DE - DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL DA PONTE ROLANTE (1).pdf

Nº

DIMENSIONAMENTO CLIENTE:

FTESM-TCC-S04-DE-014-2017

FUNDAÇÃO TÉCNICO-EDUCACIONAL TÉCNICO-EDUCACIONAL SOUZA MARQUES

PROGRAMA:

FOLHA:

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PROJETO FINAL – CONCLUSÃO DE CURSO

PROJETO:

DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL E DOS CONJUNTOS MECÂNICOS DE UMA PONTE ROLANTE DE 2 TONELADAS

TÍTULO:

DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL DA PONTE ROLANTE ORIENTADORES: DEPARTAMENTO:

JORGE FERREIRA MAURICIO DE FREITAS ENGENHARIA MECÂNICA

ÍNDICE DE REVISÕES DESCRIÇÃO DE DOCUMENTOS

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EMISSÃO ORIGINAL

REV. DATA PROJETO EXECUÇÃO VERIFICAÇÃO APROVAÇÃO

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DIMENSIONAMENTO PROJETO:

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FTESM-TCC-S04-DS-014-2017

DIMENSIONAMENTO DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL - PONTE ROLANTE 2 TONELADAS

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TÍTULO:

DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL DA PONTE ROLANTE

DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL DA PONTE ROLANTE 1. Dimensio namento da Viga 1.1. 1.1. Solici tações Principais Princi pais SP = Mx x ( SG + SL ) SP = 1 x ( 546,68 + 1,15 x 2546,68 ) SP = 3475,36 Kg SP = 34093,3 N Onde: SP – Carga de projeto Mx - coeficiente da majoração SG – Solicitações devidas aos pesos próprios dos elementos  - Coeficiente dinâmico a ser aplicado à solicitação devida à carga de

SL – Solicitações devidas à carga de serviço

1.2. 1.2.

Momento Fletor Máximo Máximo Diagrama de corpo livre

34093,3 N A

C

4,8 m

_____________ ________________________ _______________________ ________________________ ____________ RA = Rc = 17046,65 N - Solicitações principais - Viga - Apoios

serviço

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TÍTULO:


DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL DA PONTE ROLANTE 1. Dimensio namento da Viga 1.1. 1.1. Solici tações Principais Princi pais SP = Mx x ( SG + SL ) SP = 1 x ( 546,68 + 1,15 x 2546,68 ) SP = 3475,36 Kg SP = 34093,3 N Onde: SP – Carga de projeto Mx - coeficiente da majoração SG – Solicitações devidas aos pesos próprios dos elementos  - Coeficiente dinâmico a ser aplicado à solicitação devida à carga de

SL – Solicitações devidas à carga de serviço

1.2. 1.2.

Momento Fletor Máximo Máximo Diagrama de corpo livre

34093,3 N A

C

4,8 m

_____________ ________________________ _______________________ ________________________ ____________ RA = Rc = 17046,65 N - Solicitações principais - Viga - Apoios

serviço

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TÍTULO:


MMáx = SP x L / 2 MMáx = 34093,3 x 4,8 / 2 MMáx = 81823,92 N.m Onde: MMáx – Momento máximo SP – Solicitação principal L – Vão livre 1.3. 1.3.

Força Forç a Cortante Cort ante Máxima Diagrama de corpo l ivre

34093,3 N A

C

0,4 m 4,4 m _____________ ________________________ _______________________ ________________________ ____________

RA = Rc = 17046,65 N - Solicitações principais - Viga - Apoios +

ΣMC =

0

SL x 0,4 - R C x 4,8 = 0 34093,3 x 0.4 - R C x 4,8 = 0 RC = 2841,1 N

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DIMENSIONAMENTO ESTRUTURAL - PONTE ROLANTE 2 TONELADAS

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TÍTULO:


+

ΣFY =

0

RA + RC – SL = 0 RA + 2841,1 - 34093,3 = 0 RA = 31252,2 N 1.4. σadm =

Tensão Admi ssível σr____

q. FSr Onde: σr - Limite de ruptura

q - Coeficiente que depende do grupo em que está classificado no mecanismo FSr - Coeficiente de segurança em relação à ruptura

