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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Plantel Aragón INGENIERIA INDUSTRIAL CLASE “ mecánica de materiales” trabajo GRUPO:2804 NOMBRE DE LA PROFESORA: MARTHA BERENICE FUENTES FLORES NOMBRE DEL ALUMNO: CORTES HERNANDEZ RICARDO FECHA DE ENTREGA: 13 DE FEBRERO DEL 2023 4.1.- Circulo de Mohr para Esfuerzo plano El círculo usado para obtener algunas de las ecuaciones básicas relativas a la transformación de un esfuerzo plano lo introdujo el ingeniero alemán Otto Mohr (1835-1918) y se conoce como circulo de Mohr para esfuerzo plano. Como se verá este círculo puede utilizarse como método alternativo de solución para los problemas. Este método se basa en consideraciones geométricas simples y no requiere el uso de ecuaciones especializadas, Aunque diseñado para obtener soluciones graficas, se presta también al uso de una calculadora. Considere un elemento cuadrado de un material sometido a esfuerzo plano (véase la figura 5.15ª), y sea 𝜎𝑥, 𝜎𝑦 y 𝜏𝑥𝑦 las componentes del esfuerzo ejercido sobre el elemento. Dibújese un punto X de coordenadas 𝜎𝑥 y −𝜏𝑥𝑦, y un punto Y de coordenadas 𝜎𝑦 y + 𝜏𝑥𝑦(véase la figura 5.15b). Si 𝜏𝑥𝑦 es positivo, como se supone en la figura 6.15ª, el punto X está situado debajo del eje 𝜎 y el punto Y encima, como se muestra en la figura 5.15b. Si 𝜏𝑥𝑦 es negativo, X se situa encima del eje 𝜎 y Y debajo. Uniendo X y Y mediante una línea recta se define el punto C de intersección de la línea XY con el eje 𝜎 y se dibuja el circulo de centro respectivamente iguales a las cantidades 𝜎𝑚𝑒𝑑 y R definidas por las ecuaciones (5.10), se concluye que el circulo obtenido es el circulo de Mohr para esfuerzo plano. Así las abscisas de los puntos A y B, en donde el círculo interseca al eje 𝜎, representan respectivamente los esfuerzos principales 𝜎𝑚𝑎𝑥 y𝜎𝑚𝑖𝑛 en el punto considerado. Se nota también que como tan(𝑋𝐶𝐴) = 2𝜏𝑥𝑦 /(𝜎𝑥 − 𝜎𝑦), el angulo XCA es igual en magnitud a uno de los angulos 2𝜃𝑝 que satisfacen la ecuación (5.12). Así el ángulo 𝜃𝑝 que define en la figura 5.15ª, la orientación del plano principal correspondiente al punto A en la figura 5.15b puede obtenerse dividiendo por la mitad el ángulo XCA medido en el círculo de Mohr. Obsérvese además que si 𝜎𝑥 > 𝜎𝑦 𝑦 𝜏𝑥𝑦 > 0, como en el caso considerado aquí, la rotación que trae CX a CA es de sentido contrario a las agujas del reloj. Pero en este caso el ángulo 𝜃𝑝 obtenido de la ecuación (5.12), el cual define la dirección de la normal 𝑂𝑎 al plano principal, es positivo; así la rotación que trae 𝑂𝑥 𝑎 𝑂𝑎 es también de sentido contrario a las agujas del reloj. Se concluye que los sentidos de rotación en ambas partes de la figura 5.15 son los mismos. Si se requiere una rotación 2𝜃𝑝 en sentido contrario a las agujas del reloj para llevar CX a CA en el círculo de Mohr, una rotación en sentido contrario al de las agujas del reloj 𝜃𝑝 llevara 𝑂𝑥 𝑎 𝑂𝑎 en la figura 5.15ª. Como el circulo de Mohr está definido en forma única, el mismo circulo puede obtenerse considerando las componentes 𝜎𝑥´, 𝜎𝑦´ , 𝑦 𝜏𝑥´𝑦´, correspondientes a los ejes x´y y´ de la figura 5.16ª. El punto X´ de las coordenadas 𝜎𝑥´ 𝑦 −𝜏𝑥´𝑦´ , y el punto Y´de las coordenadas 𝜎𝑥´ 𝑦 +𝜏𝑥´𝑦´ , están por tanto localizadas en el círculo de Mohr y el ángulo X´CA de la figura 5.16b debe ser el doble del ángulo 𝑥𝑂𝑎 se sigue en el angulo XCX´ de la figura 5.16b es el doble 𝑥𝑂𝑥´ de la figura 5.16ª. Así el diámetro x´y´ que defines los esfuerzos normales y cortantes 𝜎𝑥´, 𝜎𝑦´ , 𝑦 𝜏𝑥´𝑦´, pueden obtenerse girando el diámetro XY un ángulo igual al doble del ángulo 𝜃 formado por los ejes x y x´ de la figura 5.16ª se observa que la rotación que hace coincidir el diámetro XY con el diámetro X´Y´, en la figura 5.16b, tienen igual sentido que la rotación que se supone los ejes xy a los ejes x´ y ‘en la figura 5.16 a. La propiedad que se acaba de indicar puede usarse para verificar el hecho de que los planos de esfuerzo cortante máximo están a 45° de los planos principales. Ciertamente recuérdese que los puntos D y E del circulo de Mohr corresponden a los planos de esfuerzo cortante máximo, mientras A y B corresponden a los planos principales (véase la figura 5.17b). Puesto que los diámetros AB y DE del circulo de Mohr están a 90° el uno del otro, se sigue que las caras de los elementos correspondientes a 45° la una de la otra (véase la figura 5.17ª). La construcción del círculo de Mohr para esfuerzo plano se simplifica mucho si se considera separadamente cada cara del elemento usado para definir las componentes del esfuerzo. De la figura 5.15 y 5.16 obsérvese que cuando el esfuerzo cortante ejercido sobre una cara dada tiende a hacer girar el elemento con las agujas del reloj, el punto correspondiente a esa cara está colocado por encima del eje 𝜎 en el círculo de Mohr. Cuando el esfuerzo cortante en una cara tiende a hacer girar