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Analisis1DarwinMoraVillota
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FLEXION Y TORSION
PRIMERA EDICION
UNIVERSIDAD DE LA SALLE
Santa Fé de Bogotá D.C.
COLOMBIA
1994
A Dios, San Juan Bautista de la Salle,
directivas, docentes y estudiantes
de la Universidad de la Salle,
padres, esposa e hijos.
PROLOGO
Las nueve prácticas que aquí aparecen se pueden realizar en las máquinas de
flexión y torsión que diseñé y construí, con ayuda de ingenieros mecánicos y
con estudiantes de nuestra Facultad de Ingeniería Civil y que he venido
implementando con los accesorios y modificaciones necesarias para su óptimo
funcionamiento.
Por lo anterior, es de anotar que mi trabajo no solamente es esta guía, sino que
las prácticas se pueden realizar en las máquinas de torsión y flexión que
adjunto a esta obra que estoy entregando a la Facultad de Ingeniería Civil, para
ser instaladas en el laboratorio de estructuras y cuyos planos y fotografías
anexo.
Para los apoyos de una cercha su diseño es similar, pero el conjunto porta
apoyos es de menor longitud.
Los mandriles, son dos, uno fijo y el otro móvil, son de tipo multi craff - 1/2" -
20kk.
La placa en que se desplaza el mandril móvil, esta hecha con acero SAE 1020
y mide 895mm de largo por 60mm de ancho.
Además las dos máquinas tienen sus portapesas y accesorios como barras,
cerchas y vigas que se pueden colocar en apoyos de rodillo, articular o
empotrar.
1.MODULO DE ELASTICIDAD
1.1 OBJETIVO 9
1.2 RESUMEN TEORICO 9
1.3 MATERIAL UTILIZADO 11
1.4 BIBLIOGRAFIA 12
1.5 INFORME 12
2. ESFUERZOS EN VIGAS
2.1 OBJETIVO 14
2.2 RESUMEN TEORICO 14
2.3 MATERIAL UTILIZADO 17
2.4 BIBLIOGRAFIA 17
2.5 INFORME 17
3. DEFLEXION EN VIGAS
3.1 OBJETIVO 19
3.2 RESUMEN TEORICO 19
3.3 MATERIAL UTILIZADO 21
3.4 BIBLIOGRAFIA 22
3.5 INFORME 22
7. LINEAS DE INFLUENCIA
7.1 OBJETIVOS 45
7.2 RESUMEN TEORICO 45
7.2.1 Ejemplo 45
7.2.2 Ejemplo 46
7.2.3 Ejemplo 49
7.3 MATERIAL UTILIZADO 50
7.4 BIBLIOGRAFIA 51
7.5 INFORME 51
8. MODULO DE RIGIDEZ
8.1 OBJETIVO 53
8.2 RESUMENT TEORICO 53
8.2.1 Fórmulas de torsión 54
8.3 MATERIAL UTILIZADO 54
8.4 BIBLIOGRAFIA 55
8.5 INFORME 55
9. MAGNITUDES DE LA TORSION
9.1 OBJETIVO 57
9.2 RESUMEN TEORICO 57
9.3 MATERIAL UTILIZADO 57
9.4 BIBLIOGRAFIA 57
9.5 INFORME 58
9.5.1 Relación ángulo de torsión - longitud 58
9.5.2 Relación entre el ángulo de torsión y el diámetro 58
9.5.3 Relación entre el ángulo de torsión y el momento torsor 59
9.5.4 Relación entre el ángulo de torsión y el módulo de rigidez 59
A. ANEXOS
A.1 Plano máquina de flexión en tres dimensiones
A.2 Plano máquina de flexión despiece
A.2 Plano máquina de flexión soportes y porta pesas
