Introducción a la Elasticidad y Resistencia de Materiales

Documentos relacionados
CFGS CONSTRUCCION METALICA MODULO 246 DISEÑO DE CONSTRUCCIONES METALICAS

Elementos Uniaxiales Sometidos a Carga Axial Pura

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE EL SALVADOR ESCUELA DE FORMACIÓN BÁSICA. FÍSICA II PRÁCTICA 26 PENDULO SIMPLE

PROGRAMA INSTRUCCIONAL

Capítulo 3. TRACCIÓN Y COMPRESIÓN SIMPLE

EJEMPLOS DE APLICACIÓN DE LA INTEGRACIÓN APROXIMADA DE LAS ECUACIONES DIFERENCIALES DE EQUILIBRIO

Mecánica para Ingenieros: Cinemática. 1. La Mecánica como ciencia

ESCALARES Y VECTORES

8. Ensayos con materiales

f x = 0 f y = 6 kp=cm 3 f z = 17 kp=cm 3

Ecuaciones diferenciales de Equilibrio

UNIDAD I. EL MUNDO EN QUE VIVIMOS

2 o Bachillerato. Conceptos básicos

CONSIDERACIONES GENERALES SOBRE ESTÁTICA

3. PROPIEDADES Y ESTADOS

Práctica Módulo de torsión

TEMA 1: SISTEMAS MODELADOS POR ECUACIONES DIFERENCIALES EN INGENIERÍA QUÍMICA. CLASIFICACIÓN. GENERALIDADES.

CFGS CONSTRUCCION METALICA MODULO 246 DISEÑO DE CONSTRUCCIONES METALICAS

OBJETO DEL ENSAYO DE TRACCION

NÚCLEO DE BOLÍVAR CÓDIGO: Horas Teóricas Horas para Evaluaciones Horas Perdidas Horas Efectivas

5º Tema.- Ampliación de análisis cinemático de mecanismos planos mediante métodos analíticos.

ESTATICA Y RESISTENCIA DE MATERIALES (ING IND) T P Nº 7: SOLICITACIONES N, Q y M f

Dinámica. Carrera: MTM Participantes Representante de las academias de ingeniería Mecatrónica de los Institutos Tecnológicos.

Obra: Pista de patinaje sobre hielo

Ingeniería Asistida por Computador

Análisis estático de estructuras planas

CENTRO DE GRAVEDAD Y CENTROIDE. Considerando el sistema de n partículas fijo dentro de una región del espacio,

Física I. Carrera: SCM Participantes. Representantes de la academia de sistemas y computación de los Institutos Tecnológicos.

DOCUMENTO DE APOYO PARA PROYECTOS

Medición del módulo de elasticidad de una barra de acero

INFORME TÉCNICO ESTRUCTURA CUBIERTA LUZ 10 METROS CON AREAS DE SERVICIO INDICE. 1.- ANTECEDENTES y OBJETO NORMATIVA UTILIZADA...

Dinámica. Carrera: EMM Participantes Representante de las academias de ingeniería Electromecánica de los Institutos Tecnológicos.

TRANSFERENCIA DE CALOR

T P Nº 10 - DEFORMACIONES DE ELEMENTOS FLEXADOS

Tema 2: Propiedades de los Materiales Metálicos.

Pontificia Universidad Católica de Chile Facultad de Física. Estática

porque la CALIDAD es nuestro compromiso

MECANICA I Carácter: Obligatoria

TEMA 3. BASES DEL DISEÑO MECÁNICO CON MATERIALES.

3. ESTRUCTURAS. Se realiza un cálculo lineal de primer orden, admitiéndose localmente plastificaciones de acuerdo a lo indicado en la norma.

CAPÍTULO 2. RESISTENCIAS PASIVAS

Aplicación del Principio de las Fuerzas Virtuales a la resolución estática de estructuras hiperestáticas

7. PÉNDULO DE TORSIÓN

TÉCNICO SUPERIOR UNIVERSITARIO EN ENERGÍAS RENOVABLES ÁREA ENERGÍA SOLAR EN COMPETENCIAS PROFESIONALES ASIGNATURA DE FÍSICA

CI 32B ANALISIS DE ESTRUCTURAS ISOSTATICAS 10 U.D. REQUISITOS: FI 21A, MA 22A DH:(3,0-2,0-,5,0) Obligatorio de la Licenciatura en Ingeniería Civil

Contenidos mínimos de 1º Bachillerato. Curso

CONSTRUCCION IV 1/73 MUROS PANTALLA

TUTORIAL BÁSICO DE MECÁNICA FLUIDOS

Material. E Módulo de elasticidad ACERO ALUMINIO HORMIGÓN MADERA DURA MADERA SEMI DURA MADERA BLANDA 80.

