Entendendo A Carga Axial Na Engenharia

Como estudante de engenharia ou engenheiro, você sabe como é importante que as estruturas sejam capazes de suportar diferentes tipos de cargas.

Mas você já pensou nos problemas únicos que a carga axial apresenta? Em contraste com a força de cisalhamento, carga de torção e carga de flexão, a carga axial aplica força diretamente ao longo do eixo de uma estrutura.

Isso significa que, ao projetar, construir e manter estruturas, todo um novo conjunto de coisas precisa ser levado em consideração.

Neste artigo, entrarei em detalhes sobre a carga axial e abordarei tudo o que você precisa saber para construir estruturas que possam lidar com essa importante força.

Então aperte o cinto e vamos começar!.

Introdução à Carga Axial

Definição formal:

Uma força com sua resultante passando pelo centróide de uma seção particular e sendo perpendicular ao plano da seção.

A carga axial é um tipo de carga que exerce pressão sobre um membro estrutural ao longo de seu eixo.

Ao contrário da força de cisalhamento, carga de torção e carga de flexão, a carga axial cria mais tensão de compressão do que tensão ou força de cisalhamento.

Força de Cisalhamento, Carga de Torção e Carga de Flexão: Diferenças

A força de cisalhamento faz com que a tensão se espalhe ao longo do plano de um objeto, enquanto a carga de torção faz com que a tensão se espalhe ao redor do eixo longitudinal do objeto.

Quando uma carga é dobrada, ela cria tensão normal e tensão de cisalhamento transversal.

A tensão normal inclui tensão axial e transversal, enquanto a tensão de cisalhamento transversal inclui tensão de cisalhamento torcional e transversal.

Importância da Carga Axial

As cargas axiais são importantes porque podem alterar tanto a estrutura do implante quanto o osso ao seu redor.

Na engenharia, a carga axial é uma parte muito importante de como colunas, vigas e treliças são feitas.

Na biomecânica, as cargas axiais podem alterar a forma como os ossos se movem, o que pode causar fraturas ou substituições de articulações, entre outras lesões.

Por isso, é importante tanto na engenharia quanto na medicina entender como funciona a carga axial.

Diferença entre Carga Axial e Carga Transversal

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Membros Estruturais e Cargas Axiais

Treliças e colunas são dois tipos comuns de membros estruturais que são feitos principalmente para suportar cargas axiais.

Treliças: Características e Aplicações

Treliças são membros estruturais feitos para suportar forças axiais em seus membros.

Essas forças podem ser de tensão, compressão ou tensão/compressão reversível, dependendo das cargas de pior caso e combinações de carga.

Os membros da treliça usam menos material para suportar a mesma quantidade de peso.

Isso os torna ótimos para pontes ou telhados que precisam ser fortes, mas não muito pesados.

Mas os membros da treliça são livres para se mover e só podem carregar cargas em uma direção.

Isso significa que eles não são fortes o suficiente para resistir a cargas que se movem de um lado para o outro ou dobram.

Colunas: Características e Aplicações

As colunas são as partes verticais de armações de construção de aço que sustentam vigas de piso ou pisos que são submetidos a cargas axiais compressivas pesadas.

Eles são feitos principalmente para resistir a cargas axiais compressivas, mas dependendo de como são configurados e como são feitos, eles também podem resistir a forças de flexão e cisalhamento.

As colunas podem ser redondas, quadradas ou retangulares e podem ser feitas de concreto, aço ou madeira, entre outras coisas.

Barras de Estrutura: Características e Aplicações

Dependendo de como são configurados e feitos, vigas e colunas podem suportar cargas transversais e axiais ao longo de seu comprimento.

Eles são frequentemente usados ​​para sustentar pisos, telhados e paredes em projetos de construção e construção.

Mas, ao contrário dos membros da treliça, os membros do pórtico não precisam suportar apenas cargas axiais; eles também podem suportar cargas transversais.

Determinando a Carga Axial Máxima

Ao construir uma estrutura, é importante saber quanta carga axial um determinado membro ou estrutura pode suportar.

Cálculo da Carga Axial Máxima para Colunas

Para descobrir quanta carga axial uma coluna pode suportar, você pode descobrir seu KL/r e, em seguida, procurar o valor de cFcr em uma tabela.

A tensão na seção transversal da coluna pode ser encontrada usando a equação AP=f, onde f é considerado o mesmo em toda a seção transversal.

A flambagem é conhecida por ser um estado limite de falha para colunas, e a Equação fornece a carga crítica de flambagem Pcr para colunas (3.1).

Mas para descobrir completamente a carga de flambagem crítica para uma determinada coluna, você precisa de mais equações e métodos, e o projeto deve levar em conta como a coluna termina e as propriedades do material.

Aproximando a capacidade máxima de carga

Fazer um projeto de aço e observar a taxa de interação é uma boa maneira de ter uma ideia aproximada do peso máximo que um membro pode suportar.

A taxa de interação é a relação entre o máximo de peso que um membro pode carregar e quanto peso ele está realmente carregando.

