TRABAJO DE INVESTIGACIÓN FINAL MECÁNICA DE SÓLIDOS DEFORMABLES ING 234-02 1100338 YESSBELI MAZARA 1098914 GUILLERMO FERMÍN 1102203 ABDUL KHAN LÓPEZ 1100247 DOCENTE ARIS R. RICART R INTEGRANTES 01 02 03 04 BENJAMÍN OLIVO TABLA DE CONTENIDO 02 Esfuerzos cortantes en vigas 01 Flexión compuesta • Esfuerzos cortantes verticales y horizontales. • Carga excéntrica en un plano de simetría. • Fórmula del esfuerzo cortante; momento estático. • Flexión asimétrica • Caso general de carga axial excéntrica. • Localización del eje neutro. • Distribución de esfuerzos cortantes en una viga rectangular. 03 Estado de esfuerzo plano • Transformación de esfuerzos en el estado plano. • Esfuerzos y ángulos principales. • Esfuerzo cortante máximo. • Círculo de Mohr. • Esfuerzos cortantes en las almas de vigas con patines. • Esfuerzos en tuberías de pared delgada. • Esfuerzos bajo cargas combinadas. • Envases esféricos y cilíndricos. • Centro de corte • Transformación o deformación plana; concepto de roseta de deformación INTRODUCCIÓN La mecánica de sólidos es la rama de la mecánica que estudia el comportamiento mecánico de los materiales sólidos, en particular sus movimientos y deformaciones bajo la acción de fuerza , cambios de temperaturas , cambio de fase u otras acciones externas o internas. La Mecánica de Sólidos Deformables abarca numerosos temas, entre los cuales se encuentran los tres principales a desarrollar en el presente trabajo de investigación: • Flexión compuesta: es cuando una pieza se encuentra sometida simultáneamente a varios esfuerzos simples, superponiéndose sus acciones. Esfuerzos variables son los esfuerzos que varían de valor e incluso de signo. • Esfuerzo cortantes en vigas: donde se consideran los esfuerzos cortantes verticales y horizontales que se generan, también se consideran casos especiales como en almas de vigas con patines y los esfuerzos en vigas con cargas combinadas y se presenta cómo determinar los centros de corte. • Estado de esfuerzo plano: El esfuerzo plano se produce cuando el material en un punto está sometido a los componentes de esfuerzo normal Ox y Oy y una de esfuerzo cortante Txy. Todo lo anterior va a acompañado de sus fórmulas correspondientes y de imágenes que diagramen lo que se está explicando para poder tener un mayor entendimiento. 01. Flexión Compuesta. CARGA EXCÉNTRICA EN UN PLANO DE SIMETRÍA Ahora se analizará un elemento que es sometido a una carga axial, cuya línea de acción no cruza por el centroide del elemento sometido al estado de fuerza. Este tipo de análisis es muy útil en estructuras y elementos como prensas y arcos donde la línea de acción de la carga a la que son comúnmente expuestas, no corresponde con el centroide de la estructura y se quisiera analizar el estado de esfuerzos en que está sometida. Suponga, por ejemplo, una pieza con forma de arco sometida a una carga axial con una línea de acción por debajo del centroide, como en la siguiente figura: Note que el elemento posee un plano de simetría, y que en este plano es donde se aplica la carga. El centroide se ubica a una distancia d de la línea de aplicación de la carga, como apreciamos en el siguiente diagrama: CARGA EXCÉNTRICA EN La forma equivalente de las fuerzas que UN PLANO DEelemento SIMETRÍA actúan en este se puede representar por la fuerza F aplicada en el centroide y a un par M que actúa en el plano de simetría del elemento. Si aplicamos las condiciones de equilibrio, se podrá notar que la fuerza F deberá ser igual y opuesta a P' mientras que el momento M será igual y opuesto al momento de P' con respecto a C, es decir: En los análisis de este tipo, se puede también encontrar el esfuerzo desarrollado, como la suma de dos esfuerzos, uno céntrico y uno de flexión. Es decir, el correspondiente a la fuerza F y otro al momento M, los cuales podemos escribir de forma conveniente como: Donde A es el área transversal e I el momento centroidal de inercia, y se