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Notas de Aulas
EST-10
MECÂNICA DOS SÓLIDOS
Adriano L. de Carvalho Neto
Div. de Eng. Aeronáutica (IEA)
Dept. de Estruturas (IEAE)
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA
ITA-2013
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 i
AVALIAÇÃO A avaliação do aluno será feita da seguinte maneira:
Duas provas bimestrais:
1ª. Prova: 09/09/14 (7ª. Semana) 2ª. Prova: 11/11/14 (7ª. Semana)
Exame final
Séries de exercícios:
Serão distribuídas periodicamente;
Os exercícios apresentam as respostas para a verificação do aluno;
Não serão recolhidas para atribuição de notas;
O professor estará à disposição dos alunos para tirar dúvidas a respeito dos
exercícios (sala #2430 – Aeronáutica)
As provas e o Exame Final poderão ter uma ou duas questões iguais ou
semelhantes às das séries.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 ii
APRESENTAÇÃO
O objetivo destas notas de aulas é o de auxiliar o aluno nos seus estudos ao longo do
curso EST-10 (Mecânica dos Sólidos).
Elas foram elaboradas a partir de leituras e estudos feitos em diversas
referências bibliográficas. As mais consultadas são relacionas a seguir:
• Allen, D. H.; Haisler, W. E., Introduction to Aerospace Structural Analysis, John
Wiley & Sons, NY, 1985
• Arantes e Oliveira, E. R., Elementos da Teoria da Elasticidade, IST Press,
Lisboa, 1999
• Beer, F. P.; Johnston, E. R., Resistência dos Materiais, 3ª edição, 1995
• Bisplinghoff, R. L.; Mar, J. W.; Pian, T. H., Statics of Deformable Solids, Dover
Publications, NY, 1990
• Crandall, S.H.; Dahl, N.C.; Lardner, T.J., An Introduction to the Mechanics of
Solids,McGraw-Hill, NY, 2a. Edição, 1972
• Donaldson, B. K., Analysis of Aircraft Structures – An Introduction, McGraw-Hill
Inc., NY, 1993
• Fung, Y. C., A First Course in Continuum Mechanics, Prentice-Hall Inc.,
Englewood Cliffs, NJ., 1a edição, 1969
• Gere, J.M.; Goodno, B.J., Mechanics of Materials, Cengage-Engineering, 2008,
7a. Edição
• Hibbeler, R. C., Resistência dos Materiais, Pearson Education do Brasil, SP, 5ª
edição, 2006
• Lucena Neto, E., Fundamentos de Elasticidade e Plasticidade, Notas de Aulas do
curso IG-209, ITA, 2006
• Malvern, L. E., Introduction to the Mechanics of a Continuous Medium, Prentice-
Hall, Inc., Upper Saddle River, NJ, 1969
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 iii
• Popov, E. P., Introdução à Mecânica dos Sólidos, Editora Edgard Blücher Ltda.,
SP, 1996
• Stippes, M.; Wempner, G.; Stern, M.; Beckett, R., An Introduction to the
Mechanics of Deformable Bodies, Charles E. Merril Books Inc., Columbus, 1961
• Timoshenko, S. P.; Gere, J. E., Mecânica dos Sólidos, LTC-Livros Técnicos e
Científicos Editora, RJ, 1994
• Villaça, S.F.; Garcia, L. F. T., Introdução à Teoria da Elasticidade, COPPE/UFRJ,
3ª edição, 1998
• Wempner, G., Mechanics of Solids, PWS Publishing Company, Boston, MA, 1995
Dentre as diversas referências acima destacamos o livro de Gerald Wempner,
Mecanics of Solids, pela sua forte influência na elaboração dessas notas, através
da suas ilustrações, descrições e, principalmente, na ordem de apresentação dos
tópicos.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 1.1
1
INTRODUÇÃO
Uma estrutura pode ser definida como um conjunto de corpos (elementos estruturais)
dispostos de modo a poderem resistir e transmitir cargas. Por cargas entendem-se
forças, momentos, variação de temperatura, etc. Uma ponte; uma torre de transmissão;
as sapatas, colunas, vigas e lajes de um edifício; as asas e a fuselagem de um avião,
são alguns exemplos de estruturas.
Espera-se que ao projetar uma estrutura ou máquina, o engenheiro tenha
condição de predizer o seu comportamento em serviço, antes mesmo de construí-la,
evitando-se assim uma possível falha. Diz-se que uma estrutura falha quando ela não
pode mais servir ao propósito para o qual foi projetada. O entendimento do
comportamento mecânico é essencial para o projeto seguro de todos os tipos de
estruturas.
O conhecimento necessário para se analisar uma estrutura e conhecer a sua
resposta para as cargas esperadas em serviço é fundamentado na Mecânica dos
Sólidos.
1.1 O QUE É A MECÂNICA DOS SÓLIDOS
Mecânica é a ciência que estuda o movimento dos corpos sob a ação de forças.
Quando consideramos desprezível a modificação da forma e tamanho de um corpo sob
a ação de forças, denominamos este estudo de Mecânica do Corpo Rígido. Esta é uma
idealização, porque na natureza os corpos são deformáveis, ou seja, sob ação de
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
1.2
forças as posições relativas das partículas que constituem o corpo se alteram e este se
deforma.
Um corpo deformável pode ser sólido ou fluído. O termo “fluído” é usado para
identificar o corpo incapaz de suportar tensões de cisalhamento quando em repouso.
Mecânica dos Sólidos é o ramo da Mecânica que estuda o comportamento dos
corpos sólidos sujeitos aos diversos tipos de carregamentos.
De um modo geral o objetivo da Mecânica dos Sólidos é estabelecer os
conceitos fundamentais de tensão e deformação produzidas por carregamento atuando
sobre sólidos e utilizá-los na verificação da resistência e/ou rigidez de uma estrutura
constituída por esses corpos.
Neste curso consideramos os sólidos em equilíbrio com relação a um referencial,
isto é, eles estão em repouso ou em movimento não acelerado. Então, as resultantes
das forças e momentos que atuam sobre esses sólidos são nulas.
1.2 NOTAS HISTÓRICAS
O primeiro trabalho registrado sobre o comportamento de sólidos sob ação de cargas
aplicadas é atribuído a Leonardo da Vinci (1452-1519). Ele registrou experiências feitas
com arames de ferro sujeitos a cargas aplicadas através de sacos de areia presos a
suas extremidades.
Mas as tentativas em investigar e explicar a ruptura de um sólido podem ser
atribuídas a Galileu (1564-1642). No seu livro Duas Novas Ciências (1638) ele escreve
dois diálogos sobre a resistência dos materiais. Ele discute sobre o ensaio de barras
carregadas axialmente e sobre a resistência teórica e experimental de vigas em
balanço (uma extremidade engastada e a outra livre). Na verdade, Galileu não
considerou a deformação, isto é, as mudanças na geometria, que invariavelmente
acompanham o carregamento.
Em 1678, o cientista inglês Robert Hooke (1635-1703) publicou a sua
descoberta, hoje conhecida como Lei de Hooke, sobre a proporcionalidade entre a força
e o deslocamento de uma mola. Esta relação linear entre força e deslocamento foi o
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
1.3
primeiro desenvolvimento importante na teoria da elasticidade linear. Thomas Young
(1773-1829) estabeleceu esta relação de proporcionalidade entre tensão e deformação.
Notáveis como Jacob Bernoulli (1654-1705), seu irmão John (1667-1748), o filho
de John, Daniel (1700-1782), Leonard Euler (1707-1783) estiveram sempre ligados a
estudos que contribuíram para o desenvolvimento da Mecânica dos Sólidos.
Ainda no século XVIII os estudos sobre os sólidos eram dirigidos a formas
específicas, como barras e vigas. Como esses estudos eram baseados em aplicações
da mecânica, os cientistas envolvidos o denominaram de resistência dos materiais.
Mas, próximo do início do século XIX o interesse começou a mudar para corpos
de forma arbitrária qualquer. As mais importantes contribuições nesse campo foram
dadas por cientistas franceses. Podemos citar alguns, como Navier (1785-1836),
Cauchy (1789-1857) e Saint-Venant (1797-1886). Definições, como tensão e
deformação são desta época.
Não poderíamos deixar de mencionar a grande contribuição de Timoshenko
(1878-1972) com a publicação de inúmeros e importantes textos sobre a mecânica dos
sólidos. Esses textos, publicados em inglês, foram responsáveis pelo ensino e
divulgação do assunto nas escolas de engenharia dos Estados Unidos. Essa influência
se fez sentir também nas escolas de engenharia do nosso país. Seus textos têm sido
usados por estudantes de engenharia no mundo todo.
1.3 ASPECTOS FUNDAMENTAIS
Nesta seção apresentamos em detalhe a solução de um problema estrutural simples,
com o objetivo de ressaltar os aspectos fundamentais que caracterizam a solução de
um problema na Mecânica dos Sólidos.
Seja a treliça plana mostrada na figura 1.1, onde cada elemento é considerado
ligado nas extremidades por pinos ideais, ou seja, sem atrito. Uma carga estática W é
aplicada no ponto A como indicado. Deseja-se obter as forças internas atuantes em
cada elemento da estrutura para que numa análise posterior, a qual não será
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
1.4
apresentada nesta seção, possamos avaliar se alguma barra irá falhar com a aplicação
da carga W.
Figura 1.1 Treliça plana.
O primeiro passo para a solução do problema é escrever as relações entre a
força W aplicada e as forças internas atuantes em cada barra. Essas relações são
descritas pelas equações de equilíbrio da parte da estrutura que contém o ponto A
(extremidade comum das três barras). Esta parte da treliça está em equilíbrio porque o
sistema como um todo está em equilíbrio.
Assim, a partir do diagrama de corpo-livre do ponto A, podemos escrever as
equações de equilíbrio. Pela 3ª Lei de Newton (Princípio da ação e reação) a força que
o pino na extremidade A exerce sobre cada barra é igual e oposta à força que cada
barra exerce sobre o pino. Então o diagrama de corpo livre do pino A é obtido
desenhando-se o pino e aplicando-se sobre ele todas as forças atuantes. Como as
barras são articuladas nas extremidades com pinos ideais (sem atrito), sobre elas
atuam duas forças iguais, opostas e alinhadas com o eixo das barras.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
1.5
Figura 1.2 Diagrama de corpo livre do pino no ponto A.
Equilíbrio do ponto A:
0xF ==> cos 0C BF F
0yF ==> 0D BF F sen W . (1.1)
Como, na maioria dos problemas estruturais os materiais empregados são tais
que as mudanças na configuração do sistema em questão são suficientemente
pequenas, quando comparadas com as dimensões da estrutura, podemos então
escrever as equações de equilíbrio com base na configuração não deformada. Assim,
da geometria inicial, o ângulo Θ é igual a 45o (Fig. 1.3):
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
1.6
Figura 1.3 Geometria inicial (indeformada).
tan 1BC L
LAC ==> 45o .
Substituindo-se nas equações (1.1)
20
2C BF F
2
02D BF F W . (1.2)
As equações de equilíbrio agora são lineares. O primeiro aspecto fundamental
observado é que essas duas equações são necessárias, mas não são suficientes para
a solução do problema. O número (3) de incógnitas (FB, FC, FD) é maior do que o
número de equações (2).
O segundo aspecto fundamental é que, agora, precisamos considerar a
deformação da estrutura a fim de obtermos uma solução significativa. Sob ação da
força W aplicada, o ponto A deve se deslocar para o ponto A*, como mostra a fig. 1.4. O
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
1.7
deslocamento está desenhado de modo exagerado com o propósito de facilitar a sua
visualização. Na realidade esse deslocamento é muito pequeno.
Figura 1.4 Componentes do deslocamento do ponto A.
As componentes u e v descrevem o deslocamento do ponto A (configuração
indeformada) para o ponto A* (configuração deformada).
Definimos o alongamento de cada barra como sendo a diferença entre o
comprimento deformado e o comprimento indeformado. Obter o alongamento de cada
barra em termos das componentes (u,v) do deslocamento do ponto A é um exercício
puramente geométrico. Portanto, o alongamento de cada barra é escrito como a seguir:
*Be BA BA
*Ce CA CA
*De DA DA .
A partir da fig. 1.4 escrevemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
1.8
2 2
2 22 1 1 2B
v ue L v L u L L L
L L
2 2
22 1C
v ue v L u L L L
L L
2 2
2 2 1D
v ue L v u L L L
L L
. (1.3)
Deste modo obtivemos mais três equações, mas aumentamos também o número de
incógnitas. As novas incógnitas são eB, eC , eD, u e v.
Na verdade a solução do problema requer ainda uma outra consideração
essencial: o comportamento resistivo do material de cada barra deve ser introduzido.
Realmente, é intuitivo que dependendo do material a deformação de cada barra será
maior ou menor, para uma mesma carga aplicada. Por exemplo, se as barras fossem
de borracha o deslocamento do ponto A para o ponto A* seria muito maior do que
aquele se cada barra fosse de aço, para uma mesma carga aplicada.
Este é o terceiro aspecto fundamental na solução de um problema na Mecânica
dos Sólidos. Como os materiais geralmente empregados na engenharia têm seus
alongamentos proporcionais às cargas aplicadas (por exemplo, aço e alumínio se
comportam assim até certo nível de carga), podemos escrever
B B BF K e
C C CF K e
D D DF K e . (1.4)
onde as constantes KB, KC, e KD dependem das propriedades do material e das
dimensões de cada barra. Isto será considerado com mais detalhes no momento
oportuno ao longo deste curso.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
1.9
Então, agora temos oito equações (1.2 - 1.4) e oito incógnitas (FB, FC, FD, eB, eC,
eD, u,v), ou seja, um problema determinado, mas de difícil solução por causa da não
linearidade das relações entre deslocamentos e deformação, equações (1.3).
Pelo mesmo motivo que nos permitiu escrever as equações de equilíbrio na
forma linear, ou seja, as mudanças na configuração do sistema em questão são
suficientemente pequenas, quando comparadas com as dimensões da estrutura,
podemos considerar
1u
L 1
v
L .
Conseqüentemente, os termos 2u
L , 2v
L e u vL L poderão ser desprezados em
comparação com uL , v
L e com a unidade. Esta hipótese é satisfeita na maioria
dos problemas reais de estruturas. Introduzindo-se essas aproximações as equações
(1.3) se escrevem
2 2
1 2 1 2 2B
v v u ue L L
L L L L
2 2 2v u
L LL L
2 2
1 2C
v u ue L L
L L L
1 2u
L LL
2 2
1 2D
v v ue L L
L L L
1 2v
L LL
. (1.5)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
1.10
Aplicando-se a expansão em série binomial
1 2 2 3 31 11 1 2
2! 3!
n n n n na b a na b n n a b n n n a b
aos radicais das equações (1.5) e desprezando-se os termos 2u
L , 2v
L e
u vL L podemos escrever
1 1
2 212 2 2 2 2
2
u v u v
L L L L
(1.6)
onde 2a , 2 u vb L L e 12n ;
1 1
2 211 2 1 1 2
2
u u
L L
(1.7)
onde 1a , 2 ub L e 12n ;
1 1
2 21
1 2 1 1 22
v v
L L
(1.8)
onde 1a , 2 vb L e 12n .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
1.11
Substituindo-se (1.6)-(1.8) nas equações (1.5) escrevemos
1 22 2
22B
u ve L L u v
L L
1C
ue L L u
L
1D
ve L L v
L
. (1.9)
Então, agora as equações que governam o nosso problema são lineares.
Substituindo-se as equações (1.9) nas equações (1.4), obtemos
2
2B BF K u v
C CF K u
D DF K v . (1.10)
Substituindo-se as equações (1.10) nas equações de equilíbrio (1.2) escrevemos
2 2 1 10 0
2 2 2 2C B C B BK u K u v K K u K v
2 2 1 10
2 2 2 2D B B D BK v K u v W K u K K v W
. (1.11)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
1.12
Das equações (1.11) observamos que os deslocamentos são proporcionais à
carga W aplicada, o que é uma conseqüência das aproximações definidas:
equações de equilíbrio escritas na configuração indeformada;
linearização das equações que relacionam as deformações com os
deslocamentos;
relação linear entre a forças internas e as deformações das barras.
Conclusões:
O exemplo estudado nos mostra os aspectos fundamentais de todo problema
na Mecânica dos Sólidos:
1. as forças internas e externas são relacionadas pelas equações de equilíbrio
(Estática);
2. as deformações são relacionadas com os deslocamentos através de equações
obtidas a partir de considerações puramente geométricas (Cinemática da
deformação);
3. as deformações são relacionadas com as forças internas através de propriedade
resistiva do material (Relações Constitutivas).
Esses três aspectos fundamentais são distintos, mas cada um participa na solução do
problema. Eles podem ser descritos de uma maneira geral como a seguir.
Dinâmica
Quando forças externas são aplicadas a um sólido elas criam forças internas. O
conjunto de forças (externas e internas) é governado pelas Leis de Newton do
movimento. Tais considerações envolvem apenas forças, massas e aceleração. Este
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
1.13
aspecto de uma solução constitui a dinâmica (ou estática, quando o corpo está em
repouso).
Cinemática da deformação
Um sólido quando sujeito à ação de forças pode exibir algumas mudanças em
forma e tamanho, por exemplo, estiramento, torção ou flexão. Uma mudança na forma
ou tamanho de um corpo é denominada de deformação. Qualquer estudo de
deformação é um exercício de geometria e qualquer descrição quantitativa da
deformação requer somente termos geométricos. Este aspecto geométrico é
denominado de cinemática da deformação.
Relações Constitutivas
Quando os sólidos são sujeitos a forças eles resistem à deformação de modos
diferentes, os quais dependem de vários fatores. Tamanho e forma são certamente
importantes, mas certos atributos físicos do material também devem ser considerados.
Por exemplo, uma barra de aço e uma barra de borracha de mesma geometria
respondem diferentemente sob ação de uma mesma carga. Aquelas propriedades que
caracterizam somente o material, independentemente da geometria, descrevem o
comportamento resistivo. As equações que descrevem este comportamento do material
são denominadas de relações constitutivas.
Portanto, podemos dizer, a partir dos aspectos que caracterizam a análise de um
sólido, que em resumo as equações fundamentais da Mecânica dos Sólidos são as
seguintes:
equações de equilíbrio;
relações deformação-deslocamento;
equações constitutivas.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
1.14
1.4 MÉTODOS COMPUTACIONAIS
As equações (1.11) do exemplo anterior formam um sistema de equações algébricas
lineares que podem ser escritas na forma matricial
1 102 2
1 1
2 2
c B B
B D B
K K Ku
v WK K K
. (1.12)
A equação matricial (1.12) representa um sistema de equações algébricas
lineares com duas equações e duas incógnitas (u,v). Dados os valores das constantes
K’s que representam o comportamento resistivo do material e o valor da força W,
podemos resolver o sistema e obter os deslocamentos u e v. Então esses
deslocamentos podem ser substituídos nas equações (1.9) e assim obtemos as
deformações eB, eC e eD cada barra. Substituindo-se os valores das deformações nas
equações (1.10) obtemos as cargas internas FB, FC e FD.
Podemos sistematizar todas as etapas descritas acima usando um programa de
computador. Evidentemente, para estruturas mais complexas o sistema a ser resolvido
tem muito mais equações. Daí a vantagem de se empregar um método computacional.
O método computacional para a análise de estruturas mais empregado é o
Método dos Elementos Finitos. Seu desenvolvimento remonta ao início de 1950 e
coincide com o advento dos computadores. Neste método, modelam-se os sólidos que
constituem uma estrutura complexa, por meio de elementos discretos de tamanhos
finitos e obtem-se um sistema de equações algébricas do tipo (1.12).
Atualmente o método dos elementos finitos está bem estabelecido e existem
diversos grandes programas de computador baseados nele que permitem a análise de
virtualmente qualquer estrutura. Um dos programas mais empregados na análise de
estruturas é o NASTRAN (Nasa Structural Analysis).
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
1.15
Devemos ter sempre em mente que os Métodos Computacionais são recursos
extremamente úteis na análise de estruturas, mas que são totalmente fundamentados
nos conhecimentos desenvolvidos na Mecânica dos Sólidos. Portanto, para um uso
eficiente desses métodos, ou seja, a preparação dos dados de entrada e a correta
análise dos resultados, o analista deve conhecer os fundamentos em que se baseiam.
REFERÊNCIAS
1. Allen, D. H.; Haisler, W. E., Introduction to Aerospace Structural Analysis, John
Wiley & Sons, NY, 1985
2. Wempner, G., Mechanics of Solids, PWS Publishing Company, Boston, MA,
1995.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 2.1
2
TENSÕES
Neste capítulo trataremos das equações de equilíbrio, mencionadas no item 1.3 como
sendo o primeiro aspecto fundamental na análise de problemas da Mecânica dos
Sólidos. Concentraremos nos casos onde os sólidos estão em repouso ou em
movimento não acelerado, de maneira que omitiremos as forças de inércia. Repouso
significa que o corpo tem velocidade nula e constante e movimento não acelerado
significa que o corpo tem velocidade não nula constante em módulo e direção.
Os conceitos de força, momento (binário ou conjugado), diagrama de corpo livre
e equações de equilíbrio já são conhecidos dos cursos de Mecânica da Partícula e do
Corpo Rígido.
Ao se escrever as equações de equilíbrio das partes do sólido, estabelecemos
relações entre as forças externas e as forças internas desenvolvidas para manter as
partes unidas. Como as deformações nos pontos internos estão relacionadas com as
forças internas, o estudo dessas forças merece especial atenção.
A intensidade e a natureza das forças internas que atuam em pontos do corpo
em planos fictícios com uma dada direção são descritas pelo conceito de tensão. O
conceito de vetor tensão e o de estado de tensão num ponto são essenciais para a
análise de corpos deformáveis.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.2
2.1 FORÇAS EXTERNAS
São forças cuja origem é um agente externo ao corpo sobre o qual ela é aplicada. As
forças externas são classificadas em dois tipos:
a) Forças de Corpo
São forças exercidas por um corpo sobre outro sem o contato físico entre eles. Elas são
os resultados de uma ação à distância. A atração gravitacional e as forças
eletromagnéticas são exemplos de forças de corpo. Elas podem ser dadas em unidade
de força por unidade de volume ou por unidade de massa, daí serem também
chamadas de forças de volume ou forças de massa.
Elas são forças externas porque sua origem é um agente externo, mas elas
atuam sobre cada partícula que constitui o corpo. O peso de um corpo é uma força
deste tipo e é representada normalmente pela sua resultante aplicada no centro de
gravidade (CG) do corpo. A figura 2.1 ilustra a representação da força peso aplicada
num corpo.
Figura 2.1 (a) Força peso aplicada no CG do cilindro de altura L; (b) Força peso aplicada no CG do cilindro de altura L/2.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.3
b) Forças de Superfície
São forças exercidas por um corpo sobre outro através do contato físico entre eles. São
denominadas também de forças de contato. Como elas atuam nas regiões do corpo
que estão em contato direto com o corpo que exerce a força, ou seja, elas são
distribuídas sobre partes da superfície do corpo, então elas são denominadas de forças
de superfície. Elas são dadas em unidade de força por unidade de área.
Em muitos casos essas forças são distribuídas sobre uma região cuja área é
muito pequena em relação às outras dimensões do corpo, então elas podem ser
idealizadas como uma força atuando num ponto da superfície do corpo. Nestes casos
elas são denominadas forças concentradas. Essa idealização é representada por uma
flecha sobre o ponto de aplicação. Elas são dadas em unidade de força.
Se uma força de superfície é distribuída numa região muito estreita em relação
às outra dimensões do corpo, então elas podem ser idealizadas como uma força linear
distribuída. Elas são dadas em unidade de força por unidade de comprimento. A figura
2.2 ilustra os tipos de forças descritos.
Figura 2.2 Forças de corpo e de superfície
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.4
A figura 2.3 mostra alguns exemplos de força linear distribuída. As suas
resultantes são dadas pela área sob a curva de distribuição da carga e ela atua sobre o
corpo e passam pelo centróide C desta área (centro geométrico da área). Veja o
Apêndice A.
Figura 2.3 Exemplos de forças lineares distribuídas. (a) constante; (b) variando ao
longo da linha.
Devemos ter sempre em mente que forças concentradas e forças lineares
distribuídas não existem na realidade. Elas são apenas idealizações convenientes para
a análise e solução de um determinado problema.
Reações de Apoio
São forças de superfícies que se desenvolvem nos apoios ou suportes dos sólidos. São
também denominadas de forças de vínculo ou forças de suporte. Este tipo de força se
desenvolve a fim de impedir o movimento de translação e/ou rotação do sólido numa
dada direção. Para impedir a rotação, o suporte reage com forças distribuídas de modo
a gerar um binário. Portanto, para se saber a direção da reação do apoio, verifica-se
por meio de simples inspeção, em que direção ele impede o movimento do corpo. Uma
vez definida a direção da reação, o seu sentido é confirmado pelo sinal obtido no
cálculo. Se o valor obtido tiver sinal (+) significa que o sentido escolhido é o correto,
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.5
mas se o sinal for (-) significa que a reação tem na realidade sentido oposto ao
escolhido.
Em geral, qualquer força e/ou momento externo aplicado a um corpo é chamada
de carga, mas quando essas forças e/ou momentos são desenvolvidos pelos suportes
elas são denominadas de reações.
A Tabela 2.1 apresenta os tipos de suportes mais comuns encontrados nos
problemas de Mecânica dos Sólidos e as suas respectivas reações.
Tabela 2.1: Tipos de suportes mais comuns
(sem atrito)
2.2 DISTRIBUIÇÃO DE FORÇAS
Na Mecânica dos Corpos Rígidos, um conceito muito usado é aquele que define que
dois sistemas diferentes de forças são estaticamente equivalentes quando eles têm a
mesma resultante em módulo, direção e posição de aplicação. Isto significa apenas que
esses sistemas de forças têm os mesmos efeitos sobre um corpo rígido.
Mas quando se trata de corpos deformáveis, em geral, este conceito não se
aplica, porque essas duas distribuições diferentes de forças não são nunca
equivalentes quanto aos seus efeitos sobre a deformação do corpo.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.6
O efeito de uma força concentrada sobre um corpo rígido não se altera se
deslocarmos o seu ponto de aplicação ao longo de sua linha de ação. O mesmo não
acontece se o corpo for deformável.
Considere o seguinte exemplo: sejam dois blocos idênticos de borracha, presos
numa base rígida. Duas forças concentradas, iguais em módulo e direção, são
aplicadas em pontos diferentes, mas ao longo da sua linha de ação, sobre cada bloco.
A figura 2.5 ilustra a diferença entre as configurações deformadas dos dois corpos.
Figura 2.5 Configurações deformadas de dois blocos de borracha sob cargas concentradas iguais aplicadas em pontos diferentes ao longo da linha de ação.
Agora, se considerarmos forças com distribuições diferentes, mas com igual
resultante aplicada no mesmo ponto de corpos rígidos os seus efeitos serão idênticos.
O mesmo não se pode dizer quando elas são aplicadas sobre corpos deformáveis.
Tomemos o seguinte exemplo: dois blocos idênticos de borracha são sujeitos a
sistemas diferentes de forças distribuídas, cujas resultantes são iguais e atuam na
mesma posição sobre os blocos. A figura 2.6 ilustra a diferença entre as configurações
deformadas dos dois corpos.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.7
Figura 2.6 Configurações deformadas de dois blocos de borracha idênticos sob cargas distribuídas diferentes mas com resultantes iguais aplicadas na mesma posição.
Portanto, em geral ao se substituir um sistema de forças por outro mesmo sendo
estaticamente equivalentes, nunca devemos esperar os mesmos efeitos quanto à
deformação, quando aplicados sobre um sólido deformável.
2.3 FORÇAS INTERNAS
São forças que se desenvolvem no interior dos sólidos quando submetidos a cargas
externas, a fim de manterem as partes do corpo unidas. Em qualquer estudo da
Mecânica dos Sólidos sempre se faz necessário examinar essas forças internas que
atuam entre partes adjacentes de um sólido.
Considere, por exemplo, o sólido apresentado na figura 2.7(a). Este corpo está
em equilíbrio sob ação do sistema de forças indicado. Imaginemos agora que o corpo
seja “cortado” em duas partes, I e II, por um plano S, numa região onde nos interessa
verificar as forças internas. Este corte é fictício.
A figura 2.7(b) mostra o diagrama de corpo livre da parte II do corpo. Esta parte
está sob ação das forças externas 3F
, 4F
e das forças internas que a parte I exerce
sobre a superfície S da parte II. Pela 3ª Lei de Newton (Princípio da ação e reação)
podemos dizer que a parte II também exerce sobre a superfície S da parte I forças
internas com as mesmas intensidades e direções, porém com sentidos opostos.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.8
Figura 2.7 (a) sólido em equilíbrio sob cargas aplicadas; (b) diagrama de corpo livre da parte II do sólido.
Como o sólido está em equilíbrio, cada uma das suas partes também está.
Assim, as forças internas desenvolvidas sobre a superfície S da parte II ou da parte I,
devem ser tais que restabeleçam o equilíbrio que havia antes do “corte”.
A distribuição das forças internas sobre a superfície S é totalmente desconhecida
neste instante, mas podemos representá-la por uma força resultante IIF
atuando num
ponto P arbitrário da superfície S e um momento resultante IIM
dessas forças em
relação a esse ponto, conforme o diagrama de corpo livre apresentado na figura 2.8.
Assim, o momento IIM
depende da escolha do ponto P.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.9
Figura 2.8 Sistema resultante de forças internas sobre S ou esforços internos sobre S
A força IIF
atuando no ponto P da superfície S e o momento IIM
formam um
sistema estaticamente equivalente ao sistema de forças distribuídas sobre o plano S.
Isto significa que em qualquer cálculo envolvendo somente o equilíbrio da parte II, a
distribuição de forças sobre a superfície S pode ser substituída pelo sistema formado
pela força IIF
no ponto P e o momento IIM
. Este sistema será denominado de sistema
resultante de forças internas sobre S ou esforços internos sobre S. Veremos mais
adiante que normalmente o centróide da área seccionada é escolhido como o ponto P.
Esse sistema resultante de forças internas sobre S é relacionado com as cargas
externas aplicadas sobre a parte do corpo considerada, através das equações de
equilíbrio.
Equações de Equilíbrio
Nos nossos estudos estamos considerando que um sólido sob ação de cargas externas
está em equilíbrio na configuração deformada. Isto significa que ele está em repouso ou
em movimento não acelerado.
Assim, podemos escrever as seguintes equações vetoriais
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.10
0F
0M
. (2.1)
Como já foi comentado, consideramos que os gradientes do deslocamento são
tão pequenos (pequenas deformações) que podemos escrever as equações de
equilíbrio considerando-se a geometria indeformada do corpo. Em alguns problemas, as
equações de equilíbrio devem ser escritas na configuração deformada como, por
exemplo, no estudo de estabilidade do equilíbrio. Mas isso será tratado no momento
oportuno.
Como a parte II do sólido que estamos estudando está em equilíbrio, então
aplicamos as equações (2.1) e escrevemos, a partir do diagrama de corpo livre da
figura 2.8
3 4 0IIF F F
3 4 0IIM M M
. (2.2)
Então, o sistema resultante de forças internas sobre S é dado por
3 4IIF F F
3 4IIM M M
, (2.3)
onde 3M
e 4M
são os momentos das forças 3F
e 4F
, respectivamente, em relação ao
ponto P. Assim, se mudarmos o ponto P, esses momentos se alterarão e
consequentemente o momento resultante IIM
. Portanto, esse ponto deve ser sempre
identificado ao se representar o sistema resultante de forças internas sobre S.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.11
Figura 2.9 Diagrama de corpo livre da parte I do sólido.
Se nós tivéssemos considerado o diagrama de corpo livre da parte I, como na
figura 2.9, então o sistema resultante de forças sobre S seria IF
e IM
. Então, pela 3ª
Lei de Newton (Princípio da ação e reação), teríamos
I IIF F
I IIM M
.
Normalmente é mais conveniente usarmos nos cálculos, as componentes do
sistema resultante de forças internas sobre S segundo os eixos de um sistema de
coordenadas Cartesianas retangulares, de modo que um dos eixos seja normal ao
plano S e os outros dois eixos sejam tangentes a esse plano. A figura 2.10 apresenta a
decomposição da força resultante interna e do momento resultante interno
separadamente para maior clareza.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.12
Figura 2.10 (a) decomposição da força resultante interna segundo o sistema de coordenadas (s,t,n); (b) decomposição do momento resultante interno segundo o sistema de coordenadas (s,t,n).
O sistema de coordenadas escolhido tem o eixo n normal à superfície S e
apontando para fora do plano. Os eixos s e t são tangentes ao plano S. A origem desse
sistema é o ponto P (geralmente o centróide da seção S). A força resultante interna e o
momento resultante interno podem ser escritos em termos das suas componentes
segundo o sistema de coordenadas (s,t,n) como
ˆˆ ˆII s tF V s V t Nn
ˆˆ ˆII s tM M s M t T n
, (2.4)
onde s e t são os vetores unitários tangentes ao plano S e n é o vetor unitário normal
a esse plano. Esses vetores unitários, mutuamente ortogonais, são os vetores bases do
sistema de coordenadas (s,t,n). As componentes segundo esse sistema de
coordenadas serão denominadas da seguinte maneira:
N (força normal)
sV (componente da força cortante ou de cisalhamento na direção do eixo s)
tV (componente da força cortante ou de cisalhamento na direção do eixo t)
T (momento torçor)
sM (componente do momento fletor na direção s)
tM (componente do momento fletor na direção t)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.13
Assim, escrevendo-se todas as cargas externas e a força e momento resultantes
internos segundo o sistema de coordenadas escolhido (s,t,n), as equações vetoriais de
equilíbrio 2.1 se transformam nas equações escalares
0 0 0s t nF F F
0 0 0s t nM M M . (2.5)
Para aplicarmos essas equações escalares ao diagrama de corpo livre da parte II,
mostrado na figura 2.8, devemos primeiro determinar as componentes das forças 3F
e
4F
nas direções dos eixos s, t e n do sistema de coordenadas definido e escrever os
momentos dessas forças em relação ao ponto P, segundo esses eixos.
A força normal ˆN Nn
sobre uma seção S se desenvolve quando há uma
tendência, das forças externas aplicadas, em separar ou comprimir as duas partes do
sólido definidas pela superfície S. As forças cortantes ou de cisalhamento ˆs sV V s
e
ˆt tV V t
aparecem sobre a superfície S quando, devido às forças externas, as duas
partes definidas por essa superfície tendem a deslizar uma em relação à outra.
O momento torçor ˆT T n
aparece na superfície S quando as forças externas
tendem a torcer as partes do corpo definidas por essa superfície, uma em relação à
outra. Os momentos fletores ˆs sM M s
e ˆt tM M t
se desenvolvem na superfície S,
quando as cargas externas tendem a flexionar as partes do corpo definidas por essa
superfície, em torno dos eixos s e t contidos no plano S. A figura 2.11 ilustra essas
situações
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.14
Figura 2.11 Ilustração dos efeitos dos esforços internos atuando no plano S sobre as partes do sólido.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.15
Exemplo 2.1
Considere a barra de seção retangular carregada como mostrado na figura 2.12.
Vamos determinar os esforços internos atuando no plano A que “corta” a porção
horizontal da barra.
Figura 2.12 Exemplo 2.1
Solução
Considerando-se o seguinte diagrama de corpo livre, com o sistema de coordenadas
xyz na seção A e com a origem no seu centróide C .
Como a barra está em equilíbrio podemos escrever
0 200 0 200xF N N lb
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.16
0 100 0 100y y yF V V lb
0 100 10 0 1000 .C z zzM M M lb in
A figura a seguir mostra os esforços internos obtidos, atuando na seção A da barra.
▲
Exemplo 2.2
Considere um cilindro pendurado, sob seu próprio peso W, conforme mostra a
figura 2.13. O eixo do cilindro faz um ângulo θ com a vertical. Encontre as componentes
do sistema resultante de forças internas na seção transversal situada a 1/3 da
extremidade livre do cilindro
Figura 2.13 Exemplo 2.2
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.17
Solução
Considerando o diagrama de corpo livre para parte da barra abaixo da seção de “corte”,
como mostrado na figura acima, escrevemos as equações de equilíbrio
0 sin 0 sin3 3x x x
W WF V V
0 cos 0 cos3 3y
W WF N N
0 sin 0 sin3 6 18C z zz
W L WLM M M ▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.18
Exemplo 2.3
Vamos determinar a força cortante (cisalhamento) e o momento fletor na seção
transversal central da viga simplesmente apoiada, mostra na figura 2.14.
Figura 2.14 Exemplo 2.3
Solução
Devemos determinar em primeiro lugar as reações dos apoios porque,
independentemente de qual metade tomarmos como diagrama de corpo livre, essas
reações serão tomadas como cargas externas aplicadas.
Reações nos apoios:
Para o cálculo das reações dos apoios temos que considerar o diagrama de corpo livre
da estrutura global, conforme mostra a figura abaixo.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.19
Para o sistema de coordenadas adotado, as equações de equilíbrio são escritas como
0 0x AF H (a)
0 2250 0y A BF R R W (b)
0 (3) (1,5) 2250(2, 4) 0A BM R W (c)
Como a resultante 150 3 450W N da carga distribuída, a partir da equação (c)
escrevemos
(3) 450 (1,5) 2250(2, 4) 0 2025B BR R N
Substituindo esse resultado na equação (b), escrevemos
2025 450 2250 0 675A AR R N
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.20
Esforços internos na seção transversal central:
Considerando-se o diagrama de corpo livre da parte da viga à esquerda da seção
transversal central
Adotando-se um sistema de coordenadas com origem no centróide da seção
transversal e paralelo ao sistema xyz, escrevemos as seguintes equações de equilíbrio
0 0xF N
0 675 150 1,5 0 450y y yF V V N
1,50 (675)(1,5) 150 1,5 0 844 .
2C zM M M N m
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.21
Exemplo 2.4
Determinar os esforços internos que atuam na seção transversal em C da viga
mostrada na figura 2.15.
Figura 2.15 Exemplo 2.4
Solução
Tomamos o diagrama de corpo livre da parte à direita da seção transversal em C
porque assim não precisamos determinar as reações no suporte (engastamento).
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.22
Da semelhança dos triângulos acima escrevemos 6
180 /270 9
hh N m
180 (6)(6)540
2 2
hW N (resultante da força distribuída no trecho considerado)
16 2
3x m
(posição do ponto de aplicação da resultante W)
As equações de equilíbrio escritas para essa parte da viga são as seguintes:
0 0xF N
0 540 0 540y y y yF V W V V N
0 540 2 0 1080 .z CM M W x M M N m
Portanto, o sentido do momento fletor M deve ser oposto ao adotado no diagrama de
corpo livre considerado para os cálculos dos esforços internos. ▲
Exemplo 2.5
A barra cilíndrica mostrada na figura 2.16 está sujeita a uma força axial P.
Determine as forças internas, normal e cortante, numa seção plana cuja normal faz um
ângulo com o eixo da barra.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.23
Figura 2.16 Exemplo 2.5
Solução
Tomando-se o diagrama de corpo livre da parte inferior da barra temos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.24
O sistema de coordenadas escolhidos (s,t,n), tem o eixo n normal ao plano S.
As equações de equilíbrio são as seguintes:
0 cos 0 cosnF N P N P
0 sin 0 sins s sF V P V P
0 0 0 0t t tF V V
0 0 0 0n CM T T
0 0 0 0s s sCM M M
0 0 0 0t t tCM M M
A figura a seguir mostra as componentes não nulas dos esforços internos atuando na
seção considerada e conforme o sistema de eixos adotado.
A resultante dessas componentes é dada por
2 22 2 cos sinsR N V P P R P
Esse resultado está de acordo com o esperado porque qualquer parte da barra está em
equilíbrio. ▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.25
Exemplo 2.6
Determinar os esforços internos que atuam na seção transversal em G da viga
de madeira mostrada na figura 2.17. Considerar que as articulações A,B,C,D e E sejam
acopladas por pinos sem atrito.
Figura 2.17 Exemplo 2.6
Solução
Cálculo das reações dos apoios:
Escrevemos as equações de equilíbrio tomando-se o diagrama de corpo livre da
estrutura global e a configuração indeformada porque consideramos pequenas
deformações.
Como a barra BC é articulada nas duas extremidades, para ela se manter em
equilíbrio é necessário que a força que atua sobre ela seja colinear com o seu eixo
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.26
longitudinal. Portanto, a componente yC será nula e a reação do apoio C sobre essa
barra tem apenas a componente xC .
A resultante W da força linear distribuída é dada por
1300 6 900
2W W lb
Equações de equilíbrio:
Considerando-se o sistema de coordenadas cartesianas x,y,z indicado,
escrevemos
0 0x x xF C E (a)
0 1500 900 0 2400y y yF E E lb
20 1500 10 900 6 3 0 6200
3E x xM C C lb
Substituindo esse resultado na equação (a) escrevemos
6200 0 6200x xE E lb
A figura a seguir mostra esses resultados.
Cálculo dos esforços internos na seção transversal em G:
Ao “cortarmos” a estrutura por um plano transversal à viga de madeira AE passando
pelo ponto G, a barra AB também é “cortada”. A figura a seguir mostra esse “corte” e o
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.27
diagrama de corpo livre a ser considerado para o cálculo dos esforços internos na
seção desejada.
Temos, então, que conhecer a força interna ABF na barra AB. Essa força é obtida
a partir do equilíbrio do pino no ponto B.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.28
0 6200 sin 0x ABF F
0 cos 0y BD ABF F F
Do triângulo retângulo ADB podemos escrever
4sin
5 e
3cos
5 .
Substituindo esses valores nas duas equações anteriores, escrevemos
46200 0 7750
5AB ABF F lb
37750 0 4650
5BD BDF F lb
Com essas forças no diagrama de corpo livre considerado, temos
Equações de equilíbrio:
0 7750sin 0nF N
0 7750cos 1500 0sF V
0 1500 2 7750cos (2) 0G tM M
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.29
Substituindo os valores 4
sin5
e 3
cos5
nas equações acima, escrevemos
47750 0 6200
5N N lb
37750 1500 0 3150
5V V lb
31500 2 7750 (2) 0 6300 .
5M M lb pe s
O sinal (-) indica que a força ou o momento atua sobre a seção transversal
indicada com sentido oposto àquele que foi considerado no diagrama de corpo livre. A
figura a seguir mostra os esforços com os seus sentidos correto.
▲
Exemplo 2.7
Obter os esforços internos (forças e momentos) que atuam na seção transversal
em C do eixo de máquina mostrado na figura 2.18. O eixo é apoiado por mancais em A
e B, os quais exercem apenas forças verticais sobre ele.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.30
Figura 2.18 Exemplo 2.7
Solução
Cálculos das reações dos apoios:
Os mancais A e B exercem forças distribuídas sobre o eixo, mas para o cálculo dos
esforços internos na seção transversal do eixo em C podemos considerar as resultantes
dessas reações atuando no ponto médio da largura dos mancais, conforme indicado no
diagrama de corpo livre da estrutura global.
A resultante W da força linear distribuída é da dada por
150800 120
1000
NW m W N
m
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.31
A seguir, escrevemos as equações de equilíbrio segundo o sistema de coordenadas
cartesianas indicado.
0 225 0y y yF A B W (a)
0 275 125 275 225(275 125 100) 0A yM B W (b)
Substituindo 120W na equação (b), escrevemos
275 125 (120) 275 225(275 125 100) 0 363,75y yB B N
Com 120W e o valor obtido acima, na equação (a), escrevemos
363,75 120 225 0 18,75y yA A N
O sinal (-) significa que o sentido da reação do apoio A é oposto daquele assumido no
diagrama de corpo livre.
Cálculo dos esforços internos na seção transversal em C:
Vamos “cortar” a barra no ponto C por um plano normal ao seu eixo longitudinal e
considerar o diagrama de corpo livre da parte entre A e C.
800 0,050 40N
W m W Nm
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.32
Equações de equilíbrio escritas segundo o sistema de coordenadas cartesianas s,t,n:
0 0nF N
0 18,75 0s sF V W (c)
0,0500 18,75 0, 250 0
2C tM M W
(d)
Substituindo 40W nas equações acima, escrevemos
40 18,75 0 58,75sV V N
0,05018,75 0, 250 (40) 0 5,69 .
2M M N m
O sinal (-) significa que o momento fletor tem o sentido oposto àquele que foi assumido
no diagrama de corpo livre.
▲
Exemplo 2.8
O guindaste da figura 2.19 consiste na viga AB, de roldanas em A e D, de um
cabo e um motor. Determinar o sistema resultante de esforços internos que atuam na
seção transversal em C, se o motor levanta a carga W de 500 lb com velocidade
constante. Desprezar o peso das roldanas e da viga.
Figura 2.19 Exemplo 2.8
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.33
Solução
Se “cortarmos” a estrutura por um plano transversal à viga AB e passando pelo
ponto C, podemos desenhar o diagrama de corpo livre abaixo.
A força no cabo é igual ao peso W=500 lb porque o mesmo é levantado com
velocidade constante (aceleração nula), ou seja, a resultante das forças sobre ele é
nula.
Equações de equilíbrio escritas conforme o sistema de coordenadas indicado no
diagrama de corpo livre:
0 500 0 500xF N N lb
0 500 0 500yF V V lb
0 500 4,5 (500)(0,5) 0 2000 .C zM M M lb pe
O sinal (-) indica que a força normal N e o momento fletor M atuam sobre a
seção transversal indicada com sentidos opostos àqueles assumidos no diagrama de
corpo livre. Esses resultados são apresentados na figura a seguir.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.34
▲
Exemplo 2.9
Determinar o sistema resultante de esforços internos que atuam na seção
transversal em B do tubo mostrado na figura 2.20. O tubo tem massa de 2Kg/m e está
submetido a uma força de 50 N e um conjugado de 70 N.m em sua extremidade A. O
tubo está fixado à parede em C.
Figura 2.20 Exemplo 2.9
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.35
Solução
Para determinarmos o sistema resultante de forças internas na seção transversal
em B, nós “cortamos” o tubo por um plano passando por esse ponto e normal ao seu
eixo longitudinal. Se considerarmos o diagrama de corpo livre da parte do tubo entre os
pontos A e B, nós não precisamos calcular as reações do apoio no engastamento em
C.
Os pesos das partes AD e BD do tubo são dados por
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.36
22 1, 25 9,81 24,53AD AD
g
kg mW m W N
m s
22 0,5 9,81 9,81BD BD
kg mW m W N
m s
Equações de equilíbrio:
0 0xF N
0 0y yF V
0 50 0z z AD BDF V W W
1, 250 50 1, 25 0
2B x ADxM M W
0,50 50 0,5 0,5 70 0
2B y AD BDyM M W W
0 0B zzM M
Substituindo os valores 24,53ADW e 9,81BDW nas equações acima,
escrevemos
50 24,53 9,81 0 84,34z zV V N
1, 2550 1, 25 (24,53) 0 77,83 .
2x xM M N m
0,550 0,5 (24,53) 0,5 (9,81) 70 0 30, 28 .
2y yM M N m
O sinal (-) indica que o momento fletor yM atua sobre a seção transversal em B,
com sentido oposto àquele assumido no diagrama de corpo livre.
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.37
Exemplo 2.10
Uma manivela que é usada numa prensa tem as dimensões mostradas na figura
2.21, está em equilíbrio nessa configuração. Determine os esforços internos na seção
transversal em A, se uma força vertical de 50 lb é aplicada na posição indicada.
Considere o sistema de coordenadas x,y,z indicado na figura. O eixo de coordenada y
forma um ângulo de 30º com a horizontal. Assumir que o eixo onde a manivela é
acoplada é fixo no ponto B.
Figura 2.21 Exemplo 2.10
Solução
“Cortamos” a manivela no ponto A com um plano normal ao eixo y indicado na figura e
consideramos o seguinte diagrama de corpo livre para o cálculo dos esforços internos
que atuam na seção transversal em A.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.38
Equações de equilíbrio escritas conforme o sistema de coordenadas cartesianas x,y,z
considerado:
0 0x xF V
00 50 sin 30 0y yF N
150 0 25
2y yN N lb
00 50 cos30 0z zF V
350 0 43,3
2z zV V lb
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.39
00 50cos30 7 0A xxM M
3(50) 7 0 303 .
2x xM M lb in
00 50cos30 3 0A yyM M
3(50) 3 0 130 .
2y yM M lb in
00 50sin 30 3 0A zzM M
1(50) 3 0 75 .
2z zM M lb in
O sinal (-) significa que o esforço interno atua na seção transversal indicada em
A com sentido oposto àquele assumido no diagrama de corpo livre.
▲
PROBLEMAS
Problema 2.1
A barra mostrada na figura abaixo é suportada por um pino em B e um rolete em
A. Determine a força normal, a força cortante e o momento fletor na seção transversal
S.
Resposta: N = 0 Q = -PD/L M = PD/2
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.40
Problema 2.2
A barra da figura é suportada por um pino em A e um fio em B. Calcule as
componentes do sistema resultante de forças internas na seção S.
Resposta: N = -2113,25 N Q = 5000 N M = 3000 N.m
Problema 2.3
A força de sustentação sobre uma lâmina do rotor de um helicóptero é distribuída
como mostrado na figura abaixo. Calcule a força de cisalhamento e o momento fletor na
seção transversal em O.
Resposta: Q = 7800 N M = 28626 N.m
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.41
Problema 2.4
A intensidade da força de sustentação sobre a asa do avião mostrado na figura é
dada por
0( )2
xw x w sen
L
.
Determine a força de cisalhamento e o momento fletor na seção transversal
adjacente à fuselagem ( x = L)
Resposta: Q = 0
2Lw
M =
202 2
1w L
Problema 2.5
As barras AB e AC são ligadas por pinos nas suas extremidades e o elemento
AB é carregado como mostrado na figura. Obtenha as componentes do sistema
resultante de forças internas na seção transversal da barra horizontal, eqüidistante das
extremidades A e B.
Resposta: N = WL/2 Q = 0 M = WL2/2
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.42
Problema 2.6
Calcule a força normal, a força cortante e o momento fletor na seção transversal
no centro do trecho BC.
Resposta: N = 0 Q = 2000 3 N M = 2000 3 N.m
Problema 2.7
Uma barra em forma de um quarto de circunferência é engastada em uma
extremidade e uma força de 600N é aplicada na extremidade livre, como mostrada na
figura. Quais são as componentes do sistema resultante de forças internas nas seções
A e B?
Resposta: seção A N = 300 3 N Q = 300 N M = 150 3 N.m
seção B N = 300 N Q = 300 3 M = 150 N.m
Problema 2.8
Uma barra em forma de um quarto de circunferência é engastada em uma
extremidade e um momento de 300N.m é aplicado na extremidade livre, como
mostrado na figura. Quais são as componentes do sistema resultante de forças internas
nas seções A e B?
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.43
Resposta: seção A T = 150 3 N.m M = -150 N.m
seção B T = 150 N.m M = -150 3 N.m
Problema 2.9
A barra semicircular é presa por um pino na extremidade A. Determine as
componentes do sistema de esforços internos numa seção transversal, como uma
função do ângulo θ. Para quais valores de θ cada uma das componentes tem o valor
máximo em módulo?
Resposta: N = Psenoθ Q = -Pcosθ M = PR senoθ
Nmax = P (θ = π/2) Qmax = P (θ = 0 e π) Mmax = PR (θ = π/2)
Problema 2.10
O braço montado na figura abaixo, firmemente preso na base, suporta uma carga
de 1200 lb. Ache a força normal, a força cortante e o momento fletor na seção
transversal A.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.44
Resposta: 600 2N lb (compressão) 600 2Q lb (força cortante)
19928 .M lb ft (momento fletor)
(o sinal dos esforços dependerá do sistema de coordenadas adotado)
Problema 2.11
Um tubo de 18 in de comprimento é engastado em uma extremidade e recebe
um torque na outra extremidade, através de uma chave inglesa. Calcule as
componentes do sistema resultante de forças internas, numa seção transversal situada
a 6 in da parede.
Resposta: 0N 0xQ (força cortante) 80xQ lb (força cortante)
960 .xM lb in (momento fletor) 1600 .zM lb in (momento torsor)
(o sinal dos esforços dependerá do sistema de coordenadas adotado)
Problema 2.12
A barra dobrada da figura abaixo é suportada por um pino em C e um rolete em
D. Encontre as componentes do sistema de forças internas resultantes nos planos A e
B.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.45
Resposta: 150AN lb (tração) 0AQ (força cortante) 225 .AM lb in (momento fletor)
0BN 50BQ lb (força cortante) 150 .BM lb in (momento fletor)
(o sinal dos esforços dependerá do sistema de coordenadas adotado)
Problema 2.13
Uma placa fina de espessura constante está pendurada sob o seu peso próprio,
conforme a figura abaixo. Se a placa pesa 23 lb ft , calcule as componentes de
esforços internos na seção transversal em A (nota: calcule) os esforços no centróide da
seção transversal considerada).
Resposta: 54AN lb (tração) 0AQ (força cortante) 54 .AM lb in (momento fletor)
(o sinal dos esforços dependerá do sistema de coordenadas adotado)
Problema 2.14
Determine a o sistema de forças internas resultante atuando na seção
transversal no ponto A em cada coluna da figura. Em (a) o segmento BC pesa 180 lb/ft
e o segmento CD pesa 250 lb/ft. Em (b) a coluna tem massa de 200 kg/m.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.46
Resposta: a) N=13800 lb (13,8 kip) (compressão)
b) N=34886 N (34,9 kN) (compressão)
Problema 2.15
Determine o momento torçor interno atuando nas seções transversais através
dos pontos D e D. Os mancais de suporte em A e B permitem que o eixo gire
livremente.
Resposta: 250 . 0C DT N m T
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.47
Problema 2.16
Determine as forças internas normal e cortante (cisalhamento) no sólido
mostrado na figura (a) na seção a-a e (b) na seção b-b. Cada um desses planos passa
pelo ponto A (centróide). A força de 500 lb é aplicada ao longo do eixo que passa pelos
centróides das seções transversais do corpo
Resposta: a) 500 0aa aa
N lb V
b) 250 3 250bb aa
N lb V lb
Problema 2.17
Determine os esforços internos atuando na seção transversal através do ponto D
da barra AB. As articulações com os pinos são sem atrito.
Resposta: 131, 25N N (compressão) 175V N 8,75 .M N m
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.48
Problema 2.18
A viga AB é suportada em A por um cabo BC. Determine os esforços internos
atuando na seção transversal através do ponto D.
Resposta: 3,75N kip (compressão) 0V 0M
Problema 2.19
Determine os esforços internos atuando nas seções transversais através dos
pontos D, E, F e G da estrutura mostrada na figura. As articulações são sem atrito.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.49
Resposta: 527 373 373 .D D D
N lb V lb M lb ft
75 355 727 .E E E
N lb V lb M lb ft
1004 0 0F F F
N lb V M
75 205 167 .G F F
N lb V lb M lb ft
Problema 2.20
O tubo da figura tem massa de 12 kg/m. Se ele é fixo na parede em A, determine
os esforços internos atuando na seção transversal em B. Despreze o peso da alavanca
de torque CD.
Resposta: 0 0 70,6B B Bx y zN V V N
9,42 . 6,23 . 0B B Bx y zT N m M N m M
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-50
2.4 DIAGRAMAS DE ESFORÇOS
O sistema resultante de forças internas ou esforços internos atuando sobre um plano S
que “corta” um sólido, depende da posição e orientação desse plano. Podemos
relacionar as componentes das forças normais e cortantes bem como os momentos
torçor e fletores com as variáveis que definem a posição do plano de “corte” S e assim
desenharmos diagramas que representem esses esforços como funções dessas
variáveis de posição.
Esses são os chamados diagramas de esforços e eles nos mostram como as
componentes do sistema resultante de forças internas variam através do corpo. Eles
são muitos úteis quando aplicados na análise de sólidos que podem ser representados
por uma barra. Esses elementos estruturais possuem a dimensão longitudinal muito
maior que as transversais. São também chamados de elementos unidimensionais. Em
geral as superfícies de “corte” S são planos perpendiculares ao eixo longitudinal da
barra. Elas são denominadas de seções transversais da barra.
Quando essa barra está também sob carga externa transversal, portanto sujeita
à flexão, ela recebe o nome de viga. Voltaremos, no momento oportuno, ao estudo mais
detalhado das vigas. A seguir são exemplificados os procedimentos para se obter
alguns diagramas de esforços.
Exemplo 2.11
Uma barra cilíndrica está pendurada e sob ação do seu peso próprio, como
mostra a figura 2.22. Obter o diagrama de esforços nas seções transversais da barra.
Figura 2.22 Exemplo 2.11
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-51
Solução
Considerando os diagramas de corpo livre a seguir, escrevemos as equações de
equilíbrio segundo o sistema de coordenadas cartesianas, adotado.
0 1 0 1x
x xF W N N W
L L
Não há nenhum outro esforço interno atuando nas seções transversais do
cilindro. O diagrama de força normal é apresentado a seguir:
▲
Exemplo 2.12
Considere a viga engastada carregada como mostra a figura 2.23. Obter os
diagramas de esforços nas seções transversais ao longo da viga.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-52
Figura 2.23 Exemplo 2.12
Solução
Vamos considerar o diagrama de corpo livre da parte da viga à esquerda de uma seção
de “corte”, pois assim não precisamos determinar as reações no engastamento.
Escrevemos as equações de equilíbrio segundo o sistema de coordenadas adotado no
diagrama de corpo livre:
0 cos 45 0 cos 45o oxF N P N P
2
2N P
0 sin 45 0 sin 45o oyF V P w x V P w x
2
2V P w x
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-53
0 sin 45 02
oC z
xM M P x w x
22
2 2
xM Px w
Então, observamos que os esforços internos atuando nessa viga são funções das
coordenada x que define a posição da seção transversal considerada. As figuras a
seguir mostram os diagramas de esforços desenhados a partir dessas funções.
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-54
Exemplo 2.13
Desenhar os diagramas de esforços atuantes nas seções transversais ao longo
da viga mostrada na figura 2.24.
Figura 2.24 Exemplo 2.13
Solução
Cálculos das reações dos suportes:
Para determinarmos as reações dos suportes devemos considerar o diagrama de corpo
livre da estrutura global, conforme a seguir.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-55
Equações de equilíbrio:
0 0x AF H
0 4450 0y A BF R R W (a)
30 (2,4) 4450 1,2 0
2A BM R W
(b)
A resultante W da forças linear distribuída é dada por
1460 (3 ) 4380N
W m W Nm
Substituindo o valor de W acima na equação (b), escrevemos
3(2,4) 4450 1,2 4380 0 4962,50
2B BR R N
Com esse valor substituído na equação (a) escrevemos
(4962,50) 4450 (4380) 3 0 3867,50A AR R N
A figura a seguir mostra a estrutura com todas as cargas aplicadas, inclusive as
reações dos apoios.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-56
A seguir determinamos os esforços internos, considerando que a coordenada x que
define a posição da seção transversal em consideração tem a sua origem no suporte
esquerdo e varia para a direita.
Esforços internos nas seções transversais para x entre 0 e 1,2 m:
Equações de equilíbrio:
0 0xF N
0 3867,5 (1460)( ) 0 1460 3867,5yF V x V x 0 1,2x
20 (1460)( ) 3867,5 0 3867,5 7302C
xM M x x M x x
0 1,2x
Esforços internos nas seções transversais para x entre 1,2 e 2,4 m:
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-57
Equações de equilíbrio:
0 0xF N
0 3867,5 (1460)( ) 4450 0 1460 582,5yF V x V x 1,2 2,4x
0 (1460)( ) 3867,5 4450 ( 1, 2) 02C
xM M x x x
2730 582,5 5340M x x 1, 2 2, 4x
Esforços internos nas seções transversais para x entre 2,4 e 3,0 m:
Equações de equilíbrio:
0 0xF N
0 3867,5 (1460)( ) 4450 4962,5 0 1460 4380yF V x V x
2,4 3x
0 (1460)( ) 3867,5 4450 ( 1,2) (4962,5)( 2,4) 02C
xM M x x x x
2730 4380 6570M x x 2,4 3x
Diagramas dos esforços:
A seguir são apresentados os diagramas de esforço cortante (V) e de momento fletor
(M), que representam graficamente as funções obtidas anteriormente. Observamos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-58
claramente a descontinuidade da função V=V(x) nos pontos onde temos forças
concentradas.
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-59
Exemplo 2.14
Considere a barra curva mostrada na figura 2.25. Ela é ¼ de barra circular,
engastada numa extremidade com uma carga de 500 N aplicada na extremidade livre,
perpendicularmente ao plano da barra. Desenhar os diagramas de esforços atuantes
nas seções transversais ao longo da barra.
Figura 2.25 Exemplo 2.14
Solução
Consideraremos o diagrama de corpo livre do trecho da barra com a extremidade livre
de modo que o ângulo varie do eixo x para o eixo y.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-60
Adotamos um sistema de coordenadas cartesianas n,s,t no plano da seção transversal
da barra, correspondente ao ângulo .
Equações de equilíbrio segundo o sistema de coordenadas n,s,t:
0 0nF N para 02
0 500 0 500t t tF V V 02
0 500 0nM T b
500 0,60 1 cos 0 300(1 cos )T T 02
0 500 0s sM M a
500 0,60sin 0 300sins sM M 02
Os diagramas de esforços, representando os esforços internos como funções do ângulo
, são apresentados a seguir.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-61
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-62
Exemplo 2.15
Um binário de 300 N.m é aplicado na extremidade livre da barra como mostra a
figura 2.26. Escrever as expressões para os esforços internos nas seções transversais
da barra em função do ângulo , como indicado. Desenhar os diagramas de esforços.
Figura 2.26 Exemplo 2.15
Solução
“Cortamos” a barra por um plano transversal na posição por um ângulo qualquer
entre 0 e 2 , conforme a figura abaixo.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-63
Equações de equilíbrio segundo o sistema de coordenadas n,s,t indicado na figura:
0 300cos 0 300cosnM T T
0 300sin 0 300sint t tM M M
As figuras a seguir mostram os diagramas de esforços como funções de .
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-64
Exemplo 2.16
Escreva as expressões para a força cortante e o momento fletor nas seções
transversais da viga em função da variável x, indicada na figura 2.27. Desenhe os
diagramas de esforços correspondentes.
Figura 2.27 Exemplo 2.16
Solução
Cálculo das reações dos apoios:
Para o cálculo das reações dos suportes nós consideramos o diagrama de corpo livre
da estrutura global, ou seja:
Do equilíbrio escrevemos
0 0x AF H
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-65
0 10000 10000 0y A B CF R R R (a)
O momento em torno do pino O (rótula) é nulo. Portanto, podemos escrever as
seguintes duas equações de equilíbrio:
0 8 4 0O A Blado esquerdoM R R (b)
0 4 10000 6 0 15000O C Clado direitoM R R lb
Com esse valor de CR na equação (a) temos agora, um sistema com duas equações
(a,b) e duas incógnitas ( ,A BR R ), ou seja:
15000 10000 10000 0A BR R e 8 4 0A BR R
Resolvendo esse sistema obtemos
5000AR lb e 10000BR lb
A figura a seguir mostra a estrutura com as forças aplicadas e as reações dos apoios
obtidas acima.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-66
A partir da figura anterior, fazendo-se “cortes” sucessivos ao longo do eixo longitudinal
da viga, obtemos os esforços internos nas seções transversais com funções da
coordenada x medida ao longo da viga.
Entre 0 e 4 ft:
0 5000 0 5000yF V V (lb)
0 5000 0 5000C zM M x M x (lb.ft)
Entre 4 e 8 ft:
0 5000 10000 0 5000yF V V (lb)
0 5000 10000 4 0 5000 40000C zM M x x M x (lb.ft)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-67
Entre 8 e 12 ft:
0 5000 10000 10000 0 5000yF V V (lb)
4 40 5000 10 4 10 8 0C zM M x x x 5000 40000M x (lb.ft)
Entre 12 e 14 ft:
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-68
0 5000 10000 10000 15000 0 10000yF V V (lb)
0 5000 10000 4 10000 8 (15000)( 12) 0C zM M x x x x
10000 140000M x (lb.ft)
Os diagramas dos esforços são apresentados a seguir.
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-69
Exemplo 2.17
Escreva as expressões para a força normal, a força cortante e o momento fletor
nas seções transversais da estrutura da figura 2.28 em função da variável x medida ao
longo do eixo longitudinal das barras. Desenhe os diagramas de esforços
correspondentes.
Figura 2.28 Exemplo 2.17
Solução
Para facilitar a análise vamos adotar as coordenadas 1x e 2x medidas ao longo
do eixo longitudinal da barra BC e BA, respectivamente, conforme mostra figura a
seguir.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-70
Trecho CB: 1x entre 0 e 8 ft
Escrevemos as equações de equilíbrio para o diagrama de corpo livre acima, segundo
o sistema de coordenadas adotado 1 1,x y .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-71
1 10 0xF N
1 1 1 1 10 200 0 200 ( )yF V x V x lb
1
211 1 1 10 200 0 100 ( . )
2P z
xM M x M x lb ft
Trecho BA: 2x entre 0 e 4 ft
Escrevemos as equações de equilíbrio para o diagrama de corpo livre acima, segundo
o sistema de coordenadas adotado 2 2,x y .
2 2 20 (200)(8) 0 1600 ( )xF N N lb
2 20 0yF V
2
2 2
80 200 8 0 6400 ( . )
2P zM M M lb ft
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-72
Trecho BA: 2x entre 4 e 8 ft
Escrevemos as equações de equilíbrio para o diagrama de corpo livre acima, segundo
o sistema de coordenadas adotado 2 2,x y .
2 2 20 (200)(8) 0 1600 ( )xF N N lb
2 2 20 600 0 600 ( )yF V V lb
2
2 2 2 2
80 200 8 600 4 0 600 8800 ( . )
2P zM M x M x lb ft
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-73
Diagramas de esforços:
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-74
PROBLEMAS
Problema 2.21
Escreva as expressões para a força cortante e o momento fletor nas seções
transversais da viga em função da variável x, indicada na figura. Desenhe os diagramas
de esforços correspondentes.
Resposta: Q = 400 x e M = -200 x2 para 0 ≤ x ≤ 6
Q = 2400 lb e M = -2400 x + 7200 para 6 ≤ x ≤ 12
Problema 2.22
Escreva as expressões para a força cortante e o momento fletor nas seções
transversais da viga em função da variável x, indicada na figura. Desenhe os diagramas
de esforços correspondentes.
Resposta: Q = 400 x – 1800 e M = -200 x2 + 1800 para 0 ≤ x ≤ 6
Q = 600 lb e M = -600 x + 7200 para 6 ≤ x ≤ 12
Problema 2.23
Escreva as expressões para a força cortante e o momento fletor nas seções
transversais da viga em função da variável x conforme o seguinte: no trecho AB, o
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-75
sentido de x é de A para B e no trecho BC o sentido de x é de C para B. Escolher o
eixo z apontando para fora do plano da figura. Desenhe os diagramas de esforços
correspondentes.
Resposta: trecho AB N = 0 Q = -PD/L M = PD
xL
trecho BC N = 0 Q = P M = -P x
Problema 2.24
Escreva as expressões para a força cortante e o momento fletor nas seções
transversais da viga em função da variável x, indicada na figura. Desenhe os diagramas
de esforços correspondentes.
Resposta:
Q = 1500 x – 9000 M = -750 x2 + 9000 x – 20250 para 0 ≤ x ≤ 3
Q = - 4500 N M = 4500 x – 13500 para 3 ≤ x ≤ 4,5
Q = 4500 N M = -4500 x + 27000 para 4,5 ≤ x ≤ 6
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2-76
Problema 2.25
A estrutura da figura abaixo é engastada numa extremidade. O seu
carregamento é aplicado na sua extremidade livre conforme mostra a figura abaixo. O
trecho AO é paralelo ao eixo x, o trecho AB é paralelo ao eixo y e o trecho BC é
paralelo ao eixo z. Escreva as expressões para os esforços internos (força normal, força
cortante, momento torçor e momento fletor) para cada trecho da estrutura, como
funções das coordenadas x, y e z, indicadas na figura.
