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Mapa de seleção de materiais – resistência e rigidez versus densidade

TecnologiaEngenharia mecânicaIdades 16–17

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Um mapa log–log no estilo de Ashby posiciona 24 materiais (metais, polímeros, madeiras, compósitos GFRP e CFRP, cerâmicas e vidro, espumas) pela resistência ou pelo módulo de Young versus a densidade. Defina um requisito de projeto para um tirante ou uma viga em balanço: carga, comprimento, fator de segurança, massa máxima, custo e pegada de carbono máximos, e apenas materiais amplamente reciclados. Uma linha de massa limite baseada no índice σ/ρ ou E/ρ seleciona os materiais aprovados, e um painel de ensaio compara a razão resistência/peso de CFRP, GFRP, alumínio e aço.

Aula: Seleção de materiais pelas propriedades: resistência, rigidez, densidade, custo e impacto ambiental; materiais compósitos (GFRP, CFRP); índices de desempenho σ/ρ e E/ρ

O que mostra

Um engenheiro quase nunca escolhe um material por uma única propriedade. Num mapa no estilo de Ashby, cada material é uma bolha que cobre sua faixa típica de resistência ou rigidez e de densidade, e materiais da mesma família ficam agrupados. Num tirante, a massa da peça é m = nFLρ/σ, então um projeto leve precisa de uma razão resistência/peso σ/ρ alta; numa viga, o índice passa a ser σ^(2/3)/ρ ou √E/ρ. A linha tracejada marca onde a peça atinge a massa limite: tudo acima dela é leve o bastante. Preço por quilo, pegada de carbono e reciclabilidade estreitam ainda mais a lista.

Como usar

Escolha Resistência–densidade ou Rigidez–densidade, e Tirante ou Viga em balanço. Ajuste nos controles deslizantes a carga, o comprimento, o fator de segurança e os limites de massa, custo e pegada, ou marque Apenas materiais amplamente reciclados. Bolhas vivas atendem a tudo; as apagadas falham. Clique numa bolha ou use a lista Material para ler os dados, ver a peça no ensaio comparativo com CFRP, GFRP, alumínio e aço e justificar sua escolha com a tabela. Colorir por muda a camada.

Parâmetros que você pode mudar

  • Mapa Resistência–densidade, Rigidez (E)–densidade
  • Peça Tirante (barra tracionada), Viga em balanço de seção quadrada
  • Carga F 0,1–50 kN
  • Comprimento L 0,1–3 m
  • Fator de segurança n 1–4
  • Massa máxima da peça 0,01–100 kg
  • Alongamento ou flecha máximos δ 0,1–20 mm
  • Custo máximo da peça 0,1–500 USD
  • Pegada de carbono máxima da peça 0,1–200 kg CO₂e
  • Apenas materiais amplamente reciclados
  • Colorir por Família de materiais, Preço por kg, Pegada de carbono por kg
  • Material exibido Aço de baixo carbono, Aço inoxidável, Ferro fundido, Liga de alumínio, Liga de titânio, Latão, Polietileno (PEAD), Polipropileno (PP), PVC rígido, Náilon (PA), Acrílico (PMMA), Resina epóxi, Borracha, Balsa, Pinho, Carvalho, Compensado, Compósito de fibra de vidro (GFRP), Compósito de fibra de carbono (CFRP), Vidro, Cerâmica de alumina, Concreto, Espuma de EPS, Espuma rígida de PU

Perguntas para explorar

  1. Por que o CFRP vence o aço num tirante leve, se a maioria das estruturas de edifícios ainda é de aço?
  2. Como a lista curta muda quando só são permitidos materiais amplamente reciclados?
  3. Por que as madeiras se saem melhor frente aos metais como vigas leves do que como tirantes leves?

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