Aviação: Estresses em Membros Estruturais

A estrutura de uma aeronave deve ser projetada de modo que aceite todas as tensões impostas pelas cargas de voo e de solo sem qualquer deformação permanente. Qualquer reparo feito deve aceitar as tensões, transportá-las ao longo do reparo e depois transferi-las de volta para a estrutura original. Essas tensões são consideradas como fluindo através da estrutura, portanto, deve haver um caminho contínuo para elas, sem mudanças abruptas nas áreas de seção transversal ao longo do caminho. Mudanças abruptas nas áreas de seção transversal da estrutura da aeronave que estão sujeitas a cargas cíclicas ou tensões resultam em uma concentração de tensão que pode induzir trincas por fadiga e eventual falha. Um arranhão ou ranhura na superfície de uma peça de metal altamente tensionada causa uma concentração de tensão no ponto de dano e pode levar à falha da peça. Forças que atuam em uma aeronave, seja no solo ou em voo, introduzem forças de puxar, empurrar ou torcer dentro dos vários membros da estrutura da aeronave. Enquanto a aeronave está no solo, o peso das asas, fuselagem, motores e empenagem faz com que as forças atuem para baixo nas pontas das asas e estabilizadores, ao longo das longarinas e longarinas, e nas anteparas e formadores. Essas forças são passadas de membro para membro causando forças de flexão, torção, tração, compressão e cisalhamento. 

À medida que a aeronave decola, a maioria das forças na fuselagem continuam a agir na mesma direção; por causa do movimento da aeronave, eles aumentam de intensidade. As forças nas pontas das asas e nas superfícies das asas, no entanto, invertem a direção; em vez de serem forças de peso para baixo, elas se tornam forças de sustentação para cima. As forças de sustentação são exercidas primeiro contra a pele e as longarinas, depois são passadas para as costelas e, finalmente, são transmitidas através das longarinas para serem distribuídas pela fuselagem. As asas se dobram para cima em suas extremidades e podem vibrar levemente durante o vôo. Esta flexão da asa não pode ser ignorada pelo fabricante no projeto e construção original e não pode ser ignorada durante a manutenção. É surpreendente como uma estrutura de aeronave composta por membros estruturais e pele rigidamente rebitados ou aparafusados, como uma asa,

Os seis tipos de estresse em uma aeronave são descritos como tensão, compressão, cisalhamento, rolamento, flexão e torção (ou torção). As quatro primeiras são comumente chamadas de tensões básicas; os dois últimos, estresses combinados. Os estresses geralmente agem em combinações e não isoladamente. 

Tensão 

A tensão é o estresse que resiste a uma força que tende a separar. O motor puxa a aeronave para frente, mas a resistência do ar tenta segurá-la. O resultado é a tensão, que tende a esticar a aeronave. A resistência à tração de um material é medida em libras por polegada quadrada (psi) e é calculada dividindo a carga (em libras) necessária para separar o material por sua área de seção transversal (em polegadas quadradas). 

A resistência de uma barra em tração é determinada com base em sua área bruta (ou área total), mas os cálculos envolvendo tração devem levar em consideração a área líquida da barra. A área líquida é definida como a área bruta menos aquela removida por furos ou por outras alterações na seção. A colocação de rebites ou parafusos nos furos não faz diferença apreciável na resistência adicional, pois os rebites ou parafusos não transferem cargas de tensão através dos furos nos quais são inseridos. 

Compressão 

A compressão, a tensão que resiste a uma força de esmagamento, tende a encurtar ou apertar as peças da aeronave. A resistência à compressão de um material também é medida em psi. Sob uma carga de compressão, um membro não perfurado é mais forte do que um membro idêntico com furos perfurados através dele. No entanto, se um plugue de material equivalente ou mais forte for encaixado firmemente em um membro perfurado, ele transfere cargas compressivas através do furo, e o membro carrega uma carga aproximadamente tão grande como se o furo não estivesse lá. Assim, para cargas de compressão, a área bruta ou total pode ser usada para determinar a tensão em um membro se todos os furos estiverem firmemente tapados com material equivalente ou mais forte.  

Cisalhamento 

O cisalhamento é a tensão que resiste à força que tende a fazer com que uma camada de um material deslize sobre uma camada adjacente. Duas placas rebitadas em tensão submetem os rebites a uma força de cisalhamento. Normalmente, a resistência ao cisalhamento de um material é igual ou inferior à sua resistência à tração ou à compressão. A tensão de cisalhamento preocupa o técnico de aviação principalmente do ponto de vista das aplicações de rebites e parafusos, principalmente ao fixar chapas metálicas, pois se um rebite usado em uma aplicação de cisalhamento ceder, as partes rebitadas ou aparafusadas são empurradas para os lados.  

Consequência 

A tensão do rolamento resiste à força que o rebite ou parafuso coloca no furo. Como regra, a resistência do fixador deve ser tal que sua resistência total ao cisalhamento seja aproximadamente igual à resistência total ao rolamento do material da folha.

Torção 

A torção é a tensão que produz a torção. Ao mover a aeronave para frente, o motor também tende a torcê-la para um lado, mas outros componentes da aeronave a mantêm no curso. Assim, a torção é criada. A resistência à torção de um material é sua resistência à torção ou torque (tensão de torção). As tensões decorrentes dessa ação são tensões de cisalhamento causadas pela rotação de planos adjacentes em torno de um eixo de referência comum em ângulo reto com esses planos. Esta ação pode ser ilustrada por uma haste fixada solidamente em uma extremidade e torcida por um peso colocado em um braço de alavanca na outra, produzindo o equivalente a duas forças iguais e opostas agindo sobre a haste a alguma distância uma da outra. Uma ação de cisalhamento é configurada ao longo da haste, com a linha central da haste representando o eixo neutro.

Dobrar 

A flexão (ou tensão da viga) é uma combinação de compressão e tensão. A haste foi encurtada (comprimida) na parte interna da curva e esticada na parte externa da curva. Observe que a tensão de flexão faz com que uma tensão de tração aja na metade superior da viga e uma tensão de compressão na metade inferior. Essas tensões atuam em oposição nos dois lados da linha central da barra, que é chamada de eixo neutro. Uma vez que essas forças agindo em direções opostas estão próximas umas das outras no eixo neutro, a maior tensão de cisalhamento ocorre ao longo dessa linha, e nenhuma existe nas superfícies superiores ou inferiores extremas da viga.