Resposta:
Trecho OA: x x y y z zN F V F V F
x y z y z z x z y x yM F Z F Y M F x F X F Z M F x F Y F X
Trecho AB: x x y y z zV F N F V F
x z y z y x z x xM F y F Z F Y M F Z M F y F Y
Trecho BC: x x y y z zV F V F N F
0x y y y x x zM F z F Z M F z F Z M
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.77
2.5 CONCEITO DE TENSÃO
Anteriormente vimos que quando um sólido está sob a ação de cargas externas,
internamente se desenvolvem forças com o objetivo de manter as partes do corpo
unidas umas às outras. Por não conhecermos a distribuição correta dessas forças
internas sobre o plano de “corte” S ela não foi considerada, mas apenas a força e o
momento resultantes atuando num ponto arbitrário desse plano e essas resultantes
foram obtidas a partir das equações de equilíbrio escritas para uma das partes do sólido
“seccionado”.
Sabemos que poderíamos ter uma infinidade de distribuição dessas forças
internas com a mesma força e momentos resultantes. Sob o ponto de vista de
equilíbrio, esses sistemas de forças internas distribuídas sobre o plano que “secciona” o
sólido seriam estaticamente equivalentes. Mas, quanto à configuração deformada
resultante eles, em geral, não são equivalentes, como podemos observar pelo exemplo
ilustrado pela figura 2.29 (veja também a seção 2.2), onde dois blocos idênticos de
borracha são sujeitos a dois sistemas de forças distribuídas com uma mesma resultante
aplicada na mesma posição dos corpos. As configurações deformadas são diferentes.
Figura 2.29 Blocos idênticos de borracha
Portanto, só o conhecimento do sistema resultante de forças internas não
descreve a distribuição dessas forças e conseqüentemente não nos informa de modo
correto a respeito da deformação do sólido. Precisamos, então, de quantidades que
descrevam a intensidade das forças internas em cada ponto do sólido.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.78
Essas quantidades são denominadas tensões. Tensão é definida como a
intensidade das forças internas atuando entre as partes de um corpo, sobre um ponto,
através de superfícies internas imaginárias passando por esse ponto. Essa intensidade
das forças internas é representada em termos de força por unidade de área. O conceito
de tensão, fundamental para a Mecânica dos Sólidos, foi estabelecido por Cauchy em
1822-1823. Para a sua definição matemática, consideremos um sólido em equilíbrio sob
ação de cargas externas e passamos por ele um plano S “seccionando-o” em duas
partes, I e II, conforme mostra a figura 2.30.
Figura 2.30 (a) sólido em equilíbrio sob cargas aplicadas; (b) diagrama de corpo livre parte II.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.79
A figura 2.30 (b) mostra o diagrama de corpo livre da parte II do sólido com as
cargas externas e as forças internas distribuídas sobre o plano S, as quais são
exercidas pela parte I. Pelo Princípio da ação e reação a parte II exerce sobre a
superfície S da parte I uma distribuição de forças internas iguais e de sinais opostos.
Assim, é indiferente qual das partes vamos considerar na nossa análise.
Tomemos, por exemplo, a parte II do sólido “seccionado”. As forças internas se
distribuem de modo contínuo e, em geral, não uniforme, sobre todos os pontos da
superfície S. Consideramos que todo o material que constitui o sólido se distribui de
modo contínuo e regular através do volume do corpo. Esse é um modelo matemático, o
qual não considera a natureza discreta da matéria, mas que associa a cada ponto
geométrico do espaço ocupado pelo sólido com um ponto material possuindo as
propriedades físicas do sólido como um todo. Essa é uma hipótese fundamental da
Mecânica do Contínuo, da qual a Mecânica dos Sólidos é o ramo que se aplica aos
meios contínuos no estado sólido. Com essa abstração, a Mecânica dos Sólidos analisa
os problemas sob um ponto de vista macroscópico do material, mas os seus resultados
são excelentes para a maioria dos problemas de Mecânica, onde as dimensões são
bem maiores que as distâncias interatômicas
Agora, vamos supor que a superfície S seja dividida em uma infinidade de
elementos retangulares (poderia ser outra forma geométrica) muito pequenos. Sobre
cada retângulo elementar atua uma força F
que é a resultante (soma vetorial) das
forças distribuídas sobre a área A do elemento. A figura 2.31 ilustra algumas dessas
cargas.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.80
Figura 2.31 forças e momentos resultantes sobre algumas áreas elementares de S.
Cada área elementar é sujeita a uma força F
e um momento M
diferentes (o
elemento adjacente situado na superfície S da parte I está sujeito a - F
e - M
). Uma
dessas áreas é isolada e mostrada na figura 2.32. Vemos que o ponto P está contido
nesta área elementar.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.81
Figura 2.32 Resultante de força distribuída e momento sobre área elementar.
A orientação do plano elementar de área A é dada pelo vetor normal unitário n ,
o qual identifica esse plano, a resultante das forças internas distribuídas sobre essa
área é representada por F
e a resultante dos momentos dessas forças em relação a
um ponto P dessa área é representada por M
. Podemos também dizer, de modo
equivalente, que M
representa o momento da força F
, resultante das forças
distribuídas sobre a área elementar A , em relação ao ponto P escolhido para
aplicarmos essa força resultante.
Tomemos as razões F A
e M A
. Se diminuirmos a área A
sucessivamente, mas sempre contendo o ponto P , mantendo a orientação n do plano
e de modo que a sua maior dimensão tenda a zero, ou seja, sem que ela se reduza a
uma linha, podemos definir os limites
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.82
( )
0lim n
A
F dFt
A dA
. (2.6)
0lim 0A
M dM
A dA
. (2.7)
A existência do limite (2.6) é um postulado fundamental da Mecânica dos Sólidos
e é baseado na idealização do material como um contínuo.
Esse limite é a definição do vetor tensão num ponto do sólido, associado ao
plano, cuja orientação é dada pelo vetor unitário n , passando por esse ponto.
Se denominarmos a razão F A
como o vetor tensão médio sobre a área A ,
então o vetor tensão no ponto P dessa área é o limite desse vetor tensão médio quando
A tende a zero, mas sempre contendo o ponto P. O vetor tensão médio F A
tem a
mesma direção e sentido de F
, mas a sua magnitude (módulo) é dado por F A
.
O limite (2.7) é nulo porque estamos considerando, em nossos estudos, que
sobre os pontos da superfície S não existem binários distribuídos, mas apenas forças
distribuídas sobre o plano de “corte”. Essa é uma hipótese da Mecânica do Contínuo
Clássica e que se aplica para a maioria dos materiais empregados na engenharia.
Esses binários distribuídos podem existir em materiais magnéticos ou materiais
polarizados sujeitos a um campo magnético ou um campo elétrico, respectivamente. Ao
fazermos a área A tender a zero, contendo sempre o ponto P, todas as distâncias
entre os pontos de aplicação das forças distribuídas e o ponto P tendem a se anular e
assim a razão M A
tende a zero. Veja a figura 2.33.
Atenção:
0 0A F
mas a razão F
A
número finito!
Exemplo ilustrativo:
0,00000110
0,0000001 !
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.83
Figura 2.33 Momento da força resultante F
em relação ao ponto P.
O momento resultante M
pode ser escrito como
M r F
. (2.8)
Dividindo a equação (2.8) por A , podemos escrever
M Fr
A A
. (2.9)
O limite de (2.9) com A tendendo a zero pode ser escrito como
0 0 0 0
lim lim lim limA A A A
M F Fr r
A A A
. (2.10)
Quando 0A , 0r
e como as forças distribuídas sobre a área A são assumidas
como limitadas, de modo que o limite (2.6) existe e é finito, então temos
( )
0 0lim 0 lim 0n
A A
M Mt
A A
. (2.7)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.84
O vetor tensão num ponto do sólido depende da orientação do plano associado
passando pelo ponto. O seguinte exemplo ilustra de um modo simples este fato. Seja
uma barra sujeita a uma tração uniforme com resultante F, cuja área 0A da seção
transversal deformada se mantém constante ao longo da barra. A figura 2.34 mostra a
barra “seccionada” por três planos com orientações diferentes, mas passando pelo
mesmo ponto P.
Figura 2.34 Barra carregada sob tração uniforme
As forças resultante que atuam na barra, nas seções de “corte” 0, 1 e 2 são as
mesmas, mas o módulo do vetor tensão no ponto P segundo o plano 0 é maior que o
módulo do vetor tensão no mesmo ponto segundo os planos 1 e 2 porque a área 0A é
menor que as áreas A1 e A2. Esse exemplo nos mostra que a tensão num ponto não
fica completamente determinada apenas pelo seu módulo, direção e sentido
(necessários para a definição de um vetor), mas também pela especificação de um
outro vetor que define a orientação do plano sobre o qual a tensão atua. Uma vez dado
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.85
o plano, pela sua orientação, a tensão sobre o ponto, associada com aquele plano, é
um vetor. Por isso o sobrescrito n é necessário para indicar o plano ao qual está
associado o vetor tensão ( )nt
. Então, se diversos vetores tensões atuam num ponto
sobre um mesmo plano, a sua resultante é obtida simplesmente pela soma vetorial.
Mas não podemos fazer a simples soma vetorial de vetores tensões atuando em planos
diferentes passando pelo mesmo ponto. Devemos ter sempre em mente as seguintes
características do vetor tensão:
a dimensão física da tensão é força por unidade de área. No Sistema
Internacional é o Pascal (Pa), que é 2N m . No Sistema Inglês é o psi, que
é lb / in2;
o vetor tensão é definido em um ponto do sólido sobre um plano
imaginário e depende da orientação desse plano;
o vetor tensão é um vetor equivalente à interação do material de uma
parte do sólido sobre a outra parte através da superfície de “corte”
(Princípio da Tensão de Cauchy). Isso é ilustrado de modo simples pela
figura 2.35.
Figura 2.35 Princípio da Tensão de Cauchy
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.86
Pela terceira Lei de Newton (Princípio da Ação e Reação), escrevemos
( ) ( )n nt t
, (2.11)
Na prática é usual decompor a força F
segundo um sistema de eixos
retangulares Cartesianos (n,s,t) definido sobre o plano que contém a área A , com o
eixo n normal ao plano e os eixos s e t tangentes ao plano, conforme mostra a figura
2.36.
Figura 2.36 Componentes da força F
segundo o sistema (n,s,t)
Então podemos definir as tensões médias, normal e de cisalhamentos sobre a
área A como os vetores
n
N
A
s
ns
V
A
t
nt
V
A
. (2.12)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.87
A barra (-) sobre os símbolos usados para indicar as tensões significa que os módulos
desses vetores são valores médios sobre a área A .
As tensões de cisalhamento necessitam de dois índices para defini-las
corretamente. O primeiro índice indica a orientação do plano sobre o qual ela está
atuando e o segundo índice indica a sua direção. Para a tensão normal, a qual é
perpendicular ao plano, é comum se usar apenas um índice, o qual indica o plano sobre
o qual ela atua.
Se fizermos a área A tender a zero e sempre contendo o ponto P, os limites
das tensões dadas pelas equações (2.12) são os vetores componentes do vetor tensão
( )nt
atuando sobre o ponto P, associado ao plano dado pela orientação n , segundo o
sistema de coordenadas (n,s,t) escolhido sobre esse plano. A figura 2.37 ilustra a
decomposição do vetor tensão ( )nt
.
Figura 2.37 Componentes do vetor tensão ( )nt
segundo o sistema (n,s,t)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.88
Os vetores componentes do vetor ( )nt
são, portanto, definidos como
0limn A
N dN
A dA
0
lim s sns A
V dV
A dA
0
lim t tnt
V dV
A dA
. (2.13)
Assim, podemos escrever o vetor tensão ( )nt
, segundo o sistema de coordenadas
Cartesianas (n,s,t)
( )nn ns ntt
. (2.14)
Mas, como
ˆn nn ˆns nss ˆ
nt ntt ,
onde
n
dN
dA
s
ns
dV
dA t
nt
dV
dA ,
podemos então escrever
( ) ˆˆ ˆnn ns ntt n s t
. (2.15)
Os vetores n , s e t são os vetores bases do sistema (n,s,t).
A seguir vamos considerar um sólido sob ação de cargas externas e um sistema
de coordenadas Cartesianas retangulares (x,y,z) para descrevê-lo, conforme mostra a
figura 2.38.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.89
Figura 2.38 Sólido sob cargas externas.
Seja um ponto P do sólido, pelo qual passaremos planos de “corte” S paralelos
aos planos coordenados yz, xz e xy. Os vetores unitários normais n de cada um desses
planos são respectivamente i , j e k (vetores bases do sistema de coordenadas
considerado). Os vetores tensões atuando sobre o ponto P, associados a esses planos
serão respectivamente representados por ( )xt
, ( )yt
e ( )zt
. As figuras 2.39-2.41
ilustram o que foi descrito
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.90
( ) ˆˆ ˆx
x xy xzt i j k
.
Figura 2.39 Plano de “corte” S paralelo ao plano yz.
( ) ˆˆ ˆyyx y yzt i j k
.
Figura 2.40 Plano de “corte” S paralelo ao plano xz.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.91
( ) ˆˆ ˆzzx zy zt i j k
.
Figura 2.41 Plano de “corte” S paralelo ao plano xy.
Um plano de “corte” S passando por um ponto do sólido possui duas faces, cada
uma sendo definida por um vetor normal unitário apontando para quem as observa,
conforme mostra a figura 2.42. Para facilitar a visualização e também a sua
compreensão desenhamos o plano S normal ao plano da figura.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.92
Figura 2.42 Faces do plano de “corte” S
Da figura 2.42 observamos que o vetor tensão ( )nt
representa a interação do
material da parte I do sólido sobre o material da parte II, no ponto P, através do plano S
com orientação n e o vetor ( )nt representa a interação do material da parte II sobre o
material da parte I, no mesmo ponto, através do plano S com orientação n . Pelo
Princípio de ação e reação (Terceira Lei de Newton) podemos escrever novamente a
equação (2.11)
( ) ( )n nt t
. (2.11)
A equação (2.11) nos dá uma informação que ressalta a dependência do vetor
tensão atuando num ponto, do vetor que orienta o plano associado passando pelo
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.93
ponto, pois ao se inverter a orientação do plano, conseqüentemente o vetor tensão
também teve a sua orientação invertida.
Agora, voltemos às figuras 2.39-2.41. Nessas figuras as faces observadas dos
planos de “corte” yz, xz e xy têm suas orientações dadas pelos vetores unitários i , j e
k , respectivamente e o usual é denominá-las de faces x, y e z. Como os vetores que
as orientam estão no sentido positivo dos eixos coordenados elas são denominadas
como faces positivas. Consequentemente, as faces opostas são denominadas faces
negativas. A partir da equação (2.11) podemos escrever
Face (x) e (-x):
( ) ( )x xt t
(2.16)
( ) ˆˆ ˆxx xy xzt i j k
( ) ˆˆ ˆx
x xy xzt i j k
(2.17)
Face (y) e (-y):
( ) ( )y yt t
(2.18)
( ) ˆˆ ˆyyx y yzt i j k
( ) ˆˆ ˆy
yx y yzt i j k
(2.19)
Face (z) e (-z):
( ) ( )z zt t
(2.20)
( ) ˆˆ ˆzzx zy zt i j k
( ) ˆˆ ˆz
zx zy zt i j k
(2.21)
Para facilitar a visualização das faces opostas, é comum adotar-se o seguinte
procedimento: desenham-se as faces positivas e as negativas ligeiramente afastadas
umas das outras de modo que o ponto P fica centrado num volume elementar. Mas
devemos ter sempre em mente que as distâncias entre as faces opostas são apenas
para facilitar a visualização, ou seja, elas não existem na realidade. A figura 2.43 ilustra
o procedimento descrito acima, para um plano de “corte” S paralelo ao plano yz, ou
seja, normal ao eixo x.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.94
Figura 2.43 (a) plano de “corte” S no ponto P normal ao eixo x; (b) vista lateral do “corte”; (c) diagrama de corpo livre da parte II do sólido; (d) diagrama de corpo livre da parte I do sólido; (e) face (x) desenhada
afastada do plano S; (f) face (-x) desenhada afastada do plano S; (g) vetores tensões ( )xt
, ( )xt e suas respectivas componentes atuando sobre as faces (x) e (-x) desenhadas afastadas do plano de “corte” S.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.95
Para se determinar o vetor tensão atuando no ponto P sobre o plano de corte S
normal ao eixo x, nós consideramos o equilíbrio da parte I ou da parte II do sólido
“cortado” por S, conforme a figura 2.43 (a),(b).
A figura 2.43 (c) é o diagrama de corpo livre da parte II com as cargas externas
aplicadas e o vetor tensão ( )xt
, o qual representa a ação da parte I sobre a parte II do
sólido, atuando no ponto P sobre a face (x) do plano S.
Enquanto que a figura 2.43 (d) é o diagrama de corpo livre da parte I com as
cargas externas aplicadas e o vetor tensão ( )xt , o qual representa a reação da parte II
sobre a parte I do sólido, atuando no ponto P sobre a face (-x) do plano S.
A fim de facilitar a visualização, como já foi dito anteriormente, costuma-se
desenhar as duas faces do plano de “corte”, com os vetores tensões, afastadas uma da
outra, conforme mostra a figura 2.43 (e),(f).
A figura 2.43 (g) resume os resultados, apresentando os vetores tensões ( )xt
,
( )xt e suas respectivas componentes, sobre as faces (x) e (-x), atuando no ponto P, o
qual é desenhado centrado entre essas duas faces do plano S, que passa por esse
ponto.
Procedendo-se do mesmo modo acima descrito, também para planos de “corte”
passando pelo ponto P e normais aos eixos y e z, obteremos, no final, um pequeno
paralelepípedo elementar com o ponto P no seu centro e os vetores tensões ( )xt
, ( )xt ,
( )yt
, ( )yt , ( )zt
e ( )zt , representados pelas suas respectivas componentes segundo o
sistema de coordenadas cartesianas xyz, sobre as faces positivas e negativas dos
planos de “corte” considerados, conforme as equações (2.16)-(2.21).
A figura 2.44 apresenta todos os resultados obtidos separadamente nas figuras
2.39-2.41 e 2.43, sobre o volume elementar em torno do ponto P do sólido sob ação de
forças externas.
Esse paralelepípedo elementar, com as componentes dos vetores tensões
desenhadas sobre suas faces, dispensando o uso dos vetores unitários ˆ ˆ,i j e k , é
usado apenas para se representar visualmente o estado de tensão em um ponto (a
definição será dada na seção 2.6) e não é para ser considerado como o diagrama de
corpo livre de um volume elementar extraído do interior do sólido sob carregamento.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.96
Figura 2.44 (a) Sentido positivo das componentes dos vetores tensões atuando no ponto P sobre as faces (+) e (-) dos planos de “cortes” paralelos aos planos cartesianos; (b) Representação visual normalmente empregada para o estado de tensão num ponto.
Na realidade, para a representação visual do estado de tensão num ponto é
suficiente desenharmos o cubo elementar mostrando apenas as componentes dos
vetores tensões atuando sobre as três faces positivas, conforme mostra a figura
2.44(b). As componentes atuando nas faces negativas decorrem naturalmente da
aplicação do Princípio da ação e reação (terceira lei de Newton).
Assim, a convenção para sinal das componentes dos vetores tensões atuando
nas faces do paralelepípedo elementar resulta naturalmente das equações (2.16)-
(2.21), ou seja:
Componentes positivas atuando nas faces positivas têm o mesmo sentido dos
eixos do sistema de coordenadas;
Componentes positivas atuando nas faces negativas têm sentido contrário dos
eixos do sistema de coordenadas;
Componentes negativas atuando nas faces positivas têm sentido contrário dos
eixos do sistema de coordenadas;
Componentes negativas atuando nas faces negativas têm o mesmo sentido dos
eixos do sistema de coordenadas.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.97
2.6 ESTADO DE TENSÃO EM UM PONTO O termo estado de tensão nos dá a idéia da intensidade das forças internas que se
desenvolvem no sólido.
Conhecendo-se apenas os vetores tensões que atuam num ponto considerado e
sobre três planos quaisquer mutuamente perpendiculares passando por esse ponto, é
possível se determinar o vetor tensão no ponto segundo um plano com orientação
arbitrária . Isso foi demonstrado por Cauchy e publicado em 1823.
Para isso, imagine um diagrama de corpo livre de uma região do sólido contendo
o ponto P, desenhado como um tetraedro por meio de três planos passando pelo ponto
P e normais aos eixos de coordenadas Cartesianas retangulares (x,y,z) e um quarto
plano com a orientação a uma distância h de P. A figura 2.45 mostra esse tetraedro
elementar.
O vetor unitário normal ao plano ABC, segundo o sistema de coordenadas
Cartesianas (x, y, z) é escrito
ˆˆ ˆˆ l i m j nk , (2.22) onde
cosl CPN cosm APN cosn BPN (2.23)
são os cossenos diretores do vetor segundo sistema (x, y, z).
Os triângulos retângulos CNP , ANP e BNP têm hipotenusas CP , AP e
BP . A altura h, medida entre o ponto P e o plano ABC, é dada por
cosh PC CPN PC l
cosh PA APN PAm
cosh PB BPN PBn (2.24)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.98
Figura 2.45 (a) Tetraedro elementar contendo o ponto P no interior do sólido; (b) Vértices A, B, C e P do tetraedro; (c) Grandezas geométricas a serem definidas para o tetraedro considerado; (d) Tetraedro desenhado rotacionado para auxiliar a sua visualização.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.99
O volume do tetraedro é igual a um terço da altura multiplicada pela área da
base. As áreas das bases são definidas como
1S área definida por APB
2S área definida por BPC
3S área definida por APC
S área definida por ABC.
Assim, o volume do tetraedro é dado por
1
3V h S
1
1
3V PC S
2
1
3V PA S
3
1
3V PB S . (2.25)
Então podemos escrever
1 1 1
1 1
3 3h S PC S PC l S PC S S l S (2.26)
2 2 2
1 1
3 3h S PA S PAm S PA S S m S (2.27)
3 3 3
1 1
3 3h S PB S PBn S PB S S n S (2.28)
A figura 2.46 mostra o diagrama de corpo livre do tetraedro com as forças
aplicadas sobre ele. Essas forças são: a força de corpo representada pelo seu peso e
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.100
as forças de superfícies aplicadas pelo material externo ao volume do tetraedro.
Podemos considerar a intensidade dessas forças internas de superfícies como dada
pelos valores médios dos vetores tensões atuando sobre a área de cada lado do
tetraedro (Teorema do Valor Médio).
Figura 2.46 Diagrama de corpo livre do tetraedro com as forças aplicadas sobre ele.
Da figura 2.46 temos: *b V
(força de corpo), *( )xt , *( )yt , *( )zt e *( )t . O sobrescrito (*)
indica valores médios.
A equação vetorial de equilíbrio de forças para esse tetraedro escreve-se
*( ) * *( ) *( ) *( )1 2 30 0x y zF t S b V t S t S t S
, (2.29)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.101
enquanto que a equação 0M
de equilíbrio de momentos das forças em relação a
qualquer ponto será naturalmente satisfeita quando tomarmos o limite com 0V ,
pois todas as dimensões do tetraedro elementar tenderão a zero e consequentemente
os vetores tensões convergirão para o mesmo ponto P. Isso é verdade para um meio
contínuo clássico, o qual é assumido livre de binários distribuídos por unidade de
volume ou de área.
Substituindo-se em 2.29 a primeira das equações (2.25) e as equações (2.26-
2.28) escrevemos
*( ) * *( ) *( ) *( )10
3x y zt S b h S t l S t m S t n S
. (2.30)
Dividindo-se a equação (2.30) por S e rearranjando os termos escrevemos
*( ) * *( ) *( ) *( )1
3x y zt b h l t m t n t
. (2.31)
No limite com 0V e as áreas também tendendo a zero simultaneamente e
contendo o ponto P, a altura 0h e o plano ABC passará pelo ponto P com a
orientação e a posição do ponto mantidas fixas. Pelo postulado da continuidade do
meio os vetores tensão são funções de posição, conseqüentemente os valores médios
*b
, *( )xt , *( )yt , *( )zt e *( )t tenderão para os valores locais no ponto P e o resultado
será uma expressão para o vetor tensão ( )t no ponto P associado ao plano com
orientação . Por exemplo, consideremos o vetor *( ) ( )1
x xt F S
,
1 1
*( )
( )*( ) ( )
1 0 01
0 0 0 lim lim
x
xx x
S S
t
FV h S l S t t
S
.
O mesmo se aplica aos vetores atuando nas outras áreas. Portanto, fazendo-se o limite
de (2.31) com 0 0V h obtemos
( ) ( ) ( ) ( )x y zt l t m t n t
. (2.32)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.102
Pela equação (2.11) podemos escrever
( ) ( )x xt t
( ) ( )y yt t
( ) ( )z zt t
. (2.33)
Substituindo-se as expressões (2.33) na equação (2.32) e rearranjando os
termos escrevemos
( ) ( ) ( ) ( )x y zt l t mt nt
. (2.34)
A equação (2.34) nos permite determinar o vetor tensão num ponto, sobre um
plano com uma orientação arbitrária e passando por esse ponto, quando
conhecemos os vetores tensões atuando sobre três planos mutuamente
perpendiculares contendo esse ponto.
Podemos substituir na equação (2.34) os vetores tensões sobre os planos
coordenados considerados, escritos em termos de suas componentes Cartesianas
( ) ˆˆ ˆxx xy xzt i j k
( ) ˆˆ ˆyyx y yzt i j k
( ) ˆˆ ˆzzx zy zt i j k
e agrupar convenientemente os termos de modo a obter
( ) ˆˆ ˆx yx zx xy y zy xz yz zt l m n i l m n j l m n k
. (2.35)
Definindo-se
x x yx zxt l m n
y xy y zyt l m n
z xz yz zt l m n , (2.36)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.103
podemos reescrever a equação (2.35)
( ) ˆˆ ˆx y zt t i t j t k
. (2.37)
A figura 2.47 mostra o vetor tensão ( )t e suas componentes segundo o sistema
Cartesiano (x, y, z) sobre o plano ABC passando pelo ponto P, mas desenhado
convenientemente afastado apenas para facilitar a visualização. Na realidade o ponto
P’, mostrado afastado na figura, é coincidente com P.
Figura 2.47 (a) Vetor tensão ( )t e suas componentes Cartesianas; (b) Tetraedro rotacionado para auxiliar a visualização do vetor tensão e suas componentes;(c) tetraedro mostrando apenas o vetor tensão ( )t e suas componentes cartesianas
As equações (2.36) podem ser escritas como uma única equação matricial
( )x x yx zx
T
y xy y zy
y xz yz z
t l
t m t T
t n
. (2.38)
As expressões (2.38) são conhecidas como equações ou fórmulas de Cauchy.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.104
A equação (2.38) representa uma transformação linear entre o vetor , o qual
define a orientação do plano, e o vetor tensão ( )t atuando no ponto segundo esse
plano. Essa equação nos dá as componentes do vetor tensão ( )t no sistema
Cartesiano adotado. A matriz quadrada
xx xy xz x xy xz
yx yy yz yx y yz
zx zy zz zx zy z
T
(2.39)
que opera essa transformação é também denominada de tensor tensão (é um tensor de
ordem 2) . Ela representa o estado de tensão no ponto P segundo o sistema de
coordenadas Cartesianas retangulares (x, y, z) considerado na análise.
A figura 2.48 é uma representação geométrica do estado de tensão, segundo um
sistema de coordenadas cartesianas (x,y,z), num ponto P de um sólido, dado pela
matriz T da equação (2.39). Os sentidos das setas são os sentidos positivos das
componentes dadas pelos termos da matriz T .
Figura 2.48 Representação geométrica do estado de tensão num ponto P do sólido.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.105
Exemplo 2.18
O estado de tensão em um ponto P é dado por
7 0 2
0 5 0
2 0 4
T
.
Determinar o vetor tensão atuando no ponto P, sobre o plano cuja normal unitária é
2 2 1 ˆˆ ˆˆ3 3 3
i j k .
Solução
A equação (2.38) nos dá
T
x x xy xz
y yx y yz
y zx zy z
t l
t m
t n
onde 7 0 2 2 3
0 5 0 2 3
2 0 4 1 3
T
Substituindo na equação
7 0 2 2 3 4
0 5 0 2 3 10 3
2 0 4 1 3 0
x x
y y
z z
t t
t t
t t
ou ( ) 10 ˆˆ ˆ4 03
t i j k
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.106
Exemplo 2.19
O estado de tensão em um ponto do sólido é dado pelo tensor tensão
a b
T a c
b c
,
onde a, b, c são constantes e é algum valor de tensão. Determine as constantes a, b,
c tais que o vetor tensão sobre o plano dado por
1 1 1 ˆˆ ˆˆ3 3 3
i j k se anula.
Solução
A equação (2.38) nos dá
T
x x xy xz
y yx y yz
y zx zy z
t l
t m
t n
onde 1 3
1 3
1 3
a b
T a c
b c
Substituindo na equação e impondo a condição de que o vetor 0
0
0
t
, escrevemos
1 30
0 1 3
0 1 3
a b
a c
b c
Efetuando o produto das matrizes, escrevemos as seguintes três equações
0 13 3 3
a ba b
0 13 3 3
a ca c
0 13 3 3
b cb c
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.107
Das duas primeiras equações obtemos 1 1 0b c b c
Substituindo na terceira equação obtemos
1 11
2 2b b b c
Substituindo na primeira equação obtemos 1 1
12 2
a a
Então o tensor T (estado de tensão no ponto) é dado por
2 2
2 2
2 2
T
▲
Exemplo 2.20
Num sistema de coordenadas cartesianas ortogonais xyz, o estado de tensão em
um ponto é dado pela matriz
30 50 60
50 20 45
60 45 10
T
MPa.
Determine o vetor tensão que atua no plano que passa por esse ponto e cuja normal é
paralela ao vetor ˆˆ ˆi j k .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.108
Solução
Como a normal ao plano é paralela ao vetor ˆˆ ˆu i j k
, então o vetor unitário normal a
esse plano é dado por
ˆ 1
2 2 2ˆˆ ˆ1 1 1 1 1 1 3u i j k u
Então escrevemos
1 3
1 1 1 1 ˆˆ ˆˆ ˆ1 1 33 3 3
1 3
u i j ku
O vetor tensão dado em coordenadas cartesianas se escreve
( ) ˆˆ ˆx y zt t i t j t k
Pela equação (2.38) escrevemos
1 330 50 60 28
550 20 45 1 3 23
360 45 10 231 3
x xT
y y
z z
t t
t T t t Mpa
t t
Ou em forma vetorial
( ) 140 115 115 ˆˆ ˆ3 3 3
t i j k
▲
Exemplo 2.21
A matriz de componentes retangulares que representa o estado de tensão em
um ponto de um sólido é dada abaixo, exceto que x não é dado. Determine x tal que
haja um plano passando pelo ponto, sobre o qual o vetor tensão seja nulo e determine
a normal unitária deste plano.
2 1
2 0 2
1 2 0
x
T
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.109
Solução
A partir da equação (2.38) escrevemos
( )
T
x x xy xzT
y yx y yz
y zx zy z
t l
t T t m
t n
.
Substituindo os dados do problema na equação acima, temos
0 2 1
0 2 0 2
0 1 2 0
x l
m
n
um sistema homogêneo de equações lineares. Mas a solução
trivial, 0l m n não pode ser admitida porque esses cossenos diretores do vetor
unitário normal ao plano procurado devem satisfazer a seguinte equação:
2 2 2 2ˆ ˆ1 1l m n .
Para que o sistema de equações tenha solução diferente da trivial o determinante dos
coeficientes das incógnitas deve ser nulo, ou seja:
2 1
det 0 2 0 2 0 8 4 0 2
1 2 0
xT
x xT
.
Substituindo o valor encontrado para x no sistema de equações, escrevemos
2 2 1 0 2 2 0
2 0 2 0 2 0 2 0
1 2 0 0 2 0 0
l l m n
m l m n
n l m n
ou
2 2 0l m n
2 2 0 02 2 2 0
2 0
l n l nl n l m l m n
l m
(1ª equação)
Esse sistema tem apenas duas equações independentes, pois a primeira é uma
combinação linear da segunda com a terceira equação. Então, tomamos a segunda e a
terceira equações e mais a equação quadrática
2 2 2 2ˆ 1l m n .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.110
Assim, escrevemos
2
2 2 21
2 2 2 3
l n nl n e m n n n
Então,
2
3l n l e
1
2 3
nm m .
Portanto, podemos escrever
2 1 2 ˆˆ ˆˆ3 3 3
i j k .
Comentário:
Os dois vetores unitários obtidos indicam as duas faces do mesmo plano normal
a eles. Como o vetor tensão atuando no ponto sobre esse plano é nulo, é
indiferente dar um ou outro vetor como resposta. Se o vetor tensão não fosse
nulo, o sistema de equações obtidos a partir da equação de Cauchy para as
tensões (equação 2.38) não seria homogêneo e seria um sistema determinado,
ou seja, com solução única. Desse modo, o vetor unitário que seria obtido
indicaria a face onde o vetor tensão estaria atuando. ▲
Uma observação muito importante a ser enfatizada com relação à transformação
linear (2.38) é que o operador linear cujas componentes são os elementos da matriz
x xy xz
yx y yz
zx zy z
T
,
é invariante se o sistema cartesiano ortogonal xyz for substituído por um outro sistema
cartesiano ortogonal x’y’z’ . A evidência para tal afirmação se baseia no seguinte fato: o
vetor , quando mudamos de um sistema para outro tem as suas componentes
alteradas, mas permanece invariante como o próprio significado geométrico de um vetor
nos ensina. O mesmo pode ser dito com relação ao vetor ( )t .
Portanto, o operador linear T que transforma uma quantidade invariante (vetor
), numa outra que também é invariante (vetor ( )t ) deverá ser também invariante. A
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.111
esse operador linear T que transforma o vetor no vetor ( )t , denominamos tensor
tensão de Cauchy. Ele é um tensor de segunda ordem. O termo “tensor” decorre
exatamente de tensão e foi assim denominado, pelo físico alemão Woldemar Voigt, que
foi quem pela primeira vez identificou a característica de invariância dessa quantidade
ao estudar as tensões de um sólido deformado sob ação de cargas externas.
Portanto, o estado de tensão em um ponto é representado por um tensor de
segunda ordem, o tensor tensão. Ele tem nove componentes que podem ser agrupadas
numa matriz quadrada de ordem 3, mas como veremos, somente seis são
independentes ( , , , , ,x y z xy yx xz zx yz zy ). Para esse tensor podemos dar uma
interpretação física a cada linha de sua matriz: a primeira contém as componentes do
vetor tensão que atua no plano que passa pelo ponto e é normal ao eixo x; a segunda
linha contém as componentes do vetor tensão que atua no plano que passa pelo ponto
e é normal ao eixo y; e a terceira linha contém as componentes do vetor tensão que
atua no plano que passa pelo ponto e é normal ao eixo z.
Finalmente, enfatizamos que a importante equação (2.34) ou a sua forma
matricial (2.38), que é mais empregada, nos permite determinar o vetor tensão ( )t em
um ponto, atuando sobre um plano com uma orientação arbitrária passando pelo
ponto, quando conhecemos os vetores tensões (ou as suas componentes) atuando
nesse ponto, associados a apenas três planos mutuamente perpendiculares passando
pelo ponto.
Simetria do Tensor Tensão
Como já foi mencionado, a matriz [T] que representa o tensor tensão num ponto do
sólido, sob ação de forças externas é simétrica, ou seja, os termos localizados
simetricamente em relação à diagonal principal são iguais. Isto é verdade desde que a
hipótese 0
lim 0A
M A
seja válida. A seguir apresentamos uma demonstração
simplificada da simetria do tensor tensão. Essa demonstração será apresentada de
maneira mais detalhada quando deduzirmos as equações de equilíbrio de um ponto no
interior e no contorno de um sólido sob cargas externas.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.112
Seja o bloco elementar extraído do interior do sólido na configuração deformada,
sujeito a um estado de tensão uniforme, conforme mostra a figura 2.49.
Figura 2.49 Bloco elementar de x , y e z com as componentes dos vetores tensões atuando nas faces positivas e negativas.
Escrevendo-se as equações de equilíbrio de momentos em relação ao ponto
P,em torno dos eixos z, y e x, considerando-se as figuras 2.49(b)(c)(d)
0 02 2 2 2P xy xy yx yxz
x x y yM y z y z x z x z
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.113
0 02 2 2 2P xz xz zx zxy
x x z zM y z y z x y x y
0 02 2 2 2P zy zy yz yzx
z z y yM x y x y x z x z
.
Dividindo-se por V x y z e fazendo-se o limite com 0V obtemos
0xy yx xy yx
0xz zx xz zx
0yz zy yz zy . (2.40)
Não se considerou a contribuição das forças de corpo para os momentos em
relação ao ponto P, ao se escrever as equações de equilíbrio acima, porque essas
parcelas de momentos desaparecem no limite quando V tende a zero. Por exemplo,
seja parcela de momento da componente de força de corpo na direção x
P x yzM b V a ,
onde V x y z e ya é o braço de momento da força xb V em relação ao ponto P.
Então, dividindo-se por V e fazendo-se o limite com 0V obtemos
0 0lim lim 0P z
x yV V
Mb a
V
,
porque 0ya quando 0V . As mesmas considerações podem ser feitas para as
componentes da força de corpo nas direções y e z.
As equações (2.40) mostram que, em planos perpendiculares, as componentes
de cisalhamento perpendiculares à reta de interseção dos planos são iguais e apontam
para essa reta ou em sentido contrário. Veja os exemplos ilustrados na figura 2.50.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.114
Figura 2.50 Componentes de tensão de cisalhamento perpendiculares à reta de interseção de planos mutuamente perpendiculares onde atuam. Finalmente, com os resultado das equações (2.40) a matriz T que representa o
estado de tensão num ponto, pode ser escrita
x xy xz
xy y yz
xz yz z
T
,
evidenciando-se desse modo a sua simetria.
Consideremos agora a decomposição do vetor tensão numa componente normal
e outra componente tangencial ao plano sobre o qual ele atua. O conhecimento dessas
componentes do vetor tensão é importante em uma análise de tensões de um elemento
estrutural.
Já vimos que o vetor tensão ( )t atuando sobre um ponto P segundo um plano
passando por esse ponto cuja normal unitária é o vetor é dado pela equação (2.37),
aqui repetida.
( ) ˆˆ ˆx y zt t i t j t k
.
onde, pelas equações (2.36) reescritas já se considerando a simetria do tensor tensão,
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.115
x x xy xzt l m n
y xy y yzt l m n
z xz yz zt l m n ,
Essas componentes do vetor tensão são escritas no sistema cartesiano
ortogonal xyz adotado. A figura 2.51 mostra o vetor tensão ( )t e suas componentes. O
plano passando por P com a orientação é o plano ABC do tetraedro da figura 2.47
após a aplicação do limite com 0h , ou seja, o ponto P’ coincidindo com o ponto P.
Figura 2.51 Vetor tensão ( )t e suas componentes segundo o sistema cartesiano xyz.
O vetor tensão ( )t pode ser decomposto em duas componentes. Uma
componente normal (
) e outra tangencial (
) ao plano. A componente
tem a
direção paralela ao vetor , enquanto que a componente
é perpendicular a esse
vetor. Veja a figura 2.52.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.116
Figura 2.52 Componentes normal e tangencial (cisalhamento) do vetor tensão sobre o
plano com orientação .
Como a componente normal ao plano é a projeção do vetor ( )t sobre a linha de
ação do vetor , então ela é obtida calculando-se o produto escalar entre esses dois
vetores. Então, escrevemos
( ) ( )ˆ ˆ cost t
, (2.41)
onde é o ângulo entre os vetores ( )t e , ou substituindo-se os vetores ( )t e
pelas suas componentes cartesianas
( ) ˆˆ ˆx y zt t i t j t k
e ˆˆ ˆˆ l i m j nk
e fazendo-se o produto escalar, lembrando-se que
ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ 1i i j j k k
ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ 0i j i k j k
obtemos
ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆx y z x y zt i t j t k li mj nk l t mt nt (2.42)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.117
Agora, substituindo na equação (2.42) as componentes do vetor tensão
x x xy xzt l m n
y xy y yzt l m n
z xz yz zt l m n ,
efetuando os produtos e agrupando-se os termos convenientemente, obtemos
2 2 2 2x y z xy xz yzl m n lm ln mn . (2.43)
A equação (2.41) também pode ser escrita na forma matricial
( ) ( )ˆ
T
xT
y
z
t l
t t t m
t n
. (2.44)
Da figura 2.52 podemos determinar o módulo da componente de cisalhamento
do vetor tensão ( )t , tangencial ao plano dado por , escrevendo-se
2 22 2( ) ( ) 2t t
. (2.45)
Exemplo 2.22
O estado de tensão em um ponto de um sólido sob cargas é representado por
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.118
onde as tensões são expressas em N/cm2. Pede-se determinar as componentes,
normal e de cisalhamento, do vetor tensão que atua no ponto e sobre o plano passando
por esse ponto, cuja normal tem os seguintes cossenos diretores:
1 2 2, ,
3 3 3l m n .
Solução
O tensor tensão (estado de tensão) no ponto considerado é dado por
200 400 300
400 0 0
300 0 100
x xy xz
xy y yz
xz yz z
T
As componentes do vetor tensão atuando no ponto considerado e sobre o plano
orientado pelo vetor normal unitário
1 2 2 ˆˆ ˆˆ3 3 3
i j k
são obtidas através da equação (2.38)
2
200 400 300 1 3 533
400 0 0 2 3 133 /
300 0 100 2 3 167
x xT
y y
z z
t t
t T t t N cm
t t
Então podemos escrever na forma vetorial
( ) ˆˆ ˆ533 133 167t i j k
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.119
A componente do vetor tensão, normal ao plano é dada pela equação (2.42)
21 2 2ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ533 133 167 378 /3 3 3
i j k i j k N cm
A componente de cisalhamento é dada pela equação (2.44)
2( ) 2t
,
onde:
2( ) 2 2 2533 133 167t
e 2 2378 . Substituindo na equação acima obtemos
2 2 2 2 2533 133 167 378 432 /N cm
A componente normal ao plano poderia ser obtida fazendo-se o produto escalar dos
vetores escritos na forma matricial, equação (2.43), como a seguir:
2
533 1 3 1 3
133 2 3 533 133 167 2 3 378 /
167 2 3 2 3
T
Tt N cm
▲
Exemplo 2.23
Para o estado de tensão num ponto do sólido, representado por
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.120
onde as tensões são dadas em N/cm2. Pedem-se as tensões, normal e de cisalhamento
no plano ABCD.
Solução
A partir da representação geométrica do estado de tensão no ponto escrevemos
2200 / 0x xy xz yzN cm
2100 /y N cm
2100 /z N cm
As componentes do vetor unitário , normal ao plano ABCD, são os seus cossenos
diretores segundo o sistema de coordenadas cartesianas retangulares adotado, ou
sejam:
ˆcos , cos 90 0ol x l
2ˆcos , cos 45
2om y m
2ˆcos , cos 45
2on z n
Então escrevemos 2 2 ˆˆ ˆˆ 0
2 2i j k
A partir da equação (2.42) escrevemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.121
2 2 21 1 1 1 1 1 1 1 12x y z xy xz yzl m n l m l n m n
2 2
2 2 2 2 2 2 20 200 100 100 2 0 0 0 0 0
2 2 2 2 2 2
Então a componente normal é obtida: 0
A componente de cisalhamento é dada pela equação (2.44)
2( ) 2t
,
onde o vetor tensão ( )t pode ser obtido a partir da equação (2.38)
0200 0 0
0 100 0 2 2
0 0 100 2 2
T
x x yx zx x
y xy y zy y
z xz yz z z
t l t
t m t
t n t
2 22 2( ) ( )
0
50 2 50 2 50 2 10000
50 2
x
y
z
t
t t t
t
Então, podemos escrever
2( ) 2 210000 0 100 /t N cm
Observamos, portanto, que o vetor tensão ( )t está contido no próprio plano ABCD pois
a sua componente normal é nula, ou seja, ele é igual à componente de cisalhamento.
Veja a figura abaixo.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.122
( ) ˆˆ50 2 50 2t j k
▲
Exemplo 2.24
Em um ponto de um sólido sob cargas, a matriz de tensões (estado de tensão),
referida aos eixos xyz tem as suas componentes (ksi)
36 27 0
27 36 0
0 0 18
.
Encontre:
a) as três componentes retangulares do vetor tensão atuando num plano através do
ponto, com normal unitária (2/3, -2/3, 1/3);
b) a magnitude do vetor tensão de (a);
c) a sua componente na direção da normal ao plano;
d) o ângulo entre o vetor tensão e a normal ao plano.
Solução
a) Componentes do vetor tensão:
Vetor unitário normal ao plano: 2 2 1 ˆˆ ˆˆ3 3 3
i j k
A partir da equação (2.38) escrevemos
( )
36 27 0 2 3 6
27 36 0 2 3 42
0 0 18 1 3 6
x xT
y y
z z
t t
t T t t Ksi
t t
ou em forma vetorial ( ) ˆˆ ˆ6 42 6t i j k
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.123
b) Magnitude do vetor tensão:
Com o resultado de (a) escrevemos
2 22 2 2 2 2( ) ( )6 42 6 43x y zt t t t t ksi
c) Componente na direção normal ao plano:
A partir da equação (2.41) escrevemos
( ) 2 2 1ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆˆ 6 42 6 223 3 2
t i j k i j k Ksi
.
Em forma vetorial: ˆ22
d) Ângulo entre o vetor tensão e a normal ao plano:
A equação (2.41) nos dá
( ) ( )ˆ ˆ cost t ,
onde é o ângulo entre o vetor tensão ( )t e o vetor unitário normal ao plano.
Substituindo os valores encontrados em (b) e (c), e levando em conta que o
módulo do vetor é igual a 1, escrevemos
22 43 1 cos 120,8o
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.124
PROBLEMAS
Problema 2.26
O estado de tensão num ponto de um corpo, dado num sistema de coordenadas
retangulares xyz é
100 0 0
80 60
60
x xy xz
y yz
z
T
MPa.
Os vetores unitários nas direções x, y, z são designados por ˆˆ ˆ, ,i j k ,
respectivamente. O vetor unitário normal a uma superfície particular neste ponto é
1 1 1 ˆˆ ˆˆ2 2 2
i j k .
Determine o vetor tensão sobre essa superfície neste ponto e determine também
a componente de tensão normal n .
Resposta:
( ) ˆˆ ˆ50 2,43 72,43t i j k
77, 43n MPa
Problema 2.27
O tensor tensão num ponto de um sólido carregado é dado, num sistema de
coordenadas cartesianas xyz, por
0 1 2
1 1
2 1 0yT
,
com y não especificado. Determine y tal que o vetor tensão sobre algum plano
passando por esse ponto seja nulo. Dê o vetor unitário normal para esse plano.
Resposta: 1y 1 ˆˆ ˆˆ 26
i j k
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.125
Problema 2.28
A matriz de componentes cartesianas retangulares de tensão num ponto é
mostrada abaixo (Ksi). Determine o vetor orientação tal que o vetor tensão num plano
normal a tem as componentes 0x yt t e determine zt neste plano.
2 0 4
0 3 6
4 6 0
T
Resposta: 2 2 1 ˆˆ ˆˆ3 3 2
i j k 20
3zt
2 2 1 ˆˆ ˆˆ3 3 2
i j k 20
3zt
Problema 2.29
O estado de tensão através de um sólido é dado, segundo o sistema de coordenadas cartesianas xyz, pela matriz
2
2
3 5 0
5 0 2
0 2 0
xy y
T y z
z
Determine o vetor tensão atuando no ponto 2,1, 3P do plano cuja normal unitária é
1 3 ˆˆˆ2 2
j k .
Resposta: ( ) 5 ˆˆ ˆ3 32
t i j k
Problema 2.30
Um estado de tensão é definido por , , , , ,x y z xy xz yz . Qual é a tensão normal
num plano passando por esse ponto e cuja normal forma ângulos iguais com os eixos
do sistema de coordenadas cartesianas ortogonais xyz?
Resposta: 1 2
3 3x y z xy xz yz
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.126
Problema 2.31
A matriz de componentes retangulares que representa o estado de tensão em um ponto de um sólido é dada abaixo, exceto que x não é dado. Determine x tal que
haja um plano passando pelo ponto, sobre o qual o vetor tensão seja nulo e determine a normal unitária deste plano.
2 1
2 0 2
1 2 0
x
T
Resposta: 2 1 2 ˆˆ ˆˆ23 3 3x i j k
Problema 2.32
Um bloco retangular de madeira é carregado como mostra a figura abaixo.
Calcule a tensão normal e a tensão de cisalhamento num plano paralelo às fibras da
madeira. Considere os valores médios das tensões e atuando de modo uniforme em
todos os pontos do bloco.
Resposta: 2 23500 / 500 /
3lb in lb in
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.127
Problema 2.33
Determine a tensão normal e a tensão de cisalhamento num plano paralelo às
fibras do bloco de madeira mostrado na figura abaixo. Considere os valores médios das
tensões e atuando de modo uniforme em todos os pontos do bloco.
Resposta: 2 2186,9 / 113,6 /lb in lb in
Problema 2.34
Para a barra prismática em tração simples mostrada na figura abaixo, o estado
de tensão num ponto qualquer M é caracterizado por x p e as demais componentes
de tensão são nulas. Pede-se determinar o vetor tensão, bem como suas componentes
normal e de cisalhamento, num plano genérico de normal N paralela ao plano xy.
Resposta:
cos
0
0
Nx
Ny
Nz
t p
t
t
; 2cosN p ; 22N
psen
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.128
Problema 2.35
Demonstre a fórmula de Cauchy Tt T (equação 2.38), considerando-se
o tetraedro posicionado em relação aos eixos de coordenadas cartesianas xyz como na
figura a seguir.
Problema 2.36
O bloco retangular da figura é montado a partir de duas metades coladas uma na
outra. A junta falha se a tensão de cisalhamento excede 1000 psi (resistência da cola)
na interface. Considerando-se que o estado de tensão é uniforme no sólido, ou seja,
todos os pontos estão sob o mesmo estado de tensão, e ele é representado pelas
componentes
500 1000 0x xy z xz yzpsi psi
segundo o sistema de coordenadas xyz indicado na figura, determinar o conjunto de
valores que y pode assumir para que não ocorra a falha na junta, ou seja, para que a
tensão de cisalhamento no plano da interface não exceda 1000 psi. Resolver o
exercício por meio do vetor tensão atuando num ponto do plano de interface.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.129
Resposta: 3166,7 1000y psi
Problema 2.37
Resolver o problema 2.37 fazendo-se o equilíbrio de uma das partes,
considerando-se como plano de “corte” a superfície da interface, sob ação das forças
externas atuando nas suas faces e as forças internas exercidas pela outra parte sobre
os pontos da superfície de “corte”. Como o estado de tensão é uniforme, as forças
atuando nas faces do bloco podem ser tomadas como as componentes de tensão
multiplicadas pelas respectivas áreas.
Resposta: 3166,7 1000y psi
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.130
2.7 RELAÇÃO ENTRE TENSÃO E O SISTEMA RESULTANTE DE
FORÇAS INTERNAS
O propósito dessa seção é apresentar relações entre dois tópicos estudados em seções
anteriores e aplicá-las em problemas simples, mas de interesse prático, mantendo
desse modo o interesse do aluno no estudo da Mecânica dos Sólidos.
Na seção 2.3 vimos como determinar o sistema de forças internas numa seção
de “corte” de um sólido sob carregamento por meio das equações de equilíbrio escritas
para o diagrama de corpo livre de uma das partes do corpo. Esse é um procedimento
bastante usado para os elementos estruturais como barras e vigas.
Na seção 2.5 aprendemos como expressar as forças internas distribuídas sobre
uma seção do sólido por meio do vetor tensão atuando no ponto associado a um plano
passando pelo ponto. O vetor tensão nos dá, portanto, uma medida da intensidade
dessas forças distribuídas atuando em cada ponto da seção de “corte” definida pelo
plano associado.
Agora, vamos estudar as relações entre as tensões nos pontos de uma seção de
“corte” de um corpo e o sistema resultante de forças internas atuando sobre essa
seção. Os resultados aqui obtidos são aplicados usualmente na análise de elementos
estruturais simples como as barras e vigas.
A figura 2.53 mostra o diagrama de corpo livre de uma parte do sólido, obtida
pelo “corte” do plano S na seção de interesse.
A partir das definições das componentes das tensões médias dadas na seção
2.5, podemos representar a intensidade das forças distribuídas sobre a área elementar
A que contém o ponto P, pelas componentes do vetor tensão médio escritas segundo
o sistema de coordenadas cartesianas (n,s,t) adotado, com o eixo n normal e os eixos
s e t paralelos ao plano da seção, conforme a seguir. As componentes normal e de
cisalhamentos do vetor tensão médio atuando na área elementar A são indicadas por
n
, ns
e nt
, respectivamente.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.131
Figura 2.53 Componentes do vetor de tensão médio atuando na área A
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.132
A partir das definições apresentadas na seção 2.5, escrevemos
n n
NN A
A
(2.46)
sns s ns
VV A
A
(2.47)
tnt t nt
VV A
A
(2.48)
Como todos os vetores tensões atuando nos pontos da seção S associados ao
plano dado pelo vetor normal n serão escritos segundo o mesmo sistema de
coordenadas cartesianas (n,s,t) podemos considerar diretamente as suas
componentes e escrever
nN A (2.49)
s nsV A (2.50)
t ntV A (2.51)
Do mesmo modo podemos escrever os momento dessas forças, sobre a área
elementar A e atuando no ponto P, em relação aos eixos n,s e t do sistema de
coordenadas adotado.
n t s nt nsM T s V t V s t A (2.52)
s nM t N t A (2.53)
t nM s N s A (2.54)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.133
As componentes do sistema resultante de forças internas na seção S são obtidos
pela soma da contribuição de cada componente sobre cada área elementar A . No
limite, com 0A , as componentes dos vetores tensões médios tendem para os seus
valores em cada ponto da seção S e a sua soma é dada pelas integrais
n
S
N dA (2.55)
s ns
S
V dA (2.56)
t nt
S
V dA (2.57)
nt ns
S
T s t dA (2.58)
s n
S
M t dA (2.59)
t n
S
M s dA . (2.60)
Para efetuarmos a integrações acima devemos conhecer as funções n , ns e
nt contínuas sobre os pontos da área S.
As equações (2.55)-(2.60) nos dão as relações entre os esforços internos numa
seção de um sólido sob carregamento e as componentes de tensão que atuam sobre
os pontos desse plano, segundo o sistema de coordenadas cartesianas (n,s,t) adotado.
Essas componentes do sistema resultante de forças internas são as mesmas
calculadas na seção 2.3, por meio das equações de equilíbrio considerando-se as
forças externas aplicadas ao corpo.
A seguir apresentaremos algumas aplicações em elementos estruturais simples
como barras e vigas.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.134
2.7.1 BARRAS SOB CARGA AXIAL
Uma barra é definida como um elemento estrutural cuja geometria é tal que possui um
eixo longitudinal reto e a maior dimensão da seção transversal é pequena comparada
com o seu comprimento longitudinal.
A teoria de barras sob carga axial é apresentada em detalhe no capítulo 5 e se
aplica às barras prismáticas (seção transversal constante ao longo do seu eixo
longitudinal) e às barras de seções transversais com uma variação gradual pequena (o
ângulo entre os lados da barra deve ser menor que 20º).
Da cinemática da deformação das barras sob carga axial temos que as seções
transversais permanecem planas e normais ao eixo longitudinal após a deformação.
Assim, podemos concluir que as seções transversais dessas barras sob carga axial
estão livres de momentos fletores e, para materiais homogêneos, estão sob uma
distribuição uniforme de tensão normal.
A figura 2.54 mostra uma barra sob carga axial P e o sistema de eixos
cartesianos adotado, tal que o eixo x coincide com o seu eixo longitudinal e passa pelo
centróide de cada seção transversal.
Figura 2.54 Barra sob carga axial.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.135
Tomando-se o diagrama de corpo livre mostrado na figura 2.55, da barra da
figura 2.54, escrevemos as equações de equilíbrio e obtemos o sistema resultante de
forças internas.
Figura 2.55 Diagrama de corpo livre da barra com os esforços internos na seção S.
A única componente não nula dos esforços internos é a força normal N, dada por
0 0xF N P N P . (2.61)
A figura 2.56 mostra o diagrama de corpo livre com a força axial P e a força distribuída
aplicada sobre uma área elementar A típica da seção transversal S.
Figura 2.56 Componentes das forças distribuídas sobre a área elementar A de S.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.136
Como a seção transversal S está sujeita a uma distribuição uniforme de tensão
normal e a momentos fletores nulos, podemos escrever, a partir das equações (2.55),
(2.59) e (2.60)
.x x x x
S S
cte N dA dA N S (2.62)
. 0 0x y x x
S S S
cte M z dA z dA z dA (2.63)
. 0 0x z x x
S S S
cte M y dA y dA y dA . (2.64)
Da equação ( (2.62) temos que a tensão normal uniforme sobre os pontos da
seção transversal S da barra sob carga axial é dada por
x x
NN S
S , (2.65)
onde N é o componente normal dos esforços internos atuando sobre a seção
transversal considerada.
As equações (2.63) e (2.64) mostram que a origem do sistema de coordenadas
adotado coincide com o centróide da seção transversal S. Portanto, nesse caso, a
resultante N atua sobre o centróide da seção transversal da barra.
Por hipótese, temos que a força externa é aplicada ao longo do eixo longitudinal
da barra, o qual passa pelos centróides C de suas seções transversais. Agora, vamos
supor que a resultante N das forças distribuídas sobre a seção transversal não seja
colinear com a força externa P, ou seja, seu ponto de aplicação seja diferente do
centróide da seção transversal, conforme ilustrado na figura 2.57.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.137
Figura 2.57 Sistema resultante de forças internas na barra.
Como fazíamos na seção 2.3, associamos um sistema de coordenadas
cartesianas à seção transversal tal que a sua origem coincide com o ponto de aplicação
da resultante N e um dos eixos é normal ao plano da seção (no caso, o eixo x). As
equações de equilíbrio escrevem-se
0 0xF N P N P (2.66)
0 0G y yyM M Pa M Pa (2.67)
0 0G z zzM M Pb M Pb . (2.68)
Devido à cinemática da deformação da barra, concluímos que os momentos
fletores yM e zM atuando sobre a s seções transversais devem ser nulos, ou seja
0 0 ( 0)yM Pa a P (2.69)
0 0 ( 0)zM Pb b P . (2.70)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.138
Portanto, o ponto de aplicação da resultante N deve ser coincidente com o ponto
C, o qual é o centróide da seção transversal. Assim, a origem do sistema de
coordenadas (x,y,z) associado à seção transversal coincide com o seu centróide.
Realmente, essa é a conclusão que já havíamos chegado a partir das equações (2.63)
e (2.64).
Então, podemos dizer que uma distribuição uniforme de tensões normais sobre
uma seção transversal de uma barra de material homogêneo carregada axialmente
pode ser representada por uma força normal à seção, aplicada no seu centróide e com
nenhum momento fletor, e a origem do sistema de coordenadas Cartesianas (x,y,z)
associado à seção coincide com esse centróide.
O estado de tensão de qualquer ponto da seção transversal da barra sob carga
axial é representado geometricamente como mostrado na figura 2.58 e pela matriz
0 0
0 0 0
0 0 0
NT
S
(2.71)
Figura 2.58 Estado de tensão uniaxial dos pontos da seção transversal de uma barra sob carga axial.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.139
Exemplo 2.25
A barra da figura 2.59 tem largura constante de 35 mm e espessura de 10 mm.
Determinar a tensão normal média máxima da barra quando submetida ao
carregamento mostrado.
Figura 2.59 Exemplo 2.25
Solução
Para podermos calcular a tensão normal média máxima devemos determinar a
componente normal da força interna sobre as seções transversais ao longo da barra,
em função do carregamento axial externo aplicado. Para isso consideramos diagramas
de corpo livre, obtidos por meio das seguintes seções de “corte”:
Entre A e B:
Do equilíbrio, escrevemos
0 12 0 12x AB ABF N N kN
Entre B e C :
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.140
Do equilíbrio, escrevemos
0 12 9 9 0 30x BC BCF N N kN
Entre C e D :
Do equilíbrio, escrevemos
0 22 0 22x CD CDF N N kN
Diagrama de esforço normal:
Tensão normal média máxima:
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2.141
Da equação (2.65), escrevemos
maxmaxx x x
NNN S
S S
Do diagrama de esforço normal temos que max
30BCN N kN .
A área da seção transversal é dada por
5 2(0,035 )(0,010 ) 35 10S m m S m Então, escrevemos
3
max5 5 2max max
30 1085,7
35 10 35 10BC
x x
N N NMPa
S m
A distribuição da tensão numa seção transversal entre B e C representada na figura a
seguir.
▲
Exemplo 2.26
O elemento estrutural AC mostrado na figura 2.60 está submetido a uma força
vertical de 3 kN. Determinar a posição x do ponto de aplicação da força de modo que a
tensão de compressão média no apoio C seja igual à tensão de tração média no tirante
AB. A haste tem uma área de seção transversal de 2400 mm e a área de contato em C
é de 2650mm .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.142
Figura 2.60 Exemplo 2.26
Solução
Consideremos os seguintes diagramas de corpo livre
Do diagrama de corpo livre (c) escrevemos as seguintes equações de equilíbrio:
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2.143
0 (200) (3000)( ) 0 15A C CM F x F x
0 3000 0 3000 15y AB C ABF F F F x
Do diagrama de corpo livre (b) escrevemos a equação de equilíbrio, considerando a
força interna normal à seção transversal da barra sob carga axial.
0 0 3000 15y AB AB AB AB ABF F N N F N x
A tensão média de compressão na seção C se escreve
2
15
650C
CC
F x N
S mm
A tensão média de tração na haste AB se escreve
2
3000 15
400AB
ABAB
N x N
S mm
Como a tensão média de compressão no suporte C deve ser igual em módulo à tensão
média de tração na haste AB, escrevemos
15 3000 15124
650 400C AB
x xx mm
Observe que esse valor de x está entre 0 e 200 mm, o que é coerente com o problema.
Portanto, temos
15 (15)(124) 1860C CF x F N
3000 15 3000 (15)(124) 1140AB ABF x F N ▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.144
Exemplo 2.27
As barras da treliça mostrada na figura 2.61 têm uma área de seção transversal
de 21, 25in . Se a máxima tensão normal média em qualquer barra não pode exceder 20
ksi, determine a máxima magnitude da carga P que pode ser aplicada sobre a treliça.
Figura 2.61 Exemplo 2.27
Solução
Como as barras são articuladas as forças atuando sobre cada barra são
alinhadas com o seu eixo longitudinal para que elas se mantenham em equilíbrio.
Do equilíbrio dos pinos de articulação da treliça escrevemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.145
Ponto A:
40 cos( , ) 0 0
5x AE AB AE ABF F F AB AE F F
(a)
3 50 sin( , ) 0 0
5 3y AB AB ABF F AB AE P F P F P
(b)
Ponto E:
0 0x ED AE ED AEF F F F F (c)
0 0,75 0 0,75y BE BEF F P F P (d)
Ponto B:
4 40 cos( , ) cos( , ) 0 0
5 5x BC BD AB BC BD ABF F F BD BC F AB AE F F F
(e)
3 30 sin( , ) sin( , ) 0 0
5 5y AB BD BE AB BD BEF F AB AE F BD BC F F F F (f)
Substituindo o resultado de (b) em (a) obtemos
4 5 4 40 0
5 3 5 3AE AB AE AEF F F P F P
Substituindo o valor obtido acima em (c), escrevemos
4
3ED AE EDF F F P
Substituindo (b) e (d) em (f), escrevemos
3 3 5 3 3 8,750 0,75 0
5 5 3 5 5 3AB BD BE BD BDF F F P F P F P
Substituindo o resultado acima e (b) em (e), escrevemos
4 4 8,75 4 5 4 550 0
5 5 3 5 3 5 15BC BD AB BC BCF F F F P P F P
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.146
O sinal (-) indica que o sentido da força na barra é oposto ao que foi assumido no
diagrama de corpo livre. Portanto, as barras estão sujeitas aos seguintes
carregamentos:
Barra AB: 5
3ABF P (tração) Barra AE: 4
3AEF P (compressão)
Barra BE: 0,75BEF P (tração) Barra ED: 4
3EDF P (compressão)
Barra BD: 8,75
3BDF P (compressão) Barra BC: 55
15BCF P (tração)
Sendo BC a barra mais carregada, a força P será dada por
3 2max 20 20 10 /BC
BC BCBC
Nksi lb pol
S ,
onde 55
15BCN P é a força interna normal à seção transversal e 21, 25BCS in é a área
da seção transversal da barra. A força normal BCN é determinada como a seguir.
Escrevemos a equação de equilíbrio para o diagrama de corpo livre acima
550 0
15x BC BC BC BCF N F N F P
Então, temos
3 3 355 1520 10 20 10 6,82 6,82 10
1, 25BC
BCBC
PNP kip lb
S ▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.147
2.7.2 BARRAS SOB FLEXÃO
Uma viga é um elemento estrutural do tipo barra, sujeito a cargas transversais que
produzem flexão do mesmo, e a uma possível carga axial. Quando uma viga está
sujeita apenas a momento fletor dizemos que ela está em flexão pura.
A teoria clássica (Euler-Bernoulli) de flexão de viga é apresentada em detalhe no
capítulo 7. Da cinemática da deformação da viga temos que as seções transversais
planas normais ao eixo longitudinal da viga permanecem planas e perpendiculares ao
eixo longitudinal após a flexão. Dessa teoria, chega-se à conclusão que a única
componente não nula de tensão normal é a que atua em qualquer ponto da viga, na
direção perpendicular ao plano da seção transversal, ou seja, na direção do eixo
longitudinal da viga e ela varia linearmente com as distâncias do ponto a esse eixo.
Essas distâncias podem ser decompostas segundo um sistema de coordenadas
Cartesianas (x,y,z) associado à seção transversal da viga, tal que o eixo x é normal à
seção e coincide com o seu eixo longitudinal e os eixos y e z são paralelos ao plano da
seção. A origem desse sistema de coordenadas coincide com o centróide da seção
transversal quando o material da viga é homogêneo.
Nessa seção consideraremos apenas a componente de tensão normal na
direção do eixo longitudinal da viga. As componentes de tensões de cisalhamento serão
consideradas no capítulo 7.
A figura 2.62 mostra as componentes da força distribuída atuando sobre uma
área elementar A e a posição do ponto de aplicação dessas forças segundo o sistema
de coordenadas Cartesianas associado ao plano da seção transversal considerada da
viga.
Como as tensões normais ao plano da seção transversal variam linearmente com
a distância do ponto sobre o qual elas atuam ao eixo longitudinal, podemos escrever
1 2 3x C y C z C , (2.72)
onde 1C , 2C e 3C independem das coordenadas y e z, mas podem ser funções de x.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.148
Figura 2.62 Convenção de sinal dos momentos fletores para a flexão da viga .