TEMA 1. MECANISMOS BÁSICOS DE TRANSMISIÓN DE CALOR

2.004 MODELISMO, DINÁMICA Y CONTROL II Primavera Soluciones del boletín de problemas 6

El análisis de las curvas de Fanno se refiere a un flujo adiabático isoentrópico en un ducto de área constante.

EQUILIBRIO. 1. La suma algebraica de fuerzas en el eje X que se denominan Fx, o fuerzas con dirección horizontal, es cero.

Examen de TEORIA DE MAQUINAS Junio 07 Nombre...

Figura Trabajo de las fuerzas eléctricas al desplazar en Δ la carga q.

Guía para oportunidades extraordinarias de Física 2

Equilibrio y cinemática de sólidos y barras (2)

Contenidos mínimos Física y Química 3º ESO

Departamento de Mecánica de Medios Continuos y Teoría de Estructuras. Ingeniería Estructural. Introducción

I. INTRODUCCIÓN MECANICA MECANICA DE CUERPO RIGIDOS MECÁNICA DE CUERPO DEFORMABLE MECÁNICA DE FLUIDOS

Determinación de la Tensión Adm.de una barra de acero por medio del diagrama.

1 Imagen extraída de: E. Egaña, M. Berruti y Alejandro González. Interacciones, fuerzas y energía. Editorial: Contexto. Año: Uruguay.

FISICA II PARA INGENIEROS

PUENTES II PRÁCTICA Nº6. PUENTES COLGANTES

TEMA 6 ESTÁTICA. Bibliografía recomendada:

PROGRAMA DE CURSO DE INGRESO - ASIGNATURA FISICA

Comprobar experimentalmente la ley de Ohm y las reglas de Kirchhoff. Determinar el valor de resistencias.

Cada unidad comienza con el título y un pequeño recuadro en el que se especifica lo que se va a aprender en ella, seguido del índice de la misma

Bloque 1. Las magnitudes físicas y su medida

Equilibrio de fuerzas Σ F z = 0. Σ M y = 0 Σ M x = 0 Σ M z = 0. Equilibrio de momentos. Segunda ley de Newton (masa)

TEMA 8. GEOMETRÍA ANALÍTICA.

Ejemplos de magnitudes isicas: la masa, la longitud, el iempo, la densidad, la temperatura, la velocidad, la aceleración, la energía, etc.

L=1,85. a) Suponemos que la viga tiene sólo una masa puntual para asimilarlo al comportamiento de un muelle de constante elástica:

Universidad Central Del Este UCE Facultad de Ciencias de la Salud Escuela de Bioanálisis

Introducción al cálculo numérico. Método de Euler

» Ecuación del movimiento libre de un grado de libertad amortiguado: ED lineal de 2º orden homogénea cuya solución es de la forma:

TEMARIO DEL EXAMEN DE EVALUACIÓN INTEGRAL PARA EL PROCESO DE ADMISIÓN Para facultades de Ingeniería y Arquitectura

Aplicación de los criterios de espontaneidad a una reacción química completa

UNIVERSIDAD DE COSTA RICA FACULTAD DE CIENCIAS ESCUELA DE FISICA PROGRAMA JUSTIFICACION DEL CURSO

INSTITUCION EDUCATIVA PREBITERO JUAN J ESCOBAR

un sistema de conductores cargados. Energía electrostática en función de los vectores de campo. Fuerza electrostática. Presión electrostática.

