02_Elementos Máquinas_Fatores de segurança

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Curso de Eng. Mecânica
E l em e n t o s d e M á q u i n a s
P r o f . : D a n i e l G o m e s
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CENTRO UNIVERSITÁRIO UNA
ELEMENTOS DE MÁQUINAS
FATOR DE PROJETO, FATOR DE SEGURANÇA E 
NORMAS DE PROJETO
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Fator de Projeto e Fator de Segurança
Introdução
O componente deve permitir que a tensão máxima seja inferior à resistência
do componente, na geometria e condição de uso, em pontos de interesse
específicos (pontos críticos) com uma margem suficiente, de modo que,
apesar das incertezas, as falhas não ocorram.
Resistência do componente: representa o nível de tensão que ocorre a
perda de função. É uma propriedade do material ou de uma peça (elemento
mecânico ).
A resistência de um elemento depende da escolha, do tratamento e do
processamento do material.
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Fator de Projeto e Fator de Segurança
Introdução
No projeto de elementos estruturais ou mecânicos deve-se restringir o
carregamento a um nível seguro.
A carga máxima que um elemento poderá suportar, sob condições normais
de operação, é consideravelmente menor que carga limite de falha do
material:
- Essa carga máxima é conhecida como carga admissível ou carga de
projeto;
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Fator de Projeto e Fator de Segurança
Fator de Projeto (nd)
A relação entre carga limite e carga admissível é definida como o Fator de
Projeto (nd):
O parâmetro pode ser carga, tensão, deflexão, torque, potência, velocidade, etc.
O fator de projeto é adimensional e maior que 1
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ou
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Fator de Projeto e Fator de Segurança
Fator de Segurança (n)
Depois do projeto ter sido determinado, o fator de projeto real pode mudar em
razão:
- Mudanças de arredondamento para um tamanho padrão de uma seção
transversal ou
- Utilização de componentes padronizados com dimensões maiores.
O fator de projeto real é conhecido como fator de segurança n:
- Tem a mesma função do fator de projeto nd;
- Porém difere em valor absoluto.
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Fator de Segurança
Tensão Limite x Tensão Admissível
Tensão admissível (sadm):
- É a máxima tensão que o componente pode suportar sem ocorrência
de falha, mas com uma margem de segurança.
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Tensão limite (slimite):
- É obtida por meio de ensaios mecânicos do material
- Ex: Limite de escoamento, Limite de ruptura, Limite de resistência à
fadiga etc.
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Fator de Segurança
Tensão Atuante x Tensão Admissível
No dimensionamento de componentes estruturais e mecânicos a
tensão atuante (s) não pode ultrapassar a tensão admissível (sadm):
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admss 
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Fator de Segurança
Tensão Limite
Para materiais submetidos a esforços estáticos (constantes):
- Materiais dúcteis: Limite de escoamento (sE);
- Materiais frágeis: Limite de ruptura (sR);
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Material dúctil Material frágil
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Fator de Segurança
Tensão Limite
Para materiais submetidos a esforços dinâmicos, a tensão limite é o limite de
resistência à fadiga (Se) para uma vida infinita (N).
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Seleção de um Fator de Segurança
A seleção do fator de segurança é uma tarefa de responsabilidade e envolve
uma decisão de engenharia.
FS muito baixo:
- A possibilidade de falha se tornará grande e inaceitável;
- O componente pode não executar a função para a qual foi projetada.
FS muito alto:
- Implica num projeto antieconômico e não funcional;
- Por exemplo, pode ter um efeito inaceitável no peso de uma aeronave.
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Seleção de um Fator de Segurança
A escolha apropriada do fator de projeto esta relacionada ao grau de
incerteza existente no projeto.
Portanto, a seleção deve ser feita com base em muitas considerações, como:
1.Incerteza nas propriedades dos materiais:
- Composição química;
- Processos de fabricação (tensões residuais, acabamento superficial,
tratamentos termomecânicos, etc);
- Armazenagem e transporte.
2.Tipos de falhas:
- Materiais frágeis, falham subitamente sem nenhum avio prévio
- Materiais dúcteis, passam por uma deformação antes de falhar;
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Seleção de um Fator de Segurança
3. Incerteza de cargas atuantes:
- Constante;
- Variável ( falha por fadiga);
- Impacto;
- Cargas acidentais;
- Sobrecargas.
Pode ser difícil prever os tipos de carregamento que um conjunto suportará em
serviço, especialmente se o carregamento estiver sob o controle do usuário final ou
da Mãe Natureza.
Por exemplo, que esforços deverão suportar a roda e a estrutura de uma bicicleta?
- Depende muito da idade, do peso e do grau de negligência do ciclista, do
tipo de pista onde ela será usada, etc.
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Seleção de um Fator de Segurança
3. Incerteza de cargas atuantes:
- Constante;
- Variável ( falha por fadiga);
- Impacto;
- Cargas acidentais;
- Sobrecargas.
O mesmo problema da incerteza das solicitações existe em todos equipamentos de
transporte, navios, aeronaves, automóveis, etc.
Os fabricantes dessas máquinas dedicam-se a extensos programas de testes
para medir as solicitações operacionais típicas.
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Seleção de um Fator de Segurança
4.Incerteza do método de análise (modelos matemáticos):
- Modelos analíticos adotados;
- Teorias de falhas utilizadas.
5.Condições ambientais esperadas em serviço:
- Corrosão,
- Desgastes;
- Requisitos de manutenção;
- Vibrações desconhecidas.
6.Riscos à vida e a danos materiais.
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Seleção de um Fator de Segurança
Para a maioria das aplicações estruturais e de máquinas o fator de projeto é
determinado por meio de:
- Especificações de projeto
- Normas técnicas;
- Projetos já existentes;
- Indicações tabeladas em livros e/ou revistas especializadas;
- Na experiência do projetista
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A tabela abaixo mostra um conjunto de fatores para materiais dúcteis que
podem ser escolhidos com base no conhecimento ou julgamento do
projetista sobre a qualidade das informações utilizadas.
- O coeficiente global de projeto é tomado como o maior dos três fatores escolhidos.
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Seleção de um Fator de Segurança
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ú á
Exemplos de Fatores de Segurança
• Correntes:............n ≈ 1,1 a 1,5.
• Correias:.............. n≈ 1,1 a 1,8.
• Cabos de aço:
Pás, guindastes, escavadeiras e guinchos:.................. n ≈ 5,0;
Pontes rolantes:............................................................ n ≈ 6,0 a 8,0;
Elevadores de baixas velocidades (carga):.................. n ≈ 8,0 a 10,0;
Elevadores de altas velocidades (passageiros):........... n ≈ 10,0 a 12,0.
• Aviação comercial:....... n ≈ 1,2 a 1,5
• Aviação militar:............. n ≈ 1,1
• Mísseis...... n ≈ 1,0
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Exemplos de Fatores de Segurança
Os baixos valores dos fatores de segurança em aeronaves são necessários
para manter o baixo peso e são justificados:
- Sofisticados modelos numéricos (FEM) e analíticos;
- Testes rigorosos dos materiais utilizados;
- Extensos testes em protótipos em escala real;
- Inspeções rigorosas de falhas dos equipamentos em serviço
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Normas de projeto e de Segurança
Associações de engenharia e/ou agências governamentais desenvolveram
normas para aplicações específicas de projetos de engenharia.
Estas normas oferecem orientações e recomendações para fatores de
segurança:
- Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT;
- American Society of Testing and Materials – ASTM – Normaliza propriedades
mecânicas e ensaios de materiais;
- American Iron and Steel Institute – AISI – Normalização de aços;
- International Standard Organization – ISO – Normas técnicas variadas
- Society of Automotive Engineers (SAE) – Sociedade dos Engenheiros Automotivos
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Normas de projeto e de Segurança
Associações de engenharia e/ou agências governamentaisdesenvolveram
normas para aplicações específicas de projetos de engenharia.
Estas normas oferecem orientações e recomendações para fatores de
segurança:
- American Welding Society – AWS – Normaliza procedimentos e propriedades de
juntas soldadas.
- American Gear Manufacturers Association – AGMA – Normaliza dimensionamento
de engrenagens.
- American Society of Mechanical Engineers – ASME – Vários códigos de projetos,
principalmente vasos de pressão.
- Anti-Friction Bearing Manufacturers Association (AFBMA)
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Exemplo 01
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O braço de controle está submetido ao carregamento mostrado na figura
abaixo. Determinar o diâmetro requerido do pino de aço em C se a tensão de
cisalhamento admissível do aço for tadm = 8 ksi. Observe na figura que o pino
está sujeito a cisalhamento duplo.
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Exemplo 01 - Solução
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Diagrama de corpo livre do
braço:
Determinação das reações de apoio em C,
usando as equações de equilíbrio:
      
