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Analisis de Armadura
Analisis de Armadura
Analisis de Armadura
Licenciatura en arquitectura
A2C
Análisis de armadura
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Contenido
Introducción ........................................................................................................................................ 3
Armaduras simples .......................................................................................................................... 5
Método de los nodos ........................................................................................................................... 7
Pasos para analizar una armadura por el método de nodos ............................................................. 8
Ejemplos.......................................................................................................................................... 9
Método de secciones ......................................................................................................................... 14
Pasos para el análisis ..................................................................................................................... 15
Ejemplos........................................................................................................................................ 16
Centroides y centro de gravedad ....................................................................................................... 18
Centro de gravedad de un cuerpo bidimensional .......................................................................... 18
Centro de gravedad para un sistema de partículas ........................................................................ 19
Centroide ........................................................................................................................................... 20
Centroide de volumen ................................................................................................................... 20
Centroide del Área ........................................................................................................................ 20
Centroide de una línea ................................................................................................................... 21
Centroide para áreas planas compuestas. ...................................................................................... 21
Ejemplos............................................................................................................................................ 22
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Introducción
¿Qué es una armadura?
Una armadura es una estructura compuesta de elementos esbeltos unidos entre sí en
sus puntos extremos. Los elementos usados comúnmente en construcción consisten en
puntales de madera o barras metálicas. En particular, las armaduras planas se sitúan en un
solo plano y con frecuencia se usan para soportar techos y puentes. (Hibbeler, Armaduras
simples, 2010).
3
distribuida, como en el caso de la armadura de un puente, debe proporcionarse un sistema de
piso, el cual, mediante el uso de travesaños y largueros, transmite la carga a los nodos.
6.5
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Armaduras simples
Considere la armadura mostrada en la figura 6.6a, la cual está constituida por cuatro
elementos conectados por medio de pernos en A,B,C y D. Si se aplica una carga en B, la
armadura se deformará hasta perder por completo su forma original. Por el contrario,
la armadura de la figura 6.6b, la cual está constituida por tres elementos conectados por medio
de pernos en A, B y C, sólo se deformará ligeramente bajo la acción de una carga aplicada
en B. La única deformación posible para esta armadura es la que involucra pequeños cambios
en la longitud de sus elementos. Por tanto, se dice que la armadura de la figura 6.6bes una
armadura rígida, aquí el término rígida se ha empleado para indicar que la armadura no se
colapsará.
Como se muestra en la figura 6.6c, se puede obtener una armadura rígida más grande
agregando dos elementos BD y CD a la armadura triangular básica de la figura 6.6b.
Este procedimiento se puede repetir tantas veces como se desee y la armadura resultante
será rígida si cada vez que se
agregan dos nuevos elementos, éstos
se unen a dos nodos ya existentes y
además se conectan entre sí en un
nuevo nodo. Una armadura que se
puede construir de esta forma recibe el
nombre de armadura simple. Se debe
señalar que una armadura simple no
está hecha necesariamente a partir de
triángulos. Por ejemplo, la armadura de la figura 6.6d es una armadura simple que fue
construida a partir del triángulo ABC y se agregaron sucesivamente los nodos D, E, F y G.
Por otra parte, las armaduras rígidas no siempre son armaduras simples, incluso cuando
parecen estar hechas de triángulos. Por ejemplo, las armaduras de Fink y Baltimore mostradas
5
en la figura 6.5, no son armaduras simples, puesto que no pueden construirse a partir de un
solo triángulo en la forma descrita en el párrafo anterior. Todas las demás armaduras que se
muestran en la figura 6.5 son armaduras simples, lo cual se puede verificar fácilmente. (Para
la armadura K se debe comenzar con uno de los triángulos centrales.)En la figura 6.6 se
observa que la armadura triangular básica de la figura 6.6btiene tres elementos y tres nodos.
La armadura de la figura 6.6ctiene dos elementos y un nodo adicionales, esto es, cinco
elementos y cuatro nodos en total. Si se tiene presente que cada vez que se agregan dos
nuevos elementos el número de nodos se incrementa en uno, se encuentra que en una
armadura simple el número total de elementos es m = 2n - 3, donde nes el número total de
nodos y mel número de elementos en total. (Beer, Johnston, Jr., Mazurek, & Eisenberg,
2010)
La principal ventaja de una armadura es que se puede instalar de manera rápida y rentable,
además de ser ligeras.