Estática. Principios Generales

Tema I: Introducción

Si se incrementa el número de elementos en los cuales se ha dividido la placa y simultáneamente se disminuye el tamaño de cada elemento se obtiene

Ingeniería. Instrumentos de Procesos Industriales. Instrumentos de medición de presión. Introducción

Índice general. Pág. N. 1. Magnitudes de la Física y Vectores. Cinemática. Cinemática Movimiento en dos dimensiones

VANESA PEÑA PAOLA PUCHIGAY 901

U N I V E R S I D A D A L A S P E R U A N A S FACULTAD DE INGENIERÍAS Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA ESTÁTICA SÍLABO

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE SINALOA FACULTAD DE AGRONOMÍA HIDRÁULICA

BIOMECÁNICA MEJOR DESEMPEÑO

Mecánica de Fluidos. Análisis Diferencial

1.1 Introducción Las ecuaciones diferenciales como modelos matemáticos

ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE POLEA TENSORA DM800x

Cinemática: parte de la Física que estudia el movimiento de los cuerpos.

Resistencia de Materiales 1A. Profesor Herbert Yépez Castillo

Resistencia de Materiales 1A. Profesor Herbert Yépez Castillo

MAXIMOS Y MINIMOS RELATIVOS

Cinemática y Dinámica

Tema 3. Circuitos magnéticos

Nombre: Curso:_3. Si la fuerza se mide en newton (N) y el vector posición en metro (m), el torque se mide en N m.

Transcripción:

Lección 1 Introducción a la Elasticidad y Resistencia de Materiales Contenidos 1.1. Mecánica del Sólido Rígido y Mecánica del Sólido Deformable............................. 2 1.1.1. Sólido Rígido.......................... 2 1.1.2. Sólido Deformable....................... 3 1.2. Hipótesis básicas de la Elasticidad y de la Resistencia de Materiales.......................... 3 1.2.1. Pequeños desplazamientos................... 3 1.2.2. Pequeñas deformaciones.................... 4 1.2.3. Comportamiento elástico y lineal del material........ 4 1.2.4. Principio de Saint-Venant................... 5 1.2.5. Material homogéneo...................... 5 1.2.6. Material isótropo........................ 6 1.2.7. Problema estático....................... 6 1.2.8. Problema isotermo....................... 6 1.2.9. Consecuencias de las hipótesis básicas de la Elasticidad y de la Resistencia de Materiales................ 6 1.3. Modelo matemático para el análisis de Sólidos Deformables. Ecuaciones fundamentales............... 6 1.4. Ejercicios propuestos..................... 7

2 Apuntes de Elasticidad y Resistencia de Materiales 1.1 Mecánica del Sólido Rígido y Mecánica del Sólido Deformable La Mecánica, que proviene de la palabra mechanica en latín que significa arte de construir una máquina, es la rama de la física que estudia y analiza el movimiento y reposo de los cuerpos, y su evolución en el tiempo, bajo la acción de fuerzas. Las hipótesis básicas de la Mecánica de sólidos se enumeran a continuación: 1. Se consideran las ecuaciones de la Mecánica de Newton 2. El sólido es un medio continuo 3. Se cumplen las leyes básicas de la Termodinámica (conservación de la energía y producción de entropía) La segunda hipótesis implica que el sólido no tiene discontinuidades a nivel microscópico como consecuencia de la distribución molecular de cada material. Es decir, se ignora la existencia de estructuras a nivel microscópico (moleculares, atómicas, cristalinas o granulares), considerando que el comportamiento a nivel macroscópico es independiente de tal estructura (salvo a través de relaciones experimentales que se traducen en la relación de comportamiento). Esta hipótesis se justifica por las pequeñas dimensiones de los constituyentes microscópicos (moléculas, cristales o granos) en comparación con las dimensiones significativas del sólido (distribución de los apoyos o de las cargas y dimensiones propias del sólido) y permite trabajar con un espacio continuo y utilizar las herramientas que proporciona el análisis diferencial. 1.1.1 Sólido Rígido Si un sólido sometido a un conjunto de fuerzas alcanza el equilibrio sin sufrir modificaciones de su forma original, o dichas modificaciones son despreciables respecto a su movimiento, se denomina Sólido Rígido. Un Sólido Rígido se caracteriza por una distribución continua de la materia y por la invariabilidad de las distancias relativas entre cualesquiera de los puntos que lo constituyen. Las ecuaciones de la estática, de la cinemática y de la dinámica son suficientes para definir el comportamiento de este tipo de sólidos. Figura 1.1 Sólido Rígido La Figura 1.1 muestra un sólido con una forma genérica al que se aplica un sistema de fuerzas. Como consecuencia de las fuerzas aplicadas el sólido se traslada y gira sin deformarse, es decir, se comporta como un Sólido Rígido.

