Resistencia de materiales Problemas resueltos

AULA POLITÈCNICA 15

Resistencia de materialesProblemas resueltos

AULA POLITÈCNICA / ETSEIB

EDICIONS UPC

Miquel Ferrer BallesterJosé Luis Macías SerraFrederic Marimón CarvajalM. Magdalena Pastor ArtiguesFrancesc Roure FernándezLluís Vilaseca Vilanova

Resistencia de materialesProblemas resueltos

La presente obra fue galardonada en el quinto concurso"Ajuts a l'elaboració de material docent" convocado por la UPC.

Primera edición: septiembre de 1999Reimpresión: febrero de 2001Segunda edición: septeimbre de 2002

Diseño de la cubierta: Manuel Andreu

© los autores, 1999

© Edicions UPC, 1999Edicions de la Universitat Politècnica de Catalunya, SLJordi Girona Salgado 31, 08034 BarcelonaTel.: 934 016 883 Fax: 934 015 885Edicions Virtuals: www.edicionsupc.esE-mail: [email protected]

Producción: CPDAAv. Diagonal 647, ETSEIB, 08028 Barcelona

Depósito legal: B-30564-2002ISBN: 84-8301-621-4

Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del copyright, bajo las san-ciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o pro-cedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares deella mediante alquiler o préstamo públicos.

Prólogo 7

Prólogo

El presente libro es una colección de problemas resueltos destinada a facilitar el aprendizaje de laResistencia de Materiales a través de su aplicación a la resolución de ejemplos concretos. Ha sidoelaborado pensando en su uso por parte de estudiantes de Ingeniería y de Arquitectura, como textocomplementario a un libro de teoría de Resistencia de Materiales. En concreto su estructura, enfoque ynomenclatura se adapta especialmente al texto Resistencia de Materiales de F. Roure, F. Marimón yX. Ayneto, que actualmente edita CPDA de la ETSEIB- UPC, en forma de fascículos.

Se supone que antes de abordar los problemas de cada capítulo, el lector habrá adquirido losconocimientos de teoría correspondientes, y por ello no se repasan de forma explícita en el presentelibro. Se supone asimismo que el lector ha seguido previamente un curso de mecánica de medioscontinuos, y que dispone de los conocimientos de elasticidad lineal necesarios. Al efecto se hanincluido en la Bibliografía textos de teoría sobre ambos aspectos.

Los temas que cubre este libro son los clásicos de un primer curso de Resistencia de Materiales: lostemas básicos relativos a la pieza prismática. Una rápida ojeada al índice ilustra perfectamente elalcance del temario abordado. Se ha centrado el texto en estos temas básicos para adaptarloprecisamente al desarrollo de un curso de duración cuatrimestral; aunque al final de algunos capítulosse han introducido también problemas más complejos (van marcados con un asterisco), para aquelloslectores que deseen profundizar en dichos temas.

Los casos más sencillos, introductorios de cada tema, no se han incluido en este libro como problemas,porque ya suelen encontrarse como ejemplos introductorios en los libros de teoría, y no se haconsiderado necesario repetirlos. Tampoco se ha pretendido elaborar una colección exhaustiva deproblemas, sino seleccionar unos cuantos de cada tema, para ilustrar sus diversas facetas.

A pesar de las numerosas revisiones que hemos hecho del texto y de las pruebas de impresión,estamos seguros de que algunos errores y erratas habrán conseguido colarse (confiamos en que seansólo algunas), y pedimos por ello disculpas al lector.

Finalmente queremos expresar nuestro agradecimiento a los siguientes estudiantes de la ETSEIB que,como becarios del Departamento, han colaborado en la esmerada confección del texto, las fórmulas ylos dibujos: Pedro J. Campos San Facundo, Antonio Cerra Franco y Robert Gimeno Feu.

Los autores

Barcelona, junio de 1999

Índice 9

Índice

1 Diagramas de esfuerzos.......................................................................................................11

2 Esfuerzo normal...................................................................................................................25

3 Esfuerzo de cizalladura pura................................................................................................35

4 Características de secciones.................................................................................................45

5 Dimensionado de secciones a flexión..................................................................................53

6 Flexión desviada y flexión compuesta.................................................................................75

7 Torsión y esfuerzos combinados..........................................................................................89

8 Corrimientos en piezas prismáticas....................................................................................131

9 Piezas y sistemas hiperestáticos.........................................................................................139

10 Inestabilidad elástica...........................................................................................................161

Bibliografia................................................................................................................................185

Bibliografía 185

Bibliografía

COURBON, J. Resistencia de materiales (I y II). Madrid, Aguilar, 1968.

LAROZE, S. Resistance des materiaux et Structures (I,II,III y IV). París, Eyrolles-Masson & Cia, 1974.

LOVE, A.E.H. A treatise on the mathematical Theory of Elasticity. New York, Dover, 1944.

NEUBER, H. Mecánica técnica (II). Madrid, Dossat, 1977.

ORTIZ, L. Elasticidad. Madrid, Mc Graw-Hill, 1998.

ORTIZ, L. Resistencia de materiales. Madrid, Mc Graw-Hill, 1991.

ROURE, F.; MARIMÓN, F.; AYNETO, X., Resistencia de materiales (Fascículos). Barcelona, CPDA-ETSEIB, 1998

TIMOSHENKO, S.P., Resistencia de materiales. Madrid, Espasa-Calpe, 1967.

UGURAL, A.C.; FENSTER, S.K. Advanced Strength and applied Elasticity. New York, Elsevier, 1987.

1 Diagramas de esfuerzos 11

1 Diagramas de esfuerzos

12 Resistencia de materiales. Problemas resueltos

Problema 1.1

Determinar los diagramas de esfuerzos en la estructura de la figura.

Resolución:

a) Descomposición de la fuerza exterior aplicada en el extremo de la barra BE.

b) Cálculo de las reacciones.

Tomamos momentos respecto al punto C:

0cM N3,33-=N3

1000800260036006 AVAV RR

Suma de fuerzas verticales y horizontales:

N3

19006003

10006000 CVCVAVV RRRF

N6000 AHH RF

N600222600

N600222600

V

H

F

F

Ejes globales

A

B

C

E

D

6 0 0 2 N45o

3 m 3 m 2 m

2 m800 Nm

A

B

C

E

D

600 N600 N

RAV

RAH RCV

800 Nm


c) Cálculo de momentos en los tramos AB y BC.

TramoAB: Nm10003

100)( BAAV MMxxRxM

Tramo BC:

Diagramas.

Equilibrio del nudo B.

Nm8002600360063

100

Nm11001200033

1002600)3(600)(

C

B

AV

M

M

xxRxM

600 N

600 N

600 N

31900 N

B

100/3 N

B

E

A B C D+

600 N

600 N

A B C DB

E

- -

+1200 N·m

-100 N·m

-800 N·m

A B C D

B

E

+

600 N

19003

N

-N

T

M

1100 N·m

-

-

N3100


Problema 1.2

Determinar los diagramas de esfuerzos en la viga de la figura, apoyada en los extremos y sometida auna carga repartida triangular.

Resolución:

a) Cálculo de la reacciones.

Resultante de la carga N48002

61600Q .

N1600

N32006

44800

4480060

4800

A

B

BA

BA

R

R

RM

RR

A B

6 m

4 m 2 m

4800 N

RBRA

6 m

A B

x

mN1600

T


b) Cálculo de los esfuerzos de sección.

Sección situada a una distancia x del apoyo A:

T:

2

0

2

00

1216001600

2616001600

6160016001600

xT

ddqT

x

xx

M:

6616001600

32616001600

32616001600

6160016001600

333

0

32

00

xx

xxxM

xxM

dxxdxqxM

x

xx

L = 6 m

A B

x

mN1600

1600 N 3200 N

x-

d


c) Diagramas.

d) Punto de Mmáx

Nm369546,312

160046,31600

m46,31212

160016000

0

2máx

2

M

xxT

TTx

M

1600 N

3695 Nm

3200 N

A T-

M

+

+


Problema 1.3

Determinar los diagramas de esfuerzos del pórtico inclinado de la figura.

Resolución:

Para el cálculo de las reacciones, planteamos las ecuaciones de la estática.

N23000222002240040

N24000

022000

CCA

AHH

CAVV

RRM

RF

RRF

N2200

N2400

2 m

2 m 2 m

45 C

B

A

2200

2400

C

B

A

RAV RC

RAH


por tanto, NRAV 2100 y descomponiendo cada reacción en las direcciones de las barras,

Diagrama

Diagrama

Diagrama

2400

400

400

400

400

2400

100100

100100

2100

2100

300300

300 300

2300

2300

N

+ -

CA

B

500 N

-300 N

T

+ -

CA

B

300 N

300 N

M


M = 300 · xNm2600

0

B

A

M

MM = 300 · x’

Nm2600

0

B

C

M

M

Método alternativo para hallar las reacciones: resolución gráfica.

Para que las tres fuerzas estén en equilibrio, sus líneas de acción deben cruzarse en punto O (ya que

00M ). A partir de la línea de acción vertical de RC, se obtiene O.

A

B

x +C

B

300 N

x’+

2200

2400

C

B

RA

RC

F

FRC

RA

// OA

// OC


Problema 1.4

Determinar los diagramas de esfuerzos en la viga de la figura.

Resolución:

Cálculo de las reacciones:

N6133

N44678300063660024000:

0300066004000:

B

CCB

CBV

R

RRM

RRF

Diagrama de momentos flectores:

Tramo AB:

Nm800004000

BA MM

xM

Tramo BC:

Nm6000Nm800022600261334000

2

CB MM

xxxM

Tramo CD:

0Nm60008446756600261334000

DC MM

xxxxM

Diagrama de esfuerzos cortantes.

Tramo AB:

N4000N4000N4000

BA TT

T

4000 N 3000 N

P1

A

P2B C D

p = 600 mlN

a = 2 m L = 6 m b = 2 m


Tramo BC:

N1467N2133260061334000

CB TT

xxT

Tramo CD:

N3000N30004467360061334000

DC TT

T

El diagrama de momentos flectores pasa por un mínimo relativo en el punto E, donde la tangente eshorizontal, o sea:

m35,50260061334000:0 EE xxTx

M

ME = -4208 Nm

D

-8000

-6000

2133

-4000 -4000

3000 3000

-1467

M

( Nm )

( N )

T

-

--

++

E

xE

A

B C

a = 2 m L = 6 m b = 2 m


Problema 1.5

En la viga en voladizo de la figura, calcular las reacciones en el empotramiento y dibujar losdiagramas de esfuerzos cortantes y de momentos flectores en toda la viga.

Resolución:

a) Reacciones en el empotramiento.Comenzaremos por buscar el sistema de fuerzas que ejerce el empotramiento, dibujamos el diagramade sólido libre y obligamos al equilibrio. Sumando fuerzas y tomando momentos obtenemos:

mKN222105,04KN14

E

E

M

F Reacciones que ejerce el empotramiento sobre la viga.

1 m1 m 2 m0,5m

4 KN5 KN/m

2 m0.5m

4 KN

FE

10 KN

ME

1 m 2 m0.5m

4 KN

FE

ME

5 KN/m


b) Diagramas

Tramo AB: M = 0 T = 0

Tramo BC:

KN100KN15

0

0mKN215

2

2

C

B

C

B

T

TxT

M

Mx

M

1 m2 m0,5

4 KN 5 KN/m

0,5

-

+

M

T

E D C B A

x


Tramo CD:

KN10KN10KN10

mKN15mKN10mKN210

D

C

D

C

T

TT

M

MxM

Tramo DE:

KN14KN14KN14410

mKN22mKN15mKN5,34210

E

D

E

D

T

TT

M

MxxM

Estos diagramas se han obtenido tomando el origen de las x en el extremo A, de la derecha, porque eneste caso, es más cómodo. Si se determinan los diagramas tomando el origen de las x en el extremo dela izquierda E, tal como se hace habitualmente, el diagrama de momentos flectores, M, sale idéntico;pero el diagrama de esfuerzos cortantes sale opuesto (igual, pero de signo cambiado).

2 Esfuerzo normal 25

2 Esfuerzo normal


Problema 2.1

Tenemos una barra rígida que está suspendida por dos cables de igual diámetro 4 mm , y cuyosmódulos de elasticidad son: E1=2.1·105 MPa y E2=0.7·105 MPa. La longitud de la barra es de 600 mmy la de los cables 300 mm. Se considera despreciable el peso propio de la barra. Dicha barra estásometida a una carga puntual P=500 N.Calcular la posición x de la fuerza para que los puntos A y B tengan el mismo descenso.

Resolución:

Dibujamos el diagrama de sólido libre y obligamos el equilibrio. Además imponemos la igualdad dedeformaciones.

0)(0

0

xLPLRM

PRRF

AB

BAV

P=500 NA B

600 mm

x

300 mm4 mm 4 mm

E1

E2

P=500 NA B

RA RB

LBLA


N375N1254

5005003

370000

210000

:HookedeLey

2

1

21

ABBB

BABB

ABBAA

BA

RRRR

RRR

EER

RESLR

ESLR

LL

De la ecuación de los momentos obtenemos x:

mm1500)600(500600375

0)(

xx

xLPLRA


Problema 2.2

En la barra esquematizada en la figura adjunta los extremos A y D están empotrados. Determinar lastensiones en ambas secciones, cuyas superficies son: Aa=40 cm2 y Ab=80 cm2 .Hallar también el diagrama de esfuerzos axiles.

Datos: E=2·105 MPa.

Resolución:

FV 0

RA+ RD = 15 T = 150000 N

Ecuación de deformación

El tramo AC está comprimido, por tanto RA es un esfuerzo de compresión, y el tramo CD estátraccionado, por lo que RD es un esfuerzo de tracción.