Otra ventaja es que gracias a que la base de las armaduras son los triángulos, éstos ayudan a
que el peso que se coloque en la parte de arriba se redistribuye hacia los soportes o paredes
exteriores.
Una desventaja de las armaduras es que son poco resistentes ante elevadas temperaturas.
Otra desventaja es que al construir las armaduras puede llegar a ser complicado unir los
elementos en diferentes ángulos.
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Método de los nodos
Para analizar o diseñar una armadura, es necesario determinar la fuerza en cada uno de sus
elementos. Una forma de hacer esto consiste en emplear el método de nodos. Este método se
basa en el hecho de que toda la armadura está en equilibrio, entonces cada uno de sus nodos
también está en equilibrio. Por lo tanto, si se traza el diagrama de cuerpo libre de cada nodo,
se pueden usar las ecuaciones de equilibrio de fuerzas para obtener las fuerzas de los
elementos que actúan sobre cada nodo. Como los elementos de una armadura plana son
elementos rectos de dos fuerzas que se encuentran en el mismo plano, cada nodo
está sometido a un sistema de fuerzas que es coplanar y concurrente. En consecuencia, sólo
es necesario satisfacer , para garantizar el equilibrio.
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A. El sentido correcto de la dirección de una fuerza desconocida de un elemento puede
determinarse, en muchos casos, "por inspección". Por ejemplo, BC n la figura 6-7bdebe
empujar sobre el pasador (compresión) ya que su componente horizontal, FBC*sen
45°, debe equilibrar la fuerza de 500 N. . De la misma manera, FBA
B. Suponga siempre que las fuerzas desconocidas en los elementos que actúan en el
diagrama de cuerpo libre del nodo están en tensión es decir, las fuerzas “jalan” el pasador. Si
se hace así, entonces la solución numérica de las ecuaciones de equilibrio dará escalares
positivos para elementos en tensión y escalares negativos para elementos en compresión.
Una vez que se encuentre la fuerza desconocida de un elemento, aplique su magnitud y
su sentido correctos (T o C) en los subsecuentes diagramas de cuerpo libre de los nodos.
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Ejemplos
Ejemplo 1.- Obtenga el valor del voltaje del nodo principal, y calcule el valor de las
corrientes de cada rama.
Solución: En estos ejemplos de análisis nodal o análisis de nodos, es importante verificar el
circuito inicial y colocar el nodo de referencia, así como los demás.
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Para la corriente I2 sabemos que por la Ley del Ohm
Para la corriente I1 también la podemos calcular por la ley del ohm, como:
Paso 4.- Ahora es momento de resolver nuestra ecuación, para ello sabemos que lo único que
no tenemos en esa ecuación es el valor de V1, entonces procedemos a encontrarlo. Primero
vamos a despejar a V1.
Seguimos despejando:
Por lo que:
Por lo que:
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Entonces, podemos calcular el valor de las demás corrientes.
Obteniendo la Corriente I1
De la formula observamos que la corriente I1.
Nos da un valor negativo, eso
quiere decir que como nosotros
consideramos que entraba la
corriente al nodo, en realidad la corriente salía del nodo, por eso sale negativo.
Obteniendo la Corriente I2
Nos da un valor positivo, eso quiere decir que nuestra forma en como tomamos la dirección
de la corriente, está bien. Entonces comprobamos las corrientes.
Solución:
Analizando nuestro circuito podemos observar que nuevamente tenemos dos fuentes de
corrientes, también vemos algunas resistencias, de 2ohms , 12 ohms y 6 ohms. Ahora es
momento de marcar a nuestros nodos, los que utilizaremos para poder calcular las ecuaciones
de corrientes de Kirchhoff. Por lo que tenemos el siguiente panorama.
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Con esto podemos formular nuestras ecuaciones, sin ningún problema. Porque podemos darle
dirección a nuestras corrientes. En nuestro caso hemos optado por lo siguiente: Una vez que
hemos trazado nuestras corrientes, entonces podemos formular, la ecuación:
Una vez que hemos trazado nuestras corrientes, entonces podemos formular, la ecuación:
Para el nodo 1
Entra 4A y salen dos corrientes I1 y I2, ahora calculamos el valor de las corrientes de
manera representativa
Sustituyendo datos:
Multiplicando toda la ecuación por 12, para eliminar nuestro denominador (mínimo común
múltiplo).
