Disciplina: Resistência dos Materiais Unidade V - Flexão Professor: Marcelino Vieira Lopes, Me.Eng. http://profmarcelino.webnode.com/blog/
Referência Bibliográfica Hibbeler, R. C. Resistência de materiais. 5.ed. São Paulo: Pearson, 2006. Provenza, F. ; Souza, H. R. Resistência dos Materiais. São Paulo: Pro-tec, 1986. Provenza, F. Projetista de Máquinas. São Paulo: Pro-tec, 1986. Callister, Willian D. Jr. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 5.ed. Rio de Janeiro: LTC, 2002. 2
UNIDADE 5 FLEXÃO 3
Flexão Vigas e eixos são elementos estruturais e mecânicos importantes na engenharia. Nos próximos slides determinaremos os esforços provocados por flexão nesses elementos. Inicialmente serão vistos diagrama de força cortante e momento fletor para uma viga ou eixo. Uma vez determinado o momento interno em uma seção, podemos calcular o esforço de flexão e fazer assim o dimensionamento da viga ou do eixo. 4
Tipos de carregamentos 5
Diagrama de força cortante e momento fletor Normalmente uma viga ( ou eixo) não está submetida a apenas um tipo de esforço, como mostrado na figura abaixo: F1 A F2 A a F3 B F5 a F4 Como consequência, a seção aa, por exemplo, está submetidas as forças de tração, forças cisalhantes e momentos 6
Diagrama de força cortante e momento fletor Força cortante: a seção aa, por exemplo, está submetida a uma força cortante V, cujo sinal positivo é convencionado abaixo: A A a B Corte a-a: a A A V B A Análise do lado esquerdo, V para baixo V Análise do lado esquerdo, V para cima 7
Diagrama de força cortante e momento fletor Momento Fletor: a seção aa, por exemplo, está submetida a um momento fletor M, cujo sinal positivo é convencionado abaixo: A A a B a Corte a-a: A A A B M M Análise do lado esquerdo, M: Anti-horário Análise do lado esquerdo, M: horário 8
Diagrama de força cortante e momento fletor Exemplo 1. Faça o diagrama de forças cortantes e momento fletor da viga mostrada abaixo. 10N A B a C D b E 5N a 1,0m 1,0m 1,0m 1,0m 10N b 5N 9
Diagrama de força cortante e momento fletor Exemplo 1. Seção AA 10N 5N A A B a a C 1,0m 1,0m 1,0m 1,0m 10N B a N D b b E 5N Entre A e C: SFx=0 N=0 SFy=0 V-5=0 V=5N SM=0 M-5*1=0 M=5Nm ou M=5*x [Nm] 5N a 1,0m V M 10
Diagrama de força cortante e momento fletor Exemplo 1. Seção bb 10N 5N A A B a a C D b b 1,0m 1,0m 1,0m 1,0m 10N D b E N 5N Entre C e E: SFx=0 N=0 SFy=0 V-5+10=0 V=-5N SM=0 M-5*3+10*1=0 M=5Nm ou M=5*x 10*(x-2) [Nm] 5N 1,0m 1,0m 1,0m b V M 11
Diagrama de força cortante e momento fletor Exemplo 1. Diagramas 10N a b 5N V 5N a 1,0m 1,0m 1,0m 1,0m b 5N -5N M 10Nm 5Nm 12
Diagrama de força cortante e momento fletor Exemplo 2. Faça o diagrama de forças cortantes e momento fletor da viga mostrada abaixo. 13
Diagrama de força cortante e momento fletor Exemplo 2. Cálculo das reações M 0 M 0 /L M 0 /L SM=0 M-M 0 =0 M=M 0 Considerando as reações como um binário: M=Fxd M=F*L F=M/L ou F=M 0 /L 14
Diagrama de força cortante e momento fletor Exemplo 2. Entre A e B Entre A e B: SFy=0 V+M 0 /L=0 V=-M 0 /L SM=0 M + (M 0 /L)*x =0 M=-(M 0 /L)*x 15
Diagrama de força cortante e momento fletor Exemplo 2. Entre B e C Entre B e C: SFy=0 V+M 0 /L=0 V=-M 0 /L SM=0 M + (M 0 /L)*x M 0 =0 M=M 0 (1 - x/l) 16
Diagrama de força cortante e momento fletor Exemplo 2. Diagrama L/2 L/2 M 0 M 0 /L M 0 /L V -M 0 /L M M 0 /2 17 -M 0 /2
Diagrama de força cortante e momento fletor Exemplo 3. Faça o diagrama de forças cortantes e momento fletor da viga mostrada abaixo. 18