A.2 Plano máquina de flexión estructuras en tres dimensiones
A.2 Plano máquina de flexión vistas en planta, alzada y lateral
A.2 Plano máquina de flexión despiece polea, placa y mandriles
B. FOTOGRAFIAS
PRACTICA 1
1. MODULO DE ELASTICIDAD
1.1 OBJETIVO
A C B
a b ////
L
Figura 1.1
Pb
L V M
a
I x I
Figura 1.2
La ecuación general de momento
Pb
M= x−P<x−a>
L
Pb
EIY ' = x−P<x−a>
L
Pb 2 P
EIY ' = x − < x − a > 2 + c1
2L 2
Pb 3 P
EIY ' = x − < x − a > 3 + c1 x + c 2
6L 6
Cuando x = 0 ; Y=0 ; C2 = 0 ;
x=L ; Y=0
Pb 2 P
0= L − < L − a > 3 +c1 L
6 6
Pb 3 PbL2 Pb 3 PbL
C1 = − = −
6L 6L 6L 6
la ecuación de la elástica
Pbx 3 P Pb 3 PbL
EIY = − < x − a >3 + − x
6L 6 6 L 6
Si X = a
Pa 3 b + Pab 3 PabL
EIδc = −
6L 6
Si a = b = L/2
Pa 4 + Pa 4 Pa 2 L Pa 4 Pa 2 L
EIδc = − = −
6L 6 3L 6
4 2
L L
P P L
2 2 PL3 PL3
EIδc = − = −
3L 6 48 24
PL3
EIδc = −
48
c
P P
2 δc 2
L L
2 2
Figura 1.3
• Máquina de flexión
• Vigas de diferentes materiales y secciones
• Deformímetros
• Calibrador
• Flexómetro
• Juego de pesas
1.4 BIBLIOGRAFIA
BEER, Ferdinand, JOHNSTON, Russell.Mecánica de Materiales. Segunda
edición. Colombia. 1993; P.47, 476, 528.
1.5 INFORME
Repita este procedimiento con otras vigas del mismo material y de otros
materiales.
LUZ( ) I( ) δ( ) E( )
E
Tabla 1.1
1.5.1. Conteste las siguientes preguntas:
2. ESFUERZOS EN VIGAS
2.1 OBJETIVO
c
MC
MC σ=
σ= I
I
C
c
y
σ max
Figura No.2.1
M I
σmax= S=
S C
(modulo de sección)
100KN
A B
///// C //////
1.5m 2.5m
4cms
20cms 16cms
20cms
Calculo de reacciones
100(2.5)
Ay = = 62.5 KN
4
100(1.5)
By = = 37.5 KN
4
Υ=
(20 × 4)(2) + (16 × 4)(12) ≅ 6.5 KN
20 × 4 + 16 × 4
Y
13.5cms
5.5cms
E.N.(z)
4.5cms 6.5cms
4cms
20cms
I EN =
1
12
20 × 4 3 + (20 × 4 ) + 4.5 2 +
1
12
( )
4 × 16 3 + (4 × 16 ) × 5.5 2 = 62.5 KN
I EN = 5028cm 4
M(KNm)
93.75
0 x(m)
1.5
σm =
(93 .75 × 10 )(
NM 6 .5 × 10 − 2 m
3
)
5028 × 10 − 8 m 4
σm =
(93 .75 × 10 )(
NM 13 .5 × 10 − 2 m
3
)
5028 × 10 − 8 m 4
σm = 121× 10 6 Pa
σm = 121MPa
2.3 MATERIAL UTILIZADO
• Máquina de flexión
• Vigas de diferentes materiales y secciones
• Deformímetros
• Calibrador
• Flexómetro
• Juego de pesas
2.4 BIBLIOGRAFIA
BEER, Ferdinand, JOHNSTON, Russell.Mecánica de Materiales. Segunda
edición. Colombia. 1993; P.444.
2.5 INFORME
E= L=
Tabla 2.1
3. DEFLEXIÓN DE VIGAS
3.1 OBJETIVO
Dibujar la curva elástica de una viga estáticamente determinada, con apoyos,
sección recta y tipo de carga plenamente identificados.
d2 Y
El = =M
dx 2
Donde M es la ecuación del momento para un determinado intervalo o la
Ecuación general del Momento. Lógicamente para resolver esta ecuación
diferencia debemos integrar primeramente para obtener la ecuación de la
pendiente y una segunda integración para obtener la ecuación de la elástica
Y = f(x).
