Estructuras I

ESTRUCTURAS IINSTITUTO PROFESIONAL LOS LAGOSINSTITUTO PROFESIONAL LOS LAGOS

PROFESOR: JORGE BRAVO G.PROFESOR: JORGE BRAVO G.CARRERA: CONSTRUCCIÓN CIVILCARRERA: CONSTRUCCIÓN CIVIL

De acuerdo a las Leyes de Newton, a toda acción corresponde una reacción.

Cuando se aplica una fuerza externa a un cuerpo sólido y este permanece estático, se produce una reacción interna que equilibra la fuerza externa.

La magnitud de la reacción interna es el esfuerzo y la consecuencia inmediata de la existencia de un esfuerzo es la deformación.

INTRODUCCIÓN

EFECTO DE UNA FUERZA SOBRE UN SÓLIDO

La magnitud de la reacción en cada enlace depende de la magnitud de la fuerza aplicada y de la cantidad de partículas que resisten la acción de esa fuerza.

La cantidad de enlaces que soporta tal fuerza esta directamente relacionada con el área transversal a la dirección en que actúa la fuerza.

La magnitud del efecto es directamente proporcional a F e inversamente proporcional a A

A

P

EFECTO DE UNA FUERZA SOBRE UN SÓLIDO

Se ocupa del estudio de los efectos causados por la acción de cargas externas que actúan sobre un sistema deformable.

Calcula las deformaciones correspondientes y las relaciones que existen entre la acción de las cargas externas y las fuerzas internas inducidas.

En base al análisis, concluye si una pieza es capaz de resistir un sistema de cargas propuesto.

RESISTENCIA DE MATERIALES

a) Estáticos; que simulan el comportamiento del material con pequeñas

velocidades de aplicación de las cargas:

. Tracción

. Compresión

. Dureza

b) Dinámicos; que modelizan el comportamiento frente a cargas

variables con el tiempo:

. Fatiga

. Resiliencia

ENSAYOS MECÁNICOS

1. Ductilidad: Es la habilidad de un material para deformarse antes de fracturarse.

• Es una característica muy importante en el diseño, puesto que un material dúctil es usualmente muy resistente a cargas por impacto.

• Tiene además la ventaja de “avisar” cuando va a ocurrir la fractura, al hacerse visible su gran deformación.

ALGUNOS CONCEPTOS

2. Elasticidad: Es la habilidad que tiene un material que ha sido deformado de alguna manera para regresar a su estado y tamaño original, cuando cesa la acción que ha producido la deformación.

• Cuando el material se deforma permanentemente, de tal manera que no pueda regresar a su estado original, se dice que ha pasado su límite elástico.

3. Dureza: Mide la resistencia a la penetración sobre la superficie de un material, efectuada por un objeto duro.

ALGUNOS CONCEPTOS (CONT.)

4. Fragilidad: Es lo opuesto de ductilidad.

• Un material frágil no tiene resistencia a cargas de impacto y se fractura aún en cargas estática sin previo aviso.

• Tanto la fragilidad como la ductilidad de un material son mediadas arbitrarias, pero puede decirse que un material con un alargamiento mayor de 5% es dúctil y menor de 5% es frágil.


5. Maleabilidad: Es la propiedad que permite que un material se deforme mediante martilleo, rolado o prensado, sin romperse. La maleabilidad, se aumenta normalmente cuando el metal esta caliente.


6. Plasticidad: Es la habilidad de un material para adoptar nuevas formas bajo la presión y retener esa nueva forma.

7. Esfuerzo (σ): Fuerza aplicada a un área A conocida.


7.1 Esfuerzo de Tensión o Tracción: Los extremos del material son estirados hacia afuera para alargar al objeto.

7.2 Esfuerzo de Compresión: Los extremos del material son empujados para hacer al material más pequeño.


7.3 Esfuerzo de Corte: El esfuerzo es tangencial.


8. Deformación Unitaria (ε):

Consideremos a la barra de sección constante que soportan una carga axial P en su extremo.

Bajo la acción de la carga, la barra sufrirá una deformación que denominaremos con la letra griega (delta)

(épsilon): deformación unitaria : deformación total (LF – LI )

L : longitud original


9. Deformación (Unitaria) Elástica

• Deformación restaurable, debido a un esfuerzo aplicado. Se presenta tan pronto como se aplica la fuerza, permanece mientras se aplica el esfuerzo y desaparece tan pronto como se retira la fuerza.

10.Deformación Plástica

• Deformación permanente de un material, cuando se quita el esfuerzo, el material no regresa a su forma original.