Diagrama de força cortante e momento fletor Exemplo 3. Cálculo das reações. R A R B SFy=0 RA + RB = w*l RA=RB RA=RB=w*L/2 19
Diagrama de força cortante e momento fletor Exemplo 3. R A =W*L/2 R B Força cortante N dv / dx = -w dv = -w. dx a M dv = - w. dx x V V = -w.x + C necessário incluir R A V = R A w.x V = wl/2 wx 20 V = w (L/2 x)
Diagrama de força cortante e momento fletor Exemplo 3. Momento dm / dx = V dm = V. dx R A =W*L/2 R B dm = V dx M = (R A w.x)dx N M = R A.dx - w.x.dx x a V M M =R A.x w.x 2 /2 M=wLx/2-wx 2 /2 M=w/2 * (xl x 2 ) 21
Diagrama de força cortante e momento fletor Exemplo 3. Diagramas V = w (L/2 x) M=w/2 * (xl x 2 ) V wl/2 M 10Nm wl 2 /8 -wl/2 22
Método Gráfico: Diagrama de força cortante e momento fletor 23
Método Gráfico: Diagrama de força cortante e momento fletor 24
Deformação por flexão de um elemento reto A seção transversal de uma viga reta permanece plana quando a viga se deforma por flexão. Isso provoca uma tensão de tração de um lado da viga e uma tensão de compressão do outro lado. 25
Deformação por flexão de um elemento reto 26
Deformação por flexão de um elemento reto A deformação longitudinal varia linearmente de zero no eixo neutro a um valor máximo no ponto mais afastado deste. A lei de Hooke se aplica quando o material e homogêneo. O eixo neutro passa pelo centroide da área da seção transversal. 27
Deformação por flexão de um elemento reto e um elemento reto 28
A fórmula da flexão s = E. e 29
A fórmula da flexão I σ = tensão normal M = momento interno I = momento de inércia y = distância perpendicular do eixo neutro c=distância perpendicular do eixo neutro a um ponto mais afastado do eixo neutro onde a tensão máxima 30
Momento de Inércia (I) 31
Exercício 1) Um elemento com as dimensões mostradas na figura devera ser usado para resistir a um momento fletor interno M=2kNm. Determine a tensão máxima no elemento (13,9MPa) 32
Exercício 2) A peça de mármore, que podemos considerar como um material linear elástico frágil, tem peso específico de 150lb/ft 3 (2402,8 kg/m 3 ) e espessura de 0,75in. Calcule a tensão de flexão máxima na peça se ela estiver apoiada (a) em seu lado e (b) em suas bordas. Se a tensão de ruptura for σ rup =200psi, explique as consequências de apoiar a peça em cada uma das posições. 1 ft (pé) = 0,3048 m 1 in (polegada) = 0,0254 m 1,00 lb (libra) = 0,4536 kg 1 psi = 6894,757 Pa SI: m, kg, N, Pa 33
Exercício 3) A viga simplesmente apoiada tem a área de seção transversal mostrada na figura abaixo. Determine a tensão de flexa o máxima absoluta na viga e represente a distribuição de tensa o na sec a o transversal nessa localizac a o. 34
Exercício 3) A viga simplesmente apoiada tem a área de seção transversal mostrada na figura abaixo. Determine a tensão de flexa o máxima absoluta na viga e represente a distribuição de tensa o na sec a o transversal nessa localizac a o. 35
Flexão Assimétrica Quando flexão ocorre em torno de um eixo arbitrário, que não os eixos de inércia principais ao longo do eixo de simetria da seção; Obtemos as componentes do momento, a tensão será dada pela superposição das tensões das componentes; Pela regra da mão direita; Notando que o eixo neutro (N) tem Inclinação α, e o M tem inclinação θ; 36