EJEMPLO P
X B
X
V
M
L X
M= - P(L-X)
ElY" = −P(L − X)
P(L − X)2
ElY l = + C1
2
Cuando x=0 ; Y’= 0
2
PL
O= + C1
2
PL2
C1 =
2
ECUACION DE LA PENDIENTE
P (L − x ) 2 PL 2
ElY ' −
2 2
− P (L − X ) 3
PL 2 X
ElY = − + C 2
6 2
cuando x = 0 Y = 0
- PL 3
0 = - − 0 + C2
6
PL 3
C2 =
6
ECUACION DE LA ELASTICA
x
0
ELASTICA
Figura No. 3.3
• Máquina de flexión
• Vigas de diferentes materiales y secciones
• Deformímetros
• Calibrador
• Flexómetro
• Juego de pesas
2.4 BIBLIOGRAFÍA
BEER, Ferdinand, JOHNSTON, Russell. Mecánica de materiales. Segunda edición.
Colombia. 1993; P.476, 528.
3.5 INFORME
Tome una viga, de la cual conozca el módulo de elasticidad del material, mida
su sección y calcule su momento de inercia. Monte la viga en la máquina de
flexión en diferentes puntos de la viga, ojalá a distancias iguales.
X( ) Y( )
Tabla 3.1
3.5.1 Calcule las deformaciones en las mismas abscisas, donde tomó las
deformaciones, por medio de la ecuación de la elástica.
X( ) YT( )
Tabla 3.2.
3.5.2 Dibuje los diagramas de:
Y = f(x); Y t = f(x)
• Doble integración
• Área de momentos
• Superposición
a b
Ma
A Ay By
A B
L
Ecuaciones estáticas
ΣFy = Ay + By − P = 0 (1)
ΣMB = -AyL + Pb + MA = 0 (2)
EE = 2 ; I = 3 ; G = 1
P
Ma
Ay V M
A x-a
X
AyX 2
P < x − a > 2
ElY' = − − MaX
2 2
Integrando:
AyX 3 P < x − a >3 MAX 2
ElY = − − + C2
6 6 2
En X = 0 ; Y = 0 ; C2 = 0
Ecuación de la elástica:
AyX 3 P < x − a > 3 MAX 3
ElY = − −
6 6 2
En X = L ; Y = 0
Ay(L)3 P < L − a > 3 MAL3
O= − −
6 6 2
AyL3 Pb 3 MAL2
− − = 0 (3) Ecuación de compatibilidad
6 6 2
MA = AyL − Pb (2)
AyL 3 Pb 3 L2
− − ( AyL − Pb ) = o (3)
6 6 2
- 2AyL 3 = Pb 3 − 3 PbL 2
2 2
Pb(3L -b )
Ay = 3
2L
Reemplazando en (1):
Pa 2
By = (2L + b)
2L3
Reemplazando en (2):
Pb 2
MA = 2
(L − b 2 )
2L
La viga de acero W 16 x 77 soporta una carga puntual de 40 Kips, su módulo
de elasticidad es 29 x 106 PSI. Calcular:
40 Kips
A B
5 ft 10 ft
I= 1110 in4
del problema anterior : cálculo de reacciones.
ejemplos : en X = 5
En X = 2
34.07(2)3 111.11(2)3
ElY = −0−
6 2
ElY = - 399.01KP • ft = −689489.28 KP • in3
3
− 68989.28
Y= in = - 0.021in
32190000
4.2.2. METODO DE AREA DE MOMENTOS
A B
L/2 L/2 P
Σ Fy = Ay + By − p = 0 (1) Ay
By
Por simetría L/2 L/2
P MB
Ay = By =
2 MA
M
PL
4
PL
2
x
Ma
PL
2
L L
2 2
Tangente en A
C
A
δc B
L L
2 2
Figura No.4.8
De acuerdo con el segundo teorema del área de momentos
tA / B = 0
1 PL 1 L PL
(L )( ) + L( −MA ) + ( )( − )=0
2 2 2 2 2
PL
MA =
8
Para el cálculo de la deflexión en C;δc.
