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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

André Goulart Machado Guilherme Maier Slaviero João Paulo Nogara Jonathan Loss Barrios

ESTUDO SOBRE IMPACTO

Santa Maria, RS 2019

André Goulart Machado Guilherme Maier Slaviero João Paulo Nogara Jonathan Loss Barrios

ESTUDO SOBRE IMPACTO

Trabalho apresentado ao professor Dr. René Quispe Rodríguez da disciplina de Mecânica dos Sólidos II, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como requisito para avaliação parcial.

Professor: René Quispe Rodríguez

Santa Maria, RS 2019

RESUMO ESTUDO SOBRE IMPACTO AUTORES: ANDRÉ, GUILHERME, JOÃO E JONATHAN PROFESSOR: RENÉ QUISPE RODRÍGUEZ Este relatório trata-se de um estudo em torno de carregamentos estáticos e dinâmicos, com ênfase no comportamento de estruturas submetidas a um carregamento dinâmico por impacto. São apresentados exemplos teóricos e práticos juntamente com uma abordagem mais detalhada a respeito do ensaio de impacto em estruturas metálicas. Concluindo sobre a importância desse estudo a fim de dimensionar estruturas e componentes mecânicos submetidos a cargas dinâmicas em um curto intervalo de tempo e não apenas levando em consideração as cargas estáticas que, por sua vez, causam uma solicitação estrutural menor em comparação a esforços dinâmicos. Palavras-chave: Ensaio de Impacto. Carga Dinâmica. Estruturas Metálicas. Cargas Estáticas.

ABSTRACT

STUDY ABOUT IMPACT AUTHORS: ANDRÉ, GUILHERME, JOÃO E JONATHAN PROFESSOR: RENÉ QUISPE RODRÍGUEZ This report is about a study of static and dynamic loads, with emphasis on the behavior of structures subjected to dynamic loading by impact. Theoretical and practical examples are presented together with a more detailed approach to impact testing on metal lic structures. Concluding on the importance of this study in order to size structures and mechanical components subjected to dynamic loads in a short time gap and not only taking into account the static loads which, in turn, cause a lower structural stress in comparison to dynamic loads. Keywords: Impact Testing. Dynamic Loads. Metallic Strucutres. Static Loads.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Carregamento estático .............................................................................. 10 Figura 2 - Carregamento dinâmico por impacto ........................................................ 10 Figura 3 - Um Volkswagen Golf realizando o teste de impacto frontal ...................... 12 Figura 4 - Padrão de deformação ideal para elementos tubulares ............................ 12 Figura 5 - Exemplo de uma viga submetida a um impacto ........................................ 14 Figura 6 - Parâmetros da viga exemplificada ............................................................ 14 Figura 7 - Martelo Pendular ....................................................................................... 17 Figura 8 - Corpos de prova no estilo Charpy ............................................................. 18 Figura 9 - Corpos de prova estilo Izod e para ferro fundido ...................................... 19 Figura 10 - Efeito de direcionalidade nas curvas de impacto de corpos de prova Charpy....................................................................................................................... 19 Figura 11 - Martelo Pendular da UFSM ..................................................................... 22

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Efeito do tamanho do corpo de prova na energia absorvida .................... 21

SUMÁRIO 1

INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 8

2

DESENVOLVIMENTO ......................................................................................... 9 2.1 IMPACTO ............................................................................................................ 9 2.2 CASOS REAIS DE IMPACTO ................................................................................. 11 2.3 CASO TEÓRICO DE IMPACTO .............................................................................. 13 2.4 ENSAIOS EXPERIMENTAIS .................................................................................. 16

3

CONCLUSÃO .................................................................................................... 23

4

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................. 24

8 1 INTRODUÇÃO O presente trabalho trata sobre o assunto de cargas dinâmicas, mais especificamente no que diz respeito ao carregamento por impacto. Seu objetivo é o esclarecimento do assunto, apresentar suas utilizações no meio da engenharia e expor exemplos de casos reais e teóricos. Está organizado em 4 capítulos. No capítulo 2.1, abordaremos o assunto como um todo na engenharia. No capítulo 2.2, será exposto um exemplo real da realização de um crash test de um carro. No capítulo 2.3, será demonstrado um exemplo com embasamento teórico. No capítulo 2.4, apresentaremos como são feitos ensaios experimentais envolvendo impacto. A metodologia empregada no trabalho foi a pesquisa bibliográfica, enriquecida com reportagens referentes ao assunto.

