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CAPÍTULO 1 TENSIÓN Hoy trataremos algún aspecto del diseño de una vasija o depósito de pared delgada (t/r<10) sometida a presión interna ¿Qué conceptos necesitamos manejar? Básicamente dos: el de tensión y el de resistencia a tracción Vasija esférica Vasija cilíndrica r r t t F 0=∑ M 0=∑ F3 F1 ∆S ∆f n S dS fd S f s rr r == → ∆ ∆ ∆ 0 limσ CONCEPTO DE VECTOR TENSIÓN Unidades: N/m2=Pa Como en la práctica 1 Pa es de pequeña magnitud, utilizaremos, en general, MPa F3 F2 F1 π s lim =normal tensión 0s ∆ ∆ ∆ nsobrefproy n rr → =σ s lim =l tangenciatensión 0s ∆ ∆ ∆ πτ sobrefproy r → = σn τ df COMPONENTES INTRÍNSECAS DEL VECTOR TENSIÓN 222 στσ =+n Area= A/cosθ θ A P Area= A/cosθ θ A P Tensiones en una barra sometida a una carga de tracción P PP P G Demos un corte a la barra por una sección que forma un ángulo θ con el plano vertical La resultante de la distribución de tensiones debe ser horizontal y pasar por el c.d.g. de la sección transversal de la barra Area= A/cosθ θ A P Area= A/cosθ θ A P x y x y θ P N V ( ) 0sincos 090coscos 0 =++− =−++− =∑ θθ θθ VNP or VNP Fx ( ) 0cossin 090sinsin 0 =− =−− =∑ θθ θθ VN or VN Fy En realidad, las fuerzas N y V serán las resultantes de una distribución de tensiones, las cuales las supondremos uniformes sobre la sección de corte Planteando el equilibrio: θ P N V θ P N V θ θ sin cos PV PN = = Área de la sección de corte: θcos AArea = Como, por definición, la tensión es fuerza dividida por área: ( )θθσ 2cos1 2 cos2 +== A P A P θθθτ 2sin 2 cossin A P A P == θ P θ P σ τ Por tanto: σ es máxima cuando θ es 0° ó 180° τ es máxima cuando θ es 45° ó 135° maxmax 2 1 στ = A P =maxσ A P 2max =τ -1 -0.5 0 0.5 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 Angle St re ss /(P /A ) σ τ Te ns ió n (/σ 0) Ángulo θ A P =maxσ 0 El signo de la tensión tangencial τ cambia cuando el ángulo θ es mayor de 90° Nótese que: τ (θ )= -τ (90 ° +θ ) θ P VASIJAS ESFÉRICAS A PRESIÓN σπ rt2 t pr 2 =σ pr 2π Fuerza ejercida por la presión interna: Fuerza ejercida por la tensión actuante: De la igualdad entre ambas, resulta: r r t σ σ p σ σσ σ Estado tensional en un punto de la vasija Punto elástico t pr 2 =σ ¡ σ es mucho mayor que p ! VASIJAS CILINDRICAS A PRESIÓN Dire cció n lo ngit udin al Dirección circunferencial r t σh σh σa σa Punto elástico Cálculo de la tensión longitudinal: artσπ2 Fuerza ejercida por la presión interna: pr 2π Fuerza ejercida por la tensión actuante: De la igualdad entre ambas, resulta: t pr a 2 =σ r t Punto elástico p σa σa Cálculo de la tensión circunferencial: rlp2 Fuerza ejercida por la presión interna: Fuerza ejercida por la tensión actuante: hltσ2 De la igualdad entre ambas, resulta: t pr h =σ r t l l p σh σh Estado tensional en los puntos de la vasija cilíndrica: ¡ σh es mayor que σa, y ambas son mucho mayores que p ! t pr h =σ t pr a 2 =σ a a σh=2σa Forma de rotura más probable Ejemplo: Determinar el espesor t de la vasija de la figura, realizada con acero inoxidable austenítico, sabiendo que su radio es r y que contiene un gas a una presión p. Considérese un coeficiente de seguridad γ. Tensión máxima: t pr máx =σ ¿Y la resistencia a