Al estar los dos extremos , A y D, empotrados la variación total de longitud es 0; y el acortamiento deltramo superior es igual al alargamiento del tramo inferior:

CDBCAB LLL

Aplicando la ley de Hooke: LF LA E

b

CDD

b

BCA

a

ABA

AELR

AELR

AELR

B

C

1 m

3 m

1 m 15 T

A

Aa=40 cm2

Ab=80 cm2

D


252525 10801021000

10801023000

10401021000 DAA RRR

100030002000 DAA RRR

Resolviendo las ecuaciones, tenemos

T512N125000

T52N25000

.R

.R

B

A

Cálculo de las tensiones.

Tramo AB: (COMP.)MPa25.6mm1040N25000

22AB

Tramo BC: (COMP.)MPa125.3mm1080

N2500022BC

Tramo CD: (TRAC.)MPa625.15mm1080

N12500022CD

Diagrama de esfuerzos normales:

A

B

C

1 m

3 m

1 m 15 T

D

RA

RD

A

B

C

D

2.5 T

12.5 T

-

+


Problema 2.3

a) Las dos barras de la figura articuladas en sus extremos, de acero, de 2 cm de diámetro y de 3.5 mde longitud, soportan un peso P=5 KN. Calcular el descenso del punto C, siendo =20º.Datos: E=2,1·105 MPa.

b) Resolver para =0º.

Resolución:

a) Para =20º:

Del equilibrio del punto C se obtiene

sen2

2sen

PN

PN

Sea (CC1) el descenso del punto C, entonces el alargamiento de la barra AC, L, será C’C1

pudiendo considerarse el triángulo CC’C1 rectángulo en C’. Aquí es sen

L . Como por otra

parte:EANL

L , se tiene que:

mm13,134202.01014,3101.22

35005000sen2sen 2252EAPL

EANL

b) Para =0º:

N

PN

Equilibrio del punto C

N

N

P

A BC

P

L L

C1

P

L LC

C’C1

A B


De acuerdo con la estática de los sistemas rígidos, descomponiendo la fuerza P en las direcciones delas barras, se encontrarían, para los esfuerzos en las barras y para las reacciones, valores infinitamentegrandes. La solución evidentemente es inaceptable, ya que ni las barras ni los apoyos resistirían.

A fin de hacer desaparecer la aparente imposibilidad basta con considerar los alargamientos de lasbarras que toman direcciones no alineadas. Esto demuestra la necesidad de tener en cuenta lasdeformaciones en este caso.

Poniendo

tgL

(para ángulos pequeños)

el alargamiento de las barras vale

21111

ACACAC 2

2222

1

LLLL

Esta última igualdad proviene de la expresión:

1285

161

81

21111 43221 aaaaaa

Para a<<1 , pueden despreciarse las potencias de a y, por tanto, queda 2

11 aa .

El esfuerzo normal en una de las barras es:

2

2AEAEAN

Por otra parte, del equilibrio del punto C se deduce

2222sen

2 PAEPN

PNN

Resulta

3AE

P

3AE

PLL


Aplicando los datos numéricos del problema:

mm1481014,3101.2

50003500 325

º42,2rad04229,03500148

L

N5911604229,02

50002P

N

2N/mm188314

59116AN


Problema 2.4

Hallar las reacciones del sistema y las tensiones en las barras articuladas AB y CB de la estructurarepresentada en la figura, suponiendo infinitamente rígida la barra horizontal DE, articulada en D.Barra AB: sección 40 cm2

Barra CB: sección 80 cm2

Se considera el mismo módulo de elasticidad, para todas las barras.

Resolución:Se trata de un sistema hiperestático.RBA y RBC siguen la dirección de la barra.

Ecuaciones de la estática:

T8044020

022

220

04022

220

DDB

BABCDH

BCBADV

VVM

RRHF

RRVF

E D

40 TRBA

RBC VD

HD

4 m2 m

2 m

2 m

B

C

A

E D

40 T


BBLBBL CBAB

Al ser deformaciones y ángulos pequeños:

BBBB

BCAB LL

Alargamiento barra AB= Acortamiento barra BC

Aplicamos la ley de Hooke:

BCBABCBA RRE

RE

R2

8022

4022

De la ecuación Fv = 0 tenemos:

040222

2280 BABA RR

con lo que,

T47.113T73.56 BCBA RR

De la otra ecuación despejamos: HD= - 40 T (sentido contrario al supuesto)

Cálculo de las tensiones:

2

2

cmKp1418

80113470

cmKp1418

4056730

AB

AB

B

B’

B’’45º

~45º

acort.LBC

LAB

alarg.

A

D

C

B E D

B’

B’’

A

C

3 Esfuerzo de cizalladura pural 35

3 Esfuerzo de cizalladura pura


Problema 3.1

a) Determinar el diámetro mínimo con el que se puede perforar una chapa de acero A-42b ( e=260N/mm2) de 5 mm de espesor suponiendo que el punzón tiene una tensión admisible a compresión,

adm= 500 N/mm2 .b) ¿ Qué fuerza máxima se ejercerá ?c) ¿ Qué adm debería tener el punzón para realizar un punzonado de 5 mm ?Nota: Suponer que el extremo del punzón es plano y horizontal.

Resolución:

a)

ddSF

dd

AF

echapa

admpunzon

6.2654526065.0

7,3924

500

max

22

max

mm76,66.26547,392 2min

chapamax

punzonmax dddFF

b) N179454

5002d

AF admmax

c) 2

2

mmN6765526065.0

45

admpunzonadm

adm

e

5 mm

Punzónadm = 500 N/mm2

Chapa de aceroe = 260 N/mm2


Problema 3.2

Dimensionar la cadena de una bicicleta con un coeficiente de seguridad s y suponiendo todo el pesodel ciclista sobre uno de los pedales.

P = 800 NR = 200 mm

Plato D=200 mmChapa eslabones: e=360 Mpa

Pasadores: e=260 Mpa

cilindros “centradores”

Resolución:

N1600mm100

mm200N800

2D

RPF

R

P

D

F FPD

R

e?

ba

d?

e?


Dimensionado de la garganta ‘a’ de la chapa atracción pura:

2mm3,324080022

admadm

Fea

ea

F

MPa2405.1MPa360

adm

p.ej : a = 4mm e =1 mm

Dimensionado del pasador a cizalladura:

2

22

N/mm1385.1

2608.08.0

mm7.24

13842

800

admadm

minadm dddF

Dimensionado del pasador a aplastamiento:

2

'

mmN347

5.12602

mm3,213472

800

adm

minadm ddedF

mm7,23,2;7,2máx minmin dd

Dimensionado de la chapa en la zona del orificio del pasador

a tracción:

mm0,624017,22

800 minadm bbedbF

a desgarro:

mm8.104.521 minbdt

mm8,108,10;0,6 minmin bmaxb

El dimensionado final queda así:

F/2

F/2

F/2

F/2


mm8,10mm4

mm7,2mm1

bade

d= 2,7 mm

e=1 mm

b=10,8 mma= 4 mm


Problema 3.3

Dimensionar la unión esquematizada en la figura suponiendo que las chapas son de acero A-37b y lasuniones son roblonadas.

Datos:

e1 = 5 mm e2=e3

Chapas: Roblones: Tomar: se=1,5

Acero A37b Acero A37be=240 N/mm2

e=240 N/mm2

Resolución:

a) Unión 1

d1

t1 e1

F F/2 e2

e2

F/2

t1 t1

b

t1’

d1

d2

N?

e1 t1t1e2

t1’

d1 d2

e3

e3


Cizalladura:

maxseg

eadm Fdd

dddFT 2

12

1

21

21

21 1.20155,100

45.12408.0

442

Aplastamiento:

maxmax

adm

max

adm

max FddFFF

ed 1111 20005

5.12405.2

De las condiciones cizalladura y aplastamiento simultáneas obtenemos:

d1,optimo = 9.95 mm 10 mm = d1 Fmax = 20000 N

( fallará por aplastamiento de la chapa )

- Desgarramiento

mm202 111 tdt

Cálculo de la sección neta

260/1.5 = 160 N/mm2

mm35=mm10mm5

mmN160

N20000mm

N160

2

2 bAF

neta

max

Dimensionado de e2: las dos chapas e2 son del mismo material que la chapa e1 , tiene las mismasdimensiones y trabajan de la misma manera, por tanto:

mm5,22

2 1212

eeee

10 mm

t1=2d=20 mm

bFmax

20000 N


b) Unión 2

Atención: es un problema hiperestático. Aquí se presenta la solución concreta para el caso e e2

12 , y

con la hipótesis de roblón rígido; por lo que puede suponerse que la fuerza total se distribuye entre lastres chapas de la derecha de la manera indicada en la figura: F/4, F/2 y F/4.

Cizalladura:

22

22

22 74.49

45.12408.0

420000

444 d

Nd

Nd

NF

N

FT adm

Aplastamiento:

2222105.2

5.12405.2

220000

22 d

Nd

Ned

NF

N

Fadm

De las condiciones de cizalladura y aplastamiento obtenemos

2mm5mm97.4 22 Ndd

con lo que vemos que fallara antes por aplastamiento.

Desgarramiento:

mm1021 dt

Tracción:

Seguro que cumple ya que b es igual y F es menor.

e2

t1’

e1

F/4

F/2 F/2

F/2

e2 e3

F/4

N ?

d2

F F

e3


Problema 3.4

Hallar el coeficiente de seguridad seg de las piezas rectangulares de trabado para los perfiles deestantería metálica representados en la figura.

Acero A-42b

2cmKp2600e20 mm

10 mm

s ?

L = 50 cm

h = 20 cm

p = 100N/cm


Resolución:

2

2pLM (momento a transmitir en la sección

de empotramiento)

N312520450100

422

22

H

HH

FhLp

hM

FMhF

N1250N5000501004 vv FLpF

N366612503125 2222VH FFT

FST (suponiendo una distribución constante de en la sección)

2N/cm8,161020

3366

28,98,162606.06,0

máxmáx

eeS

FH

FV

p

L

h h

2Fh

2Fh

2Fv

2Fv

FH

FV

T

4 Características de secciones 45

4 Características de secciones


Problema 4.1

Determinar las inercias resultantes Iz e Iy si partimos de cuatro perfiles L 45x45x5, para unas cotas b yh genéricas.

Resolución:

De las tablas: Iz’ = Iy’= 7,84 cm4

A = 4,3 cm2

c = 1,28 cm

2

' 2c

hAII zz (momento de inercia de una L, respecto al eje z)

2

' 2c

bAII yy (momento de inercia de una L, respecto al eje y)

y’

z’

y’

z’c

c

h

y

z z

y

b

z z

c h/2

y

y

c

b/2


hhch

AIII zzz 12,530,454,592

444 22

' (momento de inercia de las

cuatro L)

2

' 2444 c

bAIII yyy ( momento de inercia de las cuatro L)

54,592230,4 2 hhI z

54,592230,4 2 bbI y


Problema 4.2

Dado un perfil “doble T”, determinar la magnitud a de la figura para que la inercia de la vigaaligerada resultante sea 4 veces la inercia inicial.

Resolución:

eaA

ae

IZ

22

2121

2

3

zz a/2a/2

a

IZ

A

IZ/2

A/2

IZ’/2

eaAA222

'

z’ h’ 2a

?

hz

y

e

IZ

A

y’

a

IZ

IZ’ = 4 IZ


288812

12

2222212

12

32

323

' ea

aAa

eIa

eaAa

eI

I ZZZ

aeAa

IaAa

eI ZZ 1213

4441213 2

23

aeAa

II ZZ 1213

4

2

'

Ha de ser : aeAa

III ZZZ 1213

44

2

'

aIaA

ae Z 03448

13 23

si suponemos que (e·a) es << A (área total del perfil IPE) :

4

2

'aA

II ZZ 43

2

Aa

IZ

ZZZ iAI

AI

a 323212

(AI

i ZZ radio de giro de la sección respecto al eje z)

a

e


Problema 4.3

Determinar las siguientes características de la sección monosimétrica de la figura respecto del ejeprincipal z:

a) A , Iz , Wz,sup , Wz,inf , iz .b) El momento resistente elástico, Mel. z , para un acero e=235 N/mm2.

Resolución:

a) El área de la sección total será la suma de las áreas de las pletinas:

2mm25000202501080030400iAA

Por simetría el centro de gravedad, G, está situado sobre el eje y (z = 0).

ysup

yinf

Mel.z

e= 235 N/mm2

800

30

20

10yG

400

250

# 400·30

# 800·10

# 250·20

G

y

z


Para determinar la posición y del centro de gravedad de la sección, G, es cómodo calcular el momentoestático de cada elemento respecto de la fibra inferior. Así:

iiG yAyA

mm53725000

10202504201080083530400A

yAy ii

G

Se utiliza el teorema de Steiner para calcular el momento de inercia de la sección total respecto del ejey-y:

23

121

Giiiiz yyAhbI

23 5378353040030400121

zI

23 5374201080080010121

4423 mm10299154537102025020250121

El módulo resistente respecto de la fibra superior, ysup:

334

supsup, mm109558

53785010299154

yI

W zz

El módulo resistente respecto de la fibra inferior, yinf:

334

infinf, mm105571

53710299154

yI

W zz

El radio de giro de la sección respecto del eje z, iz:

mm34625000

10299154 4

AI

i zz

b) El momento resistente, Mel.z, se obtiene a partir de la tensión de límite elástico del material y delmódulo resistente mínimo de la sección:

mkN1309mmN101309105571235 63,. minzezel WM

5 Dimensionado de secciones o flexión 53

5 Dimensionado de secciones o flexión


Problema 5.1

Dimensionar la viga esquematizada suponiendo que disponemos de perfiles IPE 240 como máximo ychapa de 10 mm de grosor.