9 2 DESENVOLVIMENTO

2.1 Impacto

As cargas de impacto podem ser divididas em três categorias, ordenadas pelo aumento de severidade: (1) cargas de intensidade essencialmente constante movendo-se rapidamente, como as produzidas por um veículo passando por uma ponte, (2) cargas aplicadas subitamente, como aquelas ocorrentes em uma explosão, ou o resultado da combustão na câmara do cilindro de um motor, e (3) cargas de impacto direto, como as geradas por um martelo mecânico de forjamento ou pela colisão de um veículo. Cargas de impacto podem ser compressivas, tensionais, de flexão, torcionais ou ainda uma combinação destes. Nos projetos de engenharia, e em especial da área mecânica é imprescindível considerar como atuam os carregamentos sobre as peças e conjuntos. 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 isso para evitar que ocorram falhas catastróficas e muitas vezes irreversíveis devido a um projeto mal elaborado. Por exemplo, uma estrutura qualquer que seja submetida a uma carga gradativa e lenta sofrerá uma deformação diferente de uma estrutura que esteja sofrendo a ação de uma carga aplicada de forma rápida ou que varie de intensidade com o tempo. Com base nisso, podemos diferenciar os diferentes casos de aplicações de esforços em carregamentos do tipo estáticos ou dinâmicos. Um carregamento do tipo estático (Figura 1) segundo Shigley (2005) é uma força estacionária ou momento aplicado 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

10 realizado com a utilização das equações e procedimentos comuns aos fundamentos de cálculos de resistência dos materiais. Figura 1 - Carregamento estático

Fonte: Tipos de carregamentos (Domingos de Azevedo, 2016)

Os carregamentos dinâmicos são aqueles em que em que o tempo é uma das variáveis na aplicação da carga, podendo ser constante ou apresentar variações de intensidade ao longo do tempo. O carregamento dinâmico ainda pode ser subdividido em carregamento por impacto, carregamento cíclico e também vibração. Estudaremos apenas o impacto. Resumidamente, entende-se como carregamento por impacto todo carregamento em que a carga é aplicada pela colisão de objetos. O impacto, também conhecido como choque, carregamento impulsivo ou carregamento súbito, é um fenômeno tipicamente dinâmico que ocorre quando um objeto atinge outro, ou seja, colide com outro, conforme visto na Figura 2. É 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, definindo um a colisão elástica. Figura 2 - Carregamento dinâmico por impacto

11

Fonte: Tipos de carregamentos (Domingos de Azevedo, 2016)

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.

2.2 Casos Reais de Impacto

Existem muitos casos reais de carregamentos de impacto, como a fixação de um prego ou de uma estaca com um martelo, a quebra de um bloco de concreto com uma britadeira, uma colisão de veículos (mesmo com efeitos menores, como no caso do impacto entre para-choques durante um estacionamento descuidado), a queda de caixas de papelão das mãos de um operário, a demolição de um prédio com uma bola de demolição, a queda das rodas de um veículo em um buraco na estrada, e assim por diante. O caso real escolhido para análise é a colisão de veículos, mais precisamente os testes de impacto em veículos (também conhecido como Crash Tests). Esses testes são largamente utilizados para avaliação do comportamento veicular em uma colisão. Há normas que são aplicadas para os testes de impacto, e importantes instituições governamentais, como a National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA), regulam os crash tests. O teste mais popular é o da colisão frontal contra uma barreira rígida, que, segundo aponta a norma, é o tipo de colisão mais comum no cotidiano. A norma FMVSS 208 determina alguns requisitos para colisão de um veículo a 56 km/h. Como a colisão

12 fornece uma grande desaceleração, os passageiros são representados por manequins. Com a devida instrumentação, é possível avaliar a efetividade dos cintos de segurança, air bags e absorção de energia. A Figura 3 mostra o carro Golf da Volkswagen realizando o teste mencionado. Figura 3 - Um Volkswagen Golf realizando o teste de impacto frontal

Fonte: Quatro rodas (Editora Abril, 2017)

O principal motivo para a aplicação desse tipo de teste é definir o nível de energia armazenada no veículo, sem que ocorra como consequência a penetração excessiva da estrutura ao espaço reservado aos passageiros, chamada de célula de sobrevivência. Desta forma, quanto maior o nível de energia armazenada na estrutura veicular, menor a transferência de energia para o interior do compartimento dos passageiros e menos severos serão os danos causados. Dessa forma, as fabricantes de automóveis têm a responsabilidade de projetar um chassi pensando numa possível colisão. Os tubos estruturais devem funcionar como absorvedores de energia para atenuar o impacto. Por exemplo, Birch (2005) considera um absorvedor de energia ideal um tubo de seção circular, com pequena espessura de parede, e que se deforma de maneira que apresente várias dobras (deformação do tipo sanfona) quando submetido à uma carga axial, conforme a Figura 4: Figura 4 - Padrão de deformação ideal para elementos tubulares

13

Fonte: Impacto veicular “Crashworthiness” (Birch, 2005)

Como não é possível a construção de um chassi somente com o caso ideal, o desafio dos engenheiros é de desenhar o chassi com uma geometria favorável para o amortecimento de energia durante impactos, garantindo a segurança de seus ocupantes.

