Análise Experimental de Tensão...

... utilizando strain gauges para medir a deformação na superfície de componentes. Aprenda o princípio por trás do método.

O que é Análise Experimental de Tensão?

Análise Experimental de Tensão (ESA) é a análise do estado das tensões mecânicas em materiais, realizado através de experimentos utilizando medição com strain gauges. Conheça os tipos de tensões existentes, a sua origem e estado, ou como determinar as tensões a partir de medição de deformações lendo sobre o assunto abaixo.

Determinando as Tensões Mecânicas

A tensão mecânica é definida como a resposta física (deformação) em materiais, causada pela aplicação de força. Ela ocorre como o resultado de uma força aplicada (tensão mecânica), que causa a deformação do material, mas também pode ser provocada pelos efeitos de forças internas ao material ou de um sistema maior.

Tensões são subdivididas desta forma:

Tipo: tensões normais e tensões de cisalhamento
Origem: tração, compressão, flexão, torsão, residual e efeito térmico
Estado: uniaxial, biaxial, triaxial e espacial

Definição de tensão baseado em seu tipo e fonte

Diferente de outras tensões definidas por sua fonte, exemplo: flexão, torsão, etc. - a tensão de tração (positiva) e a a tensão de compressão (negativa), ocorrem sem o envolvimento de nenhuma força externa. Estas incluem tensões normais e de cisalhamento.

Tensão residual (ou tensão inerente) pode ocorrer devido aos efeitos internos de uma força, por exemplo: por mudanças de volume não-uniformes em peças tratadas termicamente durante o processo de endurecimento do aço, pelo resfriamento não-uniforme em processos de injeção de objetos de metal ou plástico, com peças soldadas ou forjadas através de processos mecânicos, com objetos de grandes dimensões, simplesmente pelo efeito de seu próprio peso.

Tensãotérmica é um tipo de tensão residual que ocorre em sistemas, onde partes com diferentes características de expansão térmica são unidos de forma a evitar que a expansão natural ocorra de forma livre. Ela também pode ocorrer como resultado de aquecimento não uniforme.

Tensão residual e térmica afeta o material de maneira similar a tensão de carga, reduzindo a capacidade de carga do material a suportar forças aplicadas. Desta forma, questões sobre a segurança operacional de elementos estruturais podem apenas ser adequadamente respondidas se as tensões residuais são conhecidas quantitativa e qualitativamente. A determinação destas tensões somente é possível com métodos práticos quando são "liberadas" e o grau de resiliência do material em seu estado normal, ou seja, sem aplicação de carga, é medido. O alívio destas tensões pode acontecer de várias maneiras, como por exemplo os método de furo-cego ou anel-usinado.

Determinando tensão de acordo com seu estado

Estados de tensão são subdivididos desta forma:

Tensão uniaxial: ocorre apenas em barras de tração e compressão
Tensão biaxial ou planar: ocorre se as forças que produzem a tensão ocorrem em dois eixos que são perpendiculares entre si. A definição das direções efetivas das forças em dois eixos principais a 90° é feita em bases teóricas. As direções efetivas de forças diferentes atuando no mesmo plano mas em ângulos distintos pode ser muito dieferentes. Entretanto, elas sempre podem ser definidas pelas duas principais direções.
Tensão triaxial ou tridimensional: está presente se as forças podem agir em qualquer direção. Similar a tensão planar, três eixos principais são definidos de tal forma que todos estão perpendiculares entre si.

Medições de deformação possuem restrições pela necessidade te se ter acesso às superfícies dos elementos estruturais e consequentemente, dão informações apenas das tensões na superfície do elemento. Enquanto tensões uniaxiais e planares podem ser analisadas de maneira relativamente simples utilizando técnicas de medição de deformação, especialmente strain gauges, tensões triaxiais apresentam desafios, uma vez que medições ao longo do terceiro eixo (ex.: dentro do objeto), são geralmente impossíveis de se obter.

Entretanto, em um elemento tridimensional, que recebe forças externamente, a maior parte da tensão ocorre na superfície. (exceção: Efeito de Hertz). Para o projetista que tipicamente está interessado nas tensões máximas, a determinação das tensões na superfície é suficiente. Os processos internos são de menor significância.

Tensões tridimensionais podem ser analisadas utilizando medições de deformação apenas se esta puder ser medida ao longo do terceiro eixo (ex: na profundidade do objeto. Isto é encontrado por exemplo em técnicas de medição de modelos, onde strain gauges são inseridos em modelos plásticos durante a injeção ou em aplicações de engenharia civil, onde sensores podem ser embutidos dentro do concreto durante a construção.

Determinando tensão a partir de deformações medidas

Tensões mecânicas internas não são acessiveis por medição direta. Neste caso, técnicas de raios-X são uma opção onde as tensões do material em escala microscópica podem ser determinadas por distorções na estrutura interna do material (ex.: a partir de mudanças na separação interatômica). O processo é limitado à camadas próximas a superfície, cerca de 5 a 15 μm.

Tensões são calculadas tanto de acordo com a teoria da resistência do material ou utilizando a medição por strain gauges. Este último é baseado na Lei de Hooke. A tensão mecânica é expressada pelo quociente da força F e a área da seção transversal A do material sendo tensionado:

Experimental Stress Analysis

From fatigue testing of an aircraft wing, strain analysis of a printed circuit board, to structural monitoring of a bridge or residual stress measurement, stress analysis strain gauges offer both high performance and cost effectiveness. HBM strain gauges for experimental stress analysis are available in four standard series of high-quality strain gauges and a comprehensive range of strain gauges for special applications such as crack propagation.

Stress Analysis Strain Gauges