P = 9500 Kp

L = 6 m

Acero A 42b

se = 1,5

Resolución:

22

cmKp1733

5,12600

1,5cm

Kp2600b42AAceroadm

s

e

e

Momentos flectores xxP

xM 47502

)(

cmKp1014254

3LPMC

Tramo A-E :

cmKp10561WMcm324W

cm3890I240IPE 3

max3

4

adm

561 · 103 = 4750·x x = 118,2 cm L1=115 cm

P

==

L

A BC

E D C

L1

L2

x

+

ADE

C

E D C


Tramo E-D: es necesario reforzar

42323 cm1876187515.1212112121

121

debebI

32

42 cm588

137642cm7642)1876(23890 WI

cmkp1010191733588 3admM

1019 · 103 = 4750·x x = 214,6 cm

L1 = 210 cm

Tramo D-C:

4223 cm21885,13121121

debebI

33

423 cm858

1412018cm12018)2188(2 WII

cmkp1014871733858 3admM

1019 · 103 = 4750·x x = 313 cm > 300 cm

no es necesario reforzar más

b=120 mm

e =10

d

ee

d

300 cm

210 cm

115P

M (m·Kp)

T (Kp)

142505460

9970561010180

14872

9500/2 = 4750 Kp

4250 Kp

Solicitación

Capacidad resistente

+

-

+


Problema 5.2

Dimensionar un segmento de pistón de radio R para que pueda ejercer sobre la pared del cilindro unapresión uniforme de 0,19 N/mm2 , sin que las tensiones superen el valor de max= 261,5 N/mm2 ( e =340 N/mm2 , se = 1,3) (Fundición de grafito nodular).

Nota: Usar la simplificación de simetría,

suponiendo que Rh es suficientemente

pequeño.

R = 40 mm

Resolución:

Por razones de simetría consideramos:

Diagrama de momentos flectores :

Momento producido por dp en el punto genérico C

dRbpRdRpbdM ccc sensen 2

(dp = p · R · d )

Momento total para el punto genérico C:

C

R·d

C

AOB

dp

p

R

hb

Rvoladizo


cccc RbpRbpdRbpM cc cos1cossen 20

2

0

2

Por tanto, si el momento flector para cualquier punto del segmento es :

cc RbpM cos12

tendremos el máximo: c = 180

Mmax = 2 · p ·b · R2

bdedependeNohmm7,3093,0

mmN5,26112

2121

22 22

2

3

2

Rh

hRph

hb

RbphI

Madmmax

M

= 180 = 180Mmax = 0


Problema 5.3

Un estudiante ha decidido instalar un estante para colocar sus libros y apuntes. Los ha colocado unojunto al otro y ha medido la longitud total de estante que necesita y la anchura que debe tener. Al ir acomprar el estante ve que para estas dimensiones puede escoger varios espesores distintos. No sabecuál escoger. Entonces recurre a un amigo suyo que está haciendo 3er curso de Ingeniería Industrial yle expone el problema:He decidido instalar un estante para libros, según el croquis de la figura:

Kg/cm6,0cm20cm15cm100 apuntesylibrospba

En la tienda me han informado de que la madera de los estantes tiene las siguientes característicasmecánicas:

22 N/mm00010N/mm4 Eadm

La cuestión es:

a) ¿De qué espesor h mínimo debo colocar el estante?b) Los dos apoyos los he colocado, simétricamente, a una distancia a = 15 cm del extremo por

razones puramente estéticas. Pero, atendiendo a razones de comportamiento resistente, ¿cuálsería la distancia óptima de los apoyos a los extremos, que podría minimizar el espesor h delestante?

c) Finalmente, me preocupa saber cuál será la flecha que tendrá el estante, una vez cargado, en supunto central (con la distancia a inicial).

a a

bh


Resolución:

a) Determinación de h mínima.

2p

RR CB

Tramo AB:

20

22

2

apMM

xpM

BA

apTT

xpT

BA 0

Tramo BC:

282482

2

22222

222

2

222

app

apppMx

apMM

apaap

apMaxp

xpM

EE

BC

B

p

a a

bhA B C D

+

- -

vE

T

M

- -

+ +

x


22

22

pappapT

papTpxpT

C

B

Tramo CD:

22

222

22

22222222

22

apap

apMxp

xpM

axaxpx

paxpaxpx

pM

C

0222

2

ppM D

pxpT appapTC

0ppTD

Con = 100 cm, a = 15 cm y p = 0,6 Kg/cm, tenemos los siguientes resultados:

cmKg5,675,112 pMM CB

cmKg300500 pM E

677.40Kg/cm77,40

2

mín,2máx

máxhbM

WWM

W

M Ezadm

z

E

z

cm49,12077,406

mínmín20h

Mh E

b

b) Determinación de la distancia a óptima.

Óptimo resistente:

máxmáx MM

EB MM

282

22 app

ap


04

22 aa

422

22

a

207,1207,0

22

242

2

2

aa

Así pues, la distancia ‘a’ óptima es: cm7,20óptimaa

Y se tiene, un momento máximo: cmKg7,128máxM

c) Cálculo de la flecha en el punto central, por el método de la fuerza unitaria.

Tramo BE:

axM21

Tramo EC:

axaxM 1

21

221

22101 2

22

dxaxaxpx

pEI

dxax

pEI

dxMEIM

FW a

o a

22

223

22222222

adx

ap

xapx

apx

apxp

xp

EI

La segunda solución nointeresa, porque cae fueradel intervalo analizado

a a

A B

E

F=1

C D

+M’

x


2223234

246468a

xaxaxaxaxxEIP

328,65,5625,9375,3125,937208325,781(6,0EI

cm265,0513,5000100

247246,010)75,168375,84437,8375,8425,56 3

433

cm513,512

49,12012bh

I


Problema 5.4

Sea una viga de sección transversal en doble T, formada por 3 platabandas soldadas de dimensioneslas de la figura. Hallar el paso l de los cordones de soldadura a tramos de unión entre el alma y lasalas, si la garganta de soldadura es a= 5mm y la longitud de cada tramo de cordón es de ls = 10 cm. Elesfuerzo cortante máximo que soporta la viga es Ty= 40000 kg. La tensión cortante admisible en lasoldadura es adms = 1000 kg/cm2.

Resolución:

Esfuerzo cortante por unidad de longitud en la superficie de contacto entre alma y platabanda

z

12 mm

z

6 mm

600 x x

220

y

G s s

:1Azm momento estático del ala

Z

AZ

ImT

f1

4323

31

cm14,246608001014,44649606,01216,302,1222,122

1212

cm84,8076,302,122

Z

AZ

I

m

kg/cm35,536614,2466084,80700040

f


Esfuerzo cortante admitido por el cordón de soldadura,

aF sadmsadms 2

Igualando esfuerzos

fFadms

cm19cm64,1835,536

5.01010002

35,5365,01010002

21

z

Az

sadms ImT

a


Problema 5.5

Se ha construido una viga roblonando cuatro angulares 120*120*12 en los extremos de unaplatabanda de 400*20 mm. Hallar el diámetro mínimo de los roblones si la viga está biapoyada en susextremos, tiene una longitud de 6 m, y soporta una carga puntual centrada P. Datos: separación entreroblones e= 120 mm; tensión normal admisible de la platabanda y los angulares: admisible=173 Mpa;tensión cortante admisible de los roblones adm roblón= 42 MPa.

Resolución:

N244796103200

2103,42450173

mm103,42450cm3,424509,794547,10666

4,3205,273684402121

20010

23

173

3

3

43

4

23

,,

3

P

I

III

I

P

yIM

z

angularzalmazz

z

máxz

adm

60

e e

400

120 120

20z

y

P

6 m

M

T

+

-

+

2P

2P

2P

23 P

2P


Esfuerzo cortante a transmitir por los roblones por unidad de longitud

Esfuerzo cortante que ha de ser soportado por cada roblon

Diámetro mínimo de los roblones : d = 21,9 mm

333

4

3

mm10913cm9136,165,272

N3981222

N/mm25,263103,42450

10913398122

z

Z

Z

m

PT

ImT

f

mm9,21422

431590

N31590424

2

N3159012025,2632

d

dF

efF

adm


Problema 5.6

Una viga armada tiene una sección compuesta por un alma rectangular de 800 12 mm, y cada alacompuesta por una platabanda de 190 10 mm y 2 perfiles angulares 90 8 mm. Calcular el diámetromínimo de los roblones, sabiendo que el paso de remachado de los angulares con el alma es e1= 18cm y el de la platabanda y angulares es e2= 40 cm. Esfuerzo cortante máximo que ha de soportar laviga: T = 40 kN. Tensión de cortadura admisible en los roblones adm = 42 MPa.

Resolución:

Esfuerzo cortante a transmitir por los roblones alma-angulares, por unidad de longitud

(A1 = área angulares + área platabanda)

800(total)

12

190

e1=18

10

e2=40

z

d2

d1

( simétrico ) ( simétrico )

4

2323

)()()(

cm9,1351923,3116628,19650451200

5,04011911912125,2409,131044802,1

121

Z

splatabandaZangularesZalmaZZ

I

IIII

Z

AZ

ImT

f1

1

N/mm72,37N/cm2,3779,135192

181240000cm1812)5,240(9,132)5,040(119

1

31

f

m AZ


Esfuerzo a transmitir por cada roblon:

Esfuerzo cortante a transmitir por los roblones angulares-ala, por unidad de longitud:

(A2 = área ala)

Esfuerzo que debe transmitir cada roblón:

mm15,10

9,102421416,32

18072,374

424

1416,321802,377

42

1

21

21

21

11

d

d

d

def adm

Z

AZ

ImT

f2

2

mm86,9

424

1416,32

40002,1642

2

22

2222

d

d

defadm

N/mm02,16N/cm2,1609,135192

5,76940000cm5,769)5.040(119

2

32

f

m AZ


Problema 5.7 *

Se construye una viga cajón compuesta de dos tipos de madera:- ALMA: tablero contrachapado e = 25 mm E2 = 8000 N/mm2

- ALAS : sección cuadrada 200 · 200 mm E1 = 10000 N/mm2

a) Calcular la distribución de tensiones en la sección central.b) Calcular la tensión tangencial media en el adhesivo de

contacto ( adm = 1 N/mm2 ).c) Calcular la flecha central

Resolución:

a) Se trata de una sección compuesta de dos materiales.Se decide homogeneizar la sección de madera maciza y, por tanto, trabajar con un espesorequivalente, e*, del tablero contrachapado. Así, la relación de equivalencia:

25,18000

10000

2

1

EE

n

El espesor equivalente

mm2025,1mm25*

ne

e

La posición del baricentro de la sección es inmediata por razón de simetría. El momento deinercia de la sección homogénea es:

48323 mm1023610002012125002002002200200

1212ZI

500

500

200 · 200

25

=

=

10 m

p =10 KN/ m

200 ·200

1000e* = 20

Steiner


Tensión en la madera maciza:

yI

My

Z

Zx )(1

Tensiones reales en el tablero:

ny

IM

yZ

Zx

1)(2

Así:

2481

2481

N/mm1,2mm400mm10236

mmN10001000125)mm400(

N/mm2,3mm600mm10236

mmN10001000125)mm600(

y

y

x

x

En el tablero contrachapado n = 1,25

248

6

2 N/mm1,2mm500mm10236

mmN1012525,11)mm500(yx

400

500

e* =20

x1x

G

e*

3,2

2,1

3,2

2,1

x2

2,1

2,1

Mmáx = mKN12581 2pL

Tmáx = KN5021

pL

T

M


b) Tensión media en el adhesivo

Fórmula de Collignon:

bI

mT

Z

AZy

med

Ty: esfuerzo cortante en la secciónIZ: momento de inercia total respecto ZmZ

A: momento estático de la sección A respecto al eje Zb: linea AB

248

2

N/mm2,0mm1002mm10236

mm500mm200200N50000med

Este valor es inferior a la tensión tangencial admisible en el adhesivo = 1 N/mm2

c)

mm5,51023610000

1000010384

5384

58

4

ZIELP

f

Valor aceptable, ya que mm10100010000

1000L

G

y

x

z

d

A

100 mm

med


Problema 5.8 *

La figura representa una sección armada doblemente simétrica. Calcular Mel.z , Mpl.z y el coeficiente para los dos casos.

a) Material alas: Fe E 235 Material alma: Fe E 235

b) Material alas: Fe E 35 Material alma: Fe E 235

(Puede comprobarse que la sección se plastificacon la ausencia de abolladuras elásticas oelastoplásticas. No se consideran inestabilidadesglobales : pandeo, vuelco lateral)

Resolución:

a) Mismo acero.

Al tratarse de una sección doblemente simétrica el eje neutro plástico pasa por el baricentro G.

Caso elástico:

44233 mm104843065,122530025300121212800

121

ZI

3344

mm107210mm5,12

mm10484306

max

ZZ y

IW ( = Wel.z )

Gz

y

== 800 · 12

== 300 · 25

== 300 · 25

25

e = 235 e = 235

e = 235 e = 235

Eje neutroplástico

Mel.z Mpl.z

A1 · e

A2 · e

d1

y

z

12,5

GEje neutroelástico

G

d2


mKN1694mm

N235mm107210 233

.. ezelzel WM

Caso plástico:

mKN19052

400235124005,122352530022 2211. dAdAM eezpl

Coeficiente :

12,116941905

.

.

zel

zpl

M

M

b) Diferente acero.

Caso elástico

Tiene las mismas constantes mecánicas IZ, WZ, pero la tensión en la fibra extrema

355250400425235max

mKN1802250107210 3.. maxzelzel WM

Caso plástico

mKN2648mm

N235mm

N3552 222211. dAdAM zpl

Coeficiente :

47,118022648

.