Tabela 29 – Propriedades Mecânicas dos Aços

Fonte: Catálogo Gerdau

σa =

σr____ =

q x FSr

450___ = 128,57 MPa 1,25 X 2,8

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TÍTULO:


1.5. Módulo Resistente

Wmín = Mmáx σa Onde: Wmín – Módulo resistente mínimo Mmáx – Momento fletor máximo σa – Tensão admissível

Wmín = Mmáx = 81823,92 x 10 3 σa 128,57 Wmín = 636415,34 mm3 = 636,42 cm 3

1.6. Seleção da Viga

Tabela 30 – Tabela de Bit olas


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Figura 23 – Perfil W


1.7. Verif icando Tensão normal σx = Mmáx x Y Ix

Onde: σx – Tensão normal

Ix – Momento de inércia Y – Comprimento no eixo Y Mmáx – Momento fletor máximo

Y = d / 2 = 352 / 2 = 176 mm

σx = Mmáx x Y__ = 81823,92 x 10 3 x 176 = 117,48 MPa Ix 12258 x 104

σx  σa - OK !

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TÍTULO:


1.8.

Verif icando tensão de cisalhamento

= σa__ 31/2

τa

Onde: Tensão de cisalhamento admissível

τa –

σa – Tensão de flexão admissível

τa

= 128,57_ = 74,22 MPa 31/2

τx

= Vmáx _ Aalma

Onde: Tensão de cisalhamento

τx –

Vmáx – Forca cortante máxima Aalma – Área da alma da viga

Aalma = tw x d’ = 6,9 x 308 = 2125,2 mm2

τx

= Vmáx _ = 31252,2 = 14,7 Mpa Aalma 2125,2

τx

 τa –

OK !

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2. Motores de Translação da Ponte 2.1. Cálculo da pot ência de regime do mo tor

Prmt = ( QN + QC + QVC ) x Vtp x Wt 75 x 60 Prmt = ( 2 + 1,1 + 0,22 ) x 23 x 12 75 x 60 Prmt = 0,20 CV Onde: QN – Carga Nominal QC – Peso total do carro QVC – Peso da viga do carro Vtp – Velocidade de translação da ponte Wt – Resistencia ao deslocamento das rodas: 12 Kgf/ton (DIN 15046) 2.2. Cálculo da potência de aceleração do motor

Pamt = ( QN + QC + QVC ) x Vtp2 x  75 x 602 x tap tap = 6,488 x (V dir / 60)0,5125 Onde: QN – Carga Nominal QC – Peso total do carro QVC – Peso da viga do carro Vtp – Velocidade de translação da ponte  – Fator de inércia

tap – Tempo de aceleração

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tap = 6,488 x (V dir / 60)0,5125 tap = 6,488 x (23 / 60) 0,5125 tap = 4,0 segundos

Pamt = ( QN + QC + QVC ) x Vtp 2 x  75 x 602 x g x tap Pamt = ( 2000 + 1100 + 220 ) x 23 2 x 1 75 x 602 x 9,81 x 4 Pamt = 0,17 CV

2.3. Cálculo da potência do mo tor do mecanism o de translação

Pmt = ( Prmt + Pamt) x f 1 x f 2 Rt x Nmt Pmt = ( 0,20 + 0,17 ) x 1 x 1 1x2 Pmt = 0,18 CV

Adotando-se a norma NBR 8400, o valor do acréscimo de potência ao motor será de 40%. Pmt = 0,18 x 1,4 Pmt = 0,24 CV

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2.4. Seleção do motor de transl ação da ponte