mide con respecto al eje centroidal de la sección. Tomemos como ejemplo el elemento de la figura que se encuentra sometido a un par de momentos flectores M y M´, actuando en un plano oblicuo formando un ángulo θ con el plano XY. El momento flector se descompone en sus componentes Mz y My como: Actuando en los planos XY y XZ respecti vamente, como lo vemos en las siguientes figuras: Para calcular el esfuerzo desarrollado en el elemento, se utiliza el principio de superposición, con lo que se define la ecuación: Flexión asimétrica En ocasiones es necesario analizar elementos que se encuentran bajo un estado de flexión en un plano que no corresponde al de simetría del elemento. Si el elemento posee planos de simetría, es posible descomponer el momento flector como dos momentos que actúan en los planos de simetría del elemento y determinar el esfuerzo por superposición de los efectos de cada uno de los componentes del esfuerzo. Los esfuerzos debidos a la carga de la figura se obtienen superponiendo los esfuerzos correspondientes a la carga axial céntrica P y a los pares flectores 𝑀𝑦 y 𝑀𝑧 . Es decir: Caso general de carga axial excéntrica Una vez conocidos los conceptos de carga axial excéntrica y de flexión asimétrica, se puede introducir el caso general de carga axial excéntrica, que no es más que una carga axial que no se aplica en un plano de simetría. LOCALIZACIÓN DEL EJE NEUTRO Dependiendo del sentido de las cargas, de la localización de su línea de acción con respecto a los ejes principales centroidales de la sección transversal y de la geometría de ésta, los esfuerzos combinados 𝜎𝑥 pueden tener el mismo signo en diferentes partes de la sección, o algunos ser positivos y otros negativos. En este último caso, habrá una línea en la sección a lo largo de la cual los esfuerzos serán nulos, siendo éste el eje neutro. La ecuación que lo representa se puede obtener haciendo 𝜎𝑥 = 0 en la ecuación de esfuerzos combinados, dando como resultado la ecuación de una recta: EJERCICIOS DE APLICACIÓN Ejercicio 1 Se aplica una fuerza vertical P de magnitud 20 kips en el punto C ubicado en el eje de simetría de la sección transversal de una columna corta. Sabiendo que y = 5 in. determine: a) El esfuerzo en el punto A. b) El esfuerzo en el punto B. c) La ubicación del eje neutro. Ejercicio 2 El par M, que actúa en un plano vertical, se aplica a una viga orientada tal como se muestra en la figura. Determine: a) El ángulo que forma el eje neutro con la horizontal. b) b) El esfuerzo máximo de tensión en la viga. Ejercicio 3 Si se sabe que a=1.25 in, determine el máximo valor de P que puede aplicarse sin exceder cualquiera de los siguientes esfuerzos permisibles: 02. ESFUERZO CORTANTES EN VIGAS ESFUERZOS CORTANTE VERTICALES Y HORIZONTALES Se considera un esfuerzo cortante cuando la fuerza aplicada es paralela / tangencial al área de la superficie de aplicación. Si consideramos un cuerpo cúbico, y analizamos los esfuerzos cortantes en sus caras, vemos que se producen esfuerzos en dirección vertical y horizontal. Estos esfuerzos son precisamente llamados esfuerzo cortante vertical y esfuerzo cortante horizontal. En condiciones ideales estos esfuerzos son iguales. Aunque en ciertas situaciones, con secciones transversales y distribuciones de carga no uniforme, se tiene diferencia entre estos cortantes. Por lo general, el esfuerzo cortante predominante suele ser el horizontal y su máximo se ubica en el eje neutro del cuerpo. Resaltando que la diferencias entre ambas tenemos que Los esfuerzos cortantes verticales son aquellas fuerzas que actúan sobre las secciones transversales y los esfuerzos cortantes horizontales son aquellas que actúan entre capas horizontales de la viga. Suponiendo un cubo en donde las cargas son paralelas y opuestas, se tienen esfuerzos cortantes iguales. En el caso de elementos como las vigas, los esfuerzos horizontales y verticales no son necesariamente los mismos, y