A componente normal do sistema resultante de forças internas é dada pela
equação (2.55). Essa equação é apresentada a seguir.
x
S
N dA . (2.55)
Substituindo (2.72) na equação acima, escrevemos
1 2 3
S
N C y C z C dA
1 2 3
S S S
C ydA C zdA C dA
1 2 3
S S S
C ydA C zdA C dA . (2.73)
Tomando-se a origem do sistema de coordenadas, associado ao plano da seção
transversal, coincidente com o centróide dessa seção (os argumentos para isso serão
apresentados no capítulo 7), podemos escrever (veja Apêndice A):
0 0S S
ydA zdA . (2.74)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.149
Então, substituindo (2.74) em (2.73), escrevemos
1 2 3 3 3(0) (0)S
NN C C C dA N C S C
S (2.75)
Os momentos fletores atuando nessa seção transversal da viga são dados pelas
equações (2.59) e (2.60), mas assumindo-se os sentidos positivos indicados na figura
2.62 conforme a convenção adotada para a flexão da viga apresentada na seção 7.4 do
capítulo 7 escrevemos
y x z x
S S
M z dA M y dA .
Substituindo (2.72) nas equações acima, escrevemos
1 2 3y
S
M z C y C z C dA
21 2 3
S S S
C zydA C z dA C zdA (2.76)
1 2 3z
S
M y C y C z C dA
21 2 3
S S S
C y dA C yzdA C ydA . (2.77)
Definindo-se
2 2y z yz
S S S
I z dA I y dA I yzdA , (2.78)
onde (veja Apêndice B):
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.150
yI = momento de inércia de área da seção transversal em relação ao eixo y;
zI = momento de inércia de área da seção transversal em relação ao eixo z;
yzI = produto de inércia de área da seção transversal em relação aos eixos y e z,
e levando-se em conta as equações (2.74), as equações (2.76) e (2.77) são reescritas
como a seguir.
1 2y yz yM C I C I (2.79)
1 2z z yzM C I C I (2.80)
Resolvendo-se as equações acima obtemos
1 2
z y y yz
y z yz
M I M IC
I I I
(2.81)
2 2
y z z yz
y z yz
M I M IC
I I I
(2.82)
Substituindo (2.75), (2.81) e (2.82) em (2.72), a componente de tensão normal x em
termos dos momentos fletores ,y zM M e da força interna normal (N), obtidos conforme
apresentado na seção (2.3), escreve-se
2 2
z y y yz y z z yzx
y z yz y z yz
M I M I M I M I Ny z
I I I I I I S
, (2.83)
onde os momentos fletores yM e zM estão sendo considerados com os seus sinais
conforme a convenção adotada na figura 2.62.
A equação (2.83) pode ser reescrita como
x x xf a . (2.84)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.151
onde
2 2
z y y yz y z z yzx f
y z yz y z yz
M I M I M I M Iy z
I I I I I I
(2.85)
x a
N
S . (2.86)
A tensão x f , dada pela equação (2.85), é resultante apenas da flexão da viga,
por isso ela é denominada de tensão de flexão.
Quando os eixos y e z são eixos principais de inércia o produto de inércia de
área yzI é nulo (veja Apêndice B) e a equação (2.83) simplifica-se para
0 yzyz x
z y
MM NI y z
I I S (2.87)
e conseqüentemente a tensão de flexão, dada pela a equação (2.85), escreve-se
0 yzyz x f
z y
MMI y z
I I (2.88)
Um caso especial que ocorre freqüentemente em problemas de engenharia de
estruturas é o de vigas com seções transversais simétricas. Considerando-se o sistema
de coordenadas associado à seção transversal, com um dos eixos coincidente com o
eixo de simetria, poderemos empregar a equação (2.88) para o cálculo das tensões de
flexão dessa viga, porque o eixo de simetria é um eixo principal de inércia e
conseqüentemente o outro eixo do sistema de coordenadas normal a ele também será
eixo principal de inércia. Então, o produto de inércia de área dessa seção transversal
em relação a esses eixos de coordenadas é nulo.
As equações (2.56) e (2.57) nos dão os componentes de forças internas de
cisalhamento atuando na seção transversal em termos dos componentes de tensões de
cisalhamento que atuam nos pontos dessa seção. Para efetuarmos as integrações
precisamos conhecer a distribuição dessas tensões em função das coordenadas y e z
dos pontos da seção transversal. Essas funções serão apresentadas no capítulo 7 e as
forças internas de cisalhamento são obtidas conforme apresentado na seção 2.3. Os
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.152
valores médios dessas tensões, considerando-se uma distribuição uniforme na seção
transversal, são obtidos a partir das equações (2.56) e (2.57), conforme a seguir.
yy xy xy xy
S S
VV dA dA
S (2.89)
zz xz xz xz
S S
VV dA dA
S (2.90)
Define-se como eixo neutro de flexão da viga o lugar geométrico dos pontos da
seção transversal onde a tensão de flexão x f é nula. A equação da reta que
representa o eixo neutro é obtida a partir da equação (2.85), conforme a seguir.
2 20 0z y y yz y z z yz
x fy z yz y z yz
M I M I M I M Iy z
I I I I I I
. (2.91)
Então, podemos escrever
y z z yz
z y y yz
M I M Iy z
M I M I
, (2.92)
que é a equação da reta que representa o eixo neutro (EN), mostrado na figura 2.63.
Figura 2.63 Eixo neutro de flexão
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.153
A orientação do eixo neutro é dada pelo ângulo , conforme mostrado na figura
2.63, a partir da qual podemos escrever
tany
z . (2.93)
Substituindo (2.92) em (2.93), obtemos
tan y z z yz
z y y yz
M I M I
M I M I
. (2.94)
Exemplo 2.28
O eixo do vagão está sujeito a cargas nas rodas de 20 kip. Supondo que esteja
apoiado em dois mancais C e D, determinar a tensão de flexão máxima desenvolvida
no centro do eixo, onde o diâmetro é de 5,5 pol.
Figura 2.64 Exemplo 2.28
Solução
Como a seção transversal do eixo é circular ela é simétrica em relação aos dois y
e z de qualquer sistema de coordenadas cartesianas (x,y,z), com x coincidente com o
eixo longitudinal da viga e associado à seção transversal em consideração. Portanto, o
produto de inércia de área yzI é nulo. Então, a partir da equação (2.88) escrevemos
0 yzyz x
z y
MMI y z
I I (a)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.154
Momento fletor:
Considerando-se o diagrama de corpo livre da estrutura global conforme a figura a
seguir,
Equações d equilíbrio:
0 0 0xF
0 20000 20000 0y C DF R R (b)
0 (80) 20000 (70) 20000 (10) 0 20000C D DM R R lb (c)
Substituindo (c) em (b), escrevemos
20000 20000 20000 0 20000C CR R lb
Componentes do sistema resultante de forças internas:
“Cortando-se” o eixo por um plano no ponto central do eixo do vagão, desenhamos o
seguinte diagrama de corpo livre:
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.155
Do equilíbrio do diagrama de corpo livre acima, escrevemos
0 0 0 0xF N N
0 20000 20000 0 0y y yF V V
50 20000 40 20000 30 0 2 10 .G z zzM M M lb in
O sinal (-) significa que a componente de esforço interna tem sentido oposto ao que foi
arbitrado no diagrama de corpo livre. Portanto, as componentes do sistema resultante
de forças internas atuando na seção transversal do eixo no seu ponto central são
indicadas a seguir. Segundo a convenção de sinal apresentada na figura 2.62, o
momento fletor zM é negativo.
Momento de inércia de área da seção transversal:
4445,5
44,9264 64y z y z
dI I I I pol
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.156
Tensão de flexão máxima:
Com: 0yM 52 10 .zM lb in 0N 444,92z yI I pol
na equação (a), escrevemos
5 5
2
2 10 0 0 2 10
44,92 44,92 44,925,5 4yz
x xz y
MM Ny z y z y
I I A
Como 0 2y d , o valor máximo de x será obtido tomando-se 2 5,5 2y d , ou
seja,
5 5
max max max
2 10 2 10 5,512, 2
44,92 44,92 2x xy ksi
▲
Exemplo 2.29
A longarina da asa ABD de um avião leve é feita de alumínio 2014-T6 e tem área
de seção transversal de 21, 27 pol , altura de 3 pol e momento de inércia de área em
relação ao eixo neutro de 42,68 pol . Qual será a tensão de flexão máxima absoluta na
longarina se a carga prevista for como mostrada? Supor que A,B e C são pinos sem
atrito. O acoplamento é feito ao longo do eixo longitudinal da longarina.
Figura 2.65 Exemplo 2.29
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.157
Solução
Para calcularmos a tensão de flexão máxima absoluta na longarina da asa
devemos determinar o momento fletor ao longo de seu eixo longitudinal, mas para isso
temos que, primeiramente, calcular a força da haste BC sobre ela. Para isso,
consideremos o diagrama de corpo livre a seguir.
0 cos 0x A BCF H F (a)
90 sin 960 0
2y A BCF R F
(b)
9 90 960 sin 3 0 sin 4320
2 3A BC BCM F F
(c)
O seno e o cosseno do ângulo são calculados a partir do triângulo ABC:
2sin
13 e
3cos
13 .
Então, substituindo nas equações (c) e (a) acima, escrevemos
2sin 4320 4320 7787,99
13BC BC BCF F F lb
3cos 0 7787,99 0 6480
13A BC A AH F H H lb
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.158
Substituindo BCF obtido acima em (b), escrevemos
9 2 9sin 960 0 7787,99 960 0 0
2 213A BC A AR F R R
Esforços internos atuando nas seções transversais da longarina:
Seja o diagrama de corpo livre a seguir, com as forças externas aplicadas:
a) 0 6x ft
Do equilíbrio, escrevemos
0 0xF N
2960 1600 0
9 2 3y y y
xF V x V x
3960 1600 0
9 2 3 9G z zz
x xM M x M x
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.159
b) 6 9x ft
Do equilíbrio, escrevemos
0 6480 0 6480xF N N lb
2960 1600 4320 0 4320
9 2 3y y y
xF V x V x
3960 1600 4320 6 0 4320 6
9 2 3 9G z zz
x xM M x x M x x
Diagramas de força normal e de momento fletor:
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.160
Tensão de flexão máxima:
Considerando-se que a seção transversal da longarina é simétrica, então 0yzI .
Assim, a tensão de flexão é dada pela equação (2.88):
yzx f
z y
MMy z
I I ,
onde:
max3840 . 3840 12 .zM lb pe lb in
0yM
42,68zI pol
max
3
2y pol
Substituindo esses valores na equação acima, escrevemos
max max
3840 12 3 025,8
2,68 2x xf fy
z ksiI
A figura a seguir ilustra a distribuição de tensões de flexão sobre a seção transversal da
longarina.
Máxima tensão normal combinada:
A equação (2.87) nos dá
yzx
z y
MM Ny z
I I S ,
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.161
onde:
max3840 . 3840 12 .zM lb pe lb in
0yM
42,68zI pol
max
3
2y pol
6480N lb
21, 27S pol
Com esses valores na equação acima, escrevemos
max max max
3840 12 64803 030,9 30,9
2,68 2 1, 27x x xy
z ksi ksiI
As figuras a seguir ilustram essa distribuição de tensão normal na seção transversal da
longarina imediatamente após 6x pés.
Comentários:
Na região da longarina em torno do ponto de aplicação da força BCF , ponto B, a
distribuição de tensões não é conforme a hipótese assumida na teoria de flexão
de vigas.
Pelo Princípio de Saint-Venant em regiões afastadas do ponto de aplicação da
carga concentrada, a distribuição das tensões pode ser considerada como
aquela assumida na teoria de flexão de vigas. Observações experimentais e
resultados de análises de tensões mais refinadas mostram que nas seções
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.162
transversais da viga situadas a uma distância igual a sua altura, do ponto de
aplicação da carga, se aproxima daquela assumida na teoria de flexão. No
nosso problema essas seções se situariam a 3 pol antes e depois da posição
do ponto B (x=6 pés).
Na prática, a região em torno do ponto de aplicação da força BCF deveria ser
analisada por métodos numéricos, como por exemplo, o método de elementos
finitos, através de modelo detalhado dessa região da longarina. Mas nas
regiões suficientemente afastadas do ponto de aplicação da carga concentrada
podemos usar a teoria de flexão de vigas, pois os seus resultados são
bastantes precisos do ponto de vista de engenharia. ▲
Exemplo 2.30
O eixo mostrado na figura 2.66 está submetido às cargas vertical e horizontal das
duas polias D e E. Ele é apoiado por dois mancais em A e B que não oferecem
resistência a carga axial. Além disso, supõe-se que o acoplamento do motor em C não
lhe ofereça qualquer apoio. Qual diâmetro d o eixo precisará ter se a tensão de flexão
admissível para o material for 180adm Mpa ?
Figura 2.66 Exemplo 2.30
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.163
Solução
Reações dos apoios:
Do equilíbrio, escrevemos
0 300 0y A BF Y Y (a)
0 800 0z A BF Z Z (b)
0 2 800 1 0 400B A AyM Z Z N (c)
0 2 300 3 0 450B A AzM Y Y N (d)
Substituindo (c) em (b) e (d) em (a), obtemos:
400 800 0 400B BZ Z N
450 300 0 150B BY Y N
Forças internas:
Adotando-se a convenção de sinal para os momentos fletores conforme apresentada na
figura 2.62, temos
a) 0 1x :
Como não existe nenhuma força aplicada sobre o eixo entre o ponto C e B, os
esforços internos em qualquer seção transversal nessa região são nulos.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.164
b) 1 2x :
0 150 0 150y y yF V V
0 400 0 400z z zF V V
0 400 1 0 400 1G y yyM M x M x
0 150 1 0 150 1G z yzM M x M x
c) 2 3x :
0 150 0 150y y yF V V
0 400 800 0 400z z zF V V
0 800 2 400 1 0 400 1 800G y yyM M x x M x
0 150 1 0 150 1G z yzM M x M x
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.165
c) 3 4x :
0 450 150 0 300y y yF V V
0 400 800 400 0 0z z zF V V
0 (400) 3 800 2 400 1 0 0G y yyM M x x x M
0 (450)( 3) 150 1 0 300 1 900G z yzM M x x M x
Diagramas de momentos fletores:
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.166
Tensão de flexão máxima:
Como a seção transversal do eixo é circular, então, o produto de inércia yzI é nulo.
Assim, a tensão de flexão é dada pela equação (2.88)
yzx f
z y
MMy z
I I
A figura a seguir ilustra uma seção transversal sob ação dos momentos fletores
yM e zM com os seus respectivos sentidos de aplicação.
Então, concluímos que, quanto maior forem os momentos yM e zM , maior será
a tensão de flexão nos pontos da seção transversal. Assim, devemos considerar a
combinação de 400 .yM N m e 150 .zM N m .
Portanto, a tensão de flexão máxima será dada por
150 400x f
z y
y zI I
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.167
onde:
4
64z y
dI I
sin2
dy cos
2
dz ( medido conforme indicado na figura)
Substituindo na equação, escrevemos
4 4
150 400sin cos
64 2 64 2x f
d d
d d
3 3
150 (32) 400 (32)sin cos
d d
O valor de tal que x f
tenha o valor máximo é obtido como a seguir:
3 3
150 (32) 400 (32) 20,6sin 150cos sin 0 tan
cos 400 200,6
ox f
o
d
d d d
Substituindo na equação da tensão de flexão, escrevemos
3 3 3max max
150 (32) 400 (32) 4351, 42sin 20,6 cos 20,6x xf fd d d
Diâmetro d: Igualando a tensão máxima de flexão com a tensão admissível do material do eixo,
escrevemos
63 2max
4351, 42 .180 180 10x admf
N m NMpa
d m
0,0289 28,9d m mm ▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.168
2.7.3 TENSÃO DE CISALHAMENTO MÉDIA
Como já vimos anteriormente, a tensão de cisalhamento é a componente do vetor
tensão, paralela ao plano onde está definido esse vetor.
O efeito da tensão de cisalhamento é o de produzir um deslizamento de uma
parte do sólido em relação à outra parte através do plano de atuação dessa
componente de tensão. A figura 2.67 ilustra esse efeito.
Figura 2.67 Efeito do cisalhamento sobre um sólido.
A distribuição das tensões de cisalhamento sobre a seção de “corte” em
consideração no sólido, em geral não é simples, mas para efeito de análise dos
problemas práticos de engenharia de estruturas, principalmente de juntas de ligações, é
usual considerar-se a tensão de cisalhamento média distribuída uniformemente sobre a
área dessa seção, conforme é mostrado na figura 2.68.
Figura 2.68 Tensão de cisalhamento média.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.169
As equações (2.56) e (2.57), repetidas a seguir, nos dão a relação entre as
componentes de forças internas de cisalhamento e as correspondentes componentes
de tensão atuando na seção de “corte” do sólido.
s ns
S
V dA (2.56)
t nt
S
V dA . (2.57)
Ao considerarmos as tensões de cisalhamento como uniformemente distribuídas
sobre a área da seção onde atua as forças internas sV e tV , podemos reescrever as
equações acima como
ss ns ns ns
S S
VV dA dA
S (2.95)
tt nt nt nt
S S
VV dA dA
S . (2.96)
As aplicações mais comuns das equações acima são encontradas na análise de
ligações entre elementos de uma estrutura através de prendedores (parafusos ou
rebites), cola ou solda. Justifica-se o uso da tensão de cisalhamento média no cálculo
dessas ligações, porque as tensões de falha consideradas nessas análises são também
valores médios obtidos a partir de ensaios de juntas similares. Essas tensões de falha
são obtidas calculando-se a razão entre a carga de falha da junta e a área da seção
indeformada onde ocorre o cisalhamento do elemento de ligação (parafuso, rebite,
colagem ou soldagem).
Junta de cisalhamento simples:
São ligações entre elementos de uma estrutura onde a tensão de cisalhamento se
distribui sobre apenas uma área de atuação, conforme mostram as figuras 2.69 e 2.70.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.170
Figura 2.69 Junta de cisalhamento simples; (a,b) Ligação por parafuso; (c,d) Ligação por cola.
Figura 2.70 (a) Junta de cisalhamento simples por rebite; (b) diagrama de corpo livre simplificado do rebite; (c) diagrama de corpo livre do rebite “cortado” na seção onde atua a força interna de cisalhamento.
Junta de cisalhamento duplo:
São ligações entre elementos de uma estrutura onde a tensão de cisalhamento se
distribui sobre duas áreas de atuação, conforme mostram as figuras 2.71 e 2.72.
Figura 2.71 Junta de cisalhamento duplo; (a,b) Ligação por parafuso; (c,d) Ligação por cola.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.171
Figura 2.72 Junta de cisalhamento duplo por rebite; (a) diagrama de corpo livre da junta; (b) diagrama de corpo livre da placa central; (c) diagrama de corpo livre do rebite; (d) diagrama de corpo livre das partes do rebite “cortadas” nas seções onde atuam a forças internas de cisalhamento. Exemplo 2.31
A barra de madeira mostrada na figura 2.73 está suportada por um pino de aço
de 10 mm de diâmetro preso na parede. Se a barra suporta uma carga vertical de 5 kN,
calcular a tensão de cisalhamento média do pino na parede e ao longo das duas áreas
sombreadas da barra, uma das quais está identificada por abcd.
Figura 2.73 Exemplo 2.31
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.172
Solução
Para calcularmos as tensões médias de cisalhamento na barra de madeira e no pino de
aço, devemos conhecer as forças internas cortantes correspondentes.
Tensão média de cisalhamento na barra de madeira:
Consideremos o seguinte diagrama de corpo livre extraído da barra de madeira:
Equação de equilíbrio:
0 5 0 2,5zF V V V kN
A tensão média de cisalhamento é dada por
2
25003,13
0,020 0,040barra barra
V NMPa
S m
Tensão média de cisalhamento no pino de aço:
Consideremos o diagrama de corpo livre do pino
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.173
Equação de equilíbrio:
0 5 0 5zF V V kN
A tensão média de cisalhamento é dada por
2
2
500063,7
0,010
4
pino pino
V NMPa
Sm
▲
Exemplo 2.32
A viga mostrada na figura 2.74 é suportada por um pino em A e um elo curto BC.
Determinar a intensidade máxima P das cargas que a viga suportará se a tensão de
cisalhamento média em cada pino não exceder 80 MPa. Todos os pinos estão sob
cisalhamento duplo e cada um deles tem 18 mm de diâmetro.
Figura 2.74 Exemplo 2.32
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.174
Solução
Para calcularmos a tensão média de cisalhamento nos pinos devemos conhecer as
forças internas cortantes que atuam sobre as suas seções transversais. Precisamos,
então, determinar primeiramente, as reações dos suportes da viga.
Consideremos o seguinte diagrama de corpo livre da viga:
Equações de equilíbrio:
0 cos30 0ox A BCF H F (a)
0 sin 30 11 0oy A BCF R F P (b)
0 sin 30 5 (4,5) 4 (3,5) 4 (2) 2 (0,5) 0oA BCM F P P P P
11BCF P
Substituindo o valor encontrado acima, nas equações (a) e (b), escrevemos
3cos30 0 11 0 5,5 3
2o
A BC A AH F H P H P
1sin 30 11 0 11 11 0 5,5
2o
A BC A AR F P R P P R P
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.175
Força cortante no pino A:
A força total que atua no pino A é a resultante das componentes AH e AR .
2 22 2 5,5 3 5,5 11A A A AF H R P P F P
As forças internas cortantes que atuam no pino A são dadas por
Do equilíbrio dos diagramas de corpo livre acima, escrevemos
11
2 2AF P
V
A tensão de cisalhamento média no pino A é dada por
2
11 221613,63
0,018 4A A
V PP
S
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.176
Força cortante no pinos B e C:
A força total que atua sobre os pinos B e C é 11BCF P , a qual é igual em módulo à
força AF que atua no pino A. Como os pinos têm o mesmo diâmetro e todos estão
sujeitos a cisalhamento duplo, a tensão média de cisalhamento nos pinos B e C é igual
à tensão de cisalhamento média do pino A, ou seja,
2
11 221613,63
0,018 4B C B C
V PP
S
Cálculo do valor máximo de P:
Como a tensão média de cisalhamento nos pinos não pode exceder 80 MPa, o valor
máximo de P é dado por
621613,63 80 10 3,7A B C P P kN ▲
Exemplo 2.33
Duas pranchas de madeira, cada uma com 15 mm de espessura e 200 mm de
largura, são unidas por uma respiga de união colada, como indicado na figura 2.75.
Sabendo-se que esta junta irá falhar, quando a tensão de cisalhamento média na cola
atingir 900 kPa, determine o comprimento necessário d, se a junta deve resistir a uma
carga axial de intensidade P=4 kN.
Figura 2.75 Exemplo 2.33
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.177
Solução
Consideremos o diagrama de corpo livre a seguir, para determinarmos as forças
internas que atuam nas área de colagem
As componentes de força de cisalhamento V que atuam nas superfícies de colagem
estão dispostas simetricamente em relação ao eixo longitudinal da placa. A força P atua
ao longo do eixo longitudinal da placa.
Do equilíbrio escrevemos
40 7 0
7xF P V V kN
A tensão de cisalhamento média nas superfícies de colagem é dada por
4000 7
(0,015)( )
V
S d
Como essa tensão não deve exceder 900 kPa, o menor valor para o comprimento d da
superfície de colagem será dado por
3 24000 7900 900 10 / 0,0423 42,3
(0,015)( )kPa N m d m mm
d ▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.178
2.7.4 MARGEM DE SEGURANÇA E FATOR DE SEGURANÇA
Devido à possibilidade de existirem aproximações em quaisquer análises estruturais,
decorrentes do uso inadequado de teorias, variabilidade das propriedades dos materiais
empregados, discrepâncias na geometria da estrutura, etc., as quais, nunca podem ser
eliminadas completamente, costuma-se considerar um fator, denominado Fator de
Segurança de modo a garantir que a resistência real da estrutura seja maior que a
resistência requerida nas especificações do projeto.
Portanto, o Fator de Segurança é definido como
ˆ
ˆFS
Resistencia realResistencia requerida
. (2.97)
Como a resistência de uma estrutura é a sua capacidade de suportar cargas sem
que ocorra a sua falha, podemos considerar que a resistência real de uma estrutura é a
carga ou tensão mínima para a qual ocorre a falha e a resistência requerida é a carga
ou tensão que ela deverá suportar quando em uso, definida pelas especificações do
seu projeto. Assim, podemos reescrever a equação (2.97)
FS
Carga ou tensao de falhaCarga ou tensao admissível
, (2.98)
onde a carga ou tensão de falha é o menor valor de carga ou tensão que provoca uma
deformação permanente (escoamento) ou o colapso (ruptura, flambagem) da estrutura
e a carga ou tensão admissível é aquela que se admite ocorrer durante o uso da
estrutura.
Por exemplo, se especificarmos a carga máxima que uma coluna deve suportar
em uso como sendo 1000 N e projetarmos essa coluna para falhar com 1500 N,
teremos então um fator de segurança igual a 1,5. Isso significa que a coluna poderá
ser usada com segurança para a carga de 1000 N, porque as sua falha só ocorrerá
para uma carga 50% maior do que aquela que é admitida ocorrer durante o seu uso.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.179
Um outro conceito bastante empregado na análise estrutural, principalmente em
projeto aeroespaciais, é o da Margem de Segurança, a qual é definida como
1MS
Carga ou tensao de falhaCarga ou tensao admissível
. (2.99)
A Margem de Segurança pode ser apresentada também em percentagem, ou
seja,
1 100%MS
Carga ou tensao de falhaCarga ou tensao admissível
. (2.100)
A Margem de Segurança nos dá uma idéia de quão distante a estrutura, sob as
cargas atuantes (admissíveis de projeto) durante o seu uso, está da carga que
provocaria a sua falha.
Na indústria aeronáutica costuma-se denominar a carga ou tensão de falha
como a carga admissível (allowable), ou seja, a mínima carga/ ou tensão em que ocorre
a falha da estrutura. Assim, a Margem de Segurança escreve-se
1MS
Carga ou tensao admissívelCarga ou tensao atuante
. (2.101)
Nesse caso, a carga ou tensão admissível é a mínima carga ou tensão que
provocaria a falha da estrutura da aeronave e a mesma é projetada de modo que as
cargas ou tensões atuantes durante a sua vida nunca alcancem o valor da admissível.
Comparando-se as equações (2.98) e (2.99) podemos escrever
1MS FS . (2.102)
Do que foi exposto, concluímos que ao se verificar a resistência de uma estrutura
devemos estar seguro que a sua Margem de Segurança é positiva, ou seja, o fator de
segurança é maior que um.
Então, o fator de segurança é usado pelo engenheiro para garantir uma Margem
de Segurança que leve em conta imprecisões inerentes a toda análise estrutural. Esse
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.180
fator não deve nunca ser usado como um “fator de camuflagem” para levar em conta a
falta de conhecimento do analista a respeito das teorias em que se baseiam os
métodos de análise que ele esteja empregando.
Exemplo 2.34
O conjunto da correia sobreposta mostrado na figura 2.76 será submetido a uma
força de 800 N. A espessura da correia é 2t mm , o comprimento da superfície de
colagem é 15ld mm e o diâmetro do pino é 5rd mm . Sendo conhecidas as tensões
de falhas 10t admMPa , 0,75cola adm
MPa e 30pino admMPa para tração da
correia, cisalhamento da cola e cisalhamento do pino, respectivamente, pede-se
determinar a Margem de Segurança do conjunto.
Figura 2.76 Exemplo 2.34
Solução
Como as tensões admissíveis são as tensões de falha do elemento estrutural, a
Margem de Segurança será determinada partir da equação (2.101)
1MS
Carga ou tensao admissívelCarga ou tensao atuante
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.181
Devemos, então, calcular as tensões correspondentes atuantes sobre cada elemento
do conjunto dado.
Tensão normal atuante sobre a correia:
Consideremos o seguinte diagrama de corpo livre da correia “cortada” numa seção
transversal:
800
8,90,002 0,045t t MPa
Tensão de cisalhamento atuante sobre superfície de colagem:
Consideremos o seguinte diagrama de corpo livre da correia:
Do equilíbrio escrevemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.182
0 800 0 400x c c cF V V V N
A tensão média de cisalhamento é dada por
400
0,590,015 0,045
cc c
VMPa
S
Tensão de cisalhamento atuante no pino:
Consideremos o seguinte diagrama de corpo livre do pino:
Do equilíbrio escrevemos
0 400 0 400x p pF V V N
A tensão média de cisalhamento é dada por
2
40020, 4
0,005 4
pp p
VMPa
S
Margens de Seguranças:
101 1 0,124 12, 4%
8,9t adm
correia correia correiat
MS MS ou MS
0,751 1 0, 27 27%
0,59c adm
cola cola colac
MS MS ou MS
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.183
301 1 0, 47 47%
20, 4
p admpino pino pino
p
MS MS ou MS
A Margem de Segurança do conjunto é o menor valor encontrado acima, para cada
elemento, ou seja,
0,124 12, 4%conjunto conjunto
MS ou MS ▲
Exemplo 2.35
A tensão média de cisalhamento atuante na junta soldada da figura 2.77 é
calculada considerando-se a menor seção longitudinal do cordão de solda, conforme
indicado. Com as dimensões do cordão de solda indicadas na figura e sabendo-se que
a tensão de cisalhamento média de falha da solda é 14adm ksi , obtida a partir de
ensaios experimentais, determinar a Margem de Segurança da junta quando a carga
aplicada for P= 20 kip.
Atenção: 1kip=1000 lb
Figura 2.77 Exemplo 2.35
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.184
Solução
Consideremos o seguinte diagrama de corpo livre para determinarmos as forças
internas de cisalhamento atuando nas seções de “corte” da solda:
Do equilíbrio, escrevemos
0 20000 0 10000xF V V V lb
A tensão média de cisalhamento na solda é dada por
10000 10000 10000
11,8(4) 0,3cos 45 (4) 2
0,3 (4)2
o
Vksi
S h
A Margem de Segurança da junta é dada por
141 1 0,186
11,8admMS MS
ou 14
1 100% 1 100% 18,6%11,8
admMS MS
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.185
PROBLEMAS
Problema 2.39
A peça mostrada na figura está submetida às cargas indicadas. Determinar a
tensão normal média desenvolvida nas seções transversais que passam pelos pontos
B, C e D. Fazer o desenho esquemático dos resultados para um elemento de volume
infinitesimal localizado em cada seção.
Resposta: 151 32,5 25,5B C DkPa kPa kPa
Problema 2.40
O bloco pequeno tem espessura de 5 mm. Supondo que a distribuição de tensão
desenvolvida pela carga no apoio varie como mostrado, determinar a força F aplicada
no bloco e a distância d até o ponto em que ela se aplica.
Resposta: 36 110F kN d mm
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.186
Problema 2.41
A barra prismática mostrada na figura tem uma área da seção transversal A.
Supondo que ela esteja submetida a uma carga axial distribuída que aumenta
linearmente de 0w em 0x a 0w w em x a e depois decresce linearmente para
0w em 2x a , determinar a tensão normal média na barra em função de x no
intervalo 0 x a e no intervalo 2a x a
Resposta: 2 20 2 02x
wa x x a
aA 20 2 2
2x
wa x a x a
aA
Problema 2.42
A barra tem uma área de seção transversal de 6 2400 10 m . Supondo que esteja
submetida a uma carga distribuída axial uniforme ao longo de seu comprimento e a
duas cargas concentradas como mostrado, determinar a tensão normal média na barra
em função da coordenada x no intervalo 0 0,5x m .
Resposta: 47,5 20x x MPa
Problema 2.43
A barra cônica tem raio (2 / 6)r x pol e está submetida a uma carga
distribuída (60 40 )w x lb/pol. Determinar a tensão normal média no ponto médio da
barra.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.187
Resposta: 102x psi
Problema 2.44
A treliça é feita de três elementos acoplados por pinos tendo as áreas da seção
transversal mostradas na figura. Determinar a tensão normal média desenvolvida em
cada elemento quando a treliça é submetida à carga mostrada. Indicar se a tensão é de
tração ou de compressão.
Resposta: 417 ( ) 469 ( ) 833 ( )AB BC ACpsi C psi T psi T
Problema 2.45
As hastes AB e BC têm diâmetro de 25 mm e 18 mm, respectivamente. Supondo
que seja aplicada uma carga de 6 kN no anel em B, determinar a tensão normal média
em cada haste se 60o .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.188
Resposta: 16,7 8,64AB BCMPa MPa
Problema 2.46
Quando a mão está segurando a pedra de 5 lb, o úmero H, assumido a ser sem
atrito, exerce forças normais CF e AF sobre o rádio C e a ulna A, respectivamente,
como mostrado. Se a menor área de seção transversal do ligamento em B é 20,30 pol ,
determine a maior tensão média de tração à qual o ligamento é submetido.
Resposta: max
121lig psi
Problema 2.47
Considere o sistema dinâmico idealizado, mostrado na figura. O eixo AB gira
com velocidade angular constante de 600 rpm. Uma barra leve CD com diâmetro de 12
mm é fixada a esse eixo, no ponto C, e na extremidade dessa barra é colocado um
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.189
peso de 5 kgf. Ao descrever um círculo completo, o peso em D gira em um plano sem
atrito. Selecionar a distância r para montar o peso W, tal que a tensão normal nela
atuante não exceda 27 /kgf mm . Nos cálculos, despreze o peso da barra.
Resposta: 39r cm
Problema 2.48
A viga tem a seção transversal mostrada. Se P=1,5 kN, determinar a tensão de
flexão máxima nela desenvolvida. Desenhar a distribuição de tensão que atua sobre a
seção transversal.
Resposta: max 9,0 MPa
Problema 2.49
Determinar a intensidade da carga máxima P que pode ser aplicada â viga,
supondo que ela seja feita de material com tensão de flexão admissível 16adm cksi
na compressão e 18adm tksi na tração.
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2.190
Resposta: 5,97P kip
Problema 2.50
O suporte CD da mão-francesa suporta o cabo com um peso de 600 lb.
Determinar a tensão de flexão máxima absoluta no suporte CD, supondo que A, B e C
tenham apoio de pinos.
Resposta: max 2,70 ksi
Problema 2.51
O pino é usado para acoplar as três peças mostradas na figura. Devido ao
desgaste, a carga é distribuída nas partes superior e inferior como mostrado no
diagrama de corpo livre do pino. Supondo que o diâmetro do pino seja 0,40 pol,
determine a tensão de flexão máxima na seção transversal a-a no centro do pino. Para
solucionar o problema é preciso determinar primeiro as intensidades das cargas 1w e
2w .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.191
Resposta: max 45,1 ksi
Problema 2.52
A viga em balanço tem espessura de 4 pol e largura variável descrita pela função
0,22 2 4y x , onde a coordenada x é dada em polegadas. Determine a tensão de
flexão máxima no centro da viga.
Resposta: max 2,18 ksi
Problema 2.53
O cabo suporta uma carga de 600 lb. Se o pino tem um diâmetro de 0,25 pol,
determine a tensão de cisalhamento média no pino.
Resposta: 6,11 ksi
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.192
Problema 2.54
O corpo- de- prova (cdp) falhou num teste de tração, com a superfície de falha
formando um ângulo de 52o com o seu eixo longitudinal, quando a carga axial era 19,80
kip. Se o diâmetro cdp é 0,5 pol, determine a tensão normal média e a tensão de
cisalhamento média atuantes na área do plano de falha. Também, qual é a tensão
normal média atuante no seção transversal quando ocorre a falha?
Resposta: 52 5262,6 48,9 101 0o oksi ksi ksi
Problema 2.55
A junta é montada com dois parafusos. Determine o diâmetro dos parafusos se a
tensão média de cisalhamento admissível para os parafusos é 110adm MPa . Assuma
que cada parafuso suporta uma fração igual da carga.
Resposta: 15,2d mm
Problema 2.56
Determinar a área necessária da seção transversal do elemento BC e o diâmetro
dos pinos A e B se a tensão normal admissível for 3adm ksi e a tensão de
cisalhamento admissível for 4adm ksi .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.193
Resposta: 20577 0,743 0,525BC A BS pol d pol d pol
Problema 2.57
Determinar a intensidade w da carga distribuída máxima que pode ser resistida
pelo conjunto do suporte de modo que uma tensão de cisalhamento admissível de
13,5adm ksi não seja excedida nos parafusos de 0,40 pol de diâmetro em A e B,
tampouco o esforço de tração admissível de 22adm ksi seja excedido na haste AB de
0,5 pol de diâmetro.
Resposta: 0,452 /w kip pe
Problema 2.58
Os dois elementos estruturais, sujeitos a uma força de tração P são unidos por
uma junta com dois parafusos, um de cada lado das barras, como mostrado na figura.
Cada parafuso tem um diâmetro de 0,3 pol. Determine qual a máxima carga P que pode
ser aplicada às barras, se a tensão media de cisalhamento admissível para os
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.194
parafusos é 12adm ksi e a tensão normal média admissível para os parafusos é
20adm ksi .
Resposta: 3,26P kip
Problema 2.59
Uma junta para transmissão de força de tração é feita por meio de um pino como
mostra a figura. Sendo D o diâmetro das barras a serem conectadas, qual deve ser o
diâmetro d do pino se a tensão de cisalhamento média admissível no pino for igual à
metade da tensão de tração média nas barras.
Resposta: d D
Problema 2.60
O suporte de alumínio A é usado para resistir à carga de 8 kip aplicada na linha
de centro. Se ele tiver uma espessura constante de 0,5 pol, determinar a menor altura h
a fim de evitar a ruptura por cisalhamento. A tensão de ruptura por cisalhamento é
23rup ksi . Usar um fator de segurança para cisalhamento de F.S.=2,5.
Resposta: 1,74h pol
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.195
Problema 2.61
A alavanca é presa ao eixo A por meio de uma chaveta que tem largura e
comprimento de 25 mm. Supondo que o eixo esteja fixo e seja aplicada uma força
vertical de 200 N perpendicular ao cabo, determinar a dimensão d para que a Margem
de Segurança em cisalhamento seja igual a 20 % sabendo-se que a tensão de
cisalhamento média admissível para a chaveta é 35adm MPa .
Resposta: 6,7d mm
Problema 2.62
A estrutura está submetida a uma carga de 1,5 kip. Determinar a Margem de
Segurança dos pinos A e B, se os seu diâmetros forem 0,5Ad pol e 0,9Bd pol e a
tensão de cisalhamento admissível para o material dos pinos for 6adm ksi . O pino A
está submetido a cisalhamento duplo, enquanto que o pino B está submetido a
cisalhamento simples.
Resposta: 28,7 % 28,5 %A B
MS MS
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.196
2.8 TRANSFORMAÇÃO DE COORDENADAS
Na seção 2.6 vimos como o estado de tensão (tensor tensão) em um ponto num sólido
sob ação de cargas externas pode ser representado por uma matriz quadrada de ordem
3, cujos elementos dispostos em linhas são as componentes de três vetores tensões
atuando sobre o ponto considerado e associados a três planos mutuamente
perpendiculares passando por esse ponto. Também foi visto que, como o tensor tensão
é um operador linear entre dois vetores e os vetores são invariantes com relação à
mudança do sistema de coordenadas, esse operador (tensor tensão) deverá ser
também invariante. Portanto, ao mudarmos o sistema de coordenadas, as componentes
do vetor e do tensor tensão mudam, mas não a realidade física do problema analisado.
Por exemplo, consideremos uma barra reta sujeita a uma força axial que produza
uma distribuição uniforme de tensões axiais numa seção transversal da barra. A figura
2.78(a) mostra as componentes de tensões descritas conforme o sistema cartesiano
ortogonal xyz enquanto que a figura 2.78(b) mostra as componentes de tensões
descritas conforme o sistema x’y’z’ rotacionado em relação ao da figura 2.78(a) de 90o
em torno do eixo z e no sentido horário.
A realidade física não mudou no problema ilustrado na figura 2.78(b). O que
mudou foi apenas a representação matemática do estado de tensão no ponto
considerado, mas esse ponto continua sob uma tensão F A (supomos uma distribuição
uniforme) na direção axial da barra, a qual é designada por x no sistema xyz, figura
2.78(a), e por y no sistema x’y’z’, figura 2.78(b).
Portanto, deve haver uma relação entre as duas matrizes, que representam o
mesmo estado de tensão em ponto do sólido, escritas conforme dois sistemas de
coordenadas cartesianas ortogonais diferentes.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.197
x
F
A
( , , )
0 0
0 0 0
0 0 0
x y z
F
AT
(a)
y
F
A
( ', ', ')
0 0 0
0 0
0 0 0x y z
FT
A
(b)
Figura 2.78 Barra sujeita à carga axial com distribuição uniforme de tensão; (a) sistema de coordenadas cartesianas xyz; (b) Sistema de coordenadas cartesianas x’y’z’ rotacionado em relação a xyz de 90o no sentido horário.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.198
Uma translação do sistema de coordenadas cartesianas não altera a orientação
dos eixos de coordenadas e conseqüentemente não altera a orientação dos planos
mutuamente perpendiculares sobre os quais atuam as componentes dos três vetores
tensões que definem o estado de tensão no ponto. Portanto, a matriz que representa
esse estado de tensão (tensor tensão) não se altera se fizermos apenas uma
translação no sistema de coordenadas cartesianas ortogonais, escolhido para definir as
componentes de tensão.
Consideremos, agora, um novo sistema de coordenadas cartesianas x’y’z’
rotacionado em relação ao sistema de xyz segundo o qual conhecemos as
componentes de tensões que definem a matriz que representa o tensor tensão (estado
de tensão) num ponto do sólido sob cargas externas. Os cossenos do ângulo formado
entre cada eixo do novo sistema x’y’z’ e os eixos do sistema original xyz são dados por
Figura 2.79 Sistemas cartesianos ortogonais xyz e x’y’z’, com os respectivos vetores bases. Da figura acima podemos escrever:
11 12 13
21 22 23
31 32 33
ˆˆ' cos( , ) ' cos( , ) ' cos( , )
ˆˆ ˆ ˆ ˆ' cos( , ) ' cos( , ) ' cos( , )
ˆ ˆ ˆ ˆˆ' cos( , ) ' cos( , ) ' cos( , )
î î x x a î j x y a î k x z a
j î y x a j j y y a j k y z a
k î z x a k j z y a k k z z a
ou, usando o seguinte dispositivo
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.199
escrever a matriz de transformação
11 12 13
21 22 23
31 32 33
a a a
a a a a
a a a
Escrevemos o vetor V
nos sistemas (x,y,z) e (x’,y’,z’), respectivamente, como
ˆˆx y zV V î V j V k
' ' 'ˆˆ' ' 'x y zV V î V j V k
, (2.103)
onde
' 11 12 13ˆˆ' ' ' 'x x y z x y zV V î V î î V j î V k î a V a V a V
' 21 22 23ˆˆ ˆ ˆ ˆ ˆ' ' ' 'y x y z x y zV V j V î j V j j V k j a V a V a V
' 31 32 33ˆ ˆ ˆ ˆ ˆˆ' ' ' 'z x y z x y zV V k V î k V j k V k k a V a V a V
ou na forma matricial
11 12 13
21 22 23
31 32 33
x x
y y
z z
V a a a V
V a a a V V a V
V a a a V
, (2.104)
onde V e V representam o mesmo vetor V
com as componentes escritas segundo
os sistemas cartesianos xyz e x’y’z’, respectivamente.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.200
As componentes de qualquer vetor, escritas nos dois sistemas de coordenadas
considerados se relacionam por meio de (2.104). Seja o vetor unitário normal ao
plano passando pelo ponto P sobre o qual atua o vetor tensão ( )t associado a esse
plano. Então, para as componentes dos vetores e ( )t escritas segundo os sistemas
cartesianos ortogonais xyz e x’y’z’ temos, respectivamente
a (2.105)
t a t , (2.106)
onde o sobrescrito (‘) indica as componentes escritas conforme o novo sistema
cartesiano x’y’z’.
Como o módulo de um vetor é independente do sistema de coordenadas,
escrevemos
2 T T
V V V V V V V
.
Considerando-se a equação (2.104), escrevemos
TT T T TV V V V a V a V V a a V
ou
0T TV I a a V (2.107)
onde I é a matriz identidade.
Se definirmos
TI a a A , (2.108)
a equação (2.107) escreve-se
0T
V A V . (2.109)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.201
Uma matriz quadrada pode ser escrita como a soma de uma matriz simétrica e uma
matriz anti-simétrica, como a seguir:
sim antA A A , (2.110)
onde:
1
2
T
simA A A (2.111)
1
2
T
antA A A . (2.112)
Assim, a equação (2.109) pode ser reescrita
0T T T T
sim ant sim antV A V V A A V V A V V A V . (2.113)
Como T
antV A V é um escalar, podemos escrever
T TT T T
ant ant antV A V V A V V A V . (2.114)
A partir da definição dada pela equação (2.112), temos
1 1
2 2
TT T T
ant antA A A A A A . (2.115)
Substituindo (2.115) em (2.114), temos
0T T T
ant ant antV A V V A V V A V . (2.116)
Substituindo (2.116) em (2.113), escreve-se
0T T
simV A V V A V . (2.117)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.202
Assim, segundo a equação (2.117), a equação (2.109) será satisfeita para
qualquer vetor V se a parcela simétrica da matriz A , definida em (2.111) for uma
matriz nula. Então, A não é necessariamente nula.
Mas, se matriz A for simétrica, ela será igual à sua própria parcela simétrica,
então, nesse caso, a equação (2.109) será satisfeita para qualquer vetor V se essa
matriz for nula.
Voltando à equação (2.108), podemos afirmar que nesse caso a matriz A é
simétrica porque TA A , como podemos verificar a seguir:
T T TT TT T T T TA I a a I a a I a a I a a A .
Portanto, a equação (2.109) será satisfeita para qualquer vetor V desde que
0T TA I a a a a I , (2.118)
ou seja, a matriz a de transformação entre os sistemas de coordenadas cartesianas é
ortogonal. Para uma matriz ortogonal podemos escrever
TTa a a a I , (2.119)
como verificamos a seguir:
111 1T T Ta a I a a a a a
,
então, escrevemos
1T T T T T
a a a a I a a a a I
,
Extraindo-se o determinante de (2.119),
2det det det det det 1T Ta a a a a I .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.203
Então,
det 1a . (2.120)
As transformações ortogonais consistem de translações, rotações e inversões do
sistema de eixos. As translações são identificadas por a I e as rotações por
a I mas det 1a ; nas inversões, det 1a . Como as translações não afetam as
componentes de um vetor, consideramos apenas as transformações que mantém fixa a
origem do sistema e o rotaciona de um ângulo arbitrário. As inversões são consideradas
para se estudar as simetrias das propriedades do material. Nas inversões, um sistema
dextrogiro é transformado em levogiro e vice-versa, como ilustra a figura 2.80.
Figura 2.80 Sistema xyz (dextrogiro) e sistema x’y’z’ (levogiro).
Reescrevendo-se a equação (2.38), fórmula de Cauchy para o vetor tensão,
considerando-se a simetria da matriz T
T
x x xy xz
y yx y yz
y zx zy z
t l
t m
t n
.
ou
Tt T . (2.121)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.204
Pré-multiplicando ambos os membros da equação (2.121) por a e
considerando-se a equação (2.106)
T Ta t a T t a T . (2.122)
Pré-multiplicando a equação (2.105) por Ta e considerando-se a ortogonalidade
de a , conforme a equação (2.119), escrevemos
T T T
I
a a a a . (2.123)
Substituindo-se (2.123) em (2.122), obtemos
T Tt a T a . (2.124)
A partir de (2.38) ou (2.121), escrevemos a equação de Cauchy para o vetor tensão,
considerando-se as quantidades envolvidas escritas segundo o novo sistema de
coordenadas x’y’z’
Tt T , (2.125)
ou seja, o vetor tensão atuando sobre um ponto, associado a um plano passando por
esse ponto, com as suas componentes cartesianas escritas segundo o sistema x’y’z’ é
o resultado de uma operação linear sobre o vetor que define a orientação do plano
associado ao vetor tensão, com as suas componentes também escritas no novo
sistema de coordenadas. As componentes da matriz T que representa esse operador
linear (tensor tensão) conseqüentemente deverão ser definidas conforme esse novo
sistema de coordenadas x’y’z’.
Então, a partir das equações (2.124) com (2.125), podemos escrever
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.205
TT Tt T a T a .
0T TT T T TT a T a T a T a .
Como o vetor 0 podemos escrever, para qualquer
0T TT T T TT a T a T a T a . (2.126)
Fazendo-se a transposta dos dois termos da equação acima escrevemos
T TT TT TT T T TT a T a T a a T a T a
T TT a T a T a T a . (2.127)
Como a matriz T é simétrica, TT T podemos concluir que T também é
simétrica
TT a T a
TT TT T T TT a T a a T a a T a T T
A equação (2.127) nos dá a transformação da matriz que representa o estado de
tensão (tensor tensão) em um ponto do sólido, escrita segundo o sistema de
coordenadas cartesianas ortogonais xyz na matriz escrita em outro sistema cartesiano
ortogonal x’y’z’ rotacionado em relação ao primeiro sistema.
A figura 2.81 mostra a representação visual de um mesmo vetor e um mesmo
estado de tensão (tensor tensão) num ponto, em dois sistemas cartesianos ortogonais,
um rotacionado em relação ao outro. As componentes mudam, mas não o vetor e o
tensor em si.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.206
Figura 2.81 Representação nos sistemas xyz e x’y’z’ das componentes: (a) de um mesmo vetor V
; (b) de um mesmo tensor tensão T .
A nova matriz que representa o mesmo estado de tensão no ponto, segundo o
novo sistema de coordenadas x’y’z’, tem em cada uma de suas linhas as componentes
do vetor tensão que atua no plano, passando pelo ponto, perpendicular a cada um dos
novos eixos de coordenadas: a primeira linha contém as componentes do vetor tensão
que atua no plano que passa pelo ponto e que é perpendicular ao eixo x’; a segunda
linha contém as componentes do vetor tensão que atua no plano perpendicular ao eixo
y’; e a terceira linha contém as componentes do vetor tensão que atua no plano
perpendicular ao eixo z’.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.207
Exemplo 2.36
Escrever o estado de tensão no ponto P da barra da figura abaixo sujeita a uma
força axial que produz uma distribuição uniforme de tensões axiais numa seção
transversal da barra, segundo o sistema cartesiano xyz e o sistema x’y’z’ rotacionado
de 90o no sentido horário em relação ao primeiro.
Solução
Considerando-se distribuição uniforme de tensões na seção transversal, escrevemos
x
F
A ,
onde A é a área da seção transversal da barra.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.208
O estado de tensão no ponto P da barra é dado por
( , , )
0 0
0 0 0
0 0 0
x xy xz
xy y yz
xz yz z x y z
F A
T
TT a T a , 0 1 0
1 0 0
0 0 1
a
. Então, escrevemos
( ', ', ')
0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0
0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0x y z
F A
T T F A
Assim, podemos escrever
0 0 0
0 0
0 0 0
x x y x z
x y y y z
x z y z z
T F A
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.209
Exemplo 2.37
O estado de tensão num ponto é dado por
3 1 1
1 0 2
1 2 0
T MPa
.
Determine o vetor tensão que atua no plano cuja normal é paralela ao vetor ˆˆ ˆ2 2i j k .
Depois, suponha que o sistema x’y’z’ seja obtido de xyz por uma rotação de 45o
deste, no sentido anti-horário, em torno do eixo z. Determine as componentes do vetor
tensão e do tensor tensão nesse novo sistema.
Solução
Vetor normal unitário:
2 2 2ˆˆ ˆ2 2 2 1 2 3u i j k u u
é paralelo a u
1 ˆˆ ˆˆ 2 23
ui j k
u
Vetor tensão:
3 1 1 2 3 3
1 0 2 1 3 2
1 2 0 2 3 4 3
x xT
y y
z z
t t
t T t t MPa
t t
Vetor tensão e tensor tensão no sistema de coordenadas x’y’z’:
Então, escrevemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.210
2 2 2 2 0
2 2 2 2 0
0 0 1
a
.
O vetor tensão, segundo o novo sistema de coordenadas escreve-se
2 2 2 2 0 5 2 23
2 2 2 2 0 2 2 2
0 0 1 4 3 4 3
x x
y y
z z
t t
t a t t t
t t
.
O tensor tensão, segundo o novo sistema de coordenadas escreve-se
2 2 2 2 0 2 2 2 2 03 1 1
2 2 2 2 0 1 0 2 2 2 2 2 0
0 0 1 1 2 0 0 0 1
TT a T a
5 3 3 2
13 1 2
23 2 2 0
T MPa
▲
Exemplo 2.38
Num ponto da superfície livre de um sólido (por exemplo, o revestimento inferior
da asa de um avião), considerando-se um sistema cartesiano ortogonal xyz, com o eixo
z normal à superfície, as componentes de tensão são:
100x psi 30xy psi 20y psi .
Como a superfície livre não está em contato com outro corpo, temos
0z xz yz
Obter as componentes de tensão num sistema x’y’z’ rotacionado de 18,43o no sentido
anti-horário em torno do eixo z.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.211
Solução
100 30 0
30 20 0
0 0 0
T psi
Então a matriz a escreve-se
0,9487 0,3161 0
0,3161 0,9487 0
0 0 1
a
.
O estado de tensão no ponto, segundo o novo sistema de coordenadas x’y’z’, escreve-
se
0,9487 0,3161 0 100 30 0 0,9487 0,3161 0
0,3161 0,9487 0 30 20 0 0,3161 0,9487 0
0 0 1 0 0 0 0 0 1
TT a T a T
110 0 0
0 10 0
0 0 0
T psi
onde:
110 0
10 0
0 0
x x y
y x z
z y z
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.212
Representação geométrica:
Comentários:
A transformação de coordenadas realizada resultou num novo sistema x’y’z’
onde as componentes de cisalhamento dos vetores tensões associados aos três
novos planos mutuamente perpendiculares, respectivamente normais aos eixos
de coordenadas x’, y’ e z’, são nulas. Como veremos na próxima seção, essas
componentes de tensões normais resultantes são denominadas de tensões
principais.
Devemos ter sempre em mente o significado de cada linha da matriz que
representa o estado de tensão no ponto do sólido:
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.213
2.9 TENSÕES PRINCIPAIS
O exemplo 2.38, apresentado na seção anterior nos mostrou um resultado interessante:
ao rotacionarmos um dado sistema de coordenadas Cartesianas xyz obtivemos um
novo sistema x’y’z’ tal que nesse sistema os novos componentes do estado de tensão
eram apenas tensões normais, ou seja, todas as componentes de cisalhamento se
anularam.
Na realidade, independentemente do estado de tensão num ponto podemos
sempre escolher um novo sistema cartesiano ortogonal de modo que o tensor tensão
tenha todas as componentes de cisalhamento nulas (desde que o tensor tensão seja
simétrico, para que as novas componentes de tensões resultem em números reais). Os
eixos desse sistema especial de coordenadas são denominados eixos principais de
tensão no ponto. As suas direções (dadas em relação ao sistema original de
coordenadas xyz) são chamadas de direções principais. Os três planos mutuamente
perpendiculares, passando pelo ponto considerado e normais aos eixos principais são
denominados planos principais. Os vetores tensões que atuam nos planos principais e
têm apenas componentes normais (as componentes de cisalhamento são nulas) são
denominados de tensões principais. Veja a figura 2.82.
( , , )
x xy xz
xy y yz
xz yz z x y z
T
1
2
3 ( ', ', ')
0 0
0 0
0 0x y z
T
Figura 2.82 (a) Estado de tensão num ponto segundo um sistema de coordenadas cartesianas ortogonais xyz; (b) Estado de tensão num ponto segundo um sistema coordenadas cartesianas ortogonais 1,2,3 cujos eixos são paralelos às direções principais.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.214
Quando conhecemos o estado de tensão num ponto, segundo um sistema de
coordenadas cartesianas xyz, podemos obter as tensões principais e as direções
principais resolvendo-se o seguinte problema: dado o estado de tensão num ponto,
determinar um plano passando pelo ponto tal que o vetor tensão atuando no ponto e
sobre esse plano tenha apenas a componente normal (componente de cisalhamento
nula). Esse plano será um plano principal e esse vetor tensão será uma tensão
principal. Da equação (2.38) podemos escrever
Tt T (2.128)
ou
x x xy xz
y xy y yz
z xz yz z
t l
t m
t n
. (2.129)
onde
ˆˆ ˆˆ l i m j nk ou l
m
n
Mas, a condição é que o vetor ( )t tenha apenas componente normal sobre o
plano com orientação , conforme mostra a figura 2.83.
Figura 2.83 Vetor tensão normal ao plano com normal unitária .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.215
Assim, podemos escrever
t (2.130)
ou
1 0 0
0 1 0
0 0 1
x
y
z
t l l
t m m
t n n
. (2.131)
Das equações (2.129) e (2.131) escrevemos
1 0 0 0
0 1 0 0
0 0 1 0
x xy xzx xy xz
xy y yz xy y yz
xz yz z xz yz z
l l l
m m m
n n n
. (2.132)
A equação (2.132) representa um sistema de equações lineares e homogêneas
em , ,l m n . Como os cossenos diretores , ,l m n devem satisfazer a relação
2 2 2 1l m n (2.133)
porque
2 2 2 2ˆ 1l m n ,
então a equação (2.132) tem que ter solução diferente da trivial, ou seja, , ,l m n não
podem ser nulos simultaneamente.
Mas, para isso, o determinante dos coeficientes da equação (2.132) deve ser
nulo,
0
x xy xz
xy y yz
xz yz z
. (2.134)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.216
A equação (2.134) é uma equação algébrica do 3º grau em , cujas três raízes 1 , 2
e 3 são as tensões principais. Desenvolvendo-se o determinante obtemos
3 21 2 3 0I I I , (2.135)
onde os coeficientes 1I , 2I e 3I são denominados de invariantes do estado de tensão e
são dados por:
1 x y zI 2 2 2
2 x y x z y z xy xz yzI
2 2 2
3 2x y z xy xz yz x yz y xz z xyI . (2.136)
Uma vez determinadas as raízes 1 , 2 e 3 (tensões principais) da equação
(2.135), podemos obter as componentes , ,l m n do vetor unitário correspondente aos
planos sobre o quais atuam cada uma dessas tensões principais. Para isso,
procedemos como a seguir:
Substituindo-se uma raiz na equação (2.132) o sistema se reduz a apenas
duas equações lineares independentes (com três incógnitas , ,l m n ), as quais
devem ser resolvidas junto com a equação quadrática (2.133). Assim passamos
a ter três equações e três incógnitas.
Repetimos esse processo para as outras duas raízes .
Para cada raiz 1 , 2 e 3 obtemos um conjunto de três cossenos diretores que
definem as direções principais, ou seja, definem os vetores unitários normais aos
planos principais. Como uma das equações é quadrática ( 2 2 2 1l m n ), duas
soluções serão encontradas para cada vetor , representando duas normais,
diretamente opostas, ao mesmo plano. Poderíamos dizer que cada um desses dois
vetores representa uma das duas faces do mesmo plano. Os eixos principais que
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.217
definem esse novo sistema de coordenadas cartesianas são paralelos a esses vetores
unitários 1 , 2 e 3 . Costuma-se denominar os eixos principais normais aos planos
onde atuam 1 , 2 e 3 , respectivamente de 1, 2 e 3.
Exemplo 2.39
Dado o estado de tensão num ponto, conforme a figura abaixo, obter as tensões
principais e as direções principais correspondentes.
Solução
Estado de tensão no ponto: 0 0 0
0 100 100
0 100 200
x xy xz
xy y yz
xz yz z
T
Tensões principais:
Equação característica: 3 21 2 3 0I I I , onde
1 10 ( 100) ( 200) 300x y zI I
2 2 22 x y x z y z xy xz yzI
2 2 2
20 100 0 200 100 200 0 0 100 10000I
2 2 23 2x y z xy xz yz x yz y xz z xyI
2 2 2
30 100 200 2 0 0 100 0 100 100 0 200 0 0I
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.218
Substituindo na equação característica, escrevemos
3 2 3 2300 10000 0 0 300 10000 0
Colocando em evidência, escrevemos
22
0300 10000 0
300 10000 0
Então, resolvendo a equação do 2º grau, obtemos as outras duas raízes, ou seja,
2 261,8300 10000 0
38,2
Assim, as tensões principais escrevem-se
1 2 30 38,2 261,8
Direções principais:
As direções principais são obtidas substituindo-se cada tensão principal na equação
(2.132) e resolvendo-se o seguinte sistema de equações em , ,l m n :
2 2 2
0 0 0 0
0 100 100 0 ( ) 1 ( )
0 100 200 0
l
m a l m n b
n
a) Direção 1: associada à tensão 1 0
Substituímos por 1 0 na equação (a) e escrevemos
12 2 2
1 1 1 1
1
0 0 0 0 0
0 100 0 100 0 1
0 100 200 0 0
l
m e l m n
n
1 1 1 2 2 21 1
1 1 1
100 100 0 00 0 1 1
100 200 0 0
m n ml l
m n n
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.219
Então o vetor unitário normal ao plano principal onde atua a tensão 1 é dado por
1ˆˆ ˆˆ 1 0 0i j k
b) Direção 2: associada à tensão 2 38,2
Substituímos por 2 38,2 na equação (a) e escrevemos
22 2 2
2 2 2 2
2
0 38,2 0 0 0
0 100 38,2 100 0 1
0 100 200 38,2 0
l
m e l m n
n
22 2 2 22 2
2 22 2 2 2 2
38, 2 0 0 0 0100
0 11000 61,8 100 0 61,8
61,8
l m n l
n nl m n m n
2 20,5257 0,8506n m
Então o vetor unitário normal ao plano principal onde atua a tensão 2 38, 2 é dado
por
2ˆˆ ˆˆ 0 0,8506 0,5257i j k
22 2
2
900 arccos( )
270
o
ol l
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.220
22 2
2
31,70,8506 arccos( )
148,3
o
om m
22 2
2
58, 20,5257 arccos( )
121,8
o
on n
c) Direção 3: associada à tensão 3 261,8
Substituímos por 3 261,8 na equação (a) e escrevemos
32 2 2
3 3 3 3
3
0 261,8 0 0 0
0 100 261,8 100 0 1
0 100 200 261,8 0
l
m e l m n
n
23 3 3 32 2
3 33 3 3 3 3
261,8 0 0 0 0100
0 11000 161,8 100 0 161,8
161,8
l m n l
n nl m n m n
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.221
3 30,8506 0,5257n m
Então o vetor unitário normal ao plano principal onde atua a tensão 3 261,8 é dado
por
3ˆˆ ˆˆ 0 0,5257 0,8506i j k
33
3
900
270
o
ol
33
3
121,70,5257
58,3
o
om
33
3
31,70,8506
148,3
o
on
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.222
Resumo dos resultados:
2 3 2 3ˆ ˆ ˆ ˆ0 0,8506 0,5257 0,5257 0,8506 0 ▲
Observações:
1. as tensões principais e as direções principais num ponto dependem apenas do
estado de tensão no ponto. Como o estado de tensão (tensor tensão) num ponto
é invariante com respeito à mudança de sistema de coordenadas, então as
tensões principais e as direções principais no ponto também são invariantes. Em
geral, elas são diferentes em cada ponto do sólido, porque o estado de tensão
em cada ponto, em geral, é diferente, mas se o estado de tensão é uniforme
através do sólido, então as tensões principais e as direções principais são as
mesmas em todos os pontos desse sólido;
2. da observação anterior podemos compreender porque os coeficientes 1I , 2I e 3I
da equação (2.135) são invariantes com respeito ao sistema de coordenadas. Ou
seja, para um dado estado de tensão T os coeficientes não devem mudar se o
sistema cartesiano xyz for substituído por um outro x’y’z’. Os coeficientes 1I , 2I
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.223
e 3I são denominados, respectivamente, primeiro, segundo e terceiro invariantes
do estado de tensão.
3. as raízes 1 , 2 e 3 da equação (2.135) são sempre reais por serem
autovalores de uma matriz real e simétrica (a matriz T ). Essa afirmação pode
ser demonstrada com o seguinte raciocínio: supondo-se que existe uma raiz
da equação (2.135) que seja complexa e como essa equação tem coeficientes
reais, então o complexo conjugado será também raiz da equação.
Consequentemente estará associado a essa raiz conjugada um vetor complexo
conjugado . Assim, podemos escrever, a partir de (2.128) e (2.130),
T T . (2.137)
Pré-multiplicando a primeira equação de (2.137) por T e a segunda por T ,
temos
T T T TT T . (2.138)
Fazendo-se a transposta da primeira das equações (2.138)
T TT TT , (2.139)
e desde que T é simétrica
T TT . (2.140)
Da segunda equação (2.138) e de (2.140) podemos escrever
T T .
Então,
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.224
0T . (2.141)
Como é solução não trivial da equação (2.132), ou seja 0
(conseqüentemente 0 ), então, para quaisquer e
0 . (2.142)
Portanto, de (2.142) podemos concluir que tem que ser real.
4. se as tensões principais 1 , 2 e 3 são todas diferentes, então as direções
principais são únicas e mutuamente ortogonais, ou seja, os três planos sobre os
quais essas tensões atuam são únicos e mutuamente perpendiculares, conforme
mostrado a seguir: sejam 1 e 2 os vetores unitários normais aos planos
onde atuam 1 e 2 , respectivamente. De (2.128) e (2.130)
1 1 1 2 2 2
T TT T .
Pré-multiplicando a primeira das equações acima por 2
T e a segunda por
1
T escrevemos
1 2 1 2 1 2 1 2 1 2
T T T T T TT T . (2.143)
Fazendo-se a transposta da primeira equação de (2.143) e levando-se em conta
que T é simétrica
1 2 1 2 1
T TT TT ,
1 1 2 1 2
T TT . (2.144)
Subtraindo a segunda equação de (2.143) de (2.144)
1 1 2 2 1 2 0T T ,
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.225
1 2 1 2 0T . (2.145)
Como, por hipótese, 1 2 , então 1 2 0T . Ou seja, os vetores unitários,
normais aos planos principais onde atuam as tensões 1 e 2 , são ortogonais.
Portanto, as tensões principais 1 e 2 atuam em planos perpendiculares entre
si.
Repetindo-se o desenvolvimento acima, permutando-se os índices 1, 2 e 3 dos
vetores unitários e das tensões , concluiremos que se 1 2 3 , os três
planos onde as tensões principais atuam são mutuamente perpendiculares.
Esses planos são únicos porque cada um é associado a uma raiz da equação
(2.135) e essas raízes são únicas.
5. a maior, algebricamente, das três tensões principais atuando num ponto do
sólido é a máxima componente normal de tensão atuando sobre qualquer plano
passando pelo ponto, e a menor, algebricamente, das três tensões principais é a
mínima componente normal de tensão sobre qualquer plano passando pelo
ponto. Isso será demonstrado a seguir: supondo-se que as tensões principais
num ponto do sólido são 1 , 2 e 3 , podemos representar o estado de tensão
no ponto pela matriz
1
2
3
0 0
0 0
0 0
T
. (2.146)
Os seus componentes são escritos segundo o sistema de eixos cartesianos
ortogonais 1,2 e 3, conforme a figura 2.84.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.226
Figura 2.84 Estado de tensão num ponto definido segundo o sistema de coordenadas cartesianas ortogonais cujos eixos 1,2,3 são paralelos às direções principais
Empregamos o seguinte raciocínio: por hipótese, 1 2 3 e escrevemos a
componente normal do vetor tensão, em função de suas tensões principais
1 1
2 2
3 3
0 0
0 0
0 0
x
y
z
t l l
t m m
t n n
1 2 3
T
l
t l m n m
n
2 2 21 2 3l m n . (2.147)
Supondo que exista , ,l m n tais que 1 , escrevemos
2 2 2 2 2 21 2 3 1 1 2 31l m n l m n . (2.148)
A partir de 2 2 2 1l m n , escrevemos
2 2 21 l m n . (2.149)
2 2 21 l m n .