ENSAYO DE TENSIÓN

El Ensayo de Tensión mide la resistencia de un material (metales, aleaciones y plásticos) a una fuerza estática o aplicada lentamente,

Este ensayo es utilizado para determinar la resistencia, ductilidad y elasticidad del metal.

El ensayo de tensión se realiza bajo la norma ASTM E-8 o bien la norma chilena NCH 200, entre otras.

ENSAYO DE TENSIÓN

Máquina hidráulica Baldwin para pruebas de Tensión & Compresión

ENSAYO DE TENSIÓN

Probetas que se utilizan en el ensayo de tracción

ENSAYO DE TENSIÓN

Esquema de probetas que se utilizan en el ensayo de tracción

ESFUERZO Y DEFORMACIÓN

ESFUERZO REAL Y DEFORMACIÓN REAL

Curva típica de tracción hasta la fractura, punto F. La resistencia a la tracción está indicada en el punto M.

Esfuerzo obtenido con la máxima fuerza aplicada.

Es el esfuerzo máximo, basado en la sección transversal original, que puede resistir un material.

Es el esfuerzo en el cual comienza la estricción en los materiales dúctiles.

RESISTENCIA A LA TRACCIÓN (σmáx)

Estricción: Reducción de la sección de la probeta, momento a partir del cual las deformaciones continuarán acumulándose hasta la rotura de la probeta por ese zona. La estricción es la responsable del descenso de la curva tensión-deformación

ESFUERZO DE RUPTURA (σr)

Es el esfuerzo basado en la sección original, que produce la fractura del material.

La deformación se concentra en la zona del cuello, provocando que la fuerza deje de subir. Al adelgazarse la probeta por estricción, la fuerza queda aplicada en menor área, provocando la ruptura.

Esquema de la secuencia de ruptura de las probetas en un ensayo de tracción

DIAGRAMA TENSIÓN-DEFORMACIÓN

Ensayamos a tracción una probeta de un determinado material. Para distintos valores de la carga medimos la tensión () y la deformación unitaria (ε) producidas. Representando gráficamente se obtiene el siguiente diagrama.

Diagrama Tensión-Deformación para una aleación de aluminio

EJEMPLO DIAGRAMA TENSIÓN-DEFORMACIÓN

Para materiales sometidos a esfuerzos tensionantes, a relativamente bajos niveles, el esfuerzo y la deformación son proporcionales

La constante E es conocida como el Módulo de Elasticidad, o Módulo de Young. Es una medida de la rigidez de un material.

Es medida en MPa y puede valer de ~4.5 x 104 a 4 x 107 MPa

LEY DE HOOKE

ESFUERZO CORTANTE (τ)

El Esfuerzo Cortante es usado en aquellos casos donde se aplican fuerzas puramente torsionantes a un objeto y se denota por el símbolo τ.

La fórmula de cálculo y las unidades permanecen iguales como en el caso de esfuerzo de tensión.

Se diferencia del esfuerzo de tensión sólo en la dirección de la fuerza aplicada (paralela para cortante y perpendicular para tensión).

Deformación de Corte o Cizalle (γ) es definida como la tangente del ángulo θ y, en esencia, determina qué extensión del plano fue desplazado.

ESFUERZO CORTANTE Y DEFORMACIÓN

El Esfuerzo Cortante y la Deformación se relacionan de manera similar, pero con una constante de proporcionalidad diferente.

La constante G es conocida como el Módulo de Corte y relaciona el Esfuerzo Cortante con la deformación en la región elástica.

ESFUERZO CORTANTE Y DEFORMACIÓN

Cuando un cuerpo es colocado bajo un esfuerzo tensionante, se crea una deformación acompañante en la misma dirección.

Como resultado de esta elongación, habrá constricciones en las otras dos direcciones.

El Coeficiente de Poisson (ν) es la relación entre las deformaciones lateral y axial.

COEFICIENTE DE POISSON (ν)

COEFICIENTE DE POISSON

• Teóricamente, los materiales isotrópicos tienen un valor de Coeficiente de Poisson de 0.25.

• El máximo valor de ν es 0.5

• No hay cambio de volumen durante el proceso.

• La mayoría de metales presentan valores entre 0.25 y 0.35.

• Se usa además para relacionar los Módulos Elástico y de Corte.

Es la capacidad de un material para absorber energía cuando es deformado elásticamente y devolverla cuando se elimina la carga (área bajo la curva elástica).

Módulo de resiliencia: corresponde a la energía de deformación por unidad de volumen, requerida para llevar el material desde una tensión cero hasta el límite elástico.