Introducción a la Elasticidad y Resistencia de Materiales 3 1.1.2 Sólido Deformable Si un sólido sometido a un conjunto de fuerzas alcanza el equilibrio produciéndose modificaciones en su forma original, debemos adoptar el modelo de Sólido Deformable. Dicho modelo considera una distribución continua de la materia, así como la variación, también continua, de las distancias entre cualesquiera de los puntos que lo constituyen. Para establecer las ecuaciones generales que gobiernan el comportamiento mecánico de los sólidos deformables, es necesario complementar las ecuaciones de la estática, cinemática y dinámica con ecuaciones que relacionen las modificaciones de forma del sólido con las fuerzas que se producen en el interior del mismo debidas a este cambio de forma. Figura 1.2 Sólido Deformable La Figura 1.2 muestra un sólido con una forma genérica al que se aplica un sistema fuerzas. Como consecuencia de las fuerzas aplicadas el sólido se traslada, gira y deforma, es decir, se comporta como un Sólido Deformable. 1.2 Hipótesis básicas de la Elasticidad y de la Resistencia de Materiales La cinemática y dinámica de sólidos deformables queda definida mediante la imposición de las hipótesis básicas establecidas en el apartado 1.1. Dichas hipótesis dejan el campo de estudio del sólido deformable muy abierto, por lo que se suele acotar estableciendo hipótesis adicionales. Una simplificación al problema general del sólido deformable consiste en plantear el comportamiento del mismo como lineal, lo que implica asumir tres hipótesis adicionales: 1. Pequeños desplazamientos 2. Pequeñas deformaciones 3. Comportamiento elástico y lineal del material 1.2.1 Pequeños desplazamientos La hipótesis de pequeños desplazamientos implica que los desplazamientos del sólido son tan pequeños que las ecuaciones de equilibrio pueden plantearse, sin error apreciable, en la posición inicial.

4 Apuntes de Elasticidad y Resistencia de Materiales Figura 1.3 Hipótesis de pequeños desplazamientos En la Figura 1.3 se muestra un pórtico sometido a dos sistemas de fuerzas y la deformada debida a cada uno de estos sistemas de fuerzas. El comportamiento de la estructura de la Figura 1.3 a) frente al sistema de cargas actuante puede considerarse dentro de la hipótesis de pequeños desplazamientos. La deformada coincide prácticamente con la configuración inicial del pórtico. En la estructura de la Figura 1.3 b) la configuración deformada de la estructura difiere sustancialmente de la configuración inicial. Por tanto, no es correcto plantear las ecuaciones de equilibrio en la configuración anterior a la aplicación del sistema de cargas, ya que los resultados obtenidos no tendrían en cuenta los grandes desplazamientos que ha sufrido la estructura. 1.2.2 Pequeñas deformaciones La hipótesis de pequeñas deformaciones supone que las derivadas de los desplazamientos son despreciables frente a la unidad, y los productos de derivadas son despreciables frente a las propias derivadas. Esto implica que las deformaciones se expresen como combinación lineal de las derivadas primeras de los desplazamientos. Por ejemplo, ε ij = 1 2 desplazamientos. ( ui x j + u j x i ), siendo ε ij la deformación, y u i y u j los 1.2.3 Comportamiento elástico y lineal del material En todo punto de un sólido de un determinado material existe una relación entre las tensiones y las deformaciones en dicho punto al someter al sólido a un sistema cualesquiera de cargas. Si el sólido recupera su forma inicial al cesar la aplicación de las cargas, se dice que el material tiene un comportamiento elástico. Si además, la relación entre tensiones y deformaciones es lineal, se dice que el material tiene un comportamiento elástico y lineal. Las tres hipótesis anteriores son necesarias y suficientes para considerar el sólido deformable como elástico y lineal. Además de las tres hipótesis anteriores, en el estudio de la Elasticidad Lineal y de la Resistencia de Materiales, se suponen estas otras hipótesis: - Principio de Saint-Venant - El material es homogéneo - El material es isótropo