kipF
FM
AB
ABc
3
055338 :0 5
3


  kipCCF xxx 1053:0 54 
  kipCCF yyy 6053:0 53 
Força resultante em C:
kipFC 082,661
22 
Diâmetro do pino em C:
A
V
adm t
pold 696,0
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Exercício proposto 01:
1.Um cabo de aço classe 6X37 de diâmetro ½”, tem uma carga de ruptura
mínima efetiva igual a 10,4 tf. Este cabo será usado em uma ponte rolante
(Considerar o F.S para ponte rolante igual a 7). Qual a carga máxima que este
cabo pode suportar, sem ocorrência de falha (carga admissível)?
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Exercício proposto 02:
1.A tensão atuante em um cabo de aço de um elevador de passageiros é de
1550 MPa. O limite de resistência à tração do cabo de aço (retirado de catálogo
do fabricante) é igual a 3880 MPa. Encontre o fator de segurança e determine
se o mesmo é adequado para esta situação?
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Exercício proposto 03:
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O conjunto é usado para suportar a carga
distribuída w = 500 lb/pé. O aço utilizado na haste
BC e nos pinos em B e C possui um limite de
escoamento à tração igual a 36 ksi e um limite de
escoamento ao cisalhamento igual a 18 ksi. A
haste tem 0,4 pol de diâmetro e cada pino tem 0,3
pol de diâmetro. Determine o fator de segurança
para a haste BC e para os pinos em B e C.
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Referências Bibliográficas
BEER, Ferdinand Pierre et al. Mecânica dos Materiais. 5ª ed. São
Paulo: Makron Books, 2007. (disponível no acervo)
BUDYNAS, Richard G.; NISBETT, J. Keith. Elementos de máquinas
de Shigley: projeto de engenharia mecânica. 8. ed. Porto Alegre:
AMGH, 2011.
HIBBELER, R.C.. Resistência dos Materiais. 5ª Ed São Paulo:
Prentice Hall do Brasil, 2004. (disponível no acervo)
NORTON, Robert L. Projeto de máquinas: uma abordagem
integrada. 2. ed. Porto Alegre: Bookman, 2006.
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