.

zel

zpl

M

M

max e = 355

e = 235 e = 235

Eje neutroplástico

Mel.z Mpl.z

A1 · e

A2 · e

d1

d2e = 235

400 425

6 Flexión desviada y flexión compuesta 75

6 Flexión desviada y flexión compuesta


Problema 6.1 *

Hallar el punto de la sección con mayor tensión normal, y el valor de esta tensión.

Resolución:

a) Determinación del momento flector máximo

( en la sección central x = 2 m )

30

q

1,5

y’

z’

1,57,5

1,5

18

kgm40008

420008

22qlM max

q = 2000 kg/ml

4 m


M es perpendicular a q y forma 30con el eje z’. Los ejes y’-z’ no son losejes principales de inercia. Vamos adeterminarlos.

b) Determinación de los momentos de inercia principales Iy’, Iz’

Primero hallaremos el tensor de inercia en ejes y’-z’ (no principales) y a continuación lodiagonalizaremos, para hallar los momentos de inercia principales y sus direcciones (ejes principales)

42

3'2'1

43'3

43'3

cm8,76725,195,15,75,15,19

121

cm06,55,118121

cm729185,1121

zz

y

z

II

I

Iz’

2

3

1

y’

y’

z’

M= 4000 m kg

30

30

q


I3y’z’=0 por tener eje de simetría.

Tensor de inercia

Los momentos principales de inercia son los valores propios.

4'

4'

42

3'2'1

cm14,56654,280206,5

cm6,22648,7672729

cm54,28025,7

25,15,15,75,75,1

121

y

z

yy

I

I

II

4''

4''2''1

cm3,835265,417

cm65,41725,775,075,095,15,70

zy

zyzy

I

II

14.5663,8533,8536,2264

'

''

''

'

y

zy

zy

z

I

I

I

I

055,35458474,2830

03,83514,5666,226414,5666,2264

03,83514,5666,2264014,5663,835

3,8356,2264

2

22

2

4

42

cm19,2242

36,238274,2830

cm55,26062

36,238274,2830

255,354584474,283074,2830

4

4

cm19,224cm55,2606

y

z

IIMomentos de inercia

principales

( cm4 )


Los vectores propios serán las direcciones principales.El vector propio correspondiente al valor propio 2606,55 cm4.

041,20403,83503,83595,314

11

11

yz

yz

nn

nn

24,22409,0arctg

409,03,835

95,341tg 1

1

z

y

n

n

Ecuación del eje neutro.

º67,5758,1tgzy

kgm36,396324,2230cos4000

kgm54076,7sen4000

24,2230sen4000

z

y

M

M

zy

zy

zI

My

IM

x

x

y

y

z

zx

86,24005,152

19,22410540

55,26061036,3963 22

zy

zy

zy

58,1

05,15286,240

86,24005,1520

Angulo que forma el eje neutro conel eje principal z:

y

z’

y’

z

22,24

A(-8.25,9)

B(8.25,-9)

Eje neutro

22,24

y

z’

y’

z

My

Mz

22,2430

7,76

M

00

55,260614,5663,8353,83555,26066,2264

1

1

y

z

n

n


Relación entre coordenadas de ambas referencias.

'9256,0'3784,0'3784,0'9256,0yzy

yzz

Las tensiones máximas aparecen en los puntos más alejados del eje neutro ( A y B )

Para A

Tensión en A:

Tensión en B:

9'25,8'

B

B

y

z

2kg/cm11,2760)230,4(86,240452,1105,152A

9'25.8'

A

A

y

z452,1199256,0)25.8(3784,0

230,493784,0)25.8(9256,0

A

A

y

z

2kg/cm11,2760230,486,240)452,11(05,152

452,11)9(9256,0)25,8(3784,0230,4)9(3784,0)25,8(9256,0

B

y

z

''

24,22cos24,22sen24,22sen24,22cos

''

cossensencos

y

z

y

z

y

z

y

z


Problema 6.2

Una columna tiene la sección en cruz indicada en la figura. La fuerza resultante es de compresión (50Tn) y pasa por el punto A. Hallar la tensión normal en B y dibujar el eje neutro.

Resolución:Trasladando la fuerza al centro de gravedad Gde la sección, los esfuerzos equivalentes son:

z

y

z

x

50 Tn

10

15

10

1015 15

B

A

( cm )

My=-875 cm Tn

z

y

-50 Tn

Mz= 250 cm Tn

A

B

yMy= -875 cm Tn

B

-50 Tn

Mz= 250 cm Tn

A

G

z

Tncm250cm2

10Tn50

Tncm875cm2

1510Tn50

Tn50

z

y

M

M

N


a) Tensión normal en B

b) Eje neutro

zI

My

IM

AN

y

y

z

zx

2cm800151523510

00087500025000050

A

zI

yIA yz

x

433

433

cm167441515121210151010

121

cm816671010121215101515

121

y

z

I

I

zyx 16744000875

66781000250

80000050 2kg/cm81,1906,35,62 zyx

cm5,17cm5

z

yCoordenadas de B

2kp/cm47,299)5,17(81,19)5(06,35,62Bx

42,2047,606,3

5,6206,381,19

81,1906,35,620

zyzy

zy

42,200

15,347,6

42,200

yz

zypara

para 42,200

y

z

y

z B

eje neutro

zonatraccionadazona

comprimida

015,3

y

z


Problema 6.3

Sobre una columna de sección rectangular ( 4035 cm), se aplican dos fuerzas excéntricas: 30 Tn en elpunto P(y = 3, z = 4 cm) y 50 Tn en el punto Q (y = 0, z = -5 cm). Dibujar el eje neutro y hallar elpunto de máxima tensión normal.

Resolución:

Trasladando las dos fuerzas al centro de gravedad G de la sección obtenemos:

Tn805030

mTn9,003,030

mTn3,15.22,105,05004,030

N

M

M

z

y

5

z

y

3540

3 4

50 Tn30 Tn

P

Q

Mz= 0,9 mTn

80 Tn

C

D

A

B

y

z

My= 1,3 mTn

G


Eje neutro:

zI

My

IM

AN

y

y

z

zx

)kg/cm(7,666186

1300007,916142

90000140080000

cm7,6661864035121

cm7,9161423540121

cm14003540

2

43

43

2

zy

I

I

A

x

y

z

)mm,()cm,()N/mm(0696,00630,071,5)kg/cm(696,0630,014,57 22

enzyenzy

zyzy xx

70,901,1630,014,57

630,0696,0

696.0630,014,570

zyzy

zy

70,90046,820

yzzy

y

C

A B

D

eje neutro

(-90,70 ; 0)

(0 ; 82,46)

z


22

22

22

22

N/mm208,8kg/cm08,82)20(696,05,17630,014,57

N/mm424,5kg/cm24,5420696,05,17630,014,57

N/mm004,6kg/cm04,60)20(696,0)5,17(630,014,57

N/mm219,3kg/cm19,3220696,0)5,17(630,014,57

D

C

B

A


Problema 6.4

Se ha proyectado una sencilla estructura para soportar el tablero y la canasta de una pista debaloncesto. Se trata de un tubo de acero embebido en un bloque de hormigón a 45º de la horizontalsegún se indica en la figura.Se supone que el estado de carga más desfavorable es el que se produce cuando un jugador permaneceunos instantes sujeto al aro de la canasta, transmitiendo así todo su peso a la estructura en la formaindicada en la figura.Una vez estudiados los efectos dinámicos de esta acción, se estima que el esfuerzo máximo que eljugador puede llegar a transmitir al aro es de F = 2000 N y M = 106 Nmm.La estructura se quiere construir en tubo redondo de acero con espesor de pared de 4 mm.

Calcular el diámetro necesario, según la tabla de perfiles normalizados, para que el descenso verticaldel punto P no exceda los 80 mm.

Notas importantes:- Considerar todos los esfuerzos de sección para calcular el descenso de P.- Trabajar con la carga trasladada al punto P, como se indica en la figura.

P

45º

L1

L0L

F

M

xy

z

L=4000 mmL0=1000 mmF=2000 NM=106 N·mmA1=0,5 A

Tubo de acero.Espesor de pared:4mmE=2,1·105 MPaG=8·104 MPA


Resolución:

Aplicamos el teorema de Castigliano al punto P en la dirección F:

x = L

x = L0

x = 0

F

M

x

dxd 2

dxd P

M

xFM

xFMxM

M

-

-

T T=F

1FT

2F

T

21

FT

-

-


dFN

EAN

dFT

GAT

dFM

EIM

0 0

0 000 02

2122

21

2

22

2

L L L

L

L

L

L

Ldx

EA

F

dxA

G

F

dxxEI

xFMdx

AG

Fdxx

EIxFM

EA

LLF

GA

LLFEI

LLF

EI

LLMGAFL

EIFL

EIML

222

32

22

3200

30

320

20

30

20

AI3,17610389,3 8

Buscamos en las tablas de perfiles tubulares circulares:

Tubo A I ( Dext x e) ( cm2 ) (cm4 ) (mm)

135 x 4 16,46 353,4 96 ( >80 ) 150 x 4 18,34 489,2 69,4 ( <80 )

Tomaremos pues un tubo Dext x e: 150 x 4 (mm).

N

0FN

2F

N

21

FN

N=0

-

7 Torsión y esfuerzos combinados 89

7 Torsión y esfuerzos combinados


Problema 7.1

Una viga biempotrada está sometida a un momento torsor producido por una torsión uniformementerepartida. Hallar el MT máx y el ángulo de torsión máximo.

Resolución:

Por ser una viga simétrica los momentos de empotramiento han de ser iguales.

2BA MM

022

,2

)( TT MxenxxM

Diagrama de

momentos torsores: 2

2

x

MB

MA

kg m/ml

B

A h

b

( b<h )

A

B+

-


El ángulo de torsión máximo se tiene para la sección central,2

x :

2

0

2

33

2

0

2

033

332

221

21)( x

xhbGK

dxxhbGK

dxhbGK

xM T

841 22

332 hbGK

81 2

332

hbGK

G: módulo de rigidez a torsión del material del eje )1(2

EG

K3 : coeficiente para secciones rectangulares, que depende de la relación bh (ver tabla 5.87 del

capítulo 5. Torsión)


Problema 7.2

Hallar los momentos en los empotramientos MA y MD. Dibujar el diagrama de momentos torsores.

Resolución:

Es un problema hiperestático.

Considerando por tramos:

a=30 cmb=50 cm

c=40 cm

AB

C

D

MD

MB=30000 N cmMC=20000 N cm

MA

cmkg500002000030000DA MM

00 DCBAT MMMMM

0

300

IGM

IGaM A

o

AABBA

AB-MA

MA

AB


0

40IG

M DCDDC

0D

Diagrama de momentos torsores:

1500000408050000

DA

DA

MMMM

cmN6,29166120

35000001500000408020000004040

ADA

DA MMM

MM

cmN4,208336,2916650000DM

29166,6

-833,4

-20833,4-20833,4

( N cm )

A CB D

+

- -

50o

BABCCB IG

MM

0DCCBBAD

0504030

o

BA

o

D

o

A

IGMM

IGM

IGM

15000004080

04015000005030

040503000030

DA

DAA

DAA

MM

MMM

MMM

MD

-MD = MA-MB-MC

CD

-(MA-MB)MA-MB

BC


Problema 7.3

Calcular para cada una de las secciones abierta y cerrada de la figura adjunta, sometidas a unmomento torsor Mx = 1000 Nm :

a) el valor y la posición de la tensión tangencial máxima, max .b) el momento de inercia a torsión, It .

Resolución:

Sección cerrada :Am: área limitada por la curva media

a)

2

3

máx mmN77,5

mm530cosmm200mm200212

10Nmm10002 eA

M

m

x

c) 44

2

22

mm101000mm52003

30cos200200214

44e

sA

edsA

I m

s

mt

d)Sección abierta:

x

y

z

5200 mm

Mx

60

60

60

G

Mx

x

y

zG

e

max


a)

23

3

3máx mm

N200mm5mm5mm200

313

10Nmm1000

31

eeb

M

ii

x

b)

443 mm105,231

iit ebI

e

max


Problema 7.4

Un panel está sujeto por un mástil horizontal, según el esquema de la figura. Teniendo en cuenta elpeso propio del panel, el peso propio del mástil y la acción del viento, hallar las tensiones máximas enel empotramiento del mástil a la pared.Datos: Peso propio del panel P1= 90 kp Dimensiones 80 200 cm Diámetro del mástil D =15 cm Empuje del viento f = 80 kg/m2

(Peso propio del mástil de acero: P2 = kp832415,0m6kp/m7850

23 )

Resolución:

kp12828,0mkg80 2F

Sección en el empotramiento. Esfuerzos:

kp128

kp922832900

z

y

x

T

T

N

520

F

P1

40

z

y

150

50

D=15 cmx

P2

40

My= 716,8 kp m

Tz =-128 kp

Mx= 64 kp mMz= -3000 kp m

Ty= -922 kp

x

z

y


mkp30003832m)4,02,5(kp90

mkp8,716m)2,54,0(kp128mkp64m5,0kp128

z

y

x

M

M

M

Tensiones normales debidas a los momentos flectores:

mkp4,30848.7163000 22FM

4,133000

8,716arctan

24

2

kp/cm9,9302

15

6415

104,30842D

IM

z

Fxmax

Tensiones tangenciales debidas al momento torsor:

24 kp/cm66,9

3215

2156400

o

maxxmax I

rM

3000 kp mz

y716,8 kp m

MF = 3084,4 kp m

max

y

zA

y

z (+)

(-)

B


Tensiones tangenciales debidas a los esfuerzos cortantes:

22

2222

kp/cm0,7

415

8,93034

34

kp8,930922128

AT

TTT

max

yz

y

-922

-128

T

z

A


Problema 7.5

Hallar las tensiones máximas en el empotramiento A y el giro, alrededor del eje x, de la sección E. Elmomento torsor de 8 Tn m está aplicado en la sección B.