Substituindo (2.149) em (2.148) obtemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.227
2 2 2 2 2 21 2 3 1 2 1 3 0m n m n m n . (2.150)
Como, por hipótese, 1 2 3 e como 2 0m e 2 0n , o resultado acima
indicado pela inequação (2.150) é um absurdo. Portanto, não existe maior
que 1 !
Por um raciocínio semelhante, mostra-se que não existe menor que 3 .
Portanto, uma das três tensões principais atuando num ponto do sólido é a
máxima tensão normal e outra é a mínima tensão normal atuando no ponto.
Tensão de Cisalhamento Máxima
Como será visto nas próximas seções, a componente de cisalhamento máxima
do vetor tensão atuando num ponto do sólido, sobre um plano passando por esse
ponto, é dada por
max max min
1
2 . (2.151)
E elas ocorrem aos pares, atuando em planos mutuamente perpendiculares,
cujos vetores normais unitários formam ângulos de 45º com as direções principais
correspondentes a max e min .
Deve ser observado que, em geral, as componentes normais de tensão sobre os
planos onde ocorrem as componentes máximas de cisalhamento não são nulas e
podem ser obtidas por
max min
1
2 . (2.152)
A figura 2.85 ilustra o caso com max 1 e min 2 .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.228
max 1 2 1 2
1 1
2 2
Figura 2.85 Tensões de cisalhamento máximas
Estados especiais de tensão
Diversos estados especiais de tensão num ponto merecem atenção. A seguir
apresentamos três estados de tensão que se destacam.
a) Se as três raízes da equação (2.134) são iguais, ou seja, 1 2 3 , então
todos os planos que passam pelo ponto do sólido tem tensão de cisalhamento
nula, porque pela equação (2.151) a max 0 e, pela equação (2.152), tensão
normal 1 2 3 . Todas as direções podem ser chamadas de direção
principal. Se imaginarmos uma esfera infinitesimal em torno desse ponto, como
na figura 2.86(a), então toda área elementar da sua superfície está apenas sob
tensão normal 1 2 3 ( 0 ), onde é um vetor unitário arbitrário.
Esse estado de tensão é denominado esférico ou hidrostático, por ser o único
estado de tensão possível para um fluído em repouso.
b) Se duas raízes são iguais e a terceira é diferente, por exemplo, 1 2 3
então o vetor 3 é único e perpendicular a 1 e 2 que são indefinidos. Ou seja,
todos os planos paralelos a 3 tem componente de tensão de cisalhamento nulo
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.229
e tensão normal 1 2 . Quaisquer dois vetores unitários perpendiculares
entre si e a 3 poderão ser escolhidos para 1 e 2 . Se imaginarmos um cilindro
circular infinitesimal no ponto, como na figura 2.86(b), com a face plana normal a
3 , a superfície lateral do cilindro estará apenas sob tensão normal 1 2 ,
onde é um vetor unitário arbitrário normal a 3 . Daí, um estado de tensão, com
duas tensões principais iguais e distintas de uma terceira ser denominado
cilíndrico.
Figura 2.86 Estados de tensão (a) esférico ou hidrostático; (b) cilíndrico.
c) Um terceiro estado de tensão especial é aquele em que 1 , 2 e
3 0 , conforme a figura 2.87(a). Os planos normais às direções que formam
45º com as direções principais 1 e 2 experimentam apenas tensões de
cisalhamento max , conforme ilustrado na figura 2.87(b).
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.230
max rs
Figura 2.87 (a) Estado de tensão num ponto definido pelas tensões principais 1 ,
2 e 3 0 ; (b) Componentes de tensão nos planos normais aos eixos que
formam 45º com as direções principais 1 e 2 de (a).
Antes de finalizarmos essa seção, é importante enfatizar certos aspectos que já
foram mencionados anteriormente. Suponha que representemos visualmente o estado
de tensão num ponto pelo paralelepípedo elementar da figura 2.88(a). Qualquer que
seja a orientação do sistema de coordenadas Cartesianas ortogonais xyz considerado,
o conhecimento das seis componentes , , , , ,x y z xy xz yz é suficiente para
determinarmos o vetor tensão ( )t atuando no ponto sobre qualquer plano normal ao
vetor unitário passando por esse ponto. Se conhecermos a priori as direções
principais, então o estado de tensão pode ser descrito apenas pelas três tensões
principais, conforme ilustrado na figura 2.88(b).
Portanto, os dois conjuntos de componentes de tensão podem ser usados para
especificar o estado de tensão no ponto, mas obviamente, o uso das tensões principais
conduz naturalmente a expressões mais simples.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.231
( , , )
x xy xz
xy y yz
xz yz z x y z
T
1
2
3 (1,2,3)
0 0
0 0
0 0
T
Figura 2.88 (a) Estado de tensão definido pelas seis componentes de tensão , , , , ,x y z xy xz yz ; (b) Estado de tensão definido pelas tensões principais.
Exemplo 2.40
Conhecendo-se o estado de tensão em um ponto do sólido, matriz T , em
termos de suas tensões principais, determine a tensão de cisalhamento máxima e as
orientações dos planos onde ela atua.
0 0
0 0
0 0 0
T
Solução
max 1 min 2 3 0
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.232
A equação nos dá (2.151)
max max min max
1 1
2 2
Rotação anti-horária de 45º em torno do eixo 3:
1 2 32 2 2 2 0
2 2 2 2 02 2 2 2 0
2 2 2 2 0 0 0 10 0 1
ra
s
t
2 2 2 2 0 2 2 2 2 00 0
2 2 2 2 0 0 0 2 2 2 2 0
0 0 1 0 0 0 0 0 1
TT a T a
0 0
0 0
0 0 0
r rs rt
sr s st rs sr
tr ts t
T
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.233
Rotação horária de 45º em torno do eixo 3:
1 2 32 2 2 2 0
2 2 2 2 02 2 2 2 0
2 2 2 2 0 0 0 10 0 1
ra
s
t
2 2 2 2 0 2 2 2 2 00 0
2 2 2 2 0 0 0 2 2 2 2 0
0 0 1 0 0 0 0 0 1
TT a T a
0 0
0 0
0 0 0
r rs rt
sr s st rs sr
tr ts t
T
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.234
Exemplo 2.41
O estado de tensão em um ponto de um sólido sob ação de cargas externas é
dado pelos componentes de tensão segundo um sistema de coordenadas cartesianas
xyz
20 0 0
0 10 0
0 0 40
x xy xz
yx y yz
zx zy z
T
Calcule a máxima tensão de cisalhamento e claramente identifique os planos sobre os
quais ela atua.
Solução
max max min max
1 140 10 25
2 2
max min
1 140 10 15
2 2med med
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.235
Rotação de 45º anti-horária em torno do eixo 1:
1 2 30 0 0
0 2 2 2 20 2 2 2 2
0 2 2 2 21 2 2 2 2
1 0 0
ra
s
t
0 2 2 2 2 0 0 120 0 0
0 2 2 2 2 0 10 0 2 2 2 2 0
1 0 0 0 0 40 2 2 2 2 0
TT a T a
15 25 0
25 15 0
0 0 20
r rs rt
sr s st
tr ts t
T
Se fizermos uma rotação de 45º no sentido horário, obtermos o mesmo
resultado, ou seja,
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.236
Rotação de 45º horária em torno do eixo 1:
1 2 30 0 0
0 2 2 2 20 2 2 2 2
0 2 2 2 21 2 2 2 2
1 0 0
ra
s
t
0 2 2 2 2 0 0 120 0 0
0 2 2 2 2 0 10 0 0 2 2 0
1 0 0 0 0 40 2 2 2 2 0
TT a T a
15 25 0
25 15 0
0 0 20
r rs rt
sr s st
tr ts t
T
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.237
2.10 ESTADO PLANO DE TENSÃO
O estado de tensão num ponto de um sólido carregado, representado como na figura
2.89 é denominado de estado plano de tensão.
0
0
0 0 0
x xy
xy yT
Figura 2.89 Estado plano de tensão num ponto
Um estado plano de tensão ocorre quando existe um eixo z (ou algum outro eixo
ortogonal) de um sistema de coordenadas ortogonais xyz tal que 0z xz yz e o
carregamento e as tensões restantes ( x , y , xy ) são funções somente das
coordenadas x e y.
Se não houver carregamento na superfície livre de um sólido, de modo que a
componente de tensão normal e as componentes de tensões tangenciais
(cisalhamento) sejam nulas, os pontos dessa superfície estão sob estado plano de
tensões. Se, ao longo da espessura desse sólido, assumirmos que as tensões variam
apenas com as coordenadas x e y e independem de z (normal ao plano local da
superfície), os pontos do interior desse sólido estarão também sob um estado plano de
tensões. Isso pode ocorrer em chapas finas carregadas de modo que os componentes
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.238
do vetor tensão que atua no plano normal ao vetor unitário normal ao plano da chapa
sejam nulos, conforme figura 2.90.
Figura 2.90 (a) Ponto no interior de uma chapa; (b) Estado plano de tensão no ponto no interior da chapa
Como estamos supondo que sobre o plano normal ao eixo z do sistema de
coordenadas cartesianas ortogonais adotado xyz as componentes de cisalhamento são
nulas ( 0xz yz ), esse é um plano principal. Nesse caso em particular, a tensão
principal atuando sobre esse plano é nula ( 0z ) e a direção desse plano (eixo normal
unitário) é paralela ao eixo z. Como os vetores unitários que definem as direções dos
outros dois plano principais são normais a essa direção, eles estão, portanto,
localizados no plano xy.
Tensões Principais
Então, para obtermos as outras duas tensões principais e as suas direções
principais basta fazermos uma rotação adequada do sistema de coordenadas xyz em
torno do eixo z, como mostra a figura 2.91.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.239
(a) (b)
0
0
0 0 0
x xy
xy yT
0 0
0 0
0 0 0
x
ypT
Figura 2.91 (a) Estado plano de tensão no ponto conforme sistema cartesiano xyz; (b) Tensões principais no ponto.
Uma das vantagens que veremos a seguir é que a transformação de
coordenadas poderá ser referenciada a apenas um ângulo, , o qual representará uma
rotação adotada como anti-horária em torno do eixo z (paralelo a uma direção principal
conhecida), conforme mostra a figura 2.92.
Figura 2.92 Novo sistema de coordenadas cartesianas x’y’z’ obtido por uma rotação anti-horária do sistema xyz em do eixo z.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.240
A matriz de transformação de coordenadas a é obtida como a seguir
cos 0
cos 0
0 0 1
sen
a sen
(2.153)
Da equação (2.127) temos
TT a T a .
Substituindo (2.153) na equação acima escrevemos
cos 0 0 cos 0
cos 0 0 cos 0
0 0 1 0 0 0 0 0 1
x xy
xy y
sen sen
T sen sen
.
Efetuando-se as multiplicações das matrizes obtemos
0
0
0 0 0
x x y
x y yT
. (2.154)
onde
2 2cos 2 cosx x y xysen sen
2 2cos 2 cosy x y xysen sen
2 2cos cosx y x y xysen sen . (2.155)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.241
Considerando-se as identidades trigonométricas
2 1cos 1 cos 2
2
2 11 cos 2
2sen
2 2 cossen sen , (2.156)
as equações (2.155) escrevem-se (com positivo no sentido anti-horário)
cos 2 22 2
x y x yx xysen
cos 2 22 2
x y x yy xysen
2 cos 22
x yx y xysen
. (2.157)
As equações (2.157) nos dão as componentes do estado de tensão no ponto, no
sistema x’y’z’ obtido a partir de uma rotação anti-horária do sistema de coordenadas
cartesianas ortogonais xyz em torno do eixo z. O eixo z’ é, portanto, paralelo ao eixo z
do sistema original.
Verifica-se facilmente que a componente y pode ser obtida a partir da primeira
equação (2.157) se considerarmos uma rotação de 90o . Isso já era esperado porque
os eixos x’ e y’ são mutuamente perpendiculares.
A figura 2.93 mostra o estado de tensão no ponto considerado, escrito segundo o
sistema de coordenadas x’y’z’.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.242
0
0
0 0 0
x xy
xy yT
0
0
0 0 0
x x y
x y yT
Figura 2.93 Estado plano de tensão escrito no novo sistema x’y’z’.
Exemplo 2.41
O estado plano de tensão em certo ponto da superfície da fuselagem de um
avião é representado na figura. Escrever o estado de tensão nesse ponto segundo um
sistema de coordenadas rotacionado de 30º no sentido horário em torno do eixo z do
sistema xyz.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.243
Solução
A matriz que representa o estado de tensão no ponto escreve-se
80 25 0
25 50 0
0 0 0
T
onde:
80
50
25
x
y
xy
MPa
MPa
MPa
Como a rotação é no sentido horário, escrevemos
30o .
A partir das equações (2.157) escrevemos
cos 2 22 2
x y x yx xysen
0 080 50 80 50cos 2 30 25 2 30 25,8
2 2x xsen MPA
cos 2 22 2
x y x yy xysen
80 50 80 50cos 2 30 25 2 30 4,15
2 2o o
y ysen MPa
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.244
2 cos 22
x yx y xysen
80 502 30 25 cos 2 30 68,8
2o o
x y x ysen MPa
A figura a seguir mostra a representação geométrica do estado de tensão no ponto
segundo o novo sistema de coordenadas x’y’z’.
▲
Somando-se as duas primeiras equações de (2.157) obtemos
2 2x y x y
x y x y x y
. (2.158)
Esse resultado é o primeiro invariante do estado de tensão no ponto, 1I , ou seja
1 x y z x y zI .
Como, nesse caso 0z z , escrevemos
1 x y x yI . (2.159)
Das equações (2.157) observamos que os componentes de tensões normais e
de cisalhamento são funções da variável . Portanto, devem existir ângulos , para os
quais essas funções assumem valores extremos. Para determinarmos esses ângulos,
procedemos da seguinte maneira: derivamos as funções ( )x x e ( )y y em
relação a 2 e igualamos as derivadas a zero
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.245
2
2 cos 2 0 tan 2(2 ) 2
x y xyxxy px
x y
dsen
d
(2.160)
2
2 cos 2 0 tan 2(2 ) 2
y x y xyxy py
x y
dsen
d
. (2.161)
De (2.160) e (2.161) podemos concluir que os ângulos 2 px e 2 py ou são iguais ou são
defasados de 180º . Então, podemos escrever
2tan 2 xy
px y
(2.162)
onde 2
2 arctan xyp
x y
é o dobro do ângulo para o qual, as tensões normais x
e y tem os seus valores extremos. Como 2 p varia no intervalo 0, 2 , então existem
dois valores possíveis desse ângulo para o mesmo valor da tangente e esses ângulos
são defasados de 180º . Assim, escrevemos
22 2 2 180 tan 2 tan 2 180 xyo o
p p p p px y
e
. (2.163)
Portanto, p e 90op p são soluções da equação (2.163). Esses ângulos são
aqueles , para os quais x e y tem os seus valores extremos. Como a soma das
componentes normais de tensão do estado de tensão no ponto é invariante ( 1I é
constante no ponto), então se um dos valores for máximo o outro necessariamente será
mínimo, ou seja, eles não podem ser máximos ou mínimos simultaneamente.
A figura 2.94 mostra um esquema auxiliar, baseado na definição de tan 2 p , para
a determinação do seno e do cosseno de 2 p e 2 180op .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.246
Figura 2.94 Esquema auxiliar para determinação do seno e do cosseno de 2 p e
2 180op .
De (2.163), temos
2 1802 2 2
tan 2 tan 2 180cos 2 cos 2 180
opp xy xyo
p p op x y x yp
sensen
.
Da figura 2.94 escrevemos
2 cos 22
xy x yp psen
R R
(2.164)
2 180 cos 2 180
2x yxyo o
p psenR R
, (2.165)
onde
2
2
2x y
xyR
(2.166)
Substituindo adequadamente as equações (2.164) ou (2.165) em (2.157) escrevemos:
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.247
Considerando-se o ângulo 2 p :
2 2 2p
x y x y x y xyx xyR R
2 2 2p
x y x y x y xyy xyR R
02 2p
x y xy x yx y xyR R
. (2.167)
Substituindo-se (2.166) em (2.167) obtemos
2
21 2 2p
x y x yx xy
2
22 2 2p
x y x yy xy
0p
x y . (2.168)
Como a componente de cisalhamento p
x y é nula nos planos normais aos
eixos 1 e 2 , orientados pelo ângulo p , então os componentes normais 1 e 2 de
(2.168) são tensões principais, porque os componentes x z xz e y z yz também são
nulos nesses planos, e os eixos 1 e 2 são eixos principais, conforme ilustrado na figura
2.95.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.248
Figura 2.95 Orientação p das direções principais 1 e 2.
Considerando-se o ângulo 2 180op :
90 2 2 2o
p
x y x y x y xyx xyR R
90 2 2 2o
p
x y x y x y xyy xyR R
90
02 2o
p
x y xy x yxy xyR R
. (2.169)
Substituindo-se (2.166) em (2.169) escrevemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.249
2
22 90 2 2
op
x y x yx xy
2
21 90 2 2o
p
x y x yy xy
90
0o
px y
. (2.170)
Como a componente de cisalhamento 90o
px y
é nula no plano normais aos eixos 1 e
2, orientados pelo ângulo 90op , então os componentes normais 1 e 2 de (2.170)
são tensões principais porque os componentes x z xz e y z yz também são nulas
nesses planos, e os eixos 1 e 2 são eixos principais, conforme ilustrado na figura 2.96.
Figura 2.96 Orientação 90op das direções principais 1 e 2.
Comparando-se os resultados ilustrados nas figuras 2.95 e 2.96, vemos que elas
representam a mesma realidade física. Elas representam o mesmo estado de tensão no
ponto. A figura 2.95 mostra uma rotação no sentido anti-horário igual a p (o eixo x’ é o
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.250
eixo principal 1 e o eixo y’ é o eixo principal 2 ) enquanto que a figura 2.96 mostra uma
rotação no mesmo sentido igual a 90op (o eixo x’ é o eixo principal 2 e o eixo y’ é o
eixo principal 1).
Tensão de Cisalhamento xy Máxima
Da equação (2.157) vemos que a componente de cisalhamento x y é função do
ângulo . Podemos, portanto, obter os ângulos para os quais esse componente de
tensão tem os seus valores extremos. Para determinarmos esses ângulos, procedemos
da seguinte maneira: derivamos a função ( )x y x y em relação a 2 e igualamos a
derivada a zero
cos 2 2 0 tan 2(2 ) 2 2
x y x y x yxy s
xy
dsen
d
. (2.171)
onde 2 arctan 2s x y xy é o dobro do ângulo para o qual, a tensão de
cisalhamento x y tem o seu valor extremo. Como 2 s varia no intervalo 0, 2 , então
existem dois valores possíveis desse ângulo para o mesmo valor da tangente e esses
ângulos são defasados de 180º . Assim. Podemos escrever
2 2 180 tan 2 tan 2 1802x yo o
s s s sxy
e
. (2.172)
Portanto, s e 90os são soluções da equação (2.171). Esses ângulos são aqueles
para os quais a tensão de cisalhamento x y tem o seu valor extremo.
Comparando-se a equação (2.171) com a equação (2.162) temos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.251
1tan 2
tan 2sp
. (2.173)
De (2.173) concluímos que
2 2 90 45o os p s p , (2.174)
o que pode ser facilmente verificado como a seguir:
(2 90 ) cos 2 1tan 2 tan(2 90 )
cos(2 90 ) 2 tan 2
op po
s p op p p
sen
sen
.
Denominando-se de x’y’z’ o novo sistema de coordenadas cartesianas ortogonais
obtidos a partir do sistema xyz com um rotação s no sentido anti-horário em torno eixo
z, a figura 2.97 ilustra o resultado de (2.174).
Figura 2.97 Orientação s dos eixos x’ e y’ normais aos planos onde atuam maxxy
A partir da equação (2.171) constrói-se o esquema da figura 2.98 que auxilia na
determinação do seno e do cosseno dos ângulos 2 s e 2 180os .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.252
Figura 2.98 Esquema auxiliar para determinação do seno e do cosseno de 2 s e
2 180os .
De (2.172) escrevemos
2 1802
tan 2 tan 2 180cos 2 2 2cos 2 180
osx y x yos
s s os xy xys
sensen
.
Da figura 2.98
2 cos 22
x y xys ssen
R R
(2.175)
2 180 cos 2 1802
x y xyo os ssen
R R
, (2.176)
onde R é definido em (2.166).
Substituindo adequadamente as equações (2.175) ou (2.176) em (2.157) escrevemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.253
Considerando-se o ângulo 2 s :
2 2 2 2s
x y x y xy x y x yx xyR R
2 2 2 2s
x y x y xy x y x yy xyR R
2 2s
x y x y xyx y xyR R
. (2.176)
Substituindo-se (2.166) em (2.176) obtemos
2s s
x ymed x y
(2.177)
2
2
max 2s
x yxy x y xy
. (2.178)
Considerando-se o ângulo 2 180os :
2 2 2s
x y x y xy x yx xyR R
2 2 2s
x y x y xy x yy xyR R
2 2s
x y x y xyx y xyR R
. (2.179)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.254
Substituindo (2.166) em (2.179) obtemos
90 90 2o o
s s
x ymed x y
(2.180)
2
2
max 90 2os
x yxy x y xy
. (2.181)
Os valores em módulo de s
x y e
90os
x y
de (2.178) e (2.181), respectivamente,
são os valores máximos da tensão de cisalhamento xy atuando em dois planos
mutuamente perpendiculares e paralelos ao eixo z do sistema cartesiano xyz
considerado na definição do estado de tensão no ponto do sólido. Portanto, esses dois
planos são também perpendiculares ao plano xy.
O sinal (+) ou (-) para o componente de cisalhamento não tem um significado
físico como tem para os componentes normais. A figura 2.99 ilustra os resultados de
(2.177), (2.178), (2.180) e (2.181).
Figura 2.99 Eixos x e ynormais aos planos onde atuam maxxy e med
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.255
Resumo dos resultados
A seguir apresentamos um resumo dos resultados obtidos :
2
21 2 2
x y x yxy
(2.182)
2
22 2 2
x y x yxy
(2.183)
Subtraindo-se a equação (2.183) de (2.182), dividindo-se o resultado por 2 e
comparando com (2.178) podemos escrever
2
21 2max
1
2 2x y
xy xy
. (2.184)
Somando-se as equações (2.182) e (2.183), dividindo-se o resultado por 2 e
comparando com (2.177) podemos escrever
1 2
2 2x y
med
(2.185)
As orientações dos planos principais e dos planos onde atuam maxxy e med são dadas,
respectivamente por
22 arctan xy
px y
(2.186)
2 arctan2x y
sxy
ou 45os p (2.187)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.256
Tensão de Cisalhamento Máxima Absoluta
Uma vez determinadas as tensões principais 1 e 2 , podemos agora representar o
estado de tensão no ponto pela matriz
1
2
3
0 0
0 0
0 0 0
T
.
De modo semelhante ao que fizemos anteriormente para o eixo z ( 0z era uma
tensão principal conhecida a priori), podemos agora, efetuar rotações de 45º em torno
de cada eixo principal e obter as tensões de cisalhamento máximas atuando em planos
paralelos a cada eixo de rotação. Supondo-se, por exemplo, que 1 2 3 0z
podemos escrever
max 1 2 1 21,2 1,2
1 1
2 2med . (2.188)
max 1 3 1 31,3 1,3
1 1
2 2med . (2.189)
max 2 3 2 32,3 2,3
1 1
2 2med . (2.190)
A figura 2.100 nos ajuda a visualizar esses resultados.
Figura 2.100 (a) rotação em torno do eixo 3; (b) rotação em torno do eixo 2; (c) rotação em torno do eixo 1
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.257
Assim, podemos definir a tensão de cisalhamento máxima absoluta, como a maior das
três tensões de cisalhamento dadas pelas equações (2.188)-(2.190)
max max min max min
1 1
2 2medabs . (2.191)
Estado Plano de Tensão Generalizado
Quando a componente de tensão normal, que atua sobre o plano onde as tensões de
cisalhamento são nulas, é diferente de zero, esse estado de tensão é denominado de
estado plano de tensão generalizado e pode ser representado, num sistema de
coordenadas cartesianas ortogonais xyz, pela matriz
0
0
0 0
x xy
xy y
z
T
Como as componentes de cisalhamento 0xz yz , a tensão normal z é uma
tensão principal. Portanto, podemos aplicar tudo o que foi desenvolvido para o estado
plano de tensões ( 0z ), no caso generalizado e obtermos as outras duas tensões
principais e as tensões de cisalhamento máximas e as orientações dos planos sobre os
quais elas atuam.
As tensões principais 1 , 2 , a tensão de cisalhamento máxima maxxy e a
tensão de cisalhamento máxima absoluta serão dadas pelas equações (2.182)-(2.184)
e (2.191).
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.258
Exemplo 2.42
O estado de tensão de um ponto da superfície de uma barra circular sujeita à
torção, como mostra a figura abaixo, é representado pelos componentes de tensões
segundo um sistema de coordenadas cartesianas ortogonais xyz
0 0
0 0
0 0 0
T
Determinar: (a) As tensões principais; (b) a tensão de cisalhamento xy máxima e a
tensão normal média; (c) a tensão de cisalhamento máxima absoluta.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.259
Solução
0x y z xz yz e xy
Tensões principais:
Uma tensão principal já é conhecida: 3 0z . Ela é uma tensão principal porque as
componentes de cisalhamento no seu plano de atuação (plano normal ao eixo z) são
nulas ( 0xz yx ).
A partir das equações (2.182) e (2.183) escrevemos
2 2
1221,2
2
0 0 0 0
2 2 2 2x y x y
xy
Orientação dos eixos principais:
A partir da equação (2.186) escrevemos
2
2 90 452 2
2 arctan arctan 2 180 90 450 0
p
o op p
xy o o op p p
x y
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.260
Para sabermos a qual plano se refere um dos ângulos p obtidos acima, nós
substituímos 45op na primeira equação (2.157), escrevemos
cos 2 22 2p
x y x yx p xy psen
245
0 0 0 0cos 2 45 2 45
2 2o
o oxsen
Então, temos
45op está associado a 2
45op está associado a 1
A figura a seguir ilustra esses resultados.
Tensão de cisalhamento maxxy :
A partir da equação (2.184) escrevemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.261
1 2max max
1 1
2 2xy xy ,
e da equação (2.185) escrevemos
1 2 02 2med med
Orientação dos planos onde atuam maxxy :
Da equação (2.187) escrevemos
0 02 arctan arctan 0
2 2x y o
s sxy
O sentido de maxxy no seu plano de atuação é dado por
0 0
0 0sin 2 0 cos 2 0
2o os s
x yx y xy x y
A figura a seguir ilustra esses resultados.
Tensão de cisalhamento máxima absoluta:
Da equação (2.191) escrevemos
max max min max
1 1
2 2abs abs ▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.262
Exemplo 2.43
O estado de tensão em um ponto de um sólido é representado por
20 60 0
60 90 0
0 0 0
T
Representá-lo em termos das tensões principais.
Solução
A figura a seguir representa o estado de tensão no ponto considerado,
onde
20 90 60x y xyMPa MPa MPa .
Orientação dos planos principais:
Da equação (2.186) escrevemos
2 2 60
2 arctan arctan arctan 1,09120 90
xyp
x y
Então, temos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.263
2 47,5 23,7o op p ou
2 2 180 132,5 66,3o o op p p
Tensões principais:
A partir das equações (2.182) e (2.183) escrevemos
2 2
1221,2
2
116,420 90 20 9060
2 2 2 2 46,4
x y x yxy
Plano sobre o qual atua cada tensão principal:
Consideramos um dos valores de p obtidos, por exemplo 23,7op , na primeira
equação (2.157)
cos 2 22 2p
x y x yx p xy psen
2
23,7
20 90 20 90cos 2 23,7 60 2 23,7 46, 4
2 2o
o oxsen
Então, a tensão principal que atua no plano cuja normal faz o ângulo 23,7op com o
eixo x é 2 46, 4 . Portanto, 1 116, 4 atuam no plano cuja normal forma o ângulo
66,3o com o eixo x., conforme mostra a figura a seguir.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.264
A matriz que representa o estado de tensão no ponto, escrita segundo o sistema
de coordenadas (1,2,3) em termos das tensões principais é a seguinte:
116, 4 0 0
0 46, 4 0
0 0 0
T
▲
Exemplo 2.44
Representar o estado de tensão do exemplo 2.43 em termos da tensão maxxy e
da tensão normal média.
Solução
A figura a seguir representa o estado de tensão no ponto considerado,
onde : 20 90 60x y xyMPa MPa MPa .
Orientação dos planos onde atua a tensão de cisalhamento máxima e a
tensão normal média:
Da equação (2.187) escrevemos
20 902 arctan arctan 2 arctan 0,9167
2 2 60x y
s sxy
Então, temos:
2 42,5 21,3o os s ou 02 180 222,5 90 111,3o o o
s s
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.265
Tensão de cisalhamento maxxy :
Da equação (2.184) escrevemos
2 2
22
max max
20 9060 81, 4
2 2x y
xy xy xy MPa
Tensão normal média:
Da equação (2.185) escrevemos
20 9035
2 2x y
med med MPa
Sentido de maxxy no plano cuja normal faz 21,3º com o eixo x:
A partir da terceira equação (2.157), com 21,3os , escrevemos
2 cos 22s
x yx y s xy ssen
20 902 21,3 60 cos 2 21,3 81, 4 ( )
2 sx ysen
A figura a seguir mostra esses resultados e a matriz que representa o estado de tensão
no ponto, escrita em termos da tensão de cisalhamento máxima e da tensão média,
segundo o sistema de coordenadas x’y’z’ é a seguinte:
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.266
35 81, 4 0
81, 4 35 0
0 0 0
T
▲
Exemplo 2.45
Um bloco retangular de madeira é carregado como mostra a figura abaixo.
Calcule a tensão normal e a tensão de cisalhamento num plano paralelo às fibras da
madeira. Considere os valores médios das tensões e atuando de modo uniforme em
todos os pontos do bloco.
Solução
Considerar que as tensões atuam de modo uniforme significa que todos os pontos do
bloco de madeira estão sujeitos ao mesmo estado de tensões e a figura a seguir nos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.267
mostra uma representação geométrica do estado de tensão num ponto genérico do
bloco.
210000 2000/
(5)(3) 3y y lb in
0x z xy xz yz
A representação geométrica se simplifica como a seguir:
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2.268
Como queremos obter o componente de tensão normal e o de cisalhamento num
plano paralelo às fibras da madeira basta considerarmos um novo sistema de
coordenadas x’y’z’ de modo que o eixo x’ seja normal a esse plano. Então,
rotacionamos o sistema xyz de 60º no sentido anti-horário em torno do eixo z, conforme
mostra a figura acima
A partir das equações (2.157) escrevemos
60cos 2 60 2 60
2 2o
x y x y o ox xysen
0 00 2000 3 0 2000 3
cos 2 60 0 2 602 2
sen
2
60500 /ox lb in
60
2 60 cos 2 602o
x y o ox y xysen
2
60
0 2000 3 32 60 0 cos 2 60 500 /
2 3o
o ox ysen lb in
A figura a seguir mostra os resultados obtidos.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.269
▲
Exemplo 2.46
O vaso de pressão cilíndrico tem raio interno r=1,25 m e espessura da parede
t=15 mm. É feito de chapas de aço soldadas ao longo da costura a 45o. Determinar os
componentes da tensão normal e de cisalhamento ao longo da costura se o vaso
estiver sujeito a uma pressão interna p=8 MPa. O estado de tensão de um ponto na
superfície é dado por 0xy e y , x , orientadas respectivamente na direção
circunferencial e na direção longitudinal, e que podem ser obtidas a partir das seguintes
equações:
y
pr
t
2x
pr
t
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2.270
Solução
O estado de tensão num ponto da superfície do cilindro pode ser representado como a
seguir.
8 1, 25333
2 2 0,015x x
prMPa
t
8 1, 25667
0,015y y
prMPa
t
Para obtermos a tensão normal e a de cisalhamento num plano paralelo ao
cordão de solda, basta fazermos uma transformação de coordenadas rotacionando o
sistema xyz de 45º no sentido anti-horário, conforme mostra a figura a seguir.
Da equação (2.257) escrevemos
0 0
45cos 2 45 2 45
2 2o
x y x yx xysen
0 0333 667 333 667cos 2 45 0 2 45
2 2sen
45500ox MPa
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2.271
0 0
45cos 2 45 2 45
2 2o
x y x yy xysen
0 0333 667 333 667cos 2 45 0 2 45
2 2sen
45
500oy MPa
45
2 45 cos 2 452o
x y o ox y xysen
45
333 6672 45 0 cos 2 45 167
2 o
o ox ysen MPa
A figura a seguir mostra os resultados. Os componentes do vetor tensão que atua no
plano paralelo ao cordão de solda são
500y MPa e 167x y MPa
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.272
Exemplo 2.47
Um ponto de um sólido carregado está sob um estado de tensão plano
generalizado. As componentes de tensão segundo um sistema de coordenadas
ortogonais cartesianas xyx são as seguintes
100 30 0
30 20 0
0 0 50
T Ksi
Determinar: a) As tensões principais e as suas direções; b) Tensões de cisalhamento
máximas; c) Tensão de cisalhamento máxima absoluta.
Solução
A tensão normal 50z é uma tensão principal porque as componentes de
cisalhamento no seu plano de atuação são nulas ( 0xz yz ). Vamos denominá-la de
3 .
Tensões principais 1 e 2 :
A partir das equações (2.182) e (2.183) escrevemos
2
21,2 2 2
x y x yxy
2
12
2
110100 20 100 2030
2 2 10
ksi
ksi
Então as tensões principais são:
1 2 3110 10 50ksi ksi ksi
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2.273
Direções principais:
A direção de 3 nós já conhecemos, ou seja, ela é paralela ao z do sistema de
coordenadas xyz.
As outras duas direções são mutuamente perpendiculares e também são
perpendiculares ao eixo z, logo, os seus vetores unitários pertencem ao plano xy.
Da equação (2.186) escrevemos
2 2 30
2 arctan arctan arctan 0,75100 20
xyp
x y
Então, temos
2 36,87 18, 43o op p ou
2 2 180 216,87 90 108, 43o o o op p p p
Escolhendo um dos valores acima para a transformação do sistema, por exemplo
018, 43p , escrevemos a partir da primeira equação (2.157)
0 0
18,43cos 2 18, 43 2 18, 43
2 2o
x y x yx xysen
0 0100 20 100 20cos 2 18, 43 30 2 18, 43
2 2sen
118,43 18,43110o ox x
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2.274
A figura a seguir mostra esses resultados.
Tensão de cisalhamento maxxy :
Da equação (2.184) escrevemos
1 2max max
1 1110 10 50
2 2xy xy ksi
Tensão normal média:
Da equação (2.185) escrevemos
1 2 110 1060
2 2med med ksi
Orientação dos planos onde atua a tensão de cisalhamento máxima e a
tensão normal média:
Da equação (2.187) escrevemos
100 202 arctan arctan 2 arctan 1,33
2 2 30x y
s sxy
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.275
Então, temos:
2 53,13 26,57o os s ou
02 180 126,87 90 63, 43o o os s
Sentido de maxxy no plano cuja normal faz -26,57º com o eixo x:
A partir da terceira equação (2.157), com 26,57os , escrevemos
2 cos 22s
x yx y s xy ssen
100 202 26,57 30 cos 2 26,57 50 ( )
2 s
o ox ysen
A figura a seguir mostra esses resultados.
Tensão de cisalhamento máxima absoluta:
A partir da equação (2.191) escrevemos
max max min max
1 1110 10 50
2 2abs absksi
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2.276
Então, max maxxyabs .
Comentário:
Se 0z teríamos: 1 2 3110 10 0 . Então, a tensão de cisalhamento
máxima absoluta seria dada por
max max min max
1 1110 0 55
2 2abs absksi
e a tensão média associada a ela por
1 3 110 055
2 2med med ksi
.
0 01 3' ' 1,3sin 2 45 cos 2 45
2x y
0
0 0' ' 45
110 0sin 2 45 0 cos 2 45 55
2 x y
▲
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2.277
2.11 DIAGRAMA DE MOHR PARA TENSÕES
Uma representação geométrica particular para o estado plano de tensões que é muito
útil nas aplicações de engenharia é a denominada Diagrama de Mohr.
Considerando-se as expressões para a determinação das componentes x e
x y das equações (2.157)
cos 2 22 2
x y x yx xysen
2 cos 22
x yx y xysen
, (2.192)
Observamos que, para um dado estado plano de tensão ( x , y e xy conhecidos) as
componentes x e x y são funções de uma única variável . Esse par de equações
(2.192) resulta numa curva segundo um sistema de coordenadas tendo como eixo
horizontal a componente normal e eixo vertical a componente de cisalhamento .
Para cada valor da variável corresponderá um ponto ( x , x y ) neste sistema de
coordenadas.
As equações (2.192) são as equações paramétricas de uma circunferência,
tendo como parâmetro o ângulo , como podemos verificar a seguir.
Reescrevendo a equações (2.192)
cos 2 22 2
x y x yx xysen
2 cos 22
x yx y xysen
. (2.193)
Elevando-se ao quadrado as equações (2.193)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.278
2 2
2 2 2cos 2 2 2 cos 2 22 2 2
x y x y x yx xy xysen sen
2
2 2 2 22 cos 2 2 2 cos 22 2
x y x yx y xy xysen sen
. (2.194)
Somando-se as equações (2.194)
2 2
2 2
2 2x y x y
x x y xy
. (2.195)
Da equação (2.166) temos
2
2 2
2x y
xyR
. (2.196)
Substituindo-se (2.196) em (2.195)
2
2 2
2x y
x x y R
. (2.197)
A equação (2.197) é a equação de uma circunferência com raio
2
2
2x y
xyR
e centro ,02
x yC
no sistema de coordenadas , como
mostra a figura 2.101.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.279
Figura 2.101 Circunferência de Mohr para estado plano de tensão
A circunferência dada pela equação (2.197) e representada na figura 2.101 é
denominada de circunferência de Mohr para tensões, em homenagem ao engenheiro
alemão Otto Mohr, que em 1882 mostrou a utilidade desta interpretação geométrica
para as tensões.
Como cada ponto dessa circunferência representa um par , , se fizermos
0o nas equações (2.192) obteremos um ponto de referência sobre essa curva, a
partir do qual poderemos obter os outros pontos correspondentes a uma rotação no
sistema cartesiano xyz onde o estado de tensão é definido.
0 0cos 2 0 2 0
2 2o o
x y x y o ox xy x xsen
0 0
2 0 cos 2 02o o
x y o ox y xy x y xysen
. (2.198)
Marcando-se o ponto ,x xy como uma referência sobre a circunferência da
figura 2.102 e por meio de uma rotação anti-horária 2 do raio que une o centro C e
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.280
esse ponto de referência obtemos um novo ponto ,x x y , o qual corresponde a uma
rotação em torno do eixo z do sistema de coordenadas original xyz. Como a
orientação do plano onde atua y é perpendicular à orientação do plano onde atua x ,
essa componente pode ser obtida considerando-se o ângulo 90o na primeira das
equações (2.192), ou seja, na circunferência seria 2 180o a partir do ponto de
referência ,x xy . Portanto, o ponto resultante ,y x y se situa diametralmente
oposto ao ponto ,x x y . Veja a figura 2.102.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.281
Figura 2.102 Transformação de coordenadas utilizando a circunferência de Mohr
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.282
A fim de facilitar a obtenção da circunferência de Mohr para um determinado
estado plano de tensões, recomendam-se as seguintes regras simples, conforme
ilustrado na figura 2.103:
a) A componente normal de tensão é representada pelo eixo horizontal;
b) As componentes de cisalhamento são representadas no eixo vertical, com a
seguinte convenção
eixo vertical apontando para baixo: tensão xy positiva na face-x positiva
do plano normal ao eixo x do sistema cartesiano xyz;
eixo vertical apontando para cima: tensão xy positiva na face-y positiva
do plano normal ao eixo y do sistema cartesiano xyz;
Figura 2.103 (a) Regras para o Diagrama de Mohr para tensões; (b) Indicação dos planos principais e dos planos de cisalhamento máximo
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.283
Exemplo 2.48
Dado o estado de tensão num ponto de um sólido pela figura abaixo
Determinar as tensões principais e a tensão de cisalhamento máxima em plano paralelo
ao eixo z, usando o diagrama de Mohr.
Solução
O centro C da circunferência de Mohr é dado pelas coordenadas
30 10,0 ,0 20,0
2 2x yC C
O raio da circunferência de Mohr é dado por
2 2
22 30 1015 18
2 2x y
xyR R
Desenhamos o diagrama de Mohr e indicamos nele os pontos correspondentes às
faces x+ e y+:
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.284
1 120 18 382
x y R MPa
2 220 18 22
x y R MPa
max
18xy R MPa
30 1020
2 2x y
med med MPa
2 2 152 arctan arctan 2 56,3 28,2
30 10xy o o
p p px y
30 10
2 arctan arctan 2 33,7 16,82 2 15x y o o
s s sxy
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.285
▲
Diagrama de Mohr para estado plano de tensão generalizado
Podemos aplicar o diagrama de Mohr para um estado plano de tensões
generalizado, desenhando-se três circunferências no mesmo sistema de coordenadas
, uma para cada par de tensões principais. A figura 2.104 ilustra o caso quando
1 2 3 0
Figura 2.104 Diagrama de Mohr para estado plano generalizado
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.286
A partir do caso ilustrado na figura 2.104 podemos observar que mesmo que
3z fosse nula a tensão de cisalhamento máxima absoluta seria maior que maxxy .
Exemplo 2.49
Um ponto de um sólido está em estado plano de tensões generalizado, conforme
dado abaixo. Usando o diagrama de Mohr determine as tensões principais e a tensão
de cisalhamento máxima absoluta.
Solução
10000 6000 4000x y xy
2000 0z xz yz
Então, 2000z é uma tensão principal e a denominamos de 3
O centro C da circunferência de Mohr para os pontos obtidos pela rotação em torno
eixo z é dado pelas coordenadas
10000 6000,0 ,0 8000,0
2 2x yC C
O raio da circunferência de Mohr é dado por
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.287
2 2
22 10000 60004000 4472
2 2x y
xyR R
1 18000 4472 124722
x y R
2 28000 4472 35282
x y R
max
4472xy R
10000 60008000
2 2x y
med med
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.288
2 2 40002 arctan arctan 2 63,4 31,7
10000 6000xy o o
p p px y
10000 6000
2 arctan arctan 2 26,6 13,32 2 4000x y o o
s s sxy
max max min 1 3 max
1 1 112472 2000 7236
2 2 2abs abs
▲
Exemplo 2.50
O ponto na superfície do vaso de pressão cilíndrico da figura abaixo está um
estado plano de tensão conforme indicado. Determinar a tensão de cisalhamento
máxima absoluta nesse ponto empregando-se o diagrama de Mohr.
Solução
Tensões principais:
1 32 MPa 2 16 MPa 3 0
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.289
O centro C da circunferência de Mohr para os pontos obtidos pela rotação em torno
eixo z é dado pelas coordenadas
16 32,0 ,0 24,0
2 2x yC C
O raio dessa circunferência de Mohr é dado por
2 2
22 16 320 8
2 2x y
xyR R
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.290
max
8xy R MPa
16 3224
2 2x y
med med MPa
max max min 1 3 max
1 1 132 0 16
2 2 2abs absMPa
1 3 32 016
2 2med med MPa
▲
Diagrama de Mohr para o estado geral de tensões
O uso do diagrama de Mohr para a análise de tensões num ponto de um sólido
carregado se justifica apenas para os casos de estado plano de tensões, porque para
um estado geral de tensões o seu emprego é muito complicado. Apenas para
informação apresentamos a figura 2.105 que ilustra o exemplo de um caso geral de
tensões. A área hachurada representa os pontos , , onde , são as
componentes dos vetores tensões atuando num plano arbitrário com orientação dada
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.291
pelo vetor . Os pontos sobre as circunferências representam as componentes dos
vetores tensões atuando sobre planos paralelos a um eixo principal.
Figura 2.105 a) Estado de tensão em termos das tensões principais e plano K de orientação arbitrária ; b) vistas dos elementos sob eixos principais diferentes; c) Diagrama de Mohr.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.292
2.12 EQUAÇÕES DIFERENCIAIS DE EQUILÍBRIO
Consideremos um sólido em equilíbrio na configuração deformada. Se extrairmos do
interior desse sólido nessa configuração, um paralelepípedo, conforme mostrado na
figura 2.106, ele também continuará em equilíbrio desde que sejam mantidas todas as
forças que sobre ele atuam: a força de volume e as forças que o material externo
adjacente ao paralelepípedo exerce sobre as suas faces. As faces do paralelepípedo
foram obtidas pela intersecção de planos normais aos eixos do sistema de coordenadas
ortogonais adotado xyz.
Figura 2.106 Paralelepípedo no interior de um sólido deformado em equilíbrio
A figura 2.107 mostra esse paralelepípedo com as forças atuando sobre ele. As
forças de superfícies sobre cada face do paralelepípedo não atuam necessariamente
sobre o centróide da face e os vetores tensão *t
e * *t t
representam valores médios
de t
e t t
, respectivamente, e *b
representa o valor médio da força por unidade de
volume que atua sobre o paralelepípedo. No limite, quando o volume e as áreas das
faces do paralelepípedo tendem a zero simultaneamente, esses valores médios dos
vetores tensão tendem para os próprios vetores tensão que atuam no ponto P segundo
o plano normal a cada eixo coordenado e o valor médio da força de volume tende ao
valor dessa força que atua sobre o ponto P.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.293
Figura 2.107 (a) Paralelepípedo extraído do sólido com as faces normais aos eixos coordenados; (b) forças atuantes nas faces normais ao eixo y e seus supostos pontos de aplicação.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.294
A condição de equilíbrio de translação do paralelepípedo é estabelecida
igualando-se a zero a soma de todas as forças que atuam sobre ele:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )* * * * * *
x x x y y yt t y z t y z t t x z t x z
( ) ( ) ( )* * * * 0z z zt t x y t x y b x y z
. (2.199)
A equação (2.199) pode ser reescrita levando-se em conta a equação (2.11),
( ) ( )n nt t
(Lei da ação e reação),
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )* * * * * *
x x x y y yt t y z t y z t t x z t x z
( ) ( ) ( )* * * * 0z z zt t x y t x y b x y z
. (2.200)
Eliminando-se os termos iguais e de sinais opostos, a equação (2.200) se torna
( ) ( ) ( )* * * * 0x y zt y z t x z t x y b x y z
, (2.201)
e dividindo-se pelo volume x y z
( ) ( ) ( )
* * ** 0
x y zt t tb
x y z
. (2.202)
Tomando-se o limite com 0x y z , a equação (2.202) é reescrita como
( ) ( ) ( )
0x y zt t t
bx y z
, (2.203)
pois 0x y z implica em 0x , 0y , 0z e
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )
* * **
x y zx y zt t tt t tb b
x x y y z z
(2.204)
no ponto P.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.295
Os vetores tensão e a força de volume podem ser escritos em termos de seus
componentes no sistema de coordenadas adotado
( ) ˆˆ ˆxx xy xzt i j k
( ) ˆˆ ˆyyx y yzt i j k
( ) ˆˆ ˆzzx zy zt i j k
ˆˆ ˆx y zb b i b j b k
(2.205)
Substituindo (2.205) em (2.203) e agrupando-se os termos convenientemente,
escrevemos
ˆ ˆyx xy y zyx zxx yb i b j
x y z x y z
ˆ 0yzxz zzb k
x y z
. (2.206)
Como os vetores i , j e k são linearmente independentes, seus coeficientes
devem ser nulos para que a equação (2.206) seja válida:
0yxx zx bx y z
0xy y zyyb
x y z
0yzxz zzb
x y z
. (2.207)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.296
As equações (2.207) são referidas como as equações diferenciais de
equilíbrio ou equações de equilíbrio locais do sólido e elas nos dão a variação do
tensor tensão de ponto para ponto do meio contínuo. Essas equações se referem
à configuração atual (deformada) a qual é desconhecida a priori, mas é nela que
ocorre o equilíbrio do sólido. Para pequenas deformações e pequenos gradientes
de deslocamentos podemos considerar essas equações de equilíbrios escritas
para a configuração indeformada, a qual é conhecida.
Os componentes de tensão do estado de tensão variam de ponto para
ponto num corpo em equilíbrio conforme a equação (2.207). Na superfície do
sólido (contorno) os componentes de tensão devem estar em equilíbrio com as
forças por unidade de área ali atuantes e representadas pelo vetor tensão t
,
onde a barra significa que é uma quantidade prescrita (conhecida), conforme a
equação de Cauchy
x x yx zx
y xy y zy
z xz yz z
t l
t m
t n
. (2.208)
As equações (2.208) são denominadas de condições de contorno naturais e
devem ser consideradas em conjunto com as equações (2.207) para a solução do
problema.
As condições de contorno não se adicionam ao número de equações disponíveis
para determinar as funções incógnitas, as quais nesse caso são seis componentes de
tensões como funções das coordenadas espaciais x, y e z, porque as condições de
contorno são válidas somente para valores das funções incógnitas naqueles valores
fixos das coordenadas espaciais que especificam o contorno. Assim, as equações que
definem as condições de contorno não se referem às funções incógnitas na sua forma
geral.
Na Mecânica dos Sólidos podemos ver que as soluções das equações de
equilíbrio (2.207) são aplicáveis a muitas formas diferentes do mesmo problema e como
tal contem partes não especificadas (constantes de integração) que são especializadas
para o problema em mão pelas condições de contorno.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.297
Portanto, continuamos com um problema indeterminado, pois temos seis
incógnitas (funções tensão) e três equações, as equações (2.207). As equações
condições de contorno apenas particularizam o problema. Nos próximos dois capítulos,
veremos como obter mais equações que junto com as equações de equilíbrio tornam o
problema possível e determinado.
Para examinarmos o equilíbrio de rotação do paralelepípedo e não
sobrecarregarmos a figura, destacamos a força resultante ( ) ( )* *
y yt x z t x z
que
atua na face esquerda do paralelepípedo, com ponto de aplicação dado pelo vetor
posição 3r
(não necessariamente no centróide da face), e a força ( ) ( )* *
y yt t x z
que
atua na face direita. A força que atua na face direita é separada em duas parcelas: uma
parcela é a força ( )*
yt x z
de mesma intensidade que a força que atua na face
esquerda e com ponto de aplicação dado pelo vetor posição 3ˆy j r
; a outra parcela é o
acréscimo ( )*
yt x z
sofrido pela força ao passar de uma face para outra e o seu ponto
de aplicação é dado pelo vetor posição 4ˆy j r
. A força de volume resultante é dada
por *b x y z
.
O momento de uma força em relação a um ponto é o produto vetorial do vetor
posição do ponto de aplicação da força em relação ao ponto considerado pela força
propriamente dita. Assim, escrevemos a partir da figura 2.107(b)
( ) ( ) ( )3 * 3 * 4 *
ˆ ˆ( ) ( )y y yr t x z y j r t x z y j r t x z
. (2.209)
Simplificando os termos iguais e de sinais opostos
( ) ( ) ( )4 * * *
ˆy y yr t x z j t t x y z
. (2.210)
Adicionando-se as contribuições das forças que atuam nas demais faces e da
força de volume, e fazendo-se as simplificações dos termos iguais e sinais opostos, a
expressão resultante deverá ser nula no equilíbrio de rotação:
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.298
( ) ( ) ( )2 * * *
ˆx x xr t y z i t t x y z
( ) ( ) ( )4 * * *
ˆy y yr t x z j t t x y z
( ) ( ) ( )6 * * * *
ˆ ˆ 0z z zbr t x y k t t x y z r b x y z
, (2.211)
onde 2r
, 6r
e br
identificam os vetores posição dos supostos pontos de aplicação das
forças ( )*
xt y z
, ( )*
zt x y
e *b x y z
, respectivamente.
Dividindo (2.211) pelo volume x y z , escrevemos
( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )* *2 * * 4 * *
ˆ ˆx y
x x y yt tr i t t r j t t
x y
( )
( ) ( )*6 * * *
ˆ ˆ 0z
z zb
tr k t t r b
z
. (2.212)
Tomando-se o limite com 0x y z ( 0x , 0y e 0z ), a equação
(2.212) é reescrita como
( ) ( ) ( )* * *
ˆˆ ˆ 0x y zi t j t k t
, (2.213)
porque
( ) ( ) ( )2 4 6 * * *, , , , , , 0x y z
br r r r t t t
(2.214)
e
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )* * *
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )* * * *
x y zx y z
x x y y z y
t t tt t t
x x y y z z
t t t t t t b b
(2.215)
no ponto P.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.299
No limite, o volume e as áreas das faces do paralelepípedo tendem a zero
simultaneamente, a contribuição da força de volume é nula e o valor médio dos vetores
tensão passa a ser o próprio vetor tensão no ponto P segundo o seu plano associado.
Substituindo (2.205) em (2.213),
ˆ ˆ ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ 0x xy xz yx y yz zx zy zi i j k j i j k k i j k
. (2.216)
Efetuando-se os produtos vetoriais indicados e levando-se em conta que
ˆ ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ
ˆ ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ
ˆ ˆˆ ˆ ˆ ˆ0 0 0
i j k k i j j k i
j i k i k j k j i
i i j j k k
(2.217)
a equação (2.216) é reescrita como
ˆˆ ˆ 0yz zy zx xz xy yxi j k
. (2.218)
Como os vetores i , j e k são linearmente independentes, seus coeficientes
devem ser nulos para que a equação (2.218) seja válida:
xy yx xz zx yz zy . (2.219)
Isso demonstra que o tensor tensão dado pela matriz T , que representa o
estado de tensão no ponto do sólido, é simétrico
REFERÊNCIAS
1. Arantes e Oliveira, E. R., Elementos da Teoria da Elasticidade, IST Press,
Lisboa, 1999
2. Bisplinghoff, R. L.; Mar, J. W.; Pian, T. H., Statics of Deformable Solids, Dover
Publications, NY, 1990
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
2.300
3. Donaldson, B. K., Analysis of Aircraft Structures – An Introduction, McGraw-Hill
Inc., NY, 1993
4. Lucena Neto, E., Fundamentos de Elasticidade e Plasticidade, Notas de Aulas do
curso IG-209, ITA, 2011
5. Fung, Y. C., A First Course in Continuum Mechanics, Prentice-Hall Inc.,
Englewood Cliffs, NJ., 1a edição, 1969
6. Hibbeler, R. C., Resistência dos Materiais, Pearson Education do Brasil, SP, 5ª
edição, 2006
7. Malvern, L. E., Introduction to the Mechanics of a Continuous Medium, Prentice-
Hall, Inc., Upper Saddle River, NJ, 1969
8. Scipio, L. A., Principles of Continua with Applications,John Wiley & Sons, NY,
1967
9. Villaça, S.F.; Garcia, L. F. T., Introdução à Teoria da Elasticidade, COPPE/UFRJ,
3ª edição, 1998
10. Wempner, G., Mechanics of Solids, PWS Publishing Company, Boston, MA, 1995
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 3.1
3
DEFORMAÇÃO
Neste capítulo trataremos do segundo aspecto fundamental de uma análise na
Mecânica dos Sólidos, ou seja, a cinemática da deformação.
De um modo geral, o termo deformação significa qualquer mudança na forma
e/ou nas dimensões de um sólido, causada pela aplicação de cargas externas ou por
variação de temperatura. A deformação pode ser visível a olho nu ou ser detectável
apenas com instrumentos apropriados.
O estudo da deformação trata-se de análise puramente geométrica, pois não nos
preocupamos com as suas causas. Devido ao fato que cada porção de um sólido pode
se deformar de modo diferente, então, devemos ter meios de descrever completamente
a deformação em cada localização. Isto é conseguido através do conceito de
deformação num ponto e estado de deformação num ponto.
A deformação é o resultado de uma transformação aplicada sobre o sólido, o que
implica em deslocamentos e mudança de forma. O problema da deformação pode ser
formulado da seguinte maneira: conhecendo-se as posições dos pontos materiais de
um corpo no seu estado inicial (antes da transformação) e no seu estado final (após a
transformação), pede-se determinar a mudança em comprimento e direção de um
segmento de reta elementar (“fibra”) que liga dois pontos arbitrários originalmente a
uma distância infinitesimal um do outro.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.2
A análise geométrica da deformação pressupõe que o corpo seja contínuo e
coeso. No estudo das tensões a hipótese de continuidade do sólido já havia sido
mencionada. Então, supomos que para cada ponto material do corpo corresponda um
único ponto geométrico do espaço ocupado pelo volume do corpo. Portanto, assim
como foi suposto para as funções tensões, também os deslocamentos de cada ponto
do sólido serão assumidos como funções contínuas e unívocas de posição. O meio ser
coeso significa que uma linha de partículas do sólido continua como uma linha
constituída pelas mesmas partículas, depois da deformação.
3.1 CAMPO DE DESLOCAMENTOS Um sólido sob ação de solicitações externas sofre mudança de forma e dimensões,
passando de uma configuração inicial indeformada a uma configuração final deformada,
conforme ilustra a figura 3.1
Figura 3.1 Deslocamento de um ponto no sólido
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.3
Um ponto genérico A, definido pelas coordenadas cartesianas ortogonais xyz na
configuração inicial indeformada passa para a posição A* na configuração final
deformada.
O conceito de deslocamento é simplesmente aquele de um movimento, uma
mudança na posição de um ponto material do corpo. A mudança na posição envolve
distância e direção. Portanto, o deslocamento é definido como uma quantidade vetorial.
Define-se o deslocamento sofrido por A para ir para A* pelo vetor d
, com
componentes u,v,w , segundo os eixos x,y,z, respectivamente.
ˆˆ ˆd ui v j wk
.
Então, se o ponto A for definido no espaço pelas coordenadas , ,x y z o ponto A* será
definido como
* , ,A x u y v z w .
O campo de deslocamento fica determinado pelas funções de posição
( , , , )u u x y z t
( , , , )v v x y z t
( , , , )w w x y z t ,
as quais devem ser contínuas, unívocas e diferenciáveis, de modo a preservar a
continuidade do sólido durante a deformação.
O campo de deslocamentos é composto de uma parcela que representa o
movimento de corpo rígido do sólido, ou seja, todos os pontos do corpo sofrem os
mesmos deslocamentos; e de uma outra parcela que representa a deformação do
sólido, ou seja, os pontos do corpo apresentam deslocamentos relativos entre si. Essa
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.4
segunda parcela é que nos interessa no estudo da deformação do sólido. Esses
deslocamentos relativos são também denominados de deslocamentos estruturais ou
simplesmente deslocamentos. O movimento de corpo rígido pode ser eliminado através
da introdução de vínculos adequados.
A figura 3.2 mostra uma barra cilíndrica na configuração inicial indeformada e
dois pontos vizinhos nessa barra.
Figura 3.2 Pontos vizinhos numa barra cilíndrica
A figura 3.3 mostra a barra cilíndrica deformada por tração e os deslocamentos
de pontos vizinhos nessa barra. Como o deslocamento de cada ponto depende da sua
posição inicial, eles foram identificados por d P
e d Q
. Percebe-se pela figura que
os pontos P e Q sofreram deslocamentos relativos entre si, identificando-se, portanto,
uma deformação da barra.
Figura 3.3 Deslocamentos de pontos vizinhos de uma barra cilíndrica deformada
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.5
3.2 DEFORMAÇÃO NORMAL , LONGITUDINAL OU LINEAR
ESPECÍFICA (“STRAIN”)
Duas formas de deformação podem ser observadas nas vizinhanças de um ponto num
sólido na sua configuração deformada. Elas são ilustradas pela figura 3.4. As linhas
retas PQ e PR ligam os pontos vizinhos Q e R ao ponto P.
Os segmentos de reta sofrem mudanças em seus comprimentos e em suas
direções originais. Nesta seção vamos nos concentrar na mudança no comprimento dos
segmentos lineares que ligam dois pontos infinitamente próximos no sólido.
Figura 3.4 (a) linhas retas unindo pontos vizinhos na configuração indeformada;
(b) configuração deformada.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.6
Deformação Normal, Longitudinal ou Linear Específica
(“Strain”)
De um modo geral as mudanças nos segmentos de retas que unem os pontos
vizinhos infinitamente próximos num sólido dependem da localização do ponto e da
orientação do segmento de reta. Isso é ilustrado pela figura 3.5, a qual mostra três
segmentos de reta desenhados sobre uma tira de borracha e passando pelo mesmo
ponto, antes e depois da deformação uniforme da tira de borracha. Observa-se que o
segmento de reta longitudinal se alonga e não muda de direção enquanto que o
segmento de reta transversal se encurta, mantendo também a orientação original. O
segmento de reta inclinado se alonga e muda de direção.
Figura 3.5 (a) Segmentos de retas passando pelo ponto P desenhados numa tira de borracha na configuração indeformada; (b) Os mesmos segmentos de reta após a deformação uniforme da tira de borracha.
Assim, num ponto A e na direção s, considera-se o segmento de reta
elementar AB, que liga esse ponto ao ponto vizinho B situado a uma distância
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.7
infinitesimal, conforme mostra figura 3.6. Após a deformação do sólido o ponto A
vai para a posição A* e o ponto B vai para a posição B*.
Figura 3.6 Segmento de reta que os pontos vizinhos A e B antes e depois da deformação
No Apêndice C é mostrado que a distância infinitesimal entre os dois pontos
vizinhos A e B nos permite assumir que a linha que une os pontos A* e B* continua,
após a deformação, como um segmento de reta. A seguir apresentamos um exemplo
que mostra a validade desta hipótese. Consideremos um bloco de borracha na figura
3.7(a) na configuração indeformada. Na figura 3.7(b) todos os elementos do bloco são
deformados da mesma quantidade, ou seja, uma deformação uniforme ou homogênea.
Observando-se a figura verificamos que as linhas desenhadas têm seus comprimentos
e orientações modificadas, mas os segmentos de reta continuam retos após a
deformação, mesmo sendo de comprimentos finitos. Na figura 3.7(c) o bloco de
borracha está sob um estado de deformação não uniforme, ou seja, a deformação varia
de ponto para ponto do bloco. Examinando essa figura observamos que algumas linhas
não permanecem retas após a deformação, como é o caso das linhas BF e DH. Porém,
se examinarmos essa deformação numa vizinhança muito próxima do ponto O, ou seja,
para pontos à distâncias infinitesimais desse ponto, essas linhas curvas poderiam ser
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.8
consideradas como pequenos segmentos de reta. No Apêndice C vemos que quando a
deformação é uniforme os segmentos de reta, mesmo de comprimentos finitos,
continuam retos após a deformação, mas quando a deformação é qualquer, ou seja,
não uniforme, em geral os segmentos de reta de comprimentos finitos não continuam
retos, enquanto que apenas os segmentos de reta de comprimentos infinitesimais
continuam retos.
Figura 3.7 (a) Bloco de borracha na configuração indeformada; (b) Bloco de borracha em estado de deformação uniforme; (c) Bloco de borracha em estado de deformação não uniforme. A deformação normal, longitudinal ou linear específica (“strain”) s no ponto A e
segundo a direção s, conforme a figura 3.6, é definida por
*
0( ) lims s
s sA
s
. (3.1)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.9
A equação (3.1) pode ser reescrita, considerando-se os comprimentos
infinitesimais dos segmentos de retas que unem os pontos vizinhos do sólido, conforme
a figura 3.8.
*
( )s
ds dsA
ds
. (3.2)
Essa variação do comprimento é a forma mais comum e natural de se medir a
deformação de uma “fibra”. Ela é também denominada de alongamento linear de uma
“fibra”. Ao se dividir pelo comprimento original, eliminamos a dependência de unidade
de medida e do tamanho do corpo. Portanto, é mais conveniente trabalhar com esse
alongamento relativo ou específico.
Figura 3.8 Pontos vizinhos infinitamente próximos no sólido antes e após a deformação
Então, da equação (3.2) podemos escrever, para o comprimento final do
segmento de reta que une os pontos A* e B* (posições de A e B após a deformação)
* 1 ( )sds A ds . (3.3)
Se considerarmos o comprimento s pequeno, mas não infinitesimal, de um
segmento de reta no ponto A e na direção da reta s, podemos, a partir da equação
(3.1), calcular aproximadamente esse comprimento após a deformação como
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.10
* 1 ( )ss A s . (3.4)
Define-se também a deformação normal média como sendo a razão
*
med
s s
s
. (3.5)
Pela definição observamos que a deformação normal é uma grandeza
adimensional. Mas ela é indicada com as seguintes unidades
610, , , , , %
m mm m m in pol
m mm m m in pol
.
Por exemplo, a deformação normal 6480 10 pode ser indicada como:
480 x 10-6 in/in; 480 x 10-6 m/m; 480μm/m
ou
6480 10 100% 0,048% .
Comprimento de uma linha finita após a deformação
Para calcularmos o comprimento de uma linha de partículas de comprimento finito, após
a deformação, precisamos conhecer a deformação normal ou linear específica ( s ) em
cada ponto ao longo da linha indeformada e na sua direção (s) conforme a figura 3.9.
Essa linha é dividida em pequenos segmentos de comprimentos iguais s . Esses
segmentos, após a deformação terão comprimentos *1s , *
2s , .....
A partir da equação (3.4) podemos calcular esses comprimentos como
* *1 0 2 11 ( ) , 1 ( ) ,s ss P s s P s ., (3.6)
onde s kP é a deformação normal no ponto kP e na direção s ao longo da linha PQ. A
direção s é a direção da reta tangente à curva PQ no ponto kP .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.11
O comprimento L* da linha, após a deformação poderá ser calculado como a
soma das parcelas definidas por (3.6)
1 1
* *
1 1
1 ( )m m
k s kk k
L s P s
, (3.7)
onde m é o número de pontos, k é o k-ésimo ponto e m-1 é o número de intervalos.
No limite, com 0s ( 1m ), a equação (3.7) se torna uma integral de
linha e escreve-se como
*
0 01 ( ) ( )
L L
s sL P ds L P ds . (3.8)
A integração em (3.8) é feita ao longo da linha dada, de 0 L porque a integral é em
relação a ds , o qual representa comprimentos infinitesimais ao longo da linha original
indeformada.
Figura 3.9 (a) Linha que une os pontos P e Q; (b) Configuração deformada da linha original PQ.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.12
Exemplo 3.1 Considere um arame reto como na figura abaixo. Suponha que um aquecimento
não uniforme do arame cause uma deformação normal x , dada por
2
x
xk a
L
.
Obter o comprimento do arame deformado, o deslocamento da sua extremidade
livre e a sua deformação específica média.
Solução
Comprimento final:
*
0( )
L
xL L x dx , onde o ponto P é identificado pela coordenada material x.
Substituindo 2
x
xk a
L
na equação acima escrevemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.13
2 3* *
2 000
13 3 3
LL Lx kx kL k
L L k a dx L ax L aL L L aL L
Deslocamento da extremidade livre:
* 13 3
k kL L L L a L L a L
Deformação normal média: Da equação (3.5) escrevemos
* 3
3med med
a k LL L L ka
L L L
Da expressão dada para a deformação obtemos
2
2 2
2
00 0
22 2
4x
k a aL
x L kk a L k a L a
L L
LL k a L k a
L
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.14
Exemplo 3.2 Seja um anel de raio médio R, formado por um arame fino. Sob um aquecimento
uniforme a deformação linear específica em cada ponto do anel é dada por ( )s P k .
Determinar o raio do anel deformado.
Solução
2*
0( )
R
sL L P ds
Com ds Rd e ( )s P k na expressão acima, escrevemos
2*
0(2 )L L kRd L kR
.
O comprimento do anel indeformado é igual a
2L R
e o comprimento do anel deformado é dado por
* *2L R ,
onde *R é o seu raio.
Então, podemos escrever
* *2 2 (2 ) 2 (1 )L R R kR k R .
