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Bredt ou Saint-Venant: qual teoria de torção se aplica, e o que custa escolher errado

Três fórmulas, uma seção, três números diferentes. Qual se aplica depende de como é a parede; e, onde duas valem ao mesmo tempo, Bredt fica de 2 a 15 % abaixo do exato.

Três fórmulas diferentes dão a tensão de cisalhamento por torção. Para uma mesma seção, elas podem diferir em ordens de grandeza, e qual delas se aplica depende de como é a parede da seção.

Até aí, nada que não esteja em qualquer livro. O que quase não se explica é o que acontece quando duas das três se aplicam à mesma seção: os resultados não batem, e a diferença vai sempre para o mesmo lado.

As três fórmulas

  • Cauchy, τ = T·r / Iₚ. Só vale para seção circular, e aí é exata: é o único caso em que as seções planas permanecem planas. A tensão cresce linearmente com o raio, mínima na face interna e máxima na externa.
  • Bredt, τ = T / (2·Aₘ·t). Para seções fechadas de parede fina. O torque é resistido por um fluxo de cisalhamento que circula em torno da área fechada. Aₘ é a área delimitada pela linha média da parede, não pela face externa; confundir as duas é um erro comum.
  • Saint-Venant, τ = T·t / J com J = (1/3)·Σb·t³. Para seções abertas de parede fina. Sem um circuito fechado, o fluxo precisa voltar sobre si mesmo ao longo da espessura, e por isso a espessura aparece elevada ao cubo.

Onde duas se aplicam, elas discordam

Pegue um tubo circular. Cauchy se aplica e é exata. Bredt também se aplica: a parede é fechada e há um fluxo circulando. Mas Bredt supõe tensão constante ao longo da espessura, enquanto em Cauchy ela cresce com o raio. Então Bredt dá a média, e Cauchy, o máximo.

t / rₘExemplo (rₘ = 50 mm)τ Bredt / τ exataBredt fica abaixo em
0,05parede 2,5 mm0,9762,4 %
0,10parede 5,0 mm0,9554,5 %
0,20parede 10,0 mm0,9188,2 %
0,50parede 25,0 mm0,85015,0 %
Tubo circular vazado: quanto Bredt fica abaixo do valor exato, conforme a espessura relativa da parede.

Nos quatro casos, Bredt fica abaixo. Para um tubo com parede de 5 mm e raio médio de 50 mm, que pela regra prática ainda conta como parede fina, a tensão real é 4,5 % maior que a calculada. Com parede de 10 mm, 8,2 %.

O erro tem sempre o mesmo sinal: Bredt fica abaixo.

Uma diferença de 4,5 % não chama atenção numa verificação, e uma peça que não passa pode parecer aprovada.

O mesmo tubo no Stabileo: um CHS 105×5 em balanço sob um torque de 1 kN·m. O painel abre em Torção e mostra Cauchy 13,34 MPa e Bredt 12,73 MPa, os 95 % da tabela acima. Mova o ponto ou troque a seção, e os três valores são recalculados. Abrir em tamanho grande

Abrir a parede muda a ordem de grandeza

Entre teorias que se sobrepõem, a diferença é de alguns pontos percentuais. Entre parede fechada e aberta, é de ordens de grandeza. Um tubo quadrado de 100×100 mm com parede de 5 mm, cortado no sentido longitudinal, mantém a área, o peso e quase toda a inércia à flexão.

FechadoCortadoFator
J [mm⁴]4.286.87515.833271
τ [MPa]11,08315,7929
O mesmo tubo quadrado 100×100×5, fechado e com um corte longitudinal, sob um torque de 1 kN·m.

A rigidez à torção cai 271 vezes e a tensão é multiplicada por 29. Um perfil C e um tubo quadrado do mesmo peso se comportam de forma muito diferente na torção.

O que o Stabileo faz com isso

O Stabileo mostra as três, cada uma com sua fórmula, seus termos e seu valor. As que não se aplicam também aparecem, com o motivo. E, quando duas são válidas para a mesma seção, mostra a diferença entre elas em vez de escolher uma sem avisar.

O centroide, o centro de cisalhamento e o núcleo central recebem o mesmo tratamento: são calculados passo a passo, à vista, sobre o polígono real da seção, sem fórmulas prontas para cada formato.

Em resumo

  1. A parede forma um circuito fechado? Bredt, com Aₘ medida sobre a linha média.
  2. É aberta? Saint-Venant, e a espessura aparece elevada ao cubo: governa a parede mais grossa.
  3. É circular? Cauchy, e é exata. Se você também usar Bredt, saiba que o resultado vai ficar abaixo.
  4. O empenamento está impedido? Então Saint-Venant sozinha não basta.

Em qualquer caso, vale registrar, junto com o valor, qual teoria foi usada.

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