el elemento contra las agujas del reloj, el punto correspondiente a esa cara está localizado debajo del eje 𝜎 (véase la figura 5.18). En cuanto a los esfuerzos normales, se usa la convención usual, es decir, un esfuerzo de tensión se considera positivo y se grafica a la derecha, mientras una compresión es negativa y se grafica hacia la izquierda. Ejemplo Para el estado de esfuerzo plano considerado en el ejemplo 5.01, a) trace el circulo de Mohr, b) determine los esfuerzos principales, c) halle el esfuerzo cortante máximo y el correspondiente esfuerzo normal. a) Construcción del círculo de Mohr. Se advierte en la figura 5.19ª que el esfuerzo normal ejercido sobre cara orientada hacia el eje x es de tensión (positiva) y que el esfuerzo cortante ejercido sobre esa cara tiende a hacer girar el elemento contra las agujas del reloj. El punto X del circulo de Mohr, por tanto, se dibujara a la derecha del eje vertical y debajo del eje horizontal (véase la figura 5.19b). una inspección similar de las esfuerzos normal y cortante ejercido sobre la cara superior del elemento muestra que el punto y debe dibujarse a la izquierda del eje vertical y encima del eje horizontal. Dibujando la línea XY, se obtiene el centro C del circulo Mohr, su abscisa es: 𝜎𝑚𝑒𝑑 = 𝜎𝑥 + 𝜎𝑦 2 = 50+(−10) 2 = 20𝑀𝑃𝑎. Puesto que los lados del triángulo sombreado son 𝐶𝐸 = 50 − 20 = 30 𝑀𝑃𝑎 y 𝐹𝑋 = 40 𝑀𝑃𝑎 El radio del círculo es 𝑅 = 𝐶𝑋 = √(30)2 + (40)2 = 50 𝑀𝑃𝑎 b) Esfuerzos y planos principales. Los esfuerzos principales son 𝜎𝑚𝑎𝑥=𝑂𝐴 = 𝑂𝐶 + 𝐶𝐴 = 20 + 50 = 70 𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑚𝑖𝑛=𝑂𝐵 = 𝑂𝐶 − 𝐵𝐶 = 20 − 50 = 30 𝑀𝑃𝑎 Recordando que el ángulo ACX representa 2𝜃𝑝 (véase la figura 5.19b), se escribe: 𝑡𝑎𝑛2𝜃𝑝 = 𝐹𝑋 𝐶𝐹 = 40 30 2𝜃𝑝 = 53.1° 𝜃𝑝=26.6° Como a rotación que lleva CX a CA, en la figura 5.20b, es contra las agujas del reloj, la rotación que lleva Ox hasta el eje Oa, que corresponde a 𝜎𝑚𝑎𝑥 En la figura 5.20 a, es también contra las agujas del reloj. c) Esfuerzo cortante máximo. Ya que una rotación adicional de 90° contra las agujas del reloj CA a CD en la figura 5.20b, una rotación adicional de 45° contra el reloj llevara el eje Oa a Od que corresponde al máximo esfuerzo cortante en la figura 5. 20ª. Se observa en la figura 6.20b que𝜏𝑚𝑎𝑥 = 𝑅 = 50𝑀𝑃𝑎 y que el esfuerzo normal correspondiente es 𝜎´ = 𝜎𝑚𝑒𝑑 = 20 𝑀𝑃𝑎. Como el punto D está por encima del eje 𝜎 en la figura 5.20b, los esfuerzos cortantes ejercidos sobre las caras perpendiculares a Od en la figura 5.20 a deben estar dirigidos de manera que tiendan a rotar el elemento en sentido de las agujasdel reloj. El circulo de mohr provee un modo conveniente de verificar los resultados obtenidos antes, para esfuerzos bajo carga axial céntrica (véase la sección 1.8) y bajo carga torsional (véase la sección 3.4). En el primer caso (véase la figura 6.21a), se tiene 𝜎𝑥 = 𝑃 𝐴⁄ , 𝜎𝑦 = 0 y 𝑇𝑥𝑦 = 0. Los puntos correspondientes X y Y definen un circulo de radio 𝑅 = 𝑃 2𝐴⁄ que pasa por el origen de coordenadas (véase la figura 6.21b). Los puntos D y E dan la orientación de los planos de esfuerzo cortante máximo (véase la figura 6.21c) , así como los valores de 𝑇𝑚𝑎𝑥 y el correspondiente esfuerzo normal s´. 𝑇𝑚𝑎𝑥 = 𝜎´ = 𝑅 𝑃 2𝐴 (6.18) En el caso de torsión (véase la figura 6.22) se tiene 𝜎𝑥 = 𝜎𝑦 = 0 𝑦 𝑇𝑥𝑦 = 𝑇𝑚𝑎𝑥 = 𝑇𝑐/𝐽. Los puntos X e Y están localizados en el eje t y el circulo de mohr tiene un radio 𝑅 = 𝑇𝑐/𝐽 centrado en el origen (véase la figura 6.22b). Los puntos A y B definen los planos principales (véase la 6.22c) y los esfuerzos principales. 𝜎𝑚𝑎𝑥,𝑚𝑖𝑛 = 𝑅− + = 𝑇𝑐/𝐽− + (6.19) PROBLEMA MODELO 6.2 Para el estado de esfuerzo plano mostrado, determine: a) los esfuerzos principales y los planos principales b) las componentes del esfuerzo ejercidas sobre el elemento obtenido rotando el elemento dado 30° contra las agujas del reloj. Construcción del círculo de Mohr. Se nota que en una cara perpendicular al eje x, el esfuerzo normal es de tensión y el esfuerzo cortante tiende a rotar el elemento con las agujas del reloj; se elabora la grafica de X en un punto 100 unidades a la derecha del eje vertical y 48 unidades sobre el eje horizontal. En forma similar, se examinan las componentes del esfuerzo en la cara superior y hacemos la grafica del punto Y (60.