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8/4/2019 apostilalrm2011

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Apostila do Curso de Laboratorio de

Resistencia dos Materiaisda Faculdade de Engenharia da UFJF

Prof. Flavio Barbosa

[email protected]

3 de maio de 2011

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Sumario

1 Introducao 31.1 Funcionamento do curso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2 Bibliografia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Classificacao dos Ensaios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.4 Conceitos Fundamentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 Materiais ensaiados no curso 42.1 O aco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2 O concreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.3 A madeira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3.1 Amostragem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.3.2 Valores Caractersticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.4 O alumnio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3 Dispositivos de Medicao 15

4 Extensometros Eletricos de Resistencia EER ou strain-gages 164.1 Circuito em ponte de Wheatstone para leitura de deformacoes via EER . . 19

4.1.1 Circuito em 1/4 de ponte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.1.2 Circuito em 1/2 de ponte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.1.3 Efeito de temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5 Ensaios 305.1 Ensaios de Tracao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5.1.1 Avaliacao da relacao tensao deformacao . . . . . . . . . . . . . . 305.1.2 Determincao do Modulo de Elasticidade do aco . . . . . . . . . . . 315.1.3 O Relatorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.2 Aco destinado a armaduras para estruturas de concreto armado . . . . . . 335.2.1 Resumo da norma ABNT NBR 7480:2007 . . . . . . . . . . . . . . 335.2.2 O Relatorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

5.3 Ensaio de compressao em pilarete de concreto armado . . . . . . . . . . . . 375.3.1 O Relatorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.4 Ensaio de perfil metalico submetido a flexao . . . . . . . . . . . . . . . . . 405.4.1 Estudo Teorico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5.4.2 Valores extrados do ensaio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425.4.3 O Relatorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425.5 Ensaio em Viga de Concreto Armado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

5.5.1 Estudo Teorico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455.5.2 Valores extrados do ensaio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465.5.3 O Relatorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.6 Dureza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475.6.1 Dureza Brinnell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.6.2 Dureza Rockwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505.6.3 Dureza Vickers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515.6.4 Dureza Janka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535.6.5 Os testes de dureza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.6.6 O relatorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

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1 Introducao

1.1 Funcionamento do curso

Trata-se de um curso semanal com 02 Creditos onde sao previstos 10 ensaios e duas provas.

A presenca do aluno e OBRIGATORIADatas das provas:

Prova 1: Prova 2: Segunda chamada:Nota Final:

(Prova 1 + Prova 2 + Media dos Relatorios)/3

NAO HA PROVA SUBSTITUTIVA.

1.2 Bibliografia

Normas Brasileiras - ABNT Apostilas de Metodos Experimentais em Engenharia. Professores Ney Roitman e

Carlos Magluta - COPPE/UFRJ;

Livro: Resistencia dos Materiais - R. C. Hibbeller;

Apostila de Resistencia dos Materiais. Faculdade de Engenharia - UFJF.

1.3 Classificacao dos Ensaios

Os ensaios experimentais do curso de Laboratorio de Resistencia dos Materiais tem porobjetivo extrair informacoes sobe as propriedades do material a ser ensaiado, alem deverificar possveis defeitos de fabricacao das pecas. Assim sendo, podemos classifica-losem dois grupos:

Ensaios cientficos: possuem a finalidade de pesquisa e visam determinar propri-edades mecanicas dos materiais, avaliar o comportamento estrutural de uma peca,etc. Especificamente, no nosso curso de Laboratorio de Resistencia dos Materi-ais, esses ensaios buscarao, atraves de medicoes experimentais, obter os valores dedeflexoes, tensoes e deformacoes obtidos atraves das equacoes da Resistencia dosMateriais;

Ensaios tecnologicos: usado na industria e construcao civil, visam o controlede qualidade dos materiais, pois verificam se estes atendem as normas seguidaspelo calculista. Especificamente, no nosso curso de Laboratorio de Resistencia dosMateriais, ensaios como o Ensaio de Tracao, Dureza, entre outros serao realizados.

Outra classificacao dos ensaios se da quanto ao estado final da amostra ensaiada:

Ensaios destrutivos: inutilizam a peca ensaiada, que deve ser um corpo de prova,uma amostra do material. Ex.: ensaios de tracao ou compressao dos materiais.

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Ensaios nao-destrutivos: nao inutilizam a peca ensaiada e, por este motivo,podem ser feitos na propria peca. Ex.: ensaios de lquidos penetrantes, para verificardefeitos superficiais (trincas e fissuras) das pecas.

1.4 Conceitos Fundamentais Elasticidade: e a propriedade dos materiais de se deformarem e recuperarem a sua

forma original quando cessados os efeitos da solicitacao que os deformou.

Plasticidade: e a propriedade dos materiais de, quando cessados os efeitos dassolicitacoes que os deformou, nao restiturem a sua forma original.

Rigidez: Para um material elastico quanto menor for a sua deformacao para umamesma solicitacao, mais rgido sera este material.

Ductilidade: e a propriedade dos materiais de se deixarem reduzir a fios sem se

quebrarem.

Maleabilidade: e a propriedade dos materiais de se deixarem reduzir a laminas,sem se quebrar.

Resistencia: e a capacidade de transmitir as forcas internamente, dos pontos deaplicacao das cargas aos apoios. E avaliada pela maior tensao que o material poderesistir.

Resiliencia: e a capacidade de resistencia ao choque sem deformacao permanente.

Dureza: e a propriedade dos materiais de se oporem a penetracao de um corpomais duro a sua massa. O ensaio de dureza serve para avaliar, entre outros, o graude desgaste de um determinado material.

Tenacidade: um material e dito tenaz quando, antes de romper a tracao, sofreconsideravel deformacao.

Materiais Material homogeneo: O material apresenta as mesmas caractersticasmecanicas, elasticas e de resistencia em todos os pontos.

Material isotropico: O material apresenta as mesmas caractersticas mecanicaselasticas em todas as direcoes. Ex: As madeiras apresentam, nas direcoes das fibras,caractersticas mecanicas e resistentes distintas daquelas em direcao perpendiculare portanto nao e considerada um material isotropico.

2 Materiais ensaiados no curso

2.1 O aco

O aco e uma liga ferro e carbono contendo de 0,008% a 2% de carbono, alem de outroselementos residuais resultantes do processo de fabricacao (o ferro fundido possui entre 2%e 6,7% de C).

As materias primas para a producao do aco sao: minerio de ferro - encontrado nanatureza. coque (carvao ou madeira) - que fornecem calor e os elementos necess arios areducao do minerio de ferro. Fundentes, como calcario - para fluidificar as impurezas e

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formar uma escoria mais fusvel. A mistura entre o minerio de ferro e fundentes forma osnter.

Nos auto-fornos, o coque e o snter sao misturados em proporcoes adequadas. A queimado coque (que e formado basicamente de carbono) fornece calor necessarios a reducao dominerio de ferro (retirada do oxigenio). A figura 1 apresenta de forma esquematica estaetapa fabricacao do aco.

Figura 1: Esquema de fabricacao do aco ate o alto-forno. Siderurgica de Tubarao - Vitoria,ES

Logo da primeira fusao obtem-se o ferro gusa, onde o carbono presente no coque seliga quimicamente ao ferro do oxido de ferro. O guza e levado para a aciaria atraves doscarros torpedos que mantem sua temperatura. Na aciaria, mediante a queima de suasimpurezas e gazes, o guza e transformado em aco. Nesta fase chamada de refino do aco,sao adicionados novos elementos qumicos como o nquel o cromo, etc, visando conferirao aco as propriedades mecancias que se deseja obter. Ao final desse processo na aciariatem-se um lingotamento contnuo com a fabricacao de tarugos (siderurgicas que produzemacos longos com a Arcelor-Mital Juiz de Fora, por exemplo) ou placas (siderurgicas queproduzem acos planos como a de Tubarao em Vitoria ou a CSN em Volta Redonda). Ostarugos ou placas em seguida sao levados para patios onde sofrem resfriamento natural.A figura 2 apresenta de forma esquematica esta etapa da fabricacao fabricacao do aco.

A proxima etapa da fabricacao do aco e a laminacao mostrada na figura 3. Na pri-meira etapa da laminacao as chapas (ou tarugos, dependendo do tipo de siderurgica) sao

aquecidas e por um processo de mecancico com o uso de roletes (algo semelhante ao pro-cesso de fabricacao de massa para pizzas), as placas sao transformadas em chapas grossasou finas, que servem de materia prima para produtos acabados como chapas finas para

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Figura 2: Esquema de fabricacao do aco do alto-forno ate o lingotamento contnuo. Si-derurgica de Tubarao - Vitoria, ES

industria automobilstica, chapas grossas para a industria da construcao civil, etc. (verfigura 3 ).