Para el nodo 2
12
Es fácil observar que la corriente I1 entra y salen dos, que son la corriente I3 y los 2
Amperes.
Multiplicando por 12 como mínimo común múltiplo, para eliminar los denominadores:
El resultado es:
Ahora es momento de unir tanto la primera ecuación como la segunda, para poder encontrar
los valores de V1 y V2, esto lo haremos mediante la regla de cramer
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Método de secciones
Las armaduras de gran tamaño se usan frecuentemente para construir formidables grúas y
torres de transmisión eléctricas.
El método de las uniones requiere que muchas otras juntas se analicen antes de que podamos
determinar las fuerzas en la parte media de una armadura extensa.
Cuando necesitamos encontrar la fuerza en sólo unos cuantos elementos de una armadura,
ésta puede analizarse mediante el método de secciones.
En el método de las secciones, una armadura se divide en dos partes al tomar un “corte”
imaginario (mostrado aquí como a-a) a través de la armadura.
Ya que los miembros de las armaduras se ven sometidos a únicamente fuerzas de tensión o
de compresión a lo largo de su longitud, las fuerzas internas en los miembros cortados
también serán de ya sea tensión o compresión, con la misma magnitud que las fuerzas
aplicadas en la unión. Este resultado se basa en el principio de equilibrio y la tercera Ley de
Newton.
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Pasos para el análisis
1. Decida cómo
necesita “cortar” la
armadura. Esto se
basa en: a) donde
usted necesita determinar las fuerzas, y, b) donde el número total de incógnitas no exceda
de tres (en general).
2. Decida con qué lado de la armadura sería más fácil trabajar (la intención es minimizar
el número de reacciones externas).
3. Si se requiere, determine cualquier reacción necesaria en los apoyos, dibujando el DCL
de la armadura completa y aplicando las E-de-E.
4. Dibuje el DCL de la parte seleccionada del corte de la armadura. Necesita indicar las
fuerzas desconocidas en los miembros cortados. Inicialmente, puede asumir que todos
los miembros están a tensión, como se hizo cuando se usó el método de las juntas. Ya
habiendo hallado las incógnitas, si la respuesta es positiva, el miembro sí estaba a
tensión, según la suposición. Si la respuesta es negativa, el miembro está a compresión.
(Por favor note que usted puede suponer a las fuerzas ya sea a tensión o compresión por
inspección cómo se hizo en las figuras de arriba).
5. Aplique las
ecuaciones de
equilibrio (E-de-E)
escalar de la sección
cortada seleccionada
de la armadura para
resolver para las fuerzas desconocidas en los miembros. Por favor note que, en la mayor
parte de los casos, es posible escribir una ecuación para resolver para una incógnita
directamente.
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Ejemplos
Ejemplo 1.- Determine la fuerza en los elementos GE, GC y BC de la armadura mostrada en
la figura 6-16a. Indique si los elementos están en tensión o en compresión.
SOLUCIÓN
La sección aa que se muestra en la figura 6-16a ha
sido seleccionada porque corta a través de los tres
elementos cuyas fuerzas deben determinarse. Sin
embargo, para usar el método de secciones,
es necesario determinar primero las reacciones
externas en A o en D.
¿Por qué? En la figura 6-16b se muestra un diagrama
de cuerpo libre de toda la armadura. Al aplicar las
ecuaciones de equilibrio, tenemos
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Ejemplo 2.-
Plan:
Ahora obtengamos
momentos con
respecto al punto D.
¿Por qué?
+ MD = – 56.7 (6) +
20 (4) + 30 (2) – FKJ
(3) = 0 FKJ = − 66.7
kN ó 66.7 kN (C)
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Centroides y centro de gravedad
Centro de gravedad de un cuerpo bidimensional
Para iniciar, considere una placa plana
horizontal (figura 5.1). La placa puede
dividirse en n elementos pequeños. Las
coordenadas del primer elemento se
representan con x1 y y1, las del segundo
elemento se representan con x2 y y2,
etcétera. Las fuerzas ejercidas por la
Tierra sobre los elementos de la placa
serán representadas, respectivamente, con
W1, W2, Wn. Estas fuerzas o pesos
están dirigidos hacia el centro de la Tierra; sin embargo, para todos los propósitos prácticos,
se puede suponer que dichas fuerzas son paralelas. Por tanto, su resultante es una sola fuerza
en la misma dirección. La magnitud W de esta fuerza se obtiene a partir de la suma de las
magnitudes de los pesos de los elementos.