- 48). Uniendo los puntos X y Y mediante una recta, se define el centro C del circulo de mohr. La abscisa de C, que representa 𝜎𝑚𝑒𝑑, y el radio R del círculo pueden medirse directamente o calcularse como sigue: 𝜎𝑚𝑒𝑑 = 𝑜𝑐 = 1 2 (𝜎𝑥 + 𝜎𝑦) = 1 2 (100+60)= 80MPa 𝑅 = √(𝐶𝐹)2 + (𝐹𝑋)2 = √(20)2 + (48)2 = 52𝑀𝑃𝑎 a) Planos principales y esfuerzos principales. Rotamos el diámetro XY en el sentido de las agujas del reloj 2θp hasta que coincida con el diámetro AB. Se tiene tan 2𝜃𝑝 = 𝑋𝐹 𝐶𝐹 = 48 20 = 2.4 2𝜃𝑝 = 67.4° 𝜃𝑝 = 33.7° Los esfuerzos principales estan representados por las abscisas de los puntos A y B: 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 𝑂𝐴 = 𝑂𝐶 + 𝐶𝐴 = 80 + 52 𝜎𝑚𝑎𝑥 = +132𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑚𝑖𝑛 = 𝑂𝐵 = 𝑂𝑐 − 𝐵𝐶 = 80 − 52 𝜎𝑚𝑖𝑛 = +28𝑀𝑃𝑎 Como la rotación que trae XY hasta AB es en el sentido de las agujas del reloj, la rotación que trae Ox al eje Oa, que corresponde a 𝜎𝑚𝑎𝑥 , es también en el mismo sentido. Se obtiene la orientación mostrada para los planos principales. b) Componentes del esfuerzo en el elemento rotado 30°. Los puntos X´e Y´que corresponden en el elemento rotado, se obtienen girando XY en el sentido contrario al de las agujas del reloj, un ángulo 2θ=60°. Se tiene: Ф=180°-60°-67.4° Ф=52.6° 𝜎𝑥´ = 𝑂𝐾 = 𝑂𝐶 − 𝐾𝐶 = 80 − 52𝑐𝑜𝑠52.6° 𝜎𝑥´ = +48.4𝑀𝑃𝑎 𝜎𝑦´ = 𝑂𝐿 = 𝑂𝐶 + 𝐶𝐿 = 80 + 52𝑐𝑜𝑠52.6° 𝜎𝑦´ = +111.6𝑀𝑃𝑎 𝑇𝑥´𝑦´ = 𝐾𝑋´ = 52𝑠𝑒𝑛 52.6° 𝑇𝑥´𝑦´ = 41.3𝑀𝑃𝑎 Como X´esta localizada encima del eje horizontal, el esfuerzo cortante en la cara normal a OX´ tiende a rotar el elemento en el sentido de las agujas del reloj. PROBLEMA MODELO 6.3 Un estado de esfuerzo plano consta de un esfuerzo de tensión 𝜎0 = 8k si ejercido sobre las superficies verticales y de esfuerzos cortantes desconocidos. Halle: a) la magnitud del esfuerzo cortante 𝑇0 para el cual el mayor esfuerzo normal es 10ksi, b) el correspondiente esfuerzo cortante máximo. Se supondrá que los esfuerzos cortantes actúan en los sentidos mostrados. En consecuencias, el esfuerzo cortante 𝑇0 en una cara normal al eje x tiende a rotar el elemento en el sentido de las agujas del reloj y se traza el punto X de coordenadas 8ksi y 𝑇0 por encima del eje horizontal. Considerado una cara horizontal del elemento, se observa que 𝜎𝑦 = 0 y que 𝑇0 tiende a rotar el elemento en sentido contrario al de las agujas del reloj, se traza el punto Y a una distancia 𝑇0 por debajo de 0. Se observa que la abscisa del centro C del circulo de mohr es: 𝜎𝑚𝑒𝑑 = 1 2 (𝜎𝑥 + 𝜎𝑦)= 1 2 (8 + 0) = 4𝑘𝑠𝑖 El radio R del circulo se halla observado que el máximo esfuerzo norma, 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 10𝑘𝑠𝑖 esta representado por la abscisa del punto A y escribiendo 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 𝜎𝑚𝑒𝑑 + 𝑅 10ksi=4ksi+R R=6ksi a) Esfuerzo cortante 𝑇0. Considerando el triangulo rectángulo CFX, se halla cos 2𝜃𝑝 = 𝐶𝐹 𝐶𝑋 = 𝐶𝐹 𝑅 = 4𝑘𝑠𝑖 6𝑘𝑠𝑖 2𝜃𝑝 = 48.2° 𝜃𝑝 = 24.1° 𝑇0 = 𝐹𝑋 = 𝑅𝑠𝑒𝑛 2𝜃𝑝 = (6𝑘𝑠𝑖)𝑠𝑒𝑛 48.2° 𝑇0 = 4.47𝑘𝑠𝑖 b) Esfuerzo cortante máximo. Las coordenadas del punto D, del circulo de mohr, representa el esfuerzo cortante máximo y el esfuerzo normal correspondiente. 𝑇𝑚𝑎𝑥 = 𝑅6𝑘𝑠𝑖 𝑇𝑚𝑎𝑥 = 6𝑘𝑠𝑖 2𝜃𝑠 = 90° − 2𝜃𝑝 = 90° − 48.2° = 41.8° 𝜃𝑥 = 20.9° El esfuerzo cortante máximo se ejerce sobre un elemento orientado como se muestra en la figura a. también se muestra el elemento sobre el cual se ejercen los esfuerzo principales. Nota: Si se invirtiera nuestra hipótesis original sobre el sentido de 𝑇0 obtendríamos el mismo círculo y las mismas respuestas, pero la orientación del elemento seria como la que ilustra la figura b. 4.2.- Análisis de esfuerzo bajo Cargas combinadas A menudo es posible analizar un miembro estructural sometido a cargas combinadas superponiendo los esfuerzos y deformaciones causados por cada carga que actúa por separado. Ahora bien, la superposición de los esfuerzos y las deformaciones es permisible solo en ciertas condiciones. Un requisito es que los esfuerzos y las deformaciones deben ser funciones lineales de las cargas aplicadas. Esto requiere a su vez que el material obedezca la ley de Hoce y que los desplazamientos sean pequeños. Otro requisito es que no debe existir interacción entre las diversas cargas; es decir, los esfuerzos y deformaciones causados por una de las cargas no deben verse afectados por la presencia de otras cargas. La mayor parte de las estructuras comunes satisfacen estas dos condiciones, por lo que el uso de la superposición es muy común en el trabajo ingenieril. Si bien hay muchas maneras de analizar una estructura sometida a más de un tipo de carga, por lo general el procedimiento incluye los siguientes pasos: 1.- Se elige un punto en la estructura para determinar los esfuerzos y las deformaciones (Por lo general se escoge un punto en una sección transversal, donde los esfuerzos son grandes; por ejemplo, en una sección transversal, donde el momento flexionante tiene su valor máximo). 2.- Para cada carga sobre la estructura se determinan las resultantes de esfuerzo en la sección transversal que contenga el punto seleccionado (Las posibles resultantes de los esfuerzos son una fuerza axial, un momento de torsión, un momento flexionante y una fuerza cortante). 3.