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Figura 3: Laminacao das placas. Siderurgica de Tubarao - Vitoria, ES

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As chapas podem ainda sofrer processos laminacoes a frio para reducao de sua es-pessura ou ainda qumicos para alterarem suas propriedades. As mais comuns sao agalvanizacao , onde as bobinas de chapas finas sao revestidas por uma solucao de zincoatraves de um sistema eletroltico (galvanizacao eletroltica - figura 4) ou por imersao aquente em solucao de zinco (galvanizacao por imersao a quente - figura 5)

Figura 4: Laminacao a frio - galvanizacao eletroltica.

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Figura 5: Laminacao a frio - galvanizacao por imersao a quente.

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Um dos grandes problemas da siderurgia sao os impactos ambientais por ela cau-sados. Hoje em dia a legislacao brasileira impoe limites severos para a poluicao ge-rada nas siderurgicas. Desta forma, e no extrativismo que precisamos concentar esforcosatualmente. Para se produdir carvao, toneladas de arvores vem sendo queimadas emfornos principalmente no Estado de Mato Grosso, e norte de Minas Gerias. Muitasvezes com o uso de mao de obra mal-remunerada em condicoes de trabalho nem sem-pre as ideais. Constantemente observa-se em materias jornalsticas dos meios de co-municacao a constatacao do uso de mao de obra infantil. A figura 6 extrada do site(http://www.ecodebate.com.br/tag/carvao/), mostra uma materia do ano passado ondefica explcito os problemas relativos ao extrativismo do carvao. Diversas materias recentespodem ser encontradas nesse site.

Figura 6: Materia de abril de 2009 extrada em marco de 2010 do sitehttp://www.ecodebate.com.br/tag/carvao/

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Outro problema ambiente recorrente no processo de fabricacao do aco deterioracaoambiental das minas e seus arredores. A figura 7 da uma ideia do grau de degradacaoambiental em uma mina da MBR mineradora nos arredores de Belo Horizonte junto aSerra do Curral.

Figura 7: Vista aerea de uma mina de Ferro em Belo Horizonte

Entretanto, o desenvolvimento do pas passa pela producao de aco. Assim sendo,como engenheiros e cidadaos, devemos respeitar a legislacao e contribuir para minimizaros impactos ambientais imbutidos no processo de fabricacao do aco.

Na construcao civil, o aco e empregado em pecas de estruturas metalicas, concretoarmado, protendido e outros. Devido a sua resistencia aos esforcos axiais de tracao, saoempregados tambem como tirantes podendo ser, em alguns casos, o principal elemento desustentacao das estruturas (pontes estaiadas).

Nomenclatura:Acos para concreto armado: esses acos sao classificados pela ABNT e seguem nomen-

clatura: CA XX, onde CA = Concreto Armado e XX e a tensao limite de escoamentoem kgf/mm2 tambem designada por fyk. Quando o aco nao apresentar escoamento de-finido, esta tensao pode ser calculada pelo valor sob carga correspondente a deformacaopermanente de 0,2%. Exemplos CA 25, CA 50 (barras), CA 60 (fios).

Acos para concreto protendido (fios e cordoalhas): de forma analoga, a no-menclatura da ABNT sera: CP XX, onde CP = concreto protendido e XX e a tensaolimite de escoamento.

2.2 O concreto

Concreto e um mistura de pasta de cimento com agregados (brita e areia). No cursode Laboratorio de Resistencia dos Materiais o concreto sera objeto de estudo em pilar eviga. Em ambos os casos, serao medidas tensoes somente no aco uma vez que medicoesde tensoes em concretos sao mais difceis de serem obtidas.

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Uma vez que existem cadeiras do curso de Engenharia Civil que dedicam boa partedo seu tempo ao estudo deste material, solicita-se aos alunos que busquem materiais deconsulta na bibliografia destas cadeiras.

2.3 A madeira(contribuicao do prof. Bruno Marcio Agostini)

A madeira e, provavelmente, o material de construcao mais antigo dada a sua disponi-bilidade na natureza e sua relativa facilidade de manuseio. Comparada a outros materiaisde construcao convencionais utilizados atualmente, a madeira apresenta uma excelenterelacao resistencia/peso. A madeira possui ainda outras caractersticas favoraveis ao usoem construcao tais como facilidade de beneficiamento e bom isolamento termico.

As madeiras utilizadas em construcao sao obtidas a partir do tronco de arvores.Distinguem-se duas categorias principais de madeiras:

Madeiras duras: Provenientes de arvores frondosas, dicotiledoneas da classe Angi-osperma. Possuem folhas achatadas e largas e apresentam crescimento lento. Ex:peroba, ipe, aroeira, sucupira.

Madeiras macias: Provenientes em geral das arvores conferas da classe Gimnos-perma. Possuem folhas em forma de agulhas ou escamas e sementes agrupadas emforma de cones e apresentam crescimento rapido. Ex: cedrinho, pinheiros, eucalip-tos.

Devido a orientacao das celulas e consequentemente das fibras, a madeira e um ma-

terial anisotropico, apresentando tres direcoes principais (longitudinal, radial e tangen-cial). A diferenca de propriedades entre as direcoes radial e tangencial raramente temimportancia pratica. Diferencia-se porem as propriedades na direcao das fibras princi-pais (direcao longitudinal, crescimento vertical) e na direcao perpendicular a estas fibras(radial e tangencial, crescimento circunferencial).

As propriedades fsicas e mecanicas das especies de madeira sao determinadas por meiode ensaios padronizados realizados em amostras devidamente retiradas de um determinadolote de madeira.

No Brasil estes ensaios estao descritos no Anexo B da NBR 7190/1997-Projeto deestruturas de madeira.

E primordial saber que as propriedades mecanicas obtidas nesses ensaios variam com oteor de umidade da madeira, tempo de duracao do carregamento e ocorrencia de defeitos.Somente apos conhecida a variacao das propriedades mecanicas da madeira em funcaodestes fatores chega-se aos valores a serem utilizados em projeto.

Em geral realiza-se primeiramente um ensaio destrutivo em uma amostra pertencenteao lote em estudo para que se tenha uma estimativa do valor da propriedade que seprocura determinar.

Uma vez de posse da estimativa realiza-se o ensaio conforme estabelece a NBR 7190.A duracao do ensaio varia de tres a oito minutos seguindo dois ciclos de carga e descargapara acomodacao do equipamento de ensaio, sendo que a segunda recarga segue ate aruptura do corpo-de-prova a qual e caracterizada pela ruptura ou deformacao excessiva.

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2.3.1 Amostragem

Para a investigacao direta de lotes de madeira serrada considerados homogeneos, cadalote nao deve ter volume superior a 12 m3.

Do lote a ser investigado deve-se extrair uma amostra, com corpos de prova distribudos

aleatoriamente no lote, devendo ser representativa da totalidade deste. Para isso nao sedeve retirar mais de um corpo-de-prova de uma mesma peca. Os corpos-deprova devemser isentos de defeitos e retirados de regioes afastadas das extremidades das pecas de pelomenos cinco vezes a menor dimensao da secao transversal da peca considerada, mas nuncamenor que trinta centmetros.

O numero de corpos-de-prova deve atender aos objetivos da caracterizacao:

caracterizacao simplificada: seis corpos-de-prova caracterizacao mnima da resistencia de especies pouco conhecidas: doze

corpos-de-prova.

2.3.2 Valores Caractersticos

Os valores caractersticos das propriedades da madeira devem ser estimados pela equacao1 como e proposto na NBR 7190:

xwk =

2

x1 + x2 + . . . + xn21

n2 1 xn2

1, 1 (1)

Os resultados devem ser colocados em ordem crescente x1 x2 . . . xn, desprezando-se o valor mais alto se o numero de corpos-de-prova for mpar, nao se tomando para xwk

valor inferior a x1, nem a 0,7 do valor medio (xm). Ou seja:

xwk x1 e (2)xwk 0, 7xm (3)

2.4 O alumnio

(extrado das pagina web da Associacao Brasileira do Alumnio - http://www.abal.org.br/do instituto Brasileiro de Mineracao - http://www.ibram.org.br/)

O alumnio, apesar de ser o terceiro elemento mais abundante na crosta terrestre, e ometal mais jovem usado em escala industrial. Mesmo utilizado milenios antes de Cristo,o alumnio comecou a ser produzido comercialmente ha cerca de 150 anos. Sua producaoatual supera a soma de todos os outros metais nao ferrosos. Esses dados ja mostram aimportancia do alumnio para a nossa sociedade. Antes de ser descoberto como metalisolado, o alumnio acompanhou a evolucao das civilizacoes. Sua cronologia mostra que,mesmo nas civilizacoes mais antigas, o metal dava um tom de modernidade e sofisticacaoaos mais diferentes artefatos.