RESILIENCIA

Capacidad de absorber energía en el campo plástico, antes de fracturarse (trabajo de fractura).

Se determina como el área bajo la curva esfuerzo-deformación ingenieril. Esta superficie es una indicación del trabajo total, por unidad de volumen que puede realizarse sobre el material sin que se produzca rotura

TENACIDAD

CONVENCIÓN DE SIGNOS

Esfuerzo Axial Simple:

TENSIÓN ADMISIBLE

Es un valor que indica el nivel máximo de solicitación al cual puede trabajar un material.

La tensión de trabajo no debe sobrepasar la tensión admisible.

Este valor se determina arbitrariamente, aunque procurando no sobrepasar el rango elástico del material, pues de otro modo, podría sufrir deformaciones permanentes

FACTOR DE SEGURIDAD Es un valor que permite reducir los niveles de incertidumbre en los cálculos de Ingeniería. Este coeficiente debe ser mayor a 1.

Este valor relaciona la resistencia que posee el material con las cargas a las que va a estar sometido.

Al igual que en el caso lineal, existen módulos de elasticidad de área y volumen.

Para el caso del módulo de elasticidad de volumen, se tiene lo siguiente.

ELASTICIDAD VOLUMÉTRICA

B = - (F/A)/ (V/V)

B = - P/ (V/V)

Corresponde a las variaciones de dimensión en un material producto de los cambios de temperatura en el mismo. Y la ecuación es la siguiente:

EXPANSIÓN TÉRMICA

TLT ..

En donde:

:T::LT

Expansión TérmicaCoeficiente de Expansión TérmicaLongitud inicial del miembroCambio de temperatura

Coeficiente de expansión térmica (α): es la propiedad de un material que indica la cantidad de cambio unitario dimensional con un cambio unitario de temperatura.Las unidades en que se exprese el coeficiente de expansión térmica son:

EXPANSIÓN TÉRMICA

1;

1;*

FFFin

in

1;

1;*

CCCmm

mm

E.U.G

SI

DEFORMACIÓN QUE CAUSA LA EXPANSIÓN TÉRMICA

Esfuerzo Térmico: Estos esfuerzos se generan cuando a un elemento

sometido a cambios de temperaturas se le sujeta de tal modo que impida

la deformación del mismo, esto genera esfuerzos en la pieza.

TL

TL

LT

.

..

Recordando que:

:::ET

Expansión TérmicaCoeficiente de Expansión TérmicaMódulo de elasticidadCambio de temperatura

.E

Por la Ley de Hooke:

TE .

En donde:

DETERMINACIÓN ESTÁTICA

Se habla de que una estructura es estáticamente determinada cuando

posee los apoyos necesarios para evitar todos los posibles movimientos

de la estructura.

Cuando la estructura posee menos apoyos de los necesarios para evitar

movimientos en la estructura, se dice que es estáticamente

indeterminada y se le llama hipostática o “mecanismo”.

DETERMINACIÓN ESTÁTICA

Cuando una estructura es estáticamente determinada pueden ocurrir

dos casos:

1. Estructura Isostática: Posee los apoyos estrictamente necesarios para

evitar los movimientos de la estructura. Es sencillo calcular los

esfuerzos, pues hay el mismo número de ecuaciones que de incógnitas.

2. Estructura Hiperestática: Posee más apoyos de los estrictamente

necesarios para evitar los movimientos de la estructura. En este caso,

existen más incógnitas que ecuaciones, por lo que se complica calcular

los esfuerzos.

CENTRO DE MASA

El Centro de Masa es el punto en donde se considera que se encuentra

concentrada la masa de un cuerpo.

Es un punto único, independiente de la posición y orientación del

sólido.

CENTRO DE MASA

Para un conjunto de masas puntuales, el Centro de Masa se calcula:

rm r

mCM

i ii

ii

m1

m2

m3m4

m5

m6

y

xr1

r4

r6

CENTRO DE MASA

Para una distribución continua de masa, el Centro de Masa se calcula:

y

xrCM

z

rM

rdmCM 1

mi

r

MOMENTO DE INERCIA

Es la forma en que se distribuye la masa en torno al eje de giro.

Por ejemplo, para una misma varilla que gira en torno a dos ejes distintos, los momentos de inercia también son distintos.

MOMENTO DE INERCIA

Se ha definido el momento de inercia de un objeto con respecto al eje z como:

Caso Sistema Discreto (masas puntuales)

Caso Sistema Continuo (masa distribuida)

MOMENTO DE INERCIA: EJEMPLOS

TEOREMA DE STEINER

MOMENTO DE INERCIA DE SECCIONES PLANAS

En general, el momento de inercia es aplicable a cuerpos con una masa

definida que rotan alrededor de un eje.

