O tubo de aço A36 tem núcleo de alumínio 6061-T6 e está sujeito a uma força de tração de 200 kN. Determine a tensão normal média no alumínio e no aço devido a essa carga. O tubo tem diâmetro externo de 80 mm e diâmetro interno de 70 mm. Dados:
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Resposta:
Resposta:
Passo 1
Beleza, vamos lá! Temos um tubo de aço A36 com um núcleo de alumínio 6061-T6, e ele está sofrendo uma força de tração de 200 kN. Nosso objetivo aqui é descobrir qual é a tensão normal média no alumínio e no aço por causa dessa carga. Para isso, vamos usar conceitos de resistência dos materiais, especificamente envolvendo áreas de seção transversal e o módulo de elasticidade de cada material.
Passo 2
Primeiro, vamos calcular as áreas das partes de aço e alumínio do tubo. Sabemos que o tubo tem um diâmetro externo de 80 mm e um interno de 70 mm. A área total da seção transversal do tubo é a diferença entre a área do círculo maior (externo) e o círculo menor (interno).
A área total $ A_{total} $ é:
Onde $ D_{ex} = 80 $ mm e $ D_{in} = 70 $ mm.
Calculando:
Passo 3
Agora, vamos determinar como a carga de tração de 200 kN se distribui entre o aço e o alumínio. Para isso, usamos a relação entre os módulos de elasticidade dos materiais. A carga será distribuída proporcionalmente à rigidez de cada material.
A relação de distribuição de cargas é dada por:
Onde:
- $ E_{Al} = 68,9 $ GPa
- $ E_{aço} = 200 $ GPa
Como $ E_{aço} > E_{Al} $, a maior parte da carga será suportada pelo aço.
Passo 4
Calculando as áreas separadamente:
Primeiro, a área do aço $ A_{aço} $ é a área total menos a área do alumínio $ A_{Al} $.
Mas como não temos as áreas individuais, vamos assumir que todo o tubo é de aço e depois calcular a parte do alumínio.
No entanto, para simplificação, vamos considerar que a carga total se divide de acordo com os módulos de elasticidade e as áreas.
A tensão é dada por:
Para distribuir a carga:
E as tensões são iguais nas duas partes devido à ligação.
Então:
Passo 5
Agora, sabendo que $ \sigma_{Al} = 0,3445 \times \sigma_{aço} $, e que a soma das forças é 200 kN:
Substituindo $ \sigma_{Al} $:
Fatorando $ \sigma_{aço} $:
Finalmente, isolamos $ \sigma_{aço} $:
Após calcular as áreas e resolver a equação, encontramos:
Resposta
A tensão normal média no alumínio é aproximadamente $ \sigma_{\mathrm{Al}} = 27,52 , \mathrm{MPa} $ e no aço é $ \sigma_{aço} = 79,88 , \mathrm{MPa} $.