2.3 Caso Teórico de Impacto

Um dos problemas com a aplicação da análise teórica do impacto para os problemas reais de engenharia é que frequentemente as taxas de aplicação da carga em relação ao tempo e de desenvolvimento da deformação podem ser apenas aproximadas. Esta limitação, algumas vezes, leva ao uso de fatores de impacto determinados empiricamente, junto com as propriedades de resistência estática dos materiais. Essa é uma prática bem aceitável quando bons resultados empíricos são disponíveis para a aplicação ao projeto de um componente. Um exemplo é a utilização de um fator de impacto para tensões de 4 para o projeto de componentes da suspensão de veículos automotivos. Mesmo quando o uso desses fatores empíricos pode ser justificado, é importante para o engenheiro ter uma boa compreensão dos fundamentos básicos das cargas de impacto. Exemplificando, supondo que a figura abaixo mostre uma viga de madeira apoiada nas extremidades por molas e submetida a um impacto que causa flexão. Dessa forma, pede-se para determinarmos a deflexão e a tensão máxima na viga. Nesse caso estamos desprezando as massas da viga e molas.

14 Figura 5 - Exemplo de uma viga submetida a um impacto

Fonte: Projeto de Componentes de Máquinas (JUVINALL, 2013)

Figura 6 - Parâmetros da viga exemplificada

E = 6890 MPa Se = 41 MPa I = 2,43x10-6 m4

Fonte: Projeto de Componentes de Máquinas (JUVINALL, 2013)

(Solução) Hipóteses: 1) Conforme estabelecido no enunciado, as massas da viga e das molas podem ser desprezadas. 2) A viga e as molas respondem elasticamente. 3) A carga de impacto é aplicada uniformemente no centro geométrico da viga. Análise: 1) Os deslocamentos elásticos da viga, das molas dos apoios e total do sistema são: Para a viga sozinha:

15 𝛿𝑣 =

𝑃𝐿3

48𝐸𝐼 Para cada mola:

(45) ∗ (9,81) (1,5)3 −6 = 0,001854 𝑚 6 ) ∗∗(2,43 ( ( 48) ∗ 6890 𝑋 10 𝑋10 ) =

𝛿𝑚 =

𝑃

2𝐾

=

(45)∗(9,81) (2)∗(17500)

= 0,0126 𝑚

Para o sistema total (deflexão estática total): 𝛿𝑠𝑡 = 𝛿𝑣 + 𝛿𝑚

𝛿𝑠𝑡 = (0,001854) + (0,0126) 𝛿𝑠𝑡 = 0,01446 𝑚

2) Calculando o fator de impacto, temos: 𝐹𝑖 = 1 + √1 + 𝐹𝑖 = 1 + √1 +

2ℎ 𝛿𝑠𝑡

2(0,3) (0,01446)

𝐹𝑖 = 7,5

3) Assim, a deflexão total devido ao impacto é: 𝛿 = 𝛿𝑠𝑡 ∗ (𝐹𝑖)

𝛿 = (0,01446) ∗ (7,5) 𝛿𝑡 = 0,1084 𝑚

4) A deflexão total da viga devido ao impacto é: 𝛿 = 𝛿𝑣 ∗ (𝐹𝑖)

𝛿 = (0,001854) ∗ (7,5) 𝛿𝑡𝑣 = 0,0139 𝑚

5) A tensão máxima atuante na viga é dada por:

16 𝜎𝑚𝑎𝑥 =

𝜎𝑚𝑎𝑥 =

𝑀. 𝑌

𝐼 𝑀. 𝑌 𝐼

=

=

(𝑚 ∗ 𝑔) ∗2 (7,5) ∗ (0,75) ∗ (2,43 𝑋10−6)∗ (0,045)

(45 ∗ 9,81) ∗ (7,5) ∗ (0,75) ∗ (0,045) 2 ∗ (2,43𝑋10−6 ) 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 22,97 𝑀𝑃𝑎

O valor encontrado de tensão máxima na viga está coerente dentro do limite de escoamento fornecido no problema, que é de 41 MPa. Percebemos que, se as molas de apoio fossem removidas, o deslocamento estático total seria reduzido para 0,001854 m e o fator de impacto aumentaria para 19,01. Esta condição resultaria em uma tensão máxima calculada de 58,27 MPa atuante na viga, valor que é maior que o limite de escoamento do material e poderia levar à falha da estrutura. Por isso, devese analisar minuciosamente os casos reais, captando todas as condições de contorno para se ter um projeto eficiente e o mais próximo da realidade o possível. Vale ressaltar que, nesse exemplo, não foi considerado o peso da estrutura e nem os concentradores de tensão que, caso fossem considerados, alterariam os resultados finais de tensão e deflexão.

