis.
As tensões extremas são localizadas em pontos característicos da seção transversal. Por exemplo, na seção da figura 17, quando o momento “gira” a seção em torno do eixo y, as tensões extremas irão ocorrer, sempre, nos pontos A e B.
Engenharia Mecânica Resistência dos Materiais I um único módulo de resistência em relação a este eixo.
Para a construção de estruturas metálicas, é muito comum a utilização de barras de aço carbono obtidas por laminação. A estas barras se dá o nome de perfis laminados.
O nome do perfil, normalmente, traduz a forma da seção transversal. Os perfis mais comuns são:
Perfil I
Perfil C
Perfil T
Cantoneira de abas desiguais
Cantoneira de abas iguais
A parede vertical da seção destes perfis é chamada de alma do perfil. A parede horizontal é chamada de mesa do perfil. No caso das cantoneiras, cada parede da seção é chamada de aba.
Estes perfis são normalmente designados pelo comprimento da alma e pela massa por metro linear de comprimento do perfil.
Para cada um destes perfis, existe uma família de seções que são fabricadas de acordo com padrões já estabelecidos. Encontra-se dois tipos de padrão: o padrão americano e o padrão europeu.
A diferença básica entre estes padrões é que no perfil europeu existe apenas uma espessura para cada comprimento de alma; já no padrão americano, existem algumas espessuras de alma para cada comprimento.
Em cada um dos padrões são encontradas tabelas que fornecem as características da seção transversal dos perfis.
Pelo visto, para uma determinada solicitação, se deve selecionar o perfil que melhor se
Engenharia Mecânica Resistência dos Materiais I adapte às condições de dimensionamento. Esta seleção é feita por meio do módulo de resistência à flexão do perfil. As tabelas do anexo a este texto (a partir da página 13) fornecem as propriedades de seções para alguns tipos de perfil com padrão americano.
Vale observar que são encontrados perfis dobrados, que da mesma forma que os perfis laminados, também, possuem padronização.
Como foi definida, a flexão oblíqua é aquela onde o momento fletor “gira a seção”, em torno de uma linha que não é um dos eixos centrais de inércia ou uma linha paralela a eles.
A figura 19 mostra uma flexão oblíqua de uma seção transversal qualquer.
Figura 19 – Seção transversal sujeita a uma flexão oblíqua.
Note-se, na figura 19 que entre o plano do momento e o eixo z , existe uma inclinação com um ângulo α.
Lembrando que o momento é uma quantidade vetorial, ele pode ser determinado por suas componentes, em dois planos perpendiculares entre si, como mostra a figura 20.
Figura 20 – Componentes do momento fletor em uma flexão oblíqua.
Estas componentes “giram” a seção em torno dos eixos centrais de inércia (y;z). Assim sendo, é possível encarar a flexão oblíqua como a superposição entre duas flexões normais.
A tensão normal resultante em cada ponto, então, pode ser obtida pela soma algébrica entre as tensões normais, desenvolvidas neste ponto, pelas componentes do momento fletor M; ou seja:
y
Msen z
Mcos y z
α × ⊕ Ι
α σ = (25)
Lembrando que:
M cosα =M y, M senα=Mz podemos escrever:
Prof. José Carlos Morilla
Cantoneiras - Abas iguais
Bitola
h (cm)
Peso (kg/m)
Área (cm²)
to (cm)
Jx=Jy (cm^4 )
Wx=Wy (cm³)
ix=iy (cm)
iz. mim (cm)
Xg (cm) 1/2 x 1/8 1,270 0,55 0,70 0,317 0,10 0,11 0,37 0,25 0, 5/8 x 1/8 1,588 0,71 0,90 0,317 0,20 0,19 0,47 0,32 0, 3/4 x 1/8 1,905 0,87 1,11 0,317 0,36 0,27 0,57 0,38 0, 7/8 x 1/8 2,220 1,04 1,32 0,317 0,58 0,38 0,66 0,46 0, 1 x 1/8 2,540 1,19 1,48 0,317 0,83 0,49 0,79 0,48 0, 1 x 3/16 2,540 1,73 2,19 0,476 1,25 0,66 0,76 0,48 0, 1 x 1/4 2,540 2,22 2,84 0,635 1,66 0,98 0,76 0,48 0, 1.1/4 x 1/8 3,175 1,50 1,93 0,317 1,67 0,82 0,97 0,64 0, 1.1/4 x 3/16 3,175 2,20 2,77 0,476 2,50 1,15 0,97 0,61 0, 1.1/4 x 1/4 3,175 2,86 3,62 0,635 3,33 1,47 0,94 0,61 1, 1.1/2 x 1/8 3,810 1,83 2,32 0,317 3,33 1,15 1,17 0,76 1, 1.1/2 x 3/16 3,810 2,68 3,42 0,476 4,58 1,64 1,17 0,74 1, 1.1/2 x 1/4 3,810 3,48 4,45 0,635 5,83 2,13 1,15 0,74 1, 1.3/4 x 1/8 4,445 2,14 2,71 0,317 5,41 1,64 1,40 0,89 1, 1.3/4 x 3/16 4,445 3,15 4,00 0,476 7,50 2,30 1,37 0,89 1, 1.3/4 x 1/4 4,445 4,12 5,22 0,635 9,57 3,13 1,35 0,86 1, 2 x 1/8 5,080 2,46 3,10 0,317 7,91 2,13 1,60 1,02 1, 2 x 3/16 5,080 3,63 4,58 0,476 11,70 3,13 1,58 1,02 1, 2 x 1/4 5,080 4,74 6,06 0,635 14,60 4,10 1,55 0,99 1, 2 x 5/16 5,080 5,83 7,42 0,794 17,50 4,91 1,53 0,99 1, 2 x 3/8 5,080 6,99 8,76 0,952 20,00 5,73 1,50 0,99 1, 2.1/2 x 3/16 6,350 4,57 5,80 0,476 23,00 4,91 1,98 1,24 1, 2.1/2 x 1/4 6,350 6,10 7,67 0,635 29,00 6,40 1,96 1,24 1, 2.1/2 x 5/16 6,350 7,44 9,48 0,794 35,00 7,87 1,93 1,24 1, 2.1/2 x 3/8 6,350 8,78 11,16 0,952 41,00 9,35 1,91 1,22 1, 3 x 3/16 7,620 5,52 7,03 0,476 40,00 7,21 2,39 1,50 2, 3 x 1/4 7,620 7,29 9,29 0,635 50,00 9,50 2,36 1,50 2, 3 x 5/16 7,620 9,07 11,48 0,794 62,00 11,60 2,34 1,50 2, 3 x 3/8 7,620 10,71 13,61 0,952 75,00 13,60 2,31 1,47 2, 3 x 1/2 7,620 14,00 17,74 1,270 91,00 18,00 2,29 1,47 2, 3.1/2 x 1/4 8,890 8,56 10,90 0,635 83,70 13,00 2,77 1,76 2, 3.1/2 x 5/16 8,890 10,59 13,50 0,794 102,00 16,00 2,75 1,75 2, 3.1/2 x 3/8 8,890 12,58 16,00 0,952 121,00 19,20 2,75 1,75 2, 4 x 1/4 10,160 9,81 12,51 0,635 125,00 16,40 3,17 2,00 2, 4 x 5/16 10,160 12,19 15,48 0,794 154,00 21,30 3,15 2,00 2, 4 x 3/8 10,160 14,57 18,45 0,952 183,00 24,60 3,12 2,00 2, 4 x 7/16 10,160 16,80 21,35 1,111 208,00 29,50 3,12 1,98 2, 4 x 1/2 10,160 19,03 24,19 1,270 233,00 32,80 3,10 1,98 3, 5 x 5/16 12,700 15,31 19,50 0,794 308,00 33,40 3,97 2,53 3, 5 x 3/8 12,700 18,30 23,29 0,952 362,00 39,50 3,94 2,51 3, 5 x 1/2 12,700 24,10 30,64 1,270 470,00 52,50 3,91 2,49 3, 5 x 5/8 12,700 29,80 37,80 1,588 566,00 64,00 3,86 2,46 3,
Dimensões c Peso Área Ix Iy Wx Wy ix iy (^) minix Xg Yg
Prof. José Carlos Morilla PERFIS I ESPESSURA EIXO X - X EIXO Y - Y
- 89 14,3 7,29 929 749.000 325.000 12.300 6.700 28,4 18,9 13,7 15,5 28, pol mm mm kg/m mm² mm^4 mm^4 mm^3 mm^3 mm mm mm mm mm