Estas ecuaciones
definen el peso W y las
coordenadas x y y del
centro de gravedad G
de una placa plana. Se
pueden derivar las
mismas ecuaciones para
un alambre que se
encuentra en el plano
xy (figura 5.2). Se
observa que usualmente el centro de gravedad G de un alambre no está localizado sobre
este último.
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Centro de gravedad para un sistema de partículas
Es el punto donde se ubica el peso resultante de un sistema de partículas.
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Centroide
El centroide es un punto que define el centro geométrico de un objeto.
Su ubicación puede ser determinada a partir de fórmulas similares a las usadas para
encontrar el centro de gravedad del cuerpo o centro de masa. En particular, si el
material que compone un cuerpo es uniforme u homogéneo, la densidad o peso
específico será constante en todo el cuerpo, y por tanto, este término saldrá de las
integrales y se cancelará a partir de los numeradores y denominadores de las
ecuaciones.
Las fórmulas resultantes definen el centroide del cuerpo ya que son independientes
del peso del cuerpo y dependen sólo de la geometría de éste.
Centroide de volumen
Si un objeto es subdividido en elementos de volumen
dV, la ubicación del centroide C (x, y, z) para el
volumen del objeto puede ser determinada calculando
los "momentos" de los elementos con respecto a cada
uno de los ejes coordenados. Las fórmulas resultantes
son
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Centroide de una línea
Si la simetría del objeto, tal como la de una barra delgada o la de
un alambre, toma la forma de una línea, el equilibrio de los
momentos de los elementos diferenciales dL con respecto a cada
uno de los ejes coordenados resulta.
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Ejemplos
Ejemplo 1.- La figura mostrada es una lámina de acero de densidad uniforme, determinar las
coordenadas del centro de gravedad.
Solución:
Dividimos el gráfico en figuras conocidas:
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Ejemplo 2.- Hallar las coordenadas del centro de gravedad de la siguiente figura
homogénea.
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Ejemplo 3.- Calcular la ubicación del Centroide de la siguiente figura geométrica.
Luego, resulta más cómodo determinar los valores de “X” y “Y” del centroide de
cada una de las figuras simples para incluirlas en la fórmula respectiva, tomando en cuenta
el sistema de coordenadas de referencia. Estudiando la figura 1 (Rectángulo):
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Estudiando la figura 2 (Triangulo)
Nótese que la coordenada “Y” del centroide del triángulo es negativa para el sistema
de coordenadas rectangulares tomado como referencia.
Estudiando la figura 3 (Semi-circulo):
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Con toda esta información el problema se limita a introducir estos valores en las dos
fórmulas:
Debiendo tomar en cuenta que el valor del área del círculo (A4) tendrá signo negativo y el
valor de la coordenada “Y” del centroide del triángulo (Y2) también tendrá signo negativo
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Ejemplo 4.- Calcular la ubicación del Centroide de la siguiente figura geométrica.
Para calcular el centroide de una figura plana que está limitada por arriba por la función
“f(x)” , por debajo por la función “g(x)”, por la izquierda por la recta “X = a” y por la
derecha por la recta “X = b”; se utilizan las siguientes fórmulas :
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Ejemplo 5.- Calcular la ubicación del Centroide de la región acotada por “Y = X2”
y “Y = 8 – X2”
Como apuntamos al inicio de esta guía: Si una figura geométrica posee un eje de simetría, el
centroide de la figura coincide con este eje. Esta figura en particular posee un eje de simetría
horizontal y un eje de simetría vertical, luego su centroide estará ubicado en el punto
de intersección de sus dos ejes de simetría. Se recomienda que utilice los procedimientos
explicados en los dos ejercicios anteriores y verifique la ubicación del centroide de la figura.
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Bibliografía
(Hibbeler, Armaduras simples, 2010).
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