O recíproco dessa proporção informa quanto peso a mais cada membro pode carregar antes de quebrar.

É importante lembrar que este método fornece apenas uma estimativa.

A carga máxima real que um membro pode suportar pode ser menor ou maior que o valor calculado.

Projetando para Carga Axial Máxima

Ao projetar estruturas, os membros são dimensionados aproximadamente com base em desenhos arquitetônicos e outros documentos relevantes, e seus pesos são calculados usando informações da maioria dos códigos e outras literaturas de engenharia civil.

Mas as estruturas devem ser construídas para suportar a carga crítica, que é a maior carga que poderia atuar sobre elas.

Isso é feito somando todas as cargas que uma estrutura pode suportar ao longo de sua vida útil.

Isso inclui cargas vivas e permanentes, bem como cargas causadas por vento, terremotos e outras cargas possíveis.

Carga Crítica em Colunas Longas e Delgadas

A carga crítica é o maior peso axial que uma coluna pode suportar antes de começar a dobrar.

Fórmula de Euler: Calculando a carga crítica

A fórmula de Euler pode ser usada para encontrar a carga crítica: Pcr = (2EI)/(KL)2, onde Pcr é a carga crítica de Euler, E é o módulo de elasticidade de Young, I é o segundo momento mínimo de área da seção transversal de a coluna (momento de inércia de área), K é o fator de comprimento efetivo da coluna e L é o comprimento não suportado da coluna.

Significado da Carga Crítica

A carga crítica é importante para descobrir quanto tempo, colunas finas reagem à força de compressão axial porque não depende de quão forte é o material.

Isso significa que, ao construir estruturas finas que podem dobrar, os engenheiros precisam prestar atenção extra à taxa de esbelteza, que é o comprimento da coluna dividido pelo menor raio de giro.

Uma alta taxa de esbeltez significa que pequenas cargas de compressão são mais propensas a causar a quebra da estrutura.

A flambagem ocorre quando uma coluna reta que está sendo comprimida ao longo de seu comprimento se dobra repentinamente. Este é um estado limite de falha para colunas.

Células de carga axial e suas aplicações

As células de carga que medem a força ao longo de um único eixo são chamadas de células de carga axiais.

Princípio de Funcionamento das Células de Carga Axial

As células de carga axiais funcionam transformando a força aplicada a elas em um sinal elétrico que pode ser lido e anotado.

Eles usam medidores de tensão para medir quanta carga axial altera a forma de algo.

Quando uma força é aplicada na célula de carga ao longo de seu eixo, os extensômetros dobram, o que altera sua resistência.

A mudança na resistência é então transformada em um sinal elétrico que pode ser medido.

Aplicações de Células de Carga Axial

Células de carga montadas axialmente são usadas em muitos campos, como aeroespacial, automotivo e manufatura.

Algumas formas comuns de uso das células de carga axial são:

• Medir a força em partes estruturais de edifícios e pontes, como vigas e colunas, enquanto estão sendo construídas ou usadas.
• Usos de teste, como descobrir quanta força é necessária para apertar ou esticar algo, ou quanta força é necessária para quebrar ou deformar algo.
• Fique de olho em coisas como prensas hidráulicas, guindastes e elevadores para garantir que estejam trabalhando com segurança.
• Vou listar mais no final deste artigo.

Outros aspectos da carga axial

Carga Axial do Vento

Carga de vento axial é a força que o fluxo de vento exerce sobre um edifício.

No passado, as forças do vento, especialmente nas áreas costeiras, causaram a queda de muitos edifícios.

Os engenheiros civis usam a equação 2.2 modificada da ASCE 7-16, que leva em consideração a altura da estrutura acima do nível do solo e a importância dela para a vida e a propriedade das pessoas, para descobrir a velocidade e a pressão do vento em diferentes alturas acima do nível do solo.

Os engenheiros civis usam uma fórmula que leva em conta coisas como a área projetada, pressão do vento, coeficiente de arrasto, coeficiente de exposição, fator de resposta de rajada e fator de importância para descobrir a carga de vento axial.

Uma fórmula é F = A x P x Cd, onde F é a força ou carga do vento, A é a área projetada do objeto, P é a pressão do vento e Cd é o coeficiente de arrasto.

Resistência à Fadiga

O cálculo da resistência à fadiga de uma estrutura sob cargas axiais e de flexão pode ser feito usando métodos analíticos baseados na razão das resistências à fadiga para cargas axiais e de flexão.

Nestes métodos, a resistência à fadiga sob carga de flexão rotativa é transformada na resistência à fadiga sob carga axial.

Para descobrir como um modelo analítico funciona, testes de fadiga de alto ciclo também podem ser feitos em ambas as condições de carregamento.

Além disso, modelos de tensão plana podem ser usados ​​para descobrir quanto tempo um material vai durar quando usado em sua superfície, onde uma das tensões principais é geralmente zero.

Por fim, as curvas SN podem ser usadas para encontrar a tensão máxima admissível em N ciclos e um fator de redução da resistência à fadiga kf.