Portanto, o raio do anel deformado é dado por
* (1 )R k R .
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.15
3.3 DEFORMAÇÃO ANGULAR OU POR CISALHAMENTO (“SHEAR
STRAIN”)
Considerem-se duas retas mutuamente perpendiculares, s e t no ponto P. As retas PQ
e PR se deformam para P*Q* e P*R*, respectivamente, conforme a figura 3.10.
Figura 3.10 (a) Retas s e t perpendiculares em P na configuração indeformada; (b) Ângulo entre as tangentes às curvas passando por P* após a deformação.
O ângulo entre PQ e PR era reto ( / 2 radianos) antes da deformação e se
transforma em *st (radianos). Uma definição para a deformação angular no ponto P
associada às direções s e t, é dada por
* ( )2st st
radianos . (3.9)
Essa é a definição usada na engenharia. Essa deformação angular ou de cisalhamento
é positiva se o ângulo *st for menor que / 2 e é esse o resultado para as arestas de
um bloco elementar quando sob tensão de cisalhamento positiva.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.16
Poderíamos também ter escrito a definição dada em (3.9) como
1 2
* * *
, 0lim
2sts s
R P Q
, (3.10)
onde * * *R P Q é o ângulo entre as cordas P*R* e P*Q* . No limite, com
1 20 0s e s , esse ângulo tende para *st , o qual é o ângulo entre as tangentes às
curvas * *P Q e * *P R no ponto *P .
Claramente, pela definição da deformação angular ou de cisalhamento, vemos
que
* * * * * * st tsR P Q Q P R , (3.11)
Exemplo 3.3 Supondo-se que a placa retangular da figura abaixo, com as bordas paralelas
aos eixos x e y, se deforma tal que as partículas se deslocam somente na direção y e
todas as linhas paralelas ao eixo x deformam como parábolas, do mesmo modo que o
eixo x (com y=0) se deforma para 2y ax . Suponha que as dimensões da placa sejam
8 6 cm e a=1/80.
Obter a expressão para a deformação angular xy e obter o valor dessa
deformação no ponto (8,0).
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.17
Solução
Deformação angular:
A deformação angular xy nesse caso é igual à inclinação da reta tangente à linha
deformada x em relação ao eixo de coordenadas horizontal (eixo x) num ponto, por
exemplo, ,0x . Todas as linhas horizontais têm, após a deformação, retas tangentes
paralelas num ponto de mesma coordenada x.
Então, como as linhas verticais permanecem verticais após a deformação,
escrevemos
*
2xy xy
tan 2 tan 2xy
dyax arc ax
dx
Para a=1/80, escrevemos
1tan 2 tan 2 tan ( )
80 40xy xy
xarc ax arc x arc rad
Valor da deformação angular no ponto (8,0):
Substituindo o valor de x=8 na expressão obtida para a deformação angular,
escrevemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.18
8tan 0,197
40xy xyA Aarc rad
Comentário:
Essa é uma deformação angular grande (11,3º ). Mas mesmo para uma deformação por
cisalhamento grande assim, a inclinação da tangente à curva que representa a borda
deformada, a qual é dada por
12 8 0,200 tan 0,200
80A
dy
dx
difere muito pouco do próprio ângulo 0,197xy rad .
Portanto, mesmo nesse caso observamos que
tan 0, 200tan
0,197xy
(em radianos!!!).
Observa-se que as deformações, em geral, variam de ponto para ponto do sólido. Neste exemplo, a deformação xy varia de 0 na borda da esquerda (x=0) até 0,197 na
borda da direita ( 8x ). ▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.19
Exemplo 3.4
A chapa mostrada na figura abaixo está fixa na borda AB e pode se mover
livremente nas guias rígidas na parte superior (borda AD) e na parte inferior (borda BC).
Se houver um deslocamento horizontal uniforme de 2mm em seu lado direito CD,
determinar:
a) a deformação normal média ao longo da diagonal AC;
b) a deformação normal média ao longo da linha FG;
c) a deformação normal média ao longo da linha HI;
d) a deformação angular ou por cisalhamento no ponto E relativa aos eixos x e y;
e) a deformação angular ou de cisalhamento no ponto E e relativa aos eixos x’ e y’.
Solução
A figura a seguir mostra a configuração deformada da chapa.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.20
a) Deformação normal média ao longo da diagonal AC:
* *
AC med
A C AC
AC
,
onde:
2 2150 150 212,1320AC mm
* * 2 2150 152 213,5509A C mm
Substituindo os valores acima na equação, escrevemos
213,5509 212,13200,0067 /
212,1320AC ACmed medmm mm
b) Deformação normal média ao longo da linha FG:
* *
FG med
F G FG
FG
,
onde:
150FG mm
* * 150F G mm
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.21
Substituindo os valores acima na equação, escrevemos
150 1500 /
150FG FGmed medmm mm
c) Deformação normal média ao longo da linha HI:
* *
HI med
H I HI
HI
,
onde:
150HI mm
* * 152H I mm
Substituindo os valores acima na equação, escrevemos
152 1500,0133 /
150HI HImed medmm mm
d) Deformação angular no ponto E relativa aos eixos x,y:
*
2E xyxy
onde:
** *76
arctan 90,759 90,759 1,5842 75 180xy o o
xy xyo
rad
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.22
Substituindo na equação acima, escrevemos
1,584 0,01322E Exy xy
rad
e) Deformação angular no ponto E relativa aos eixos x’,y’:
*
2E x yx y
onde:
*
2x y rad
Substituindo na equação acima, escrevemos
02 2E Exy x y
rad
Comentário:
Este exemplo ilustra bem o fato que num mesmo ponto do sólido as deformações
normais e as angulares dependem também das direções em relação às quais elas são
calculadas. ▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.23
3.4 ESTADO DE DEFORMAÇÃO De forma análoga ao estado de tensão, o estado de deformação em um ponto P do
sólido na configuração deformada, fica completamente determinado se forem
conhecidas as componentes de deformação no ponto, segundo um sistema adotado de
coordenadas para descrever a configuração do corpo. Essas componentes de
deformação são as deformações normais em três direções mutuamente ortogonais e
três deformações angulares ou de cisalhamento associadas a essas direções aos
pares. A deformação de um sólido pode ser completamente descrita em termos das
deformações longitudinais e das deformações angulares.
Para se entender como isso é possível imaginamos um sólido subdividido em
uma infinidade de pequenos paralelepípedos com arestas paralelas aos eixos do
sistema de coordenadas adotado, de modo que em cada ponto do corpo temos blocos
infinitesimais associados a esse ponto. A figura 3.11 mostra como seria essa subdivisão
do sólido em pequenos blocos e destaca um bloco típico ampliado para facilitar a
visualização.
Figura 3.11 (a) Subdivisão do sólido em alguns paralelepípedos infinitesimais; (b) Destaque de um paralelepípedo no ponto P.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.24
A deformação de cada bloco é caracterizada por mudanças nos comprimentos
das arestas e por mudanças nos ângulos entre as arestas, conforme ilustrado na figura
3.12.
Figura 3.12 (a) Paralelepípedo indeformado; (b) Deformação apenas nas dimensões das arestas; (c) Deformação angular das arestas após a deformação nas dimensões; (d) Movimento de corpo rígido. A seqüência de eventos descrita na figura 3.12 pode ser classificada como a seguir:
Uma mudança nas dimensões (extensão ou contração);
Uma mudança na forma (distorção);
Movimento de corpo rígido (translação e/ou rotação).
Em geral numa deformação real, todos esses eventos ocorreriam
simultaneamente. O movimento de corpo rígido pode ser evitado pela aplicação de
vínculos adequados. O movimento de corpo rígido não contribui para a deformação do
sólido.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.25
O método que temos definido para descrever a mudança no comprimento de um
segmento de reta pode ser aplicado às três arestas que concorrem no ponto P para se
determinar os seus comprimentos deformados. Para descrever a distorção ou mudança
de forma, podemos introduzir a deformação por cisalhamento entre os pares de
direções x e y, x e z, y e z. O paralelepípedo em consideração terá, após a deformação,
as seguintes dimensões e forma, conforme mostra a figura 3.13.
Figura 3.13 (a) Paralelepípedo no sólido indeformado; (b) Paralelepípedo infinitesimal indeformado; (c) Paralelepípedo deformado.
Aplicando-se as equações (3.3) e (3.9), as arestas e os ângulos entre elas para o
paralelepípedo após a deformação terão os seguintes resultados:
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3.26
Comprimento das arestas deformadas
* 1 ( )xdx P dx
* 1 ( )ydy P dy
* 1 ( )zdz P dz .
Ângulos entre as arestas deformadas
* ( )2xy xy P
* ( )2xz xz P
* ( )2yz yz P .
Portanto, a deformação de um bloco elementar é assim completamente
determinada, ou seja, se conhecermos as componentes de deformação
, , , , ,x y z xy xz yz no ponto considerado. Como a deformação do sólido é o resultado
de todas as mudanças ocorridas em todas as suas porções elementares, a
configuração deformada do sólido fica completamente definida se conhecermos essas
componentes de deformação em cada ponto do sólido.
Do Apêndice C temos que o estado de deformação num ponto do sólido é dado
pelo tensor deformação
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.27
1 1
2 21 1
2 21 1
2 2
x xy xz
x xy xz
xy y yz xy y yz
xz yz z
xz yz z
, (3.12)
escrito para pequenas deformações ( 1 1e ) e segundo um sistema de
coordenadas Cartesianas x, y, z.
Na verdade, como veremos, a configuração deformada será definida a partir do
campo de deslocamento que será obtido a partir das relações deformação-
deslocamento que estudaremos a seguir.
Exemplo 3.4
Um bloco retangular de borracha é deformado homogeneamente (as
deformações são as mesmas em todos os pontos do corpo) para outro bloco retangular.
Nas direções das arestas, as deformações normais são
2 2 210 10 , 8 10 , 3 10x y z .
Calcule a variação em (%) do volume desse bloco.
Solução
Solução #1:
* 21 1 10 10xdx dx dx
* 21 1 8 10ydy dy dy
* 21 1 3 10zdz dz dz
*
* * * * 100%V dxdydz V V
V dx dy dz V
(variação do volume em %)
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3.28
2 2 2* 1 10 10 1 8 10 1 3 10100% 100%
dx dy dz dxdydzV V
V dxdydz
2 2 21 10 10 1 8 10 1 3 10 1
*
100% 15, 2%V V
V
Solução #2:
* 1 1 1100% 100%
x y zdx dy dz dxdydzV V
V dxdydz
1 1 1 1 100%x y z
0
100%x y z x y x z y z x y z
Como as deformações são pequenas consideramos desprezíveis os produtos das
deformações em comparação com as mesmas e escrevemos
*
2 2 2100% 100% 10 10 8 10 3 10 100%x y z
V V
V
*
100% 15%V V
V
Comentário: Dos resultados acima vemos que, para pequenas deformações, uma
aproximação para o cálculo da variação do volume do sólido elementar é a seguinte:
*
100% 100%x y z
V V
V
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.29
3.5 RELAÇÕES DEFORMAÇÃO-DESLOCAMENTO LINEARIZADAS
Como já foi definido na seção 3.1, o campo de deslocamentos dos pontos de um sólido
sob carregamento é constituído pelas funções de posição
( , , , )u u x y z t ( , , , )v v x y z t ( , , , )w w x y z t , unívocas, contínuas e diferenciáveis, onde u, v, w são as componentes do vetor
deslocamento d
de um ponto A(x,y,z), segundo os eixos x,y,z do sistema de
coordenadas cartesianas retangulares adotado para definir a configuração inicial de
referência do corpo. Para o estudo da deformação estamos interessados nos
deslocamentos relativos de pontos vizinhos, situados infinitamente próximos no sólido,
sem se importar com o tempo necessário para ocorrer o deslocamento. Então,
podemos escrever os valores das funções deslocamentos u, v, w para esses pontos
separados pelas distâncias dx, dy, dz, empregando-se a expansão em série de Taylor.
Seja, portanto, P(x+dx, y+dy, z+dz) um ponto arbitrário vizinho do ponto A (x,y,z).
Consideremos a seguir a expansão em série de Taylor de cada uma das componentes
do vetor deslocamento nas vizinhanças do ponto A (x,y,z):
( , , ) ( , , )u u u
u x dx y dy z dz u x y z dx dy dzx y z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
1 1 1
2! 2! 2!
u u udx dy dz
x y z
( , , ) ( , , )v v v
v x dx y dy z dz v x y z dx dy dzx y z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
1 1 1
2! 2! 2!
v v vdx dy dz
x y z
( , , ) ( , , )w w w
w x dx y dy z dz w x y z dx dy dzx y z
2 2 2
2 2 2
2 2 2
1 1 1
2! 2! 2!
w w wdx dy dz
x y z
(3.13)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.30
Como as distâncias dx, dy e dz são infinitesimais, os termos à direita dos termos
lineares das equações (3.13) podem ser desprezados por serem infinitésimos de ordem
superior em relação aos outros termos das séries. Então, podemos escrever
( , , ) ( , , )u u u
u x dx y dy z dz u x y z dx dy dzx y z
( , , ) ( , , )v v v
v x dx y dy z dz v x y z dx dy dzx y z
( , , ) ( , , )w w w
w x dx y dy z dz w x y z dx dy dzx y z
. (3.14)
A figura 3.14 (a) mostra um paralelepípedo infinitesimal desenhado a partir de
um ponto arbitrário A (x,y,z) num sólido na configuração indeformada, com as arestas
AB, AC e AD paralelas aos eixos x, y, z , respectivamente. A figura 3.14(b) mostra o
sólido na configuração deformada, com as arestas deformadas como A*B*, A*C* e
A*D*.
As novas posições desses pontos, na configuração final deformada são obtidas
considerando-se os componentes de deslocamento u, v, w de cada ponto, cujos valores
são calculados a partir das equações (3.14).
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.31
Figura 3.14 (a) Sólido na configuração indeformada com um paralelepípedo infinitesimal típico desenhado a partir do ponto A; (b) Sólido na configuração deformada com as arestas do paralelepípedo infinitesimal nas novas posições; (c) Paralelepípedo ampliado com as suas dimensões infinitesimais.
A figura 3.15 apresenta um esquema ampliado para facilitar a compreensão, dos
deslocamentos dos pontos A, B, C e D para as novas posições, após a deformação, A*,
B*, C* e D*. As componentes de deslocamentos para o ponto D não estão indicados na
figura, para não prejudicar a sua compreensão.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.32
Figura 3.15 (a) Vista ampliada das arestas antes e depois da deformação; (b) Explicação gráfica da variação dos componentes de deslocamentos no ponto A e nos pontos vizinhos.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.33
Para o estabelecimento das relações linearizadas entre os componentes de
deformação e os componentes de deslocamento, admite-se como base a “hipótese de
pequenas mudanças na configuração”, onde os componentes de deformação, bem
como os gradientes de deslocamentos são quantidades consideradas muito pequenas
comparadas com a unidade. Como conseqüência da hipótese de pequenos gradientes
de deslocamentos, as rotações (expressas em radianos) sofridas pelos segmentos
elementares são quantidades também muito pequenas comparadas com a unidade.
Portanto, os produtos dessas rotações serão quantidades infinitesimais de ordem
superior quando comparadas com as componentes de deformação podendo, assim
serem desprezadas. Desse modo, podemos considerar as projeções dos segmentos
elementares deformados, os quais originalmente tinham a direção dos eixos de
coordenadas, sobre os planos coordenados.
Então, por exemplo, para a obtenção das relações entre , ,x y xy e os
deslocamentos, construímos a figura 3.16, onde (A*), (B*) e (C*) são as projeções dos
pontos A*, B*, C* no plano coordenado xy. Veja também a figura 3.15(a).
Figura 3.16 Projeções das arestas A*B* e A*C* deformadas sobre o plano xy.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.34
Da figura 3.16, podemos escrever
( *)( *)cos ( *)( *)cosu u
dx u dx u A B dx dx A Bx x
. (3.15)
( *)( *)cos ( *)( *)cosv v
dy v dy v A C dy dy A Cy y
. (3.16)
A partir da equação (3.2) os comprimentos dos segmentos AB e AC (arestas do
paralelepípedo indeformado) na configuração deformada escrevem-se
** * (1 )xA B dx dx (3.17)
** * (1 )yA C dy dy . (3.18)
Com a hipótese de pequenos gradientes de deslocamentos, podemos observar
na figura 3.15 que * * * *( )( )A B A B e * * * *( )( )A C A C , pois
ww dx w
x
ww dy w
y
.
Então, com as hipóteses acima nas equações (3.17) e (3.18), podemos escrever
( *)( *) * * (1 )xA B A B dx (3.19)
( *)( *) * * (1 )yA C A C dy . (3.20)
Substituindo-se (3.19) e (3.20) em (3.15) e (3.16) obtemos
(1 ) cosx
udx dx dx
x
(3.21)
(1 ) cosy
vdy dy dy
y
. (3.22)
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3.35
Ainda, considerando-se pequenos gradientes de deslocamentos, e a definição de
deformação angular dada em (3.9), escrevemos
* * * * * *( )( )( )2 2 xyC A B C A B . (3.23)
Consequentemente, a partir das hipóteses adotadas, escrevemos
, cos 1e pequeno sen (3.24)
, cos 1e pequeno sen . (3.25)
Substituindo (3.24) e (3.25) nas equações (3.21) e (3.22) temos
(1 )x
udx dx dx
x
(3.26)
(1 )y
vdy dy dy
y
. (3.27)
Considerando-se a equação (3.23) e a figura 3.16, escrevemos
xy . (3.28)
Ainda, da figura 3.16, temos
( *)( *) (1 ) (1 )x x
v v vdx dx
x x xsenA B dx
(3.29)
( *)( *) (1 ) (1 )y y
u u udy dy
y y ysen
A C dy
(3.30)
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3.36
Das equações (3.26) e (3.27) obtemos
x x
u udx dx dx dx
x x
(3.31)
y y
v vdy dy dy dy
y y
. (3.32)
Substituindo-se (3.29) e (3.30) em (3.28) e, pela hipótese básica que considera
x e y muito pequenos quando comparados com a unidade, podemos escrever
xy
v u u ve
x y y x
(3.33)
Considerando-se as projeções dos segmentos deformados sobre os outros dois
planos coordenados, xz e yz e procedendo de modo análogo ao descrito acima,
obtemos as demais relações deformação-deslocamento, semelhantes às equações
(3.31)-(3.33).
A seguir, listamos todas as relações deformação-deslocamento linearizadas,
decorrentes da “hipótese de pequenas mudanças na configuração”.
x xy
u u v
x y x
y xz
v u w
y z x
z yz
w v w
z z y
(3.34)
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3.37
3.6 TRANSFORMAÇÃO DE COORDENADAS
Como o estado de deformação num ponto do sólido é dado por um tensor de segunda
ordem (Apêndice C) como o tensor tensão, podemos empregar aqui tudo o que foi
apresentado na seção 2.8 sobre transformação de coordenadas.
Então, dado o tensor deformação num ponto segundo um sistema de
coordenadas Cartesianas x,y,z,
1 1
2 21 1
2 21 1
2 2
x xy xz
x xy xz
xy y yz xy y yz
xz yz z
xz yz z
podemos escrever os seus componentes segundo um novo sistema x’,y’,z’ rotacionado
em relação ao sistema anterior, pela equação
Ta a , (3.35)
onde a matriz a é obtida como descrito na seção 2.8 e
1 1
2 21 1
2 21 1
2 2
x x y x z
x x y x z
x y y y z x y y y z
x z y z z
x z y z z
Exemplo 3.6
O estado de deformação num ponto de um sólido, segundo o sistema de
coordenadas cartesianas ortogonais XYZ é dado por
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3.38
6500(10 )x 0z xz yz
6300(10 )y
6200(10 )xy
Determinar as componentes de deformação num sistema de coordenadas obtido
rotacionando-se o sistema original em 30º no sentido horário, em torno do eixo Z.
Um elemento infinitesimal representando o ponto material se deformaria como mostra a
figura abaixo. Como seria no novo sistema de coordenadas?
Solução
O estado de deformação num ponto do sólido é dado por
6 6
6 6
1 1 1500 10 200 10 0
2 2 21 1 1
200 10 300 10 02 2 21 1 0 0 0
2 2
X XY XZ
XY Y YZ
XZ YZ Z
.
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3.39
No novo sistema de coordenadas o estado de deformação nesse ponto escreve-se, a
partir da equação (3.35)
4 4
4 4
1500 10 200 10 0
23 2 1 2 0 3 2 1 2 01
1 2 3 2 0 200 10 300 10 0 1 2 3 2 02
0 0 1 0 0 10 0 0
Ta a
7 7 7
7 7 7
7
2134 10 3964 10 0 2134 10
3964 10 134 10 0 134 10
0 0 0 3964 10
x
y
x y
Como
7 72 2 3964 10 7928 10x y x y x y
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.40
3.7 DEFORMAÇÕES PRINCIPAIS
Como o tensor deformação , dado pela equação (3.12) é um tensor de
segunda ordem (Apêndice C) com as mesmas propriedades matemáticas do tensor
tensão T , as deformações principais, as quais são os seus auto-valores, são
calculadas a partir de uma equação característica semelhante à equação (2.135), obtida
a partir de procedimentos iguais àqueles desenvolvidos e apresentados na seção 2.9:
3 21 2 3 0J J J (3.36)
onde os seus coeficientes são os invariantes do estado de deformação, definidos como
a seguir:
1 x y zJ
2 2 22 x y x z y z xy xz yzJ
2 2 23 2x y z xy xz yz x yz y xz z xyJ . (3.37)
As raízes da equação característica (3.36) são as deformações principais para o
estado de deformação no ponto do sólido dado pelo tensor deformação e as direções
principais associadas a cada uma das raízes dessa equação do 3º grau devem
satisfazer a relação quadrática
2 2 2 1l m n (3.38)
entre os cossenos diretores dos vetores unitários que definem essas direções. Entre
“fibras” nas direções principais não ocorre deformação angular ou de cisalhamento.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.41
Assim, como no caso do tensor tensão, as raízes da equação características são
reais e uma será a deformação longitudinal máxima, outra será a mínima e a terceira
será um valor intermediário.
A determinação das deformações principais, bem como da deformação de
cisalhamento máxima terão mais aplicação nos casos de estado plano de deformação,
como será visto na próxima seção.
Em geral, as direções das deformações principais só coincidem com direções
das tensões principais quando o material é isotrópico.
3.8 ESTADO PLANO DE DEFORMAÇÕES
Define-se que um estado plano de deformações paralelo ao plano xy existe num ponto
de um sólido na configuração deformada, se nesse ponto as componentes do tensor
deformação satisfazem as seguintes restrições:
1 1
0 0 02 2z xz xz yz yz . (3.39)
O estado plano de deformações existe através do corpo se essas condições são
satisfeitas em cada ponto do sólido e, se as componentes de deformação restantes,
x , y e 1 2xy xy são independentes da coordenada z.
Existem alguns problemas típicos na engenharia, onde essa hipótese de estado
plano de deformações é plenamente satisfeita, por exemplo, a parede de retenção de
uma barragem, um tubo cilíndrico com pressão interna, um rolo cilíndrico sob cargas de
compressão radiais. Em cada caso, o carregamento não deve variar ao longo do
comprimento.
Imaginemos um corpo longo na direção z, cilíndrico ou prismático, carregado por
forças que são perpendiculares aos elementos longitudinais e não variam ao longo do
comprimento. Podemos assumir que todas as seções transversais estão nas mesmas
condições. Supondo-se que as seções das extremidades estão confinadas entre planos
rígidos e sem atrito, tal que o deslocamento na direção axial (z) é impedido. Desde que
não haja nenhum deslocamento nas extremidades e, por simetria, na seção no meio do
vão, pode-se se assumir que o mesmo se aplica em cada seção transversal. Portanto, é
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.42
suficiente, para a análise, considerar apenas uma fatia de espessura unitária entre duas
seções transversais. As componentes u e v do deslocamento são funções de x e y e
independem da coordenada longitudinal z. Desde que o deslocamento w é nulo,
podemos escrever
0
1 1( , ) , ( , ) , 0 0
2 2
1 10
2 2
z
xz xz
yz yz
w
zu w
u x y v x y wz x
v w
z y
(3.40)
Então, neste caso o tensor deformação pode ser escrito como
10
21
02
0 0 0
x xy
xy y
. (3.41)
Devemos ter sempre em mente que o estado plano de tensões não implica em
estado plano de deformações ou vice-versa. Como veremos, ao estudarmos as
relações constitutivas dos materiais, isso se deve ao efeito de Poisson.
A seguir, veremos que a transformação de coordenadas é muito simplificada
quando se trata desse estado especial de deformação. Tudo o que foi desenvolvido na
seção 2.10 para o estado plano de tensões pode ser aplicado para a transformação de
coordenadas para o estado plano de deformações.
A transformação de coordenadas poderá ser referenciada a apenas um ângulo,
, o qual representará uma rotação anti-horária em torno do eixo na direção do qual as
componentes de deformações angulares são nulas, ou seja, um eixo principal de
deformação, conforme mostra a figura 3.21
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.43
Figura 3.21 Novo sistema de coordenadas cartesianas x’,y’,z’ obtido por uma rotação do sistema x,y,z em do eixo z. A matriz de transformação de coordenadas a é obtida como a seguir
cos 0
cos 0
0 0 1
sen
a sen
(3.42)
Da equação (3.35) temos
Ta a .
Substituindo-se (3.42) na equação acima escrevemos
cos 0 0 cos 0
cos 0 0 cos 0
0 0 1 0 0 0 0 0 1
x xy
xy y
sen sen
sen sen
.
Efetuando-se as multiplicações das matrizes obtemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.44
0
0
0 0 0
x x y
x y y
. (3.43)
onde
2 2cos 2 cosx x y xysen sen
2 2 2cos cos 2 cosy x y xysen sen
2 2cos cosx y x y xysen sen . (3.44)
Considerando-se as identidades trigonométricas
2 1cos 1 cos 2
2
2 11 cos 2
2sen
2 2 cossen sen , (3.45)
podemos reescrever as equações (3.44)
cos 2 22 2
x y x yx xysen
cos 2 22 2
x y x yy xysen
2 cos 22
x yx y xysen
. (3.46)
As equações (3.46) podem ser reescritas levando-se em conta que 1 2xy xy
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.45
cos 2 22 2 2
x y x y xyx sen
cos 2 22 2 2
x y x y xyx sen
2 cos 22 2 2X Y X Y XY
x y sen
. (3.47)
As equações (3.46) ou (3.47) nos dão as componentes de deformação (“strain”)
no sistema x’y’z’, obtido a partir de uma rotação anti-horária do sistema de
coordenadas cartesianas ortogonais xyz, em torno do eixo z. O eixo z’ é, portanto,
paralelo ao eixo z do sistema original.
Verifica-se facilmente que a componente y pode ser obtido a partir da primeira
equação (3.44) se considerarmos uma rotação de 90o . Isso já era esperado porque
os eixos x’ e y’ são mutuamente perpendiculares.
As deformações normais (longitudinais) e as deformações angulares (por
cisalhamento) são consideradas positivas, quando o elemento infinitesimal se alonga e
se distorce, respectivamente, como na figura 3.22.
Figura 3.22 Deformações positivas (longitudinal e por cisalhamento).
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.46
Deformações principais
Como vimos na seção 3.7, existem orientações especiais tais que as “fibras”
apresentaram apenas deformações longitudinais, ou seja, as deformações angulares
são nulas. No caso de estado plano de deformações, a solução desse problema é
simplificada, a exemplo do que acontece no estado plano de tensões. Tudo o que foi
desenvolvido e apresentado na seção 2.10 para o estado plano de tensões, se aplica
aqui, no caso de estado plano de deformações, para a determinação das deformações
principais.
Então, podemos escrever
2
21,2 2 2
x y x yxy
(3.48)
2
21 2max
1
2 2x y
xy xy
. (3.49)
2
x ymed
(3.50)
As orientações dos planos principais e dos planos onde atuam maxxy e med são
dadas, respectivamente por
21arctan
2xy
px y
(3.51)
1
arctan2 2
x ys
xy
ou 45os p . (3.52)
Levando-se em conta que 1 2xy xy , as equações (3.48)-(3.52) escrevem-se
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.47
2 2
1,2 2 2 2x y x y xy
(3.53)
2 2
1 2max max2 2
2 2x y xy
xy xy
. (3.54)
2
x ymed
(3.55)
e as orientações dos planos principais e dos planos onde atuam maxxy e med são
dadas, respectivamente por
1arctan
2xy
px y
(3.56)
1arctan
2x y
sxy
ou 45os p . (3.57)
Exemplo 3.7
O elemento infinitesimal que representa um ponto do sólido está sujeito ao
estado plano de deformações 6 6 6350 10 , 200 10 , 80 10x y xy , o qual tende
a deformá-lo como mostra a figura abaixo. Determinar as deformações principais no
ponto e a orientação do elemento a elas associado.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.48
Solução
Orientação dos eixos principais:
6
6 6
1 80 10arctan 4,14
2 350 10 200 10oXY
p pX Y
Deformações principais:
2 2
1,2 2 2 2X Y X Y XY
2 26 6 6 6 6350 10 200 10 350 10 200 10 80 10
2 2 2
61
62
203 10
353 10
Para sabermos qual dessas deformações principais está na direção x’ dada pelo
ângulo 4,14op , procedemos da seguinte maneira:
6
4,14 4,14cos 2 4,14 2 4,14 353 10
2 2 2o o
x y x y xyo ox xsen
Essa direção corresponde à 62 353 10
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.49
Exemplo 3.8
O elemento infinitesimal que representa um ponto do sólido está sujeito ao
estado plano de deformações 6 6 6350 10 , 200 10 , 80 10x y xy , o qual tende
a deformá-lo como mostra a figura abaixo. Determinar a deformação por cisalhamento
máxima no plano no ponto e a orientação do elemento correspondente.
Solução
Orientação do elemento:
6 6
6
1 1 350 10 200 10arctan arctan 40,9
2 2 80 10oX Y
s sXY
Deformação maxxy :
2 22 2 6 6 6max 350 10 200 10 80 10
2 2 2 2 2
xy X Y XY
6
max556 10xy rad
O sinal de maxxy para podermos representar a deformação do elemento é obtido da
seguinte maneira:
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.50
6
40,9 40,9
2 40,9 cos 2 40,9 556 10 ( )2 2 2 2o o
x y x y xy x yo osen
A deformação média associada à deformação maxxy é dada por
6 66350 10 200 10
75 102 2
X Ymed med
▲
Diagrama de Mohr para o estado plano de deformações
Como já vimos, as equações para a transformação de coordenadas para o estado
plano de deformações são semelhantes às equações para a transformação para o
estado plano de tensões, podemos aplicar também o Diagrama de Mohr para as
deformações.
Assim, tudo o que foi desenvolvido e apresentado na seção 2.11 para as tensões
podem ser aplicados aqui. A figura 3.23 ilustra um diagrama de Mohr típico, para o
estado plano de deformações infinitesimais, com 1 2 xy no lugar do componente
de deformação por cisalhamento xy do tensor deformação.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.51
Figura 3.23 Diagrama de Mohr para estado plano de deformações
As regras para o traçado do diagrama de Mohr para o estado plano de deformações
são as mesmas definidas para o estado plano de tensões, com as seguintes
correspondências:
2
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.52
3.9 EXTENSÔMETROS DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA (“STRAIN
GAGES”)
As deformações longitudinais médias na superfície livre de um sólido podem ser
determinadas experimentalmente usando-se um dispositivo conhecido como
extensômetro de resistência elétrica, ou “strain gage”.
Um extensômetro de resistência elétrica típico consiste de um fio elétrico preso a
uma base isolante. Essa base isolante é então colada sobre a superfície do corpo que
se pretende medir a deformação longitudinal. Quando o corpo se deforma, o fio elétrico
do dispositivo se deforma junto e assim, a sua resistência elétrica é alterada. Como
essa variação na resistência elétrica do fio é proporcional à variação no comprimento
do fio, ela pode ser calibrada com respeito às mudanças no comprimento do fio elétrico,
as quais serão idênticas à da superfície do sólido onde o dispositivo está colado.
Conseqüentemente, a deformação longitudinal média em torno do ponto considerado
pode ser medida pela variação na resistência elétrica do extensômetro.
A figura 3.24 apresenta um “strain gage” básico e um moderno feito tipo circuito
impresso. Quanto menor for a dimensão do dispositivo, evidentemente, a deformação
longitudinal média medida mais se aproxima do valor da deformação no ponto.
Figura 3.24 (a) Extensômetro elétrico básico; (b) Extensômetro tipo circuito impresso.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.53
Suponha que o ponto P na figura 3.25 está na superfície de um sólido e que os
eixos x e y são duas direções quaisquer perpendiculares na superfície. A partir da
primeira das equações (3.44), reproduzida a seguir
2 2cos 2 cosx x y xysen sen ,
2 2cos cos 2x x y xy xy xysen sen ,
se as deformações longitudinais , ,a b c foram medidas, podemos escrever
2 2cos cosa x a y a xy a asen sen
2 2cos cosb x b y b xy bsen sen
2 2cos cosc x c y c xy c csen sen . (3.58)
Figura 3.25 Direções nas quais são realizadas as três medidas de deformações longitudinais.
As equações (3.58) constituem um sistema de três equações e três incógnitas,
x , y e xy , portanto, possível e determinado. É essencial que as três direções
, ,a b cn n n sejam distintas. As três medidas são suficientes para se determinar o estado
de deformação no ponto na superfície, mas, evidentemente, nenhuma informação na
direção normal z é disponível.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.54
Em geral, os três extensômetros são agrupados de acordo com padrões
específicos. Esses padrões são denominados de rosetas. A figura 3.26 apresenta os
padrões típicos de rosetas.
Figura 3.26 (a) Roseta genérica; (b) Roseta de 45º ; (c) Roseta de 60º .
Nada foi dito a respeito das deformações , ,xz yz z na superfície da estrutura. Os
extensômetros são colados sobre superfícies livres de carregamentos que poderiam
danificá-los. Se a superfície é aquela de uma chapa fina, como no caso da maioria das
aeronaves, por exemplo, então um caso aproximado de estado plano de tensões
provavelmente ocorre. Essa é uma hipótese válida, considerada na teoria clássica de
placas finas, a qual encontra respaldo nos resultados experimentais. Então, a
deformação longitudinal z , devida ao efeito de Poisson e as deformações de
cisalhamento ,xz yz devidas ao tipo de carregamento, são desprezíveis em relação às
demais.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.55
Exemplo 3.9
Considere a roseta da figura abaixo. As medidas das deformações longitudinais
foram as seguintes: 644 10 /a mm mm , 655 10 /b mm mm , 666 10 /c mm mm .
Obter, , ,x y xy .
Solução
0 120 240o o oa b c
2 2cos cosa x a y a xy a asen sen
2 2cos 0 0 0 cos 0o o o ox y xy x asen sen
2 2cos cosb x b y b xy b bsen sen
2 2cos 120 120 120 cos 120o o o ox y xysen sen
0,25 0,75 0,433b x y xy
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.56
2 2cos cosc x c y c xy c csen sen
2 2cos 240 240 240 cos 240o o o ox y xysen sen
0,25 0,75 0,433c x y xy
Resolvendo-se o sistema com as equações acima, escrevemos
6
6
6
44 101
2 2 7,3 103
140 101
2 23
x ax
y a b c y
xy
xy b c
▲
Exemplo 3.10
Considere dois extensômetros a e b orientados com os ângulos a b com
relação ao eixo x dos sistema de coordenadas retangulares x,y,z adotado, conforme a
figura abaixo. Obter a deformação de cisalhamento xy a partir das medidas de
deformação longitudinal a e b .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.57
Solução
A equação de transformação de coordenadas pode ser escrita como
' cos 2 sen22 2 2
xyx x x xx
(a)
cos 2 sen22 2 2
xyx x x xa a a
(b)
cos 2 sen22 2 2
xyx x x xb b b
(c)
Subtraindo a equação (c) de (b) obtemos
cos 2 cos 2 sen2 sen22 2
xyx xa b a b a b
(`d)
Como a b , então
cos 2 cos 2 cos 2b b a (`e)
sen2 sen2 sen2b b a (`f)
Substituindo as equações (e) e (f) na equação (d) obtemos
cos 2 cos 2 sen2 sen22 2
xyx xa b a a a a
2sen22 sen2xy a b
a b a xya
Para 4a b temos sen2 sen 2 1a xy a a ▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.58
3.10 EQUAÇÕES DE COMPATIBILIDADE
Como na maioria dos problemas de engenharia estrutural as deformações e os
gradientes de deslocamentos são muito pequenos, podemos usar as relações
deformação-deslocamento dadas pelas equações (3.33), reproduzidas a seguir,
x xy
u u v
x y x
y xz
v u w
y z x
z yz
w v w
z z y
. (3.59)
Assim, conhecendo-se as três funções u, v, w, determinamos de modo único, as
funções componentes da deformação, através das equações acima.
Já o problema inverso não é tão simples, pois teríamos apenas três funções
incógnitas, u,v e w para serem obtidas a partir de seis equações, o que é uma
redundância. Ou seja, não podemos esperar, em geral, que essas equações possuam
soluções únicas se as funções componentes de deformação forem prescritas
arbitrariamente.
Portanto, algumas condições devem ser impostas sobre as componentes de
deformação a fim de que essas seis equações forneçam soluções únicas para os três
componentes de deslocamentos.
Os componentes de deformação não poderem ser prescritas de modo arbitrário
pode ser explicado geometricamente da seguinte maneira: imagine que um sólido seja
subdividido em pequenos paralelepípedos antes da deformação; se for especificado um
campo de deformação arbitrário, não se garante que após a deformação, esses
pequenos paralelepípedos se encaixem de modo que o corpo deformado continue
continuo. Para assegurar que esses paralelepípedos deformados continuem formando
um corpo contínuo, os componentes de deformação para cada bloco elementar devem
satisfazer certas relações, denominadas de equações de compatibilidade.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.59
Essas condições podem ser obtidas eliminando-se os componentes de
deslocamento u, v, w, por meio de derivações sucessivas das equações (3.59), como a
seguir.
A partir das derivações
2 22 3 3 3 3
2 2 2 2 2 2
y xyx u v u v
y x y x x y x y x y x y
(3.60)
obtemos a seguinte relação
2 22
2 2
y xyx
y x x y
. (3.61)
Com as seguintes derivadas
2 3 2 2yzx u v w
y z x y z x x z x y
2 2 2 2xyxz u w u v
y y z x y z y z x z
(3.62)
escreve-se
2
2 yz xyx xz
y z x x y z
. (3.63)
As demais relações podem ser obtidas por meio da permutação cíclica das variáveis
x,y,z em (3.61) e (3.63). Os resultados são agrupados a seguir:
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.60
2 22
2 2
y xyx
y x x y
2 22
2 2
y yzz
z y y z
2 22
2 2x zxz
x z z x
2
2 yz xyx xz
y z x x y z
2
2 y yx yzzx
z x y y z x
2
2 xy zy zxz
x y z z x y
. (3.64)
Essas equações foram deduzidas e apresentadas pela primeira vez por Saint-
Venant em 1860. Elas são as equações de compatibilidade que devem ser satisfeitas
pelos componentes de deformação para que os componentes de deslocamentos,
determinados a partir das equações (3.59) sejam únicos. Na verdade, essas seis
equações não são linearmente independentes, elas equivalem a três equações
diferenciais parciais linearmente independentes. Porém, em geral, todas as seis
equações são usadas juntas, por questão de conveniência.
Se os deslocamentos u, v, w forem diretamente determinados, o que ocorre na
maioria dos problemas de análise estrutural, os componentes de deformação são
calculados a partir das equações (3.59) e as equações de compatibilidade estarão
automaticamente satisfeitas, pois foram deduzidas também das equações (3.59). Se os
componentes de deformação forem obtidos antes dos deslocamentos, então será
necessário que os mesmos satisfaçam as equações de compatibilidade (3.64), caso
contrário, elas serão incompatíveis e não se poderá determinar um campo de
deslocamento contínuo e único para os pontos do sólido. A versão das equações de
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
3.61
compatibilidade para as componentes de deformação do tensor de Green (deformações
finitas) foram deduzidas e apresentadas por Murnahgan em 1951.
REFERÊNCIAS
1. Arantes e Oliveira, E. R., Elementos da Teoria da Elasticidade, IST Press,
Lisboa, 1999
2. Donaldson, B. K., Analysis of Aircraft Structures – An Introduction, McGraw-Hill
Inc., NY, 1993
3. Lucena Neto, E., Fundamentos de Elasticidade e Plasticidade, Notas de Aulas do
curso IG-209, ITA, 2006
4. Hibbeler, R. C., Resistência dos Materiais, Pearson Education do Brasil, SP, 5ª
edição, 2006
5. Malvern, L. E., Introduction to the Mechanics of a Continuous Medium, Prentice-
Hall, Inc., Upper Saddle River, NJ, 1969
6. Murnaghan, F.D., Finite deformation of an elastic solid, Wiley, NY, 1951
7. Prager, W., Introduction to Mechanics of Continua, GINN CP., Boston, 1961
8. Saada, A. S., Elasticity – Theory and Applications, Krieger Pub. Co., 2a. ed.,
1993
9. Villaça, S.F.; Garcia, L. F. T., Introdução à Teoria da Elasticidade, COPPE/UFRJ,
3ª edição, 1998
10. Wempner, G., Mechanics of Solids, PWS Publishing Company, Boston, MA, 1995
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 4.1
4
EQUAÇÕES CONSTITUTIVAS
Neste capítulo veremos o terceiro aspecto fundamental na Mecânica dos Sólidos, ou
seja, o comportamento resistivo do material através das equações constitutivas, as
quais relacionam as tensões com as deformações num ponto do sólido. São essas
equações que nos permitem levar em consideração na análise de um problema
estrutural o comportamento resistivo do material que constitui a estrutura analisada. É
intuitivo, por exemplo, que uma barra feita de aço e uma barra, geometricamente igual,
feita de borracha, ambas sujeitas ao mesmo carregamento, devam se deformar de
maneira diferente.
Até agora, temos a seguinte situação:
Estática: três equações de equilíbrio e seis incógnitas (componentes de tensões)
Cinemática da deformação: seis equações e nove incógnitas (seis componentes
de deformações e três componentes de deslocamentos).
Portanto, precisamos de mais seis equações para que o nosso problema de
Mecânica dos Sólidos seja possível e determinado. A consideração do comportamento
resistivo do material nos fornecerá as seis equações que estão faltando, ou seja, as
equações constitutivas na verdade são seis equações que relacionam as componentes
de tensões com as componentes de deformação, através de quantidades que
caracterizam o comportamento do material, as quais são também conhecidas como
propriedades mecânicas.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.2
4.1 CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES Como nesse curso maior ênfase é dada a materiais metálicos homogêneos e
isotrópicos, apresentamos a seguir a definição desses termos.
Homogeneidade
O termo homogêneo é usado para descrever algo que possua uniformidade. Um
corpo material é homogêneo se cada porção similar possui os mesmos atributos físicos
e propriedades.
Os materiais usados na engenharia não são verdadeiramente homogêneos
devido à sua constituição cristalina e a falhas entre os cristais, porém, quando
examinamos porções maiores as pequenas irregularidades nas várias porções se
tornam sem importância por causas da distribuição e orientação aleatórias dos
pequenos constituintes. A falta de homogeneidade é significativa somente numa escala
muito pequena ou microscópica.
Isotropia
Um material que não exibe nenhuma orientação estrutural nem propriedades
dependentes de direções dentro do material é definido como isotrópico. Ou seja, num
material isotrópico, num ponto as suas propriedades serão as mesmas em qualquer
direção.
Quando as propriedades do material dependem das direções consideradas ele é
denominado anisotrópico. Um caso especial encontrado na Mecânica dos Sólidos é o
de materiais ortotrópicos, os quais são materiais que possuem três direções
mutuamente ortogonais, as quais definem três planos de simetria elástica, segundo as
quais são definidas as suas propriedades mecânicas. Os materiais compósitos se
enquadram nessa definição e serão estudados em cursos dedicados.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.3
Devemos ter sempre em mente que isotropia não significa homogeneidade. Um
material pode ser isotrópico em cada ponto, mas ter as suas propriedades mecânicas
variando com a posição do ponto dentro do sólido, ou seja, não ser homogêneo.
4.2 ENSAIOS DE TRAÇÃO, COMPRESSÃO E CISALHAMENTO
As características essenciais do comportamento do material são obtidas por meio de
simples experimentos. O mais comum deles envolve a aplicação de cargas estáticas à
temperatura ambiente. As cargas e deformações devem ser medidas e registradas.
Essa é a natureza dos simples ensaios de tração, compressão e cisalhamento.
Ensaio de tração
Esse ensaio consiste da aplicação lenta e gradual de uma força axial para
estender uma barra prismática de dimensões padronizadas, denominada corpo-de-
prova. A seção transversal do corpo-de-prova é uniforme e de forma circular ou
retangular. Os dados importantes registrados durante o ensaio são: a força axial e o
correspondente comprimento e largura da barra. A figura 4.1 ilustra uma montagem de
um ensaio de tração
Figura 4.1 Montagem de um ensaio de tração.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.4
No corpo-de-prova marcam-se dois pontos Q e R ao longo do seu
comprimento e registra-se a distância entre eles. Esse será o comprimento de
referência 0L . Os pontos Q e R estão situados longe o bastante das
extremidades onde são aplicadas as cargas, para não serem afetadas pela
distribuição local.
Por exemplo, consideremos um corpo-de-prova de seção circular com um
diâmetro original 0d . Em intervalos regulares, durante a extensão da barra,
registra-se o comprimento deformado *L entre *Q e *R , o diâmetro *d e a carga
axial P nesse instante. Mesmo um pequeno alongamento da barra é
acompanhado por uma redução no seu diâmetro.
Como o nosso objetivo é descrever o comportamento do material, sem
referência a um corpo particular, então, dividimos a carga P pela área da seção
transversal original 0A , o alongamento *0e L L pelo comprimento original 0L e
a redução do diâmetro *0e d d pelo diâmetro original 0d .
Assim, consideramos como variáveis do ensaio: a tensão normal média
0
P
A , (4.1)
a deformação axial média
*0
0 0
L Le
L L (4.2)
e a deformação transversal média
*0
0 0
d de
d d
. (4.3)
Com os valores dessas variáveis obtidas durante o ensaio, podemos traçar um
gráfico como o da figura 4.2. Esse é um gráfico de tensão-deformação típico.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.5
Figura 4.2 Curva tensão-deformação típica.
A partir do ensaio de tração e do gráfico da figura 4.2, podemos estabelecer as
seguintes definições:
a) Módulo de Elasticidade
A porção inicial OA da curva é aproximadamente uma linha reta, a qual pode ser
expressa pela equação
E , (4.4)
onde E , uma constante de proporcionalidade, é a tangente do ângulo de inclinação da
reta AO em relação ao eixo . A constante E é uma propriedade do material e é
denominada de módulo de elasticidade do material.
A equação (4.4) é também conhecida como Lei de Hooke, em homenagem a
Robert Hooke, pelo seu trabalho sobre proporcionalidade entre a carga e a deformação
de molas, em 1676. O módulo de elasticidade E é também conhecido como módulo de
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.6
Young, em homenagem a Thomas Young que publicou em 1807 uma explicação da Lei
de Hooke. As unidades de E são as mesmas das tensões, ou seja, força/unidade área.
b) Coeficiente de Poisson
Observa-se do ensaio de tração que na região da reta AO a contração *0e d d do
diâmetro da barra é proporcional ao alongamento *0e L L . Portanto 0e d é
relacionado à deformação 0e L através da equação
, (4.5)
onde é uma constante positiva, denominada de coeficiente de Poisson. Essa
constante é adimensional e para a maioria dos sólidos o seu valor varia entre 1/4 e 1/3.
c) Limite de Proporcionalidade
Quando a tensão atinge certo valor L , a curva se afasta da linha reta AO.
Este desvio da relação linear, equação (4.4), é marcado no gráfico da figura 4.2 pelo
ponto A.
Essa tensão L é denominada de limite de proporcionalidade.
d) Limite Elástico
Quando o corpo-de-prova retorna à configuração inicial indeformada, após a retirada do
carregamento, dizemos que o seu comportamento é elástico. Ele será elástico linear se
a relação E se aplicar e poderá ser elástico não linear (como no caso da
borracha, por exemplo) se a relação entre a tensão e a deformação for não linear.
No gráfico da figura 4.2 esse ponto não está assinalado, mas em geral ele é
muito próximo do ponto A, tanto que para fins práticos considera-se E L , onde E é
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.7
a tensão a partir da qual o material, ao ser descarregado, apresentará uma deformação
residual permanente. Esse ponto no gráfico é muito difícil de determinar com precisão.
Para as ligas de alumínio, por exemplo, define-se um ponto a partir do qual se
considera que o material tenha escoado, ou seja, apresente uma deformação
permanente. Ele é considerado elástico até essa tensão Esse ponto é a intersecção de
uma reta traçada a partir da deformação 0,002 (0,2%) e paralela à reta do trecho da
curva em que o material é elástico linear, com a curva do material. Veja a figura 4.3.
Figura 4.3 Curva tensão-deformação típica de uma liga d e alumínio
e) Comportamento Elástico e Plástico
Consideremos a figura 4.4, onde o gráfico da figura 4.2 foi redesenhado com mais
alguns detalhes.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.8
Figura 4.4 Comportamento elástico e plástico do material
O ponto H define o ponto a partir do qual se considera que o material apresenta
uma deformação permanente. Como já vimos para o alumínio, a deformação OO é
definida como 0,2%. Na realidade o ponto H é muito próximo do ponto A, ou seja,
E L .
Quando a tensão atinge o valor correspondente ao ponto B da curva, o
descarregamento percorre a reta PBO e da deformação total correspondente , uma
parte é recuperada ( E ), a qual é a deformação elástica e uma parte permanece ( P ),
a qual é a deformação plástica. Se, agora, quisermos carregar o corpo-de-prova
novamente, a curva de carga tomará o caminho reto PO B e o novo limite elástico ou de
proporcionalidade será o ponto B. Esse aumento de tensão limite ou de escoamento é
devido ao endurecimento por deformação do material. O módulo de elasticidade E
continua o mesmo, porque a reta PO B é paralela à reta AO.
f) Resistência ao escoamento
Como a tensão onde se inicia o escoamento não é bem definida com precisão no
ensaio, o valor definido pela deformação de referência OO na figura 4.4, é tomado
pelos engenheiros como a tensão de resistência ao escoamento do material.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.9
g) Resistência final
É o valor u correspondente ao ponto C da curva tensão-deformação da figura 4.4. A
partir dessa tensão espera-se ocorrer falha por ruptura do corpo-de-prova.
Ensaio de Compressão
O ensaio de compressão é feito da mesma maneira que o ensaio de tração,
exceto que a carga aplicada é de compressão. Define-se a mesmas variáveis , e
como no ensaio de tração. As curvas obtidas são semelhantes à do ensaio de
tração. Quando a deformação começa a ficar grande, as duas curvas podem ser muito
diferentes.
Os manuais de propriedades mecânicas dos materiais recomendam usar para os
materiais dúteis o mesmo valor de u do ensaio de tração, para a compressão.
Ensaio de Cisalhamento
Este ensaio é realizado com um tubo de parede fina sujeito a um binário de
torção. O corpo-de-prova é padronizado. A figura 4.5, mostra uma ilustração de um
corpo-de-prova típico
Figura 4.5 Corpo-de-prova para ensaio de cisalhamento
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.10
A tensão média de cisalhamento é dada por
22
T
R t
, (4.6)
onde R é o raio médio do tubo e t é a espessura da parede do tubo. A deformação
média por cisalhamento ou deformação média angular é dada por
arctan RL
, (4.7)
Onde é o ângulo de torção de uma extremidade do tubo em relação à outra e L é o
comprimento do tubo, conforme a figura 4.6.
Figura 4.6 (a)Ângulo de torção do corpo-de-prova; (b) Deformação angular.
Com esses valores de e podemos traçar um gráfico semelhante ao do teste
de tração, como na figura 4.7
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.11
Figura 4.7 Curva típica.
Como o tubo é fino, podemos supor que a deformação é a mesma em
qualquer ponto do corpo. Considerando-se um material típico usado em estruturas, a
porção AO da curva da figura 4.7 é aproximadamente uma reta, como no ensaio
de tração. Podemos então escrever
G , (4.8)
Onde G é a constante de proporcionalidade denominada de módulo de elasticidade em
cisalhamento. É uma propriedade do material e a sua unidade é a mesma da tensão.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.12
4.3 SUPERPOSIÇÃO DE DEFORMAÇÕES Uma importante conseqüência da hipótese de pequenas deformações é que sucessivas
deformações podem ser adicionadas algebricamente.
Seja por exemplo, um pequeno segmento x sujeito a uma deformação normal
x , tal que o seu comprimento deformado escreve-se
* (1 )xx x . (4.9)
Se esse elemento, agora com o comprimento *x , é deformado novamente com uma
deformação adicional x , o seu novo comprimento escreve-se
** *(1 ) (1 ) (1 )x x xx x x . (4.10)
Efetuando-se as multiplicações indicadas na equação (4.10) e considerando-se
que as deformações x e x são pequenas comparadas com a unidade, apenas os
termos de primeira ordem são significativos, ou seja,
** (1 )x xx x . (4.11)
Podemos então escrever, pela definição de deformação normal dada em (3.1)
**
0limx x xx
x x
x
. (4.12)
O mesmo argumento se aplica às deformações angulares, e podemos escrever
xy xy xy . (4.13)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.13
Assim, podemos obter um estado de deformação resultante de deformações
sucessivas num ponto do sólido, considerando que elas sejam pequenas comparadas
com a unidade.
Então, as áreas consideradas no cálculo das tensões também se alteram com a
deformação do sólido, de modo que se acrescentarmos novas cargas as novas áreas
serão, a rigor, diferentes das originais. Mas se as deformações são pequenas, então as
áreas também poderão se consideradas como aproximadamente iguais àquela
indeformada. Assim, podemos superpor também as tensões, do mesmo modo que as
deformações, mas desde que as deformações sejam pequenas.
4.4 MATERIAL ELÁSTICO LINEAR E ISOTRÓPICO Um material elástico linear é também denominado de material hookeano. A maioria dos
materiais usados na engenharia satisfaz essa condição além de serem também
isotrópicos.
Nesse caso, vamos considerar o seguinte problema: um bloco retangular é
carregado como na figura 4.8.
Figura 4.8 Bloco carregado na direção x.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.14
Pela lei de Hooke, podemos escrever
xx x xE
E
. (4.14)
As deformações transversais são
xy z x E
. (4.15)
O módulo de elasticidade E e o módulo de elasticidade em cisalhamento G são obtidos
através de ensaio, mas o coeficiente de Poisson, , é obtido a partir de uma relação
entre G e E, como veremos a seguir.
Agora, supomos que o mesmo bloco seja carregado apenas com uma tensão
uniforme y . Como o material é elástico linear e isotrópico, podemos escrever
yy E
(4.16)
yx z y E
. (4.17)
Se o carregarmos apenas com z , escrevemos
zz E
(4.18)
zx y z E
. (4.19)
Devido à linearidade dessas relações e às deformações serem pequenas
comparadas com a unidade, podemos aplicar a superposição apresentada na seção 4.3
e escrever
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.15
1( )x x x x x x y zE
(4.20)
1( )y y y y y y x zE
(4.21)
1( )z z z z z z x yE
. (4.22)
Consideramos até aqui as relações entre as tensões normais e as deformações
longitudinais associadas com as direções perpendiculares x, y, z. No caso de material
isotrópico, o bloco da figura 4.8 sob ação das tensões normais , ,x y z permanece
retangular. Essas tensões não causam nenhuma deformação angular. Isso é uma
conseqüência da isotropia, o que implica que as direções principais de tensão (onde o
cisalhamento é nulo) são também direções principais de deformação e vice-versa.
Vamos considerar agora, o estado de tensão representado na figura 4.9.
Figura 4.9 (a) Tensões principais; (b) Estado de cisalhamento puro.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.16
Aplicando-se as equações (4.20) –(4.22) ao estado de tensão representado na
figura 4.9(a), escrevemos
1 (1 )( 0)x xE E
(4.23)
1 (1 )( 0)y yE E
(4.24)
10 0z z x y x z y zE
. (4.25)
Fazendo-se uma rotação horária de 45º no sistema x’y’z’, em torno do eixo z’,
obtemos o sistema xyz da figura 4.9(b). Aplicando-se as equações (3.47), obtemos
,
1 1 1 11 1 0cos 2( 45 ) 2( 45 )
2 2 2o o
x y senE E E E
.
1 11 02( 45 ) cos 2( 45 )
2 2 2xy o osen
E E
.
Simplificando, escrevemos
,
2(1 )0x y xy E
. (4.26)
Em resumo, os resultados dessa mudança de coordenadas, considerando-se que
xy , são os seguintes:
2(1 )0x y z xz yz xy xyE
. (4.27)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.17
De (4.27) podemos inferir então, que um simples estado de cisalhamento puro
xy , como na figura 4.9(b) causa somente a de formação de cisalhamento xy . Essa
conclusão é suportada por experimentos em materiais elásticos lineares e isotrópicos.
Mas desses experimentos obtemos apenas o módulo de elasticidade em cisalhamento,
G, tal que
xy xyG . (4.28)
Das equações (4.27) e (4.28) definimos
2(1 )
EG
. (4.29)
Os módulos E e G são obtidos por ensaios e o coeficiente é obtido da relação
(4.29), para materiais isotrópicos.
Podemos aplicar o mesmo raciocínio acima para os outros componentes de
tensão xz e yz . Então, escrevemos na forma matricial
10 0 0
10 0 0
10 0 0
10 0 0 0 0
10 0 0 0 0
10 0 0 0 0
x x
y y
z z
xy xy
xz xz
yz yz
E E E
E E E
E E E
G
G
G
. (4.30)
Devemos ter sempre em mente que para definirmos um material isotrópico
precisamos apenas de duas constantes, porque das três que aparecem na equação
(4.30), uma pode ser obtida a partir das outras duas através da relação (4.29). Para
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.18
materiais ortotrópicos necessita-se de nove constantes elásticas para a sua definição
completa.
Muitas vezes é necessário calcular os componentes de tensões a partir de
valores conhecidos dos componentes de deformações, por exemplo, medidas obtidas
em ensaio. Daí, a importância das seguintes equações, obtidas a partir da equação
matricial (4.30):
11 2 1x x y z
E
11 2 1y y x z
E
11 2 1z z x y
E
xy xyG
xz xzG
yz yzG , (4.31)
ou escrita na forma matricial
10 0 0
1 2 1 1 2 1 1 2 1
10 0 0
1 2 1 1 2 1 1 2 1
10 0 0
1 2 1 1 2 1 1 2 1
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
x x
y y
z z
xy xy
xz xz
yz yz
E E E
EE E
EE E
G
G
G
. (4.32)
As equações (4.31) ou (4.32) são também conhecidas como lei de Hooke
generalizada para materiais elástico linear (hookeano) isotrópico.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.19
4.5 COMENTÁRIO SOBRE O COEFICIENTE DE POISSON Como já vimos, a dilatação ou contração volumétrica para um bloco que tenha sofrido
pequenas deformações comparadas com a unidade, pode ser escrita como a seguir.
vol vol x y z
Ve e
V
. (4.33)
Para um material elástico linear isotrópico podemos aplicar a equação (4.30) e
escrever
1( )x x y zE
1( )y y x zE
1( )z z x yE
. (4.34)
Substituindo (4.34) em (4.33) obtemos
3 1 2 1
3 3x y z x y z
voleE K
(4.35)
O fator 3x y z é também denominado de parcela hidrostática do estado
de tensão.
O termo 3 1 2K E , também conhecido como módulo de elasticidade
volumétrico, indica que se o coeficiente de Poisson do material for igual a 1 2 não
ocorrerá nenhuma deformação volumétrica no corpo. Como E e são positivos e o
coeficiente K também deve ser positivo, então
10
2 . (4.36)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.20
O coeficiente K deve ser positivo porque se ele for negativo contraria o
comportamento natural do material sob uma compressão hidrostática
( x y z p ) pois assim ele apresentaria uma expansão volumétrica em vez de
uma contração volumétrica que seria o natural.
A maioria dos metais e alguns outros materiais não metálicos o coeficiente de
Poisson situa-se entre 0,25 e 0,35. A cortiça é um exemplo de material com coeficiente
de Posson praticamente nulo.
Quando 1 2 o material elástico linear e isotrópico é dito incompressível (não
experimenta nenhuma variação no seu volume). A borracha apresenta coeficiente de
Poisson muito próximo de 0,5. Este limite do coeficiente de Poisson é para materiais
isotrópicos. Para materiais ortotrópicos, pode ser maior que 1 2 .
Exemplo 4.1
Considere um estado de tensão de um elemento tal que a tensão x é exercida
na direção x, a contração lateral é livre para ocorrer na direção z, mas é completamente
restrita na direção y. Ache a relação entre a tensão na direção x e a deformação nessa
direção. Ache também a razão entre a deformação na direção z e a deformação na
direção x.
Solução
Livre na direção z 0 0z z
Restrita na direção y 0 0y y
Pela lei de Hooke generalizada, escrevemos
1 1( ) ( 0) x
x x y z x y x yE E E E
(a)
1 1( ) ( 0) 0y y x z y x y xE E
(b)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.21
1 1( ) 0 ( ) ( )z z x y x y z x yE E E
(c)
Substituindo (b) em (a) escrevemos
2
21
1x x x
x y x x x x
E
E E E E E
Substituindo (b) em (c) escrevemos
( ) 1xz x y x x zE E E
Substituindo na expressão acima o valor encontrado para x , escrevemos
21 1 1
1 1 11x
z x x z x
E E
E E E
Denomina-se a quantidade 21E de “módulo efetivo de elasticidade” e a
razão 1 de “coeficiente efetivo de Poisson”.
A tensão y produzida pelo vínculo de restrição é obtida de (b), como a seguir.
2 21 1y x x y x
E E
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.22
Exemplo 4.2
Considere um bloco elementar sujeito a um carregamento uniaxial, como na
figura abaixo. Derive uma expressão aproximada para a variação de volume por
unidade de volume devido a esse carregamento.
Solução
Deformação normal na direção x: x
Deformação nas direções y,z: y z x (devido ao efeito Poisson)
Comprimento das arestas indeformadas: , ,dx dy dz
Comprimento das arestas deformadas:
* 1 xdx dx
* 1 1y xdy dy dy
* 1 1z xdz dy dz
Volume do elemento antes da deformação:
V dxdy dz
Volume do elemento após a deformação:
* * * * 1 1 1x x xV dx dy dz dx dy dz
2 2 2 2 31 2 2x x x x x dxdydz .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.23
Para pequenas deformações, 1x podemos desprezar os produtos de x na
expressão acima e escrever
* 1 2x xV dxdydx .
A variação de volume por unidade volume para o elemento é dada por
* 1 2
1 2x xvol vol x
dxdydz dxdydzV V V Ve e
V V dxdydz V
Comentários:
O resultado obtido para V
V
é o mesmo que obteríamos a partir da equação
(4.35) com 0y z e levando em conta que x xE no nosso caso.
Podemos observar também que a área da seção onde a tensão x atua varia
muito pouco em relação à área indeformada, ou seja:
A dydz
2* * * *1 1 1x x xA dy dz dy dz A dydz
Assim, escrevemos
2 2* 2 21 1 1 2x x x xA dydz A A
Para pequenas deformações, 1x , podemos desprezar o termo com 2x na
expressão acima, e escrevemos
** 1 2
1 2 2xx x
A AA A A AA A
A A A A
Para 1x e como 1 , então 0A . Portanto a área deformada é
aproximadamente igual à área indeformada. ▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.24
Exemplo 4.3
Um bloco R de borracha rígida que obedece a lei de Hooke para pequenas
deformações é confinado entre paredes planas e paralelas de um bloco de aço S. Uma
pressão uniformemente distribuída 0p é aplicada no topo do bloco de borracha por uma
força F.
(a) Derive uma fórmula para a pressão lateral p entre a borracha e o bloco
de aço (despreze o atrito entre a borracha e o aço a assuma que o
bloco de aço é perfeitamente rígido comparado ao de borracha);
(b) Derive uma fórmula para a dilatação volumétrica e da borracha
considerando que as deformações são pequenas comparadas com a
unidade.
Solução
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.25
a) Fórmula para cálculo da pressão lateral:
0z
Fp
A
0 0x x
0y y p
00x z p
0
1 1( ) 0 ( )x x y z y p
E E (1)
0
1 1( ) (0 ) 0y y x z y p
E E (2)
0
1 1( ) (0 )z z x y yp
E E (3)
De (2) escrevemos
0 0 0
1(0 ) 0 0y y yp p p
E
Então, a pressão lateral p será dada por
0 0y p p p p
b) Fórmula para a dilatação volumétrica:
x y z
Ve
V
(pequenas deformações) (4)
0 00 0 0
( )10 ( ) 1y
x y
p pp p p
E E E E
0y
200 0
1(0 ) 1z
pp p
E E
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.26
Substituindo os valores encontrados paras as deformações em (4), obtemos
2 2 20 00 0 0 0
11 0 1
p pe p p p p
E E E
2 200 0
12 1 2 1
pe p p e
E E
Comentário:
Para 1 2 (a borracha apresenta o coeficiente de Poisson muito próximo
desse valor) temos:
2
0 1 12 1 0
2 2
pe
E
▲
4.6 EFEITOS DA TEMPERATURA Quase todos os materiais tendem a se expandir quando aquecido. O aumento de
volume que acompanha um aumento de temperatura é denominado expansão térmica.
Se o material é isotrópico e livre para expandir, todos os segmentos de reta no
corpo experimentam a mesma deformação longitudinal quando a temperatura varia.
Esse material expandindo-se livremente não experimenta nenhuma deformação angular
ou por cisalhamento. A mais simples relação entre essas deformações normais e a
variação de temperatura que as produzem são as relações lineares
x y z T , (4.37)
onde é uma constante, denominada de coeficiente de expansão térmica e é uma
propriedade do material e T é a variação de temperatura.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.27
As deformações térmicas (4.37) podem ser adicionadas às deformações
mecânicas (produzidas pelas tensões) das equações (4.30) e escrevemos, para um
material elástico linear e isotrópico, as deformações totais como
1( )x x y z T
E
1( )y y x z T
E
1( )z z x y T
E
1 1 1xy xy xz xz yz yzG G G
. (4.38)
Exemplo 4.4
Seja uma barra reta conforme a figura 4.10 , com uma extremidade fixa e a outra
livre, sob efeito de uma variação de temperatura T . Se o material da barra tem um
coeficiente de expansão térmica , determinar o seu alongamento e a tensão normal
longitudinal desenvolvida na barra.
Figura 4.10 Exemplo 4.4
Solução
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.28
No caso das barras a deformação que nos interessa é no sentido longitudinal e a
única componente de tensão a ser considerada é na sua direção longitudinal, ou seja,
da primeira equação (4.38) escrevemos
xx T
E
(a)
Da equação acima obtemos
x xE T (b)
A equação (a) nos dá a deformação específica longitudinal total, ou seja, uma
parcela devida à ação de forças (deformação mecânica) e uma parcela devida à
variação de temperatura (efeito térmico) e assim, definimos
xmec T T
E
(c)
Então, podemos escrever
x mec T (d)
No nosso problema temos
0mec T T (e)
A parcela de deformação mecânica é nula porque não tem nenhuma força atuando
sobre a barra, apenas uma variação de temperatura T . Portanto, da equação (d),
escrevemos
0x xT T (f)
O alongamento da barra, ou o deslocamento da sua extremidade livre em
relação à fixa, é dado pela equação (3.8) e considerando (f), escrevemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.29
*
0 00
L L
x TL L dx T dx TL ,
onde T é o alongamento da barra devido ao efeito térmico.