Introducción a la Elasticidad y Resistencia de Materiales 5 - El problema es estático - El problema es isotermo 1.2.4 Principio de Saint-Venant El Principio de Saint-Venant establece que sistemas estáticamente equivalentes producen los mismos efectos. La Figura 1.4 muestra dos placas rectangulares, de idénticas dimensiones, que se encuentran empotradas en un extremo y sometidas a una carga uniformemente distribuida en el otro. En la placa de la Figura 1.4 a), la carga se distribuye uniformemente en la dimensión h 1, mientras que en la placa de la Figura 1.4 b) la carga se distribuye uniformemente sobre la dimensión h 2. En ambos casos la resultante de la distribución de fuerzas aplicadas sobre cada placa es qh 1. Además, la distribución de tensiones normales en la dirección de la carga se ha representado sobre la superficie de cada placa, mostrando como se transmite la carga hasta el apoyo en cada una de las placas. Para la placa que se muestra en la Figura 1.4 a) podemos observar como la carga se transmite hasta el apoyo de forma uniforme. Sin embargo, en el caso de la placa que se muestra en la Figura 1.4 b), se advierte una alteración en la distribución de las tensiones normales hasta una cierta distancia de la zona de aplicación de la carga, a partir de la cual la carga se transmite hasta el apoyo de forma uniforme, como en el caso de la placa que se muestra en la Figura 1.4 a). Podemos concluir que la aplicación de la carga en un tramo limitado puede considerarse como una discontinuidad que provoca alteraciones en la transmisión de la carga. No obstante, a una distancia suficientemente alejada de la zona de aplicación, dicha discontinuidad no tiene afecto alguno. Figura 1.4 Principio de Saint-Venant 1.2.5 Material homogéneo Considerar el material homogéneo significa que todos los puntos del mismo son iguales a efectos de comportamiento mecánico. Matemáticamente implica que la relación de comportamiento (relación entre tensiones y deformaciones) es similar en cualquier punto del material, y por tanto es independiente de las coordenadas del punto estudiado.

6 Apuntes de Elasticidad y Resistencia de Materiales 1.2.6 Material isótropo Un material isótropo es aquél cuyo comportamiento mecánico es independiente de la dirección considerada. 1.2.7 Problema estático Un problema es estático si se considera que los efectos de inercia son despreciables. Se considera que esto ocurre cuando las cargas exteriores se aplican lentamente, permanecen invariables con el tiempo, y el sólido tiene impedidos los desplazamientos como sólido rígido que puedan inducir las cargas actuantes. 1.2.8 Problema isotermo En un problema isotermo no se producen variaciones de la temperatura, o al menos, el efecto de dicha variación es despreciable. 1.2.9 Consecuencias de las hipótesis básicas de la Elasticidad y de la Resistencia de Materiales El conjunto de hipótesis anteriores, implica las siguientes consecuencias: 1. Principio de Superposición 2. Existencia y unicidad de la solución El Principio de Superposición supone que hay una relación lineal entre la respuesta estructural y las cargas actuantes. Esto permite obtener la respuesta de una estructura ante distintas cargas actuando simultáneamente como la suma de la respuesta de la estructura ante cada una de ellas. Este principio se utiliza para resolver problemas con sistemas de cargas muy complejos descomponiendo los estados de cargas en otros más simples, cuya solución es conocida o más fácil de obtener. En la Figura 1.5 se muestra una aplicación del Principio de Superposición. Figura 1.5 Principio de Superposición La segunda consecuencia establece que siempre existe una solución a cualquier problema bien definido de mecánica de sólidos, y que está solución es única. 1.3 Modelo matemático para el análisis de Sólidos Deformables. Ecuaciones fundamentales El objetivo inicial del análisis de Sólidos Deformables consiste en establecer la relación entre las magnitudes estáticas externas (fuerzas) y las magnitudes cinemáticas