Hoje, os Estados Unidos e o Canada sao os maiores produtores mundiais de alumnio.Entretanto, nenhum deles possui jazidas de bauxita em seu territorio, dependendo exclusi-

vamente da importacao. O Brasil tem a terceira maior reserva do minerio no mundo, loca-lizada na regiao amazonica, perdendo apenas para Australia e Guine. Alem da Amazonia,o alumnio pode ser encontrado no sudeste do Brasil, na regiao de Pocos de Caldas (MG)

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e Cataguases (MG). A bauxita e o minerio mais importante para a producao de alumnio,contendo de 35

Quando o alumnio era pouco conhecido e tinha um custo elevado de producao, suasas primeiras aplicacoes foram limitadas a trabalhos luxuosos, como em estatuetas e pla-cas comemorativas. Com o desenvolvimento dos processos industriais, o metal passou aestar disponvel em maiores quantidades (embora ainda medido em quilos ao inves detoneladas), e comecou a ser usado na decoracao Vitoriana como em bandejas e escovas decabelo ornamentais. No final do Seculo XIX, com o aumento da producao e precos meno-res, foi sendo gradualmente utilizado em utenslios de cozinha e em alguns dos primeirosautomoveis que ja possuam paineis revestidos de alumnio comercialmente puro.

Consequentemente, no incio do Seculo XX, as industrias de alumnio comecaram atrabalhar na producao de ligas de alumnio com propriedades mecanicas mais elevadas.Os primeiros experimentos ocorreram atraves de tentativas e erros, aliados a observacoesperspicazes, responsaveis pelo aprimoramento dos princpios metalurgicos fundamentaisenvolvidos.

O rapido e notavel crescimento da importancia do alumnio na industria e resultadode uma serie de fatores:

E um metal que possui excelente combinacao de propriedades uteis, resultando numaadequabilidade tecnica para um campo vasto de aplicacoes em engenharia;

Pode ser facilmente transformado por meio de todos processos metalurgicos normais,tornando-se assim, viavel a industria manufatureira em qualquer forma necessaria;

Em laboratorios academicos, a industria do alumnio e seus proprios usuarios temdesenvolvido novas pesquisas, tecnicas de fabricacao, de soldagem e de acabamento,

o que tem levado a um conhecimento maior de tecnicas de engenharia deste metal,fazendo com que seja considerado um material de facil aplicacao;

A livre divulgacao da industria sobre recomendacoes aos usuarios e potenciais deuso do alumnio, o que foi muito importante para sua aceitacao geral.

O primeiro milhao de toneladas de producao anual do minerio foi atingido em 1917,quase no fim da Primeira Guerra, quando a mineracao havia se expandido para a Austria,Hungria, Alemanha e Guiana Britanica, na America do Sul.

Por volta da Segunda Guerra Mundial, em 1943, os maiores produtores de bauxitaeram os Estados Unidos, a Guiana Britanica, Hungria, Iugoslavia, Italia, Grecia, Russia,

Suriname, Guiana, Indonesia e Malasia.Em 1952, a Jamaica iniciou intensa mineracao de bauxita, ultrapassando o Suriname,

que foi por anos o maior produtor. Na decada de 1960, Australia e Guine juntaram-se aesse time.

A Bauxita ou bauxite e um mineral que ocorre naturalmente. A bauxita e um ma-terial heterogeneo, composto principalmente de um ou mais hidroxidos de alumnio, evarias misturas de slica, oxido de ferro, dioxido de titanio, silicato de alumnio e ou-tras impurezas em quantidades menores. A maior parte da extracao mundial de bauxita(aproximadamente 85%) e usada como materia-prima para a fabricacao de aluminio. Afigura 8 mostra uma foto do mineral.

Em 1983, o Brasil passa de grande importador a um dos principais exportadoresmundiais, gracas aos grandes e contnuos investimentos das empresas do setor. Tres anosdepois, o pas torna-se o quinto produtor mundial de alumnio primario.

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Figura 8: Fragmaneto de Bauxita

Atualmente o Brasil e o terceiro maior produtor de Minerio de Bauxita com producaoem 2008 estimada em 26,6 milhoes de toneladas, o que significa 13% da producao mundial,que foi de 205 milhoes de toneladas. A Australia e lder em producao, com 64 milhoes detoneladas em 2007, que correspondem a 33% da producao global, seguida da China com17%.

As reservas medidas e indicadas de Minerio de Bauxita no Brasil alcancam 3,5 bilhoesde toneladas, situando o pas em terceiro lugar em relacao as reservas mundiais de 32

bilhoes de toneladas As maiores reservas estao na Australia e na Guine.O processo de fabricacao do alumnio passa tambem assim como no aco, por umprocesso de reducao (retirada de oxigenio).

3 Dispositivos de Medicao

Existem diversos tipos de dispositivos para medicoes usados na instrumentacao de estru-turas, dentre os quais destaca-se:

Flexmetros - Medidores de deslocamentos. Necessita de ponto fixo e e usado em

ensaios estaticos ou dinamicos com baixa aceleracao. Sao bastante robustos e, emmuitos casos, funcionam a partir de acoplamento de engrenagens, podendo apresen-tar mostradores digitais ou analogicos. A figura 9 apresenta a foto de um flexmetroanalogico.

Extensometros Eletricos ou strain-gages - Medidores de deformacoes. Podem serresistivos ou a base de cristais (piezoeletricos). Seu princpio de funcionamentoe baseado no fato de que deformacoes impostas a esse tipo de sensor implica emvariacoes na sua resistencia eletrica. Sendo assim, uma vez conectados a estrutura,pode-se medir deformacoes a partir de medidas eletricas extradas do strain-gage.Sao usados em ensaios estaticos e dinamicos. A figura 10 apresenta a foto de um

strain-gages.

Acelerometros - Medidores de aceleracao. Nao precisam de ponto fixo. Sao muitousados em ensaios dinamicos, apresentando resultados bastante confiaveis. Sao cons-

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Figura 9: Foto de um flexmetro analogico

Figura 10: Exemplo de EER

trudos em geral com strain-gages ou a base de cristais (piezoeletricos). A medicaode deslocamentos a partir das aceleracoes nem sempre fornecem bons resultados(dificuldades na integracao). A figura ?? mostra o detalhe de um acelerometro.

Figura 11: Exemplo de Acelerometro

No presente curso, os sensores a serem usados sao mecanicos, com funcionamentoanalogico (com engrenagens e mostradores de ponteiro) e aqueles baseados em ExtensometrosEletricos de Resitencia (EER). Assim sendo, na proxima secao serao abordados os prin-cipais aspectos de funcionamento desse tipo de sensor.

4 Extensometros Eletricos de Resistencia EER oustrain-gages

Sao extensometros que utilizam princpios eletricos para seu funcionamento. O tipo maiscomum utilizado em ensaios de estruturas sao os do tipo fole, conforme mostrado nasfiguras 12 e 13. Dependendo do tipo de base e do material metalico resistente, os ex-tensometros eletricos terao suas caractersticas e aplicacoes caracterizadas.

O princpio basico de funcionamento e que a resistencia R de um fio condutor e funcaodo seu comprimento L, da area da secao transversal A e da resistividade do seu material,

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Figura 12: Exemplo de EER

Figura 13: Esquema fsico de um EER

conforme equacao que segue:

R = L

A(4)

A equacao 4 permite escrever entao que:

R = f(,L,A) (5)

Diferenciando equacao 5 tem-se:

dR =R

ad +

R

LbdL +

R

AcdA (6)

Desenvolvendo cada uma das derivadas parciais vem:

a R

=L

A(7)

b RL

=

A(8)

c RA

=(LA1)

A= LA2 (9)

Substituindo entao as derivadas parciais em 6 tem-se entao:

dR =L

Ad +

AdL L

A2dA (10)

Dividindo a equacao 10 por R = L/A, tem-se:

dR

R=

d

d

+dL

L dA

Ae

(11)

O termo e da equacao 11 pode ser colocado em funcao de dLL

. Supondo-se uma secao

transversal retangular de dimensoes y z do fio condutor (A = yz).