tracción del material? Volveremos a ello en el capítulo 3 Deformación Te ns ió n Hormigón Acero Deformación Te ns ió n uσ yσ uσ ε ε σ σ εy Los elementos estructurales, o los componentes de máquinas deben ser diseñados de manera tal que las tensiones que se producen en su seno sean menores que la resistencia del material. El factor de seguridad tiene en cuenta, principalmente: •Las incertidumbres de los valores de las propiedades del material •La incertidunbre del valor de las cargas actuantes •La incertidumbre del análisis •El comportamiento a largo plazo del elemento estructural •La importancia del elemento considerado en la integridad de la estructura de la que forma parte Lógicamente el factor de seguridad debe ser una cantidad mayor que la unidad COEFICIENTE DE SEGURIDAD admisibletensión resistencia Coeficiente de seguridad adm R == = σ σγ γ En vasijas a presión, γ suele oscilar entre 4 y 8 γ σσσ Radmmáx t pr =≤= R prt σ γ ≥ PERO, EN LA REALIDAD, NOS ENCONTRAREMOS CON ESTRUCTURAS DE MAYOR COMPLEJIDAD, TANTO DE FORMA COMO DE ESTADO TENSIONAL TENSOR DE TENSIONES x y z P x y z P x y z P σz τzy τzx x y z P σz τzy τzx σ σy x y z P τyz τyx x y z P σx τxz τxy σy x y z P τyz τyx σy x y z P τyz τyx x y z P σx τxz τxy x y z P σx τxz τxy σ’ σ’’ P z y x 0 τzx τzy τxz τxy τyx τyzτzx τzy σz σy σx dx dz dy σz dy PUNTO ELÁSTICO TRIDIMENSIONAL xeje caras lasen opuestasy iguales tensiones0 x ⊥⇒=∑ σxF y eje caras lasen opuestasy iguales tensiones0 y ⊥⇒=∑ σyF z eje caras lasen opuestasy iguales tensiones0 ⊥⇒=∑ zzF σ zyzyyzx dzdxdydydxdzM ττττ =⇒=⋅−⋅=∑ yz 0 0 xzxzzxy dxdydzdzdxdyM ττττ =⇒=⋅−⋅=∑ zx 00 yxyxxyz dydxdzdxdydzM ττττ =⇒=⋅−⋅=∑ xy 00 P z y x 0 τzx τzy τxz τxy τyx τyzτzx τzy σz σy σx dx dz dy σz dy La igualdad entre las tensiones tangenciales, actuando sobre planos ortogonales entre sí, puede demostrarse, por ejemplo, estableciendo el equilibrio de un pequeño paralelepípedo de espesor dz. Apliquemos la fuerza Vx: Vx=τyxdxdz x y dx dy El equilibrio requiere que, sobre la cara inferior, actúe una fuerza igual y de signo contrario, lo que producirá un par: Este par debe estar equilibrado por otro (antihorario) consecuencia de dos fuerzas verticales Vy actuando sobre las caras verticales: Vx=τyxdxdz x y Vy=τxydydz Vx=τyxdxdz x y Vx=τyxdxdz Mz=Vxdy=τyxdxdydz dy ( ) ( ) xyyx xyyx dxdydzdydxdz ττ ττ = = Utilizando: ∑ = 0zM obtenemos: Conclusión: Si sobre un plano en las proximidades de un punto, existe una tensión tangencial, sobre un plano ortogonal al anterior debe existir una tensión tangencial del mismo valor. Vx=τyxdxdz x y Vy=τxydydzdy dx Teniendo en cuenta que, sobre cada una de las caras del paralelepípedo infinitesimal considerado (punto elástico), actúan tres componentes del vector tensión correspondiente, se obtendrían, en total, 18 valores de los que sólo hay 6 valores diferentes entre sí, a saber: x y z yz zx xy, , , , , σ σ σ τ τ τ En un sólido, estas componentes, serán funciones continuas de las coordenadas cartesianas del punto x,y,z. ( ) ( ) .......,,,,, zyxzyx xyxyxx ττσσ == ΩΩΩ=Ω∗ d + d + : zxxy nmdldxEje xx ττσσ ΩΩΩ=Ω∗ d + d + : yzy nmdldyEje xyy τστσ ΩΩΩ=Ω∗ d + d + : zyz nmdldzEje zxz σττσ TENSIONES ACTUANDO EN