- Se calculan los esfuerzos normal y cortante en el punto seleccionado debido a cada una de las resultantes de esfuerzos. Además si la estructura es un recipiente a presión, determinar los esfuerzos debidos a la presión interna. El procedimiento descrito para analizar los esfuerzos en los puntos A y B, puede usarse en otros puntos. Los puntos donde los esfuerzos calculados con la formula de flexión y las formulas de los cortantes tienen valores máximos y mínimos, llamados puntos críticos, los esfuerzos normales debidos a la flexión son máximos en la sección transversal de momento flexionante máximo que se presentaen el soporte, por tanto, los puntos en las partes superior e inferior de la viga en el extremo empotrado son los puntos críticos para el cálculo de los esfuerzos. Como paso final, los esfuerzos principales y los esfuerzos cortantes máximos en los puntos críticos pueden compararse entre sí para determinar los esfuerzos normales y cortantes máximos absolutos en la barra. Con la variedad de situaciones practicas no parece tener limite, no vale la pena obtener formulas especificas para calcular los esfuerzos máximos. Cada estructura suele tratarse como caso especial. Selección de los puntos críticos http://3.bp.blogspot.com/-QRm1tUKfY-M/TsFPlBOb-sI/AAAAAAAAACw/FvpWQVGN3V0/s1600/ana+3.JPG Si el objetivo del análisis es determinar los esfuerzos máximos en cualquier parte de la estructura, entonces hay que escoger los puntos críticos en secciones transversales donde las resultantes de esfuerzos alcancen los valores máximos. Ya en dichas secciones se elegirán los puntos en que los esfuerzos normales o los esfuerzos cortantes tengan sus valores máximos. Si la selección de los puntos se hace con buen juicio, podremos estar razonablemente seguros de haber obtenido los esfuerzos máximos en la estructura. Sin embargo, a veces es difícil reconocer de ante mano donde se localizan los esfuerzos máximos en el miembro. Entonces quizá sea necesario investigar los esfuerzos en un gran número de puntos. Otras estrategias también pueden resultar útiles, como obtener ecuaciones especificas para el problema en consideración o a elaborar hipótesis simplificadoras a fin de facilitar un análisis que podría resultar sumamente difícil sin ellas. Ejemplo: Un poste circular hueco con diámetro exterior de 220 mm y diámetro interior de 180 mm sostiene un letrero de dimensiones de 2.0 m x 1.2 m. El letrero esta desplazado 0.5 m del centro del poste y su borde inferior esta 6.0 m sobre el terreno. Solución La presión del viento contra el letrero produce una fuerza resultante W que actúa en el punto medio de este y es igual a la presión p multiplicada por el área A sobre la que actúa: http://3.bp.blogspot.com/-SSSgow3VpEU/TsFTHzuK1VI/AAAAAAAAADI/gpx-RW-yThU/s1600/ana+5.JPG http://1.bp.blogspot.com/-dW_y--bMnyo/TsFNF9q31NI/AAAAAAAAACY/c43Bwzn99Vw/s1600/ana+1.JPG http://2.bp.blogspot.com/-A01-erwkiSM/TsFSK3BK1II/AAAAAAAAADA/R-3gW4X4pfI/s1600/ana+4.JPG La línea de acción de esta fuerza esta a una altura h = 6.6 m sobre el suelo y una distancia b = 1.5 m de la línea central del poste. La fuerza del viento que actúa sobre el letrero es estáticamente equivalente a una fuerza lateral W y a un par de torsión T que actúa sobre el poste. El par es igual a la fuerza W multiplicada por la distancia b: Las resultantes de esfuerzos en la base del poste son un momento flexionante M, un par de torsión T y una fuerza cortante V. Sus magnitudes son: El examen de estas resultantes de esfuerzos muestra que los esfuerzos de flexión máximos ocurren con el punto A y los esfuerzos cortantes máximos con el punto B; Por tanto A y B son puntos críticos donde deben determinarse los esfuerzos. Esfuerzos en el los puntos A y B. El momento flexionarte M produce un esfuerzo de tensión en el punto A pero ningún esfuerzo en el punto B. El esfuerzo de tensión en el punto A se obtiene con la formula de flexión: http://2.bp.blogspot.com/-A9GoNQhCyGE/TsFUkEyQKhI/AAAAAAAAADQ/4cj0RXSEjRs/s1600/ana+6.JPG http://3.bp.blogspot.com/-VwmTx4fhIYE/TsFVYvuPqEI/AAAAAAAAADY/aDYyG6g3e5I/s1600/ana+7.JPG http://2.bp.blogspot.com/-NcTkl9TgQfU/TsFXJiZ5LvI/AAAAAAAAADg/FGADvsk5iQQ/s1600/ana+8.JPG Donde d2 es el diámetro exterior (220 mm) e I es el momento de inercia de la sección transversal. El momento de inercia es: Donde d1 es el diámetro interior. Por la tanto el esfuerzo de tensión en el punto A es. El par de torsión T produce esfuerzos cortantes, en los puntos A y B. Podemos calcular dichos esfuerzos con la formula de torsión: Donde Ip es el momento polar de inercia: Entonces http://1.bp.blogspot.com/-qypQrTW-oRc/TsFYFqyaK4I/AAAAAAAAADo/dYFMc9eoeUc/s1600/ana+9.JPG http://4.bp.blogspot.com/-CwyrVneVVbE/TsFYwHcxo2I/AAAAAAAAADw/Og4w5qJL5P8/s1600/ana+10.JPG http://4.bp.blogspot.com/-2YAs4nNwPAE/TsFaHd0fOXI/AAAAAAAAAD4/vRgZZFSrx9g/s1600/ana+11.JPG http://3.bp.blogspot.com/-qjfSSI_6q90/TsFa0vxh2EI/AAAAAAAAAEA/QwNrxczM-6w/s1600/ana+12.JPG Por último calculamos los esfuerzos cortantes en los puntos A y B debidos a la fuerza cortante V. el esfuerzo cortante en el punto A es cero y el esfuerzo cortante en el punto B se obtiene con la fórmula del cortante