tA
= δc
C
1 1 L PL 1 L L L
El δc = ( • )( )( • ) + (−MA)( )
2 2 2 4 3 2 2 4
PL3
δc = −
192El
• Máquina de flexión.
• Vigas de diferentes materiales y secciones.
• Deformímetros.
• Calibrador.
• Flexómetro.
• Juego de pesas.
4.4. BIBLIOGRAFIA
X( ) Y( )
Tabla 4.1
Figura 4.9
4.5.1 Calcule las reacciones en los apoyos y las deformaciones por medio de la
correspondiente ecuación de la elástica, en los mismos puntos donde se midió
las deformaciones.
Haga los cálculos y anótelos en la siguiente tabla.
X( ) Y( )
Tabla 4.1
F resorte = K ×δB
F resorte F resorte
δB = =
K 500 lb / in
δ B (Final ) = δ resorte = δ B − δ B
1 2
resolviendo
F resorte
= 3.11 − 0.000691 F resorte
500
δ B ( final ) = δresorte =
1160
= 2.32in
500
5.2.1 EJEMPLO
La viga horizontal mostrada en la figura 5.5 es una barra redonda de acero de
40 mm de diámetro, y el miembro vertical BD es una varilla de acero de 6mm
de diámetro. Determine el esfuerzo en la barra vertical BD.
Figura 5.4
Π × (0.006 )
2
A= = 2.83 × 10 −5 m 2
4
I =
Π × (0.04)2 = 12.5 × 10 −8 m 4
64
14 PL 3 2L
δB = ; deflexion en
1
41 EI 3
14 (480 N )(0 . 6 )
3
δB =
N
( )
1
δ B = 0 .014 m
1
(1)
F cable L 2L
δ B2 = en
3 EI 3
F cable × (0.4 m )
δB =
N
( )
2
3 200 × 10 9 2 12.5 × 10 −8 m 4
m
δ B 2 = 5.33 × 10 −6 m (2)
σ BD = 9.10 M Pa
5.3 MATERIAL UTILIZADO
• Maquina de flexión.
• Deformimetros.
• Balanza de resortes (dinamómetros)
• Cables
• Calibrador
• Flexo metro
• Vigas a escala.
5.4 BIBLIOGRAFÍA
5.5 INFORME.
La practica se puede realizar de muchas formas, ya que son múltiples las
combinaciones que se pueden hacer para montar vigas isotópicas o
Hiperestáticas en la maquina de flexión.
VIGA Nº__________
PUNTO DEFLEXIÓN
Tabla 5.1
6.1 OBJETIVO.
Calcular la deflexión de los nudos de una cercha, por medio de métodos del
trabajo real y del trabajo virtual.
1 PL 1 P2L
W = =
2 AE 2 AE
Este es el trabajo real realizado por la fuerza P sobre la barra, por lo tanto la
energía interna almacenada por el elemento estructural es;
P2L
U=
2 AE
P 2 dx 2
L P dx
dU = =U = ∫
2 AE 0 2 AE
6.2.2 Ejemplo
Aplicando el método del trabajo real a la armadura, calcular la deflexión vertical
en el nudo C. E = 2100 t / cm2
Por simetría Ay = Dy = 20 t
P´2 L / A (t´2 /
BARRA L(M) A(CM´2) L / A (CM´-1) P(T) P´2 ( t´2 )
CM´-1 )
AB 8,54 -8,54 10 -57 3249 32490
AC 8,00 8,00 10 53 2809 28090
BC 3,00 3,00 10 40 1600 16000
BD 8,54 -8,54 10 -57 3249 32490
CD 8,00 8,00 10 53 2809 28090
Σ ---------- ----------- ----------- ---------- ----------- 137160
Tabla 6.1
We =
1
pδc =
1
(40t )δc
2 2
Energía interna almacenada por la estructura
P2L
Ui = ∑
2 AE
2
1
(40t )δc = 137160t / cm 2
2 2 × 2100t / cm
δc = 1.63cm
6.2.3 ejemplo
SsL
δ =∑
AE
Donde
S, Fuerza de la barra debido a las fuerzas externas aplicadas a la armadura.