Resolución:

a) Tensiones máximas en el empotramiento A

Sección A

mTn30310

mTn222534mTn122108

Tn4

Tn10Tn5

z

y

x

z

y

x

M

M

M

T

T

N

z

y

x

Mt=Mx=12 Tn m

Mz=30 Tn m

My=22 Tn m

Ty=10 Tn

Tz=4 TnNx=5 Tn

z

y

x

10 Tn5 Tn

4 Tn

M= 8 Tn m

2 m

1 m1 m

1 m1 m C

B

D

A

x

E

F Tramo AC: = 40 cmTramo CE: = 10 cmTramo DF: = 10 cmMaterial: aceroG = 8,4 105 kgf/cm2


Tensión normal debida al esfuerzo axil:

22 kp/cm97,3

440

5000x

Tensión normal debida a los momentos flectores:

25,363022

mTn20,373022 22

arctan

M F

24 kp/cm59220

6440

3720000maxmaxx y

IM

Tensión normal máxima total:2kp/cm59697,3592max

z

y

30

MF

z

y

22

y

z

MF = 37,20 m Tn

(+)

(-)

P


Tensión tangencial debida a los esfuerzos cortantes:

2,684

10Tn77,10104 22

arctan

T

Distribución parabólica de con una max

22 kp/cm43,11

440

1077034

34

AT

max

Tensión tangencial debida al momento torsor

24 kp/cm49,95

3240

201200000

o

maxxmax I

rM

La tensión tangencial máxima total

2kp/cm92,10649,9543,11Amax

Aplicación del criterio de Von Mises en el punto P

222

2

2

kp/cm5,6183)1(kp/cm49,95,

kp/cm596,

equiv

x

max

TM

MN

(1) En el punto P la tensión cortante debida al esfuerzo cortante T no es exactamente 0, pues es 0 en el punto Q, pero Q y P nocoinciden, ya que los ángulos y no son complementarios. Pero como están muy próximos, y por tanto debido a T será muy pequeño,puede despreciarse frente a la debida a Mx.

10

4

T

Q

y

z

max

y

zA

B


b) Giro de la sección C (alrededor del eje x)

Dibujamos el diagrama de momentos torsores

El giro alrededor del eje x enla sección E será el mismoque el de la sección D.

10400 40

m1mT20m1mT20m1mT12GIGIGI

dxGIML

o

xx

98,13rad244,0

3210840000

1002000000

3240840000

1002000000

3240840000

1001200000444x

12 mT

A B DC

20 mT

1 m 1 m 1 m 1 m

20 mT

E


Problema 7.6

Un árbol, de acero, debe de transmitir 120 CV a 600rpm desde la polea A a la B. La tensión cortanteadmisible para el material del árbol es adm = 420 Kg/cm2 y la tensión normal admisible es adm=728kp/cm2. Calcular el diámetro del árbol. Datos: F=2·F’ , Q=2·Q’ , rA=15 cm , rB=22 cm. (radios de laspoleas).

Resolución:

xMPP

M x srad602rpm1

W736CV1Nm1405

602600

736120xM

cmKg14324Nm1405xM

Mx= F·rA – F’·rA = (2F’ – F’)·rA = F’·rA

cmKg1432415F Kg95515

14324F

Kg19102FF

también Mx= Q·rB – Q’·rB

cmKg1432422Q Kg7,119312

14324Q

Kg4,23877,11932Q

y

z

x

D

C

50 cm

50 cm

40 cm

A

B

Q’

Q

F

F’rBrB

rA

rA


Diagrama de momentos en el plano xy :

Diagrama de momentos en el plano xz :

Kg28653F

D C

B

x

y 3Q’= Kg3581

Mz

cm50cm50

x

23581

DR2

3581CR

cmKg89525502

3582,BzM

+

cmKg114600cM

My

x

Kg1146DR Kg4011CR

cm100 cm40

573005011461146

BMxxM

DCBx

z

A

+


Determinación del momento flector en B ( combinando Mz y My):

cmKg12,1062925730089525 22BM

El máximo está en C: cmKg114600fM

Diagrama de momentos torsores:

cmKg14324,, AxBx MM

Determinación del diámetro mínimo del eje.Aplicando el criterio de Von Mises:

223 3416xf

admmin MMd

223 1432431146004728

16mind

cm7.11mind

Kg401111462865

Kg1146100

286540286540100

02865

C

D

D

DC

R

R

R

RR

DC

Bx

y

A

-14324 cmKg

Mx

+14324 cmKg


Problema 7.7

En la figura se ha esquematizado la pieza desmontable de un enganche tipo cuello de cisne para elarrastre de caravanas de camping por parte de vehículos de turismo convencionales. La solicitaciónsobre la bola corresponde a una hipótesis de carga de arrastre con fuerte pendiente.

a) Determinar para la sección circular A los esfuerzos de sección: normal, cortante, flector y torsor.

b) Dibujar para la misma sección A la distribución de tensiones normal y tangencial que provocaindependientemente cada esfuerzo de sección. Indicar sobre el dibujo la posición de la tensionesmáximas para cada una de dichas distribuciones y calcular numéricamente sus valores.

c) Como resumen del estudio, indicar la tensión normal máxima total y la tensión tangencial máximatotal.

Sección A

40 mm

G

75 Kp50 Kp

400 KpA

150 mm

250 mm

O

yz

x


Resolución:

a) Esfuerzos de sección

Kp50

Kp75Kp400

z

y

T

TN

mmKp7875025075150400

mmKp1250025050mmKp750015050

z

y

x

M

M

M

Nota: El signo del valor numérico y el sentido del vector en el dibujo son redundantes.

b) Determinación de las tensiones

Esfuerzo normal Kp400N

Distribución uniforme de tensiones x :

22máx, Kp/mm32,0

440

Kp400AN

x

Esfuerzo cortante zy TTT

Kp905075 2222zy TTT

Distribución parabólica de :

22máx Kp/mm1,0

44090

34

34

AT

y

MzTz

Mx

N

z

x

G

Ty

My

x

G

GTz

TyT máx


Momento torsor mmKp7500xM

Distribución de tensión con una ley lineal radial:

24

0

máxmáx Kp/mm6,0

3240

207500I

rM x

Momento flector zy MMM

mmKp797377875012500 2222zy MMM

Distribución lineal de tensión x respecto al eje degiro:

24

máxmáx, Kp/mm69,12

6440

24079737

IyM

x

c) La tensión normal máxima total vale:

2máx, Kp/mm01,1369,1232,0x

La tensión tangencial máxima total vale:

2Kp/mm7,01,06,0máx

máx

máx

x,máx

Mz

My M

x,máx


Problema 7.8

Un tubo de acero 200 mm y de bajo espesor, e, constituye el soporte para el arrollamientomotorizado de una persiana según muestra la figura adjunta.El peso propio de la persiana y el rozamiento de arrastre equivalen a una carga de q = 50 Kp/m, lacual se aplica excéntricamente respecto de la directriz del tubo. La luz efectiva es L = 5 m, y sesupone simplemente apoyado en A y C.

a) Representar gráficamente los diagramas de esfuerzos y calcular sus valores máximos.

b) Determinar el espesor mínimo del tubo para que se cumplan los siguientes requisitos:

- La tensión equivalente de von Mises en las secciones críticas A y B sea inferior aadm=500 Kp/cm2.

- El corrimiento vertical B 1/1000 L.

NOTAS:

- Resolución suponiendo el peso propio del tubo incluido en q.- Tubo de acero E = 2100000 Kp/cm2.- Valores aproximados para la sección tubular de bajo espesor:

4

3

0e

I8

3eI z eA

e

q

200B C

A B C Motor

q=50 Kp/m

L= 5m


Resolución:

a) Determinación de los diagramas de esfuerzos.

b) Características mecánicas de la sección.

eeA

eIW

eIII

eIW

eeI

zzzy

m

22

42

82

22

44

230

20

0

33

0

mKp25,15655081

81

2

2máx, LqM yz

Kp1252máx,L

qT yy

mKp25máx,xM

Mz

Ty

Mx

qy=50 Kp/m

25 mKp

125 Kp125 Kpmx=50·0,1= 5 mKp/m

+

+

-

+

qy=50 Kp/m

z

y

/2 = 0,1 m


c) Comprobación de tensiones en la sección central B.

z

zx

z

WM

M

máx,

mKp25,156

0yT

0máx

mKp5,12

WM

M

x

x

Aplicando el criterio de falla de von Mises:

mm1cm1,0500

8,112474

Kp/cm500

220

12503

420

15625

Kp/cm5003

22

2

2

22máx

2máx,

ee

eeequiv

xequiv

Comprobación de tensiones en la sección extrema C

0zM

A

T

T

yT

y

2

Kp125

máx

0máx

mKp25

WM

M

x

x

z

máx

máx

máxmáx

Ty

zmáx

máx


Apliando el criterio de falla de von Mises:

mm2,0cm02,0500

5,475,47

Kp/cm500

220

25002021253

Kp/cm50030

2

2

2

22máxmáx

ee

eeequiv

Tequiv

Con el espesor anterior de e = 1 mm, las tensiones en la sección extrema C son de equiv100 Kp/cm2.

d) Comprobación del corrimiento vertical de la sección central B L / 1000 = 5 mm.

mm53845 4

zB EI

Lq

cm5,0

8cm20Kp/cm2100000

cm500Kp/cm100

5

3845

32

4

eB

Despejando el espesor de la ecuación e = 0,123 cm 1,3 mm.

En conclusión, para verificar los requisitos de resistencia y deformación el espesor e 1,3 mm.Una solución comercial sería 200 x 1,5 mm.

q

B

L


Problema 7.9 *

Un perfil angular de alas iguales es utilizado como carril de rodadura.

a) Determinar las tensiones normales y tangenciales máximas en la sección del empotramiento.b) Determinar el movimiento del perfil, calculando el corrimiento total del punto A.c) Comentar el diseño y proponer mejoras.

L = 500 mm

A

A’

P = 500 N

y

z

yz

x

b = 100

100

e = 5

C

A

G

r

Material: acero

E = 210000 N/mm2

G = 84000 N/mm2


Resolución:

Por razones de simplicidad se trabaja con la curva media del perfil de espesor constante y acuerdorecto. (*)

- El eje de simetría proporciona las direcciones principales centrales yy zz.- El baricentro G cumple la condición:

dAy0 dAz0

- El centro de cizalladura C ( ó de torsión )coincide

con el punto de encuentro de los elementos.

- Los momentos de inercia y módulos resistentes.

34

máx

32

0

2

mm23574mm7,70

mm1666666

31

222

yI

W

ebdsesdAyI

zz

b

z

(*) También, pueden obtenerse estas características de la tabla de perfiles del fabricante con mayorprecisión ( sin utilizar la simplificación inicial , v = 0 ).

C

s

ds

y

Gz

70,7

70,7

y

z

C= =

=

=

G

35,35

35,35


34

máx

32

20

2

mm11786mm35,35mm416666

121

222

z

IW

ebdsesdAzI

yy

b

y

433 mm833332

31

ebebI iit

a)

s

ds

y

Gz

z

bi

ei

GC

Mzy

z

Ty

P

Tz

G

My

Mx

z

P

C


mmN17677722máx

mmN17677722máx

mmN50000

N35322

N35322

LPM

LPM

bPM

PT

PT

z

y

x

z

y

Tensiones normales x debidas a la flexión desviada My , Mz.

- Para My

23máx mmN15

mm11786Nmm176777

y

y

W

M

- Para Mz

23máx mmN5,7

mm23574Nmm176777

z

z

WM

Tensiones tangenciales debidas a la torsión uniforme o de Saint Venant (ya que I 0 en este tipode secciones).

UNIFORMENOTORSIÓN

x

UNIFORMETORSIÓN

xtx dx

dEI

dxd

GIM 3

3

Ty , Tz

Mx

My , Mz

L = 500 mm

Mz

y

z

+7,5 N/mm2

-7,5

+15

G

My

-15


22máx

24máx

máx

mmN5,22

mmN30

43

43

mmN30

mm8333mm5mmN50000

t

x

IeM

mmrad1014,7

mm8333mm

N84000

mmN50000 5

42

t

xx

GIM

dxd

Tensiones tangenciales debidas al cortante Ty , Tz.

Aplicamos superposición: TOTAL= + ’

Ty :

ebP

ó

y

yeI

mT

z

Azy

43quedemuestrasetedirectamen

mmN75,0

mm5mm16666662

mm22100

5100N353

.,0Para

segúnvariable

máx

24

3

máx

máx

1

Mx¾ máx = 22,5 N/mm2

¾ máx

e

máx

máx = 30 N/mm2

100

y y

G

A1

C

Ty

0,75

0,75z


Tz :

ebP

ó

z

zeI

mT

y

Ayz

43quedemuestrasetedirectamen

mmN75,0

mm5mm4166662

mm2250

550N353

.,0Para

segúnvariable

máx

24

3

máx

máx

1

Se demuestra que

2mmN35,1

5100500

2027

2027

Neb

PmaxTOTAL

Obsérvese que en el ala horizontal debe anularse la distribución de tensiones tangenciales, ya que solotenemos fuerza vertical de 500 N.

