Tipos de Carregamentos



TIPOS DE CARREGAMENTOS

Nos projetos de engenharia, e em especial da área mecânica é imprescindível considerar como atuam os carregamentos sobre as peças e conjuntos, pois, eles podem se apresentar de maneiras diferentes e causarem falhas catastróficas.

Por exemplo, o material de uma peça quando submetido a uma carga aplicada gradativamente e que permaneça constante ao longo do tempo, terá um comportamento diferente daquele em que a carga seja aplicada subitamente ou que varie de intensidade com o tempo.

No dimensionamento das peças e componentes de máquinas e estruturas devem-se utilizar as cargas (forças e pressões) conforme se apresentarão durante sua utilização, entre outras considerações necessárias.

Os tipos comuns de carregamento são:

Ø  Estático

Ø  Quase estático

Ø  Dinâmico

                O carregamento dinâmico ainda pode ser subdividido em:

·         Impacto

·         Variável no tempo

DEFINIÇÕES:

Estático: Entende-se como carregamento estático todo carregamento em que a carga é aplicada gradativamente e permanece sem variações de intensidade ao longo do tempo.

Quase estático: Entende-se como carregamento quase estático todo carregamento em que a carga é aplicada subitamente e depois permanece sem variações de intensidade ao longo do tempo.

Dinâmico: Entende-se como carregamento dinâmico todo carregamento em que o tempo é uma das variáveis na aplicação da carga, podendo ser constante ou apresentar variações de intensidade ao longo do tempo.

Impacto: Entende-se como carregamento por impacto todo carregamento em que a carga é aplicada pela colisão de objetos.

Variável no tempo: Entende-se como carregamento variável no tempo, todo carregamento em que a carga aplicada varia ao longo do tempo, geralmente causando tensões que eventualmente podem levar a ruína pela fadiga do material.


Figura 1: Carregamento estático.


Figura 2: Carregamento quase estático.


Figura 3: Carregamento dinâmico por impacto.


Figura 4: Carregamento dinâmico variável no tempo.

UTILIZAÇÃO DOS VÁRIOS TIPOS DE CARREGAMENTOS NO DIMENSIONAMENTO

No dimensionamento de peças submetidas a cargas deve-se contemplar um diagnóstico da peça em condições normais e extremas de utilização, considerando-se como é aplicada a carga, a seleção do material e suas propriedades, condições ambientais de temperatura, pressão, corrosão, reaproveitamento do material no final da vida da peça, etc. Tudo isto, como prevenção contra uma falha ou consequências futuras indesejáveis.

Como falha entende-se que a peça não exerce a função para a qual foi projetada ou deixou de efetuá-la corretamente. Quando a carga é a principal responsável pela falha, geralmente, a falha se deve ao desgaste, deformação e ou ruptura da peça.

A máxima tensão que o material irá suportar sem que ocorra a sua deformação permanente, deve ser igual ao limite de proporcionalidade ou escoamento, mas como prevenção contra a falha adota-se um valor menor, denominado tensão admissível, esta tensão é determinada por: Sadm = Se/fs,  onde fs é o fator de segurança.

O valor do fator de segurança é adotado conforme se conheça os seguintes parâmetros: propriedades dos materiais obtidos em testes, condições ambientais nas quais será utilizado e dos modelos analíticos para forças e tensões do sistema.

Este valor pode variar a partir de 1,3 podendo atingir 5 ou mais, conforme as qualidades das informações que se tenha disponíveis com os parâmetros citados. Quanto menor o conhecimento maior o valor do fator de segurança.





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        Carregamento Estático: Segundo Shigley (2005) Uma carga estática é uma força estacionária ou momento aplicada a um membro. Para ser estacionária, tal força ou momento deve ser imutável em magnitude, em ponto(s) de aplicação e em direção. Uma carga estática pode produzir uma tração axial ou compressão, uma carga de cisalhamento, uma carga de flexão, uma carga torcional, ou qualquer combinação dessas. Para ser considerada estática essa carga não pode mudar de maneira alguma.

O dimensionamento como prevenção a falha de peças com cargas estáticas é realizado com a utilização das equações e procedimentos comuns aos fundamentos de cálculos de resistência dos materiais.

Por exemplo, pode-se determinar a tensão causada a uma barra submetida a esforço de tração pela equação: σ = F/A, ou quanto esta barra irá se deformar, utilizando esta equação:  y = σ. L/E   

        Carregamento por Impacto: O impacto é um fenômeno tipicamente dinâmico que ocorre quando um objeto atinge outro, ou seja, colide com outro, e muito diferente da condição de carregamento estático, pois grandes forças ocorrem num período curto de tempo.

A principal premissa que se utiliza para equacionar e dimensionar é admitir que no impacto não ocorre perda de energia e assim, pelo princípio da conservação de energia toda ela será transferida ao objeto atingido e portanto, sem perdas.

Outra premissa importante, é que o objeto atingido não irá ultrapassar o regime elástico com a deformação obedecendo assim, a lei de Hooke.

E que a massa do objeto em movimento é desprezível se comparada com a do objeto atingido, sendo esta muito maior, pelo menos 15 vezes.

Também se assume que o efeito de aplicação da carga é instantâneo e contínuo até haver o equilíbrio entre a energia externa e a interna.

 Vide a figura a seguir. Ao ser abandonada do repouso, a massa cai de uma distância h, atinge a extremidade da barra e a deforma de um valor ymáx, quando atinge um repouso momentâneo.

Figura 4: Impacto axial em barra delgada. (1).

Desprezando-se a massa da barra e admitindo-se que ela tenha um comportamento elástico. Então a energia de impacto será transformada em deformação da barra, ou seja, o trabalho realizado pela força peso da massa P, ao cair de uma altura h é igual ao trabalho necessário para deslocar a extremidade de um valor ymáx. Mas, a distância total de deslocamento da massa será h + ymáx.

Pode-se aplicar o método da conservação de energia para obter:


Ue = Ui

Após realizar o equacionamento e resolver para tensão máxima, se obtém:


Equação 1: Máxima tensão de impacto na queda.

            Note-se que, se a altura de queda da massa h for nula, a expressão será σmáx = 2P/A. Esta é a condição de carga subitamente aplicada e se enquadra no tipo de carregamento quase estático. (2).

Observando-se a equação anterior, nota-se que os coeficientes equivalem a condição estática e que aquilo que se apresenta entre colchetes quantifica o efeito do impacto. Esta intensificação causada pelo impacto é denominada fator de impacto, geralmente representado por φ.

Percebe-se também, que para quaisquer casos o fator de impacto depende da relação entre a energia externa e a interna.


Equação 2: Fator de impacto.

            A tensão, o momento fletor, deslocamento e a força são proporcionalmente afetados pelo Fator de impacto, também denominado fator dinâmico.

Equação 3: Influência do Fator de impacto.

Equação 4: Fator de impacto para cargas subitamente aplicadas.



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