s, fuerza de la barra debido a la carga unitaria en el punto en donde se quiere
calcular la deflexión.
Como ya se calcularon las fuerzas en las barras, debido a las fuerzas externas,
calcularemos las fuerzas debido a la carga unitaria aplicada en C
Ss L / A (t /
BARRA L(M) A(CM´2) L / A (CM´-1) S(T) s( t )
CM )
AB 854,00 85,40 10 -57 -1,42 809,4
AC 800,00 80,00 10 53 1,33 704,9
BC 300,00 30,00 10 40 1 400
BD 854,00 85,40 10 -57 -1,42 809,4
CD 800,00 80,00 10 53 1,33 704,9
Σ -------------- -------------- -------------- -------------- -------------- 3428,6
Tabla 6.2
348.6t / cm
δc = = 1.63cm
2100t / cm 2
6.3 MATERIAL UTILIZADO.
• Maquina de deflexión.
• Cercha metálica a escala.
• Deformimetros.
• Calibrador.
• Flexo metro.
• Juego de pesas.
6.4 BIBLIOGRAFÍA.
6.5 INFORME.
Tome una cercha escala, mida la longitud de todos sus elementos y el área de
sus secciones, debe conocer tambien el modulo de elasticidad del material de
las barras; Móntela adecuadamente en los apoyos de la maquina de flexión,
aplíquese las cargas que considere necesarias para la practica y mida las
deflexiones en algunos de los nudos.
VIGA Nº___________
PUNTO DEFLEXIÓN
Tabla 6.3
7. LINEAS DE INFLUENCIA
7.1 OBJETIVO
Dibujar las líneas de influencia de diferentes elementos mecánicos como,
reacciones, fuerza cortante, momento flector y deflexiones, a partir de la
observación y las ecuaciones correspondientes.
7.2.1 EJEMPLO
P=1
A B
Ay By
L
Figura 7.1
ΣMB = 0
- Ay L + P ( L-X ) =0
P (l – x)
Ay = , esta es la ecuación de la línea de influencia de la reacción Ay
L valida para 0 ≤ X ≤ L, por lo tanto su gráfica es:
Ay
0 x
L
Figura 7.2
7.2.2 EJEMPLO
P=1
A C B
4
PX
ΣFy = + Ay – P = 0
4
PX X
Ay = P - =P(1- )
4 4
Ecuaciones de la L. De I. De Vc y Mc.
0≤X≤2
P=1
Ay 2 mt Vc Mc
X
ΣFy = P ( 1 - ) – P – Vc = 0
4
figura 7.7
7.2.3. EJEMPLO
Dibuje las líneas de influencia para la fuerza cortante y el momento flector en el empotramiento
de la viga en voladizo.
Figura 7.8
0 ≤ X ≤ 1.5
Figura 7.9
ΣFy = VA – P = 0
ΣMA = - P X-MA = 0
M=-PX
Figura 7-10
• Maquina de flexion.
• Vigas
• Deformimetros.
• Calibrador
• Flexómetro.
• Juegos de pesas.
• Balanzas de resortes.
7.4 BIBLIOGRAFIA
MCCORMAC, Jack. Análisis estructural. Métodos clásico y matricial. México.
1994. P; 160 – 168.
URIBE; Escamilla, Jairo. Análisis de estructuras. 1 Edición. Colombia. 1991; P. 447 – 461.
