UNIFEI - Universidade Federal de Itajubá
Laboratório de Resistência dos Materiais 1º ensaio
Ensaio de Cisalhamento
Nome/Matrícula Disciplina: Turma: Profª: Dia/Hora de Realização:
1. Introdução Um elemento de construção submete-se a esforço de cisalhamento, quando sofre a ação de uma força cortante. Denomina-se força cortante, a carga que atua tangencialmente sobre a área da seção transversal da peça, como mostra a figura 1, onde Q é a força cortante. Todo material apresenta certa resistência ao cisalhamento. Saber até onde vai essa resistência é importante, principalmente na estamparia, que envolve corte de chapas, ou na união de chapas por solda, rebites ou por parafusos, onde a força cortante é o principal esforço que as uniões vão ter de suportar. 1.1 Tipos de cisalhamento
Existem, basicamente, dois tipos de cisalhamento: cisalhamento simples e cisalhamento duplo. O cisalhamento simples é quando um material, sob efeito de forças cortante, apresenta apenas uma região que será afetada. Um bom exemplo ocorre em uma união simples de duas chapas por parafuso ou rebite. Já o cisalhamento duplo ocorre quando o material a ser cisalhado apresenta duas regiões que sofrem com ações cortantes. Esses dois de cisalhamento são bem ilustrados com as figuras 2 e 3 abaixo:
Figura 2: Cisalhamento Simples
Figura 3: Cisalhamento Duplo
1.2 Tensão de cisalhamento
A ação da carga cortante sobre a área da secção transversal da peça causa nesta uma tensão de cisalhamento, que é definida através da relação entre a intensidade da carga aplicada e a área da secção transversal da peça sujeita a cisalhamento. Para o caso de mais de um elemento estar submetido a cisalhamento, utiliza-se o somatório das áreas das secções transversais para o dimensionamento. Se os elementos possuírem a mesma área de secção transversal, basta multiplicar a área de secção transversal pelo número de elementos(n)
τ = Q/Acis
τ = Q/n.Acis
τ =Tensão; Q =Força cortante; Acis = Área da secção transversal; n = número de elementos submetidos ao cisalhamento.
2. Objetivos Objetiva-se com esse ensaio analisar o comportamento de três diferentes metais (alumínio, aço e cobre) sob efeito de forças cisalhantes. Como são metais com altíssimo nível de uso em estruturas metálicas, é de fundamental importância que o engenheiro que venha a utilizá-los saiba suas características e comportamentos. Evitando assim uma eventual falha de projeto ou um acidente envolvendo vidas, dependendo dos fins da máquina projetada.
2. Procedimento Experimental Na realização deste ensaio foram utilizados os seguintes equipamentos e materiais, listados abaixo: Máquina universal de ensaios EMIC, com capacidade 30KN de força;
Dispositivo de ensaio “tipo gaveta”
Paquímetro Mitutoyo Resolução 1/50 o Computador monitor de dados coletados pela máquina EMIC; Corpos de prova: C.d.p de aço – ø=2.22mm C.d.p de alumínio - ø= 1.80mm C.d.p de cobre – ø=2.26mm
Foram realizados 4 ensaios, os três primeiro referentes ao c.d.p de aço, cobre, e alumínio respectivamente. No quarto ensaio, realizou-se uma montagem dos três elementos anteriormente citados para analisar o comportamento da estrutura composta. Em todos procedimentos gerou-se cisalhamentos duplos. Acompanhado da coleta de dados pelo computador para que possa ser analisado posteriormente.
3. Resultados e discussões O ensaio de cisalhamento do aço forneceu dados que foram plotado e estão demonstrados no gráfico 1, que relaciona a força que a maquina aplica (em Newtons) e o tempo (em segundos). Força(N) 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
Gráfico 1 - Aço
Analisando os dados nota-se que a força de ruptura ocorre aos 33.833s e vale 6.528,9N. Por se tratar de um cisalhamento duplo, divide-se a força em duas, obtendo 3264.45 N, e utilizando os dados coletados, calcula-se a tensão de ruptura. Τrup = Fmax/Acis
onde:
Acis = (π.d2)/4 d = diâmetro da seção cortante Assim obtemos: 2
τ ruptura aço = 3264.45N/3.8707mm
τ ruptura aço =
843.38 MPa
Os ensaios realizados nos demais corpos de prova geraram os gráficos 2, 3 e 4, referentes ao cobre, alumínio e da estrutura composta respectivamente. Da mesma forma, procedendo os cálculos analogamente obteve-se as tensões de ruptura dos respectivos materiais.
Ensaio de cisalhamento Cobre Força(N) 2500 2000 1500 1000 500 0
Gráfico 2 - Cobre
Fmax cobre = 2367.6 N d cobre = 1.80 mm2
τ ruptura Cobre =
465.20 MPa
Ensaio de cisalhamento Alumínio Força(N) 1400 1200 1000 800 600 400 200 0
Gráfico 3 - Alumínio
Fmax cobre = 1202.8 N
τ ruptura alumínio =
149.92 MPa
d cobre = 2.26 mm2
Ensaio de cisalhamento estrutura composta 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
Força (N)
Gráfico 4 – Estrutura Composta
Fmax cobre = 8386.7 N Acis = ∑A Acis = 10.427mm2
τ ruptura estrutura =
402.16 MPa
Nota-se que, com o auxílio do gráfico 5, a seguir, e com os dados calculado,tabela 1, que apesar da estrutura composta, representando um material ligado homogêneo, ter apresentado uma força de ruptura significativamente superior. A tensão cisalhante de ruptura é inferior. Isso de deve ao aumento da área cisalhante. Força (Newtons) 9000 8000 Força(N) Aço
7000 6000
Força(N) Cobre
5000 4000
Força(N) Alumínio
3000 2000
Força(N) Combinado
1000 0
Gráfico 5 – Comparativo entre os ensaios realizado Tensão de ruptura Aço Cobre Alumínio Montagem
843.38 MPa 465.2 MPa 149.92 MPa 402.16 Mpa
Tabela 1 Durante os ensaios também nota-se que o cobre e o alumínio apresentaram uma maior deformação plástica, e uma maior área de corte inicial (área com um brilho) quando comparadas com o Aço. Após a análise dos dados conclui-se o esperado. O aço apresenta uma maior tensão de ruptura, o que significa uma maior fragilidade e menor ductilidade, ao contrario do que ocorre com o cobre e alumínio.
4. Conclusão Os ensaios de cisalhamento mostrou-se eficiente para mostrar a diferença entre os materiais, melhor observado pela semelhança entre os corpos de prova que tem a mesma função, porém resistem de formas diferentes aos esforços a eles aplicados. A força necessária para a ruptura do alumínio (149.92 MPa) chega a ser cinco vezes inferior a necessária para a ruptura do aço (843.38 MPa) Estudos de projetos e dimensionamento corretos dependem diretamente das condições de serviço a que são submetidos a peça em questão. Porem o conhecimento de seu comportamento somente pode ser adquirido através de ensaios práticos, como os realizados.
5. Bibliografia
Mecânica- ensaios de matérias. Telecurso 2000 profissionalizante. Mecânica técnica e resistência dos materiais, Sarkis melconian, 9 a edição. Resistência dos materiais, Hibbeler, 5 a edição.