O motor W22 Motofreio IR3 Premium fabricado pela WEG é ideal para aplicações onde paradas instantâneas, precisas e seguras, controle de posicionamento e economia de energia são essenciais. Satisfaz a necessidades desta aplicação. CARACTERÍSTICAS DO MOTOR ESCOLHIDO: • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Carcaça: 63 Potência: 0,25 HP Frequência: 60 Hz Polos: 2 Rotação nominal: 3410 RPM Escorregamento: 5,28 % Tensão nominal: 220/380 V Corrente nominal: 0,954/0,552 A Corrente de partida: 5,72/3,31 A Ip / In: 6,0 Corrente a vazio: 0,600/0,347 A Conjugado nominal: 0,504 Nm Conjugado de partida: 300 % Conjugado máximo: 320 % Categoria: N Classe de isolação: F Elevação de Temperatura: 80 K Tempo de Rotor Bloqueado: 10 s (quente) Fator de serviço: 1,25 Temperatura Ambiente: -20°C – +40°C Altitude: 1000 m Proteção: IP55 Massa aproximada: 7 kg Momento de inércia: 0,00014 kgm² Nível de ruído: 56 dB(A)

Figura 24 – Motor translação

Fonte: Catálogo WEG

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TÍTULO:


Figura 25 – Vistas do motor de translação da ponte


Tabela 31 – Cotas do mot or d e translação da ponte


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3. Inversor de Frequência

São destinados ao controle e variação de velocidade de motores elétricos de indução trifásicos. Esses controles proporcionam além da total flexibilidade de controle de velocidade sem grande perda de torque do motor, aceleração suave através de programação, frenagem direta no motor sem a necessidade de freios mecânicos, controle das rampas de aceleração e desaceleração, além de diversas formas de controles preferenciais e controles externos que podem ser até por meio de redes de comunicação. Tudo isso com excelente precisão de movimentos. O dimensionamento deve ser feito em função da corrente nominal do motor utilizado, que deve ser menor ou igual a corrente nominal de saída do inversor de frequência. 3.1. Seleção do inversor de frequência

Por seu tamanho compacto, alta performance, facilidade de uso e ideal para aplicações em máquinas ou dispositivos o inversor de frequência selecionado é o CFW-10 fabricado pela WEG. Figura 26 - Inversor de Frequência


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TÍTULO:


Tabela 32 – Especificação do inversor de frequência CFW-10


Características do inversor de frequência: •

Marca - WEG

•

Modelo – Standard

•

Série - CFW10

•

Referência - CFW100016T2024PSZ

•

Tensão de alimentação – 220 V

•

Tamanho – 1

• Corrente

nominal de saída - 1,6 A

• Potência

máxima do motor - 0,25 CV

Tabela 33 – Dimensões do inversor de frequência


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4. Dimensionamento das Rodas, Dimensionamento do Tril ho e Verificação da Patinação das Rodas Motoras 4.1.

Cálculo da reação máxima na roda da ponte

Rmáx.p = QVC x 1,1 + (QN + QC) x ( LR – e ) Nrp

LR x (Nrp / 2)

Rmáx.p = 220 x 1,1 + (2000 + 1100) + ( 1,7 – 1 ) 4

1,7 x (4 / 2)

Rmáx.p = 835,75 Kg Onde: Rmáx.p – Reação máxima na roda da ponte QVC – Peso da viga do carro QN – Carga nominal QC – Peso total do carro LR – Distância entre as rodas da ponte e – Distância da carga à roda da ponte Nrp – Número de rodas da ponte 4.2.

Cálculo da reação mínima na roda da ponte

Rmín.p = QVC x 1,1 + (Q C) x ( LR – e ) Nrp

Lp x (Nrp / 2)

Rmín.p = 220 x 1,1 + (1100) + ( 1,7 – 1 ) 4

2 x (4 / 2)

Rmín.p = 335,75 Kg Onde: Rmín.p – Reação mínima na roda da ponte QVC – Peso da viga do carro QC – Peso total do carro LR – Distância entre as rodas da ponte e – Distância da carga à roda da ponte Nrp – Número de rodas da ponte

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TÍTULO:


4.3.