Rolamentos de esferas e carga axial máxima

Rolamentos radiais de esferas com retentor (ou gaiola) são feitos principalmente para lidar com cargas radiais, mas também podem lidar com cargas axiais.

A quantidade de carga axial que pode ser colocada em um rolamento depende de seu tamanho e geralmente é dada como uma porcentagem da classificação de carga radial do rolamento.

Quando a diferença entre o diâmetro do furo e o diâmetro do anel externo é grande, o rolamento pode suportar cargas axiais de até 50% da carga estática radial.

As pistas dos rolamentos de seção fina são mais rasas, o que os torna menos capazes de lidar com cargas axiais.

Um rolamento de contato angular deve ser usado se o rolamento precisar lidar com uma carga axial pesada.

Estes são feitos de forma diferente no interior dos rolamentos rígidos de esferas, de modo que podem lidar com cargas axiais mais altas.

A carga axial máxima para rolamentos de esferas com um determinado diâmetro interno depende de várias coisas, como o tamanho do rolamento, a profundidade da pista do rolamento e se ele está ou não sujeito a cargas radiais ou de momento pesadas.

A quantidade de carga axial que pode ser colocada em um rolamento geralmente é fornecida como uma aproximação da classificação de carga radial do rolamento.

A SKF fornece cargas axiais e radiais mínimas para rolamentos individuais e pares de rolamentos configurados em tandem ou costas com costas/face a face.

A maior tensão que pode ser colocada nos rolamentos de esferas depende de como eles são feitos por dentro.

Carga Axial em Estruturas

Quando uma força é colocada em uma estrutura diretamente ao longo de um eixo da estrutura, isso é chamado de carga axial.

Quando há uma carga pontual, a tensão próxima ao ponto de carga é muito maior que a tensão média.

Isso causa deformações muito complicadas porque os estados de tensão são muito complicados.

A tensão normal e a tensão de cisalhamento são formas de medir a tensão média em uma seção transversal.

Não importa onde você olhe ao longo da seção transversal, a quantidade de tensão é a mesma.

Uma carga pontual é uma força externa concentrada em uma pequena área.

Casos de uso

Aqui estão algumas maneiras pelas quais a carga axial pode ser usada:

Usado em:	Descrição:
Projeto de uma coluna	As colunas são um ótimo exemplo de membro estrutural feito para suportar cargas axiais. Por exemplo, em edifícios, as colunas suportam o peso dos pisos e do telhado acima, o que cria uma carga axial de compressão à qual a coluna deve resistir. A carga axial é uma coisa importante a se pensar ao projetar colunas para garantir que elas não entortem ou quebrem sob a força.
pontes	Ao projetar pontes, a carga axial também é uma coisa muito importante a se pensar. Cargas axiais compressivas são causadas pelo peso da ponte e dos veículos que ela transporta. A ponte deve ser capaz de suportar essas cargas. As pontes também podem ser afetadas por coisas como vento, terremotos e tráfego, que podem causar momentos de flexão e forças de cisalhamento. Para fazer pontes seguras e úteis, é importante saber como essas cargas interagem umas com as outras.
Projeto da torre	Altas cargas axiais compressivas são colocadas em torres como torres de transmissão, torres de celular e turbinas eólicas. Ao fazer essas estruturas, é preciso pensar na forma como serão carregadas, nos materiais, na altura e largura das torres, entre outras coisas. Para garantir que essas estruturas sejam seguras e durem muito tempo, você precisa saber como as cargas axiais as afetam.
Fabricação e testes	A carga axial também é um conceito importante na fabricação e teste, onde materiais e produtos devem ser capazes de suportar certas cargas sem quebrar ou deformar. Com ferramentas de teste como células de carga axial, você pode descobrir quanta carga axial um material ou produto pode suportar antes de quebrar.
Aplicações Aeroespaciais	Cargas axiais podem ser muito importantes ao projetar foguetes, mísseis e outros veículos para uso no espaço. As cargas axiais podem ser causadas pelo peso do veículo, sua velocidade ou vibrações. Para fazer sistemas seguros e eficazes, é importante saber como as cargas axiais afetam as partes estruturais de um veículo.

Conclusão

Como vimos neste artigo, a carga axial é uma parte fundamental do projeto e construção de estruturas que podem suportar as forças que são colocadas sobre elas.

Ao trabalhar com essa força importante, há muitas coisas em que pensar, desde a compreensão dos desafios únicos de colunas longas e finas até a adição de células de carga axial ao seu kit de ferramentas de engenharia.

Mas a carga axial também é um lembrete de que a engenharia é um campo complicado que está sempre mudando.

À medida que continuamos a ultrapassar os limites do que é possível, inevitavelmente enfrentaremos novos problemas que exigirão que pensemos criativamente e trabalhemos juntos para resolvê-los.

Portanto, da próxima vez que trabalhar com carga axial, mantenha a mente aberta e esteja pronto para aprender.

Quem sabe que coisas novas estão na próxima esquina?