Introducción a la Elasticidad y Resistencia de Materiales 7 externas (desplazamientos). Para establecer dicha relación, es necesario conocer que ocurre en el interior del sólido, definiéndose las magnitudes internas. Las magnitudes cinemáticas y estáticas internas se relacionan a través de la ley que modela el comportamiento del material, la cual es independiente de la geometría del sólido y de las condiciones de contorno. Las magnitudes estáticas externas se relacionan con las magnitudes estáticas internas a través de las ecuaciones de equilibrio. Mientras que las magnitudes cinemáticas externas se relacionan con las magnitudes cinemáticas internas a través de las ecuaciones de compatibilidad. De esta manera, se consigue relacionar las acciones externas con los desplazamientos del sólido a través de las variables internas. Figura 1.6 Modelo matemático para el análisis de sólidos deformables En la Figura 1.6 se muestra esquemáticamente el modelo matemático de análisis. Generalmente, la formulación matemática de este esquema conduce a ecuaciones de gran complejidad cuya solución analítica es inabordable. Ello hace que la obtención de soluciones exactas quede restringida a sólidos con geometrías y cargas muy concretas. 1.4 Ejercicios propuestos Ejercicio 1.1 Una barra de sección transversal cilíndrica de un determinado material ha sido sometida a un ensayo de tracción. En la Tabla 1.1 se indican los valores obtenidos en dicho ensayo. Se pide: 1. Construir la gráfica σ ε 2. Determinar gráficamente el valor límite de σ a partir del cual el material deja de comportarse linealmente y la deformación correspondiente 3. Determinar gráficamente los valores de σ para ε = 0, 0035, asumiendo que el material se comporta linealmente para ese valor de ε y considerando un comportamiento no lineal del material

8 Apuntes de Elasticidad y Resistencia de Materiales Datos: Tabla 1.1 Valores obtenidos del ensayo de tracción σ (MPa) ε ( %) σ (MPa) ε ( %) 0,0 0,00 120,0 0,2067 15,0 0,0256 135,0 0,2450 30,0 0,0513 150,0 0,2984 45,0 0,0769 165,0 0,3748 60,0 0,1025 180,0 0,5202 75,0 0,1281 180,0 0,6400 90,0 0,1538 165,0 0,7732 105,0 0,1794 160,89 0,8000 Solución: 1. Construir la gráfica σ ε Se muestra la gráfica en la Figura 1.7 Figura 1.7 Diagrama tensión-deformación 2. Determinar gráficamente el valor límite de σ a partir del cual el material deja de comportarse linealmente y la deformación correspondiente La Figura 1.8 muestra el valor límite de σ en el que el material deja de comportarse linealmente 3. Determinar gráficamente los valores de σ para ε = 0, 0035, asumiendo que el material se comporta linealmente para ese valor de ε y considerando un comportamiento no lineal del material

Introducción a la Elasticidad y Resistencia de Materiales 9 Figura 1.8 Determinación gráfica del valor límite de σ a partir del cual el material deja de comportarse linealmente y la deformación correspondiente Figura 1.9 Determinación gráfica de los valores de σ para ε = 0, 00035, asumiendo comportamientos lineal y no lineal del material La Figura 1.9 muestra los valores solicitados

10 Apuntes de Elasticidad y Resistencia de Materiales Ejercicio 1.2 Para la viga en el voladizo que se muestra en la Figura 1.10 a) se conocen los desplazamientos del punto A para los estados de cargas que se muestran en la Figura 1.10 b). Obtener: Figura 1.10 Aplicación del Principio de Superposición 1. El desplazamiento vertical del punto A (w A ), aplicando el principio de superposición Solución: 1. Obtener el desplazamiento vertical del punto A, aplicando el principio de superposición w A = 50L3 3EI + 23L4 12EI Ejercicio 1.3 Para las placas cargadas que se muestran en la Figura 1.11, Determinar: 1. Si los sistemas de cargas aplicados en los extremos de las placas son estáticamente equivalentes

Introducción a la Elasticidad y Resistencia de Materiales 11 Figura 1.11 Aplicación del Principio de Saint-Venant Solución: 1. Determinar si los sistemas de cargas aplicados en los extremos de las placas son estáticamente equivalentes Fuerza resultante para el sistema de cargas que se muestra en la Figura 1.11 a): H = 5qhe 4 Momento resultante para el sistema de cargas que se muestra en la Figura 1.11 a): M = qh2 e 24 Por lo que sí son estáticamente equivalentes.