Cálculo da reação média na roda da ponte

Rméd.p = 2 x Rmán.p + Rmín.p 3 Rméd.p = 2 x 835,75 + 335,75 3 Rméd.p = 669,08 Kg Onde: Rméd.p – Reação média na roda da ponte Rmáx.p – Reação máxima na roda da ponte Rmín.p – Reação mínima na roda da ponte 4.4.

Largura útil do boleto

Tabela 34 – Dimensões do boleto

TR Kg/m 25

24,6

A

B

C

D

E

F

G

H

SO

98,4

98,4

54

11

140

68

3

44

25

Fonte: BRASIL TRILHOS

X

Módulo Resistente Boleto

Patim

81,6

86,7

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Figura 27 – Trilho - TR 25

Peso Teórico

24.8 kg/m

Área (A)

31.8 cm²

Momento de Inércia (Ix)

439.1 cm4

Módulo de Resistência (W): Boleto

81.6 cm³

Fonte: BRASIL TRILHOS

Figura 27 – Vistas do trilho

b= l -2r b= 54 -2 x 7,9 b= 38,2 mm Onde: b – Largura utíl do boleto l – Comprimento total do boleto

r – Raio do boleto

Fonte: Norma NBR8400:1984

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TÍTULO:


4.5.

Seleção do bloco de roda da pont e Figura 28 – Bloc o de Roda

Fonte: DEMAG

Características do inversor de frequência: •

Marca - DEMAG

•

Modelo – DRS 125

•

Diâmetro da roda – 125 mm

•

Capacidade de carga – 5 ton

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4.6.

Verif icação da folga lateral

f = b1 – b Onde: f – Folga lateral mínima b1 – Comprimento interno da roda b – Largura útil do boleto f = b1 – b f = 60 - 38,2 f = 21,8 mm Folga lateral entre a superfície de rolamento da roda e a largura total do boleto do trilho atende a NBR 8400, que solicita uma folga mínima de 10 mm.

4.7. Verif icação das tenções nas rodas / tri lho da ponte Coeficiente C1 e C2

• Velocidade • Diâmetro •

de translação da pont e rolante : 23,0 m/min

da roda da ponte: 125 mm

Grupo do mecanismo : 3m

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TÍTULO:


Tabela 35 – Valores de C 1


Interpolando, C1 = 0,94

Tabela 36 – Valores de C 2


C2 = 0,9

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Tabela 37 - Pressão limi te

Fonte: Norma NBR8400:1984 Como o material da roda é ferro fundido nodular (grafita esferoidal) GGG70 com limite de ruptura de 700 MPa, a pressão limite será 0,56 N/mm 2.

4.7.1. Caso 1 e 2 de sol icitação

Rméd.p ≤ Plim x C1 x C2 b x drp 669,08 ≤ 0,56 x 0,94 x 0,9 32,8 x 125 0,163 ≤ 0,474 Onde: Rméd.p - Reação média na roda da ponte Plim - Pressão limite entre a roda e o trilho C1 – Coeficiente de contato entre a roda e o trilho C2 - Coeficiente de contato entre a roda e o trilho b - Largura útil do boleto drp – Diâmetro da roda da ponte Como o estado de solicitação desta ponte é 1, verifica-se que as rodas com banda de rodagem sobreposta, estão suficientemente espessas para evitar problemas de auto laminação quando em funcionamento, conforme NBR 8400.

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4.8. Verif icação da patinação das rodas motoras da pont e sem carga Tabela 38 – Coeficiente de atri to ( μ)


Nmt x Rmín p x μ ≥ (QC + QP) x Wt + (QC + QP) x ___Vpt___ 1000 g tap x 60 Onde: Nmt – Quantidade de motores Rmín p – Reação mínima na roda da ponte μ - Coeficiente de atrito

QC – Peso próprio do carro QP - Peso próprio da ponte Wt – Resistencia ao deslocamento da ponte Vpt – Velocidade de translação da ponte g – Aceleração da gravidade tap – Tempo de aceleração da ponte

Nmt x Rmín p x μ ≥ (QC + QP) x Wt + (QC + QP) x ___Vpt___ 1000 g tap x 60 2 x 335,75 x 0,30 ≥ (1100 + 452,4) x 12 + (1100 + 452,4) x _23__ 1000 9,81 4 x 60 201,5 ≥ 33,79 → OK!