Vigas Compostas Vigas com dois materiais sa o comumente chamadas de vigas compostas e sa o projetadas de forma a desenvolver maneiras mais eficientes para resistir a s cargas aplicadas. Como a fórmula da flexão em vigas foi desenvolvida para o caso de materiais homogêneos, esta fórmula não pode ser aplicada diretamente para determinar as tensões de flexão em vigas compostas por diferentes materiais. Para estudar estes casos de viga, considere uma viga composta de dois diferentes materiais. 37
Vigas Compostas 38
Vigas Compostas <EI> = Integral da rigidez equivalente 39
Vigas Compostas Exemplo: A viga composta abaixo e sujeita a um momento fletor de M = 2 kn.m. Determine pelo me todo da rigidez equivalente as tensões nos pontos B e C se Eac o = 200 GPa e Emad = 12 GPa. 40
Vigas Compostas Exemplo: A viga composta abaixo e sujeita a um momento fletor de M = 2 kn.m. Determine pelo me todo da rigidez equivalente as tensões nos pontos B e C se Eac o = 200 GPa e Emad = 12 GPa. Matemática - Série Concursos Públicos Curso Prático & Objetivo c - Determinar as tensões: Ponto C: C E aço M EI y c 200.10 3.2000.10 3 1,87.10 ( 36,38) 12 C = 7,78 N/mm 2 = 7,78 Mpa Ponto B: B E mad B = -1,71 Mpa M EI y B 12.10 3.2000.10 3 (150 20 1,87.10 12 36,38) 41 Exemplo 6.8: Se o momento máximo no ski abaixo é 77,78 N.m, determine tensões de flexão no aço e na madeira se a seção transversal do ski é com
Vigas de concreto armado Todas as vigas submetidas a flexão pura devem resistir aos esforços de tração e compressão. O concreto, entretanto é muito suscetível a fraturas quando está sob tensão e, portanto, por si só não seria adequado para resistir a um momento fletor. A fim de contornar essa deficiência, os engenheiros colocam barras de aço, conforme abaixo: 42
Vigas Curvas Em uma viga maciça curva, de raio menor que 5 vezes a largura, a deformação normal não varia linearmente com a largura. (Tensão e deformação normal serão hiperbólicos) Como consequência o eixo neutro não passa pelo centroide. 43
Vigas Curvas A localização R do eixo neutro é dada por: Existem valores tabelados para algumas geometrias: 44
Vigas Curvas Observando um elemento no segmento superior, Vemos que este está sujeito à um tensão circunferencial σ equilibrada por componente tensão radial σ r (σ r é desprezível). A tensão normal circunferencial é então expressada por uma das duas fórmulas hiperbólicas abaixo: 45
Vigas Curvas A tensão normal circunferencial é então expressada por uma das duas fórmulas hiperbólicas abaixo: 46
Concentrações de Tensão Transformações bruscas na seção transversal de uma viga, fazem com que as tensões não sejam uniformemente distribuídas, conforme tem-se considerado até este ponto da matéria. Como consequência, tem-se pontos da viga com tensões muito superiores às tensões médias, a isto é dado o nome de concentrações de tensões: 47
Concentrações de Tensão Exemplos de descontinuidades na seção de uma viga que causa concentrações de tensões: A tensão máxima pode ser determinada utilizando-se um fator k tabelado: 48
Concentrações de Tensão: Fator K 49
Concentrações de Tensão A tensão normal de flexão admissível para a barra, mostrada abaixo, é 175 MPa. Determinar o momento máximo M que pode ser aplicado. 1. Determinar K 2. Determinar c, (direto c = 10/2 = 5mm) 3. Calcular I = bh 3 /12 4. M=s*I / (K.c) 50
Concentrações de Tensão A tensão normal de flexão admissível para a barra, mostrada abaixo, é 175 MPa. Determinar o momento máximo M que pode ser aplicado. K r/h = 1,5/10=0,15 w/h = 30/10 = 3 K =1,6 I = b.h 3 /12 I = 0,005*0,010 3 /12 I= 4,1667x10-10 m 4 M=s*I / (K.c) M = 175*10 6 *4,1667x10-10 / (1,6*0,005) M = 9,11N.m 51