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Desenvolvendo entao tem-se:

dA =A

ydy +

A

zdz

dA = ydz + zdy

dAA

= ydzyz

+ zdyyz

dA

A=

dz

z+

dy

ydA

A= z + y

dA

A= dL

L dL

LdA

A= 2dL

L(12)

onde e o coeficiente de Poisson do material do fio condutor.O termo d da equacao 11 tambem pode ser escrito em funcao de dL

L. De acordo

com as experiencias de Bridgman, tem-se

d

= c

dV

V(13)

onde:V = zyL (14)

e o volume do fio condutor e c e a constante de Bridgman.

Desenvolvendo a equacao 14:

dV =V

zdz +

V

ydy +

V

LdL

dV = yLdz + zLdy + zydLdV

V=

dz

z+

dy

y+

dL

LdV

V= dL

L dL

L+

dL

L(15)

Substituindo equacao 15 em 13 tem-se entao:

d

= c

dL

L dL

L+

dL

L

(16)

Levando equacoes 12 e 16 na equacao 11, tem-se entao:

dR

R= c

dL

L dL

L+

dL

L

+

dL

L+ 2

dL

L

dR

R= [(1 + 2) + c(1 2)] dL

L(17)

Chamando k = [(1 + 2) + c(1 2)], chega-se finalmente a:dR

R= k

dL

L(18)

18


19/55

ou simplesmente:dR

R= kx (19)

A constante k e conhecida pelo seu nome em ingles gage-factor e e uma caractersticado EER normalmente fornecida pelo fabricante. Assim sendo, fica claro que e possvelconhecer a deformacao x no ponto onde foi colado o EER, bastando para isso conhecera variacao de sua resistencia eletrica.

4.1 Circuito em ponte de Wheatstone para leitura de deformacoesvia EER

Devido as imprecisoes e dificuldades de se fazer leitura direta da variacao da resistenciaeletrica em funcao de deformacoes em EER, normalmente utiliza-se circuitos que, a partirde leituras de voltagem, fornecem de forma indireta esta variacao de resistencia. O circuitoem ponte de Wheatstone, por exemplo, desempenha esse papel e pode ser usado paraaplicacoes tanto estaticas como dinamicas. Seja a figura 14.

V

R3

R4

R1

R2

I1

I1

I2 I2

EA C

D

B

Figura 14: Ponte de Wheatstone

Aplicando-se lei de Ohm, tem-se que:

VAC = V = (R1 + R2)I1 I1 = VR1 + R2

(20)

VAC = V = (R3 + R4)I2

I2 =

V

R3 + R4(21)

Ainda aplicando-se lei de Ohm, tem-se tambem:

VAB = R1I1 =R1

R1 + R2V (22)

VAD = R4I2 =R4

R3 + R4V (23)

Sendo E a leitura realizada, partindo-se das equacoes anteriores tem-se:

E = VBD = VAB VAD = R1R1 + R2

V R4R3 + R4

V (24)

19


20/55

E =R1R3 R2R4

(R1 + R2)(R3 + R4)V =

R1 R2R4 R3

(R1 + R2) 00 (R3 + R4) V (25)

A voltagem E lida sera igual a zero e a ponte considerada em equilbrio se:

R1R3 = R2R4 (26)

O balanceamento inicial permite o emprego da ponte de Wheatstone para leiturasestaticas e dinamicas. Apos ser balanceada, aplica-se o carregamento na estrutura senso-reada, o que resulta em deformacoes nos EER. A leitura E = 0, obtida para a ponte emequilbrio, passa entao a ser E = 0:

E = R1 + R1 R2 + R2R4 + R4 R3 + R3 (R1 + R1 + R2 + R2) 00 (R3 + R3 + R4 + R4)

V = A

BV (27)

Desenvolvendo A:

A = (R1 + R1)(R3 + R3) (R4 + R4)(R2 + R2)= R1R3 + R1R3 + R1R3 + R1R3

segunda ordem

R4R2 R4R2 R4R2 R4R2 segunda ordem

= R1R3 + R1R3

R4R2

R4R2

= R1R3R1

R1+ R

3

R3

+ R2R4

R2R2

R4R4

= R1R3

R1R1

R2R2

+R3

R3 R4

R4

(28)

Desenvolvendo B:

B = (R1 + R1 + R2 + R2)(R3 + R3 + R4 + R4) (29)

Desprezando os temos de segunda ordem e os produtos de RiRj, (i, j = 1 4), que saomuito pequenos comparados com os produtos RiRj tem-se:

B = R1R3 + R1R4 + R2R3 + R2R4

= R1R4 + 2R1R3 + R2R3

=R2R2

R1R4 + 2R1R3 + R2R3

=R1R2

R1R3 + 2R1R3 + R2R3

=R1

2R3R2

+ 2R1R3 + R2R3

= R3R2(R12 + 2R1R2 + R22)

=R1R3R1R2

(R1 + R2)2 (30)

20


21/55

Substituindo os valores de A e B e na equacao 27:

E =A

BV = R1R3

R1

R1 R2

R2+

R3R3

R4R4

AR1R2

(R1 + R2)2 R1R3

1/BV

E = VR1R2

(R1 + R2)2

R1R1

R2R2

+R3

R3 R4

R4

(31)

Da equacao 19 tem-se dRR

= kx, e a equacao anterior passa a ser escrita como:

E = VR1R2

(R1 + R2)2

(k1x1 k2x2 + k3x3 k4x4) (32)

Normalmente utiliza-se EERs iguais entre si, o que resulta em R1 = R2 = R3 = R4 = Re k1 = k2 = k3 = k4 = k. Assim sendo a ultima equacao pode ser simplificada:

E = V RR(R + R)2

(kx1 kx2 + kx3 kx4)

E =V

4k (x1 x2 + x3 x4) (33)

Uma observacao importante e a seguinte: Caso se tenha 4 EERs medindo deformacoesnum mesmo ponto da estrutura, ou seja, x1 = x2 = x3 = x4 = xtem-se:

E =V

4k(x x + x x) = 0 (34)

e, consequentemente, a leitura que se faz com o voltmetro seria nula, o que tornaria o

ensaio com esta configuracao completamente equivocado.O que fazer entao? Para contornar estes problemas pode-se colar os EER em posicoesda estrutura com medidas simetricas de deformacoes, por exemplo, como mostrado nafigura 15.

R3

R1

R 2

R4

V

E

1

2

12

3 4

3

4

P

A C

D

B

Figura 15: Ensaio de flexao

Neste caso deseja-se medir a deformacao longitudinal devida a flexao da barra. Observa-se que as deformacoes para a carga P nos pontos onde estao colados os EER sao saoidenticas em modulo e iguais a:

x1 = x

x2 = xx3 = x

x4 = x (35)

21


22/55


23/55

R1

R2

V

E

3 4

3

4

R4

R3

P

A C

D

B

Figura 17: Ensaio de flexao com 1/2 de ponte

4.1.3 Efeito de temperatura

A sensibilidades de medidas realizadas via EER e bastante grande em geral. Com isso,

diferencas de temperatura durante o ensaio podem comprometer os resultados pois os EERirao medir, alem da deformacao pelo carregamento, deformacoes provindas da variacaode temperatura. Assim sendo tem-se:

xi = xcargi + x

tempi (39)

sendo i = 1 4, xcargi a parcela de deformacao provinda do carregamento (normalmente oque se deseja medir) e x

tempi a parcela de deformacao provinda da variacao de temperatura.

Para contornar estes problemas, pode-se adotar as seguintes estrategias:

Usar um EER colado em uma peca de mesmo material da estrutura ensaiada, nomesmo ambiente de ensaio, conforme sugere figura 18.