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TÍTULO:


5. Dimensionamento da Cabeceira (Truck)

Viga caixão com as seguintes dimensões: •

Base: 150 mm

•

Altura: 150 mm

•

Espessura: 3/8” = 9,525 mm

5.1.

Cálcul o das reações

A situação mais crítica para o projeto é quando o carro está totalmente recolhido e carregado em uma das extremidades (Fig. 29). Logo: Figura 19 - Cabeceira

Fonte: Memori

Carga Máxima Rmáx = QC + QVC + QN Rmáx = 1100 + 220 + 2000 Rmáx = 3320 Kg Onde: Rmáx – Carga Máxima QC – Peso do carro QVC – Peso da viga do carro QN – Carga nominal

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TÍTULO:


Reações

R3máx = Rmáx / 2 R3máx = 3320 / 2 R3máx = 1660 Kg = 16284,6 N Onde: Rmáx – Carga máxima R3máx – Reação máxima na roda 5.2.

Calculo do momento máximo

Mmáx = R3máx x ( LR / 2 ) Mmáx = 16284,6 x ( 1,7 / 2 ) Mmáx = 13841,91 N/m Onde: Mmáx – Momento máximo R3máx – Reação máxima na roda LR – Distância entre as rodas da ponte 5.3.

Cálculo do momento de inércia

Ix = (b x h 3 ) / 12 Ix = (150 x 1503 ) - (140,475 x 140,4753 ) 12 12 Ix = 9,738 x 10 6 mm4 Onde: Ix – Momento de inércia b – Comprimento da base h – Altura

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TÍTULO:


5.4.

Deflexão máxima

ᵟadm = _ L__ = _ 1700_ 400

400

ᵟadm = 4,25mm Onde:

ᵟadm – Deflexão admissível L – Distância entre apoios

ᵟmáx = Rmáx x LR 3 48 x E x I x

ᵟmáx = _____32569.2 x 17003 _____ 48 x 205x10 3 x 9,738 x 106

ᵟmáx = 1,67 mm Onde:

ᵟmáx – Deflexão máxima LR – Distância entre apoios Rmáx – Carga aplicada a viga E – Módulo de elasticidade Ix – Momento de inércia

ᵟmáx  ᵟadm

→ OK

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5.5.

Momento resistente

Wx = Ix / (h/2) Wx = 9,738 x 10 6 / (1500 / 2) Wx = 12984 mm 3 Onde: Wx – Momento resistente Ix – Momento de inércia h - Altura 5.6.

Tensão nor mal

σn = Mmáx = 13841,91 Wx 12984 σn = 1,07 MPa

Onde: σn – Tensão normal

Ix – Momento de inércia Y – Comprimento no eixo Y Mmáx – Momento fletor máximo σadm =

= σ __ r

450___ = 128,57 MPa q x FSr 1,25 X 2,8

Onde: σr - Limite de ruptura

q - Coeficiente que depende do grupo em que está classificado no mecanismo FSr - Coeficiente de segurança em relação à ruptura

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5.7.

Tensão de cisalhament o

σcis adm = σadm_ 31/2

Onde: σcis adm – Tensão de cisalhamento admissível σadm – Tensão de flexão admissível

σcis adm = 128,57_ = 74,22 MPa 31/2 σcis = Rmáx _ Aviga

Onde: σcis – Tensão de cisalhamento

Vmáx – Forca cortante máxima Aviga – Área da alma da viga σcis = Rmáx _ = ____32569,2____ = 11,77 MPa Aviga (1502 – 140,4752)

σcis  σcis adm → OK !