Se substituirmos (f) em (b) escrevemos
0x xE T T
Portanto, nesse caso, houve deformação da barra, mas sem o desenvolvimento de
tensão sobre os seus pontos. ▲
Exemplo 4.5
Consideremos agora, a barra do exemplo anterior com as duas extremidades
fixas, conforme a figura 4.11(a) e sujeita a uma variação de temperatura T .
Figura 4.11 Exemplo 4.5
Determine a tensão normal desenvolvida na direção longitudinal da barra, devido ao
efeito térmico.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.30
Solução
Da figura 4.11(a) vemos que os deslocamentos das extremidades da barras são nulos,
portanto, o seu alongamento longitudinal também será nulo. Assim, escrevemos
00x xL L
(a)
Substituindo (a) em x xE T ,obtemos
0x xE T E T
Então, nesse caso, ocorre o desenvolvimento de uma tensão normal de compressão na
direção longitudinal da barra.
Comentários:
Em geral, na literatura, essa tensão que se originou devido ao efeito térmico é
denominada de tensão térmica, mas esse termo não é apropriado, porque na verdade
ela ocorre devido à força de reação do vínculo que fixa as extremidades da barra.
Portanto, essa tensão é o resultado da ação de uma força (no caso uma reação de
apoio), o que é coerente com o conceito de tensão.
Poderíamos fazer o seguinte raciocínio com a barra mostrada na figura 4.11(b):
imaginemos que a extremidade A seja liberada para se deslocar, como no exemplo
anterior. Então, a partir da equação (3.8), devido ao efeito térmico, temos,
*
0 00
L L
x TL L dx T dx TL (b)
Da figura 4.11(c) podemos imaginar que a reação de apoio AR produza um
deslocamento mec no sentido oposto ao de T da figura 4.11(b) a fim de manter o
deslocamento resultante em A nulo, como na figura 4.11(a), pois esse é um suporte
fixo. Assim, escrevemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.31
mec x A Amec mec
R A R L
L E E EA
(c)
Como o deslocamento total é nulo, temos
0mec T mec T (d)
Substituindo (b) e (c) em (d) obtemos
A AR L RTL E T
EA A (e)
Comparando x E T com(e), escrevemos
Ax
RE T
A ,
o que nos mostra que a tensão normal x , de compressão nesse caso, deve-se à ação
da força de reação do apoio, mas originada do efeito térmico. ▲
4.7 CONCLUSÃO Como vimos, os três aspectos fundamentais nos fornece o conjunto de equações
necessário para a solução de qualquer problema na Mecânica dos Sólidos, ou seja
Dinâmica (estática): Equações de equilíbrio (3)
Incógnitas (6)
Cinemática das deformações: relações deformação-deslocamento (6)
Incógnitas (9)
Comportamento resistivo de material: relações constitutivas (6)
Assim, temos quinze equações e quinze incógnitas, portanto, um problema possível e
determinado.
Mas como a solução desses problemas exige a resolução de sistemas de
equações diferenciais parciais, em geral só será possível através de métodos
numéricos, com algumas exceções quando o sólido é de geometria simples e também o
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
4.32
carregamento é aplicado de modo bem simples. Portanto, a solução analítica só é
obtida para algumas situações bem específicas.
Nos próximos capítulos veremos algumas dessas situações, onde se explora um
dos mais poderosos argumentos da ciência, o argumento da simetria. Desse modo,
consegue-se descrever a deformação de uma maneira muito simples, o que resulta em
teorias que conduzem a resultados muito satisfatórios do ponto de vista de engenharia
e muitas vezes até muito próximos daqueles obtidos por teorias mais avançadas.
REFERÊNCIAS
1. Donaldson, B. K., Analysis of Aircraft Structures – An Introduction, McGraw-Hill
Inc., NY, 1993
2. Lucena Neto, E., Fundamentos de Elasticidade e Plasticidade, Notas de Aulas do
curso IG-209, ITA, 2006
3. Hibbeler, R. C., Resistência dos Materiais, Pearson Education do Brasil, SP, 5ª
edição, 2006
4. Malvern, L. E., Introduction to the Mechanics of a Continuous Medium, Prentice-
Hall, Inc., Upper Saddle River, NJ, 1969
5. Wempner, G., Mechanics of Solids, PWS Publishing Company, Boston, MA, 1995
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.1
5
BARRAS SOB CARGA AXIAL Como foi apresentada no capítulo 1, a análise de qualquer problema de Mecânica dos
Sólidos está baseada nos três aspectos fundamentais: dinâmica (estática), cinemática
das deformações e relações constitutivas. Esses aspectos foram detalhados nos
capítulos 2, 3 e 4.
Dinâmica (estática): esse tópico nos fornece as equações de equilíbrio em
cada ponto ou do sólido como um todo. Os conceitos de vetor tensão e
estado de tensão num ponto são as novas quantidades matemáticas que
nos permitem descrever o comportamento num ponto do sólido.
Cinemática das deformações: esse tópico nos fornece as relações
deformações-deslocamento. O conceito de deformação específica nos
permite descrever o estado de deformação num ponto do sólido.
Relações constitutivas: os modelos matemáticos do sólido, como um
contínuo, relacionam as variáveis dinâmicas (tensões) com as variáveis
cinemáticas (deformações).
Nos próximos capítulos faremos uso das quantidades matemáticas descritas
acima na solução de alguns problemas fundamentais importantes na engenharia de
estruturas.
A seguir, desenvolveremos uma teoria simples, também conhecida como teoria
de engenharia, para a solução de extensão de barras. Uma barra é definida como um
elemento estrutural cuja geometria é tal que possui um eixo longitudinal e a maior
dimensão da seção transversal é pequena comparada com o seu comprimento
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.2
longitudinal. Estudaremos as barras prismáticas e as barras com seção transversal
variando gradualmente ao longo do eixo longitudinal sob carregamento axial. Desde
que as restrições dessa teoria sejam satisfeitas, os resultados obtidos através de seu
uso se mostram muito satisfatório, do ponto de vista de engenharia, com aqueles
observados experimentalmente e também com aqueles obtidos através de teorias
mais avançadas.
5.1 PRINCÍPIO DE SAINT-VENANT Na maioria das vezes as cargas aplicadas sobre elementos estruturais são forças de
contato (forças de superfície). Em geral essas forças são transmitidas ao elemento
estrutural em pontos discretos, como conexões por meio de pinos, parafusos ou rebites.
Nesses casos, a distribuição real de tensões em torno desses pontos é tão complicada
que uma descrição precisa da distribuição de forças é muito difícil. Felizmente, na
maioria das vezes podemos considerar o efeito da distribuição dessas forças em
regiões um pouco afastada dos pontos de aplicação das cargas, como informação
suficiente para o estudo do comportamento geral do elemento estrutural.
Considere, por exemplo, o caso ilustrado na figura 5.1. Foram desenhadas
grades idênticas, com linhas horizontais e verticais, sobre a superfície das duas barras.
(a)
(b)
Figura 5.1 (a) Barra com carga concentrada na extremidade; (b) Barra com carga distribuída na extremidade.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.3
As barras são iguais, mas uma é carregada com uma carga axial concentrada
por meio de um pino através de um furo na sua extremidade enquanto que a outra
recebe uma carga axial distribuída, com resultante igual à carga concentrada, por meio
de um dispositivo rígido na sua extremidade. Assim, a maneira de se aplicar as forças
sobre as duas barras é diferente, mas a resultante é a mesma: uma força axial P
atuando ao longo do eixo que passa pelos centróides das seções transversais da barra.
Na região próxima da aplicação das forças as deformações são muito diferentes
nas duas barras, como podemos observar pela severa distorção nas linhas da grade
desenhada sobre cada uma das barras. Porém, nas regiões um pouco afastadas da
vizinhança da aplicação das cargas, as deformações são essencialmente as mesmas
nas duas barras: os quadrados são deformados em retângulos, praticamente iguais.
Aparentemente, as únicas diferenças significantes no comportamento são os efeitos
localizados próximos da região de aplicação das cargas. Se esses elementos
estruturais são longos e esbeltos, as deformações gerais das duas barras e as
distribuições de tensões são aproximadamente as mesmas nas regiões afastadas da
aplicação das cargas.
A idéia essencial demonstrada pelo exemplo acima foi estabelecida por Saint-
Venant, em 1855, como um princípio:
“Duas distribuições diferentes de cargas atuando sobre a mesma região de um
corpo, tem essencialmente os mesmos efeitos, em termos de tensão e deformação,
sobre partes do corpo que estão suficientemente longe da área de aplicação das
cargas, desde que essas distribuições de forças tenham a mesma resultante”.
Esse princípio se aplica não somente a elementos estruturais carregados
axialmente, mas a todos os tipos de carregamento. Como regra geral, para as barras,
consideramos que a distância da região de aplicação de cargas onde esse princípio se
aplica, deve ser no mínimo igual à maior dimensão da seção transversal. Essa regra é
baseada em observações experimentais e em alguns casos confirmada
matematicamente pela teoria da elasticidade.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.4
5.2 BARRAS PRISMÁTICAS SOB CARGA AXIAL Uma barra prismática é um elemento estrutural que possui um eixo longitudinal reto e
seção transversal constante ao longo do seu comprimento. A maior dimensão da seção
transversal é pequena comparada com o seu comprimento longitudinal. São elementos
estruturais sujeitos a cargas axiais largamente usados em estruturas como treliças, em
pontes e edifícios. São também usadas como elementos estruturais do sistema de
comando de algumas aeronaves.
A teoria que será desenvolvida a seguir, para a análise desses elementos
estruturais de geometria e carregamento simples, a qual apresenta resultados muito
bons do ponto de vista de engenharia, é baseada nas seguintes hipóteses:
a) Os pontos de aplicação de cargas e das reações de apoio estão a distâncias
razoáveis do ponto de interesse.
b) A seção transversal da barra é arbitrária, mas é uniforme ou possui uma variação
pequena e gradual na direção axial; se mudanças abruptas na seção transversal
existir, os centróides de todas a seções transversais devem poder ser unidos pela
reta que constitui o eixo axial da barra.
c) O material da barra é homogêneo ou o módulo de elasticidade E é função apenas
da coordenada axial. Não é essencial, porque podemos ter uma barra constituída
de materiais diferentes.
d) Todas as cargas aplicadas e reações de apoio são geometricamente posicionadas
em linha paralela com o eixo axial.
e) A magnitude da carga axial de compressão é menor que a carga crítica de
flambagem da barra.
f) As componentes transversais das tensões normais y e z são desprezíveis
comparadas com a tensão axial x
g) As seções transversais permanecem planas e normais ao eixo longitudinal após a
deformação; o eixo longitudinal permanece reto após a deformação. Ou seja, as
seções transversais permanecem paralelas entre si após a deformação.
As hipóteses (f) e (g) tem sido verificadas experimentalmente.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.5
O problema a ser estudado é o seguinte: seja a barra da figura 5.2 com uma
força axial P aplicada na sua extremidade livre. Por simplicidade, considere fixa a outra
extremidade.
Figura 5.2 Barra prismática sob carregamento axial
A seguir faremos uso dos três aspectos fundamentais da Mecânica dos Sólidos,
já estudados nos capítulos 2,3, e 4. Por uma questão didática, eles serão aplicados na
seguinte ordem:
Cinemática da deformação
Devido ao tipo de carregamento, espera-se que a barra venha a se alongar ou
contrair na direção axial. Com base na hipótese (g), vamos assumir que a deformação
possa ser descrita como a seguir:
1) o eixo longitudinal permanece reto após a deformação e
2) as seções transversais permanecem planas e normais ao eixo longitudinal após
a deformação (essas seções continuam paralelas após a deformação).
Assim, as seções transversais se deslocam somente na direção axial. A figura
5.3 mostra a barra em estudo, antes e após a deformação.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.6
Figura 5.3 (a) Antes da deformação; (b) Após a deformação.
Como as seções permanecem planas e paralelas após a deformação, a posição
dos seus pontos na configuração deformada pode ser dada apenas pelas coordenadas
*x e * *x x . Duas seções vizinhas são mostradas em detalhe na figura 5.4.
Figura 5.4 (a) Seções transversais vizinhas, antes da deformação; (b) As mesmas seções após a deformação
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.7
Da figura 5.4 vemos que um segmento de reta AB de comprimento x antes da
deformação se transforma em * *A B com comprimento *x após a deformação.
Da definição (3.1) de deformação longitudinal escrevemos
*
0limx x
x x
x
ou
*
x
dx dx
dx
. (5.1)
De (5.1) escrevemos
* 1 xdx dx . (5.2)
O alongamento total , figura 5.3, de uma extremidade da barra de comprimento L em
relação à outra extremidade é dado por
*
0
L
xL L dx . (5.3)
Em decorrência da hipótese (g) temos a seguinte relação deformação-
deslocamento
x
du
dx , (5.4)
onde as componentes de deformação e de deslocamento são funções apenas da
coordenada axial x da seção transversal, ou seja, independem das coordenadas y e z
dos pontos dessa seção.
Portanto, a deformação x é constante sobre a seção transversal.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.8
Estática
Considere a região da barra à direita da seção de “corte” S, na figura 5.2, como
um diagrama de corpo-livre para determinarmos os esforços internos resultantes, a
partir do equilíbrio do corpo, conforme a figura 5.5.
Figura 5.5 Diagrama de corpo livre para determinação da força interna N.
Do equilíbrio na direção axial x escrevemos
0 0xF N P N P , (5.5)
onde N é a força normal interna resultante, atuando sobre a seção S e do equilíbrio dos
momentos em relação ao ponto G, concluímos que essa força N atua
perpendicularmente à seção transversal e é colinear com a força externa aplicada P.
Então, não existem momentos fletores atuando na seção S. Isso está de acordo com a
descrição da deformação da barra, ou seja, as seções transversais permanecem planas
e normais ao eixo longitudinal, o qual continua reto, após a deformação.
Como a seção de “corte” S é arbitrária entre as extremidades da barra da figura
5.2, concluímos que a força normal interna resultante N é constante ao longo do eixo x
nesse caso.
A força N é a resultante das forças N distribuídas sobre a seção S, atuando
sobre áreas elementares A , como na figura 5.6.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.9
Figura 5.6 Forças N atuando sobre áreas elementares A da seção transversal.
Como já foi visto no capítulo 2, a intensidade da força N sobre cada ponto do
plano S pode ser dada pela componente normal x do vetor tensão atuando no ponto e
associado ao plano S. Então escrevemos
xN A . (5.6)
Se, na figura 5.6 considerarmos uma barra prismática, extraída da barra original, de
seção A , paralela ao eixo longitudinal x, podemos supor que as tensões normais y e
z sobre as suas laterais são desprezíveis, pois a barra original é muito estreita e suas
superfícies laterais são livres de tensão aplicada. Portanto, de acordo com a hipótese
(f), podemos assumir
0y z . (5.7)
A figura 5.7 apresenta a seção transversal S ampliada e um detalhe de uma
área elementar A .
Figura 5.7 Detalhe da seção transversal S com o sistema de sistema de coordenadas xyz associado : (a) força elementar N sobre a área elementar A ; (b) força resultante N sobre o seu ponto de aplicação G.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.10
A força normal N é a resultante dessas forças N atuando sobre cada área
elementar A . No limite, com A tendendo a zero, podemos escrever, a partir de (5.6)
x
S
N dA . (5.8)
De (5.5) e (5.8) escrevemos
x
S
N P P dA . (5.9)
A partir da figura 5.7 temos
y xM z N z A (5.10)
z xM y N y A . (5.11)
No limite com 0A , os momentos resultantes em relação aos eixos y e z são
escritos a seguir, a partir das equações (5.10) e (5.11), e eles são iguais aos momentos
da força resultante N em relação aos mesmos eixos, respectivamente:
y x
S
M N z z dA (5.12)
z x
S
M N y y dA . (5.13)
A partir das equações (5.12) e (5.13), as coordenadas do ponto de aplicação da
força normal resultante N sobre a seção transversal, segundo o sistema de
coordenadas xyz adotado, são dadas por
x x
S S
x
S
z dA z dA
zN dA
(5.14)
x x
S S
x
S
y dA y dA
yN dA
(5.15)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.11
A equação (5.5) e a força externa sendo colinear com a resultante normal interna N
(ausência de momentos fletores) asseguram o equilíbrio do diagrama de corpo-livre da
barra em estudo.
Relações constitutivas
A descrição do comportamento do material da barra será feita supondo-se que
ele seja linearmente elástico e isotrópico. Então, a partir do capítulo 4, escrevemos
1x x y zE
1y y x zE
1z z x yE
. (5.16)
Pela hipótese (f) assumimos que 0y z . Então,
xx E
xy xE
xz xE
. (5.17)
Consideraremos agora na nossa análise materiais linearmente elástico,
isotrópico e homogêneo, o que constitui a maioria dos materiais usados em
estruturas. Portanto, o módulo de elasticidade E é constante, em todos os pontos da
barra.
Como x independe de y e z devido à hipótese (g) e E é constante sobre toda a
seção transversal, a partir da primeira equação (5.17), temos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.12
x x xE independe de y e z. (5.18)
Com (5.18) nas equações (5.8), (5.14) e (5.15), podemos escrever
x x x
S S
S
N NN dA dA
AdA
. (5.19)
x
S S
x
S S
zdA zdA
zdA dA
(5.20)
x
S S
x
S S
ydA ydA
ydA dA
. (5.21)
Das equações (5.20) e (5.21) observamos que, nesse caso, as coordenadas do
ponto de aplicação da resultante normal N são as coordenadas do centróide da seção
transversal. Então, se considerarmos o sistema de coordenadas cartesianas associado
à seção transversal com origem no centróide da seção, temos
0 0S S
y z ydA zdA , (5.22)
e assim, os momentos yM e zM se tornam nulos para qualquer valor de x .
Isso significa que uma distribuição uniforme (constante) de tensão x sobre a
seção transversal é representada por uma força normal N, colinear com a força externa,
atuando no centróide da seção com nenhum momento fletor.
Se o material não for homogêneo a distribuição de tensão não será uniforme
sobre a seção transversal e nesse caso a força resultante normal interna N ainda deve
ser colinear coma força externa P para que não ocorra flexão mas, o seu ponto de
aplicação não será mais no centróide da seção, e suas coordenadas são obtidas pelas
equações (5.14) e (5.15) (veja exemplos 5.12 e 5.13).
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.13
Substituindo (5.19) em (5.17), obtemos
x
N
EA
y z
N
EA . (5.23)
Com a primeira equação de (5.23) em (5.3), o alongamento total da barra se escreve
0
L N NLdx
EA EA . (5.24)
Se a força normal interna N for constante por trechos da barra, podemos escrever de
um modo mais geral
1 1 2 1
1 1
1 2
01 1 2 2
n n
n
L L L L Ln
L Ln n
NN Ndx dx dx
E A E A E A
(5.25)
ou
1 1 2 2
1 1 2 2
n n
n n
N LN L N L
E A E A E A , (5.26)
onde os sinais de cada parcela dependerão do sinal da força normal N, a qual é positiva
se for tração e negativa se for compressão.
Da relação deformação-deslocamento (5.4) temos
x
du P du duEA P
dx EA dx dx . (5.27)
Derivando-se (5.27) em relação a x, obtemos a equação de equilíbrio,escrita em
termos de deslocamento, para uma barra prismática de material isotrópico, linear-
elástico e homogêneo, com uma carga axial aplicada na sua extremidade
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.14
2
20
d uEA
dx . (5.28)
Para a solução dessa equação diferencial devemos aplicar as condições de contorno
0 ou
x
x A
u u
x ou x L
duEA P
dx
(5.29)
Exemplo 5.1
A barra da figura abaixo consiste de duas partes cilíndricas com seções
transversais circulares a um eixo comum passando pelos centróides das seções. Ela é
feita de uma liga de aço-carbono com 6 230 10 / 200E lb in GPa e tensão de
escoamento 3 20 70 10 / 480lb in MPa . Determine o alongamento total produzido
pelas cargas axiais aplicada nos pontos B e D.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.15
Solução
a) Diagrama de corpo livre para a seção transversal entre D e C:
Do equilíbrio, temos: 1 1000N lb
b) Diagrama de corpo livre para a seção transversal entre D e B:
Do equilíbrio, temos: 2 1000N lb
c) Diagrama de corpo livre para a seção transversal entre D e A:
Do equilíbrio, temos: 3 3800 1000 0 1800N N lb
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.16
d) Alongamento total da barra:
Da equação (5.24), escrevemos
3 31 1 2 2
1 1 2 2 3 3
N LN L N L
E A E A E A
1 11 26
1 1
1000 120,00815
30 10 1 8
N Lin
E A
2 22 26
2 2
1000 50,00151
30 10 3 16
N Lin
E A
3 33 26
3 3
1800 50,00272
30 10 3 16
N Lin
E A
1 2 3 0,00815 0,00151 0,00272 0,0124 in
Comentário:
O resultado obtido é válido se o nível de tensão atuante for menor que a tensão
de escoamento do material, 3 20 70 10 lb in :
2 3 211 02
1
100020400 70 10
1 8
Nlb in lb in
A
2 3 222 02
2
10009050 70 10
3 16
Nlb in lb in
A
2 3 23
3 023
180016300 70 10
3 16
Nlb in lb in
A
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.17
Exemplo 5.2
A barra da figura abaixo é feita de um material linearmente elástico. As partes AB
e BC são ambas cilíndricas com um eixo axial comum. As extremidades A e B são
rigidamente fixadas antes da carga P ser aplicada através de um colar rígido no ponto
B. A carga é assumida atuando ao longo do eixo longitudinal da barra. Determinar a
tensão normal nas seções transversais de cada parte da barra.
Solução
a) Reações dos suportes:
Equilíbrio 0 0x A CF R R P (a)
Temos 1 equação e 2 incógnitas.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.18
b) Forças normais internas:
1
1
0 0x C
C
F R N
N R
2
2
0 0x C
C
F R P N
N P R
c) Alongamento total da barra:
1 2 0 onde:
1 11
1
2 22
2
N L
EA
N L
EA
1 1 2 2 1 1 2 2
1 2 1 2
0 0N L N L N L N L
EA EA A A
Substituindo os resultados do item (b), escrevemos
1 2
1 2
0C CR L P R L
A A
(c)
d) Cálculo das reações dos suportes:
Agora, temos duas equações, (a) e (c), e duas incógnitas, ou seja,
0A CR R P
1 2 1 2
1 2 2 1 1 2
0C CC
R L P R L PA LR
A A A L A L
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.19
Substituindo em (a), obtemos
1 2 2 1
2 1 1 2 2 1 1 2
0A A
PA L PA LR P R
A L A L A L A L
e) Tensões normais nas seções transversais da barra:
Substituindo os resultados para as reações acima nas equações obtidas no item (b),
escrevemos
1 21 1
2 1 1 2C
PA LN R N
A L A L
1 2 2 12 2 2
2 1 1 2 2 1 1 2C
PA L PA LN P R N P N
A L A L A L A L
1 1 2 21 1
1 1 2 1 1 2 2 1 1 2
1N PA L PL
A A A L A L A L A L
2 2 1 12 2
2 2 2 1 1 2 2 1 1 2
1N PA L PL
A A A L A L A L A L
Comentário:
Como tínhamos apenas uma equação de equilíbrio e duas incógnitas tivemos
que escrever uma outra equação. Para escrevermos essa outra equação tivemos que
considerar a deformação da barra e a equação constitutiva do material. Desse modo, o
problema se tornou possível e determinado. ▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.20
5.3 BARRAS DE SEÇÃO TRANSVERSAL COM VARIAÇÃO
GRADUAL SOB CARGA AXIAL
Vamos considerar agora uma barra com seção transversal variando gradualmente ao
longo do eixo longitudinal x, sob uma carga axial 0P aplicada na sua extremidade livre e
uma carga axial f que varia ao longo do eixo x, como na figura 5.8. A carga f é dada em
unidade de força por unidade de comprimento.
Figura 5.8 (a) Barra com carregamento axial e seção variável; (b) Diagrama de corpo livre para determinação da força normal interna N(x); (c) Força interna normal sobre a região à esquerda da seção de “corte” em x; (d) Diagrama de corpo livre de uma porção elementar de comprimento x da barra.
As hipóteses (a)-(g) descritas na seção 5.2 se aplicam também nesse problema.
A hipótese (b) diz que a variação das seções transversais ao longo do eixo longitudinal
deve ser pequena e gradual. Segundo uma recomendação nas páginas 76-77 do livro
“Mechanics of Material”, 4ª edição, de Gere & Timoshenko, o ângulo entre os lados da
barra deve ser menor que 20º , porque para esse ângulo, a tensão xP
A em uma
seção transversal arbitrária é 3% menor que aquela determinada por métodos mais
avançados. Quanto menor o ângulo entre as laterais da barra, menor será esse erro.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.21
Do equilíbrio da barra, podemos escrever para os diagramas de corpo livre da
figura 5.8
0 00 ( ) ( ) 0 ( ) ( )xF N x f L x P N x P f L x (5.30)
e
0 ( )( ) 0x x x xF A A A f x . (5.31)
Desprezando-se o produto dos incrementos, 0x A , reescrevemos (5.31)
0x xA A f x . (5.32)
Dividindo (5.32) por x e tomando o limite com 0x
0 0 0lim lim lim 0 0x x
x xx x x
dA dAA f A f
x x dx dx
. (5.33)
ou
0x
dA f
dx . (5.34)
Pela hipótese (f), podemos assumir
0y z ,
ou seja, ( ) ( )x x
duE x E x
dx . Substituindo na equação (5.34), escrevemos
( ) ( ) 0d du
E x A x fdx dx
. (5.35)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.22
Quando ( )E x e ( )A x são constantes ao longo da barra, a equação (5.35) se
simplifica para
2
20
d uEA f
dx (5.36)
e a condições de contorno são dadas por
0
0
u u
x ou x L ou
duEA P
dx
(5.37)
As equações (5.35) ou (5.36) são válidas em qualquer ponto de coordenada
0 x L ao longo da barra. Das hipóteses (c) e (g) podemos assumir que a tensão
x é uniforme (independe das coordenadas y e z) sobre a área A(x), ou seja, da
equação (5.19) escrevemos
( )
( )x
N x
A x . (5.38)
A deformação x também será uma função apenas da coordenada x e é dada por
( ) ( )
( ) ( ) ( )x
x
x N x
E x E x A x
, (5.39)
onde ( )E x indica que o módulo de elasticidade E é uma função apenas de x. Isso é
uma decorrência da hipótese (c).
Então o alongamento total da barra para o comprimento L é dado por
0 0
( )
( ) ( )
L L
x
N xdx dx
E x A x . (5.40)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.23
Exemplo 5.3
Uma barra cônica, como da figura abaixo, é feita de um material com módulo de
elasticidade E, constante em todos os pontos, e peso específico . Determinar o
deslocamento de sua extremidade, devido á ação da gravidade. A variação das seções
transversais é muito pequena.
Solução
a) Força normal interna:
Neste caso a carga aplicada varia linearmente com a coordenada medida ao
longo do eixo longitudinal da barra.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.24
A força peso ( )W y é calculada a seguir:
0 0r rxx y
y L L
O volume do cone de altura y é dado por
21( )
3V y x y .
Substituindo a expressão de x em função de y, escrevemos
2 230 0
2
1 1( ) ( )
3 3
r rV y y y V y y
L L
A força peso ( )W y é dada por
230
2( ) ( ) ( )
3
rW y V y W y y
L
Do equilíbrio do diagrama de corpo livre acima, escrevemos
230
2( ) ( ) ( )
3
rN y W y N y y
L
b) Deslocamento da extremidade livre:
Da equação (5.39), escrevemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.25
0
( )
( ) ( )
L N ydx
E y A y .
Com E é constante ,2
2 202
( )r
A y x yL
e 2
302
( )3
rN y y
L
na equação acima, obtemos
2 230
2 2 20 00
1 1
3 3
L Lr L yy dy dy
E L r y E
2
6
L
E
▲
5.4 BARRAS SOB EFEITO TÉRMICO
Como vimos na seção 4.6, uma variação de temperatura produz uma expansão ou
contração do sólido. No caso das barras a deformação que nos interessa é no sentido
longitudinal, ou seja, à deformação dada pela equação (5.1) acrescentamos a parcela
devido ao efeito térmico e escrevemos
xx T
E
. (5.41)
Da equação (5.41) observamos que
x xE T . (5.42)
A equação (5.41) nos dá a deformação específica longitudinal total, ou seja, uma
parcela devida à ação de forças (deformação mecânica) e uma parcela devida à
variação de temperatura (efeito térmico) e assim, definimos
xmec T T
E
. (5.43)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.26
Então, podemos escrever
x mec T . (5.44)
Consideremos agora o seguinte problema: seja uma barra reta conforme a figura
5.9, com uma extremidade fixa e a outra livre, sob efeito de uma variação de
temperatura T .
Figura 5.9 Alongamento de uma barra devido a efeito térmico.
Nesse caso, temos
0mec T T . (5.45)
A parcela de deformação mecânica é nula porque não tem nenhuma força atuando
sobre a barra, apenas uma variação de temperatura T . Portanto, de (5.44) temos
0x xT T . (5.46)
O alongamento da barra, ou o deslocamento da sua extremidade livre em
relação à fixa, é dado pela equação (5.3) e considerando a (5.45)
0 0
L L
x T Tdx Tdx TL . (5.47)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.27
Se substituirmos (5.46) em (5.42) obtemos
0x xE T T . (5.48)
Portanto, nesse caso, houve deformação da barra, mas sem o desenvolvimento de
tensão sobre os seus pontos.
Consideremos agora, a barra do problema anterior com as duas extremidades
fixas, conforme a figura 5.10, sujeita a uma variação de temperatura T .
Figura 5.10 Barra com as extremidades fixas e sob efeito térmico.
Da figura 5.10(a) vemos que os deslocamentos das extremidades da barras são nulos,
portanto, o seu alongamento longitudinal também será nulo. Assim, escrevemos
00 0
L
x xdx . (5.49)
Substituindo (5.49) em (5.42) obtemos
0x xE T E T . (5.50)
Então, nesse caso, ocorre o desenvolvimento de tensão normal de compressão nos
pontos da barra.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.28
Em geral, na literatura, essa tensão que se originou devido ao efeito térmico é
denominada de tensão térmica, mas esse termo não é apropriado, porque na verdade
ela ocorre devido à força de reação do vínculo que fixa as extremidades da barra.
Portanto, essa tensão é o resultado da ação de uma força (no caso uma reação de
apoio), o que é coerente com o conceito de tensão.
Poderíamos fazer o seguinte raciocínio com a barra da figura 5.10: imaginemos
que a extremidade A seja liberada para se deslocar. Então, devido ao efeito térmico
temos da equação (5.47)
T TL . (5.51)
Da figura 5.10(c) podemos imaginar que a reação de apoio AR produza um
deslocamento mec no sentido oposto ao de T a fim de manter o deslocamento
resultante em A nulo, pois esse é um suporte fixo. Assim, a partir da equação (5.24),
escrevemos
Amec
R L
EA . (5.52)
Como o deslocamento total é nulo, temos
0mec T mec T . (5.53)
Substituindo (5.51), (5.50) em (5.53), obtemos
A AR L RTL E T
EA A . (5.54)
Comparando (5.54) com (5.50), temos
Ax
RE T
A , (5.55)
O que nos mostra que a tensão normal x , de compressão nesse caso, é devido à
ação da força de reação do apoio, mas originada do efeito térmico.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.29
EXEMPLOS COMPLEMENTARES
Exemplo 5.4
Uma coluna de aço A-36 é usada para apoiar as cargas simétricas de dois pisos
de um edifício. Determinar o deslocamento vertical de seu topo A se 1 40P Kip ,
2 62P Kip e a coluna tem área de seção transversal de 223, 4 pol .
(1 Kip = 1000 lb)
.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.30
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.31
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.32
Exemplo 5.5
O eixo de bronze C86100 está submetido às cargas axiais mostradas.
Determinar o deslocamento da extremidade A em relação à extremidade C se os
diâmetros de cada segmentos são 0,75ABd pol , 2BCd pol e 0,5CDd pol .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.33
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.34
Exemplo 5.6
O conjunto consiste de uma haste CB de aço A-36 e de uma haste BA de
alumínio 6061-T6, cada uma com diâmetro de 1 pol. Determinar as cargas aplicadas 1P
e 2P se A desloca-se 0,08 pol para a direita e B desloca-se 0,02 pol para a esquerda
quando as cargas são aplicadas. Os comprimento de cada segmento sem alongamento
são mostrados na figura. Desprezar o tamanho das conexões em B e C e supor que
sejam rígidas.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.35
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.36
Exemplo 5.7
A treliça consiste de três elementos feitos de aço A-36 com área de seção
transversal de 20,75 pol . Determinar a maior carga P que pode ser aplicada de modo
que o apoio de rolete B não se desloque mais do que 0,03 pol.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.37
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.38
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.39
Exemplo 5.8
Resolver o exemplo 5.7 quando a carga P atua em C verticalmente para baixo.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.40
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.41
Exemplo 5.9
A coluna central B do conjunto tem comprimento original 124,7 mm, enquanto os
postes A e C têm comprimentos de 125 mm. Supondo que as tampas superior e inferior
sejam consideradas rígidas, determinar a tensão normal média em cada coluna. As
colunas são feitas de alumínio e têm área de seção transversal de 2400mm .
70alumE GPa .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.42
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.43
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.44
Exemplo 5.10
O suporte é preso à parede por três parafusos de aço A-36 em B, C e D. Cada
parafuso tem diâmetro de 0,5 pol e comprimento não deformado de 2 pol. Supondo que
seja aplicada uma força de 800 lb sobre o suporte como mostrado, determinar a
distância s que o topo do suporte se afasta da parede no parafuso D. Supor, também,
que o parafuso não sofra cisalhamento; ao contrário, a força vertical de 800 lb é
suportada pela extremidade A. Admitir, por fim, que a parede e o suporte sejam rígidos.
É mostrada uma deformação exagerada dos parafusos.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.45
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.46
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.47
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.48
Exemplo 5.11
Um cilindro tubular de aço circunda um cilindro maciço de cobre e a montagem
está sujeita a uma carga axial de 50000 lb como mostra a figura. A área da seção
transversal do cilindro de aço é 23 pol , enquanto à do cilindro de cobre é 210 pol .
Ambos cilindros tem o mesmo comprimento antes da cargas ser aplicada. Determine o
aumento de temperatura do sistema total necessário para colocara toda a carga
aplicada, sobre o cilindro de cobre. A placa no topo da montagem é rígida.
6 2 616 10 / 9,3 10 / ocobre cobreE lb pol F
6 2 630 10 / 6,5 10 / oaço açoE lb pol F
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.49
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.50
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.51
Exemplo 5.12
Uma barra é composta de uma série de tiras estreitas de um material e coladas
juntas de modo que no final resulta numa barra laminada com uma seção retangular.
Cada uma das tiras é de uma material linearmente elástico, mas o módulo de
elasticidade varia de tira para tira através da largura da barra de acordo com a função
0 1E E kx D . Uma placa rígida é fixada à extremidade livre e uma carga P é
aplicada como mostrado. Determine x tal que as seções transversais planas
permaneçam planas e perpendiculares ao eixo da barra conforme ela se alonga.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.52
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.53
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.54
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.55
Exemplo 5.13
O conjunto consiste em um elemento de alumínio 6061-T6 e um elemento de
latão C83400. O conjunto está sobre uma base rígida e sobre ele também existe uma
placa rígida para se aplicar a carga. Determinar a distância d em que a força P deve ser
colocada sobre a placa rígida no topo, de modo que essa placa permaneça horizontal
quando os materiais se deformarem. Cada elemento tem largura de 8 pol e eles não
estão unidos. 3 310,0 10 14,6 10al laE Ksi E Ksi
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.56
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 5.57
▲
REFERÊNCIAS
1. Crandall, S. H.; Dahl, N. C.; Lardner, T. J.; An Introduction to the Mechanics of
Solids, McGraw-Hill, NY, 2a. edição, 1972
2. Hibbeler, R. C., Resistência dos Materiais, Pearson Education do Brasil, SP, 5ª
edição, 2006
3. Timoshenko, S.P.; Gere, J.E.; Mecânica dos Sólidos,Livros Técnicos e
Científicos Editora, RJ, 1994
4. Wempner, G., Mechanics of Solids, PWS Publishing Company, Boston, MA, 1995
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.1
6
TORÇÃO DE BARRAS CIRCULARES
Neste capítulo estudaremos o problema de barras de seções circulares sujeitas a um
binário atuando em torno do seu eixo longitudinal. Esse momento de torção é também
denominado de torque, principalmente na engenharia mecânica.
A teoria que será desenvolvida para a análise desses elementos estruturais,
também conhecida como teoria de engenharia, será fortemente baseada na simetria da
barra em torno do seu eixo longitudinal. Essa simetria significa geométrica e de
propriedades do material em torno do eixo longitudinal da barra. A simetria de
propriedades mecânicas do material e de carregamento implica em simetria da
deformação. Desde que sejam observadas as limitações dessa teoria, os seus
resultados são muito precisos quando comparados com métodos mais avançados,
como da teoria da elasticidade e também com resultados experimentais.
O desenvolvimento a seguir será feito conforme os passos adotados no capítulo
5, ou seja, segundo os três aspectos fundamentais da Mecânica dos Sólidos. A ordem
de aplicação desses três passos, por uma questão didática, será também a mesma.
6.1 TORÇÃO UNIFORME DE BARRAS CIRCULARES PRISMÁTICAS Uma barra circular prismática é um elemento estrutural que possui um eixo longitudinal
reto e seção transversal circular constante ao longo do seu comprimento. A maior
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.2
dimensão da seção transversal é pequena comparada com o seu comprimento
longitudinal.
Consideremos uma barra com essas características, com uma extremidade fixa e
sujeita a um momento torçor aplicado na extremidade livre, conforme a figura 6.1.
Figura 6.1: (a) Barra prismática de seção circular sujeita a um torque T ; (b) diagrama de corpo livre de uma porção da barra à esquerda da seção de “corte” S
Do diagrama de corpo livre da figura 6.1(b), fica claro que o esforço interno
resultante em qualquer seção transversal S da barra é simplesmente o momento torçor
T T .
Os três aspectos fundamentais para estudos de problemas da Mecânica dos
Sólidos são aplicados a seguir:
Cinemática da deformação
Como o nosso estudo se refere a uma barra simétrica em relação ao seu eixo
longitudinal, essa simetria mais a simetria do carregamento e de propriedades do
material implicam em simetria na deformação.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.3
A característica significativa da deformação por torção é a rotação relativa das
seções transversais em torno do eixo do cilindro. Assumimos, portanto, as seguintes
hipóteses quando essa rotação ocorre:
(a) o eixo longitudinal da barra permanece reto;
(b) as seções transversais permanecem planas e normais ao eixo longitudinal;
(c) todos os raios numa seção transversal permanecem retos e giram do mesmo
ângulo em torno do eixo longitudinal.
Essas hipóteses são justificadas por argumentos geométricos baseados na
simetria da barra e da simetria do carregamento em torno do seu eixo longitudinal.
Temos dois tipos de simetria no problema em questão: uma simetria axial com
respeito ao eixo longitudinal da barra, em termos de geometria, material e
carregamento; outra simetria, com respeito a qualquer plano P longitudinal que passa
através do eixo da barra, em termos de geometria e material. Enquanto o carregamento
é simétrico em relação ao eixo longitudinal, ele é anti-simétrico em relação ao plano
longitudinal P, como podemos observar pela representação das forças de cisalhamento
desenvolvidas numa seção transversal devido à aplicação de um momento torsor em
torno do eixo longitudinal da barra, conforme mostrado na figura 6.2.
Figura 6.2 Plano de simetria P de uma barra de seção circular sujeita a um momento torsor T.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.4
Os deslocamentos longitudinais de dois pontos arbitrários, posicionados
simetricamente em relação ao plano P e a uma mesma distância do eixo longitudinal da
barra, são denominados de Au e Bu . Devido à simetria em torno do eixo longitudinal
temos A Bu u . Mas, a anti-simetria do carregamento em relação ao plano P implica em
A Bu u . Sendo assim, a única solução possível para essas duas exigências é
0A Bu u . Como A e B são pontos arbitrários da seção transversal, concluímos que o
deslocamento axial deve ser nulo para todos os pontos dessa seção. Assim, a seção
transversal permanece plana depois de deformada, ou seja, ela não empena.
Agora, vamos supor que os raios numa seção transversal se deformem como
linhas curvas e não retas, conforme a figura 6.3(a). Devido à simetria da barra e do
carregamento, os outros raios se deformarão como na figura 6.3(b).
Figura 6.3 Deformação hipotética dos raios numa seção transversal da barra.
Com essa hipótese, conforme ilustra a figura 6.4, a qual mostra a barra “seccionada” na
seção transversal S, o diâmetro AOH se deformará na linha curva A’OH’ e o diâmetro
BCJ se deformará na linha curva B’CJ’
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.5
Figura 6.4 Deformação hipotética dos diâmetros viola a compatibilidade geométrica numa seção transversal S da barra.
Se tomarmos a parte da barra abaixo da seção S, o diâmetro 1 1 1B C J , que antes
da deformação coincide com o diâmetro BCJ, se deformará como 1 1 1B C J , ou seja, do
mesmo modo que A’OH’. Porém, essa deformação violaria a compatibilidade
geométrica na seção transversal S, pois as curvaturas dos diâmetros têm sentidos
opostos e eles deveriam coincidir-se após a deformação.
Como a curvatura assumida para os diâmetros, após a deformação decorrente
da torção da barra, levou a uma contradição, vamos fazer uma outra tentativa, ou seja,
supor que o diâmetro BCJ assume a forma B’CJ’ mostrada na figura 6.5 (a)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.6
Figura 6.5 (a) Hipótese de curvatura oposta àquela da figura 6.3 para o diâmetro BCJ;(b) Elemento da barra girado de 180º em torno de XX. Essa deformação nos permitiria combinar as partes adjacentes da barra. Mas, esse
padrão de deformação nos levaria a uma outra contradição. Devido à simetria da barra
e do carregamento, se girarmos o elemento da figura 6.5(a) de 180º em torno do eixo
XX como ilustrado, obteremos o elemento da figura 6.5(b) o qual deveria apresentar na
sua seção transversal superior o mesmo padrão de deformação do elemento da figura
6.5(a). Mas, vemos que tal coisa não ocorre, portanto, a única possibilidade é de que os
diâmetros continuem retos após a deformação, conforme ilustrado na figura 6.6.
Figura 6.6 Padrão de deformação dos diâmetros da barra em torção coerente com a compatibilidade geométrica das seções transversais.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.7
Então, com base nas hipóteses fundamentais apresentadas, estudaremos a
deformação de uma barra prismática de seção circular, sujeita a um momento torçor
aplicado ao longo do seu eixo longitudinal.
Seja ( )x o ângulo que representa a rotação da seção transversal S localizada
numa distância x da extremidade fixa da barra, como mostra a figura 6.7. O ângulo ( )x
é medido em relação a uma referência: a extremidade fixa, nesse caso.
Figura 6.7 (a) Barra antes da torção; (b) Barra após a torção.
Considerando-se duas seções transversais vizinhas, separadas por uma
distância elementar x , medida ao longo do eixo longitudinal, devido à torção uma
estará rotacionada de um ângulo em relação à outra, como mostra a figura 6.8.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.8
Figura 6.8 (a) Antes da torção; (b) Após a torção.
Seja P um ponto na barra indeformada, definido pelas coordenadas polares
(x,r, ) , na figura 6.8(a). O segmento PR na direção e é perpendicular ao segmento
PQ na direção ˆxe , no ponto P. Após a deformação, o raio *NQ rotaciona mais do
que o raio *OP , onde *Q e *P são as novas posições dos pontos Q e P,
respectivamente. O ângulo entre os segmentos de reta PR e PQ, que era 2 radianos
antes da deformação, agora, depois da rotação, passa a ser * * *Q P R . Assim podemos
escrever, pela definição de deformação angular dada em (3.9) ou (3.10)
* * *
00
lim2x
xs
Q P R
. (6.1)
Da figura 6.8(b) temos que
* * * * * * *
0 0 00
lim lim lim2 x
x x xs
Q P M Q P R Q P M
. (6.2)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.9
A figura 6.9 nos auxilia a entender o que foi exposto acima.
Figura 6.9 Deformação de cisalhamento
Também da figura 6.8(b), para pequenas deformações angulares, podemos escrever
** *
*tan
MQ rQ P M
xMP
, (6.3)
onde r é o raio medido do centro N da seção até o ponto M ou Q*. Ainda, levando em
conta a hipótese de pequenas deformações angulares, escrevemos
* * * *tanr
Q P M Q P Mx
. (6.4)
Substituindo (6.4) em (6.2), escrevemos
* *
0 0lim limx x xx x
r dQ P M r
x dx
. (6.5)
Da equação (6.5) observamos que a deformação de cisalhamento em cada
seção transversal varia diretamente com a distância r do centro da seção ao ponto
considerado.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.10
Sob as condições prescritas de geometria e carregamento, as outras
componentes de deformações podem ser desprezadas.
Estática
Em vista do carregamento e da deformação por cisalhamento x , podemos
antecipar que o esforço interno atuando numa seção transversal S, o qual é um
momento T em torno do eixo longitudinal x, como na figura 6.1(b), é a resultante de
forças de cisalhamento distribuídas sobre a área da seção e a sua intensidade é dada
por
0lim x
x A
V
A
. (6.6)
A simetria em torno do eixo longitudinal requer que cada componente dependa apenas
do raio, ou seja, ( )x x r , conforme mostra a figura 6.10.
Figura 6.10 Forças de cisalhamento distribuídas sobre a seção S na coordenada x.
Como x independe do ângulo , a distribuição é simétrica em torno do eixo
longitudinal x. Para cada força de cisalhamento xV atuando numa área elementar A
existe uma outra diametralmente oposta, como num binário. Tal distribuição produz
somente um binário T sobre a seção, em torno do eixo x, ou seja, as componentes yV e
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.11
zV se anulam aos pares. O binário de torção resultante é dado pela integral, quando no
limite fazemos as áreas elementares A tenderem a zero
0 0lim limx x xA A
S
T r V r A T r dA
. (6.7)
O momento torçor é o esforço interno resultante atuando na seção transversal S.
Relações constitutivas
A descrição do comportamento resistivo do material da barra será feita supondo-
se que ele seja linearmente elástico e isotrópico. De acordo com descrição da
deformação, o único componente não nulo de tensão é x e pela equação (4.8)
podemos escrever
x xG . (6.8)
Substituindo (6.5) em (6.8) e o resultado em (6.7) obtemos
2
S
dT Gr dA
dx
. (6.9)
Como d dx independe de y e z, pois é uma função apenas de x , e dA rd dr em
coordenadas polares, escrevemos
23 3
0 0 0
2R Rd d
T Gr d dr T Gr drdx dx
. (6.10)
Como estamos considerando uma simetria das propriedades do material em
torno do eixo longitudinal da barra, o módulo de elasticidade em cisalhamento, G, na
integral da equação (6.10) é uma função do raio r e escreve-se ( )G G r .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.12
Então,a equação (6.10) é reescrita como
3
0
2 ( )Rd
T G r r drdx
. (6.11)
De (6.11) obtemos
3
0
2 ( )R
d T
dxG r r dr
.
(6.12)
Substituindo (6.12) na equação (6.5), escrevemos
3
0
2 ( )x R
d Trr
dxG r r dr
.
(6.13)
Como ( )x xG r (Lei de Hooke), obtemos
3
0
( )
2 ( )x R
G r Tr
G r r dr
.
(6.14)
Mas, se o material da barra for elástico linear, isotrópico e homogêneo, G é
constante em todos os pontos da seção transversal, então, a equação (6.11) pode ser
reescrita como
4 43
0
2 24 2
Rd R d R dT G r dr G T G
dx dx dx
. (6.15)
Definindo-se 4 2J R como o momento polar de inércia da área da seção
transversal S em relação ao eixo longitudinal x, escrevemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.13
dT GJ
dx
(6.16)
ou
d T
dx GJ
. (6.17)
A quantidade GJ é denominada rigidez torsional da barra. O momento torçor T é
o esforço interno resultante atuando sobre a seção de “corte “ S . Então, a partir da
equação (6.14), escrevemos
4 4
24 2
x
GTr Tr Tr
R R JG
. (6.18)
Da equação (6.18) observamos que para o material isotrópico e homogêneo G é
constante e como J é constante para cada seção transversal, então a tensão de
cisalhamento atuante numa seção transversal da barra é função da distância r do ponto
ao seu eixo longitudinal e do momento torçor atuante nessa seção, conforme mostra a
figura 6.11.
Observamos que a equação (6.18) que nos dá a tensão de cisalhamento
resultante da torção da barra é semelhante à equação (7.28) para a tensão normal
resultante da flexão da uma barra.
Figura 6.11 (a) Destaque mostrando a tensão de cisalhamento; (b) Variação da tensão de cisalhamento na seção transversal ao longo do raio.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.14
A deformação geral do cilindro é descrita pela rotação de uma extremidade em
relação à outra. Da equação (6.17) obtemos o ângulo total de torção da extremidade
livre (x=L) da barra em relação à sua extremidade fixa (x=0), e escrevemos
d T d Td dx dx
dx GJ dx GJ
.
0
00 0 00
L LT Td dx dx
GJ GJ
. (6.19)
Se GJ for constante e T T (momento torçor aplicado na barra), então, a partir de
(6.19), escrevemos
0
TL
GJ (radianos). (6.20)
A equação (6.18) se aplica para todas as seções transversais da barra, inclusive
as seções das extremidades. A menos que a aplicação do carregamento seja conforme
a distribuição apresentada na figura 6.11, ou seja, de acordo com a equação (6.18), nós
teremos dificuldade de determinar a distribuição correta das tensões nessas seções.
Mas, pelo princípio de Saint-Venant, apresentado na seção 5.1, podemos considerar
essas equações para determinar a distribuição de tensões nas seções transversais e a
equações (6.19) e (6.20) nos dão bons resultados para a deformação global da barra.
Pelas observações experimentais, em seções transversais distantes de uma a duas
vezes o diâmetro da barra da aplicação do momento torçor, esse princípio se aplica.
Se os torques nas extremidades são aplicados conforme a equação (6.18), então
essa equação e a equação (6.20) dão os mesmos resultados que teorias mais
elaboradas e a hipótese de que todas as outras componentes de deformação e de
tensões são nulas também é satisfeita.
Para barras de seções não circulares, as hipóteses sobre a deformação não são
válidas, em particular, as seções não circulares não permanecem planas após a
deformação.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.15
Exemplo 6.1
O eixo maciço de material linear elástico, isotrópico e homogêneo, de raio c é
submetido ao torque T, conforme a figura abaixo. Determinar a fração de T que é
resistida pelo material contido na região com raio interno c/2 e raio externo c.
Solução
A tensão de cisalhamento varia linearmente com o raio r, conforme a equação (6.18)
maxr
Tr Tc
J J (a)
Assim, escrevemos
max
max
rr
r r
c c
(b)
A parcela de contribuição no torque total da força de cisalhamento atuante sobre
uma área elementar A , conforme as figuras abaixo, é dada por
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.16
2
r rdT r dA r d dr (c)
A fração de torque que nos interessa é aquela que atua na região entre 2r c e r c ,
ou seja, a área hachurada na figura acima.
Essa parcela do torque é dada por
2
2 2
max0 2 2
2c c
r rS c c
rT r dA r drd r dr
c
4 44 3max
max max2
2 2 1 15
4 4 16 32
c
c
r cc T c
c c
(d)
Como 4 4
2 2
R cJ
, podemos escrever
4 3max
2
2
Tc Tc T
J c c
(e)
Substituindo (e) em (d), escrevemos
33
15 2 15
32 16
TT c T T
c
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.17
Então, 94%T T , ou seja, apenas 6% do torque total é suportado pelo núcleo
de raio 0 2r c da barra. Portanto, o material localizado na região definida por
2c r c é altamente efetivo para suportar o torque aplicado na barra. Podemos,
assim, usar eixos tubulares no lugar de eixos sólidos e economizar muito material e
aliviar o peso da estrutura. ▲
6.2 TORÇÃO UNIFORME DE BARRAS TUBULARES DE SEÇÃO
CIRCULAR
Todas as hipóteses sobre a deformação, baseadas na simetria em torno do eixo
longitudinal, estabelecidas na seção anterior são válidas. A seção transversal da barra
é conforme a figura 6.12.
Figura 6.12 Seção típica de uma barra tubular de seção circular.
A equação (6.15) deve ser reescrita
4 4 4 4
32 24 2
R
a
R a R ad d dT G r dr G T G
dx dx dx
. (6.21)
Nesse caso,
4 4
2
R aJ
(6.22)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.18
é o momento polar de inércia da área da seção transversal.
Todas as equações obtidas anteriormente se aplicam, mas com o cuidado de se
calcular corretamente o momento polar da seção conforme a equação (6.22).
A figura 6.13 apresenta uma ilustração da distribuição da tensão de cisalhamento
na seção transversal.
Figura 6.13 Distribuição da tensão de cisalhamento na seção de uma barra tubular de seção circular sob torção. Exemplo 6.2 O tubo mostrado na figura abaixo tem diâmetro interno de 80 mm e diâmetro
externo de 100 mm. Supondo sua extremidade seja apertada contra o apoio A por meio
de um torquímetro em B, determinar a tensão de cisalhamento desenvolvida no tubo
nas paredes interna e externa ao longo da parte central do tubo, quando são aplicadas
forças de 80 N ao torquímetro.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.19
Solução
Diagrama de corpo livre do eixo:
Se “cortarmos” o eixo numa seção S, temos os seguintes diagramas de corpo livre
Do equilíbrio, escrevemos
0 40 .xM T T N m
Momento polar de inércia da área da seção transversal:
2 24 4
6 40,100 2 0,080 2
5,80 102 2
R aJ J m
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.20
Tensão de cisalhamento:
6
40 0,100 20,345
5,80 10R R
TRMPa
J
6
40 0,080 20, 276
5,80 10a a
TaMPa
J
A figura seguir mostra esses resultados.
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.21
6.3 TORÇÃO DE BARRAS COM SEÇÕES CIRCULARES VARIANDO
CONTINUAMENTE AO LONGO DO SEU COMPRIMENTO
Os mesmos argumentos geométricos considerados nas seções anteriores, baseados
na simetria das seções em torno do eixo longitudinal da barra, se aplicam também
para a s barras com seções circulares variando continua e suavemente ao longo do
eixo x. Portanto, todas as equações obtidas anteriormente se aplicam aqui, mas
considerando que o momento polar da seção transversal seja uma função da
coordenada x.
A fim de generalizarmos um pouco mais, vamos considerar também que o
carregamento é devido à aplicação de torque nas extremidades e torques distribuídos
ao longo da barra, conforme ilustra a figura 6.14.
Figura 6.14 Barra de seções circulares variando ao longo do eixo x e com torque aplicados, distribuídos ao longo do seu comprimento.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.22
Da condição de equilíbrio de porções da barra, através de diagramas de corpo
livre adequados, determinamos o momento torçor interno, ( )T x , atuando sobre cada
seção de “corte” S, como uma função da coordenada x.
As equações obtidas nas seções anteriores são válidas aqui também nesse
problema, mas reescritas da seguinte maneira (para material linear elástico, isotrópico e
homogêneo):
( )
( )x
T x r
J x (6.23)
e
0
( )
( )
L T xdx
GJ x . (6.24)
No caso de barras com seções circulares constantes por trechos e torques
aplicados também constantes por trechos, o ângulo de torção total da barra é a soma
algébrica dos ângulos de torção obtidos em cada trecho da barra separadamente,
considerando-se o momento torçor interno atuando nas seções transversais daquele
trecho da barra. A figura 6.15 apresenta um exemplo dessa situação.
Figura 6.15 Exemplo de barra com seções circulares constantes por trecho e torque concentrados aplicados ao longo do comprimento da barra.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.23
Nesses casos deve-se, primeiramente, determinar o momento torçor interno
atuando nas seções transversais de cada trecho da barra, considerando-se o equilíbrio
do diagrama de corpo livre adequado e depois, adotar uma convenção de sinal para o
cálculo do ângulo de torção de cada trecho da barra ao se utilizar a equação adequada.
O ângulo de torção total da barra será a soma algébrica de cada ângulo de torção
obtido para cada trecho da barra, ou seja,
1 1
n ni i
ii i
T L
G J . (6.25)
Exemplo 6.3
O eixo de aço maciço mostrado na figura tem diâmetro de 20 mm. Se for submetido aos
dois torques, quais serão as reações nos apoios fixo A e B?
Solução
Diagrama de corpo livre do eixo:
Do equilíbrio, escrevemos para o diagrama de corpo livre a seguir:
0 800 500 0x B AM T T (a)
O problema é hiperestático porque o número de reações é maior que o número de
equações de equilíbrio.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.24
Entre BC:
0 0x BC B BC BM T T T T (b)
Entre CD:
0 800 0 800x B CD CD BM T T T T (c)
Então, da equação (a), a equação (c) escreve-se
800 500CD B AT T T (d)
Entre DA:
0 500 800 0x AD BM T T (e)
Substituindo (a) em (e), escrevemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.25
500 500 0AD A AD AT T T T (f)
Ângulo de torção:
Como as extremidades são fixas, o ângulo de torção de uma extremidade em relação à
outra é nulo, ou seja,
/ / / / /0 0A B A B A D D C C B (g)
Aplicando-se a equação (6.20) para cada trecho da barra, e como os torques são
constantes em cada trecho, escrevemos
i ii
i
T L
GJ
/ / /
0,3 1,5 0, 2AD CD BCA D D C C B
T T T
GJ GJ GJ .
Substituindo em (g), obtemos
/
0,3 1,5 0, 20AD CD BC
A B
T T T
GJ GJ GJ .
Com os valores encontrados para os torques nas equações (b) – (f) reescrevemos a
equação acima
/
0,3 500 1,5 0, 20 1,8 0,2 750A A B
A B A B
T T TT T
GJ GJ GJ
(h)
Das equações (a) e (h) obtemos a seguinte solução
345 .AT N m 645 .BT N m
O sinal (-) significa apenas que o torque de reação no ponto A atua no sentido oposto
ao que foi arbitrado no diagrama de corpo livre. ▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.26
EXEMPLOS COMPLEMENTARES
Exemplo 6.4
Um eixo é feito de liga de aço com tensão de cisalhamento admissível de
12adm Ksi . Supondo que o diâmetro do eixo seja de 1,5 pol, determinar o torque
máximo T que pode ser transmitido. Qual seria o torque máximo T’ se fosse feito um
furo de 1 pol de diâmetro ao longo do eixo? Traçar o gráfico da distribuição de tensão
de cisalhamento ao longo de uma reta radial em cada caso.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.27
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.28
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.29
Exemplo 6.5
O eixo maciço de raio r está submetido a um torque T. Determinar o raio r’ do
núcleo interno capaz de resistir a um quarto do torque aplicado (T/4).
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.30
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.31
Exemplo 6.6
O eixo tem diâmetro externo de 1,25 pol e diâmetro interno de 1 pol. Supondo
que seja submetido a torques como mostrado, determinar a tensão de cisalhamento
máxima absoluta ne desenvolvida. Os mancais A e B não oferecem resistência a
torque.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.32
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.33
Exemplo 6.7
O eixo maciço de 30 mm de diâmetro é usado para transmitir os torques
aplicados às engrenagens. Determinar a tensão de cisalhamento desenvolvida nos
pontos C e D do eixo.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.34
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.35
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.36
Exemplo 6.8
O conjunto de aço A-36 ( 611 10G psi ) consiste de um tubo com raio externo
de 1 pol e espessura de parede de 0,125 pol. Por meio de uma chapa rígida em B, ele é
acoplado ao eixo maciço AB de 1 pol de diâmetro. Determinar a rotação da extremidade
C do tubo se um torque de 200 lb.pol for aplicado nessa extremidade. A extremidade A
do eixo tem apoio fixo.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.37
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.38
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.39
Exemplo 6.9
O tubo de vidro está embutido em um batoque de borracha, de modo que,
quando o tubo gira com velocidade angular constante, o batoque cria uma distribuição
constante de torque pro atrito ao longo do comprimento de contato AB do tubo.
Supondo que o tubo tenha diâmetro interno de 2 mm e diâmetro externo de 4 mm,
determinar a tensão de cisalhamento desenvolvida em um ponto qualquer de suas
paredes interna e externa em uma seção no nível C. Mostrar a distribuição de tensão
de cisalhamento que atua ao longo de um segmento de reta radial nessa seção.
Determinar também o ângulo de torção em A relativo a B.
10vidroG GPa
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.40
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.41
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.42
Exemplo 6.10
O tubo de bronze C86100 tem diâmetro externo de 1,5 pol e a sua parede,
espessura de 0,125 pol. A conexão em C é apertada com uma chave. Se o torque
desenvolvido em A for de 125 lb.pol, qual será a intensidade da força F do conjugado
(binário)? O tubo está engastado nas extremidades A e B.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.43
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 6.44
REFERÊNCIAS
1. Crandall, S. H.; Dahl, N. C.; Lardner, T. J.; An Introduction to the Mechanics of
Solids, McGraw-Hill, NY, 2a. edição, 1972
2. Hibbeler, R. C., Resistência dos Materiais, Pearson Education do Brasil, SP, 5ª
edição, 2006
3. Timoshenko, S.P.; Gere, J.E.; Mecânica dos Sólidos,Livros Técnicos e
Científicos Editora, RJ, 1994
4. Wempner, G., Mechanics of Solids, PWS Publishing Company, Boston, MA, 1995
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.1
7
FLEXÃO DE VIGAS
TEORIA CLÁSSICA (EULER-BERNOULLI)
Neste capítulo apresentaremos o desenvolvimento de uma teoria, denominada de
Teoria Clássica de Flexão de Vigas ou Teoria de Flexão de Vigas Euler-Bernoulli. Uma
viga é um elemento estrutural em forma de barra, com o seu comprimento no mínimo
três ou quatro vezes maior que as outras duas dimensões e sujeita a um carregamento
transversal, o qual produz sobre essa barra uma deformação denominada de flexão.
A teoria de Euler-Bernoulli para a flexão de vigas se aplica, com resultados
excelentes, aos problemas de vigas delgadas ou longas, ou seja, vigas cujo
comprimento longitudinal é no mínimo dez vezes maior que a sua maior dimensão
transversal. Essa restrição geométrica é importante, porque nos casos mais gerais de
carregamento, onde estão presentes as forças de cisalhamento transversal, observa-se
que os deslocamentos de uma viga longa, decorrentes da flexão são muito maiores do
que os deslocamentos devido ao cisalhamento, sendo que esses últimos podem ser,
portanto, desprezados.
Por questões didáticas, inicialmente os problemas de flexão de vigas tratados
neste capítulo se restringirão às vigas prismáticas cujas propriedades de material e
geométricas são simétricas em relação a um plano longitudinal. Também, para que o
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.2
carregamento resulte apenas em flexão da viga, as cargas aplicadas (forças
transversais e momentos fletores) serão consideradas atuando apenas nesse plano de
simetria longitudinal. Desse modo, observamos que o sistema de forças internas
resultantes em qualquer seção transversal da viga consiste em apenas uma força de
cisalhamento e um momento fletor, conforme ilustrado na figura 7.1. Nesse caso o
plano de simetria longitudinal é o plano xy.
Figura 7.1 Viga sob carregamento atuando num plano de simetria longitudinal.
Da figura 7.1 observa-se que as únicas componentes do sistema resultante de forças
internas são zM e yV .
O desenvolvimento a seguir será feito conforme os passos adotados nos
capítulos 5 e 6, ou seja, segundo os três aspectos fundamentais da Mecânica dos
Sólidos. A ordem de aplicação desses três passos, por uma questão didática, será
também a mesma.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.3
7.1 FLEXÃO PURA Vamos iniciar os nossos estudos considerando uma situação especial de carregamento.
A viga está sujeita apenas a um momento fletor, o qual atua no seu plano de simetria
longitudinal. Por exemplo, seja a viga da figura 7.2, onde o momento fletor aplicado na
extremidade livre atua no plano xy, o qual é de simetria longitudinal. O eixo x é paralelo
ao eixo longitudinal da viga.
Figura 7.2 Viga em flexão pura
Se “cortarmos” a viga na seção transversal S situada na posição x do sistema de
coordenadas e considerarmos o equilíbrio do diagrama de corpo livre da porção à
direita da seção S conforme a figura 7.3, concluímos que a única componente não nula
do sistema resultante de forças internas sobre S é o momento fletor zM .
Figura 7.3 Diagrama de corpo livre da porção da viga à direita de S.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.4
Cinemática da deformação
A restrição de que o carregamento aplicado atue segundo um plano de simetria
longitudinal da viga, nos permite estudar apenas os efeitos da flexão sem a combinação
com efeitos de torção.
As restrições geométricas discutidas para as barras sob cargas axiais são
também válidas para as vigas. Além disso, as seguintes hipóteses devem também ser
consideradas:
a) A seção transversal da viga tem um plano longitudinal de simetria geométrica e
de propriedades do material.
b) A resultante das cargas aplicadas transversalmente se situa no plano longitudinal
de simetria.
c) As seções planas originalmente perpendiculares ao eixo longitudinal da viga
permanecem planas e perpendiculares ao eixo longitudinal após a flexão. Essa
hipótese é denominada hipótese de Bernoulli.
d) Na viga deformada, os planos das seções transversais têm uma interseção
comum, isto é, qualquer linha originalmente paralela ao eixo longitudinal da viga
se torna um arco de circunferência. Veja a figura 7.4.
Devido ao carregamento ser simétrico, com relação ao plano de simetria
longitudinal, a viga deformada continua simétrica com respeito ao plano longitudinal de
simetria.
Considerando-se o sentido do momento fletor indicado nas figuras 7.3 e 7.4, o
seu efeito sobre a viga é o de comprimir as “fibras” da sua parte superior e alongar as
“fibras” da sua parte inferior. Isso sugere que alguma “fibra” axial no plano de simetria
longitudinal não sofra nenhuma compressão ou alongamento, mas apenas se deforma
numa curva nesse plano, a qual segundo a hipótese (d) seria um arco de
circunferência.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.5
Figura 7.4 (a) Viga indeformada; (b) Viga em flexão pura.
Assim, devido à simetria geométrica e de propriedades do material das seções
transversais em relação ao plano longitudinal de simetria, as “fibras”, originalmente
paralelas ao eixo longitudinal e simétricas em relação a esse plano, devem deformar-se
do mesmo modo. Portanto, deve existir uma superfície perpendicular ao plano de
simetria que contenha as fibras longitudinais que não sofrem nenhum alongamento ou
contração durante a flexão. Essa superfície é denominada de superfície neutra e a sua
interseção com o plano longitudinal de simetria é denominada de linha neutra (ou linha
elástica), a qual, originalmente, era uma linha reta paralela ao eixo longitudinal e
situada no plano longitudinal de simetria, conforme mostra a figura 7.5.
Figura 7.5 Superfície neutra, linha neutra e eixo neutro de uma viga em flexão.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.6
O eixo neutro é o lugar geométrico dos pontos da seção transversal com
deformação longitudinal x nula. Na figura 7.5 o eixo x do sistema de coordenadas foi
colocado ao longo da linha neutra da viga. Nós ainda não conhecemos ainda a posição
desse eixo na seção transversal da viga.
Consideremos a viga da figura 7.6 para estudarmos a deformação normal de um
segmento de reta PQ, situado no plano longitudinal de simetria.
Figura 7.6 Elemento linear PQ no plano longitudinal de simetria.
O ponto P está situado na seção transversal S localizada numa distância x da
extremidade esquerda e o ponto Q na seção vizinha 1S localizada na posição x x . A
fatia da viga entre essas seções transversais é mostrada antes e após a flexão, na
figura 7.7.