7.5 INFORME
La practica presenta varias alternativas, ya que las vigas pueden ser
estaticamente determinadas o indeterminadas, y las líneas de influencia
pueden ser de diversas magnitudes, por lo tanto se sugiere que además de los
montajes propuestos se hagan otros.
7.5.1. Toma una viga, articúlela en un extremo y apóyela en el otro en una
balanza de resorte (dinamómetro), apliquele una carga puntual unitaria que
puede ir desplazando a lo largo de la viga, de esta forma podra llenar a
siguiente tabla:
7.5.2. Monte una viga apoyada de la forma como usted considere; Vaya
desplazando sobre ella la carga puntual unitaria; mida las deformaciones en un
punto de la viga y con esta información llene la siguiente tabla:
Tabla 7.2
7.5.3. Haga todos los montajes que considere necesarios, para cumplir
plenamente con el objetivo, repitiendo lo indicado en los numerales 7.5.2. y
7.5.3.
PRACTICA 8
8. MODULO DE RIGIDEZ.
8.1 OBJETIVO.
Calcular el modulo de rigidez de un material, a través de un ensayo de torsión
de un árbol metálico macizo.
Figura 8.1
Para aplicar las formulas de torsión se debe establecer una hipótesis que
puedan demostrarse matemáticamente y comprobarse experimentalmente,
principalmente en secciones circulares, que son las que utilizaremos en
nuestras practicas.
TL
θ = -----
JG
TR 16 T
τ= --- y τ = -------
J πD3
En árboles macizos y
16 TD
τ = ------------
π(D4- d4)
En árboles huecos
• Maquina de Torsión.
• Probetas (arboles) de diferentes materiales y secciones.
• Calibrador.
• Flexometro
• Juegos de pesas
8.4 BIBLIOGRAFIA
8.5 INFORME
Elija una barra de determinado material y colóquela en un banco o maquina de
torsión.
Apliquele la fuerza que produce el momento torsor y lea la deformación
angular. Anule los datos de la siguiente tabla
Tabla 8.2
9.MAGNITUDES DE LA TORSION
9.1 OBJETIVO.
Demostrar experimentalmente que el ángulo de torsión , es directamente
proporcional al momento torsor aplicado, a la longitud del árbol e inversamente
proporcional al módulo de rigidez del material y al momento polar de inercia de
la sección del árbol
9.4. BIBLIOGRAFIA.
BEER , Ferdinand , JOHNSTON ,Russell. Mecánica de Materiales. Segunda
Edición . Colombia . 1993 ; p. 112
Tabla 9.1
• material?
• Haga el gráfico θ vs L.
• Comente sobre el gráfico obtenido.
• θ es proporcional a L ?
• Qué indica la pendiente del gráfico ?
Tabla 9.2
• Material ?
• Haga el gráfico θ vs J.
• Comente sobre el gráfico obtenido .
• θ es proporcional a J ? Como es esta proporcionalidad ?
• Qué indica la pendiente del gráfico ?
• Qué curva le da θ vs. D. Porqué ?
Tome una barra y aplíquele una determinada carga calcule el momento torsor
producido. Varíe la carga para que varíe el momento torsor, tome en cada caso
la lectura del ángulo de torsión, elabore la siguiente tabla.
Tabla 9.3
• Material ?
• Haga el gráfico θ vs. T
• Qué comentarios puede hacer sobre el gráfico ?
• θ es proporcional a T ?
• Qué indica la pendiente del grafico ?
Para establecer como varía θ en función de G basta elaborar las tablas 9.1, 9.2
y 9.3, con diferentes materiales y llenar la siguiente tabla, teniendo cuidado de
mantener constantes L , D y T.
• Haga el gráfico θ vs. G.
• Haga sus comentarios sobre el gráfico obtenido
• θ es proporcional a G ? Cómo es esta proporcionalidad ?
• Qué indica la pendiente del gráfico ?
9.5.5. Con datos de cada uno de los numerales compruebe al menos 5 veces
que:
TL
θ = ------
GJ