por lo general se da que uno de los dos sea el predominante, mientras que el otro se encuentre en magnitudes tan pequeñas que sea despreciable FÓRMULA DEL ESFUERZO CORTANTE MOMENTO ESTÁTICO El esfuerzo cortante relaciona las fuerzas tangentes a los planos vertical y horizontal distribuidas en las superficies a la que pertenecen estos planos. Por lo tanto, el esfuerzo cortante se puede expresar con 𝝉 = V/A, donde V es la fuerza cortante y A es el área o superficie tangente a el vector V. El esfuerzo cortante se relaciona además con la deformación que presenta el cuerpo en torno a la carga cortante, así como a la constante o módulo de elasticidad cortante, dejando que 𝝉 = 𝐆𝛄, donde 𝛾 es la deformación unitaria cortante. Se conoce como momento estático (Q) a una magnitud geométrica que se define para un área plana. La siguiente integral es el momento estático del área de la sección transversal en el cual se evalúa el esfuerzo cortante. 𝑄 = න 𝑦 𝑑𝐴 Describiendo la formula, el momento estático es la integral (área bajo la curva) de la longitud por el diferencial de área. DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS CORTANTES EN UNA VIGA RECTANGULAR La variación del esfuerzo cortante se calcula mediante la relación entre la carga cortante y las propiedades geométricas y físicas del material. Para una viga rectangular, se cumple que el esfuerzo cortante será máximo en su eje neutro. Tendremos entonces una distribución parabólica. 𝑉𝑄 𝐼𝑏 Esta formula se conoce como la formula del cortante, puede utilizarse para conocer el momento cortante T en cualquier punto de la sección transversal de una viga rectangular. Esta iguala el esfuerzo cortante a la fuerza cortante (V) por el momento estático (Q) entre el momento de inercia (I) y el ancho (b). 𝜏= ESFUERZOS CORTANTES EN LAS ALMAS DE VIGAS CON PATINES En las vigas con patines el esfuerzo cortante no tiene una distribución "uniforme" como en el caso de las vigas rectangulares, puesto que estas tienen 2 elementos (alma y patines) con secciones transversales distintas, por lo que la distribución del esfuerzo cortante resulta con una forma peculiar, en donde el esfuerzo es mínimo en los patines y máximo en el alma, trazando una especie de curva en esta sección ESFUERZOS BAJO CARGAS COMBINADAS 1. Seleccione un punto en la estructura donde se determinarán los esfuerzos y las deformaciones. 2. Para cada carga sobre la estructura, determine los esfuerzos resultantes 1ra Un requisito es que los esfuerzos y las deformaciones deben ser funciones lineales de las cargas aplicadas, lo que a su vez requiere que el material siga la ley de Hooke y que los desplaza. en la sección transversal que contiene el punto seleccionado. 3. Calcule los esfuerzos normal y cortante en el punto seleccionado debidos a cada una de las resultantes de esfuerzos. 4. Combine los esfuerzos individuales para obtener los esfuerzos resultantes en el punto seleccionado. METODO DE ANALISIS 5. Determine los esfuerzos principales y los esfuerzos cortantes máximos en el punto seleccionado, utilizando las ecuaciones de transformación de esfuerzos o bien el círculo de Mohr. 6. Determine las deformaciones en el punto con ayuda de la ley de Hooke para esfuerzo plano.. 7. Seleccione puntos adicionales y repita el proceso. Continúe hasta que disponga de suficiente información sobre el esfuerzo y la deformación que satisfaga los fines del análisis. 