UN PLANO CUALQUIERA z y x τzx τzy τxz τxyτyx τyz σ∗z σy σx σz σ∗y σ∗x C B A P π u = l i + m j + n k kji *z * y * x * rrrr σσσσ ++= TENSOR DE TENSIONES (o Tensor de Cauchy) Augustin-Louis CAUCHY (1789-1857) σx ∗ σy ∗ σz ∗ ⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ ′ σ [ ] { = σx τxy τzx τxy σy τyz τxz τyz σz ⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ T[ ] 1 2 4 4 3 4 4 l m n ⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ ⎟ r n [ ] { [ ] [ ] [ ] nT rr =∗σ u u * ( ) k)z,y,x(Zj)z,y,x(Yi)z,y,x(Xz,y,xfv rrrr ++= FUERZAS INTERNAS POR UNIDAD DE VOLUMEN y x z dVfFd V ⋅= rr int dV Fuerza interna, por unidad de volumen Ejemplo 2: sólido en movimiento (fuerzas de inercia) ( )kzjyixadVadmfv r && r && r && rrr ++−=×−=×−= ρρ/ zzyxZyzyxYxzyxX &&&&&& ρρρ −=−=−= ),,(,),,(,),,( Ejemplo 1: sólido sometido a la acción de la gravedad según el eje y X(x,y,z) y Z(x,y,z) serían nulas y la función Y(x,y,z)= - ρg ( ) jgzyxfv rr ρ−=,, y x z ECUACIONES DE EQUILIBRIO INTERNO x x x dxx ∂σ′σ = σ + ∂ xy xy xy zx zx zx dx x dx x ∂τ ′τ = τ + ∂ ∂τ′τ = τ + ∂ dx τyx σy τyz σy τyx τyz ´ ´ ´ σz τzxτzy σz τzx τzy ´´´ X + ∂σx ∂x + ∂τxy ∂y + ∂τzx ∂z = 0 Y + ∂τxy ∂x + ∂σy ∂y + ∂τyz ∂z = 0 Z + ∂τzx ∂x + ∂τyz ∂y + ∂σz ∂z = 0 ECUACIONES DE EQUILIBRIO EN EL CONTORNO Sobre la superficie exterior del sólido (contorno) pueden, o no, actuar tensiones que, directamente, se apliquen al sólido ΩΩ dfFd contorno ⋅= rrz y x dΩ Fuerza, por unidad de superficie, en el contorno FUERZA, POR UNIDAD DE SUPERFICIE, QUE ACTÚA SOBRE EL CONTORNO ( ) ( ) ( ) kz,y,xZjz,y,xYiz,y,xXf rrrr ++=Ω σ σ P Q x y P σ jf rr σΩ = Q 0f rr =Ω EJEMPLO: Y, sin embargo, en los puntos muy próximos a la superficie del sólido pueden existir tensiones internas. En un punto P próximo al contorno del sólido, deberá existir equilibrio entre las tensiones y las fuerzas, por unidad de superficie, aplicadas. x y z knjmilu rrrr ++= Ωf r τyxσy τyz σz τzx τzy σxτxy τzx nmlX zxxyx ττσ ++= nmlY yzyxy τστ ++= nmlZ zyzzx σττ ++= Ecuaciones de equilibrio en el contorno: Contorno del sólido P CAMBIO DEL SISTEMA DE REFERENCIA [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] T tensor de tensiones en P referido al sistema x, y,z T tensor de tensiones en P referido al sistema x , y ,z R matriz del cambio de ejes u = componentes de un vector unitario respecto al sistema x, y,z u c = ′ ′ ′ ′= = ′ = r r omponentes de un vertor unitario respecto al sistema x ,y ,z′ ′ ′ [ ] [ ][ ][ ] [ ] [ ] [ ][ ]RTRT RTRT T T =′ ′= x y x y x’ y’ θ [ ] ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − = θθ θθ R cossen sencos CASO BIDIMENSIONAL: σx’ σy’ τx’y’ σx σy τxy x y x’y’ θ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −− −= ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ′′ ′ ′ xy y x 22 22 22 yx y x sencoscossencossen cossen2cossen cossen2sencos τ σ σ θθθθθθ θθθθ θθθθ τ σ σ TENSIONES Y DIRECCIONES PRINCIPALES Sea un sólido sometido a un sistema de cargas, P un punto cualquiera del sólido (punto genérico) y [T] el correspondiente tensor de tensiones afecto a dicho punto. ¿existirá algún plano, que pase por las proximidades (a distancia infinitesimal) del punto P, tal que el vector