V

E

R4

R3

R2

R1

P

A C

D

B

Figura 18: Eliminacao do efeito de temperatura

Neste caso tem-se:

E =V

4k( x

xcarg+xtemp

xtempx + x3= 0

x4= 0

)

E =V

4kx

carg + xtemp xtemp

E =V

4

kxcarg (40)

Colar EER em bracos adjacentes (R1 e R2 por exemplo) da ponte em pontos dedeformacoes devido ao carregamento simetricas, conforme ja mostrado na mostra

23


24/55

figura 17. Neste caso tem-se:

E =V

4k( x

xcarg+xtemp

x

xcarg+xtemp

+ x3

= 0

x4

= 0

)

E = V4

k(xcarg + xtemp + xcarg xtemp)

E =V

2kx

carg (41)

24


25/55

As paginas que seguem algumas informacoes extradas de catalogos do fabricante deEER:KYOWA ELECTRONIC INSTRUMENTS CO., LTD.Overseas Department:1-22-14, Toranomon, Minato-ku, Tokyo 105-0001, JapanTel: (03) 3502-3553 Fax: (03) 3502-3678http://www.kyowa-ei.come-mail: [email protected] trazem os tipos de ligacao em ponte de Wheatstone mais comuns usados nos en-saios de engenharia. Logo em seguida, uma tabela com diversos tipos de extensometrose apresentada. Nas equacoes apresentadas nas tabelas que seguem tem-se a seguintecorrespondencia de variaveis:

Variavel Apostila LRM catalogos KyowaVoltagem de alimentacao V E

Leitura de voltagem E eoDeformacao x oGage factor k Ks

25


26/55Figura 19:

26


27/55

Figura 20:

27


28/55

Figura 21:28


29/55Figura 22:

29


30/55

5 Ensaios

5.1 Ensaios de Tracao

5.1.1 Avaliacao da relacao tensao

deformacao

A amostra de material a ser testado e constituda de uma barra reta de secao constan-te (comprimento L, diametro D e area A, na configuracao inicial), semelhante a barrailustrada na figura 23.

P PLD

Figura 23: Corpo de prova de um ensaio de tracao

O ensaio de tracao consiste em aplicar ao CP uma carga P axial de tracao que aumentalenta e gradualmente (carga estatica), medindo-se a carga P e as deformacoes ate arutura do CP.

A forma do diagrama tensao deformacao depende do tipo de material. Existem mate-

riais de comportamento linear, ou pelo menos com uma regiao linear (aco, alumnio), e decomportamento nao-linear (maioria das borrachas). O nvel de tensao a partir do qual omaterial deixa de ter comportamento linear e chamado de limite de proporcionalidade(ponto 1 - figuras 24).

Dentre os materias de comportamento linear, identifica-se 3 tipos mais comuns dediagramas tensao-deformacao conforme os mostrados na figura 24.

x

x

5 %

R

1

2

(a) Material Fragil

x

x

5 %

R

0,2 %

1

2

3

(b) Material dutil sem pata-mar de escoamento

x

x

R

3 4

2

1

5 %

(c) Material dutil com pata-mar de escoamento

Figura 24: Exemplos de diagramas do ensaio de tracao em materiais de comportamentolinear

30


31/55

As caractersticas principais observadas nos diagramas da figura 24 sao as seguintes:

(a) Material fragil (concreto, vidro): A ruptura (ponto R) se da para valoresx < 5 %;

(b) Material dutil sem patamar de escoamento definido (acos especiais comalto teor de carbono). A ruptura (ponto R) se da para valores x >> 5 % e omaterial nao apresenta patamar de escoamento, onde ha aumento de deformacaocom a tensao aproximadamente constante.

(c) Material dutil com escoamento definido (acos comuns, com baixo teorde carbono). A ruptura (ponto R) se da para valores x >> 5 % e o materialapresenta patamar de escoamento (trecho entre os pontos 3 e 4), onde ha aumentode deformacao com a tensao aproximadamente constante.

Para um CP em aco pode-se verificar experimentalmente no diagrama tensao-defor-macao obtido num ensaio de tracao, que existe um nvel de tensao proximo ao limite deproporcionalidade, tal que, quando o CP e carregado acima deste nvel, o mesmo naoretorna a sua configuracao original. Este ponto e chamado de limite de elasticidade(ponto 2 - figuras 24). Apos este ponto passam a existir deformacoes permanentes ouplasticas.

No aco os limites de elasticidade e proporcionalidade sao muito proximos, tanto quenormalmente nao se faz muita diferenca entre esses dois nveis de tensao. Materiaisque possuem estes dois limites muito proximos sao chamados de materiais elasticoslineares. Estes materiais, como e o caso do aco, serao os objetos de estudo deste curso.

O limite de elasticidade e o limite de proporcionalidade sao difceis de se determinar

com precisao. Em razao disso, os engenheiros utilizam para uma definicao mais simplesdo incio do comportamento nao-elastico a tensao de escoamento ou ponto de escoamento.Em acos com baixo teor de carbono, este ponto e obtido diretamente da curva tensao-deformacao (ver ponto 3 da figura 24(c)). Ja para acos especiais com alto teor de carbono,este ponto e arbitrado como sendo a tensao que provoca uma pequena deformacao residualde 0,2 % apos o descarregamento.

5.1.2 Determincao do Modulo de Elasticidade do aco

Nesta etapa do ensaio de tracao, o Modulo de Elasticidade do aco sera determinadoatraves de dois tipos de instrumentacao: extensometro e strain-gages. Duas amostras dediferentes tipos de aco serao analisados:

Barra de diametro 12,5 mm de aco CA 50. Barra de diametro 12,5 mm de aco CA 40 (disponvel do LRM, atualmente nao

atende as especificacoes da ABNT)

Com os dados extrados desses ensaios e possvel preencher as tabelas que seguem:

31


32/55

CA 50: Lo = 120mm; = 7850 kg/m3; L = ; massa= ; A = ;

P (kgf) P (kN) (MPa) L (mm) ext (%) E (mV) str (%)

500

1000

15002000

2500

3000

3500

4000

CA 40: Lo = 120mm; = 7850 kg/m3; L = ; massa= ; A = ;

P (kgf) P (kN) (MPa) L (mm) ext (%) E1 (mV) 1str (%) E

2 (mV) 2str (%)

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Com as tabelas anteriores completas, e possvel tracar os diagramas tensao de-formacao para o regime elastico.

5.1.3 O Relatorio

Deve constar no relatorio:

O esboco dos diagrama tensao deformacao da barra ensaiada ate a ruptura,indicando os valores de tensao de escoamento e ruptura, classificando o materialquanto sua dutilidade;

As duas tabelas da secao anterior preenchidas, bem como os calculos relativos aopresente relatorio;

Os esbocos dos diagramas tensao deformacao das barras sensoriadas com strain-gages e extensometros (4 esbocos), indicando os valores de Modulo de elasticidadeobtidos via strain-gages (tomar a media dos valores de deformacao para a barra com2 strain-gages) e via extensometro mecanico. Nestes casos, fazer uma translacao deeixos, considerando os valores obtidos para o carregamento de 500 kgf como sendoas origens dos diagramas;

Calcular a diferenca percentual entre os Modulos de Elasticidade obtidos e o valor

encontrado na literatura;

32


33/55

5.2 Aco destinado a armaduras para estruturas de concreto ar-mado

A norma fundamental que sera aqui aplicada e a ABNT NBR 7480:2007 que estabeleceos requisitos exigidos para encomenda, fabricacao e fornecimento de barras e fios de a co

destinados a armaduras para estruturas de concreto armado, com ou sem revestimentosuperficial.

Figura 25: Detalhe da ABNT NBR 7480:2007

5.2.1 Resumo da norma ABNT NBR 7480:2007

1. Classificacao: Barras - produtos de diametro 6,3 mm ou superior, obtidos porlaminacao a quente sem processo posterior de deformacao mecanica. Fios - produtosde diametro 10 mm ou inferior, obtidos a partir do fio maquina por trefilacao oulaminacao a frio.

2. Categorias: - Barras CA-25 ou CA-50. Fios CA-60.

3. Configuracao geometrica: As baras CA-50 devem ter nervuras transversais e asCA-25 devem ser lisas. Os fios podem ser lisos, entalhados ou nervurados.

4. Defeitos: o material deve ser isento de corrosao, manchas de oleo, reducao de secaoe fissuras. Oxidacao superficial e permitida.

5. Massa: A massa real das barras deve ser igual a sua massa nominal com as to-lerancias conforme tabelas que seguem (considerar a massa especfica do aco como7850 kg/m3)

33


34/55

Figura 26:

34


35/55

6. Comprimento das barras: 12m com tolerancia de 1%,

7. Marcacao: As barras e fios devem ser identificados com a categoria e diametro domaterial.

8. Propriedades Mecanicas da Tracao e dobramento: Devem seguir a tabelaque segue:

Figura 27:

9. Amostragem: Os lotes para analises deverao ser de no maximo 30t. Deve-se extrair3 amostras por lote.

10. Ensaios mais comuns: Tracao (ABNT NBR ISO 6892). Lo = 10 diametros

nominais; resistancia ao escoamento caracterizada por um patamar no diagramatensao-deformacao ou calculada como 0,2 % de deformacao residual ou a tensaocorrrespondente a deformacao de 0,5%. Dobramento (ABNT NBR 6153):

11. Demais Ensaios: Fadiga (ABNT NBR 7478) e confomacao superficial (ABNTNBR 7477)

12. Aceitacao: Atender aos itens 4, 5, 7, ensaios de tracao e dobramento.

13. Contraprova Em caso de um dos corpos de prova nao atender a todas as espe-cificacoes da norma, ensaios com mais seis corpos de prova deverao ser realizados.