para un tubo circular : ecu (j) Donde r2 y r1 son los radios exterior e interior, respectivamente, y A es el area de la seccion transversal: Al sustituir los valores numéricos en la ecu (j), obtenemos: http://2.bp.blogspot.com/-tS9pqWP7tkk/TsFbHLujs_I/AAAAAAAAAEI/vytqmLeXSwc/s1600/ana+13.JPG http://3.bp.blogspot.com/-VNKJ7GS4hMQ/TsFb9aDkr2I/AAAAAAAAAEQ/AO2zdWJ6wyI/s1600/ana+14.JPG http://2.bp.blogspot.com/-5VIvqjk4XjQ/TsFcq3AgnhI/AAAAAAAAAEY/w3QgrroWn8k/s1600/ana+15.JPG http://1.bp.blogspot.com/-ubhmdUjHvsI/TsFdZG4IgiI/AAAAAAAAAEg/uJYbqq1Yljc/s1600/ana+16.JPG Ahora hemos calculado todos los esfuerzos que actúan sobre los puntos A y B de la sección transversal. Elementos de esfuerzo. El siguiente paso es mostrar estos esfuerzos sobre elementos de esfuerzo. Para ambos elementos, el eje "y" es paralelo al eje longitudinal del poste y el eje x es horizontal. En el punto A, los esfuerzos que actúan sobre él elementos son En el punto B, los esfuerzos son Puesto que no existen esfuerzos normales que estén actuando sobre el elemento, en el punto B se encuentra en estado de cortante puro. Ahora que conocemos todos los esfuerzos que actúan sobre los elementos de esfuerzo, podemos usar las ecuaciones para determinar los esfuerzos principales y los esfuerzos cortantes máximos. Esfuerzos principales y esfuerzos cortantes máximos en el punto A. Los esfuerzos principales se obtienen con la ecuación: Sustituimos http://2.bp.blogspot.com/-YXTjxlx1L2U/TsFe7F-W02I/AAAAAAAAAEo/i6iZqSKc1j8/s1600/ana+17.JPG http://4.bp.blogspot.com/-kPQrIlJJpRE/TsFfRkHXRoI/AAAAAAAAAEw/6hzUKaKfyHI/s1600/ana+18.JPG http://4.bp.blogspot.com/-faYKrPyPsug/TsFgt5q6NMI/AAAAAAAAAE4/ppJ2VqCsA0E/s1600/ana+19.JPG Los esfuerzos máximos en el plano pueden obtenerse con la ecuación Este término se evaluó antes, por lo que vemos de inmediato que Puesto que los esfuerzos principales tienen signos opuestos, los esfuerzos cortantes máximos en el plano son mayores que los esfuerzos cortantes máximos en el plano son mayores que los esfuerzos cortantes máximos fuera del plano; por tanto, el esfuerzo cortante máximo en el punto A es de 28.2Mpa. Esfuerzos principales y esfuerzos cortantes en el punto B. Los esfuerzos en este punto son Dado que el elemento está en estado cortante puro, los esfuerzos principales son http://2.bp.blogspot.com/-XaCh4n_9Rws/TsFhGn5YdqI/AAAAAAAAAFA/U_RmX79-E3Y/s1600/ana+20.JPG http://4.bp.blogspot.com/-13U7H93mwvg/TsFhjDJ7txI/AAAAAAAAAFI/NLjofIjGHIQ/s1600/ana+21.JPG http://2.bp.blogspot.com/-mTAV6X-gGCA/TsFh9Z2eV5I/AAAAAAAAAFQ/u9g2QDx4sNU/s1600/ana+22.JPG http://2.bp.blogspot.com/-k64xWnAbQmc/TsFjcdO-okI/AAAAAAAAAFY/FO6kTRX9Y3g/s1600/ana+23.JPG http://3.bp.blogspot.com/-s0FhxK-Bsaw/TsFkUSWoZ9I/AAAAAAAAAFo/5NVQb-G4f4g/s1600/ana+24.JPG y el esfuerzo cortante máximo en el plano es Los esfuerzos cortantes máximos fuera del plano tienen la mitad de este valor. Nota: Si se requieren los esfuerzos máximos en cualquier parte del poste, hay que determinar también los esfuerzos en el punto crítico diametralmente opuesto al punto A, por que en dichopunto el esfuerzo de compresión debido a la flexión alcanza el valor máximo. Los esfuerzos principales en ese punto son y el esfuerzo cortante máximo es de 28.2 MPa; por tanto, el esfuerzo de tensión máximo en el poste es de 55.7 MPa, el esfuerzo máximo de compresión es de -55.7 MPa y el esfuerzo cortante máximo es de 28.2 MPa (Recuerde que solo se han considerado los efectos de la presión del viento en el análisis. Otras cargas, como el peso de la estructura, también producen esfuerzos en la base del poste). http://2.bp.blogspot.com/-x8MB9CXFVo4/TsFkiEHQ_tI/AAAAAAAAAFw/Hojtucfi7GU/s1600/ana+25.JPG http://1.bp.blogspot.com/-zn_TG9ZYNJ4/TsFlqqWz9tI/AAAAAAAAAF4/ozodAmxLtOI/s1600/ana+26.JPG 4.3.- Circulo de Mohr para Deformaciones El estado general del esfuerzo y la deformación es tridimensional, pero hay configuraciones geométricas particulares que pueden ser tratadas de manera distinta. Esfuerzo plano El estado de esfuerzos en dos dimensiones, es decir biaxial, también se conoce como esfuerzo plano. El esfuerzo plano requiere que un esfuerzo principal sea igual a cero. Esta situación es común en algunas aplicaciones. Por ejemplo, una placa o un cascarón delgado pueden también tener un estado de esfuerzos plano lejos de sus bordes o de sus puntos de sujeción. Estos casos se pueden tratar con el procedimiento más sencillo de las ecuaciones 4.6. Deformación plana. Hay deformaciones principales asociadas con los esfuerzos principales. Si una de las deformaciones principales (digamos ε3) es igual a cero, y las deformaciones restantes son independientes de la dimensión a lo largo de su eje principal, n3, éste se conocerá como deformación plana. Esta situación ocurre en geometrías particulares. Por ejemplo, si una barra larga, sólida, prismática está cargada únicamente en la