2da Un segundo requisito es que no debe haber interacción entre las diversas cargas, es decir, los esfuerzos y las deformaciones debidas a una carga no se deben ver afectadas por la presencia de las otras cargas. CENTRO DE CORTE El centro de corte también conocido como el centro de torsión, centro de cortadura o centro de esfuerzos cortantes, es un punto localizado en el plano de la sección transversal de una estructura tales como una viga o un pilar, en donde cualquier esfuerzo cortante que pase por el mismo no producirá un momento torsor en la sección transversal; denominado por 𝑌𝑐 y 𝑍𝑐 . CENTRO DE CORTE No obstante, cuando se observa un eje de simetría el centro cortante se encuentra localizado sobre dicho eje y cuando posee dos ejes de simetría el centro cortante coincidirá con el centro de gravedad; en dicho caso la flexión y torsión no coinciden ya que la viga no puede tener flexión sin torsión o viceversa. Cabe destacar que, en los prismas mecánicos, vigas o pilares con asimetrías en su sección transversal es necesario determinar el centro de cortante para determinar correctamente las tensiones. EJERCICIOS DE APLICACIÓN 1. SOLUCIÓN SOLUCIÓN 2. 3. 3. ESTADO DE ESFUERZO PLANO CONCEPTO El estado de esfuerzo plano es un estado de esfuerzo representado de manera bidimensional en el cual todos los esfuerzos son aplicados en un solo plano. El esfuerzo plano tiene lugar cuando uno de los tres principales esfuerzos es cero, Este normalmente ocurre en placas planas delgadas sobre las que están aplicadas únicamente fuerzas de carga paralelas a dichas placas. Dicho estado de esfuerzo es una condición presente en la mayoría de las estructuras ordinarias, tales como las paredes de recipientes a presión, las almas y patines de viga, entre otras estructuras que experimentan los efectos combinados de lo que se conoce como carga axial, cortante, de flexión y presión interna. TRANSFORMACIÓN DE ESFUERZO PLANO Teniendo en cuenta que el estado de esfuerzo plano en el punto se representa en forma única por tres componentes que actúan sobre un elemento que tenga una orientación específica en el punto, tenemos que determinar la orientación del elemento que genera los esfuerzos normales principales máximos y esfuerzos cortante máximo en el plano, y tras usar las ecuaciones para la transformación de esfuerzos, se debe comprobar que ningún esfuerzo cortante actúa sobre los planos de esfuerzo principal. Luego los planos de esfuerzo cortante máximo en el plano se deben orientar a 45⁰ de esta dirección, en donde sobre estos existe un esfuerzo normal promedio asociado. ESTABILIDAD TRANSFORMACIÓN DE ESFUERZO PLANO Para esto se utilizan las ecuaciones de transformación para esfuerzo plano, se denominan así porque son estas las ecuaciones que nos permiten transformar las componentes de los esfuerzos de un conjunto de ejes a otro conjunto de ejes. Es decir, estas ecuaciones indican que, en un estado de esfuerzo o deformación plano, se pueden determinar las componentes de los esfuerzos en un punto en todas las direcciones en función del ángulo, siempre y cuando se conozcan las componentes de esfuerzo en cualquiera de las dos direcciones perpendiculares a dicho punto. ESTABILIDAD ESFUERZOS PRINCIPALES Y ÁNGULOS PRINCIPALES En la práctica de ingeniería con frecuencia es importante determinar la orientación de los planos que causa que el esfuerzo normal sea máximo y mínimo, y la orientación de los planos que hace que el esfuerzo cortante sea máximo. Estos esfuerzos son lo que se conoce como esfuerzos principales y se determinan a partir de las ecuaciones de transformación anteriormente mencionadas. ESTABILIDAD ESFUERZOS PRINCIPALES Y ÁNGULOS PRINCIPALES Los esfuerzos principales son lo que se conocen como los esfuerzos normales máximos y los esfuerzos normales mínimos. Estos esfuerzos actúan sobre los denominados planos principales, es en estos planos donde las componentes de esfuerzos cortantes son iguales a cero. Cabe agregar que lo que se conoce como esfuerzos normales principales, son los esfuerzos normales que actúan en dirección a los ejes principales. La fórmula para determinar dichos esfuerzos provienen del desarrollo y simplificación de las ecuaciones de transformación de estado de esfuerzo plano. ESFUERZOS PRINCIPALES Y ÁNGULOS PRINCIPALES Los ángulos principales son los ángulos que definen los planos principales, que corresponden a los esfuerzos principales máximos y mínimos. Ambos ángulos se pueden