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6. Dimensionamento das Vigas de Rolamento

Com base no catálogo de vigas estruturais Gerdau e nas características do projeto das vigas de rolamento, seguem as variáveis para o pré-dimensionamento (Fig.30): • vão

livre da viga de rolamento: 10 m

• compr imento • capacidade • carga

destravado máximo da viga de rolamento: 7 m

de içamento da pont e rolante: 2 ton

vertical m áxima por roda do tr ole: 1660 Kg

• espaçamento

entre rodas do tr ole: 1700 mm

• peso

do trole e dos dispositi vos de içamento: 1,5

• peso

da ponte rolante: 1820 Kg

Para o dimensionamento do caminho de rolamento, é preciso determinar alguns parâmetros descritos pela NBR 8800:2008: • deformação máxima admissível (vertical e transversal) • coeficiente de impacto vertical para ponte rolante • coeficientes

de ponderação para combinação de carregamentos

(permanente e móvel) • coeficiente de ponderação da resistência do aço estrutural para estado-limite

último (ELU) ao escoamento, à flambagem e à instabilidade. As verificações realizadas neste projeto são para o perfil metálico a ser utilizado como viga de rolamento e não se aplicam às outras estruturas do conjunto, como a ponte rolante, o trole ou os outros equipamentos utilizados para o içamento e a movimentação de cargas. Os cálculos aqui apresentados estão conforme prescrições da Norma Brasileira ABNT NBR 8800, Projeto de estruturas de aço e de estruturas mistas de aço e concreto de edifícios, de setembro de 2008.

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Para efeitos de cálculo, as vigas de rolamento foram dimensionadas como vigas biapoiadas sem contenção lateral ou uso de enrijecedores para condições regulares de uso. As soluções propostas são correspondentes à série de Perfis Estruturais Gerdau laminados em aço ASTM A572 Grau 50 com limite de escoamento mínimo de 3,5 tf/cm² e módulo de elasticidade de 2000 tf/cm². Figura 30 – Caminho do Trole

Fonte: Catálogo Gerdau 6.1.

Seleção das vigas

Uma vez discutidos os itens envolvidos no dimensionamento de vigas de rolamento, a tabela a seguir apresenta os Perfis Estruturais Gerdau quando aplicados como caminho de rolamento para pontes rolantes. Cabe ressaltar que as recomendações das bitolas estão conforme todas as premissas citadas anteriormente e são válidas para as dimensões das pontes rolantes e dos troles apresentados na tabela.

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TÍTULO:


Tabela 39 – Vigas de Rolamento


Tabela 39 – Características da viga de rolamento


6.2.

Tensão cisalhante

σcis = Rmáx _ Aviga

Onde: σcis – Tensão de cisalhamento

Vmáx – Forca cortante máxima Aviga – Área da alma da viga Aalma = tw x d’ = 11,4 x 404 = 4605,6 mm2 σcis = Rmáx _ = _37474.2 _ = 8,14 MPa Aalma 4605,6

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σcis adm = 128,57_ = 74,22 MPa 31/2

Onde: σcis adm – Tensão de cisalhamento admissível σadm – Tensão de flexão admissível

σcis  σcis adm → OK !

6.3.

Deflexão máxima

ᵟadm = _ L__ = _ 1700_ = 4,25mm 400

400

Onde:

ᵟadm – Deflexão admissível L – Distância entre apoios

ᵟmáx = Rmáx x LR 3 = _____37474.2 x 50003 _____ = 1,06 mm 48 x E x I x

48 x 205x103 x 44658 x 104

Onde:

ᵟmáx – Deflexão máxima LR – Distância entre apoios Rmáx – Carga aplicada a viga de rolamento E – Módulo de elasticidade Ix – Momento de inércia

ᵟmáx  ᵟadm

→ OK

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7. Batentes

Nos casos em que a carga suspensa pode oscilar, não se levam em consideração os efeitos de choque para velocidades de deslocamento horizontal menores que 0,7 m/s, segundo a Norma NBR 8400 / 1984.

Figura 2 - Batentes

Fonte: Catálogo Conductix-Wampfler

Tabela 40 – Batentes Com parafuso r oscado

Fonte: Catálogo Conductix-Wampfler

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