Caso algum destes corpos de prova nao atenda a todas as especificacaoes da Norma,o lote devera ser rejeitado.

5.2.2 O Relatorio


A planilha da secao que segue preenchida, bem como os calculos relativos ao presenterelatorio;

O esboco dos diagrama tensao

deformacao das barras ensaiadas ate a ruptura,

indicando os valores de tensao de escoamento (real ou convencional) e tensao de rup-tura, classificando o material segundo as normas de ABNT verificando e apontadoo resultado de cada item analisado.

35


36/55

Figura 28:36


37/55

5.3 Ensaio de compressao em pilarete de concreto armado

Este ensaio cientfico consiste em se determinar as tensoes normais nas armaduras longi-tudinais de um pilarete curto (nao sujeito a flambagem).

Trata-se de um pilarete de base circular de 20cm de altura e 10cm de di ametro. Este

pilar foi armado com 4 barras de 12,5mm de di ametro e estribos de 6,3mm. As barraslongitudinais foram instrumentadas, cada uma delas com um strain-gage para medida dedeformacao linear na direcao longitudinal. As fotos da figura 29 mostram algumas etapasda confeccao deste pilarete.

Figura 29: Etapas da confeccao do pilarete de concreto armado.

Este pilarete sera ensaiado a compressao ate a carga de 60kN. O esquema de ensaiobem como do pilarete instrumentado e mostrado na figura 30

Figura 30: Esquema de ensaio e do pilarete instrumentado.

Para efeitos de calculo considere:

37


38/55

Modulo de Elasticidade do aco: 205GPa Modulo de Elasticidade do concreto: 15GPaPara este, problema pose-se escrever, pela teoria da Resistencia dos Materiais:

{Na + Nc = P

NaLaEaAa

= NcLcEcAc

(42)

onde: N, L, E, A sao, respectivamente, o esforco normal, o comprimento, o Modulo deElasticidade, a area (ndice a para o aco e c para o concreto), e P a carga de compressao.Nas equacoes 42 tem-se uma equacao de equilbrio e uma equacao de compatibilidade dedeslocamentos.

Partindo-se dos dados disponveis do ensaio, observa-se que as incognitas das equacoes42 sao Na e Nc. A solucao deste sistema linear de duas inconitas e duas equacoes forneceos valores de Na e Nc que permitem o calculo das tensoes atuantes no concreto (c) e no

aco (a):

a =NaAa

c =NcAc

(43)

Sabendo-se que os strain-gages estao ligados em circuitos de 1/4 de ponte de Wheats-tone com gage-factor igual a 2,12 e que a voltagem de alimentcao e de 5V, preencha atabela que segue:

P (kN) E1(mV) 1 (%) E2(mV) 2 (%) E3(mV) 3 (%) E4(mV) 4 (%)

20

40

60

Observe que os valores de deformacao nao sao identicos em todos os pontos monito-rados. Isso se deve a imperfeicoes dos corpos de prova, erros inerentes a instrumentacao,desnveis e tambem a dificuldade de se aplicar a carga uniformemente distribuda exata-mente na direcao longitudinal do pilarete. Para efeito de medidas de tensao atraves das

medidas de deslocamentos, considere o valor medio dos 4 strain-gages.

5.3.1 O Relatorio


A tabela anterior preenchida e com seus respectivos calculos; As tensao normais no aco e no concreto, obtidas das medicoes experimentais, para

as cargas de 20, 40 e 60 kN;

O calculo das tensoes normais no aco e no pilar para as cargas de 20, 40 e 60 kN,obtido atraves da teoria da Resistencia dos Materiais (apresentar os calculos);

As diferencas percentuais entre os valores teoricos e experimentais;

38


39/55

Responder, justificando, a pergunta: A relacao entre o carregamento e as tensoes eaproximadamente linear?

O calculo teorico das tensoes normais no aco e no concreto para a carga de 60 kN,obtido atraves da teoria da Resistencia dos Materiais, caso o concreto usado fosse

de melhor qualidade, com Modulo de Elasticidade igual a 25 GPa (apresentar oscalculos). Observe se houve aumento ou reducao de tensoes no aco e no concretoquanto se compara com os resultados teorios do pilarete ensaiado.

39


40/55

5.4 Ensaio de perfil metalico submetido a flexao

Este ensaio cientfico consiste em se determinar as tensoes normais em um perfil I de aco,submetido a flexao simples.

Trata-se de uma viga com secao transversal I bi-apoiada e solicitada por uma carga

concentrada no meio do vao e instrumenta com 4 strain-gages. A foto da figura 31 mostraa viga deste ensaio.

Figura 31: Foto do perfil metalico.

Para melhor ilustrar o ensaio, segue o esquema da viga ensaiada.

Figura 32: Esquema do ensaio.

A distancia entre os apoios e de 1,0m e o ponto central de carregamento esta no meio

40


41/55

do vao. Os strain-gages foram colados em posicoes conforme mostrado na figura 33. Estafigura tambem mostra alguns detalhes da secao transversal do perfil que tem 6,5 mm deespessura da alma, 10 mm de espessura da mesa, altura h = 206 mm e base b = 135 mm

Figura 33: Posicoes dos strain-gages.

5.4.1 Estudo Teorico

Para a figura 44 que segue, tem-se de forma simplificada:

Figura 34: Diagramas de deformacao longitudinal e tensoes normais

x = Ky. (44)

Aplicando a Lei de Hooke:

= Ex = EKy. (45)

Chamando de k = EK, tem-se entao:

= ky. (46)

Para uma barra submetida a flexao pura ou simples, tem-se que o esforco normal enulo, ou seja:

A

xdA = 0A

kydA = 0

41


42/55

A

ydA = 0 (47)

sendo A a area da secao transversal da viga.A equacao 47 permite concluir que a linha neutra passa pelo CG da secao transversal

da viga.Aplicando a definicao de momento fletor:

Mz =

AxydA (48)

E aplicando equacao 46, tem-se entao:

Mz =

Aky2dA = k

A

y2dA = kIz (49)

Desta forma, o valor de k fica:

k =

MzIz , (50)

e chega-se finalmente a:

x =MzIz

y (51)

5.4.2 Valores extrados do ensaio

Sabendo-se que os strain-gages estao ligados em circuitos de 1/4 de ponte de Wheatstonecom gage-factor igual a 2,12 e que a voltagem de alimentcao e de 5V, preencha a tabelaque segue:


60

80

100

5.4.3 O Relatorio


A tabela anterior preenchida e com seus respectivos calculos; As tensao normais devidas a flexao, obtidas das medicoes experimentais, para as

cargas de 60, 80 e 100 kN;

O calculo das tensoes normais para as cargas de 60, 80 e 100 kN, obtido atraves dateoria da Resistencia dos Materiais (apresentar os calculos);

As diferencas percentuais entre os valores teoricos e experimentais; Trace, numa mesma figura, os graficos que descrevem a variacao das tensoes normais

ao longo da altura do perfil ensaiado para os valores numericos e experimentais;


42


43/55

5.5 Ensaio em Viga de Concreto Armado

Este ensaio cientfico consiste em se determinar as tensoes normais na armadura longitu-dinal de uma viga de concreto armado submetida a flexao simples.

Trata-se de uma viga com secao transversal retangular bi-apoiada, solicitada por uma

carga concentrada no meio do vao e instrumenta com strain-gages. A foto da figura 35mostra algumas fases de confeccao da viga deste ensaio.

Figura 35: Fotos da confeccao da viga de concreto armado.

Para melhor ilustrar o ensaio, segue o esquema da viga ensaiada.

Figura 36: Esquema do ensaio.

A viga possui 8 strain-gages ligados em 1/4 de ponte, todos colados na armaduralongitudinal: duas barras de 12.5 mm de diametro. O posicionamento dos strain-gages emostrado na figura 37, onde tambem sao apresentadas as dimensoes da secao transversalda viga. Conforme se observa nesta figura, foram colados 4 strain-gages nas faces supe-riores das barras longitudinais e quatro strain-gages nas faces inferiores, sendo a =250,b =450 mm e L = 800 mm Esta figura tambem mostra alguns detalhes da secao transversalque tem 180 mm de altura util e 100 mm de largura.