determinar a partir de varias ecuaciones. Una de las formas de determinar dichos ángulos es a partir de estas ecuaciones. Teniendo que sólo hay un ángulo que satisface las dos ecuaciones, el ángulo θp1, se puede determinar a partir de estas ecuaciones, mientras que el ángulo θp2, que corresponde al esfuerzo mínimo, se puede tomar como mayor o menor que al angulo θp1 con una diferencia de 90 grados. P<P P=P ESFUERZO CORTANTE MÁXIMO A pesar de que en los diagramas de esfuerzo cortante los esfuerzos cortantes se muestran a lo largo de una viga o miembro estructural, dichos esfuerzos no se distribuyen de manera uniforme a lo largo de la sección transversal individual de la viga o miembro estructural. Por lo tanto, hay un punto en donde el esfuerzo cortante concentrado es máximo en un área pequeña y es a esto a lo que se le conoce como esfuerzo cortante máximo. Los esfuerzos cortantes actúan sobre planos inclinados a 45⁰. Por otro lado, los cr esfuerzos cortantes máximos actúan sobre planos perpendiculares, por tanto los esfuerzos cortantes máximos son iguales en valor absoluto, es necesario mencionar que por esta característica cr cortantes máximos positivos y los esfuerzos negativos solo están diferenciados en signos. Cabe destacar que en los planos en los que actúan los esfuerzos cortantes máximos también actúan esfuerzos normales. Circulo de Mohr El Círculo de Mohr es un método el cual permite obtener de forma gráfica esfuerzos principales, esfuerzos cortantes y esfuerzos sobre planos inclinados a partir de las características geométricas de una circunferencia. Este además de permitir obtener la relación entre esfuerzos, también se pueden usar para calcular otras cantidades como deformaciones unitarias y momentos de inercia. A continuación, te presentamos un paso a paso para realizar el trazado de un círculo de Mohr para esfuerzo plano: PROCEDIMIENTO PASO A PASO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE CIRCULOS DE MOHR Paso 1 Identificar los valores de los esfuerzos σx , σy y τxy (Convenciones de los esfuerzos) Paso 2 Dibujar un sistema de ejes coordenados σ como abscisa (positivo a la derecha) y τ como ordenada (positivo hacia abajo) PROCEDIMIENTO PASO A PASO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE CIRCULOS DE MOHR Paso 3 Localizar el punto A Las coordenadas de este punto son las que representan las condiciones de esfuerzo sobre el plano x del elemento es decir los puntos σx y τxy Paso 4 Localizar el punto B Las coordenadas de este punto son las que representan las condiciones de esfuerzo sobre el plano y del elemento σy y -τxy PROCEDIMIENTO PASO A PASO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE CIRCULOS DE MOHR Paso 5 Localizar el centro del círculo (Punto C) Este se localiza en el punto con coordenadas σprom y τxy = 0. (Ecuación 1) Paso 6 Trazar una línea entre los puntos A y B La longitud de esta línea corresponde al diámetro del circulo y pasa por el punto C, correspondiente al centro del círculo. PROCEDIMIENTO PASO A PASO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE CIRCULOS DE MOHR Paso 7 Trazar el circulo Utilizando como centro el punto C, se hace el trazado del circulo de Mohr, pasando por los puntos A y B. Paso 8 Calcular el Radio del circulo Se puede determinar la longitud de las líneas CA y CB que corresponden al radio del círculo o también τmax (Ecuación 2) PROCEDIMIENTO PASO A PASO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE CIRCULOS DE MOHR Paso 9 Calcular Esfuerzos Principales Los esfuerzos principales son los correspondientes a σmax y σmin y se determinan como: (Ecuación 3) Paso 10 Dirección de los esfuerzos θ (Ecuación 4) PROCEDIMIENTO PASO A PASO PARA LA CONSTRUCCIÓN DE CIRCULOS DE MOHR Paso 11 Esfuerzos en elementos inclinados (Ecuación 5) (Ecuación 6) (Ecuación 7) Esfuerzo de tuberia de pared delgada En estructuras de peso ligero se requieren miembros estructurales de pared delgada con