Figura 7.7 (a) Fatia entre as seções 1,S S antes da flexão; (b) Fatia entre as seções
1,S S após a flexão.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.7
Na figura 7.7(a) a coordenada y é a distância inicial dos pontos P e Q em
relação à linha neutra x. Após a deformação, figura 7.7(b), essa distância se torna y*.
Da definição de deformação normal podemos escrever
* (1 )yy y , (7.1)
onde y é a deformação normal média de y entre as seções transversais separadas
pela distância x .
O ponto O na figura 7.7(b) é o centro de curvatura da linha neutra x no ponto A*
e é o raio de curvatura em A*.
Como AB se situa na linha neutra, o seu comprimento não se altera após a
flexão da viga. Assim, escrevemos
* *PQ AB A B x . (7.2)
Mas, o comprimento deformado da “fibra” P*Q* é dado por
* * ( *)P Q y . (7.3)
Da definição de deformação específica, podemos escrever
* *( ) limx
Q P
P Q PQP
PQ
. (7.4)
Porém, quando Q P , 0 e considerando-se (7.3), a equação (7.4) pode ser
reescrita como
0
( *) *( ) lim ( )x x
y yP P
. (7.5)
Substituindo (7.1) em (7.5) obtemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.8
(1 )( ) y
x
yP
. (7.6)
Mas, considerando-se pequenas deformações, y << 1, o que ocorre na maioria dos
problemas de engenharia de estruturas, a equação (7.6) reescreve-se
1 1 ( )y x
yP
, (7.7)
onde y é medido a partir do eixo neutro.
A equação (7.7) é o resultado básico da análise cinemática da deformação da
viga em flexão pura considerando-se pequenas deformações. Ela é totalmente baseada
nas hipóteses (c) e (d) e, apesar de ter sido deduzida para uma “fibra” situada no plano
longitudinal de simetria, é válida para todas as “fibras” longitudinais da viga, devido à
simetria da geometria e das propriedades do material em cada seção transversal da
viga em relação ao plano longitudinal de simetria e ao carregamento (momento fletor)
atuante nesse plano. Ela se aplica a qualquer material.
Além disso, devido à hipótese de que as seções transversais permanecem
planas e perpendiculares ao eixo longitudinal da viga e devido ao carregamento
aplicado, podemos escrever
0xy xz , (7.8)
para todos os pontos numa seção transversal da viga.
Estática
Devido ao carregamento e à deformação descrita acima, podemos prever que o
momento fletor em cada seção transversal é o resultado de forças normais internas
atuando sobre a seção como na figura 7.8.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.9
Figura 7.8 Componentes do sistema de forças internas numa seção transversal da viga. Como no nosso problema a viga está sujeita a um momento fletor constante
(flexão pura) atuando no plano longitudinal de simetria xy, a única componente não nula
do sistema de forças internas numa seção transversal é o momento fletor, o qual, por
considerações de equilíbrio é igual ao momento aplicado. Assim, podemos escrever
xF A (7.9)
* *z xM y F y A . (7.10)
Somando-se essas parcelas sobre toda a área A da seção transversal e tomando-se o
limite com 0A podemos escrever para a condição de equilíbrio
0x
S
F dA (7.11)
*z x
S
M y dA . (7.12)
Com o mesmo argumento usado para escrever a equação (7.7),
1 * (1 )y yy y y , a equação (7.12) reescreve-se
z x
S
M y dA . (7.13)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.10
Aqui, novamente consideramos a hipótese fundamental que a deformação da
seção transversal é tão pequena que podemos considerar as coordenadas
indeformadas para localizar os pontos na seção transversal da viga deformada, isto é,
embora a tensão deva ser acompanhada da deformação, assumimos que para o
propósito de se escrever as equações de equilíbrio nós podemos associar a tensão
num ponto com a posição daquele ponto na viga indeformada.
As equações (7.11) e (7.13) são resultados básicos que independem do material
da viga.
Relações constitutivas
Suponha que a viga seja feita de material elástico linear e isotrópico e cujas
propriedades sejam simétricas em relação ao plano longitudinal de simetria, como já
havíamos estabelecido pela hipótese (a). Então, a partir da equação (4.30) escrevemos
1( )x x y zE
(7.14)
1( )y y x zE
(7.15)
1( )z z x yE
(7.16)
Da cinemática das deformações apenas as deformações , ,x xy xz foram
descritas explicitamente pelas equações (7.7) e (7.8). Quanto às tensões, apenas a
componente normal x foi antecipada. Portanto precisamos de algumas hipóteses
adicionais.
A ausência de qualquer tensão sobre as superfícies laterais da viga sugere que
as tensões y , z e yz permaneçam nulas ou podem ser consideradas desprezíveis
através do interior da viga, principalmente para uma viga delgada, conforme ilustrado
na figura 7.9.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.11
Então, das equações acima podemos escrever
10y z x xE
(7.17)
0 xy z y z x E
. (7.18)
Na realidade, na teoria clássica de flexão de viga as deformações y e z são
consideradas nulas, ou seja, a seção transversal é considerada rígida.
Das equações (4.31) e (7.8), escrevemos
00
0xy xy
xy xzxz xz
G
G
, (7.19)
O que está coerente com o fato de que as forças cortantes nas seções transversais da
viga são nulas no caso de flexão pura.
Figura 7.9 Componentes de tensões y , z e yz .
Substituindo-se a equação (7.7) em (7.17)
1x x x
y yE
E
. (7.20)
Com o resultado (7.20) nas equações (7.11) e (7.13), obtemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.12
10 0
S S
yF EdA F EydA
(7.21)
21z z
S S
yM y E dA M Ey dA
. (7.22)
A partir da equação (7.22) escrevemos
2
1 z
S
M
Ey dA
. (7.23)
Substituindo (7.23) em (7.20) obtemos
2 2
1 z zx x
S S
M EME y E y y
Ey dA Ey dA
. (7.24)
As equações (7.23) e (7.24) nos dão a curvatura e as tensões normais de flexão,
respectivamente, para uma viga de material elástico linear isotrópico.
Se o material, além de ser linear elástico e isotrópico for homogêneo, então o
módulo de elasticidade E é constante em todos os pontos da área S da seção
transversal da viga e, da equação (7.21) podemos escrever
0 0S S
EF ydA ydA
,
ou seja, a coordenada y deve ser medida a partir do centróide da seção transversal.
Portanto, o eixo neutro de cada seção transversal, representado pelo eixo z, passa pelo
seu centróide e a linha neutra, representada pelo eixo x, passa pelos centróides de
cada seção transversal da viga, conforme ilustrado na figura 7.10.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.13
Figura 7.10 Posição do eixo neutro na seção transversal de uma viga de material elástico linear isotrópico e homogêneo. Se o material não for homogêneo mas se a função ( , )E E y z for par e a viga for
simétrica em relação ao plano xz, a integral de (7.21) também será nula para y medido
a partir do centróide da seção transversal. Portanto, também nesses casos o eixo
neutro passa pelo centróide da seção transversal da viga. Na verdade, a função E
constante é um caso particular de função par das coordenadas y e z.
Deve ser observado que, para vigas compostas de mais de um material elástico
linear ou de materiais elásticos lineares não homogêneos, o eixo neutro pode ainda ser
localizado considerando-se as equações (7.21) e (7.22) e fazendo-se
0( , ) ( ,0) 0x xzy z y
, mas em geral em tais casos ele não passará através do
centróide da seção transversal da viga. Ainda, considerando-se o material da viga linear
elástico e isotrópico e homogêneo, da equação (7.23) podemos escrever
2 2
1 z z
S S
M M
Ey dA E y dA
. (7.25)
Definindo-se a integral como
2z
S
I y dA , (7.26)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.14
a qual é denominada de momento de inércia de área da seção transversal em relação
ao eixo z, o qual no caso passa pelo centróide da seção. Veja o Apêndice B.
Com a definição (7.26), a equação (7.25) escreve-se
1 z
z
Mk
EI , (7.27)
onde k é a curvatura da linha neutra e EI é o coeficiente de rigidez à flexão da viga. Da
equação (7.27) observa-se que quanto maior for esse coeficiente, menor será a
curvatura da viga para um mesmo momento fletor zM .
Assim, as equações (7.7) e (7.24) escrevem-se, para o material elástico linear
isotrópico e homogêneo
1 z
x xz
My y
EI
z zx x
z z
EM My y
EI I , (7.28)
Onde a segunda equação é um caso particular da equação (2.88). A distribuição da
tensão x é ilustrada na figura 7.11
Figura 7.11 Distribuição da tensão x sobre as duas seções transversais 1,S S da
figura 7.6.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.15
As distribuições de deformações e de tensões das equações (7.28) se aplicam à
todas seções transversais da viga em flexão pura de material elástico linear isotrópico e
homogêneo. A figura 7.12 ilustra essas distribuições.
Figura 7.12 (a) Distribuição da deformação x ; (b) Distribuição da tensão de flexão x .
Em particular, essas distribuições de tensões e deformações incluem as faces
onde o momento é aplicado e onde a viga é suportada. Felizmente, o Princípio de
Saint-Venant nos permite usar esses resultados em regiões suficientemente afastadas
(observa-se na prática que essa distância pode ser igual à altura da viga) daquelas
onde as reações ou o momento são aplicados, o que para as vigas longas não é um
problema. Porém, se os momentos fletores nas extremidades são aplicados de acordo
com a equação (7.28), os resultados obtidos aqui são os mesmos obtidos a partir de
teorias mais elaboradas.
Exemplo 7.1
Uma viga de aço com 1 pol de largura e 3 pol de altura é apoiada nos suportes A
e B, conforme a figura. Obter a máxima tensão de flexão no meio do vão da viga
quando ela é carregada com as forças de 1000 lb aplicadas nas suas extremidades.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.16
Solução
Como o material é elástico linear isotrópico e homogêneo, o eixo neutro de cada
seção transversal passa pelo seu centróide.
Momento de inércia da seção transversal
O momento de inércia de área da seção transversal dessa viga, em relação ao eixo
neutro é dado por
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.17
3/ 2 32 2 4
3/ 2
11 1 3 2, 25
12z z z
S
I y dA y dy I I pol
Momento fletor
0 0x AF H (a)
0 2000y A BF R R (b)
0 1000 12 60 1000 72 0 1000A B BM R R lb
Substituindo na equação (b) obtemos
1000 2000 1000A AR R lb
Os esforços internos são obtidos conforme a seguir.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.18
a) 0 12x :
0 1000 0 1000yF V V lb
0 1000 0 1000C zM M x M x
b) 12 72x :
0 1000 1000 0 0yF V V
0 1000 1000 12 0 12000 .C zM M x x M lb pol
c) 72 84x :
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.19
0 1000 1000 1000 0 1000yF V V lb
0 1000 1000 12 1000 72 0 1000 84000C zM M x x x M x
Tensão de flexão máxima
A partir da equação (7.28), escrevemos
2maxmax max
12000 3 28000 /
2, 25x xz
Mylb pol
I
2minmin min
12000 3 28000 /
2, 25x xz
Mylb pol
I
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.20
A figura a seguir ilustra a distribuição da tensão normal numa seção transversal da viga
no trecho 12 72x (entre os apoios).
▲
Exemplo 7.2
Uma viga é construída colando-se lâminas muito finas de materiais elásticos
lineares e isotrópicos de modo que o módulo de elasticidade do conjunto varia
conforme a expressão
0 1y
E Eh
e os eixos de coordenada são posicionados de acordo com a figura a seguir.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.21
Determinar a posição do eixo neutro, a distribuição da deformação normal x e da
tensão de flexão x , considerando que a viga está sujeita a uma flexão pura, com o
momento fletor igual a M.
Solução
A origem do sistema de coordenadas na seção transversal foi colocada
arbitrariamente na face inferior da mesma, conforme ilustrado na figura, de modo que
na lâmina inferior o módulo de elasticidade é igual a 0E .
Como a viga está sujeita a uma flexão pura com um momento fletor constante
igual a M, a deformação normal na direção longitudinal varia linearmente com a
coordenada y, mas a posição do eixo neutro, onde essa deformação é nula não é
conhecida a priori, pois o material não é homogêneo. Então, escrevemos, a partir da
equação (7.7) e da figura abaixo
0y y y (onde y é medido a partir do eixo neutro z )
0 0x
y y yy y
Definindo 00
y
, escrevemos
0x
y
,
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.22
de modo que nos pontos com 0y , ou seja, na lâmina inferior da viga, a deformação
longitudinal seja 0 . Observe que para 0y y a deformação 0x .
A partir das equações de equilíbrio, escrevemos para a viga em flexão pura
0x
S
F dA (a)
x
S
M y dA . (b)
O momento fletor dado pela equação (b) é o mesmo que obteríamos escrevendo
em relação ao eixo neutro, como a seguir:
0 0x x x x
S S S S
M y dA y y dA y dA y dA
0 0 0x x x
S S S
y dA y dA y dA y
x x
S S
M y dA y dA ,
pois ele é um binário (a resultante F é nula).
A partir da equação (7.17), escrevemos
0 01x x x
y yE E
h
.
Substituindo nas equações (a) e (b) acima e levando em conta que
dA wdy ,
escrevemos
0 0 0 001 1 0
h
S
y y y yF E dA E wdy
h h
0 0 0 001 1
h
S
y y y yM yE dA yE wdy
h h
.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.23
Resolvendo as integrais acima, obtemos o seguinte sistema de equações com as
incógnitas 0 e h :
0
3 50
2 6
hh h
(c)
2 20
0
5 7
6 12
h Mh h
E w
(d)
Posição do eixo neutro:
A partir da equação (c) escrevemos
0
0
0
5( )
93 50
1 92 6( )
5
he
hh h
fh
Para obtermos a posição do eixo neutro fazemos 0( ) 0x y , onde 0y é a coordenada y
do ponto onde passa esse eixo. Como esse ponto está no plano xy, longitudinal de
simetria, a sua coordenada z é nula. Então, escrevemos
00 0 0 0( ) 0x
yy y
Substituindo (e) na equação acima, escrevemos
0 0
5 5
9 9
hy y h
(posição do eixo neutro)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.24
Deformação e tensão normais:
Multiplicando-se (c) por 7 2 h e somando-se com (d) multiplicada por 5 obtemos
2 20
2 20
0
20 0 2
0 0
21 350
4 12
25 35 5
6 12
126 100 5 60
24 13
hh h
h Mh h
E w
M Mh
E w E wh
Com (f) escrevemos
0 0 0 0
9 91
5 5x x
yy y y y
h h
Ou, substituindo o resultado anterior na equação acima
0 20
9 60 91 1
5 13 5x x
My y y y
h E wh h
Com a equação
0 01x
y yE
h
escrevemos
2 2
0 0 02 2
4 9 4 91 1
5 5 5 5x x
y yE y y
h h h h
ou,
2
2 2
60 4 91
13 5 5x
M yy
wh h h
com 0 0 0 0 02 2
0
60 60
13 13
M ME E
E wh wh
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.25
A figura a seguir ilustra a distribuição da deformação e da tensão na seção transversal.
Para isso, com o resultado de (c) nas expressões acima, escrevemos
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.26
7.2 VIGA SIMÉTRICA SOB FORÇA CORTANTE E MOMENTO FLETOR
Nessa seção estudaremos o problema de vigas com um plano longitudinal de
simetria, sujeitas a forças cortantes transversais e momentos fletores aplicados
segundo esse plano.
Todas as hipóteses estabelecidas anteriormente para a flexão pura serão
mantidas também nesse caso. Apesar do sistema de forças internas ser diferente em
cada seção transversal da viga, ou seja, elas devem experimentar deformações
diferentes uma das outras, a extensão das conclusões anteriores para a flexão pura,
onde todas a seções transversais apresentam a mesma deformação, nos conduz a
bons resultados. Portanto, ainda assim a teoria clássica de flexão de vigas constitui
uma ferramenta importante e útil na prática da engenharia de estruturas.
Cargas aplicadas e reações de apoio
Como já foi visto no início do capítulo 2, a reação de um apoio sobre qualquer
sólido sob carregamento, pode ser representada por um resultante consistindo de uma
força atuando num ponto e um binário (conjugado) e cada um deles pode ser
decomposto em três componentes segundo um sistema de coordenadas cartesianas
ortogonais, por exemplo. Como não conhecemos a distribuição dessas forças na seção
transversal no ponto de apoio, não podemos fazer uma análise do comportamento
local, isto é, tensões e deformações na vizinhança imediata. Mas em virtude do
Princípio de Saint –Venant, a resposta geral, bem como tensões e deformações em
regiões distantes desses pontos de atuação da reação de apoio, é muito pouco afetada
pela distribuição real. Observa-se experimentalmente, que essa distância mínima do
ponto de aplicação da reação é aproximadamente igual à maior dimensão transversal
da viga.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.27
As reações de apoio serão especificadas por uma força atuando num ponto da
seção transversal e um momento em relação a esse ponto, conforme a seguir:
ˆˆ ˆx y zR F i R j R k
(7.29)
ˆˆ ˆx y zM T i M j M k
. (7.30)
Pelo fato do carregamento ser aplicado segundo um plano longitudinal de
simetria, as componentes não nulas das reações de apoio são conforme mostra a figura
7.13.
Figura 7.13 (a) Componentes nulas das reações de apoio; (b) Componentes não nulas da reação de apoio.
As reações de apoio podem, portanto, ser escritas simplesmente, como
ˆ ˆR Fi R j
(7.31)
ˆM M k
. (7.32)
A figura 7.14 apresenta dois tipos de apoio e suas respectivas reações, mais comuns
nos problema envolvendo a flexão de vigas. No caso, o carregamento não é
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.28
apresentado, mas ele é aplicado transversalmente à viga e segundo o plano
longitudinal de simetria.
Figura 7.14 (a) Viga simplesmente apoiada; (b) Reações de apoio da viga simplesmente apoiada; (c) Viga em balanço; (d) Reações de uma viga em balanço.
Sistema resultante de forças internas
Pelo fato do carregamento segundo o plano longitudinal de simetria ser perpendicular
ao eixo da viga, o componente de força normal sobre qualquer seção transversal é
nulo. Consequentemente, o sistema resultante de forças internas sobre qualquer seção
transversal consiste, no máximo de uma componente de força cortante e um momento
fletor. A figura 7.15 mostra as componentes do sistema resultante de forças internas
sobre uma seção S. O diagrama de corpo livre está considerando a porção da viga à
esquerda da seção transversal S.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.29
Figura 7.15 Componentes do sistema resultante de forças internas sobre a seção S.
Como é usual na literatura, vamos adotar uma convenção de sinais para o
momento fletor e para a força cortante. Para um sistema de coordenadas xyz conforme
a figura 7.15, um momento fletor que tende a comprimir as “fibras” longitudinais
superiores (acima da linha neutra) é considerado positivo e se ele tende a alongá-las, é
considerado negativo. Isso está de acordo com o sinal da curvatura, como veremos
mais adiante. Quanto à força cortante, ela é positiva se tender a girar o diagrama de
corpo livre, sobre o qual ela atua, no sentido anti-horário. Caso contrário ela é
considerada negativa. A figura 7.16 ilustra essas convenções de sinais.
Figura 7.16 (a) Sinal do momento fletor; (b) Sinal da força cortante.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.30
Como um exemplo geral, considere a viga da figura 7.17(a), onde os apoios
foram substituídos pelas suas reações. A figura 7.17(b) é um diagrama de corpo livre da
porção da viga à esquerda da seção de “corte” S, situada à distância x da extremidade
esquerda da viga. Para que as equações possam ser escritas de uma maneira mais
geral, uma variável auxiliar foi considerada.
Figura 7.17 (a) Viga sob carregamento genérico; (b) Diagrama de corpo livre da viga.
Das condições de equilíbrio podemos escrever para o diagrama de corpo livre
da figura 7.13(b)
0
0 ( ) ( )x
y y A iF V x R F p d (7.33)
0
0 ( ) ( ) ( ) ( )x
z z A A i iCM M x M R x F x L x p d , (7.34)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.31
onde ( )yV x e , ( )zM x as quais são funções da coordenada longitudinal x, são as
componentes do sistema resultante de forças internas sobre a seção transversal S
situada à distância x da extremidade esquerda da viga, segundo o sistema de
coordenadas xyz adotado. As relações (7.33) e (7.34) são equações de equilíbrio da
viga na forma integral.
Equações diferenciais de equilíbrio da viga
Podemos obter equações de equilíbrio da viga considerando apenas uma fatia
elementar de largura x , como mostra a figura 7.18.
Figura 7.18 Diagrama de corpo livre de uma fatia entre duas seções transversais.
Como a viga está em equilíbrio, podemos dizer que cada uma de suas partes
também está em equilíbrio. Então, das condições de equilíbrio da fatia mostrada na
figura 7.18 podemos escrever para esse diagrama de corpo livre
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.32
0 ( ) ( ) 0y y yF V x x V x p x , (7.35)
onde p é o valor médio da carga distribuída sobre o comprimento x tal que
( )x x
xp x p x dx
. (7.36)
Assim, dividindo-se ambos os lados da equação (7.35) por x , escrevemos
( ) ( )y yV x x V xp
x
. (7.37)
Conforme 0x , p se aproxima do valor ( )p x em x , assim, no limite podemos
escrever
0 0
( ) ( )lim lim ( )y y y
x x
V x x V x dVp p x
x dx
. (7.38)
Agora, considerando o equilíbrio de momentos, escrevemos para o diagrama de corpo
livre da figura 7.18
0 ( ) ( ) ( ) 0c z z yzM M x x M x V x x x p x x , (7.39)
onde x representa a posição do ponto de aplicação da resultante p x . Dividindo-se
(7.39) por x , escrevemos
( ) ( )( )z z
y
M x x M xV x x p x
x
. (7.40)
Tomando-se o limite com 0x e com as mesmas considerações anteriores, obtemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.33
0 0 0
( ) ( )lim lim ( ) limz z
yx x x
M x x M xV x x p x
x
ou
( )zy
dMV x
dx . (7.41)
As e equações diferenciais (7.38) e (7.41) são as equações diferenciais de
equilíbrio da viga. A partir dessas equações obtemos
2
2
( )( ) ( )yz z
y
dV xdM d MV x p x
dx dx dx . (7.42)
Essas equações valem para todas as seções da viga. Nas derivações dessas equações
e suas aplicações pressupõe-se que os limites existem e que as forças e os momentos
são contínuos e integráveis. Na presença de forças e/ou momentos concentrados deve-
se tomar os devidos cuidados, por exemplo, considerando o problema por partes ao
longo do comprimento da viga e levando–se em conta a descontinuidade das funções
( )yV x e ( )yM x nesses pontos.
Tensões normais em vigas de material linearmente elástico,
isotrópico e homogêneo
A equação (7.28), x z zM y I nos dá uma relação entre a componente de
tensão normal sobre a seção transversal de uma viga em flexão pura e o momento
fletor aplicado, para o caso de um material linearmente elástico, isotrópico e
homogêneo.
Essa relação é baseada na hipótese que as seções transversais planas
permanecem planas e perpendiculares ao eixo neutro da viga após a flexão. No caso
de flexão pura o único componente do sistema resultante de forças internas é o
momento fletor ( )yM x . Porém, com forças transversais, a componente de força cortante
deve também atuar para manter o equilíbrio. A presença dessa força de cisalhamento
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.34
contraria a hipótese que a seção plana permaneça plana e normal ao eixo neutro, pois
para que isso ocorresse, a deformação de cisalhamento deveria ser nula. Portanto,
pela lei de Hooke a tensão de cisalhamento também seria nula, o que não é verdade
por causa da existência de uma força cortante na seção transversal. Esse é um ponto
frágil na teoria de flexão Euler-Bernoulli. Ela é correta para o caso de flexão pura, onde
não temos forças cortantes. É como se, nessa teoria, o material tivesse rigidez infinita à
deformação por cisalhamento transversal. A teoria de flexão de viga de Euler-Bernoulli
trabalha com um material hipotético com rigidez infinita em cisalhamento transversal de
modo que a deformação por cisalhamento transversal seja independente do valor da
força cortante necessária para o equilíbrio.
Mas, a partir de observações experimentais, sabe-se que para vigas delgadas
( 10L h ) a influência da deformação de cisalhamento é muito pequena, podendo na
maioria dos casos, ser desprezada. Portanto, nesses casos, a equação (7.28) nos dá
resultados excelentes, do ponto de vista da engenharia, mesmo a componente de
cisalhamento sendo não nula.
Portanto, em resumo temos: a teoria clássica de flexão de vigas considera
desprezível a influência da deformação de cisalhamento no plano da seção transversal
na descrição da deformação e consequentemente na dedução das equações da
deformação longitudinal x e das tensões normais x . Mas, para efeito do equilíbrio da
viga, as tensões de cisalhamento devem ser consideradas pois o componente de força
cortante sobre a seção transversal é dada por
( ) 0y xy
S
V x dA . (7.43)
Tensões de cisalhamento em vigas de material linearmente
elástico, isotrópico e homogêneo
Como nesse caso o componente do sistema resultante de forças internas ( )yV x é
não nulo e é dado por
( )y xy
S
V x dA ,
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.35
então, as componentes de tensão de cisalhamento xy existem na seção transversal em
consideração e para a sua dedução, vamos considerar o equilíbrio do diagrama de
corpo livre extraído de um segmento elementar de comprimento x da viga, conforme
mostrado na figura 7.19.
Pela equação (7.28), o momento fletor numa seção é responsável pela tensão
normal atuando sobre ela. Então, a variação do momento fletor, indicada na figura
7.19 (a) por zM será responsável pela variação da tensão normal numa seção e na
seção vizinha separada pela distância x .
Figura 7.19 (a) Diagrama de corpo livre de um segmento elementar da viga; (b) Distribuição das tensões normais x ; (c) Diagrama de corpo livre para determinação
das tensões de cisalhamento xy ; (d) Força resultante da tensão normal x numa seção
genérica da viga; (e) Distribuição das tensões de cisalhamento xy .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.36
“Cortando-se” o segmento da viga representado na figura 7.19(b) por um plano
paralelo à superfície neutra e à distância 1y do eixo neutro z, conforme ilustrado na
figura 7.19(c) e considerando-se o equilíbrio do novo diagrama de corpo livre obtido,
escrevemos
1 1
0 0x x yx x
A Ax x x
F dA F dA
, (7.44)
onde:
1
x
A x
dA
força resultante da distribuição de tensão normal x sobre a área 1A na
posição x.
1
x
A x x
dA
força resultante da distribuição de tensão normal x sobre a área 1A na
posição x x .
yxF força de cisalhamento atuando sobre a face ( )y da seção de “corte” paralela à
superfície neutra e na posição 1y y .
1A área hachurada na figura 7.19(d), acima da posição 1y y .
Como as forças resultantes da distribuição das tensões escritas na equação
(7.44) já são consideradas com o sentido coerente com os sentidos dos momentos
fletores aplicados nas seções transversais em x e x x , e lembrando que o sinal (-)
na equação (7.28) indica apenas que a tensão normal é compressão ou de tração,
então, substituímos o módulo do resultado dado por essa equação em (7.44) e
escrevemos
1 1
( )0z z z
yxz zA A
M y M M ydA F dA
I I
ou,
1 1
0z zyx yx
z zA A
M y M yF dA F dA
I I
(7.45)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.37
Dividindo ambos os lados da equação (7.45) por x e levando em conta que
zM é constante em toda a área da seção transversal onde ele atua, tomamos o limite
com 0x e escrevemos
1 1
0 0
( ) 1lim limyx yxz z
x xz zA A
F dFM dM xydA ydA
x xI dx dx I
. (7.46)
Substituindo a equação diferencial de equilíbrio (7.41) em (7.46) escrevemos
1
( )( )( ) yx yz
yz A
dF V xdM xV x ydA
dx dx I . (7.47)
É comum na literatura definir-se a integral da equação acima como
1A
m ydA (7.48)
e escrever a equação (7.47) da seguinte maneira
( )yx y
z
dF V x m
dx I , (7.49)
onde m é o primeiro momento da área 1A em relação ao eixo neutro z, o qual no nosso
caso passa pelo centróide da seção, porque o material é elástico linear isotrópico e
homogêneo.
O termo yxdF
dx é definido como o fluxo de cisalhamento yxq . Assim a equação
(7.49) reescreve-se
( )yyx
z
V x mq
I . (7.50)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.38
Devemos ter sempre em mente que os índices yx de yxF ou de yxq significam:
y= eixo normal à superfície onde atuam yxF ou de yxq .
x = direção de yxF ou de yxq .
Como o fluxo de cisalhamento é uma força por unidade de comprimento, se o
dividirmos pela largura da seção onde ele atua, que no caso da figura 7.19(e) é b,
podemos escrever
( ) ( )yx y yyx
z z
q V x m V x m
b I b I b , (7.51)
onde yx é o valor médio da tensão de cisalhamento através da largura b. Como já
vimos anteriormente durante o estudo das tensões, podemos escrever yx xy .
Portanto,
( )yxy yx
z
V x m
I b . (7.52)
Como m é calculado para a área situada acima da posição y na qual queremos
determinar a tensão de cisalhamento yx xy , vemos que m é uma função de y. Então,
da equação (7.52) observamos que a tensão de cisalhamento xy numa seção
transversal onde atua a força cortante yV x , é uma função da coordenada y. Assim,
como o valor de m será máximo para y=0, no eixo neutro, e será nulo para y no ponto
superior ou inferior da seção transversal, então, a tensão de cisalhamento xy também
variará de zero nos pontos superior ou inferior até um valor máximo no eixo neutro.
Como os pontos superior e inferior pertencem a superfícies livres de tensão de
cisalhamento, o resultado obtido para xy é coerente com a realidade física do
problema.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.39
Exemplo 7.3
Seja a viga de seção retangular, sujeita a uma força cortante conforme a figura a
seguir. A viga é de material elástico linear isotrópico e homogêneo.
Obter a distribuição da tensão de cisalhamento na seção transversal onde atua a força
de cisalhamento V.
Solução
A distribuição da tensão de cisalhamento ao longo de toda a seção transversal é
obtida calculando-se a tensão de cisalhamento numa posição y genérica, medida a
partir do eixo neutro. No nosso problema o eixo neutro passa pelo centróide da seção
transversal e é normal ao plano de carregamento da viga.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.40
O momento de área m para a área A’ da figura acima é dado por
/ 22 2/ 2 2
2 2 4
hh
yy
by b hm y bdy y
, onde y’ é apenas uma variável de integração.
O momento de inércia zI é dado por
31
12zI bh .
Substituímos os valores encontrados acima, na equação (7.52)
22
22
33
( ) 2 4 61 4
12
yxy yx xy yx
z
b hV y
V x m V hy
I b bhbh b
O resultado acima indica que a distribuição da tensão de cisalhamento sobre a seção
transversal nesse caso é parabólica, e pode ser ilustrada pela figura abaixo.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.41
Comentários:
Para 2y h a tensão de cisalhamento é nula (superfícies livres de tensão de
cisalhamento)
22
32 2 2 2
60
4 4xy yx xy yxy h y h y h y h
V h h
bh
Se denominarmos xy media
V
A , então temos
2 2
3 3max max
6 6 60 1,5
4 4 4xy xy
A
V h V h V V
bh bh bh A
,
nesse caso, a tensão de cisalhamento máxima é 50% maior que a tensão de
cisalhamento média sobre a seção.
Como as componentes da tensão de cisalhamento ocorrem aos pares, para cada
xy existe uma componente yx xy atuando na superfície cuja normal é y,
conforme ilustrado na figura a seguir.
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.42
Exemplo 7.4
Uma viga de abas largas tem as dimensões mostradas na figura a seguir.
Supondo que ela seja submetida a uma força cortante V=80kN, (a) traçar o gráfico da
distribuição de cisalhamento que atua sobre a sua seção transversal e (b) determinar a
força cortante suportada pela sua alma.
Solução
a) Distribuição da tensão de cisalhamento
Como as seções transversais das abas e da alma da viga são retangulares a tensão de
cisalhamento variará parabolicamente, como já vimos exemplo 7.3.
A tensão de cisalhamento é dada por
( )yxy
z
V x m
I b
Precisamos determinar xy nos pontos B, B’ e C. O momento de inércia em torno
do eixo neutro é dado por
3 3 21 10,015 0,200 2 0,300 0,020 0,300 0,020 (0,110)
12 12zI
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.43
6 4155,6 10zI m
Para o ponto B’, a largura b da expressão que nos dá a tensão de cisalhamento
tem o seguinte valor:
0,300b m .
3 30,300 0,020 0,110 0,660 10B Bm A y m m
3 3
6
80 10 0,660 10( )1,13
155,6 10 0,300y B
xy xyB Bz
V x mMPa
I b
No ponto B, a largura b da expressão que nos dá a tensão de cisalhamento é
0,015b m
O momento de área no ponto B é igual ao do ponto B’
3 30,660 10B Bm m m
3 3
6
80 10 0,660 10( )22,6
155,6 10 0,015y B
xy xyB Bz
V x mMPa
I b
Para o ponto, sobre o eixo neutro, temos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.44
3 30,300 (0,020)(0,110) (0,015)(0,100)(0,050) 0,735 10C Cm A y A y m m
3 3
6
80 10 0,735 10( )25, 2
155,6 10 0,015y C
xy xyC Cz
V x mMPa
I b
Para a região abaixo do eixo neutro, obtemos por simetria. A distribuição da tensão de
cisalhamento na seção transversal é apresentada na figura a seguir.
Na realidade, as tensões de cisalhamento nas superfícies livres das abas são nulas,
mas no nosso cálculo resulta num valor diferente de zero nas superfícies internas. Essa
incoerência não impede de usarmos a formulação porque a maior parte da tensão de
cisalhamento está distribuída sobre a alma da viga, como podemos observar. O
resultado nas abas não tem muita utilidade.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.45
b) Força cortante suportada pela alma:
A expressão da tensão de cisalhamento para uma posição genérica é dada por
0,1000,300 (0,020)(0,110) (0,015)(0,100 )
2y
ym A y A y y y
2 3 30,735 7,50 10ym y m
3 2 3
2 6
6
80 10 0,735 7,50 10( )25,192 257,07 10
155,6 10 0,015y y
xy xyz
yV x my MPa
I b
A força de cisalhamento (cortante) atuado na alma é dada por
alma
alma xy
A
V dA .
onde: 0,015dA bdy dy
2 625,192 257,07 10xy y MPa
Assim, escrevemos
0,100 2 6
0,10025,192 257,07 10 (0,015) 73alma almaV y dy V kN
Então, a parcela de força cortante que é suportada pela alma corresponde a 91%
da força cortante total aplicada na seção transversal, ou seja,
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.46
730,91
80alma
alma totaltotal
VV V
V
A força cortante suportada pelas abas corresponde a
2 80 73 3,5aba total alma abaV V V V kN
▲
Exemplo 7.5
Para a viga cuja seção transversal é representada na figura abaixo, sendo
conhecida a força cortante atuando nessa seção, determinar o maior valor da tensão de
cisalhamento xy nessa seção.
3600yV lb 4800zI pol
Solução
O momento de área na posição desejada é dado por
9 0.57 9 3
0 9 0.57(0,358) (7,50) 50O Om y dy y dy m pol
A tensão de cisalhamento máxima ocorre no ponto O onde om é máximo, e é dada por
23600 50
628 /800 0,358
y Oxy xyO O
z
V mlb pol
I b
A tensão de cisalhamento no ponto A (na alma) é dada por
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.47
y Axy A
z
V m
I b , onde
9 3
8,437,50 37,3A Am y dy m pol . Substituindo na expressão da tensão,
obtemos
23600 37,3
469 /800 0,358
y Axy xyA A
z
V mlb pol
I b
A figura a seguir mostra a distribuição da tensão de cisalhamento na alma da viga.
Comentário:
Como a maior parte da força cortante V é suportada pela alma da viga, como
vimos no exemplo 7.4, podemos tomar como tensão de cisalhamento média na alma da
viga, a razão entre a força cortante e a área da alma, conforme a seguir.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.48
23600596 /
9 9 0,570 0,570 0,358y
media mediaxy xyalma almaalma
Vlb pol
A
Comparando-se essa tensão média na alma com a tensão de cisalhamento
máxima 2628 /xy Olb pol , escrevemos
max
max
5960,95 95%
628
mediaxyalma
mediaxy xyalmaxy
▲
Exemplo 7.6
Considere uma viga construída a partir de 5 lâminas de 0,500 cm x 2,50 cm x
150 cm, rebitadas juntas. O passo de rebitagem é igual a 2,50 cm ao longo do eixo
longitudinal da viga. Os rebites são de aço com 70adm
MPa e diâmetro igual a
0,625 cm. Determinar a força P máxima que pode ser aplicada na extremidade livre da
viga.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.49
Solução
Considerando a viga de material elástico linear, isotrópico e homogêneo, o eixo
neutro z passa pelo centróide da seção transversal.
O fluxo de cisalhamento yxq desenvolvido numa superfície paralela à superfície
neutra e na posição y=0,25 cm (veja a figura a seguir) é dado pela equação (7.50)
( )yyx
z
V x mq
I , e é resistido pela área da seção transversal de cada rebite,
conforme ilustrado nas figuras a seguir.
Esse fluxo de cisalhamento, numa distância igual ao passo de rebitagem (2,50
cm) resulta numa força cortante sobre a área da seção transversal de um rebite,
conforme mostra a figura a seguir.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.50
As hachuras na figura acima são para indicar que numa distância igual a um passo de
rebitagem está contido no máximo um rebite.
O momento de área da área A’, situada acima da seção de “corte” em 0,25y cm (veja
figura ) é dado por
32,50 1, 25 0, 25 (0,75) 1,875m A y m cm .
O momento de inércia da área da seção transversal em relação ao eixo neutro z é dado
por
33 41 12,50 2,50 3,255
12 12z zI bh I cm
Então, substituindo na equação do fluxo , escrevemos
( ) 1,875 3,255
3,255 1,875y
yx yxz
V x m Vq V q
I
A força cortante resistida pelo rebite é dada por
(2,50)yxF q ,
onde 2,50 cm é o passo de rebitagem. O valor máximo dessa força é dado por
222 2 2 2
max max
0,62570 10 / 70 10 / 2147,6
4 4adm rebite
dF A N cm N cm F N
Assim, o valor máximo admissível para o fluxo de cisalhamento será
maxmax max max max
2147,6(2,50) 859,04 /
2,50 2,50yx yx yx
FF q q q N cm
Substituindo na expressão obtida para o esforço cortante com o sinal coerente com o
seu sentido, escrevemos
max maxmax
3, 255 3,255859,04 1491
1,875 1,875yxV q V N
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.51
O esforço cortante ao longo da viga é constante e igual à carga P aplicada na sua
extremidade livre, conforme ilustrado na figura a seguir.
Então, escrevemos
max max max 1491P V P N ▲
7.3 DEFLEXÃO DE VIGAS SIMÉTRICAS Consideremos uma viga com plano longitudinal de simetria e feita de um material
linearmente elástico, isotrópico e homogêneo. Nesse caso, a equação da curvatura
Euler -Bernoulli é dada por (7.26), para o caso de flexão pura, e reescrita a seguir
1 z
z
Mk
EI . (7.53)
Como vimos na seção 7.2, podemos estender também essa equação para o
caso de vigas sob forças cortantes transversais, ou seja, para os casos onde as tensão
de cisalhamento não é nula nas seções transversais. Isso conduz a resultados muito
úteis e precisos para vigas delgadas, desde que os efeitos da deformação de
cisalhamento geralmente são insignificantes. No caso onde o momento fletor varia com
a coordenada longitudinal x, ou seja, quando existe a presença de força cortante,
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.52
segundo a equação (7.53), consideramos a curvatura k também como uma função da
coordenada x.
A deformação da viga devida à flexão é determinada pela forma da linha neutra
após a flexão. Inicialmente, a linha neutra é ao longo do eixo x, conforme ilustrado na
figura 7.20. Após a flexão da viga, a linha neutra se torna uma curva no plano xy, o qual
é o plano longitudinal de simetria. A equação dessa curva determina o deslocamento
transversal de cada partícula da viga sobre a linha neutra. Essa equação é também
conhecida como equação da linha elástica da viga.
Na figura 7.20 s é um comprimento de arco ao longo da linha neutra após a
flexão. O comprimento s na configuração indeformada seria x , conforme mostra a
figura. O raio de curvatura da linha neutra no ponto A*, na coordenada x medida na
configuração deformada é igual a . O centro de curvatura é o ponto O, indicado na
figura.
Figura 7.20 Linha neutra após flexão da viga.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.53
Da figura 7.20 temos que o raio de curvatura no ponto B* é O’B* e o ângulo formado
entre os dois raios é . Assim, escrevemos
s , (7.54)
onde é um raio de curvatura médio entre os pontos A* e B*. Conforme 0s o raio
médio tende para o valor do raio no ponto A*. A partir de (7.54) escrevemos
0 0
1 1 1lim lims s
ks s
ou
1 d
ds
. (7.55)
Como o comprimento s, medido ao longo da curva ( )y y x que representa a linha
neutra após a flexão, pode ser expresso como uma função da coordenada x, a partir da
figura 7.20 podemos escrever
22 2* *
* * * * * *1
x ys s A B s s y
x x x xA B A B A B
. (7.56)
Tomando-se o limite de (7.56) com 0x , escrevemos
2
* *0 0 0lim lim lim 1x x x
ds s s y
dx x xA B
. (7.57)
Como * *
1s
A B
quando 0x , a equação (7.57) escreve-se
2
1ds dy
dx dx
. (7.58)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.54
Como o ângulo de inclinação da reta tangente em cada ponto da linha neutra é
uma função da coordenada x do ponto, pela regra da cadeia para as derivadas,
podemos escrever
d d ds
dx ds dx
. (7.59)
Substituindo (7.58) em (7.59), obtemos
2
1d d dy
dx ds dx
. (7.60)
Da figura 7.20 vemos que y representa o deslocamento transversal v dos pontos da
linha neutra, após a flexão, ou seja
dy dv
dx dx (7.61)
e para pequenos gradientes de deslocamentos podemos escrever
2
1 1 1dy dv dy
dx dx dx
. (7.62)
Substituindo (7.62) em (7.60), escrevemos
d d
ds dx
. (7.63)
A partir deste ponto as derivadas serão desenvolvidas com respeito às
coordenadas da configuração indeformada, porque estamos considerando pequenas
deformações e pequenos gradientes de deslocamentos, ou seja, a hipótese de
pequenas modificações na configuração.
Substituindo (7.63) em (7.55), escrevemos
1 d
dx
. (7.64)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.55
Com (7.64) na equação (7.53) e levando em conta que o momento fletor é uma função
da coordenada x num caso mais geral, escrevemos
1 ( )zM x dk
EI dx
(7.65)
Da figura 7.20 temos
0lim tanx
v dv
x dx
(7.66)
Como estamos considerando pequenos gradientes de deslocamento, podemos fazer a
seguinte aproximação
tandv dv
dx dx . (7.67)
Substituindo (7.67) em (7.65), escrevemos
2
2
2 2
2 2
1
( )1
( )
z
z
d v
M x d dv dxk
EI dx dx d v d yM x EI EI
dx dx
(7.68)
Assim, obtivemos uma equação diferencial de segunda ordem que relaciona o
deslocamento transversal de um ponto da linha neutra da viga após a flexão, com o
momento fletor atuante na seção transversal e o coeficiente de rigidez à flexão da viga.
Essa equação se aplica para pequenas deformações e pequenos gradientes de
deslocamentos.
A partir das equações diferenciais de equilíbrio da viga, dadas em (7.38) e (7.41)
e da equação (7.68), escrevemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.56
2 2
2 2
( ) 1 ( ) 1( )z z
yz z
d v M x d d v dM xV x
dx EI dx dx EI dx EI
3 4
3 4
1 ( ) 1( ) ( ) 0z
z z
d d v dV x d vp x EI p x
dx dx EI dx EI dx
. (7.69)
A equação (7.69) é também conhecida como a equação da linha elástica (linha
neutra) para uma viga de material elástico linear isotrópico e homogêneo, fletida no
plano xy.
Exemplo 7.7
Considerando o exemplo 7.1, determinar o ângulo entre as seções
transversais A e B após a deformação da viga e o raio de curvatura . O módulo de
elasticidade do material é 6 230 10 /E lb pol e o momento de inércia de área da seção
transversal em relação ao eixo neutro é 42, 25zI pol .
Solução
Da equação (7.65) escrevemos
( )z
z
d M x
dx EI
.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.57
A diferencial do ângulo escreve-se
z
z
Md dx d dx
EI .
Integrando-se a expressão acima entre as extremidades A e B da viga, tomando a
coordenada x da configuração indeformada, obtemos
72
12
Bz
B AAz
Md dx
EI .
Substituindo os dados do problema na equação acima, escrevemos
72
612
120000,01068 0,61
30 10 2, 25odx rad
.
O sinal (-) indica apenas que a curvatura é negativa. O que nos interessa é o módulo
desse valor, ou seja,
0,01068 0,61orad .
O raio de curvatura é obtido a partir da equação (7.65)
6
1 ( ) 120005618
30 10 2, 25z
z
M xpol
EI
.
O sinal (-) indica que a curvatura é negativa e o centro de curvatura está oposto ao eixo
de coordenada y. Assim, tomamos o módulo do valor acima para o raio de curvatura, ou
seja,
5618 pol .
Comentário:
Os resultados obtidos mostram que a viga depois de deformada apresenta uma
curvatura muito pequena, pois o seu raio é muito grande. O ângulo entre os planos das
seções transversais em A e B, depois da flexão também é muito pequeno. ▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.58
7.4 FLEXÃO ASSIMÉTRICA Consideremos uma viga de material elástico linear, isotrópico e homogêneo, de seção
assimétrica e sujeita a um momento fletor que pode ser decomposto em componentes
segundo os eixos de coordenadas y e z, conforme a figura 7.21.
Figura 7.21 (a) Viga prismática com seção transversal assimétrica; (b) Eixo neutro.
A flexão da viga ocorrerá em torno de um eixo, o qual é denominado eixo neutro
porque a deformação e a tensão normais de flexão dos pontos da viga, localizados
sobre esse eixo, são nulas. Conforme a hipótese de Bernoulli para a flexão da viga, a
deformação normal dos pontos das seções transversais da viga escreve-se
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.59
x
y
, (7.70)
onde é o raio de curvatura da linha neutra e y é a coordenada medida a partir do
eixo neutro z , conforme mostra a figura 7.21(b). No caso de material elástico linear,
isotrópico e homogêneo, nós já vimos que esse eixo passa pelo centróide da seção
transversal.
Da figura 7.21(b) podemos escrever
cos siny y z , (7.71)
onde é o ângulo que o eixo neutro z faz com o eixo z. Substituindo na equação
(7.70), escrevemos
cos sinx y z
. (7.72)
A tensão normal x , para essa viga de materiais elásticos lineares, isotrópicos e
homogêneos é dada pela equação (7.17) e levando em conta (7.72) escreve-se
cos sinx x xE E y E z
. (7.72)
Então, podemos dizer que a tensão normal de flexão x pode ser escrita como
uma função linear das coordenadas y e z, conforme a seguir.
1 2x C y C z , (7.73)
onde 1C e 2C independem de y e z.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.60
Figura 7.22 Momentos fletores atuando sobre a seção transversal da viga.
A partir da figura 7.22, escrevemos
y xM z F z A (7.74)
z xM y F y A . (7.75)
Somando-se todas as parcelas elementares desses momentos fletores e tomando-se o
limite com 0A , escrevemos
y x
S
M z dA (7.75)
z x
S
M y dA . (7.76)
Substituindo (7.73) em (7.75) e (7.76), escrevemos
21 2 1 2y
S S S
M z C y C z dA yzC dA z C dA
21 2
S S
C yzdA C z dA (7.77)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.61
21 2 1 2z
S S S
M y C y C z dA y C dA yzC dA
21 2
S S
C y dA C yzdA . (7.78)
As integrais acima podem ser definidas como
2 2y z yz
S S S
I z dA I y dA I yzdA , (7.79)
as quais são, respectivamente, o momento de inércia de área da seção transversal em
relação aos eixos y e z e o produto de inércia de área em relação a esses eixos. Com
essas definições, as equações (7.77) e (7.78) escrevem-se
1 2y yz yM C I C I (7.80)
1 2z z yzM C I C I . (7.81)
Resolvendo-se o sistema formado pelas equações (7.80) e (7.81), obtemos
1 2
z y y yz
y z yz
M I M IC
I I I
(7.82)
2 2
y z z yz
y z yz
M I M IC
I I I
. (7.83)
Substituindo (7.82) e (7.83) em (7.73), escrevemos
2 2
z y y yz y z z yzx
y z yz y z yz
M I M I M I M Iy z
I I I I I I
. (7.84)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.62
Se os eixos y e z forem eixos principais de inércia, então 0yzI e podemos
escrever
1 1 yz
xy z xz y
MM
EI EI (7.85)
e a figura 7.23 ilustra essas curvas nos planos mencionados.
1 10 0yz
xy z xz y
MM
EI EI
Figura 7.23 Convenção dos momentos fletores positivos e as curvaturas da linha neutra nos planos xy e xz. Então, conforme a convenção adotada, temos, atuando na face x :
yM momento fletor positivo oposto ao sentido positivo do eixo y.
zM momento fletor positivo com o sentido positivo do eixo z.
Um caso especial que ocorre freqüentemente em problemas de engenharia de
estruturas é o de vigas com seções transversais simétricas. Considerando-se o sistema
de coordenadas associado à seção transversal, com um dos eixos coincidente com o
eixo de simetria, poderemos empregar a equação (7.84) para o cálculo das tensões de
flexão dessa viga, porque o eixo de simetria é um eixo principal de inércia e
conseqüentemente o outro eixo do sistema de coordenadas normal a ele também será
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.63
eixo principal de inércia. Então, o produto de inércia de área dessa seção transversal
em relação a esses eixos de coordenadas é nulo.
Equação do eixo neutro:
Define-se como eixo neutro de flexão da viga o lugar geométrico dos pontos da
seção transversal onde a tensão de flexão x f é nula. A equação da reta que
representa o eixo neutro é obtida a partir da equação (7.84), conforme a seguir.
2 20 0z y y yz y z z yz
x fy z yz y z yz
M I M I M I M Iy z
I I I I I I
. (7.86)
Então, podemos escrever
y z z yz
z y y yz
M I M Iy z
M I M I
, (7.87)
que é a equação da reta que representa o eixo neutro (EN), mostrado na figura 7.24.
Figura 7.24 Eixo neutro de flexão
A orientação do eixo neutro é dada pelo ângulo , conforme mostrado na figura
7.24, a partir da qual podemos escrever
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.64
tany
z . (7.88)
Substituindo (7.87) em (7.88), obtemos
tan y z z yz
z y y yz
M I M I
M I M I
. (7.89)
Considerando-se a superposição de efeitos de um carregamento axial com força
interna normal N com o carregamento de flexão, a equação (7.84) é escrita como
2 2
z y y yz y z z yzx
y z yz y z yz
M I M I M I M I Ny z
I I I I I I A
. (7.90)
Exemplo 7.8
Considere a viga de seção retangular sujeita a um momento fletor conforme
mostra a figura a seguir. Determine as tensões normais de flexão nos pontos A, B, D e
E, e a orientação do eixo neutro. O momento fletor é 12 .M kN m e sin 4 5 e
cos 3 5
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.65
Solução
A equação (7.84) nos dá
2 2
z y y yz y z z yzx
y z yz y z yz
M I M I M I M Iy z
I I I I I I
A partir do Apêndice B calculamos os momentos de inércia de área da seção
transversal:
33 7 41 10, 4 0, 2 2667 10
12 12yI bh m
33 6 41 10, 2 0, 4 1067 10
12 12zI bh m
0yzI
O momento fletor pode ser decomposto em:
sin cosy zM M M M ,
onde
sin 4 5 cos 3 5 .
Então,
412 . 9,6 .
5yM kN m kN m
e 3
12 . 7, 2 .5yM kN m kN m
.
Substituindo os momentos de inércia e o produto de inércia de área na equação da
tensão normal de flexão:
0 0
0 0z y y y z z yz
x xy z y z z y
M I M M I M MMy z y z
I I I I I I
3 36 6
6 7
7, 2 10 9,6 106,75 10 36,0 10
1067 10 2667 10x xy z y z
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 7.66
Substituindo as coordenadas dos pontos onde queremos calcular a tensão normal de
flexão, obtemos:
Ponto y (m) z (m) x (Mpa)
A 0,2 0,1 -4,95
B 0,2 -0,1 2,25
D -0,2 -0,1 4,95
E -0,2 0,1 -2,25
Orientação do eixo neutro:
3 6
3 7
9,6 10 1067 10 0tan 5,334 79,38
7, 2 10 2667 10 0
zy z z yz o
z y y yz y
MM I M I
M I M I M
3
3
9,6 10tan 1,333 53,13
7,2 10y o
z
M
M
▲
REFERÊNCIAS
1. Crandall, S. H.; Dahl, N. C.; Lardner, T. J.; An Introduction to the Mechanics of
Solids, McGraw-Hill, NY, 2a. edição, 1972
2. Donaldson, B. K., Analysis of Aircraft Structures – An Introduction, McGraw-Hill
Inc., NY, 1993
3. Lucena Neto, E., Análise Estrutural I, Notas de Aulas do curso EDI-31, ITA, 2007
4. Hibbeler, R. C., Resistência dos Materiais, Pearson Education do Brasil, SP, 5ª
edição, 2006
5. Timoshenko, S.P.; Gere, J.E.; Mecânica dos Sólidos,Livros Técnicos e
Científicos Editora, RJ, 1994
6. Wempner, G., Mechanics of Solids, PWS Publishing Company, Boston, MA, 1995
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.1
8
CRITÉRIOS DE ESCOAMENTO E DE
FRATURA
Neste capítulo apresentamos os três critérios mais usados na análise da resistência ao
escoamento e à fratura de elementos estruturais feitos de material elástico linear
isotrópico sob carregamento estático.
8.1 INTRODUÇÃO As resistências ao escoamento e à fratura de um material são obtidas através de um
ensaio simples de tração de um corpo de prova padrão, conforme mostra a curva
tensão-deformação típica da figura 8.1.
Figura 8.1 Curva tensão-deformação típica
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.2
A tensão pr na figura 8.1 é o limite de proporcionalidade do material, ou seja, é
o valor da tensão até o qual o material se comporta linearmente segundo a lei de
Hooke.
Como este ponto na curva não é de fácil determinação com precisão, em geral,
adota-se uma deformação denominada offset strain 0,002po e a partir dela por meio
de uma reta paralela à porção linear da curva obtemos o ponto correspondente à
tensão o (offset yield strength). Essa tensão é considerada como o limite de
escoamento do material, ou seja, para valores de tensão acima de o o material se
comporta plasticamente, apresentando deformação permanente, p , após o
descarregamento do corpo prova. Na prática, como os pontos correspondentes a pr e
o na curva são muito próximos, adota-se o como também o limite de
proporcionalidade.
A tensão última u é o maior valor de tensão atingido no corpo de prova antes de
ocorrer a sua fratura quando o material é dúctil. Nos materiais frágeis (como o ferro
fundido, por exemplo) u correspondente exatamente à tensão de fratura do corpo de
prova.
Os elementos estruturais normalmente apresentam estados de tensão nos seus
pontos não tão simples como no caso do corpo de prova de ensaio de tração uniaxial,
executado para determinação das propriedades mecânicas do material. Assim, nesses
casos devemos levar em conta o efeito da combinação das componentes do estado de
tensão num ponto do elemento estrutural na análise de sua resistência ao escoamento
ou à fratura. Isto é realizado através dos critérios de resistência ao escamento ou à
fratura (ruptura).
8.2 NECESSIDADE DE UM CRITÉRIO DE FALHA Os critérios de escoamento ou fratura são também critérios de falhas porque eles são
usados paras se verificar a falha por escoamento ou por fratura de um componente
estrutural.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.3
Os exemplos apresentados na figura 8.2 mostram a necessidade de se
considerar um critério de falha na análise da resistência de um componente estrutural.
Para esses exemplos, o material é um típico metal dúctil usado em engenharia de
estruturas, cujo comportamento é muito próximo de um material ideal perfeitamente
elasto-plástico.
Um ensaio de tração uniaxial fornece o módulo de elasticidade E e a resistência
ao escoamento o , como mostra a figura 8.2 (a).
Figura 8.2 Resistência ao escoamento para um metal dúctil sob diversos estados de tensão: a) tração uniaxial; b) tração com compressão transversal; c) tração biaxial;d) compressão hidrostática.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.4
Agora, se aplicarmos uma compressão transversal de igual magnitude
( x y ), como mostra a figura 8.2(b), a tensão y necessária para causar o
escoamento é experimentalmente observada como sendo aproximadamente apenas a
metade do valor do teste uniaxial ( 2y o ).
Num outro exemplo, consideramos uma tração transversal de igual magnitude
( x y ), como mostra a figura 8.2(c). Desde que a compressão transversal diminuiu a
resistência ao escoamento, a nossa intuição sugere que a tração transversal deva
aumentá-la. Mas, experimentalmente verifica-se que o efeito da tração transversal é
muito pequeno ou ausente, tal que y o .
A figura 8.2 (d) ilustra um exemplo onde o elemento está sob um estado de
tensão denominado hidrostático, onde os componentes de tensões não nulos são
normais e eles são todos iguais. No nosso exemplo, x y z p . Observa-se
experimentalmente que o elemento se deforma, mas o material não escoa, ou seja,
quando descarregado não apresenta deformação permanente, mesmo para valores de
tensão muito acima do seu limite ao escoamento.
As funções y y y para a região elástica das curvas das figura 8.2(a)-(d)
podem ser obtidas da equação constitutiva
1y y x zE
substituindo os valores de x e z correspondentes para cada caso de carregamento.
Portanto, as tensões atuantes em elementos estruturais não podem
simplesmente ser comparadas com o limite ao escoamento do material obtido num
ensaio simples uniaxial, para se verificar a sua resistência.Um critério de falha capaz de
prever tais efeitos combinados das componentes de um estado de tensão num ponto de
um elemento estrutural é necessário na análise de sua resistência ao escoamento ou à
fratura. Materiais que se comportam de maneira dúctil geralmente tem a sua utilidade
estrutural limitada pelo escoamento, enquanto que aqueles que se comportam
tipicamente de modo frágil são normalmente limitados pela fratura.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.5
8.3 FORMA GERAL DE UM CRITÉRIO DE FALHA
Ao aplicarmos um critério de falha, a resistência considerada do material será a sua
resistência ao escoamento ou à ruptura se o critério for de falha por escoamento ou por
fratura , respectivamente. Resistência ao escoamento de um material é normalmente
disponível como a resistência ao escoamento em tração, o , determinada a partir de
um ensaio uniaxial, conforme ilustrado na figura 8.1. A resistência à fratura de um
material é normalmente tomada como ut , em tração ou uc , em compressão, as quais
correspondem ao valor u (ou o seu valor equivalente num ensaio uniaxial de
compressão) da figura 8.1. Os materiais dúcteis são analisados, em geral, com relação
ao escoamento enquanto que os materiais frágeis são analisados em relação à fratura.
Uma premissa importante é que os critérios de falhas sejam invariantes quanto
ao sistema de coordenadas adotado para se escrever o estado de tensão nos pontos
do sólido. Isso significa que os critérios de falha devem dar os mesmos resultados
independentemente da escolha do sistema de coordenadas num problema. Como as
tensões principais num ponto do sólido satisfazem essa condição de serem invariantes
quanto ao sistema de coordenadas, os critérios de falhas para materiais isotrópicos
podem ser expressos matematicamente como
1 2 3, , cf (na falha), (8.1)
onde a falha (escoamento ou fratura) é prevista ocorrer quando uma função específica
f das tensões principais for igual à resistência à falha do material, c , obtida a partir
de um ensaio uniaxial. A resistência à falha, c ,é a tensão o ou u ( ut ou uc )
dependendo se o interesse é o escoamento ou a fratura do componente estrutural
analisado. As tensões 1 2 3, , são as tensões principais do estado de tensão num
ponto do sólido analisado.
Se qualquer caso particular da equação (8.1) for representado no espaço das
tensões principais, as coordenadas tridimensionais são 1 2 3, , , a função f
representa uma superfície que é denominada de superfície de falha. Uma superfície de
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.6
falha pode ser uma superfície de escoamento ou uma superfície de fratura. Essas
superfícies serão apresentadas a seguir para cada critério de falha considerado.
Conhecendo-se o estado de tensão num ponto de um sólido dado pelas suas
tensões principais 1 2 3, , , a resistência à falha do material c e uma função
específica f do critério de falha, é bastante útil definirmos uma quantidade
denominada tensão efetiva, ef , a qual é um valor numérico que caracteriza o estado
de tensão aplicado. Podemos escrever
1 2 3, ,ef f . (8.2)
Assim, a partir da equação (8.1), podemos dizer que a falha ocorre quando
ef c (na falha). (8.3)
Portanto, a falha não é esperada ocorrer quando
ef c (8.4)
Definimos o fator de segurança contra a falha
c
ef
FS
(8.5)
e a margem de segurança contra a falha
1 1c ef c
ef ef
MS FS
. (8.6)
A margem de segurança às vezes é dada em porcentagem,
1 100%c
ef
MS
. (8.7)
Nos casos onde as cargas aplicadas e as tensões resultantes são proporcionais,
o fator de segurança e a margem de segurança, calculados em termos das cargas ou
das tensões são idênticos. Porém, devemos tomar cuidado onde tal proporcionalidade
não existe, como por exemplo no caso de flambagem.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.7
8.4 CRITÉRIO DA MÁXIMA TENSÃO NORMAL (RANKINE) Este critério é geralmente creditado a W. J. M Rankine (1820-1872). É o mais simples
dos critérios de falhas. Ele estabelece que falha é esperada ocorrer quando a maior
tensão principal se iguala à resistência do material obtida a partir de um ensaio uniaxial.
Este critério apresenta um sucesso razoável na análise à fratura de materiais frágeis
sob um carregamento onde a tração é dominante.
A partir da equação (8.1), este critério é dado por uma função específica f como
a seguir:
1 2 3, , cMAX (na falha), (8.8)
onde a notação MAX indica que o máximo dos valores entre parênteses separados por
vírgulas é escolhido. Tomamos os valores absolutos das tensões principais para que
tensão de compressão possa também ser considerada. A resistência à falha do
material, c , será a tensão o ou u ut uc para o escoamento ou
fratura,respectivamente.
Um conjunto particular das tensões aplicadas pode ser caracterizado pela tensão
efetiva
1 2 3, ,ef NMAX . (8.9)
Assim, o fator de segurança e a margem de segurança contra a falha podem ser
escritas como
c
Nef N
FS
(8.10)
1cN
ef N
MS
(8.11)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.8
8.4.1 REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO CRITÉRIO DA MÁXIMA TENSÃO NORMAL
Esta representação será feita no espaço das tensões principais com as coordenadas
1 2 3, , . Para o caso geral onde todas as três tensões principais podem ter valores
não nulos, a equação (8.8) nos dá que a região segura contra a falha é limitada por
1 2 3, ,c c c . (8.12)
Cada equação acima representa um par de planos normais a um dos eixos
principais e o intercepta em c e c . Neste caso, a superfície de falha é
simplesmente um cubo, conforme mostra a figura 8.3.
Figura 8.3 Superfície de falha para o critério da máxima tensão normal
No caso particular onde uma das tensões principais é nula, como por exemplo
3 , o critério é representado graficamente por um quadrado num gráfico 1 2 , como
mostram as figuras 8.3 e 8.4.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.9
Figura 8.4: representação gráfica do critério da máxima normal quando uma das tensões principais é nula (no caso, 3 0 )
Das figuras 8.3 e 8.4 observamos que se o estado de tensão num ponto do
componente estrutural for dado pelas tensões principais 1 2 3, , e o ponto geométrico
correspondente a essas coordenadas no espaço das tensões principais cai dentro do
cubo da figura 8.3 ou do quadrado da figura 8.4, não ocorre a falha. Para pontos
geométricos sobre a superfície do cubo, sobre o perímetro do quadrado ou externos a
eles significa que o estado de tensão produzirá a falha do componente, segundo o
critério da máxima tensão normal.
Exemplo 8.1
O estado de tensão num ponto de um sólido feito de ferro fundido é dado por
100 60 40
80 0
x y z
xy xz yz
MPa MPa MPa
MPa
O ferro fundido normalmente tem um comportamento frágil e este material em
particular apresenta suas resistências últimas em tração e compressão com os
seguintes valores: 214 770u ucMPa MPa .
Qual é o fator e a margem de segurança contra a fratura, segundo o critério da
máxima tensão normal?
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.10
Solução
O estado de tensão no ponto considerado pode ser escrito como
100 80 0
80 60 0
0 0 40
T
.
Resolvendo-se para calcular as tensões principais obtemos
1 2 3133,1 93,1 40MPa MPa MPa .
A tensão efetiva é definida pela equação (8.9):
1 2 3, ,ef NMAX .
Assim, escrevemos
133,1 , 93,1 , 40 133,1ef efN NMAX MPa .
O fator de segurança é dado pela equação (8.10):
2141,61
133,1c
N N
ef n
FS FS
A margem de segurança é dada pela equação (8.11)
2141 1 0,61 61%
133,1c
N N N
ef n
MS MS ou MS
Comentário:
No presente caso max min , então o comportamento dominante é de tração,
por isso consideramos 214c ut MPa nos cálculos do fator e da margem de
segurança.
Se max min comportamento dominante seria de compressão e então, neste
caso teríamos que usar 770c uc MPa nos cálculos do fator e da margem
de segurança.
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.11
8.5 CRITÉRIO DA MÁXIMA TENSÃO DE CISALHAMENTO (TRESCA) O mecanismo de escoamento em materiais cristalinos consiste de deslizamentos
induzido por cisalhamento em planos específicos dos átomos. A microestrutura de um
metal consiste de inúmeros grãos de cristais. O deslizamento ocorrerá dentro de um
grão quando a tensão de cisalhamento paralela a um de seus planos de deslizamentos
exceder um valor crítico. Em materiais isotrópicos, os grãos são orientados
aleatoriamente o que significa que o escoamento deve depender da magnitude da
máxima tensão de cisalhamento.
Assim, o critério da máxima tensão de cisalhamento estabelece que o
escoamento ocorrerá num ponto do sólido quando a máxima tensão de cisalhamento
max naquele ponto alcançar um valor crítico, o qual é tomado como a máxima tensão
de cisalhamento o obtida do ensaio uniaxial. Este valor é uma propriedade do material.
Essa teoria parece ter sido proposta originalmente por C .A. Coulomb, em 1773.
Mas em 1868, H. Tresca apresentou os resultados de um trabalho sobre escoamento
de metais na Academia Francesa. Atualmente este critério freqüentemente leva o seu
nome, ou seja, é denominado Critério de Tresca.
Dado o estado de tensão num ponto do sólido em termos das tensões principais
1 2 3, , , podemos escrever, como já foi visto no capítulo 2, as tensões máximas de
cisalhamento
2 3 1 3 1 21 2 32 2 2
. (8.13)
as quais atuam nos planos paralelos ao eixos principais 1, 2 e 3, respectivamente.