43


44/55

Figura 37: Posicionamento dos strain-gages e secao transversal

44


45/55

5.5.1 Estudo Teorico

Seja a a figura 38 que segue, onde s ao mostrados o perfil do solido de tensoes normaisna secao transversal da viga, bem como o binario formado pelas resultantes de tracao ecompressao:

Figura 38: .

Pode-se escrever entao que:

z = d x3

(52)

T = aAa (53)

C =xc

2b (54)

Como o esforco normal e nulo, o somatorio de forca na horizontal deve ser zero:

T = C

aAa =xc

2b

ac

=bx

2Aa(55)

Ja o somatorio de momentos na secao e equilibrado pelo fletor (Mz) atuante:

Mz = T z = Cz

Mz = aAa d x

3 =xc

2 bd x

3 (56)Pela hipotese das secoes planas na flexao, pode-se escrever:

ac

=d x

x(57)

e pelas lei de Hooke:

aEacEc

=

d

x

x (58)

Chamando a razao EaEc

= n, a equacao anterior pode ser reescrita na forma:

45


46/55

ac

= n(d x)

x(59)

Igualando as equacoes 59 e 55, tem-se:

bx

2Aa= n

(d x)x

(60)

A equacao 60 pode ser re-escrita, considerando o valor de a = b2Aan

, levando a:

ax2 + x d = 0 (61)A raiz 0 < x < d da equacao 61, define a posicao da linha neutra. De posse do valor de

x, do momento fletor atuante e e das demais propriedades geometriacas da viga, pode-se

voltar nas equacoes 56 e se determinar as tensoes no aco e no concreto.

5.5.2 Valores extrados do ensaio

Sabendo-se que os strain-gages estao ligados em circuitos de 1/4 de ponte de Wheatstonecom gage-factor igual a 2,12 e que a voltagem de alimentcao e de 5V, preencha a tabelaque segue:

Secao central - Secao A:


...

...

Secao no quarto de vao - Secao B:


...

...

5.5.3 O Relatorio


As tabelas anteriores preenchidas e com seus respectivos calculos; As tensao normais de tracao devidas a flexao para as barras longitudinais nas secoes

A e B, obtidas das medicoes experimentais, para as cargas de ... e ... kN. Para esteitem, tomar a media de todas as leituras para

O calculo das tensoes normais de tracao das barras logitudinais para as cargas de... e ... kN, obtido atraves da teoria da Resistencia dos Materiais (apresentar oscalculos);

As diferencas percentuais entre os valores teoricos e experimentais;


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5.6 Dureza

A dureza consiste numa medida da resistencia de um material a uma deformacao plasticalocalizada. A primeira escala usada para se quantificar a dureza e a escala de Mohsmostrada na figura 39. A Escala de Mohs quantifica a resistencia que um determinado

mineral oferece ao risco. O diamante risca o vidro, portanto, este e mais duro que o vidro.Esta escala foi criada em 1812 pelo mineralogista alemao Friedrich Mohs.

Figura 39: Escala de Mohs

Alguns parametros uteis para a avaliacao da escala de Mohs:

Dureza Objeto2,5 Unha3,0 Moeda de cobre5,5 Lamina do canivete

5,5 a 6 Vidro7 Porcelana

9,1 Ponta de vdia

Essa classificacao e adequada em alguns ramos da engenharia. Entretanto, para pro-blemas de engenharia Civil e Mecanica, onde os metais sao materias primas em diversassituacoes, a escala de Mohs apresenta pouca resolucao pois a maioria dos metais apresentadurezas Mohs entre 4 e 8.

Desta forma, outras formas de determinacao de dureza foram desenvolvidas. As maisusadas sao baseadas na correlacao entre as dimensoes de impressoes causadas penetradorespadronizados forcados contra a superfcie do material a ser testado. Assim, quanto maismacio for o material, maior e mais profunda sera a impressao e menor sera o ndice dedureza. Os ensaios de dureza sao realizados frequentemente uma vez que sao simples ebaratos, parcialmente nao destrutivos (o corpo de prova nao e fraturado e nem deformadodrasticamente) e permitem determinar outras propriedades do material. Os Principaisensaios de dureza sao:

Dureza Brinnel Dureza Rockwell

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Dureza Vickers Dureza Janka

5.6.1 Dureza Brinnell

E um dos tipos de dureza mais utilizado na area de engenharia sendo simbolizada porHB. Consiste em comprimir lentamente uma esfera de aco de diametro D = 2R sobre asuperfcie plana, polida e limpa de um metal atraves de uma carga P, durante um tempot. Essa compressao provocara uma impressao permanente no metal com formato de umacalota esferica, tendo um diametro d = 2r. A dureza Brinell e definida em N/mm2 oukgf/mm2, como o quociente entra a carga aplicada pela area de contato (area superficial)Ac, a qual e relacionada com os valores D e d conforme a expressao:A figura 40 mostra o esquema

Figura 40: Esquema da dureza

HB =F

Ac=

F

Dp(62)

De todos os termos da equacao 62, apenas o valor de p (a profundidade da impressao)

ainda nao e conhecido. Aplicando o Teorema de Pitagoras no triangulo retangulo dafigura 40 tem-se:

R2 = (R P)2 + r2R2 = R2 2Rp + p2 + r2

p2 2Rp + r2 = 0 (63)Resolvendo a equacao de segundo grau:

p =

2R

(2R)2

4r2

2p = R

R2 r2

p = R

R2 r2

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que pode ser re-escrita em funcao de D e d:

p =D

2

D

2 2

d

22

p =D D2 d2

2(64)

Levando o valor de p na equacao 62, chega-se finalmente a:

HB =2F

D(

D D2 d2) (65)

O ensaio padronizado, proposto por Brinell, e realizado com carga de 3.000 kgf e

esfera de 10 mm de diametro, de aco temperado. Porem, usando cargas e esferas diferen-tes, e possvel chegar ao mesmo valor de dureza, desde que se observem algumas condicoes:

A carga sera determinada de tal modo que o diametro de impressao d se situe nointervalo de 0,25 a 0,5 do diametro da esfera D. A impressao sera considerada idealse o valor de d ficar na media entre os dois valores anteriores, ou seja, 0,375 mm.

Para obter um diametro de impressao dentro do intervalo citado no item anterior,deve-se manter constante a relacao entre a carga (F) e o diametro ao quadradoda esfera do penetrador (D2) , ou seja, a relacao F/D2 e igual a uma constante

chamada fator de carga. Para padronizar o ensaio, foram fixados valores de fatoresde carga de acordo com a faixa de dureza e o tipo de material. O quadro a seguirmostra os principais fatores de carga utilizados e respectivas faixas de dureza eindicacoes.

Figura 41: Fatores de Carga

O numero de dureza Brinell deve ser seguido pelo smbolo HB, sem qualquer sufixo,sempre que se tratar do ensaio padronizado, com aplicacao da carga durante 15 segundos.Em outras condicoes, o smbolo HB recebe um sufixo formado por numeros que indicamas condicoes especficas do teste, na seguinte ordem: diametro da esfera, carga e tempode aplicacao da carga. Exemplificando: Um valor de dureza Brinell 85, medido com umaesfera de 10 mm de di ametro e uma carga de 1.000 kgf, aplicada por 30 segundos, erepresentado da seguinte forma: 85HB 10/1000/30.

A medida do diametro da calota (d) deve ser obtida pela media de duas leituras obtidasa 90o uma da outra, e de maneira geral nao pode haver diferenca maior que 0,06 mm entreas duas leituras, para esferas de 10 mm.

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O ensaio Brinell e usado especialmente para avaliacao de dureza de metais nao ferrosos,ferro fundido, aco, produtos siderurgicos em geral e de pecas nao temperadas. E feito emequipamento de facil operacao. Por outro lado, o uso deste ensaio e limitado pela esferaempregada. Usando-se esferas de aco temperado so e possvel medir dureza ate 500 HB,pois durezas maiores danificariam a esfera.

Alguns estudos cientficos buscam relacionar valores de dureza a resistencia a tracaodos materiais. Para aco estrutural, aproxima-se a resistencia a tracao por:

= 3, 6HB (66)

5.6.2 Dureza Rockwell

Simbolizada por HR. Difere fundamentalmente do ensaio de dureza Brinell pelo fato deeliminar o tempo necessario para medicao de qualquer dimensao da impressao causada,pois o resultado poser lido diretamente na maquina de ensaio. Os penetradores pequenospodem ser cones de diamante com 120 de conicidade ou esferas de aco temperado.