secciones transversalesnocircularespararesistir torsión. Considere el tubo de pared delgada con sección transversal arbitrario mostrado en la figura. El tubo es de forma cilíndrica, donde todas las secciones transversales son idénticas y el eje longitudinalesunalínearecta. El espesor t puede variar alrededor de la sección transversal, además, el espesor debe ser pequeñoencomparaciónconel anchototaldel tubo. El tubo está sometido a torsión pura por pares T que actúan en los extremos. Los esfuerzos cortantes τ que actúan sobre una sección transversal del tubo, se observan en un elemento del tubo cortado en dos secciones transversales separadas a una distancia dx entre sí. Los esfuerzos actúan en paralelo a los bordes de laseccióntransversaly fluyen alrededor de ésta. La intensidad de los esfuerzos varía tan poco a través del espesor del tubo que puede suponerse que τ es constante en esa dirección. Los esfuerzos cortantes constantes que actúan sobre las caras ab y cd son iguales a τb. y τc. , respectivamente. Las fuerzas Fb y Fc producidas por los esfuerzos cortantes que actúan sobre las caras longitudinales ab y cd son: 𝐹b = 𝜏b 𝑡b𝑑𝑥 𝐹𝑐 = 𝜏c 𝑡c𝑑𝑥 Envases Cilíndricos Los esfuerzos normales 1 y 2 son por tanto esfuerzos principales. El esfuerzo 1 se conoce como esfuerzo tangencial o de costilla y el esfuerzo 2 es el esfuerzo longitudinal. Esfuerzo de costilla Relación = r/p mayor que 10 Esfuerzo Longitudinal Debido a la simetría axial del recipiente y de su contenido, es claro que no se ejercen esfuerzos cortantes sobre el elemento. Esfuerzo cortante máximo en la pared del recipiente Envases esféricos Consideremos ahora un recipiente esférico, de radio interior r y espesor de pared t, que contiene un fluido bajo presión manométrica p. Observamos que, por simetría, los esfuerzos en las cuatro caras de un elemento pequeño de pared deben ser iguales. Esfuerzos normales para envases esferi cos Esfuerzo cortante máximo para envases esféricos Transformación de deformación plana; concepto de roseta de deformación EJERCICIOS DE APLICACIÓN 1. SOLUCIÓN 2. La viga de la figura a mostrar está sometida a la carga distribuida w =120 kN/m. Determinar los esfuerzos principales en ella, en el punto P en la parte superior del alma. Desprecie el tamaño de los chaflanes y las concentraciones de esfuerzo en este punto. I = 67.4(10^-6 ) m^4 3. El punto en la superficie del recipiente cilíndrico a presión de la figura a mostrar está sometida a un estado de esfuerzo plano. Determinar el esfuerzo cortante máximo absoluto en ese punto. CONCLUSIÓN En el presente trabajo de investigación abordamos temas muy importantes para el análisis de elementos estructurales dentro de la mecánica de sólidos deformables. En primer lugar, tratamos el tema de la flexión compuesta, en donde vimos los diferentes casos de flexión en que los esfuerzos tienen una distribución asimétrica. Posteriormente abordamos el tema de los esfuerzos cortantes en vigas, en el que vimos cómo se categorizan y calculan los esfuerzos cortantes según el tipo de viga, mediante conceptos como el momento de área o el centro de corte Finalmente, tratamos el tema del estado de esfuerzo plano, que abarca conceptos como la teoría de los esfuerzos máximos o el círculo de Mohr, y que hace uso del álgebra tensorial para las diferentes aplicaciones de dicho tema. ¡GRACIAS! BIBLIOGRAFÍA Hibbeler, R. (2011). Mecánica De Materiales . Pearson . :. Mecánica de Materiales Unidad 4 .: (s. f.). . Recuperado 14 de julio de 2022, de https://gc.scalahed.com/recursos/files/r145r/w1434w/U4liga7.htm Instalaciones. (2015, mayo). CONCENTRACION DE TENSIONES. https://ocw.ehu.eus/pluginfile.php/50383/mod_resource/content/1/Tema%202.%20Concentraciones%20de%20ten siones.pd MATERIALES, M. D. (2007). Obtenido de file:///Users/benjaminolivoguzman/Downloads/8550_Mecanica_De_Materiales_Fitzgerald_p.pdf MATERIALES, M. D. 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