tensión correspondiente, sea ortogonal a dicho plano (es decir, que el vector tensión no tenga componente según el plano o, lo que es lo mismo, que sobre dicho plano no actúa ninguna tensión tangencial)? n df σ u dfσ τ=0 , , [ ] [ ] [ ]T u′σ = rr [ ] [ ]u′σ = σ rr [ ] [ ] [ ]0 I- =uT rσ Vector tensión en una dirección cualquiera: Vector tensión en la dirección que buscamos: knjmilu rrrr ++= ( ) ( ) ( ) ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ − − =++− 0=n +m +l 0=n +m +l 0 zyz yzy σσττ τσστ ττσσ zx xy zxxyx nml 0= σσττ τσστ ττσσ − − − zyzzx yzyxy zxxyx ( ) ( ) ( ) ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ − − =++− 0=n +m +l 0=n +m +l 0 zyz yzy σσττ τσστ ττσσ zx xy zxxyx nml Para que este sistema tenga solución distinta de la trivial: σ3 − I1 σ 2 + I2 σ − I3 = 0 1 x y z 2 2 2 2 x y y z z x yz zx xy 3 I I I T = σ + σ + σ = σ σ + σ σ + σ σ − τ − τ − τ = Ecuación característica: Invariantes: Tensiones principales max int minσ σ σ≥ ≥ 321 σσσ ≥≥ σmax σmax σmin σmin σint σint Direcciones y tensiones principales: σ1 0 0 0 σ2 0 0 0 σ3 ⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ Tensor de tensiones: I1 = σ1 + σ2 + σ3 I2 = σ1σ2 + σ2σ3 + σ3σ1 I3 = σ1σ2σ3 Invariantes: 1 2 2 2 2 2 2 2 3 2 x y z x y x z y z xy xz yz x y z xy xz yz x yz y xz z xy I I I σ σ σ σ σ σ σ σ σ τ τ τ σ σ σ τ τ τ σ τ σ τ σ τ = + + = + + − − − = + − − − Las tensiones tangenciales sobre los planos principales son nulas σ1 z y x σ2 σ3 TENSIÓN HIDROSTATICA Y TENSIONES DESVIADORAS 333 1321 cahidrostati I p zyx = ++ = ++ == σσσσσσ σ 444 3444 214342144 344 21 desviadora comp. zyzzx yzyxy zxxyx cahidrostati comp. tensionesdetensor ' ' ' + 00 00 00 ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ σττ τστ ττσ σττ τστ ττσ p p p zyzzx yzyxy zxxyx ppp zzyyxx −=−=−= σσσσσσ ' ; ' ; ' ( ) 27 2792 3 0 321 3 1 3 2 1 22 1 IIII J IIJ J +− = −= =Invariantes del tensor desviador: ELIPSOIDE DE TENSIONES P σ1 σ2σ2 σ1 P σ1 σ2σ2 σ1 P σ1 σ2σ2 σ1 A Aθ P σ1 σ2σ2 σ1 P σ1 σ2σ2 σ1 A Aθ A Aθ P σ1 σ1 P σ2σ2 ESTADO I ESTADO II P σ1 σ1 P σ2σ2 ESTADO I ESTADO II = + P σ∗ n σ∗∗ P σ∗σ∗ nn σ∗∗σ∗∗ θσσ cos* 1= r Estado I: θσσ sen** 2 ⋅= r Estado II: P n σ∗ σ∗∗+ P nn σ∗ σ∗∗+σ∗σ∗ σ∗∗σ∗∗+ P n σ∗ σ∗∗+ x y P n σ∗ σ∗∗+ P nn σ∗ σ∗∗+σ∗σ∗ σ∗∗σ∗∗+ x y ¿Cuál es el lugar geométrico del extremo del vector tensión total, correspondiente a dicho punto, cuando variemos el ángulo θ ? θσ θσ cos sen 1 2 ⋅= ⋅= y x 1 1 2 2 2 =+ σσ yx Coordenadas del extremo del vector tensión: x y z ⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ = σ1 0 0 0 σ2 0 0 0 σ3 ⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ l m n ⎛ ⎝ ⎜ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ ⎟ → x = σ1 l y = σ2 m z = σ3 n ⎫ ⎬ ⎪ ⎭ ⎪ x2 σ1 2 + y2 σ2 2 + z2 σ3 2 = 1 CASO TRIDIMENSIONAL: I1=Suma de las longitudes de los tres semiejes del elipsoide I2 =proporcional a la suma de las áreas de las tres elipses que intercepta el elipsoide con los planos principales I3 =proporcional al volumen del elipsoide σ1σ2 σ3 Otto MOHR (1835-1918) EL CIRCULO DE MOHR: APLICACION A SITUACIONES BIDIMENSIONALES -Tensiones normales: positivas si son de tracción -(negativas si fueran de compresión) - Tensiones tangenciales: + - σy τxy σxτ θ θ u y x σn Signos a considerar para la construcción del círculo de Mohr: - La tensión normal será positiva si es de tracción - La tensión tangencial es positiva si, desde el centro del punto elástico, produjera un giro en sentido horario τ > 0 τ σn >0 TRACCION x x xy y xy y cos sen ∗ ∗ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞σ σ τ θ⎛ ⎞ =⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟σ τ σ θ⎝ ⎠⎝ ⎠ ⎝ ⎠ θ u 2 2 n x xy y yx xy cos sen2 sen sen2 sen2 cos2 2 2 σ = σ θ + τ θ + σ θ σσ τ = θ − θ − τ θ σy τxy σxτ θ θ u y x σn x y x y n xy x y xy cos2 sen2 2 2 sen2 cos2 2 ⎡ ⎤σ + σ σ − σ σ − = θ + τ θ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ σ − σ τ = θ − τ θ que corresponden a la ecuación de una circunferencia (en un plano cuyos ejes fueran σ y τ (Plano de Mohr) de centro: (σx +σy )/2 y radio: 1 4(σ x−σy ) 2 +τ xy2 Existe una correspondencia biunívoca entre cada dirección que consideremos en el punto elástico en estudio y un punto del círculo de Mohr correspondiente a ese punto elástico: a cada dirección que pasa por las proximidades del punto P le corresponde un punto del círculo de Mohr cuya abcisa es la componente normal del vector tensión que actúa sobre la dirección considerada y cuya ordenada es la componente tangencial de dicho vector tensión Una vez dibujado el círculo de Mohr, pueden obtenerse, por ejemplo, los valores de las tensiones principales así como las direcciones sobre las que actúan. σ τ C ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + 0 2 ,yx σσ ( )xyx τσ −, ( )xyy τσ , ( )τσ −,2θ ( )maxτ ( )maxτ σ1 σ2 PASOS PARA EL DIBUJO DEL CÍRCULO DE MOHR A B A B C A B C A B OBTENCIÓN DE LAS TENSIONES Y DIRECCIONES PRINCIPALES Dirección principal 1 Dirección principal 2 Plano principal 1 Plano principal 2 x y σ1 σ2 σxσx σy σy τxy y x σ τ σ1σ2 σx σy 2 yx σσ + ε τxy τxy τmax PROPIEDADES CIRCULO DE MOHR: Obtención del Polo del Círculo de Mohr: x y (σx,-τxy) (σy,τxy) σ τ POLO Otros aspectos del círculo de Mohr. A (σ,τ) B C σ A σ τ θ σ τ σ θ Direcciones en las que el ángulo del vector tensión con la normal al plano sobre el que actúa es máximo σ τ (σx,-τxy) (σy,τxy) σ τ POLO ¿A qué dirección representa el POLO del círculo de Mohr? SOFTWARE DISPONIBLE EN LA RED http://www.tecgraf.puc-rio.br/etools/mohr/mohreng.html http://www.eng.usf.edu/~kaw/software/ http://www.umoncton.ca/turk/CdeMohr.xls TENSIONES TANGENCIALES MÁXIMAS (Problemas bidimensionales) σΙΙΙ=0 σΙΙ σΙ x y z σΙΙΙ=0 σΙΙ σΙ σΙΙΙ=0 σΙΙ σΙ x y z σΙ σΙΙ σΙ σΙΙ σΙ σΙΙ σ τ σΙσΙΙ τmax σ τ σΙσΙΙ τmax 2max III σστ − = σΙ Dirección de σIII σΙ Dirección de σIII σ τ σΙ σΙΙΙ=0 τmax σ τ σΙ σΙΙΙ=0 σ τ σΙ σΙΙΙ=0τmax 2max Iστ = σ τ σΙ σΙΙΙ=0 σΙΙ τmax σ τ σΙ σΙΙΙ=0 σΙΙ τmax 2max IIστ = I II I II max Máximo de , ,2 2 2 ⎛ σ − σ σ σ ⎞ τ = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ σΙΙ Dirección de σIII ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −−− = 2 , 2 , 2 deMáximo 323121max σσσσσσ τ TENSIONES TANGENCIALES MÁXIMAS (Problemas tridimensionales) http://www.engin.umich.edu/students/support/mepo/ELRC/me211/mohr.html Más, en la web, sobre círculo de Mohr:
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