O penetrador e em primeiro lugar aplicado a superfcie do material de ensaio sobuma carga secundaria de 10 kgf (pre-carga), sendo o objetivo penetrar nas imperfeicoesda superfcie da peca e vencer as deformacoes elasticas. Apos a pre-carga de 10 kgf seraplicada, um braco e acionado para aplicar a carga principal. Um mostrador graduadona maquina indica em escalas de dureza Rockwell (A, B, C etc.), baseadas na diferencada profundidade de penetracao causada pelas cargas principal e secundaria. O numeroobtido de dureza e adimensional.

O ensaio pode ser realizado em dois tipos de maquina que se diferenciam pela precisaodos componentes, tendo ambas a mesma tecnica de operacao: maquina padrao paramedida de dureza Rockwell comum e dureza Rockwell superficial. A maquina padrao

mede a dureza Rockwell normal e indicada para avaliacao de dureza em geral. A maquinamais precisa mede a dureza Rockwell superficial, e e indicada para avaliacao de durezaem folhas finas ou laminas, ou camadas superficiais de materiais.

Nos ensaios de dureza Rockwell normal utiliza-se uma pre-carga de 10 kgf e a cargamaior pode ser de 60, 100 ou 150 kgf. Nos ensaios de dureza Rockwell superficial apre-carga e de 3 kgf e a carga maior pode ser de 15, 30 ou 45 kgf.

Estas escalas nao tem relacao entre si. Por isso, nao faz sentido comparar a durezade materiais submetidos a ensaio de dureza Rockwell utilizando escalas diferentes. Ouseja, um material ensaiado numa escala so pode ser comparado a outro material ensaiadona mesma escala. O quadro da figura 42 mostra as escalas mais utilizadas nos processos

industriais.O numero de dureza Rockwell deve ser seguido pelo smbolo HR, com um sufixo queindique a escala utilizada. Veja, por exemplo, a interpretacao do resultado 64HRC:

64 e o valor de dureza obtido no ensaio; HR indica que se trata de ensaio de dureza Rockwell; a ultima letra, no exemplo C, indica qual a escala empregada.A profundidade que o penetrador vai atingir durante o ensaio e importante para definir

a espessura mnima do corpo de prova. De modo geral, a espessura mnima do corpo deprova deve ser 17 vezes a profundidade atingida pelo penetrador. Entretanto, nao ha meiosde medir a profundidade exata atingida pelo penetrador no ensaio de dureza Rockwell.

E possvel obter a medida aproximada desta profundidade (p), a partir do valor dedureza indicado na escala da maquina de ensaio, utilizando as formulas a seguir:

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Figura 42: Escalas de dureza rockwell

Penetrador de diamante: p (mm) = 0,002(100 - HR)

Penetrador esferico: p (mm) = 0,002(130 - HR)Por exemplo, a profundidade aproximada de penetracao que sera atingida ao ensaiar ummaterial com dureza estimada de 40HRC e de 0,12 mm.(Rockwell normal - penetradorde diamante).

O quadro da figura 43 apresenta de forma aproximada algumas rela coes entre as du-rezas ate aqui estudas:

5.6.3 Dureza Vickers

O ensaio de dureza Vickers, simbolizada por HV, tambem emprega o princpio de pene-

tracao. O metodo e baseado no princpio de que as impressoes provocadas pelo penetradorpossuem similaridade geometrica, independentemente da carga aplicada. Assim, cargasde diversas magnitudes sao aplicadas na superfcie plana da amostra, dependendo da du-reza a ser medida. O Numero Vickers (HV) e entao determinado pela razao entre a cargae a area superficial da impressao, sendo o penetrador de formato piramidal.

A Dureza Vickers e dada por:

HV =F

As(67)

onde As e a area lateral da piramide da figura 44

No ensaio para determinacao da dureza Vickers a leitura efetuda e da diagonal da baseda piramide d. Desta forma e necessario calcular a area As em funcao de d. O lado a dabase da piramide e dado por:

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Figura 43: Estimativas de relcoes entre as durezas

Figura 44: Geometria da regiao penetrada no corpo de prova

a =d

2(68)

Como a geometria do penetrador e conhecida, pode-se analisar o corte indicado nafigura 44, onde o plano de corte contem a altura da piramide e seu apotema, chegando-sea:

h cos = a2 h = a

2cos = d

2

2cos (69)

A area de contato (As) do pentrador com o corpo de prova coincide com a area lateral

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Figura 45: Corte na regiao penetrada no corpo de prova contendo o apotema (h) e aaltura da piramide (H)

da piramide:

As =4ah

2=

4d2

4

2

2cos

As = 2.d2

4cos =

d2

2cos

As =d2

2cos22o=

d2

1, 8544

logo:

HV = FAs

= 1, 8544Fd2

(70)

A dureza Vickers e representada pelo valor de dureza, seguido do smbolo HV e deum numero que indica o valor da carga aplicada. A representacao 440 HV indica que ovalor da dureza Vickers

Neste metodo, ao contrario do que ocorre no Brinell, as cargas podem ser de qualquervalor, pois as impressoes sao sempre proporcionais a carga, para um mesmo material.Deste modo, o valor de dureza sera o mesmo, independentemente da carga utilizada.Por uma questao de padronizacao, as cargas recomendadas sao: 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30,40, 60, 80, 100, 120 kgf. Para cargas muito altas (acima de 120 kgf), em vez do penetrador

de piramide de diamante pode-se tambem usar esferas de aco temperado de 1 ou 2 mmde diametro na mesma maquina.

Por ser dependente da area a escala Vickers varia rapidamente quando comparada aRockwell, por exemplo: 68 HRC 940 HV e 60 HRC 697 HV.

O ensaio Vickers fornece uma escala contnua de dureza, medindo todas as gamas devalores de dureza numa unica escala. As impressoes sao extremamente pequenas e, namaioria dos casos, nao inutilizam as pecas, mesmo as acabadas. O penetrador, por serde diamante, e praticamente indeformavel. Este ensaio aplica-se a materiais de qualquerespessura, e pode tambem ser usado para medir durezas superficiais.

5.6.4 Dureza Janka

A dureza Janka(fH) E uma variacao do metodo Brinell, usada em geral para madeiras.A dureza Janka e definida pela forca necessaria para penetrar, ate a metade do diametro,

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uma esfera de aco de diametro 11,28 mm (area de contato da penetracao de 1 cm2). Ocarregamento deve ser monotonico crescente aplicado ate que a esfera penetre a uma pro-fundidade igual ao seu raio (5,64 mm), em um perodo de pelo menos um minuto (1 mma cada 10 segundos).

A Dureza Janka e dada por :

fH =FmaxAsd

(71)

Observacoes:1. O corpo-de-prova deve ter forma prismatica de secao quadrada de 5,0 cm e com-

primento ao longo das fibras de 15,0 cm e deve ser fabricado com seus lados menoresperpendiculares as direcoes preferenciais da madeira.

2. A dureza da madeira e medida na direcao paralela as fibras (f H0) e/ou na direcaonormal as fibras (f H90).

3. Para o calculo da dureza usar equacao 1 deste texto, extrado da NBR 7190.Para se ter uma nocao da magnitude de dureza Janka, e reproduzido na figura 46 um

quadro com comparacao entre diversas especies de madeiras:

Figura 46: Comparacao de durezas Janka - fonte:http://www.remade.com.br

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5.6.5 Os testes de dureza

Serao realizados testes de dureza em aco (durezas Brinell, Rockwell e Vickers) e madeira(Janka). Os testes em aco serao realizados em uma amostra preparada de aco paraconcreto armado CA 50. Ja o teste de dureza Janka sera realizado em CPs de madeira

devidamente preparados.O objetivo principal do ensaios e a determinacao da dureza para todos ensaios reliza-

dos.Planilhas para auxlio do ensaio:

1 (mm) 2 (mm) F (kgf) HB HRC d1 (mm) d2 (mm) F (kgf) HV

f1H90 f2H90 f

3H90 f

4H90 f

5H90 f

6H90 fH90

5.6.6 O relatorio


Uma descricao sucinta e com suas palavras de cada tipo de dureza ensaiada (emtorno de 04 linas para cada tipo);

As planilhas anteriores preenchidas com os respectivos calculos; A verificacao da expressao 66

A verificacao da figura 43, aviando a dureza de Mohs do aco ensaiado A classificacao da madeira quanto a dureza, avaliando tabela 46.

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apostilalrm2011