Matematicamente este critério pode ser escrito como
2 3 1 3 1 2, ,2 2 2 oMAX
(no escoamento). (8.14)
Neste caso a tensão de falha, c , é igual à tensão de escoamento em
cisalhamento, o , para um dado material, a qual pode ser obtida diretamente a partir de
um ensaio de cisalhamento puro, tal como um tubo de parede fina em torção. Porém,
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.12
apenas a resistência ao escoamento em tração uniaxial o obtida a partir de ensaios
uniaxiais são normalmente disponíveis, de modo que é mais conveniente calcular o a
partir de o . Como a seção transversal do corpo de prova padrão do ensaio uniaxial é
um plano principal, podemos escrever, no escoamento
1 2 3, 0o . (8.15)
Substituindo o (8.15) em (8.14), escrevemos
0 0 0 0, ,
2 2 2o o
oMAX
. (8.16)
A partir de (8.16),temos o valor o no escoamento
2o
o
. (8.17)
Com o resultado de (8.17), na equação (8.14), escrevemos
2 3 1 3 1 2, ,2 2 2 2
oMAX
(no escoamento).
ou
2 3 1 3 1 2, , oMAX (no escoamento). (8.18)
A equação (8.18) é a expressão matemática do critério da máxima tensão de
cisalhamento ou critério de Tresca, como aparece frequentemente na literatura. A
tensão efetiva é convenientemente definida como na equação (8.2) e escreve-se
2 3 1 3 1 2, ,ef SMAX . (8.19)
O fator de segurança e a margem de segurança contra o escoamento são dados,
respectivamente, por
o
Sef S
FS
(8.20)
1oS
ef S
MS
. (8.21)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.13
Como foi visto na figura 4.4, no capítulo 4, o limite de escoamento de material
evolui para a tensão última, u , conforme o corpo de prova é carregado, descarregado
e carregado novamente, devido ao encruamento (endurecimento a frio) do material.
Então, tem sido proposto e empregado o critério da máxima tensão de cisalhamento,
originalmente desenvolvido para verificar a resistência ao escoamento, na análise da
resistência à fratura de componentes estruturais mesmo de material dúctil. Nesse caso,
no lugar de o usa-se a tensão u do material, e a equação (8.18) escreve-se
2 3 1 3 1 2, , uMAX (na fratura). (8.22)
8.5.1 REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO CRITÉRIO DA MÁXIMA TENSÃO DE CISALHAMENTO
No espaço das tensões principais, segundo as coordenadas 1 2 3, , , a equação (8.18)
nos dá os contornos da região segura contra a falha por escoamento. Os contornos
dessa região são obtidos, a partir da equação (8.18), escrevendo-se
1 2 2 3 1 3o o o . (8.23)
Neste caso, a superfície de falha por escoamento é um tubo com seção
transversal hexagonal, cujas faces são definidas pelos três pares de planos dados
pelas equações (8.23), conforme mostra a figura 8.5. O eixo longitudinal desse tubo é a
linha 1 2 3 . Essa direção corresponde à normal ao plano octaédrico no octante
onde as tensões principais são todas positivas. Se o tubo é observado ao longo do seu
eixo, vemos um hexágono regular, como mostra a figura 8.5(b).
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.14
Figura 8.5 Superfície de falha para o critério da máxima tensão de cisalhamento.
Se qualquer um dos componentes 1 2, ou 3 for nulo, então a superfície de
falha de reduz do tubo para um hexágono irregular o qual representará o critério
graficamente. Por exemplo, quando 3 0 a representação gráfica do critério é
mostrada nas figuras 8.5 e 8.6.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.15
Figura 8.6: Representação gráfica do critério da máxima tensão de cisalhamento quando uma das tensões principais é nula (no caso, 3 0 )
Concluímos a partir das figuras 8.5 e 8.6 que se o estado de tensão num ponto
do sólido é dado pelas tensões principais 1 2 3, , e o ponto geométrico
correspondente a essas coordenadas no espaço das tensões principais cai dentro do
tubo ou do hexágono irregular não ocorre a falha. Para pontos geométricos sobre a
superfície do tubo, sobre o perímetro do hexágono ou externos a eles, significa que o
estado de tensor correspondente produzirá a falha do componente, segundo o critério
da máxima tensão de cisalhamento.
Consideremos o caso especial de um estado de tensão onde as tensões
principais são todas iguais. Este estado de tensão é denominado hidrostático puro e
esta tensão é dada por
1 2 3h . (8.24)
Um exemplo seria o material submetido a um simples carregamento de pressão
p , tal que h p .
O estado de tensão hidrostático corresponde a um ponto geométrico situado ao
longo do eixo do cilindro hexagonal que representa a superfície de falha deste critério.
Isso significa que, independentemente do valor da tensão hidrostática h , nunca
ocorrerá o escoamento do material. A tensão efetiva, neste caso, será nula e o fator de
segurança infinito.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.16
Assim, o critério da máxima tensão de cisalhamento prevê que um estado de
tensão hidrostático sozinho não causa o escoamento do material. De fato, isso está em
concordância com resultados experimentais para metais sob compressão hidrostática.
Ensaios com tração hidrostática são essencialmente impossíveis, mas não é improvável
que a fratura frágil sem escoamento ocorrerá sob um alto nível de tensão de tração
mesmo em materiais normalmente dúcteis.
Exemplo 8.2
Um tubo com as extremidades fechadas tem uma espessura de parede de 10
mm e um diâmetro interno de 0,60 m. Ele é cheio com um gás num pressão de 20 MPa
e sujeito a um torque em torno do seu eixo longitudinal de 1200 kN.m. Qual é o fator e a
margem de segurança contra o escoamento num ponto na parede interna do tubo se
ele for feito de aço com 1791o MPa , segundo o critério da máxima tensão de
cisalhamento?
Solução
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.17
Do equilíbrio do diagrama de corpo livre (c) obtido “cortando-se” o tubo
longitudinalmente num diâmetro, podemos escrever
20 0,60 22 2 600
0,010i
i
prtL p r L MPa
t (hoop stress)
onde tL é a área de atuação da tensão tangencial ( L é um comprimento de
referência do tubo) e 2 ir L é a área projetada onde atua a pressão p .
Do equilíbrio do diagrama de corpo livre (d) obtido “cortando-se” o tubo numa
seção transversal, podemos escrever
222 20 0,300
2 2950,300 0,3102 2
2 0,0102m
i e ix i x
m
r
r r prt p r MPa
tr
, onde
2 mt r é a área de atuação da tensão x e 2ir é a área onde atua a pressão p na
direção x.
20r MPa (num ponto P da superfície interna do tubo),
Quando a espessura da parede do tubo é muito pequena em relação ao raio
interno, no lugar do raio médio pode-se tomar o raio interno, pois o erro cometido é
desprezível.
A tensão devido ao torque aplicado ao longo do eixo longitudinal do tubo é de
cisalhamento e é dada por
3
4 4
1200 10 0,60 2202
0,60 0,600,010
2 2 2
ix
TrMPa
J
.
Então, escrevemos para o estado de tensão no ponto da superfície interna do tubo
, ,
295 202 0
202 600 0 ( )
0 0 20x r
T MPa
Uma tensão principal é conhecida, 3 20r MPa . As outras tensões principais são
dadas por
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.18
2 212 2
1,22
700,6295 600 295 600202
194, 42 2 2 2x x
x
MPa
MPa
A tensão efetiva é dada pela equação (8.19):
2 3 1 3 1 2, ,ef SMAX
194, 4 20 , 700,6 20 , 700,6 194,4 720,6ef efS SMAX MPa
O fator de segurança e a margem de seguranças são dados pelas equações (8.20) e
(8.21):
17912, 49
720,6o
S Sef S
FS FS
17911 1 1, 49 149%
720,6o
S S Sef S
MS MS ou MS
Comentários:
Quando a espessura da parede do vaso de pressão é muito pequena em relação
ao seu raio interno normalmente toma-se o valor do raio interno no lugar do raio
médio no cálculo da tensão na direção longitudinal (no nosso caso, x ) porque o
erro que se comete é desprezível. Nesse exemplo, se tivéssemos tomado
0,300m ir r m obteríamos 1 701,6MPa e 2 199,4MPa . Com esses valores
a tensão efetiva seria 721,6ef NMPa e os fator de segurança e a margem de
segurança seriam, respectivamente, 2,482 e 1,482 (148 %)
Para um ponto na superfície externa do tubo, a tensão 3 0r . Neste caso,
as tensões principais 1 e 2 não são alteradas, mas a tensão efetiva deve ser
recalculada:
194,4 0 , 700,6 0 , 700,6 194, 4 700,6ef efS SMAX MPa .
Então, o fator de segurança e a margem de segurança resultam em:
17912,56
700,6o
S Sef S
FS FS
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.19
17911 1 1,56 156%
700,6o
S S Sef S
MS MS ou MS
Portanto, o fator de segurança 2,49 e a margem de segurança 1,49 são os que devem
ser considerados para o tubo. ▲
8.6 CRITÉRIO DA MÁXIMA ENERGIA DE DISTORÇÃO (Von MISES) Este critério de falha é provavelmente o mais empregado para materiais isotrópicos. Na
sua essência ele é um critério de falha por escoamento, mas o seu emprego tem sido
estendido também para a análise de falha por fratura sob carregamento estático pelos
mesmos motivos apresentados para o critério da máxima tensão de cisalhamento, ou
seja, a evolução da superfície de escoamento para uma superfície de fratura devido ao
efeito do encruamento do material.
Ele é baseado no conceito de densidade de energia de deformação e foi
apresentado por M. T. Huber, da Polônia, em 1904 e foi desenvolvido e explicado
posteriormente por R. Von Mises, da Alemanha, em 1913 e por H. Henky, dos Estados
Unidos, em 1925.
Ao aplicarmos tensões sobre um elemento infinitesimal do material, trabalho
deve ser realizado, e para um material elástico, todo esse trabalho é armazenado sob
forma de energia potencial. Esta energia interna de deformação pode ser dividida em
duas partes: uma parte associada a uma variação do volume do elemento e outra parte
associada à distorção da forma do elemento do material. Como vimos no capítulo 4,
seção 4.5, a mudança do volume do elemento está associada com uma tensão
hidrostática média
3 1 2 1
3 3x y z x y z
voleE K
(8.25)
ou
1 2 3 1 2 33 1 2 1
3 3voleE K
(8.26)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.20
porque 1 2 3x y z é um invariante do estado de tensão.
Assim, a tensão hidrostática é associada com a energia de mudança de volume,
e desde que a tensão hidrostática sozinha não causa escoamento (como vimos no
critério da máxima tensão de cisalhamento), a parte restante de energia de deformação
total, aquela responsável pela distorção, é uma candidata natural para a base de um
critério de falha por escoamento.
O estado de tensão num ponto do sólido podes ser escrito como
0 0
0 0
0 0
x xy xz h x xy xz
xy y yz h xy y yz
xz yz z h xz yz z
, (8.27)
onde
, ,x x h y y h y y h
3x y z
h
. (8.28)
O primeiro tensor de tensão do lado direito da equação (8.27) é denominado de
tensor de tensão hidrostático e o segundo tensor é denominado de tensor de tensão
desviador ou de distorção. O tensor de tensão hidrostático é responsável pela variação
do volume e o tensor de tensão desviador é responsável pela distorção ou desvios do
elemento de sua forma cúbica inicial sem afetar o seu volume.
A densidade de energia de distorção é dada por
2 22 2 2 21 16
3 2d x y x z y z xy xz yzuE
. (8.29)
Este critério de falha é baseado na premissa de que o escoamento num ponto do
sólido sob carregamento combinado ocorrerá quando a densidade de energia de
distorção no ponto for igual à máxima energia de distorção determinada no ensaio de
tração uniaxial do material, a qual ocorre no início do escoamento.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.21
Num ensaio de tração uniaxial o estado de tensão no escoamento de um ponto
do corpo de prova é dado por
1 2 3, 0
0 .
x o y z
xy xz yz
(8.30)
Então, a sua densidade de energia de distorção, a partir da equação (8.29) escreve-se
2 2 2 2 2 21 10 0 0 0 6 0 0 0
3 2d o ouE
21
3d ouE
. (8.31)
A partir do critério, igualamos (8.29) com (8.31) e obtemos
2 22 2 2 2 216
2 x y x z y z xy xz yz o (no escoamento). (8.32)
Definimos uma tensão efetiva como
2 22 2 2 216
2VM x y x z y z xy xz yz . (8.33)
A partir da equação (8.32) podemos escrever que, segundo este critério, a falha
por escoamento ocorrerá quando
VM o ( no escoamento). (8.34)
Na verdade este critério satisfaz a premissa de ser invariante com respeito ao
sistema de coordenadas porque pode-se mostrar que a tensão efetiva VM é um
invariante, tendo os mesmos valores independentemente do sistema de coordenadas,
pois ela resulta diretamente da energia de distorção e a energia sendo um escalar é
uma quantidade invariante com respeito à mudança de sistema de coordenadas.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.22
Se escrevermos o estado de tensão num ponto em termos de suas tensões
principais, a tensão efetiva VM será dada por
2 2 2
1 2 1 3 2 3
1
2VM . (8.35)
A tensão efetiva VM é também denominada na literatura como tensão de Von
Mises.
O fator de segurança e a margem de segurança contra o escoamento são dados,
respectivamente, por
oVM
VM
FS
(8.36)
1oVM
VM
MS
. (8.37)
8.6.1 REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DO CRITÉRIO DA MÁXIMA ENERGIA DE DISTORÇÃO (Von MISES)
Num espaço de tensões principais com coordenadas 1 2 3, , , a expressão
2 2 2
1 2 1 3 2 3
1
2o (no escoamento) (8.38)
Representa uma superfície cilíndrica circular com seu eixo longitudinal ao longo da linha
1 2 3 , conforme mostra a figura 8.7.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.23
Figura 8.7 Superfície de falha para o critério da máxima energia de distorção.
Se qualquer dos componentes 1 2 3, , for nulo, então a interseção da superfície
cilíndrica com o plano das duas tensões principais restantes nos dá uma elipse,
conforme a figura 8.8, onde, por exemplo, 3 0 .
Figura 8.8: Representação gráfica do critério da máxima energia de distorção quando uma das tensões principais é nula (no caso, 3 0 )
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.24
Observamos a partir das figuras 8.7 e 8.8 que se o estado de tensão num ponto
do sólido é dado pelas tensões principais 1 2 3, , e o ponto geométrico
correspondente a essas coordenadas no espaço das tensões principais cai dentro do
cilindro ou da elipse não ocorre a falha. Para pontos geométricos sobre a superfície do
cilindro, sobre o perímetro da elipse ou externos a eles, significa que o estado de
tensão correspondente produzirá a falha do componente, segundo o critério da máxima
energia de distorção.
Se considerarmos o caso especial de um estado de tensão hidrostático puro,
onde 1 2 3h , como fizemos no critério da máxima tensão de cisalhamento,
chegamos à mesma conclusão de que este estado de tensão não produz escoamento,
pois ele é representado por pontos geométricos ao longo do eixo da superfície de falha
(tubo cilíndrico). Portanto, independentemente do valor de h , o fator de segurança
será infinito pois a tensão efetiva 0VM . Se o estado de tensão hidrostático puro for
de tração é bastante provável que a falha por ruptura frágil ocorre, mesmo o material
sendo dúctil.
As figuras 8.8 e 8.9 mostram uma comparação entre os critérios da máxima
tensão de cisalhamento e da máxima energia de distorção.
Figura 8.9 Comparação entre os critérios da máxima tensão de cisalhamento (Tresca) e da máxima energia de distorção (Von Mises)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.25
O eixo longitudinal do tubo de seção hexagonal que representa a superfície de
falha do critério da máxima tensão de cisalhamento e do tubo de seção circular que
representa o critério da máxima energia de distorção no espaço das tensões principais
é paralelo à normal unitária do plano octaédrico, conforme mostra as figuras 8.5 e 8.7 e
8.10. O vetor tensão que atua num ponto sobre o plano octaédrico possui um
componente normal e um componente de cisalhamento (paralelo ao plano), conforme
mostra a figura 8.10, dadas, respectivamente, por
1 2 3
3h
(8.39)
2 2 2
1 2 1 3 2 3
1
3h . (8.40)
Comparando-se a tensão de von Mises definida pela equação (8.33) com a
tensão de cisalhamento octaédricadada em (8.40), escrevemos
3
2VM h (8.41)
Figura 8.10 Plano octaédrico e os componentes de tensão normal e de cisalhamento
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.26
Exemplo 8.3
Repita o exemplo 8.2, considerando-se o critério da máxima energia de distorção
(Von Mises).
Solução
Do exemplo 8.2 temos os seguintes resultados para o estado de tensão num
ponto da superfície interna do tubo:
295 600 20x rMPa MPa MPa
202 0x xr rMPa
As tensões principais são as seguintes:
1 2 3700,6 194,4 20MPa MPa MPa
A tensão efetiva é dada pela equação (8.35):
2 2 2
1 2 1 3 2 3
1
2VM
2 2 21700,6 194,4 700,6 20 194,4 20 641
2VM VM MPa
O fator de segurança e a margem de segurança contra o escoamento são dados
por
17912,79
641o
VM VMef VM
FS FS
17911 1 1,79 179%
641o
VM VM VMef VM
MS MS ou MS
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.27
Comentário:
Comparando-se os resultados com aqueles obtidos no exemplo 8.2, observamos
que o critério da máxima tensão de cisalhamento é um pouco mais conservador que o
critério da máxima energia de distorção. Isso é observado nas figuras 8.8 e 8.9.
▲
8.7 COMPARAÇÃO ENTRE OS CRITÉRIOS DE FALHAS Os critérios da máxima tensão de cisalhamento (Tresca) e da máxima energia de
distorção (Von Mises) são largamente empregados para se verificar o escoamento de
materiais dúcteis, especialmente os metais.
A aplicação desses critérios, especialmente o de Von Mises, tem sido estendida
para a verificação da resistência à fratura de componentes estruturais mesmo feitos de
materiais dúcteis, pelas grandes empresas de aeronáutica.
O critério da máxima tensão normal (Rankine) não tem sido empregado por
essas empresas na análise da resistência à falha por escoamento ou fratura dos
componentes estruturais porque os mesmo são sempre construídos a partir de
materiais dúcteis e este critério apresenta bons resultados apenas para materiais
frágeis.
A figura 8.11 mostra uma comparação dos resultados de ensaios de alguns
materiais dúcteis e um material de comportamento frágil (ferro fundido) com os critérios
de falha estudados.
Os resultados do ferro fundido seguem o critério da máxima tensão normal, enquanto
os dados dos materiais dúcteis tendem a cair entre os critérios da máxima tensão de
cisalhamento e o da máxima energia de distorção. O critério da máxima tensão de
cisalhamento é mais conservador e com base em dados experimentais para metais
dúcteis, similares àqueles da figura 8.11, parecem representar um limite inferior que
freqüentemente não é violado.
A máxima diferença de 15% entre os critérios de Tresca e o de Von Mises é
relativamente pequena comparada com os fatores de segurança comumente usados e
com as varias incertezas normalmente envolvidas num projeto, tal que uma escolha
entre os dois não é um assunto de maior importância.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 8.28
Figura 8.11 Comparação entre resultados de ensaios e os critérios de falha para alguns materiais sob estado plano de tensões
REFERÊNCIAS
1. Boeing Design Manual, BDM-6035
2. Curtis, N.E., Fundamentals of Aircraft Structural Analysis, McGraw Hill, Boston,
3ª ed., 1997
3. Dowling, N.E., Mechanical Behavior of Materials, Pearson-Prentice Hall, Upper
Saddle River, New Jersey, 3ª ed., 2007.
4. Popov, E.P. Introdução à Mecânica dos Sólidos, Editora Edgard Blücher ltda.,
SP, 1996
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 A-1
APÊNDICE A
RESULTANTE DE UMA CARGA LINEAR
DISTRIBUÍDA
Neste apêndice apresentamos o cálculo da resultante de uma carga distribuída ao
longo de uma linha e da posição do seu ponto de aplicação.
A.1 RESULTANTE DA CARGA LINEAR DISTRIBUÍDA
A resultante de uma carga distribuída ao longo de uma linha é igual à área abaixo da
curva de carga e ela atua sobre o corpo e passa pelo centróide dessa área.
A figura A.1 mostra a posição do centróide de uma área arbitrária. A
determinação de suas coordenadas é apresentada a seguir.
Figura A.1 : posição do centróide C de uma área arbitrária
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
A-2
A
A
xdAxA xdA x
A (A.1)
A
A
ydAyA ydA y
A . (A.2)
A figura A.2 mostra uma carga linear distribuída arbitrária, a sua resultante R e a
posição do seu ponto de aplicação, segundo o eixo ao longo do qual a carga é aplicada.
Figura A.2 : Resultante de uma carga linear distribuída arbitrária e a posição de sua
linha de ação
A resultante R é a área abaixo da curva dada por y = y(x) porque
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
A-3
0( )
L
AR y x dx dA (A.3)
A posição x do centróide C dessa área é medida no eixo x e o seu valor é dado por
0( )
L
Axy x dxxdA
xA R
(A.4)
Exemplo A.1
Seja uma força linear distribuída uniformemente como mostra a figura abaixo.
Determinar a sua resultante a posição ao longo do eixo de coordenadas x do seu ponto
de aplicação.
Solução
a) Resultante:
A partir da equação (A.3) escrevemos
0( )
LR y x dx ,
onde:
( )y x w (constante).
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
A-4
Então, temos
0 0( )
L LR y x dx wdx R wL
b) Posição do ponto de aplicação da resultante:
A partir da equação (A.4) escrevemos
2
0 0 0( ) 2
2
L
L Lx
wxy x dx xwdx L
x xR wL wL
▲
Exemplo A.2
Considere uma força linear distribuída conforme a figura abaixo. Determine a sua
resultante e a posição do seu ponto de aplicação ao longo do eixo x.
Solução
a) Resultante:
Da figura podemos escrever
( )w
y x xL
.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
A-5
Pela equação (A.3) escrevemos
2
0 00
( )2 2
LL L w w x wL
R y x dx xdx RL L
Do resultado acima observamos que o valor da resultante R é igual à área do triângulo
que representa a distribuição da força sobre a viga.
b) Posição do ponto de aplicação da resultante:
A partir da equação (A.4) escrevemos
3
00 0( ) 3 2
32 2
L
LLxw wx xdxxy x dx L LLx x
wL wLR
▲
Exemplo A.3
Considere uma força linear distribuída conforme a figura abaixo. Determine a sua
resultante e a posição do seu ponto de aplicação ao longo do eixo x.
Solução
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
A-6
a) Resultante:
A partir da figura temos que a distribuição da força é dada por
500( ) 500 500 1 ( / )
xy x x N m
L L
Pela equação (A.3) escrevemos
0 0
500( ) 500 1 250 ( )
2
L L x LR y x dx dx R L N
L
b) Posição do ponto de aplicação da resultante:
A partir da equação (A.4) escrevemos
2 3
00 0 0
500 500500 1( ) 2 3
500 500 32 2
L LL
Lx xx
x dxxy x dx LL Lx x
L LR
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 B-1
APÊNDICE B
MOMENTO E PRODUTO DE INÉRCIA DE
ÁREA
Nesse apêndice apresentamos algumas notas sobre o Momento e o Produto de Inércia
de Área, os quais são usados no cálculo de flexão de vigas.
B.1 CENTRÓIDE DE UMA ÁREA
Consideremos a área da figura B.1 e um sistema de eixos cartesianos ortogonais
conforme indicado
Figura B.1 Posição do centróide C de uma área.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
B-2
A posição do centróide C da área, segundo o sistema de eixos adotado é dada
por
S S
S S
ydA zdA
Y ZdA dA
, (B.1)
No caso particular em que o sistema de coordenadas passa pelo centróide da
área, da figura B.1 podemos escrever
0Y Z (B.2)
A figura B.2 mostra o sistema de coordenadas passando pelo centróide da área.
Figura B.2 Eixos de coordenadas passando pelo centróide C da área.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
B-3
Considerando a equação (B.2) e as equações (B.1), podemos escrever
0 0S
S
S
ydA
Y ydAdA
(B.3)
0 0S
S
S
zdA
Z zdAdA
(B.4)
B.2 MOMENTO E PRODUTO DE INÉRCIA DE ÁREA
Considere a área da figura B.3 e o sistema de eixos xyz.
Figura B.3 Sistema de coordenadas cartesianas ortogonais xyz.
Define-se:
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
B-4
2y
S
I z dA (B.5)
2z
S
I y dA (B.6)
yz
S
I yzdA , (B.7)
onde ,y zI I são os momentos de inércia da área A em relação ao eixos y e z,
respectivamente e yzI é o produto de inércia da área A em relação aos eixo y e z. Das
equações acima observa-se que o momento de inércia e o produto de inércia de área
são dados em unidade de comprimento elevada à quarta potência.
Translação de eixos (Teorema dos eixos paralelos)
A figura B.4 mostra dois sistemas de eixos cartesianos paralelos xyz e x’y’z’. Vamos
mostrar como o momento de inércia e o produto de inércia da área em relação a um
sistema de coordenadas se relaciona com o outro sistema paralelo.
Figura B.4 Sistemas de eixos x’y’z’ paralelo ao sistema xyz.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
B-5
Da figura B.4, temos
y y b (B.8)
z z a . (B.9)
Substituindo (B.9) em (B.5), escrevemos
2 2 2( ) 2y
S S S S
I z a dA z dA a dA az dA
2 2 2S S
z dA a S a z dA . (B.10)
Aplicando-se a definição dada em (B.5), a equação (B.10) pode ser reescrita
2 2y y
S
I I a S a z dA . (B.11)
Substituindo (B.8) em (B.6), escrevemos
2 2 2( ) 2z
S S S S
I y b dA y dA b dA ay dA
2 2 2B B
y dA b S b y dA . (B.12)
Aplicando-se a definição dada em (B.6), a equação (B.12) pode ser reescrita
2 2z z
B
I I b S b y dA . (B.13)
Substituindo (B.8) e (B.9) em (B.7), escrevemos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
B-6
( )( )yz
S S S S S
I y b z a dA y z dA ay dA bz dA abdA
S S S
y z dA a y dA b z dA abS . (B.14)
Aplicando-se a definição dada em (B.7), a equação (B.14) pode ser reescrita
yz y z
A A
I I a y dA b z dA abS . (B.15)
Caso Especial
Quando um dos sistemas, por exemplo, o sistema x’y’z’, passa pelo centróide da
área, as equações (B.11), (B.13) e (B.15) se simplificam. Considere a figura B.5, com o
sistema x’y’z’ passando pelo centróide da área.
Figura B.5 Sistemas de eixos x’y’z’ paralelo ao sistema xyz e passando pelo centróide C da área.
Nesse caso, temos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
B-7
a Z b Y . (B.16)e
0S
y dA (B.17)
0S
z dA , (B.18)
porque o sistema x’y’z’ passa pelo centróide da área.
Com as simplificações dadas pelas equações (B.17) e (B.18) e considerando-se
(B.16), podemos escrever, a partir das equações (B.11), (B.13) e (B.15)
2y yI I Z S (B.19)
2z zI I Y S (B.20)
yz y zI I YZS (B.21)
Exemplo B.1
Dada a seção transversal, obter os seus momentos de inércia em relação ao
sistema de eixos passando pelo centróide, conforme indicado na figura B.6
Figura B.6 Exemplo B.1
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
B-8
Solução
Cálculo do momento de inércia yI :
222 2 3 3
22
1
3 12
hh
y yhS h
bI z dA z bdz z I bh
(B.22)
Cálculo do momento de inércia zI :
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
B-9
222 2 3 3
22
1
3 12
bb
z zbS b
hI y dA y hdz z I hb
(B.23)
▲
Exemplo B.2
Determinar a posição do centróide da seção transversal dada pela figura e os
momentos de inércia da área da seção em relação aos eixos y e z passando por esse
ponto, conforme indicado na figura B.7.
Figura B.7 Exemplo B.2
Solução
Posição do centróide da seção:
Adotamos um sistema de referência segundo o qual será posicionado o centróide C da
seção, conforme mostra a figura a seguir.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
B-10
1 2,C C são os centróides das áreas (1) e (e), respectivamente.
Y = 0 (o eixo z é um eixo de simetria, portanto, passa pelo centróide da área A)
1 2A A A , onde
21 (10)(30) 300A mm
22 (10)(40) 400A mm
Da figura acima temos
1 15z mm (posição do centróide 1C da área 1A )
2 35z mm (posição do centróide 2C da área 2A )
Da equação (B.1), com os valores acima, obtemos
1 1 2 2
1 2
(300)(15) (400)(35)26, 4
300 400
A z A zZ Z mm
A A
Y=0 porque o eixo z é um eixo de simetria, portanto pelo centróide da seção A.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
B-11
Momento de inércia em relação aos eixos passando centróide C da seção:
Em relação ao eixo y:
O momento de inércia em relação a um eixo paralelo ao eixo y e passando pelo
centróide iC da área iA é obtido pela equação (B.22). No nosso caso 1,2i .
3 41
1(10)(30) 22500
12yI mm (eixo y é paralelo ao eixo y e passa por 1C )
3 42
1(40)(10) 3333,3
12yI mm (eixo y é paralelo ao eixo y e passa por 2C )
Aplicando-se a equação (B.19), com os seguintes valores obtidos da figura acima:
1 15 26,4 15 11,4d Z mm (posição do centróide 1C em relação ao eixo y)
2 35 35 26,4 8,6d Z mm (posição do centróide 2C em relação ao eixo y)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
B-12
obtemos
2 2 41 1 1 1 22500 (11,4) (300) 61488
y yI I d A mm
2 2 42 2 2 2 3333,3 (8,6) (400) 32917,3
y yI I d A mm
O momento de inércia da área total 1 2A A A em relação a um eixo é a soma
dos momentos de inércias de cada área, em relação ao mesmo eixo. Portanto,
41 2 61488 32917,3 94405,3y yy y
I I I I mm
Em relação ao eixo z:
O momento de inércia em relação a um eixo paralelo ao eixo z e passando pelo
centróide iC da área iA é obtido pela equação (B.23). No nosso caso 1,2i .
3 41
1(30)(10) 2500
12zI mm (eixo z é paralelo ao eixo z e passa por 1C )
3 42
1(10)(40) 53333,3
12zI mm (eixo z é paralelo ao eixo z e passa por 2C )
Como o eixo z passa pelos centróides 1 2,C C temos
2 2 41 1 10 2500 (0) (300) 2500
z zI I A mm
2 2 42 2 20 53333,3 (0) (400) 53333,3
z zI I A mm
O momento de inércia total da área em relação ao eixo z é dado pela soma dos
momentos de inércias da cada área em relação ao mesmo eixo z:
41 2 2500 53333,3 55833,3z zz z
I I I I mm ▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
B-13
Exemplo B.3
Determinar os momentos e produto de inércia da área do círculo definido pela
circunferência de diâmetro d.
Solução
Momento de inércia em relação ao eixo z:
Definimos a área elementar dA como
dA rd dr ,
a qual é ilustrada na figura a seguir.
Escrevemos as coordenadas y e z em termos do ângulo como a seguir.
siny r cosz r
Pela definição do momento de inércia de área, escrevemos
/ 2 22 22
0 0sin sin
d
z
S S
I y dA r dA r rd dr
/ 24/ 2 2 23 2 2
0 0 00
sin sin4
dd r
r d dr d
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
B-14
Como 2 2cos 2 cos sin e 2 21 cos sin , podemos escrever
2 1 1sin cos 2
2 2 .
Substituindo na integral anterior, escrevemos
/ 24 4 42 22
0 00
1 1sin cos 2
4 64 2 2 64
d
z z
r d dI d d I
De momo semelhante, obtemos 4
64y
dI
Da definição do produto de inércia de área, escrevemos
/ 2 2 / 2 23
0 0 0 0sin cos sin cos
d d
yz
S
I yrdA r r rd dr r dr d
Mas, como 1
sin cos sin 22
, podemos reescrever a expressão acima como a seguir.
/ 2 24 4/ 2 2 23
0 0 000
0
1 1 1sin cos sin 2 cos 2 0
4 2 64 2 2
dd
yz yz
r dI r dr d d I
▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
B-15
Comentários:
Eixos Principais de inércias são os eixos em relação aos quais o produto de inércia
da área é nulo. O produto de inércia em relação a um eixo de simetria da seção é nulo,
como podemos observar pelo exemplo B.3. Isso ocorre porque o eixo de simetria é um
eixo principal de inercial.
B.3 PRIMEIRO MOMENTO DE ÁREA Consideremos a seção transversal da figura B.8. O primeiro momento de área da área
A em relação ao eixo z do sistema de coordenadas adotado é definido por
2
1
y
ym ydA . (B.24)
Figura B.8 Primeiro momento de área de A’ em relação ao eixo z.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
B-16
Exemplo B.4
Seja a seção transversal dada como na figura abaixo.
Determinar o primeiro momento de área da área A’ em relação ao eixo z.
Solução
Da equação (B24) escrevemos
2h
ym y dA ,
onde dA bdy e y’ é a variável de integração. Então,
22 22 2
2 2 4
h
h
y
y
y b hm y bdy b m y
Comentário:
O momento de área m obtido em relação ao eixo z é uma função da coordenada
y. Assim, observamos que o seu valor máximo ocorre para 0y , ou seja, quando A’ é
toda a área acima do eixo z:
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
B-17
2 220
2 4 8
b h bhm m
▲
Da equação (B.1) que nos dá a posição do centróide de uma área em relação a
um dos eixo do sistema de coordenadas podemos escrever o primeiro momento da
área A definido pela equação (B.24) como
Am A y , (B.25)
onde Ay é a posição do centróide da área A em relação ao eixo z, conforme mostra a
figura B.9
Figura B.9 Posição do centróide da área A’ em relação ao eixo z.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
B-18
Exemplo B.5
Resolver o exemplo B.5 considerando-se o centróide da área A’.
Solução
1
2 2
hy y
2
hA b y
Com os dado acima na equação (B.25), escrevemos
221
2 2 2 2 4A
h h b hm A y b y y m y
Da própria definição do primeiro momento de área de uma área A’ em relação a
um eixo, por exemplo z, podemos concluir que o resultado pode também ser obtido
somando-se os momentos de área da cada porção da área A’ em relação ao mesmo
eixo z.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
B-19
Exemplo B.6
Seja a seção transversal simétrica dada por
Determinar o primeiro momento de área a área acima do eixo z em relação a esse eixo.
Solução
21 0,300 0,02 0,0060A m 1
0,020,100 0,110
2y m
22 0,100 0,015 0,0015A m 2
0,1000,050
2y m
4 31 2 0,0060 0,110 0,0015 0,050 7,35 10m m m m m ▲
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013 C.1
APÊNDICE C
TENSOR DEFORMAÇÃO
C.1 TENSOR DEFORMAÇÃO DE GREEN
A melhor maneira de se descrever a teoria da deformação de um meio contínuo é
através da noção de transformação. Uma transformação implica em deslocamento e
mudança de forma. Então, devemos saber descrever um sólido numa configuração
inicial e, após a transformação, na configuração final. Nesse texto entende-se por
configuração inicial a configuração indeformada e por configuração final a configuração
deformada.
Considere o sólido da figura C.1. As duas configurações, inicial e final, são
descritas segundo o mesmo sistema de coordenadas Cartesianas retangulares. Os
pontos materiais do sólido e suas coordenadas na configuração indeformada são
representados por letras maiúsculas, enquanto que os mesmos pontos e suas novas
coordenadas na configuração deformada são representados por letras minúsculas.
Onde for conveniente, os vetores serão descritos por matrizes colunas .
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-20012
C.2
Figura C.1 Sólido antes e depois da deformação.
Em qualquer instante t a configuração do sólido é expressa em função da
configuração indeformada por meio da transformação
, , ,r r X Y Z t
, (C.1)
onde r r
é o vetor posição de um ponto p no sólido deformado, o qual corresponde
ao ponto P(X,Y,Z) na configuração indeformada.
Para um dado ponto P, ou seja, para um dado valor fixo das coordenadas X,Y e
Z, a relação (3.34) nos fornece a trajetória da partícula material associada a esse ponto
geométrico.
Como o conceito de deformação envolve apenas a comparação entre duas
configurações (no nosso caso, entre a configuração deformada e a configuração
indeformada) o tempo gasto ou a trajetória percorrida pelas partículas entre as duas
configurações são irrelevantes. Podemos, então, escrever
, ,r r X Y Z
, (C.2)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-20012
C.3
omitindo-se a dependência do tempo. A relação (3.35) significa uma transformação da
configuração indeformada na configuração deformada.
Sejam , ,P X Y Z e , ,Q X dX Y dY Z dZ dois pontos vizinhos, infinitamente
próximos, na configuração indeformada. Quando agentes externos, como forças ou
variação de temperatura, são aplicados, o sólido se deforma e os pontos materiais P e
Q se deslocam de u
e u du
, respectivamente, para as suas novas posições , ,p x y z
e , ,q x dx y dy z dz na configuração deformada.
Da figura C.1 observamos que o vetor PQ dR
muda (comprimento e/ou
direção) para o vetor pq dr
. Isso significa que o segmento de reta PQ , após a
transformação, continua um segmento de reta pq . Essa hipótese é possível, como
veremos a seguir, devido ao comprimento infinitesimal desse segmento de reta.
Figura C.2 Reprodução da figura C.1 com mais detalhes.
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-20012
C.4
Da figura C.2 podemos escrever
r R u (C.3)
dr dR du , (C.4)
onde
x X u
r y R Y u v
z Z w
, (C.5)
dx dX du
dr dy dR dY du dv
dz dZ dw
, (C.6)
Como já vimos na seção 3.1, o vetor deslocamento u tem, no sistema de
coordenadas cartesianas adotado, as seguintes componentes
( , , )u u X Y Z
( , , )v v X Y Z
( , , )w w X Y Z , (C.7)
as quais são funções contínuas e diferenciáveis. O componente ( , , )u u X Y Z não deve
ser confundido com o vetor u . Então, podemos escrever essas funções em pontos
vizinhos de um ponto conhecido, por meio de uma expansão em série de Taylor dessas
funções deslocamentos
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-20012
C.5
( , , ) 0( , , )u u u
u u u X Y Z dX dY dZ dX dY dZX Y Z
( , , ) 0( , , )v v v
v v v X Y Z dX dY dZ dX dY dZX Y Z
( , , ) 0( , , )w w w
w w w X Y Z dX dY dZ dX dY dZX Y Z
, (C.8)
onde 0 , ,dX dY dZ representa os termos infinitesimais de ordem superior, os quais
dependem dos produtos das quantidades infinitesimais , ,dX dY dZ . Sendo assim,
podemos desprezar esses termos em relação aos demais nas séries (C.8) escrevemos
u u uu du dX dY dZ
X Y Z
v v vv dv dX dY dZ
X Y Z
w w ww dw dX dY dZ
X Y Z
,
as quais, por definição, são as diferenciais totais das funções u, v e w, respectivamente.
Na forma matricial
u u udX dY dZ
X Y Zduv v v
dv dX dY dZX Y Z
dww w w
dX dY dZX Y Z
. (C.9)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-20012
C.6
Considerando-se (C.4), (C.6) e (C.9),escrevemos
u u udX dY dZ
X Y Zdx dX du dx dXv v v
dy dY dv dy dY dX dY dZX Y Z
dz dZ dw dz dZw w w
dX dY dZX Y Z
Fazendo-se a soma das matrizes acima obtemos
1
1
1
u u udX dY dZ
X Y Zdx
v v vdy dX dY dZ
X Y Zdz
w w wdX dY dZ
X Y Z
, (C.10)
ou
1
1
1
u u u
X Y Zdx dX
v v vdy dY
X Y Zdz dZ
w w w
X Y Z
. (C.11)
A equação (C.11) pode ser vista como uma operação, a qual transforma um
vetor TdR dX dY dZ de comprimento dS em outro vetor Tdr dx dy dz de
comprimento ds . Esse tipo de operação é denominado de transformação linear.
É a linearização das equações (C.8), ao desprezarmos os termos infinitesimais
de ordem superior, que nos permite assumir que o vetor dR é transformado em outro
vetor dr e não em uma curva. Essa linearização é possível e válida porque o ponto Q
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-20012
C.7
é infinitamente próximo do ponto P, ou seja, , ,dX dY dZ são distâncias infinitesimais
(consequentemente, a magnitude dS do vetor dR é infinitesimal).
A matriz quadrada da equação (C.11), que representa o operador da
transformação linear, é obtida derivando-se as funções deslocamentos no ponto
, ,P X Y Z em relação às coordenadas X,Y,Z do sistema na configuração indeformada.
A equação (C.11) pode ser reescrita como
1 0 0
0 1 0
0 0 1
u u u
X Y Zdx dXv v v
dy dYX Y Z
dz dZw w w
X Y Z
. (C.12)
Definindo-se
1 0 0
0 1 0
0 0 1
I
u u u
X Y Zv v v
HX Y Zw w w
X Y Z
, (C.13)
a equação (C.12) pode ser escrita como
dx dX
dy I H dY
dz dZ
. (C.14)
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-2013
EST-10 Mecânica dos Sólidos ITA-20012
C.8
A matriz I é a matriz identidade e H é o gradiente dos deslocamentos em
relação às coordenadas Lagrangianas (coordenadas dos pontos materiais do sólido na
configuração indeformada).
A equação (C.9) pode ser reescrita como a seguir:
u u u
X Y Zdu dXv v v
dv dYX Y Z
dw dZw w w
X Y Z
, (C.15)
ou, considerando-se (C.6) e (C.13),
du H dR . (C.16)
A partir das equações (C.15) ou (C.16) observamos que H representa um
operador que realiza uma transformação linear entre os vetores dR e du . Portanto,
H é um tensor de segunda ordem, pois transforma um vetor em um outro vetor.
De (C.2) e (C.5) podemos escrever
, ,
, , , ,
, ,
x x x X Y Z
r r X Y Z e r y y y X Y Z
z z z X Y Z
. (C.17)
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C.9
Assim, temos
x x xdx dX dY dZ
X Y Z
y y ydy dX dY dZ
X Y Z
z z zdz dX dY dZ
X Y Z
, (C.18)
ou, na forma matricial
x x x
X Y Zdx dXy y y
dy dYX Y Z
dz dZz z z
X Y Z
. (C.19)
Levando-se em conta (C.6), a equação (C.19) pode ser escrita na forma mais compacta
r
dr dRR
, (C.20)
onde
x x x
X Y Zr r r r y y y
R X Y Z X Y Zz z z
X Y Z
. (C.21)
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C.10
Fazendo-se
x x x
X Y Zr y y y
FR X Y Z
z z z
X Y Z
, (C.22)
onde F é definido como o tensor gradiente da transformação, ou matriz jacobiana
da transformação , ,r r X Y Z
, escrevemos
dr F dR . (C.23)
Das equações (C.14) e (C.19) temos
x x x
X Y Zdx dX dXy y y
dy dY I H dYX Y Z
dz dZ dZz z z
X Y Z
. (C.24)
Considerando-se o tensor gradiente da transformação definido em (C.22), escrevemos
x x x
X Y Zy y y
F I HX Y Zz z z
X Y Z
. (C.25)
O tensor F é a quantidade chave para quantificar a deformação, pois ele é o
operador que transforma o vetor TdR dX dY dZ na configuração indeformada,
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C.11
no vetor Tdr dx dy dz na configuração deformada. Esses vetores representam a
posição de pontos vizinhos infinitamente próximos do ponto onde queremos definir a
deformação, na configuração indeformada e na configuração deformada,
respectivamente, conforme mostra a figura C.1.
Tensor Deformação de Green
Da figura C.1, temos que o comprimento dos vetores dR e dr são dS e ds ,
respectivamente.
Como o quadrado do módulo de um vetor é o resultado do produto escalar desse
vetor por ele mesmo, escrevemos
2 TdS dR dR (C.26)
2 Tds dr dr . (C.27)
Substituindo (C.23) em (C.27), obtemos
2 T TTds F dR F dR dR F F dR . (C.28)
Subtraindo (C.26) de (C.28), escrevemos
2 2 TT Tds dS dR F F dR dR dR
TTdR F F I dR . (C.29)
Dividindo ambos os membros de (C.29) por 22dS , obtemos
2 2
22 2
TTTF F IdR dRds dS
N e NdS dS dS
, (C.30)
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C.12
onde N dR dS é um vetor unitário na direção de dR e e é o tensor
deformação de Green. A expressão (C.30) representa uma medida de deformação de
uma “fibra” num sólido, no ponto P(X,Y,Z), segundo a direção de PQ dR
, a qual é a
mesma direção do vetor unitário N .
O fator 1 2 é inserido em (C.30) por conveniência, em virtude das interpretações
geométricas desse tensor, quando consideramos o estudo de pequenas deformações
decorrentes da hipótese de pequenos gradientes de deslocamentos.
À primeira vista pode parecer estranha essa medida de deformação de uma
“fibra”, pois como já vimos, a medida mais natural é o seu alongamento relativo,
definido em (3.2). Mas, ela se mostra muito conveniente do ponto de vista matemático
no estudo da deformação na Mecânica dos Sólidos e, como veremos mais adiante, no
caso de pequenas deformações ela conduz aos mesmos resultados obtidos quando se
considera o alongamento linear definido em (3.2).
Considerando-se (C.25) e (C.30), escrevemos para o tensor e , segundo as
coordenadas cartesianas X,Y,Z
2 2
T T TF F I H H H H
e
. (C.31)
A quantidade e é um tensor de segunda ordem simétrico. A sua simetria pode
ser verificada como a seguir: a partir de (C.31) escrevemos
2 2 2
TT T TTF F I F F I F F I
e e
.
Portanto,
Te e e é simétrico. (C.32)
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C.13
Relações deformação-deslocamento
Como as matrizes F e H envolvidas na definição do tensor e são obtidas
por derivações em relação às coordenadas Lagrangianas X,Y,Z (configuração
indeformada), definimos as componentes do tensor deformação de Green, ressaltando
essas coordenadas, da seguinte maneira, já considerando a sua simetria:
X XY XZ
XY Y YZ
XZ YZ Z
e e e
e e e e
e e e
. (C.33)
Substituindo (C.13) no lugar de H na definição (C.31) e considerando (C.33),
obtemos as seguintes relações deformação-deslocamento:
2 2 21
2X
u u v we
X X X X
2 2 21
2Y
v u v we
X Y Y Y
2 2 21
2Y
w u v we
Z Z Z Z
1 1
2 2XY
u v u u v v w we
Y X X Y X Y X Y
1 1
2 2XZ
u w u u v v w we
Z X X Z X Z X Z
1 1
2 2YZ
v w u u v v w we
Z Y Y Z Y Z Y Z
. (C.34)
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C.14
Na seção 3.5, devido à hipótese de pequenas deformações, não foi feita uma
distinção entre as coordenadas na configuração indeformada e as coordenadas na
configuração deformada, mas todas as operações matemáticas desenvolvidas foram
em relação às coordenadas na configuração indeformada. Assim, podemos comparar
os resultados apresentados em (3.34) com os das relações (C.34).
Dessa comparação observamos que as componentes do tensor de Green
possuem uma parcela não linear, a qual é representada pelos produtos dos gradientes
dos deslocamentos. Mas, se considerarmos a “hipótese de pequenas mudanças na
configuração”, onde os gradientes de deslocamentos são pequenos de modo que
podemos desprezar os seus produtos, escrevemos para pequenas deformações as
seguintes relações linearizadas:
X X
ue
X
Y Y
ve
Y
Z Z
we
Z
2 2XY XY XY
u ve
Y X
2 2XZ XZ XZ
u we
Z X
2 2YZ YZ YZ
v we
Z Y
(C.35)
Das relações (C.35) vemos que a quantidade conhecida como deformação
angular ou de cisalhamento , normalmente usada na engenharia, é o dobro da
componente correspondente do tensor deformação de Green, para pequenos
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C.15
gradientes de deslocamentos. Os componentes , , , , ,x y z XY XZ YZ dados em (C.35)
constituem o chamado tensor deformação de Cauchy.
É comum denominarmos os componentes , ,X Y Ze e e ou , ,X Y Z de deformação
normal e , ,XY XZ YZe e e ou , ,XY XZ YZ de deformação de cisalhamento.
Da equação (C.30) escrevemos
2 2
22Tds dS
N e NdS
. (C.36)
Essa medida de deformação é conhecida como alongamento quadrático. A
escolha de uma definição de deformação é uma questão de conveniência. Na Mecânica
dos Sólidos a medida de deformação preferida é o alongamento quadrático ou de
Green, cujo tensor e associado, além de englobar os componentes de deformação
normal e de cisalhamento, facilita, por exemplo, todas as operações que envolvem
mudanças de coordenadas.
De (C.36) observamos que se num dado ponto do sólido nenhuma “fibra” muda
de comprimento, então ds dS e
0 0T
N e N e , (C.37)
porque e é uma matriz simétrica e N é um vetor unitário qualquer, conforme
demonstração apresentada na seção 2.8, equação (2.117). Portanto, uma condição
necessária e suficiente para variação nula no comprimento de uma fibra genérica é que
0e . Se isso ocorrer, verificamos pela equação (C.63) que a deformação angular
também será nula.
Então, podemos concluir que o tensor e é uma boa medida da deformação
num ponto de um sólido.
Das equações (C.30) e (C.37) também observamos que se não há variação no
comprimento da “fibra”, ds dS , podemos escrever
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C.16
02
TF F I
e
, (C.38)
o que implica em
e ortogonal0
T T F IF F I F F I
F I
Quando F I a ausência de deformação é devida a movimento de corpo
rígido em translação, pois
dr F dR dr I dR dR
Quando F é ortogonal em todos os pontos do sólido, então a ausência de
deformação é devida a movimento de corpo rígido por rotação.
Comentários:
Nenhum princípio da física é necessário para se definir deformação. É um
conceito puramente geométrico.
Podemos usar a série de Taylor para se escrever, na vizinhança do ponto
P(X,Y,Z)
2
2!P P
PP P
R R R R
R Rr rr r R R
R R R
2
2!P PP R R R R
dRr F dR F
R
(C.39)
A série pode ser truncada após o termo linear considerando-se um ponto Q
infinitamente próximo de P
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C.17
P P
P PR R R Rr r F dR dr r r F dR
(C.40)
Como já havíamos visto, a linearização da expansão em série de Taylor nos garante
que o vetor infinitesimal dR se transforme, com a aplicação de F , num vetor dr e
não numa curva.
Mas, se F independe das coordenadas X,Y,Z, ou seja, o campo de
deformação é homogêneo (uniforme), a linearização será sempre válida
independentemente se a distância entre os pontos P e Q for infinitesimal ou finita,
porque as derivadas de F serão nulas e consequentemente anularão os termos não
lineares da série (C.39).
No caso de movimento de corpo rígido, F também independe das
coordenadas X,Y,Z e assim, podemos escrever para qualquer ponto do sólido
PR R
dr F dR
, (C.41)
onde F I (translação) ou F I mas é ortogonal (rotação).
Para o estabelecimento das relações deformação-deslocamento linearizadas foi
admitida a “hipótese de pequenas mudanças na configuração”. Esta hipótese
implica em que as componentes de deformações e os gradientes de
deslocamentos sejam quantidades muito pequenas quando comparadas com a
unidade. Mas essa hipótese não impõe nenhuma restrição à magnitude dos
deslocamentos, apenas obriga as rotações e as deformações do elemento
infinitesimal dR (figura C.1) serem pequenas quantidades.
Pelas equações (C.35) vemos que, se os gradientes dos deslocamentos são
pequenos, obrigatoriamente a deformação é pequena. No entanto, se a
deformação for pequena, nada se poderá afirmar quanto à magnitude dos
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C.18
gradientes do deslocamento, principalmente daqueles relacionados à rotação do
sólido. Para ilustrar essa situação, considere uma barra metálica muito delgada,
como na figura C.3.
Figura C.3 Viga sob pequena deformação, mas grande rotação.
A barra é engastada numa extremidade e sujeita a uma carga-momento
na extremidade livre. A barra se deforma, aproximadamente, segundo um arco
de circunferência. A extremidade livre pode sofrer uma rotação tão grande
quanto radianos (180º), como indica a figura e ainda apresentar deformações
tão pequenas que nenhuma deformação permanente ocorrerá. Nesse problema
é necessário considerar as componentes de deformação de Green completas, ou
seja, com as parcelas não lineares.
C.2 INTERPRETAÇÃO GEOMÉTRICA DAS COMPONENTES DO
TENSOR DEFORMAÇÃO DE GREEN
Como foi definido anteriormente, o alongamento quadrático ou de Green que
representa uma medida da deformação normal de uma “fibra” do sólido, num ponto P e
originalmente na direção N é dado por
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C.19
2 2
22Tds dS
N e NdS
. (C.42)
Se escolhermos um sistema de coordenadas X,Y,Z Cartesianas retangulares, tal
que o eixo X, por exemplo, seja paralelo ao vetor unitário N , temos
1
0
0
N
(C.43)
N NY NZ
NY Y YZ
NZ YZ Z
e e e
e e e e
e e e
. (C.44)
Substituindo-se (C.43) e (C.44) em (C.42)
2 2
2
1
1 0 0 02
0
N NY NZ
NY Y YZ N
NZ YZ Z
e e eds dS
e e e edS
e e e
. (C.45)
De (C.45) podemos escrever
2 2
21 2
2 N N
ds dSe ds e dS
dS
. (C.46)
Da definição de alongamento relativo linear (3.2) escrevemos
1N N
ds dSds dS
dS
. (C.47)
Comparando-se (C.46) com (C.47) temos
211 2 1
2N N N N Ne dS dS e . (C.48)
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C.20
De (C.48) observamos que o componente de deformação normal do tensor
deformação de Green, na direção de uma “fibra” é igual ao alongamento relativo ou
específico dessa “fibra” mais a metade do seu quadrado.
Portanto, a interpretação geométrica dos componentes de deformações normais
do tensor deformação de Green conforme a equação (C.48) escrita para “fibras” cujas
direções N são paralelas a cada um dos três eixos do sistema de coordenadas
adotado são conforme a seguir:
21
2X X Xe
21
2Y Y Ye
21
2Z Z Ze . (C.49)
Para a interpretação dos componentes de deformação de cisalhamento do tensor
de Green considere dois segmentos de retas mutuamente perpendiculares, passando
pelo ponto P(X,Y,Z) e pelos pontos infinitamente próximos de P, 1Q e 2Q , tais que
11PQ dR
(C.50)
22PQ dR
. (C.51)
Os vetores unitários nas direções de 1PQ
e 2PQ
são N
e S
, respectivamente.
Assim, podemos escrever
11
1N dR
dS (C.52)
22
1S dR
dS , (C.53)
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C.21
onde 1dS e 2dS são os módulos dos vetores 1PQ
e 2PQ
, respectivamente.
Após a deformação, os vetores 1PQ
e 2PQ
se transformam nos vetores 1pq
e
2pq
, respectivamente, e o ângulo entre eles, que era originalmente 2 radianos,
passa a ser .
Então, o produto escalar entre esses dois vetores se escreve
1 2 1 21 2 cosT
pq pq dr dr ds ds
. (C.54)
Pela equação (C.23) e como estamos considerando vetores no mesmo ponto P(X,Y,Z)
a matriz F , gradiente da transformação, é a mesma para os dois vetores, podemos
escrever
1 1dr F dR (C.55)
2 2dr F dR . (C.56)
Substituindo-se (C.55) e (C.56) em (C.54) escrevemos
1 2 1 21 2 cosT
pq pq F dR F dR ds ds
(C.57)
ou
1 2 1 2 cosTT
dR F F dR ds ds . (C.58)
Da definição (C.31) escrevemos
22
TTF F I
e F F e I
. (C.59)
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C.22
Substituindo-se (C.52), (C.53) e (C.59) em (C.58) obtemos
1 2 1 22 cosT
dS N e I dS S ds ds . (C.60)
Efetuando-se as operações indicadas na equação (C.60)
1 2 1 2 1 22 cosT T
dS dS N e S dS dS N S ds ds . (C.61)
Como os vetores unitários N e S são ortogonais o seu produto escalar TN S é
nulo e a equação (C.61) escreve-se
1 2 1 22 cosT
dS dS N e S ds ds . (C.62)
Como queremos interpretar o significado geométrico dos componentes de
deformação angular do tensor e , escolhemos, por exemplo, o sistema de
coordenadas cartesianas X,Y,Z tal que o eixo X seja paralelo a N e o eixo Y seja
paralelo a S . Assim, podemos escrever
1 0 0 1
0
N NS NZT
NS S SZ NS
NZ SZ Z
e e e o
N e S e e e e
e e e
. (C.63)
Substituindo (C.63) em (C.62)
1 21 2 1 2
1 2
2 cos cos2NS NS
ds dsdS dS e ds ds e
dS dS . (C.64)
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C.23
Mas, de (C.46), escrevemos
1 11 2 Nds e dS (C.65)
2 21 2 Sds e dS . (C.66)
Substituindo (C.65) e (C.66) em (C.64), obtemos
11 2 1 2 cos
2NS N Se e e . (C.67)
Pela definição (3.9), a deformação angular ou de cisalhamento usada na engenharia é
dada por
cos2 NS NSsen . (C.68)
Substituindo (C.68) em (C.67) escrevemos
11 2 1 2
2NS N S NSe e e sen . (C.69)
A expressão (C.69) nos dá o significado geométrico da componente de
deformação angular ou de cisalhamento do tensor deformação de Green. Portanto,
observamos que ela depende do seno da variação do ângulo entre os segmentos de
retas considerados no estudo. O resultado de (C.69) pode ser escrito para “fibras” cujas
direções N e S sejam paralelas, respectivamente, a cada dois dos três eixos
mutuamente ortogonais do sistema de coordenadas adotado. Então, temos
11 2 1 2
2XS X Y XYe e e sen
11 2 1 2
2XZ X Z XZe e e sen
11 2 1 2
2YZ Y Z YZe e e sen . (C.70)
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C.24
Pequenas deformações
Para a maioria dos problemas de engenharia as deformações podem ser
consideradas desprezíveis quando comparadas com a unidade. Em geral são menores
que 0,1%, ou seja, as máximas são da ordem de 310 . Nesses casos, podemos fazer as
seguintes simplificações:
De (C,48) escrevemos
2
2 2
2
1
2, 1 , 01
2
N N N N
N S N S
S S S S
e
e
(C.71)
Com os resultados de (C.71) considerados em (C.69), podemos escrever
1 2 1 1
, 121 2 1
NN N S S NS NS
S
ee e e sen
e
. (C.72)
Como a hipótese de pequenas deformações inclui também as deformações
angulares, as quais são dadas em radianos, reescrevemos (C.72)
1
2NS NS NS NS NS NSpequeno sen e . (C.73)
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C.25
Concluímos, portanto, que para pequenas deformações, as interpretações
geométricas dos componentes do tensor deformação de Green e são as seguintes:
a) Os componentes de deformação normais são os alongamentos relativos de
“fibras” originalmente nas direções dos eixos X,Y,Z, conforme (C.71).
b) Os componentes de deformação angular ou de cisalhamento são a metade das
variações dos ângulos, originalmente retos, entre as “fibras” nas direções desses
eixos, aos pares, conforme (C.73)
Desse modo podemos escrever
1 1
2 21 1
2 21 1
2 2
X XY XZ
XY Y YZ
XZ YZ Z
e
(C.74)
Na verdade já tínhamos chegado ao resultado acima quando obtivemos as
relações deformação-deslocamento e consideramos a hipótese de pequenos gradientes
de deslocamentos, conforme (C.35)
Exemplo C.1
Se a deformação longitudinal N , conforme a definição (3.2), tem os valores
dados abaixo, calcule a deformação dada pelo alongamento quadrático ou de Green
21
2N N Ne , conforme (C.48), e compare os resultados com os valores dados.
410 10N (um elemento de máquina típico)
43 10N (um componente estrutural)
210 10N (um elemento de plástico “macio”)
110 10N (um elemento de borracha).
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C.26
Solução
a) 410 10N
22 4 4 41 110 10 10 10 0,0010005 10 10
2 2N N N N N Ne e e
0,001 0,0010005100% 100% 0,05%
0,0010005N N
N
e
e
b) 43 10N
22 4 4 41 13 10 3 10 0,000300045 3 10
2 2N N N N N Ne e e
0,0003 0,000300045100% 100% 0,015%
0,000300045N N
N
e
e
c) 210 10N
22 2 2 21 110 10 10 10 0,1050 10,5 10
2 2N N N N Ne e e
2 2
2
10 10 10,5 10100% 100% 4,8%
10,5 10N N
N
e
e
d) 110 10N
22 1 1 11 110 10 10 10 1,5 15 10
2 2N N N N Ne e e
1 1
1
10 10 15 10100% 100% 33%
15 10N N
N
e
e
▲
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C.27
C.3 TRANSFORMAÇÃO DE COORDENADAS
Como veremos a seguir, a tarefa de se obter os componentes de deformação, dados
segundo um sistema de coordenadas cartesianas ortogonais X,Y,Z, num outro sistema
cartesiano ortogonal X’,Y’,Z’ rotacionado em relação ao primeiro, é facilitada
enormemente quando consideramos um tensor deformação. Como já foi mencionado e
definido na seção C.1, o tensor deformação de Green é o mais usado na Mecânica dos
Sólidos.
Do mesmo modo como já foi feito para as tensões, consideremos que os dois
sistemas de coordenadas se relacionam através dos cossenos dos ângulos entre os
seus eixos, da seguinte maneira:
Então, escrevemos a matriz
11 12 13
21 22 23
31 32 33
a a a
a a a a
a a a
(C.75)
de modo que, como já vimos na seção 2.8 os componentes de um vetor segundo o
novo sistema X’Y’Z’ são obtidos a partir da componentes no sistema original XYZ da
seguinte maneira:
V a V . (C.76)
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C.28
Com a mudança de coordenadas, o alongamento quadrático de uma “fibra” do
sólido permanece inalterado, ou seja, 2 2
22
ds dS
dS
independe do sistema de coordenadas
utilizado.
De (C.30), escrevemos para o sistema XYZ
2 2
22Tds dS
N e NdS
(C.77)
e para o sistema X’Y’Z’
2 2
22Tds dS
N e NdS
. (C.78)
Comparando (C.77) com (C.78), temos
T TN e N N e N . (C.79)
De (C.76), escrevemos para o vetor N ,
N a N
e substituindo em (C.79), escrevemos
T TT TN e N a N e a N N a e a N . (C.80)
Então, agrupando-se os termos, obtemos
0TT
N e a e a N . (C.81)
Como matriz Ta e a é simétrica, porque e simétrica, ou seja,
T TT T T T T T T
a e a a e a a e a a e a , (C.82)
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C.29
e a matriz e também é simétrica, conforme (C.32), então, Te a e a também é
simétrica. Assim, para que (3.114) seja válida para qualquer vetor N , conforme
demonstração apresentada na seção 2.8, equação (2.117), temos
0T T
e a e a e a e a . (C.83)
Pré-multiplicando por a e pós-multiplicando por Ta os dois lados da equação (C.83)
e levando-se em conta que a matriz a é ortogonal , ou seja, T Ta a a a I ,
obtemos
Te a e a . (C.84)
Esse resultado já era esperado, pois sendo e um tensor de segunda ordem, os
seuss componentes se transformam de um sistema de coordenadas para outro sistema,
conforme (2.127).
Quando estivermos considerando pequenas deformações, não devemos
esquecer que os componentes do tensor deformação são dadas pela expressão (C.74),
onde os componentes de cisalhamento do tensor são a metade daqueles
correspondentes considerados na engenharia, ou seja, 2NS NS :
1 1
2 21 1
2 21 1
2 2
X XY XZ
XY Y YZ
XZ YZ Z
. (C.85)
Então, para pequenas deformações, a equação (C.84) escreve-se
Ta a . (C.86)
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C.30
C.4 DEFORMAÇÕES PRINCIPAIS
Como foi visto na seção 2.6 para as tensões, um tensor de segunda ordem pode ser
definido como um operador linear que transforma um vetor num outro vetor. De maneira
análoga à expressão (2.38) que apresenta o vetor tensão t atuando num ponto do
sólido sobre um plano, cuja orientação é dada pelo vetor unitário normal , como o
resultado de uma transformação linear do operador tensor tensão T sobre o vetor
t T ,
podemos também introduzir o “vetor deformação” E como
E e N , (C.87)
onde N é o vetor unitário que indica a direção original (configuração indeformada) de
uma “fibra” do sólido no ponto P(X,Y,Z) e e é o tensor deformação definido em (3.64).
O “vetor deformação” atuaria num ponto P(X,Y,Z) da configuração indeformada,
segundo um plano passando por P e com vetor unitário normal N . Assim,
poderíamos decompor esse “vetor deformação” numa componente normal a esse plano
e numa componente segundo uma direção dada pelo vetor unitário S tangente ao
plano, fazendo-se o produto escalar do vetor E pelos respectivos vetores unitários:
T
Ne N E (C.88)
T
NSe S E (C.89)
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C.31
Substituindo-se (C.87) em (C.88) e (C.89)
T
Ne N e N (C.90)
T
NSe S e N . (C.91)
O componente de E na direção normal ao plano é a deformação Ne de uma
“fibra” originalmente na direção de N , enquanto que, o componente de E numa
direção S paralela ao plano é a deformação angular ou de cisalhamento NSe
relacionada a duas “fibras” originalmente nas direções de N e S , conforme
ilustrado na figura C.4.
Figura C.4 “Vetor deformação” num ponto P segundo um plano passando pelo ponto e com normal unitária N .
O conceito de “vetor deformação” é perfeitamente admissível sob o ponto de
vista matemático, mas não é de interpretação física clara e natural como a do vetor
tensão. Por isso escrevemos o termo entre aspas. Porém, esse conceito nos auxilia no
seguinte raciocínio: será que existem direções tais que os componente de deformação
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C.32
NSe paralelos aos planos normais a essas direções fossem nulas, de modo que
teríamos apenas componentes de deformação normais a esses planos?
Tal como na análise de tensões, num ponto de um sólido na configuração
deformada existem três direções mutuamente ortogonais (direções principais) em
relação às quais a distorção (deformação angular ou de cisalhamento) é nula, ou seja,
os segmentos elementares (“fibras”) nestas direções permanecem mutuamente
perpendiculares após a deformação. Portanto, os “vetores deformações” atuando
nesse ponto e sobre os três planos normais a essas direções principais, apresentam
apenas componentes de deformação longitudinal, os quais são denominados de
deformações principais, e são representados por 1 2 , 3,e e e ou 1 2 3, , no caso de
pequenas deformações.
Como o tensor deformação e é um tensor de segunda ordem com as mesmas
propriedades matemáticas do tensor tensão T , as deformações principais, as quais
são os seus auto-valores, são calculadas a partir de uma equação característica
semelhante à equação (2.135), obtida a partir de procedimentos iguais àqueles
desenvolvidos e apresentados na seção 2.9.
3 21 2 3 0e J e J e J (C.92)
onde os seus coeficientes são os invariantes do estado de deformação, definidos como
a seguir:
1 X Y ZJ e e e
2 2 22 X Y X Z Y Z XY XZ YZJ e e e e e e e e e
2 2 23 2X Y Z XY XY XY X YZ Y XZ Z XYJ e e e e e e e e e e e e . (C.93)
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C.33
As raízes da equação característica (C.92) são as deformações principais para o
estado de deformação no ponto do sólido dado pelo tensor deformação e as direções
principais associadas a cada uma das raízes dessa equação do 3º grau devem
satisfazer a relação quadrática
2 2 2 1l m n (C.94)
entre os cossenos diretores dos vetores unitários N que definem essas direções.
Assim, como no caso das tensões, as raízes da equação características são
reais e uma será a deformação longitudinal máxima, outra será a mínima e a terceira
será um valor intermediário.
REFERÊNCIAS
1. Arantes e Oliveira, E. R., Elementos da Teoria da Elasticidade, IST Press,
Lisboa, 1999
2. Lucena Neto, E., Fundamentos de Elasticidade e Plasticidade, Notas de Aulas do
curso IG-209, ITA, 2006
3. Malvern, L. E., Introduction to the Mechanics of a Continuous Medium, Prentice-
Hall, Inc., Upper Saddle River, NJ, 1969
4. Saada, A. S., Elasticity – Theory and Applications, Krieger Pub. Co., 2a. ed.,
1993
5. Wempner, G., Mechanics of Solids, PWS Publishing Company, Boston, MA, 1995