Cálculo de Força Axial em Barras de Aço
Quando se trabalha com estruturas de construção, é fundamental considerar a capacidade de resistência das barras de aço que as compõem. A força axial é uma das principais variáveis que afetam a resistência de uma barra, e calcular seu valor é crucial para evitar rupturas e garantir a segurança da estrutura. Além disso, a escolha da barra adequada depende diretamente da magnitude da força axial prevista.
A equação para calcular a força axial em uma barra de aço é conhecida como equação de Hooke, que relaciona a força axial com a deformação elástica da barra. Saber calcular a força axial é fundamental para projetar e construir estruturas que atendam aos padrões de segurança e durabilidade, e é uma habilidade essencial para os engenheiros civis e mecânicos.
Cálculo de Força Axial em Barras de Aço
Limitação elástica
Em situações em que a barras de aço são submetidas a uma carga axial, a força axial aplicada pode levar à limitação elástica, um processo no qual a estrutura sofre deformação sem que haja rompimento. Isso ocorre porque a barras de aço apresentam uma característica chamada módulo elástico, que é a taxa em que a deformação depende da carga aplicada.
A limitação elástica ocorre quando a força axial aplicada atinge um valor igual ao limite elástico, que é o máximo valor de carga que a barra pode suportar sem queimar ou romper. Dentro desse valor, a deformação é reversível e a barra retorna à sua forma original quando a carga é removida. Nesse sentido, a limitação elástica é um processo benigno que pode ser usado como indicador de quando uma barras de aço está se aproximando da sua capacidade máxima de suporte.
- O cálculo da força axial é fundamental para avaliar a capacidade de uma barra de aço;
- A limitação elástica é um processo no qual a estrutura sofre deformação sem que haja rompimento;
- O módulo elástico é a taxa em que a deformação depende da carga aplicada;
- A força axial aplicada deve ser inferior ao limite elástico para evitar deformação permanente;
Limitação plastica
Já em situações em que a força axial aplicada supera o limite elástico, a barra de aço sofre deformação irreversível, caracterizada como limitação plástica. Isso ocorre porque as propriedades mecânicas da barra mudam ao longo da zona de limitação plástica, e a deformação torna-se permanentemente alterada. Na zona de limitação plástica, a deformação não é reversível e a barra retoma sua forma original apenas mediante intervenções mecânicas.
A limitação plástica é um processo mais agressivo do que a limitação elástica, pois pode causar deformação permanente, tornando a estrutura mais vulnerável a falhas e quebras. Além disso, a limitação plástica também pode causar perda de capacidade de suporte, tornando a estrutura inadequada para o ambiente de serviço.
- O cálculo da força axial é fundamental para avaliar a capacidade de uma barra de aço;
- A limitação plástica é um processo no qual a deformação é irreversível e altera permanentemente as propriedades mecânicas;
- A deformação não é reversível na zona de limitação plástica;
- A limitação plástica pode causar perda de capacidade de suporte;
Cálculo de Força Axial em Barras de Aço: Fundamento e Fórmula
Condições Gerais para o Cálculo
Para realizar o cálculo da força axial em barras de aço, são necessárias várias informações iniciais:
- Dados sobre a seção transversal da barra: área grossa (Af) e momento de inertia (Ip);
- Dados sobre as propriedades materiais: tensão limite de esgotamento (SULT) e modular de elasticidade (Em);
- Aplicação da carga: posição, magnitude e sentido;
- Tipo de compressão: isotrópica (uniformemente distribuída) ou isotropizada.
Fundamento do Cálculo
A fórmula para cálculo da força axial em barras de aço baseia-se na segurança pela seção e pela lenta deformação. A pressão interna (s) no interior da barra gera uma rede de tensões na seção transversal. A estabilidade é alcançada se a resistência à tensão pela seção seja maior do que a tensão interna.
A fórmula também leva em consideração a diminuição da secção à medida que a força se estende na direção axial. Com isso, é importante considerar a área móvel (Am), que é a seção transversal da barra afetada pelas compressões.
Fórmula Complete para Cálculo da Força Axial
A fórmula mais comum utilizada é a conhecida como fórmula de Russwurm-Pfeiler, que é:
Fx = (σ × Af × (1 + μ × (A/2Af)1/3) ) / [(Em/SULT) × L]
onde:
- Fx = força axial;
- σ = pressão interna;
- Af = área grossa;
- μ = expoente para calcular a deformação local (aproximadamente igual a 3);
- ΔA = diferença de área entre o início e o fim da região deformada;
- Em/SULT = ratio de módulos de elasticidade a tensão limite de esgotamento.
Passos para Aplicação da Fórmula
Para aplicar a fórmula, siga os seguintes passos:
- Obtenha os valores iniciais sobre a seção transversal (Af, Ip) e os dados sobre as propriedades materiais (SULT, Em);
- Desenvolva o caso de compressão atuante e calcule a posição, magnitude e sentido da carga;
- Calcule a área móvel (Am) em função do comprimento de barra L e do deslocamento axial ε;
- Calcule a tensão interna (σ) através da aplicação da força compressiva;
- Substitua os valores das variáveis na fórmula e obtenha o resultado da força axial (Fx);
- Verifique a estabilidade da barra considerando a tensão límite de esgotamento (SULT).
Espera-se que estes passos ayudem ao usuário a realizar o cálculo da força axial em barras de aço com eficiência.
Erros comuns e dicas ao calcular Cálculo de Força Axial em Barras de Aço
Os erros mais comuns ao calcular a força axial em barras de aço são a falta de consideração do fator de segurança e a inadequação da resistência ao escoamento. É fundamental incluir um fator de segurança ao calcular a carga máxima suportada pela barra, pois ele leva em consideração a variabilidade da carga e a incerteza na determinação da resistência do material. Além disso, é crucial avaliar corretamente a resistência ao escoamento da barra, pois uma resistência inadequada pode levar a rupturas bruscas e danos sérios.
- Inclua um fator de segurança de no mínimo 1,5 em cálculos de força axial.
- Avalie a resistência ao escoamento da barra considerando o teor de carbono, a temperatura de operação e a forma da seção transversal.
- Verifique se a resistência ao escoamento está dentro dos limites da norma ou especificação do material.
- Realize um cálculo de confiabilidade da carga máxima suportada pela barra, considerando a variabilidade da carga e a incerteza na determinação da resistência do material.
Concluindo
O cálculo de força axial em barras de aço é fundamental para avaliar a capacidade de uma estrutura em suportar cargas e momentos aplicados. Compreender os conceitos de força axial e o método de cálculo pode ser utilizado em diversas áreas, desde a engenharia civil até a mecânica. O método de cálculo de força axial é simples, mas é crucial garantir que as premissas de carga e estrutura sejam verificadas antes de qualquer cálculo. A aplicação prática do método é crucial para evitar erros e garantir a segurança estrutural. O resultado do cálculo força axial permite verificar se a estrutura está dentro das limitações permitidas, o que é essencial para garantir a durabilidade e segurança da estrutura. Além disso, é importante lembrar que o método de cálculo é apenas um elemento da análise estrutural, devendo ser complementado com outros métodos para avaliar a resistência total da estrutura.