dirección transversal, aquellas regiones dentro de ella que estén lejos de cualquier restricción en sus extremos tendrán en esencia una deformación igual a cero en la dirección a lo largo del eje de la barra, y se tratará de una deformación plana. (Sin embargo, el esfuerzo no es igual a cero en la dirección de deformación igual a cero.) Un dique hidráulico largo puede considerarse con una situación de deformación plana, en regiones muy lejos de sus extremos o de su base, donde está sujeto a estructuras vecinas. Desde hace mucho tiempo los círculos de Mohr4 han sido una forma de solución gráfica de la ecuación 4.6 y de determinar los esfuerzos principales para el caso de esfuerzos planos. Muchos libros de texto sobre diseño de máquinas presentan el método del círculo de Mohr como una técnica primordial de solución para la determinación de esfuerzos principales. Antes de la llegada de las calculadoras y de las computadoras programables, el método gráfico de Mohr era una forma razonable y práctica de resolución de la ecuación 4.6. Hoy día, sin embargo, es mucho más práctico determinar numéricamente los esfuerzos principales. Sin embargo, presentamos el método gráfico por varias razones. Puede servir como verificación rápida a una solución numérica, o quizás sea el único método viable si falla la energía de su computadora o si se agotan las pilas de su calculadora. También cumple con el útil objetivo de ser una presentación visual del estado de los esfuerzos en un punto. También hay círculos de Mohr en el caso de esfuerzos tridimensionales, pero no está disponible ningún método de graficación para crearlos directamente a partir de datos de esfuerzos aplicados, excepto en el caso especial de que uno de los esfuerzos principales sea coincidente con un eje del sistema de coordenadas xyz seleccionado, es decir, cuando uno de los planos es el del esfuerzo principal. Sin embargo, una vez calculados los esfuerzos principales a partir de la ecuación 4.4c mediante alguna técnica adecuada de determinación de raíces, se pueden dibujar círculos de Mohr tridimensionales según los esfuerzos principales calculados. El plano de Mohr --en el cual se trazan los círculos de Mohr- se organiza con sus ejes mutuamente perpendiculares, aunque en el espacio real el ángulo entre ellos representa 180º. Todos los ángulos dibujados en el plano de Mohr tienen el doble de su valor en el espacio real. La abscisa es el eje para todos los esfuerzos normales. Los esfuerzos normales aplicados σx, σy y σz, se trazan a lo largo de este eje y los esfuerzos principales σ1, σ2 y σ3 también se determinan sobre este eje. La ordenada es el eje para todos los esfuerzos cortantes. Se utiliza para trazar los esfuerzos cortantes aplicados τXY, τXZ y τYZ y determinar el esfuerzo cortante máximo5. Mohr utilizó una regla convencional de signo para esfuerzos cortantes, que hace que los pares esfuerzo cortante en sentido del movimiento de las agujas del reloj sean positivos, lo que no es consistente con la regla de la mano derecha, ahora estándar. Aun así, esta regla convencional de la mano izquierda se sigue empleando para el círculo de Mohr. La mejor manera de demostrar el uso del círculo de Mohr es mediante ejemplos. Ejemplo. Determinación de los esfuerzos principales mediante los círculos de Mohr Problema Un elemento de esfuerzo biaxial como se muestra en la Figura 4-2 tiene σx = 40.000 psi, σy = 20.000 psi y τxy = 30.000 psi en sentido contrario al de las manecillas del reloj (ccw). Se pide trazar los círculos de Mohr para determinar los esfuerzos principales. Solución Véanse la Figura 4-2 y la Figura 4-5. 1 Se trazan los ejes del plano de Mohr según se muestra en la Figura 4-5b, y márquelos como σ y τ. 2 Se sitúan los esfuerzos dados σx, (como línea OA) en cualquier escala práctica a lo largo del eje de esfuerzos normales (horizontales). En este ejemplo σx., es un esfuerzo de tensión (positivo). 3 Se lleva el esfuerzo σy (como línea) a lo largo del eje normal de esfuerzos. En este caso σy es un esfuerzo de compresión (negativo). 4 La Figura 4-2 muestra que el par de esfuerzos cortantes τxy crea un par en sentido contrario al de las agujas del reloj sobre el elemento. Este par se equilibra con el par en sentido de las agujas del reloj proporcionado por los esfuerzos cortantes τy. Estos dos esfuerzos cortantes (τxy y τyx,) son de igual magnitud, de acuerdo con la ecuación 4.2, y positivos, de acuerdo con la regla de signos convencionales de esfuerzos. Pero, en vez de utilizar la regla convencional de signos de esfuerzos, se trazan en el círculo de Mohr de acuerdo con la rotación que implican para el elemento, según la regla convencional de signos de la mano izquierda: positivo en sentido de las agujas del reloj y negativo en sentido contrario al de las agujas del reloj. 