Composición de tensiones:

Punto

)M(mm

N5,22

)MM(mm

N5,7mm

N15

x2

zy22x

1,35

500 N

C0,75

0,75

3

1

2

1

50y

G

A1

C

Tz

0,75

0,75z

z

TOTAL


Punto Punto

)T,T,M(mm

N0,75mm

N30

)M(mm

N15

zyx22

y2x

)M(mm

N5,22

)MM(mm

N5,7mm

N15

x2

zy22x

De los puntos estudiados, el es el más desafavorable.Aplicando Von Mises

22222

mmN455,2235,223xequiv

Ante la duda que exista un punto con una combinación más desfavorable y dada la complejidad delproblema, es posible tomar los valores máximos correspondientes a cada esfuerzo (aunquefísicamente no estén en el mismo punto). Así

22222

mmN8,58)35,130(3)5,715(3xequiv

Esta operativa está contemplada en diferentes normativas.

b)

Se desprecian los corrimientos debidos al esfuerzo cortante Ty , Tz.

2 3

1

Ldx

d xx

F

IELF

3

3x

Mx

C


Corrimiento según el eje y debido a la flexión Mz:

mm04,066666612100003

)500(22500

3

33

zy IE

LF

Corrimiento según el eje z debido a la flexión My:

mm17,04166662100003

)500(22500

3

33

zy IE

LF

Amplificación del giro debido al torsor Mx:

mm57,31005001014,7100100 5Ldx

d xx

G

z

y

A1

C1

y

z

G1C

( x)

A


d) Posibles modificaciones en el diseño.

Cerrar los extremos de los voladizos.

La barra adicional trabaja a flexión y limita considerablemente el giro a torsión del extremo delangular. Sin embargo, para otra posición del carro se reproduce el problema.

Cambiar la posición del angular.

La carga vertical ( y horizontal ) se realiza en el centro de cizalladura.

Elegir otro perfil con mayor rigidez torsional (perfil cerrado).

Elegir un perfil de guiado simétrico

1

barra adicional

0

0

2

P

GC

3 G C

4

C


Problema 7.10 *

a) Determinar las tensiones normales y tangenciales en el perfil HEA-500 sometido a torsiónconstante Mx = 20 KN · m y con coacción total al alabeo en el extremo empotrado.

b) Calcular el giro x en la sección A.

E = 210000 N/mm2e = 355 N/mm2

Resolución:

Se trata de un problema de torsión no uniforme, ya que está impedido el alabeo en el empotramiento.Ecuación diferencial de gobierno:

3

3

dxd

IEdxd

IGM wtx

donde :

Momento de inercia a torsión o constante de Saint Venant:

4433 mm102701246723300231

31

iit ebI

Módulo de alabeo o momento de inercia sectorial:

692

32

32

mm1056432

46723300121

2121

2h

ebh

II fw

L = 5 m

Mx = 20 KN·m

x

BA

z

y

490

300

12

23


El reparto del momento torsor total Mx = Mt1 +Mt2 ( para L = ):

xxt

xxt

eMMeMM

2

1

uniformenoTorsión1uniformeTorsión

14

4122

442

mm1057,4mm1064,5

mmN210000

mm103,309mm

N80000

w

t

IEIG

El angulo girado por unidad de longitud es variable:

t

tx

t

xx

IGM

eIG

Mdx

d 11

Para encontrar el ángulo de giro total en el extremo:

111100

LIG

MeL

IGM

dxeIG

Mdx

dxd

t

xx

t

xL x

t

xL xx

11057,4

1mm5000mm103,309

mmN81000

Nmm1020000 41057,45000

444

2

3

e

)elevadomuy valor (131023rad17,04,0x

Tensiones tangenciales debidas a la torsión uniforme o de Saint Venant en el extremo delvoladizo Mt1 Mx.

Alas:

244

31

mmN149mm23

mm103,309Nmm1020000

maxt

tV e

IM

max

Alma:

244

31

mmN78mm12

mm103,309Nmm1020000

almat

tV e

IM

max

xx

Mt1

Mt2

Mx = 20 KN·m

2,03( 3,9 exacto )

dxd x

x

x

max

max

Mt1 Sección A


En el empotramiento la torsión no uniforme provoca tensiones tangenciales w y normales w,donde Mt2 Mx :

Mt2 = Vf · h KN8,42m467,0mKN20

fV

Por aplicación de Collignon en la sección rectangulardel ala :

2mmN3,9

23300N42800

23

23

f

fmaxw A

V

(el valor exacto es h

be

M x

243

mmN3,9 2 )

Obsérvese el autoequilibrio de los esfuerzosen las alas, Mf , Vf , respecto a la secciónglobal:

mKN7,93mmN107,93

mm467mm1057,4mmN1020000

6

14

32

hM

M tf

valor superior al momento torsor aplicado

La tensión normal en la sección rectangular del ala por aplicación de Navier:

23

6

mmN272

)mm300(mm23121

mm2

300Nmm106,932

f

f

w I

bM

(el valor exacto por aplicación de las fórmulas del bimomento es w = 261 N/mm2 )

max

max

Mt2 Sección Bh = 467

Vf

Vf

Vf

Vf

Mf

Mf

w

w

w

w


Aplicación del criterio de Von Mises

Sección A: punto contorno del ala

eequiv 2222

mmN2581493303

Sección B: punto extremo del ala ( w max , w = 0)

ewwequiv 22222

mmN2720327233

Comentarios:

- La tensión equivalente es parecida en ambos casos.- Si existe N, My, Mz , para secciones tipo :

wz

z

y

ymax W

MW

M

AN


Problema 7.11 *

Una viga IPE-300 está sometida a una carga vertical F = 30 KN con una excentricidad accidental de50 mm.

a) Determinar, en la sección del empotramiento, la distribución de tensiones normales x debidas ala flexión y a la torsión no uniforme (bimomento). Calcular el valor máximo.

b) Determinar, en la sección del extremo del voladizo, la distribución de tensiones tangencialesdebidas a la torsión no uniforme o de Saint Venant. Calcular el valor máximo.

Acero S 355E = 210000 N/mm2

G = 80000 N/mm2

e = 355 N/mm2

Notas:- Se supone la viga arriostrada convenientemente para evitar el vuelco lateral.- Puede utilizarse la tabla de la serie normalizada IPE para determinar las características mecánicas de la sección.

y

z x

G C

L = 3 m

50 mm

F

30 KN

IPE - 300


Resolución:

Diagramas de esfuerzos

Mx = F · 0,05 m Mz = - F · (L – x ) Ty = - F Momento torsor Momento flector eje z Esfuerzo cortante eje y

Características mecánicas sección IPE – 300.

63

4

3

3

4

4

2

cm109,125

cm12,20

cm1,557cm5,80

cm8356cm8,603

cm53,81A

w

T

zel

yel

z

y

I

I

WW

II

Análisis de la torsión mixta

Ecuación general de gobierno de la torsión mixta:

21

3

3

tt MuniformeNo

xw

MUniforme

xTx dx

dIE

dxd

IGM

1500 Nm

-30000 N

-

90000 Nm ( máx )

x

y

300

150

tf = 10,7

tw = 7,1

z

x

L = 3 m

Mt1

Mt2

1355 Nm

145 Nm

1500


mN145L xpara,:uniformenoTorsiónmN135511500L xpara,1:uniformeTorsión

22

378,011

tx

xt

tx

xt

MeMMeMeMM

113

632

42

m78,0cm108,7cm109,125

mmN210000

cm12,20mm

N80000

w

t

IEIG

a) Tensiones normales máximas: x = 0

Debidas al bimomento Mf : ( If Iy / 2 )

mN6654m289,0m78,0

mN15001

2

hM

M tf

24

3

mmN165

2mm6038000

mm75Nmm1066542f

f

w I

bM

Debidas al momento flector Mz :

233

3

mmN162

mm101,557mmN1090000)(

zel

zzmaxx W

MM

Mf

Mf

w

w

w

w

Mz

x


Así, la tensión normal máxima:

2mmN327162165)( zmaxxwmaxx M

b) Tensiones tangenciales debidas a la torsión uniforme en la sección x = L:

Alas superior e inferior:

máx1

máx eI

M

t

t

2máx N/mm727.10

20120010001355

max

max = 72 N/mm2

Mt1 = 1355 N·m

8 Corrimientos en piezas prismáticas 131

8 Corrimientos en piezas prismáticas


Problema 8.1

En la viga quebrada de la figura, sometida a las cargas que se indican, determinar:

a) La distribución de tensiones en la sección mn.b) El corrimiento vertical en B, vB. (Se prescindirá del posible efecto del pandeo)

Resolución:

a) Diagramas de esfuerzos

Reacciones :

PR

PR

C

A

31kp1000

32kp2000

Kp3000P

y

3000 Kp

CB

A

1 m 1 m 4 m

2 m

m

n

zG

b= 0.3 m

h= 0.6 m

Material :=2,1·104 Mpa=0,2

G=8750 MPa

RA= 2000

21000

RC =1000

x’

A

B C

Kp3000

21000

CB

21000B

AB C

A

x2m

4000mKp

4000mKp M

T

N

21000-1000 1000CR

21000

RA =1000


N T MTramo AB 21000 21000 x21000Tramo BC 0 -1000 x10004000

Esfuerzos en la sección mn:

mKp2000Kp21000

Kp21000

mn

mn

mn

M

T

N

Tensiones provocadas por cada esfuerzo, por separado:

2cmKp8,0

180021000

x

x AN

2cmKp1,11

5400001002000

maxx

x

x

y

yIM

2

2

2

2

2

cmKp2,1

6041

180021000

23

4123

maxxy

xy

xy

y

hy

AT

3

4

21

2

cm18000

cm540000

cm150065

cm1800

z

z

W

I

AA

A

Y

n

m

ZT

N

max

max,C

MG

N M T


Suma de tensiones normales x :

yyI

MAN

x 37,08,0

tracción)de ténsión (máximaKp/cm3,103037.08,0 2máxx

)compresiónde tensión(máximaKp/cm9,113037,08,0 2mínx

b) Corrimiento vertical en B

TOTALB dlPM

EIM

PT

GAT

PN

EAN

PW

v1

400

0

''

'

1

2200

0 1

33433

4

3130

323

2

323

2

323

2

dxx

EI

xPP

GA

P

dxxEI

xP

GA

P

EA

P

2200

0

400

0

2''

1

2

1 3)(1000800016000

31000

32000

32000

32000

xdEI

xxGA

dxEI

xGAEA

2200

0

5

3

5 540000101,233

2000

15008750032000

1800101,232000

xxx

400

0

5

32

540000101,233

10002

800016000

15008750031000

xxxx

0608,0001,00442,00014,00005,0

mm08,1cm108,0105,00024,00005,0)()()( MTN


Problema 8.2

Para la pieza quebrada de la figura, hallar :

Sección a) El desplazamiento vertical de la sección A.

b) El desplazamiento transversal de la sección C (en la dirección Z).

Aplicación a : P=300 N Q=2P=600 N E=2,1·105 Mpa G=0,4E

Resolución :

Determinación de esfuerzos:

Tramo ABmN600

N600

xQxM

QT

z

y

Tramo BC mN6001QM

QN

y

x

Tramo CD

mN300mN600mN6001

N300N600

xxPM

xQxM

QM

PT

QT

y

z

x

z

y

C

A

B

D

x

x

x

Q

P

1 m

Y

XZ

z

yx

x

z

y

1 m

1 m

A

C

D

Q

P

4 cm

4 cm


a) Desplazamiento vertical de la sección A:

B

A

C

B

y

y

yz

z

zyytotalA dx

Q

M

EI

M

QNx

EANx

dxQ

MEIM

Q

T

GA

T

QW

1

D

C

z

z

zy

y

yx

t

xzzyy dxQ

MEIM

Q

M

EI

M

QM

GKM

QT

GAT

Q

T

GA

T

11

m

y

m

z

dxEIQ

EAQ

dxxEI

xQGA

Q 1

0

1

0 1111

m

zyt

dxxEI

xQEIPx

GKQ

GAP

GAQ1

0 110101

m

zyt

dxxQxQEI

QEI

QGK

QQGA

QEA

1

0

22

1

11111

cm2,4m042,032111211

1Q

EIQ

EIQ

GKQ

GAQ

EA zyt

Términos de la sección:

48433

483

44

241

242

211

211

m104141,022

m103

4cm4121

m103

4065

m1016cm16

N/m101,24,0

N/m101,2

N600

baKK

II

AA

A

G

E

Q

t

zy

141,01 3Kab

4 cm

4 cm

y

z


b) Desplazamiento transversal de la sección C.

dxEIQ

EAQ

dxEI

xQGA

QP

Wz

m

y

m

z

totalC

1

0

1

0 1

0000

3110010

1

1

0 11

PEI

PGA

dxEI

xQx

EIxP

GKQ

GAP

GAQ

y

m

zyk

cm2235,0m10235,2101,264

1012

103

4101,2

3

10340101,24,0

37

4

83

11411

PPP

P

9 Piezas y sistemas hiperestáticos 139

9 Piezas y sistemas hiperestáticos


Problema 9.1

En la viga de la figura, determinar el perfil IPE necesario para que se verifique la condición deresistencia y para que el desplazamiento vertical en el extremo volado (punto C) sea inferior a 0,3 cm.

Resolución :

a) Se descompone el problema, con un grado de hiperestaticidad, en uno isostático más un momentode empotramiento (incógnita) MA .