Sin embargo, el concepto también es aplicable a áreas de secciones de

cuerpos.

En otras palabras, se pueden reemplazar los términos de masa por

términos de superficie cuando lo que rota es una sección completa

(flexión de una viga, por ejemplo).


Recordando, en el caso de un sistema distribuido y continuo, el

momento de inercia respecto al eje Z es:

Para el caso de secciones, sólo se reemplaza dm por dA


Esto significa que si tenemos una superficie o sección completa que

rota alrededor de un eje, los momentos de inercia en X, en Y y en Z

serán los siguientes:

Se debe notar que el momento de inercia en Z corresponde a la suma

de los momentos de inercia en Y y en X.

MOMENTO POLAR DE INERCIA

A Iz se le denomina “Momento Polar de Inercia”, pues la sección

gira en torno al eje Z, es decir, gira dentro del plano XY.

El momento polar de inercia (M.P.I.) se aplica en caso de Torsión de

un cuerpo (torsión en la sección de un cuerpo).

TORSIÓN

En el caso en que se aplique torsión sobre un cuerpo, éste no gira

uniformemente alrededor de un eje, sino que el giro varía linealmente

según la longitud del cuerpo.

Ej: Sea un cilindro macizo de sección circular de radio R y longitud L,

sometida a un momento torsor:

TORSIÓN

Considerando la igualdad de arcos entre los puntos a y b, según el

radio R y la generatriz L, se deduce lo siguiente:

Rθ ≈ γL (1)

Donde θ es el ángulo de torsión, y γ es la deformación angular por

cortante.

Para determinar el esfuerzo cortante máximo τmáx del material, se

puede utilizar la ley elástica de Hooke para la torsión, que establece:

τmáx = G.γ (2)

TORSIÓN

Si los esfuerzos cortantes no sobrepasan el límite de proporcionalidad,

dicho esfuerzo se distribuye linealmente, siendo cero en el eje central

de la probeta y logrando un valor máximo en la periferia.

Así, es posible utilizar otra fórmula para calcular el esfuerzo cortante

máximo, la cual considera el momento torsor T aplicado y el momento

polar de inercia J de la sección de la pieza que resiste la torsión:

(3)

TORSIÓN

En el caso de secciones circulares macizas de radio R, el momento polar de inercia J es:

(4)

Por lo tanto, el esfuerzo cortante en la periferia del cilindro es igual a:

(5)

Igualando las ecuaciones (2) y (3), finalmente permite obtener:

(6)

TORSIÓN

De la ecuación (1) se puede obtener una expresión para el ángulo γ en función del ángulo de torsión θ, el que se sustituye en la ecuación (4) para llegar a :

Este valor se sustituye en la ecuación (4) para llegar a :

El valor del ángulo θ es:

ALGUNOS EJEMPLOS DE M.P.I.

ESFUERZOS DEBIDO A FLEXIÓN EN VIGAS

La flexión induce esfuerzos de tensión en las vigas, los cuales son muy importantes en Ingeniería.

Consideremos que una viga tiene el siguiente sistema de coordenadas:

Los ejes Y y Z son los ejes principales de Inercia


Convención de signos para Corte:

Convención de signos para Momento en Z:


Convención de signos para Momento en Y:

En la práctica, sólo se trabaja con el caso en que n > 0


Convención de signos

(caso Mz):


Convención de signos

(caso My):


SUPERFICIE NEUTRA:

Al flexionar una viga, las secciones transversales giran y hacen que las fibras longitudinales, inicialmente rectas, se curven, alargándose o acortándose según su posición en la viga.

Existen fibras que no se alargan ni se acortan, éstas son las fibras neutras.

La superficie que forman las líneas neutras se denomina superficie neutra.


SUPERFICIE NEUTRA:

La superficie que forman las líneas neutras se denomina superficie neutra.

El eje neutro pasa por el centro de gravedad de la sección de la viga.


TENSIONES NORMALES:

Los ejes Y y Z son los ejes principales de Inercia. Si existe momento en ambos ejes, tendemos que la tensión longitudinal será:

En el caso en que My = 0:


En el caso en que Mz = 0:

Y la distribución de tensiones normales para este caso será:

RADIO DE GIRO

“El radio de giro de un objeto, respecto de un eje que pasa a través del CG, es la distancia desde el eje en el cual se puede concentrar toda la masa del objeto sin cambiar su momento de inercia”.

El radio de giro es siempre medido desde el CG y se define como:

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