5 Dibujamos una línea vertical hacia abajo --en sentido contrario al movimiento de las agujas del reloj - del extremo de τx, (como línea AC) para representar la magnitud a escala de τxy. Trazamos una línea vertical hacia arriba -en sentido del movimiento de las agujas del reloj- del extremo de σsy (como línea BD) para representar la magnitud a escala de τyx. 6 El diámetro de un círculo de Mohr es la distancia del punto C al punto D. La línea AB corta a CD. El círculo se dibuja tomando esta intersección como centro. 7 Dos de los esfuerzos normales principales se determinan a continuación como las dos intersecciones que este círculo de Mohr hace con el eje de esfuerzos normales, en los puntos P1, y P3: σ1 = 52.426 psi, y σ3 = -32.426 psi. 8 Dado que en este ejemplo no hay esfuerzos aplicados en la dirección z, se trata de un estado de esfuerzos de dos dimensiones, y el tercer esfuerzo principal σ2, es igual a cero, y se localiza en el punto 0, que también se identifica como P2. 9 Todavía deben dibujarse otros dos círculos de Mohr. Los tres círculos de Mohr quedan definidos por los diámetros (σ1 – σ2), (σ1 – σ3) y de (σ2 – σ3), que son las líneas P1P2, P1P3 Y P2P3. Los tres círculos aparecen en la Figura 4-5c.10 Trazamos líneas tangentes horizontales desde los extremos superior e inferior de cada círculo de Mohr hasta su intersección con el eje del cortante (vertical). Ello determina los valores de los esfuerzos cortantes principales, asociados con cada par de esfuerzos normales principales: τ13 = 42.426, τ12 = 26.213 y τ23 = 16.213 psi. A pesar de tener únicamente dos esfuerzos normales principales distintos de cero, hay también tres esfuerzos cortantes principales distintos de cero. Sin embargo, sólo el mayor de ellos, τmáx= τ3= 42.426 psi es de interés para efectos de diseño. 11 También podemos determinar los ángulos (con respecto a nuestros ejes xyz originales) de los esfuerzos normales principales y los cortantes principales, partiendo del círculo de Mohr. Estos ángulos, si el material es homogéneo o isótropo, sólo tienen un interés académico. En caso de no ser isótropo, las propiedades del material dependen de la dirección y entonces la dirección de los esfuerzos principales es de importancia. El ángulo 2Φ = -45' de la Figura 4-5a representa la orientación del esfuerzo normal principal con respecto al eje de las x en nuestro sistema original. La línea DC del plano de Mohr está en el eje de las x en el espacio real, y los ángulos se miden de acuerdo con la regla convencional de la mano izquierda de Mohr ---en sentido del movimiento de las agujas del reloj- Dado que en el espacio real los ángulos del plano de Mohr son el doble, el ángulo del esfuerzo principal σ1 con respecto al eje x en el espacio real es Φ = -22.5'. El esfuerzo σ3 será de 90º a partir de σ1 y en el espacio real el esfuerzo cortante máximo τ13 estará a 45º del eje de σ1. 4.4.- Rosetas de Deformación. Una roseta de deformación es un arreglo de tres galgas extensiométricas utilizado para medir el estado de deformaciones de un material en el plano, lo cual implica medir la deformación normal en x , la deformación normal en y y la deformación cortante en el plano . Debido a que una galga sólo puede medir la deformación normal, a veces resulta más conveniente utilizar una roseta de deformación. Las deformaciones unitarias son medidas únicamente en el plano en el que se encuentran las galga extensiométrica y como el cuerpo no tienen esfuerzos en su superficie, los medidores pueden estar sometidos a esfuerzo plano, pero no a deformación plana. La línea que es normal a la superficie libre es un eje principal de deformación, por lo que la deformación unitaria normal principal, sobre todo ese eje no puede ser medida por la roseta de deformación. Esta deformación unitaria hace que haya un desplazamiento en el plano, sin embargo no afecta las medidas obtenidas.1 http://es.wikipedia.org/wiki/Galga_extensiom%C3%A9trica http://es.wikipedia.org/wiki/Galga_extensiom%C3%A9trica http://es.wikipedia.org/wiki/Galga_extensiom%C3%A9trica http://es.wikipedia.org/wiki/Esfuerzo http://es.wikipedia.org/wiki/Deformaci%C3%B3n http://es.wikipedia.org/wiki/Deformaci%C3%B3n http://es.wikipedia.org/wiki/Deformaci%C3%B3n http://es.wikipedia.org/wiki/Roseta_de_deformaci%C3%B3n#cite_note-0 Aunque pueden crearse infinidad de combinaciones para el arreglo de galgas, existen dos que son las más utilizadas: la roseta rectangular y la roseta delta. Para nombrar a cada una de las galgas se usan las primeras letras del abecedario, comenzando por la roseta horizontal y siguiendo el sentido opuesto de las manecillas del reloj. Para estados biaxiales de esfuerzos (muy común en el uso de Galgas Extensiométricas), una roseta de dos o tres elementos puede ser utilizada para determinar los esfuerzos principales que allí se presenten. Cuando se conocen las direcciones de los esfuerzos principales, se