Estado final ( I ) = Estado isostático ( II ) + Estado hiperestático ( III )

BAC

5000 kp

4m 1madm=1600 Kp/cm2

E=2,1·106 Kp/cm2

+

-

+

MA

-5000mKp=MB

MA-RA·x

M M M’= +

P

CA B A AB

C C

xAR

BR

xR A4xRxR BA

M’A

RA’

B

RB’x

M’A-RA’·x

= +

P

-- -

+ +

T = T + T’

RA’ RB’RA

RB

4m 1m

MA

-

5000 5000

I ) II ) III )

AR

BR


- Estado isostático (II):

0005BA RR

100054ARKp6250

Kp125040005

B

A

R

R

0AM mKp0005BM 0CM

- Estado momento hiperestático (III):

04

B

BA

BA

M

RM

RR

Para encontrar M’A , aplicaremos el 2º teorema de Mohr entre A y B , en el estado final (I):

mKp2

500023

223

12

1102

1

BA

AB

iii

MML

MLL

MLEI

yAEI

mKp2500AM L = 4 m

mKp2500AA MM Kp6254

25004

AB

MR

- Estado final (I):

Kp87566252506

Kp87516252501

0mKp000500005

mKp50020

BBB

AAA

C

BBB

AAAAA

RRR

RRR

M

MMM

MMMMM

Kp18754

500025004

44 BAABAA

MMRMRMxM

Kp6875BR

Ai = área diagrama momentos flectores yi = distancia desde el baricentro Ai hasta B


b) Para el cálculo de vC , vamos a aplicar el 2º teorema de Mohr entre A y C .

3

142

3

mKg/m3mkg200001

38

24

32

21

134

2411

i

ABBiiC

EI

MMMEI

yAEI

v

3

44

4

6

64

cm713

cm11770330cm10582

3,01,23102cm3,0

101,2310102

z

zTABLAS

minW

IIPEI

I

c) Comprobación del perfil a resistencia :

admadmmax

max

admz

maxmax

A

T

W

M

3Kp/cm8,923Kp/cm246Kp/mm46,2

mm5,7271Kp5000

Kp/cm1600Kp/cm701Kp/mm01,7cm713mKp5000

2222

1

2223

El perfil IPE 330 cumple la condición de resistencia y la condición de rigidez.


Problema 9.2

Dada la viga de la figura,

determinar :a) Diagramas de momentos flectores y esfuerzos cortantes.b) Valores de las reacciones.c) El perfil IPN necesario para adm=140 MPa.d) La pendiente en el apoyo B.

Resolución:

a) Descomposición en un problema isostático, más una incógnita hiperestática ( R’B).

p = 20000 N/ml 20000 N

A

BC

4 m 2 m

p p

M

T

P P

A BC

4 m 1m

= +

AR

AM

x

RA’

MA’

x

= ++

MA’= 4R’B

MA’- RA’x

Nm000280M A

2xp4MxR AAMB=-40000 NmMA

R’B

+ +

-

N00010R A pxR A

RA’ R’B

P P

= +

-+

-

2/pxMxR 2AA

-

Material:

AceroE=2,1·106 MPa


b) Determinación de la incógnita hiperestática y de las reacciones totales.

24

2

,

2

,

xpMxRxM

xpMxRxRMxM

AACB

AAAABA

Para hallar R’B , aplicaremos el 2º teorema de Mohr entre A y B :

B

AB dxxx

EIxM0

B

A

AAA

Mdxx

xpMxR

EI4

32

244

21 2

BA

A

A

RM

M

R

4Nm280000

N100000

B

A BRdxxxxEI 3

644100002800001000001 2

B

m

Rxxx

xEI 3

644

100003

1400002

680000112000014

0

432

N6500003

643

41600001BB RR

EI

RA - 80000 + 65000 - 20000 = 0 RA = 35000 N MA = - 20000·6 + 65000·4 - 80000·2 MA= -20000 Nm

c) Determinación del IPN.

2N/cm1400010040000

zz

maxmax WW

M

36

, cm7,28514000

104minZW

3

4

cm354

cm4250240

z

z

W

IIPN

TABLAS


d) Pendiente en B.

2, 100003500020000 xxxM BA

BAxMdx

vd,2

12

1

321

310000

235000200001

Cxx

xEIdx

dv

03

64000102

16000354000201:4

00:0

1

11

EIdxdv

x

Cdxdv

x

B

4250101,2300040

104250101,23000640000840000240

3811B

00856,0rad00149,0B


Problema 9.3

a) Determinar el valor máximo de la carga uniformemente repartida, p, que se puede aplicar en laviga de la figura, si la tensión máxima admisible es de 140 MPa (tanto para la viga AB como para eltirante CD).

b) Calcular asimismo el descenso que tendrá el punto C.

- La viga AB es un perfil IPN 400.- El tirante CD tiene una sección

de 5 cm2.- Módulo de elasticidad : E = 2,1·107 N/cm2 ( para la viga y el

tirante ).

Resolución :

a)Se trata de un problema hiperestático. Para resolver la hiperestaticidad, impondremos la siguientecondición :

CC v

donde : C = corrimiento del punto C del tirante CD.vC = corrimiento vertical de la viga AB en el punto C.

A C B

D

4 m

4 m 4 m


Cálculo de C :

EAR

ECDD

CDCDCDC

( E

, A

RD )

Nencm1081,3cm5N/cm101,2

cm400 6227 DD

DC RR

R

Cálculo de vC :

Aplicaremos el Teorema de Castigliano:

dxRM

EIxM

dxRM

EIxM

RW

vC

B

A

CDDD

TOTALC

400

0

800

400

22

4002400

02 dxxEI

xpxR

dxEI

xp D

4 m

D

C

RD

RD

x

A C BRD

p

22xp

MmKp

24002xpxRD

4 m 4 m

MA= 400 RD- 320 000·p ( Ncm )MC= -80 000·p ( Ncm )

-


dxxEI

RxRx

p DD400

4002800

400

2

800

400

234 1600004003

2008

1xRxRx

Rpx

pEI DD

D

29210101,2103,211018133

103,21101813317

6666 D

DRp

RpEI

cm108,345,29561 6DRp

Entonces: CC v 66 108,345,295611081,3 DD RpR

pRD 5,2956161,38

(1) pRD 766 (RD en N)

(2) DRp 13,0 (p en N/cml)

Determinación de pmáx :

Para el tirante:

2,22

2,

, N00070cm

N10140cm5 maxDam

maxDtirantemax R

R

mN10090007013,013,0 ,2 maxDmax Rp

Para el perfil:

admIPNz

maxvigamax W

M

400,,

pM

pM

ppppRM

C

DA

0008000080

60013000320766400000320400

máx

pRD 766


2400,

, cmN00014

146080000

admIPNz

maxvigamax

pW

M

N/m55025N/cm5,25500080

1460000140máxp

Por tanto: mN9100maxp ( la menor de ambas).

b) Cálculo del descenso de C.

mm7,2cm267,0000701081,3 6cv


Problema 9.4

Las vigas AB y BC de la figura están perfectamente empotradas en los extremos A y C. Cuando estándescargadas, sus extremos B están en contacto, pero sin transmitirse ningún esfuerzo.

Determinar:

a) La carga uniformemente repartida máxima que puede soportar la viga AB, estando sometida la viga BC solamente al efecto producido por la AB.b) El descenso vertical del punto B.

Resolución:

a) Determinación de pmáx.En este tipo de problemas de interacciones, la resolución se basa en plantear la igualdad de

corrimientos (ecuación de compatibilidad de deformación en la sección B):

IPN 200IPN 220

p

A BC

3 m 4 m

Material: Acero A42b

p

A B

C

3 m 4 m

B

R

R

1 = 2

x x-

RM max

xRxM

2

21

xpxRxM

-+


Cálculo de 1: Aplicamos el 2º teorema de Mohr entre A y B :

43

0

2

1

831

21

pREI

dxxEI

pxRx

z

z

Cálculo de 2: Aplicamos el 2º teorema de Mohr entre C y B:

3

02

31 R

EI

dxxEI

Rx

z

z

Condición: 1= 2

44 cm06033

64

cm14028819

E

R

E

pR

NmN3624,2306024321405123060216 RppR

Cálculo de Rmax ( pmax ):

IPN 200 a flexión:

223

máx

200,

máxmáx N/mm3,173

mmN

5,1260

cm214M

W

M

IPNz

Nm3,37093máxMMmáx:

m4233,00pR

xpxRx

M

AA

MMRpRM

RxM

máx2 6308,721

211649,04233,0

N0,48613,370936308,7 máxmáx RRM

m3

m4


IPN 220 a flexión:

223

máx

220,

máxmáx N/mm3,173

mmN

5,1260

cm278M

W

M

IPNz

Nm6,48186máxM

6,481864máx RRM

N6,12046máxR

dN0,48610,8614;6,04612mínmáxR

Por lo tanto: mN114830,48613624,23624,2 máxmáx Rp

b) Descenso vertical del punto B.

cm61,13060101,23

40048613 7

33

2zEI

R


Problema 9.5

a) Determinar el valor máximo de la carga uniformemente repartida, pmáx , que se puede aplicar a laviga de la figura.b) Calcular asimismo el descenso que tendrá el punto C.

Resolución:

a) Imponemos la condición de compatibilidad de deformación en C, es decir, planteamos igualdad decorrimientos.

p

2R

2R

A C B

2p 2pR

x

M-

+

xR2 22 xRxR

22

12 pxpx

22

122 pxxRpx 22

122

2 xRpxxRpx

+ +-

4 m 4 m

8 m

h = 6 m

2cm5A 2cm5A

D E

A B C

p

Datos:

Viga AB: IPN 300adm= 160 MPa

E = 2,1·105 MPa( tanto para la vigaAB como para lostirantes CD y CE )

45º 45º


Cálculo de C :

Aplicamos el 2º teorema de Mohr entre C 2

x y A 0x :

2 322

0

2

2221222

ozz

dxxp

xR

pEI

dxxEI

xp

xR

xp

64224221

423221 432

0

43 pRp

EIxpxR

pEI zZ

Czz

pREI

pR

EI 3845

481

1281

481

481 43

43

D E

C

2C

C

45º45º

R

2 2

A C B


Cálculo de :

ER

E

R

EA

R 1205

260022

22

cm

2C 22120384

548

1 43

ERpR

EI zC

RpR 21209800384

108548108 8463

RpR 98,93200064 Rp 310312,2 ( p en N/ml , R en N)

Cálculo de Rmáx ( pmáx ) :

Cables a tracción:

N113137cm

N000165

22

máx22

máxmáx

máx Rcm

R

AP

adm

2cm5,cm2600 A

R22

D, E

C

R22

m26

4300, cm9800

cm800m8

IPNzI


IPN 300 a flexión:

Nm104480cm

N16000cm653 máx23máx

300,

máxmáx M

M

W

M

IPNz

|Mmáx|:

RRRRpM C 154

80010810312,281

481 4232

cm80010312,2 3 Rp

cm74,1831031,2222222

0 3 RR

pR

xpxRp

xM

xRx

xppxxRp

xMM2222

122

cm74,1832

2máx

RR

R 3974,18322

74,18374,1832

80010312,22

3

Así que Mmáx = 104480·102 N·cm = 39 Rmáx Rmáx = 267897 N

N113137267897,113137mín,sistemaadmR

Por lo tanto, el valor máximo de la carga uniformemente repartida que se puede aplicar a la viga AB,admitida por el sistema, es:

mN26157cm

N57,26111313710312,2 3máxp

b) El descenso del punto C es.

cm101,2

11313712022 7C cm9,0C


Problema 9.6

Determinar el desplazamiento vertical de la sección C, C , en la pieza de la figura, admitiendo que lasección en todos los tramos del sistema es circular y el material es el mismo.

Datos:

G = 0.4·Ep =1000 N/mlD = 50 mma = 1 mE = 2,1·105 Mpa

Resolución:

a) Determinación de esfuerzos .Es un problema hiperestático. Consideraremos RB como incógnita hiperestática a determinar.

Esfuerzos:

Tramo BC:

2

21

pxxRM

pxRT

BZ

By

Tramo CA:

2

21

apaRM

xapRM

apRT

Bx

Bz

By

Aa

a

p

BC

D

y

z

y

z

x

x

x

x

RB

A

CB

p


Aplicaremos el teorema de Castigliano para hallar la incógnita hiperestática RB :

dxRM

EIM

RM

GKM

R

T

GA

Tdx

RM

EIM

R

T

GA

T

RW A

CB

z

z

z

Bt

x

B

yyC

BB

z

z

z

B

yy

B

totalB

110

aC

B

aA

Cz

BB

B

z

BB

B dxxEI

xpaRa

GI

paaR

GApaR

dxxEI

pxxR

GApxR

0 0 0

2

1

2

1

21

121

1

33831

21

21 43434

3

0

22

1

ap

aR

ap

aR

EIa

paRGI

paaRa

paRGA BB

zBBB

paRaEI

pa

RaGI

paaRGA B

zBB

434

3

0

2

1 2411

321

21

2321

64

32

4109

109

4,0

4

4

0

2

1

DI

DI

DAA

EG

z

paRaD

Ep

aRa

DE

paaRD

EBBBB

434

43

42

2 2411

32

64

12

324.0

1232

41094.0

1

06.3

2411

326.36429322

3240

4

434322

DE

paRapaRapaaRD BBB

211 N/m101,2

N/ml1000m1

m05,0mm50

E

paD

N3.565BR


b) Determinación de C.

Para calcular C , aplicaremos el método de la fuerza ficticia:

Esfuerzos (debidos a F):

Tramo BC:

xRM

RT

Bz

By

Tramo CA:

aRM

xFRM

FRT

Bx

Bz

By

4

3332

6.333

26.3649322400

DE

Fa

RaRaaFaRD

RW

BBB

B

total

FRB 174.0

a

z

BB

Fpara

totalC dxx

EI

xFpxxR

GAFpxR

FW

0

2

10

)174.0174,0

21

174.0174,0

(

a

BB aaFpaaR

GIGAFFpaR

0

2

01174.0174,0

211826.0

174,0(

dxxEI

xFFxpaR

z

B )826.0174,0

Integrando, entre límites, y tomando F= 0:

43

0

22

1 21174.01826.0

2174.01

paaRGI

paaRa

paRGA BBBC

C B

A

RBx

x

F


33826.0

421

3174.01 4343 a

paRa

pa

REI

BB

Z

m00225,06.3

254.0217.06.364087.0174.0932739.0652.0404

2

DE

pRpRpRD BBB

cm225,0C (en vertical, hacia abajo: igual dirección y sentido que F)

10 Inestabilidad elástica 161

10 Inestabilidad elástica


Problema 10.1

Determinar la carga máxima P que puede soportar el sistema de la figura, si la tensión máximaadmisible es de 160 MPa.