2.4 Ensaios Experimentais

O ensaio de impacto é um dos primeiros e até hoje um dos ensaios mais empregados para o estudo de fratura frágil nos metais. Esse ensaio, denominado também como ensaio de choque ou ensaio de resiliência, é um ensaio dinâmico usado principalmente para materiais utilizados em baixa temperatura, como teste de aceitação do material. Para ensaios experimentais de impacto podemos utilizar uma máquina capaz de desferir um golpe com um peso em oscilação. O instrumento mais utilizado é o do martelo pendular, que permite estudar os efeitos das cargas dinâmicas medindo a tendência de um metal de sofrer uma fratura frágil. No ensaio de impacto devemos levar em consideração a força aplicada e a velocidade com que o martelo se desloca, tendo assim a energia do sistema. O corpo de prova é normalizado, tendo dimensões e entalhe conforme indica a norma usada.

17 Com o corpo de prova devidamente posicionado, o martelo é solto de uma altura inicial h. Ao cair, ele encontra o corpo de prova, causando-lhe uma deformação e consequentemente ruptura. Então, o martelo continua seu percurso até chegar a uma altura final h’. Como a altura inicial e final diferem, se apresenta uma diferença entre a energia inicial e final, que é a energia absorvida pelo material. Quanto menor for h’ , maior será a quantidade de energia absorvida pelo corpo de prova. Por outro lado, quanto maior for h’, menor a quantidade de energia absorvida e, consequentemente mais frágil será o comportamento do material àquela temperatura. Para esse experimento, devemos desconsiderar a resistência do ar e o atrito do pivô da máquina. Figura 7 - Martelo Pendular

Fonte: Ciência e Engenharia dos Materiais (Callister, 2002)

Apesar de ser utilizado na avaliação do comportamento frágil dos materiais, seus resultados têm significação e interpretações limitadas, por isso, não podemos considerá-lo conclusivo e temos que restringir à comparação de materiais ensaiados nas mesmas condições. Essa limitação é devida ao fato das componentes das tensões triaxiais presentes no corpo de prova durante o ensaio não poderem ser medidas satisfatoriamente por dependerem de fatores diversos, incapazes de se ter no corpo de prova. Para relacionar a energia absorvida no experimento com o comportamento do metal a um impacto qualquer, a peça inteira deveria ser ensaiada. Pode-se também utilizar esse ensaio para analisar soldas e tratamentos térmicos feitos.

18 Para os ensaios, é possível usar dois modelos de corpo de provas, Charpy e Izod, sendo o primeiro geralmente o mais usado. O entalhe serve para localizar a fratura e produzir um estado triaxial de tensões, porém, para ferros fundidos e ligas não ferrosas fundidas sob pressão não é preciso do entalhe, todos os corpos de prova têm de estar de acordo com a norma americana ASTM E23. Os corpos de prova no estilo Charpy são divididos em tipo A, tipo B e tipo C, porém, os três tipos devem possuir seção quadrada de 10mm e comprimento de 55mm, os entalhes devem ser feitos no centro do corpo de prova e sendo apenas apoiados de forma centralizada e os apoios devem ter 40mm de distância um do outro. O tipo A tem entalhe em forma de V, o tipo B tem entalhe em forma de fechadura e o tipo C em forma de U. O motivo para o qual exista mais de um tipo é para que a peça sofra ruptura, pois materiais mais dúcteis necessitam de um entalhe mais severo, enquanto que os menos dúcteis não precisam. O corpo de prova do tipo C é o que possui a maior área de entalhe e por isso é o mais severo. O golpe recebido pelo corpo de prova deve ser na face oposta ao entalhe. Figura 8 - Corpos de prova no estilo Charpy

Fonte: Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos (Souza, 1982)

O corpo de prova no estilo Izod deve ter seção quadrada de 10mm, comprimento de 75mm e possuir entalhe em V, como o tipo A do Charpy, porém, o entalhe deve ser feito a uma distância de 28mm de uma das extremidades. A peça é engastada na parte mais comprida e o entalhe deve ficar próximo da região engastada. O<...