E = 2,1·106 Kp/cm2

Resolución:

Reacciones:

2630 P

RRPM CCB

PRF bV230

Kp23

máx PT

mKp3máx PM

30º 30ºIPN 100 IPN 100HEB 120

P

A B CIPN 500

3 m 6 m

4

x

A B C

P P23

2P

P23

2P

-

+

-

3 6

T

M

xPP3

323 xPxP

P


IPN 500.Cálculo a flexión.

: NPmm

Ncm

NmPW

MIPNadm

IPNz

1466671602750

3500máx,23

500,

máxmáx

Puntal HEB 120. Cálculo a esfuerzo normal y a pandeo.

cm06.3;cm04.5

cm9.52;cm144

cm318;cm864

cm34

120HEB33

44

2

yz

yz

yz

ii

WW

II

A

Esfuerzo normal:

- N544000cm

N1600034 máx2máxmáx

máx NN

AN

N36266723544000 máxPP

Pandeo:

- minminiL 105131

06.3400 ( acero estructural )

el pandeo se produce en la zona

de validez de la ecuación de Euler

N1177005.31016318101.2

4

722

2

120,spsp

critHadm

LEI

NN

27

4

cmN101.2

1005.3cm400m4

cm318

E

L

II

sp

min

P23

P23

y

z


N7846623117700 máxPP

Puntales IPN 100. Comprobación a esfuerzo normal.(Tracción)

N169600cm

N160006,10 máx2

máxmáxmáx N

NA

N

N587511º30cos4

169600 máxPP

Por lo tanto, la carga máxima que puede soportar el sistema es:

N78466587511,78466,14667minP

º30cos4P

º30cos4P

º30cos4P

º30cos4P


Problema 10.2

Dado el esquema de la figura, donde B, C y D son articulaciones perfectas; si la tensión máximaadmisible y el módulo de Young son los mismos para las tres barras, e iguales respectivamente a adm

= 160 MPa y E = 2,1·105 MPa.

Determinar:

a) Diagramas de momentos flectores, esfuerzos cortantes y esfuerzos normales para cada barra.b) El máximo valor admisible de P.

Resolución:

a) Diagramas.

2 m

2 m

2 m2 m2 m

IPN 360

IPN 100

IPN 140

A

C

B

D

P

A

C

B

D

x

TRACCIÓN

COMPRESIÓN

22P

22P

22P

cRR4

22P

22P

cRR4

22P

N

+

-

B

2P

22P

22P

45º 45º


b) Cálculo de Padm :

IPN 360 a flexión:

23360,

máxmáx mm

N160cm1090Nm1P

WM

IPNz

N174400admP

AB

D

C

2PRA 2

P

2P

BR

T

+

-

AB

D

CM

+

xP2 22 xPxP


IPN 100 a tracción:

2máxmáx N/mm160

6,1022

P

AN

N70147922106,10160 2admadm PP

IPN 140 a compresión:

5.3

2

2

LEI

CN

Nsp

critadm

5.31002024.1

2200s

min

Ci

N6,26051085,3

2.35101,24

72

admN

N7370022

N6,2605 admadm

adm PP

N

Por tanto :

N7007370073,701479,400174mínmáxP

Problema 10.3

cm2200

22P

22P


Calcular la carga axial máxima que puede soportar una broca de 3 mm,

a) sin pretaladrob) con pretaladro o marcado.

2

2

N/mm320

N/mm210000

e

E

Resolución:

a) b)

2

2

p

zcr

L

EIN

Ncr

Lp=2L

Ncr

Lp=0,7LR

a)

b) 3

150 mm


a) N911502

643210000

2

22

b) N7471507,0

643210000

2

22

Comprobación de la validez de la fórmula de Euler ( para b):

cumplemm

N320mm

N105

43

N747222 e

crcr A

N

NOTAS: - Se ha simplificado la obtención de I,A sin utilizar reducciones de la sección. - A los valores de 91 N y 747 N hay que aplicarles un adecuado coeficiente de seguridad.


Problema 10.4

Calcular la sección rectangular más eficiente para la pieza de aluminio sometida a compresióncentrada.

L = 500 mm , seg. pandeo= 3Datos del Al:E = 70000 N/mm2

e= 20000 N

Resolución:

La relación b-h debe ser la óptima para que la Ncr sea la misma en ambas direcciones.

Flexión eje y:

12

121

2

32

2

2

1,L

bhE

L

EIN

yp

ycr

Flexión eje z:

27,0121

2

32

2

2

2,L

bhE

L

EIN

zp

zcr

Igualando Ncr,1= Ncr,2

7,02

7,0121

2121

22

32

22

32

bh

L

bhE

L

bhE

N=20 kN

x

L

y

z

b

h

y

z

LPz=0,7·L

LPy=2·L

x

y

z


Con esta relación, puede elegirse la fórmula (1) o (2):

3. NNcr

pandeoseg 32121

2

32

NL

bhE

mm1550:tomarásemm5,41mm5,14

3500220000

7,02

12170000

2

32

xhb

bb

Comprobación:

cumpleN/mm1005,415,14

60000 2e

crcr A

N


Problema 10.5 *

Calcular la carga máxima, Nmáx, en los tres casos:

Resolución:

a) En el primer caso, Nmáx=Ncr , suponiendo que la cr e

N30195210000

64190200210000

2

222

2

2

pcr L

EIN

cumpleN/mm99mm

4190200

N301952 2

222 e

crcr A

N

10m = 10000 mm10 mm 100 mm

A) B) C)

v0=L/1000 v0=L/100

Ncr =Nmáx ? Nmáx ? Nmáx ?

Acero S260

e 260 N/mm2

E=210000 N/mm2

200x5 mm


b) El momento flector en el centro del vano: 22L

xvNL

xM TOTAL .

02 1

1v

NN

v

cr

LxTOTAL

crNN1

1

El corrimiento total depende de la relación crN

N .

Por la ecuación de la flexión eWM

AN

máx

222

2

0máx

máx

22máx N/mm260

10064

190200301952

1

1

4190200

vN

N

N

Para v0 = 10 mm tenemos Nmáx=269500 N

c) Para v0 = 100 mm tenemos Nmáx=152000 N

Factor de amplificación:

A)B)

C)

10 100

N

v


Problema 10.6 *

Calcular el valor de la imperfección geométrica inicial, v0, que provoca el fallo elástico del perfiltubular 100x4 mm sometido a N = 125 kN.

Resolver el problema utilizando dos modelos de cálculo:

a) Análisis de 1er orden, con la geometría caracterizada por el valor inicial v0.b) Análisis de 2º orden, considerando la amplificación del valor inicial de v0.

N = 125 kN

L = 3500 mm

100x4

v0 ?

N

Material S235:e=235 N/mm2

E= 210000 N/mm2

Tubo 100x4: A= 1206 mm2

I= 1392000 mm2

W=27840 mm2

x

y


Resolución:

a) Análisis de 1er orden:

La sección más desfavorable 2L

x :

0vNMNN

2N/mm235ex WM

AN

20 N/mm52327840

1250001206

125000 v

Despejando el valor de v0:

mm2912500027840

12061250002350v

b) Análisis de 2º orden:

e

cr

x WvN

NNA

N 0

1

1

La carga crítica de Euler, Ncr:

N2355170350

13920002100002

2

2

2

pcr L

EIN

Así, el factor de amplificación vale

13,2

2351250001

1

1

1

crNN

= =

Nv0

011

vNN

NMcr

= =

NN

v0

0vNM

N


Sustituyendo en la fórmula:

20 N/mm23527840

12500013,2

1206125000 v

Despejando el valor de v0:

mm7,1313,21

12500027840

12061250002350v


Problema 10.7 *

Un tubo de acero 140x140x5 mm tiene una imperfección inicial de 50 mm respecto a la directrizteórica y está sometido a una leve carga de viento q = 300 N/m y a una carga axial de compresión N =100 kN.

a) Calcular la tensión normal máxima en la sección central en un análisis de 1er orden.

b) Calcular la tensión normal máxima en la sección central en una análisis de 2on orden, es decir,considerando la interacción N – M (esfuerzo normal – momento flector).

Tubo 140x140x5 mm:

A = 26,70 cm2

Iy = Iz = 821,25 cm2

iy = iz = 5,51 cmWel·y = Wel·z = 117,32 cm3

Acero S235:

E = 210000 N/mm2

e= 235 N/mm2

N = 100 kN

L = 5 mv0 = 50 mm

N = 100 kN

x

y

qy = 300 N/m

G

y

z

5

qy

140 mm

140


Resolución:

En un análisis de 2on orden el diagrama de momentosflectores se ve amplificado por el efecto de lapreflecha inicial (v0) y de la interacción N-M.

a) Análisis de 1er orden (sin considerar pandeo, con la geometría inicial del enunciado).

181

02

máx,zz

zx W

vNpL

AN

WM

AN

117320

5010000050000,381

2670100000

2

cumplemm

N8862,4299,745,37 2 e

b) Análisis de 2on orden (amplificación de la preflecha inicial e interacción N-M).

21

181

0

2

2máx,z

cr

zx W

vN

NNW

pLK

AN

Cálculo de la carga crítica elástica de Euler, Ncr:

N6808555000

8212500210000mm5000 2

2

2

2

z

z

pcrp L

EINL

N

N

v0

q

1er orden2on orden

N

N


Para el factor de amplificación K2, se elige la expresión aproximada (*):

172,1

6808551000001

1

1

12

crNN

K

Así, finalmente (2):

cumplemm

N7,9662,4217,199,717,145,37 2máx, ex

(*) Cálculo exacto de K:

rad602,0680855100000

22 crNN

u

177,1602,0cos602,0

602,0cos12coscos12

222uuu

K


Problema 10.8 *

Un tubo circular 100x4 mm de acero está sometido permanentemente a una carga puntualtransversal, F = 5kN, en el centro del vano.

Mediante un cilindro hidráulico se puede aplicar una carga axial variable en el extremo.

Suponiendo un comportamiento ideal de elasticidad indefinida para el material:

a) Calcular la carga axial máxima soportada por el sistema, al poder producirse su colapso porinestabilidad elástica.

b) Representar gráficamente la relación N-v, mediante un modelo teórico de 2º orden, es decir,considerando la interacción entre el esfuerzo normal y el momento flector.

A continuación, suponiendo un comportamiento real de material, con una tensión de límite elásticoe=380 N/mm2.

c) Calcular la carga N que provoca el fallo elástico del perfil.

Material S380: E = 210000 N/mm2e = 380 N/mm2

N variable

x

y

v

F=5 kN

100x4

= =

L = 5000 mm


Resolución:

a)

N1154035000

13920002100002

2

2

2

pcr L

EIN

Hipótesis: Elasticidad indefinida.

b) Considerando la interacción N – M.

mm54,44139200021000048

5000500048 3

33

3

3

KK

KEILF

v

donde K3 es el factor de amplificación.

Cálculo exacto de K3:

11540322

1154032

11540321154032tg3

tg3333

NNN

u

N

NN

uuu

K

cr

Cálculo aproximado de K3:

1154031

1

1

13 N

NN

K

cr

E = 210000 N/mm2

Ncr

N

v

N N

115403 N


Tabla de valores de la función N – v

N veaxct. vaprox.

0 44,54 44,54 mmNcr/4=28851 N 59,39 mmNcr/2=57701 N 89,08 mm3Ncr/4=86552 N 178,16 mm

La representación gráfica de la función N – v:

La curva de respuesta N – v, considerando la interacción entre el esfuerzo normal y el momentoflector, es asintótica al valor de la carga crítica de Euler Ncr = 115403 N.

Suponiendo una elasticidad indefinida del material el fallo de la pieza se produce con el mismo valorde Ncr.

c) Sin embargo, antes de llegar a esta situación el material habrá superado la tensión del límiteelástico. Para el material real:

eWM

KAN

eWM

AN , donde LFKM

41

( mm )

crN

crN43

2crN

4crN

115403

86552

57701

28851

( N ) N

v

50 100 150 200 250

v

5 kN NN


2mmN038

27840

5000500041

1154031

11206 N

N

Resolución de la ecuación de 2º grado:

380225115403

1154031206 N

N

NN 115043

1206380225115403

120638069,954385314025965675

2NNN

cba

NN 1788746569,4751206

10 2

crNaacbb

NsentidosinN533630

N40425

120612

17887461206

14476476

24

22

Se cumplen la hipótesis de aproximación para el cálculo del factor de amplificación K:

692421154036,0404256,0 crNN

54,11

1

crNN

K

Representación gráfica del apartado c):

(N) N

115403

40425

44,5 68,5

Ncr

v (mm)

380WM

KAN


c’) Un planteamiento parecido del problema es considerar que v0=44,5 mm constituye una preflechainicial.

El momento flector LF41 resta constante y la amplificación es debida al termino

0

1

1v

NN

NvN

cr

Los resultados obtenidos no difieren excesivamente de la solución exacta:

eWM

AN , donde vNLFKM

41

2mmN380

84027115403

1

154,445000500041

1206

NN

N

Resolución de la ecuación de 2º grado:

380115403115403

2784054,44225

1206 NNN

NNN

1150432251206

38027840

11540354,44

NN

NN 69,95178874651206

1156,1842

cba

NN 178874654351206

10 2

crNaacbb

NsentidosinN479633

N449772

42

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Resistencia de materiales Problemas resueltos