puede utilizar una roseta de dos elementos ubicados a 90°, empleada con las direcciones de los ejes alineados con los esfuerzos principales. Las direcciones de los esfuerzos principales se pueden determinar con bastante precisión. por ejemplo, según la forma del objeto al que se le van a medir los esfuerzos y el modo en que éste está cargado, puede dar una idea de la ubicación de dichos esfuerzos por la simetría del problema. Otra manera de determinar las direcciones de los esfuerzos principales puede ser mediante el método de "PhotoStress® testing.", que consiste en aplicar una pequeña capa o lámina sobre el objeto o pieza al que se le van a determinar los esfuerzos, para luego cargarse. Dicha lámina se visualiza a través de un polariscopio de reflexión y el esfuerzo sobre dicha lámina se determina mediante un patrón de colores que revela de manera inmediata la distribución de los esfuerzos, señalando las áreas en donde están concentrados. Posteriormente y por medio de un transductor óptico montado sobre el polariscopio de reflexión, se puede obtener una medida cuantitativa de los esfuerzos obtenidos. En la mayoría de los casos de superficies que están siendo sometidas a esfuerzos, en los que no se conocen las direcciones de los esfuerzos principales, se puede utilizar una roseta de tres elementos, que puede ser ubicada en cualquier dirección, pero generalmente se recomienda que la disposición de una de sus grillas se encuentre alineada con un eje principal de la pieza en estudio. Cuando se piensa utilizar una roseta, debemos tener en cuenta si la roseta a utilizar es simple-plana o es apilada. Para una longitud de galga determinada, la roseta simple-plana es mejor que la apilada en cuanto a la transferencia de calor a la pieza u objeto que estamos analizando y generalmente ayuda a obtener más estabilidad y precisión en las mediciones de esfuerzos estáticos. Cuando existe un esfuerzo significativo perpendicular a la superficie, la roseta simple-plana arroja datos de esfuerzos más precisos pues todas las áreas se encuentran más próximas a la superficie de la pieza de prueba posible. Otra consideración es que las rosetas apiladas son difíciles para contornear superficies circulares que las rosetas simple-plana. Roseta Perpendicular http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Configuraci%C3%B3n_Galgas.png?uselang=es http://commons.wikimedia.org/wiki/File:ROSETA_PERPENDICULAR_(T).svg?uselang=es Roseta de deformación a 90°, las galgas son ubicadas en esta posición para medir deformaciones, conocidas las direcciones los esfuerzos principales. Una roseta se dice que es perpendicular o “T” cuando sus galgas están arregladas con una diferencia de 90°, a diferencia de las rosetas rectangulares o delta que se componen de tres galgas, este arreglo se compone únicamente de dos, por lo que una galga se encontrará en posición horizontal y otra en posición vertical. Las rosetas perpendiculares deben ser usadas únicamente cuando se conozcan las direcciones de los esfuerzos principales en el punto de la superficie sobre la que se hace el ensayo. Partiendo del supuesto de que se conocen las direcciones de los esfuerzos principales, con este arreglo de galgas, las deformaciones son las siguientes: Roseta Rectangular Roseta de deformación a 45°, las galgas son ubicadas en esta posición para pode r medir deformaciones en todas las direcciones. Una roseta se dice que es rectangular cuando sus galgas están arregladas con una diferencia de 45° entre sí, por lo que una roseta se encontrará en posición horizontal, una en posición vertical y otra a un ángulo de 45°. Con este arreglo de galgas, las deformaciones son las siguientes: Roseta Delta http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Roseta_de_deformaci%C3%B3n_a_45%C2%B0.jpg?uselang=es Roseta equiangular, las galgas forman un triángulo equilátero, es decir, forman ángulos de 60° entre ellas. Las tres direcciones obtenidas serán las componentes normales de deformación. Se dice roseta delta, también llamada como roseta equiangular a aquella que tiene sus galgas posicionadas con una diferencia de 60° entresí, por lo que habrá una en posición horizontal, otra a 60° y, por último, una a 120°. Esta roseta forma un triángulo equilátero Con este arreglo de roseta las deformaciones en los ejes son las siguientes: Ejemplo. 2.- Determine los esfuerzos principales de la flecha de acero. La Flecha tiene un diámetro de 3 pulg. Las poleas pesan 250 lb. Cada una, y las tensiones en las bandas son opuestas. Las chumaceras de las extremos permiten rotación suficiente de modo que los apoyos extremos pueden considerarse como articulados. Desprecie el peso de la flecha. = Mc/I s = Tc/J = Mc/I = (1425 x 12) (1.5)/ ( /64) (3)ª = 6690 lb/pulg² s = Tc/J = (500 x 16) (1.5)/ ( /32) (3)ª = 1510 lb/pulg² σ = ( σx + σy ) / 2 + / - σ = -6690 + 0 +/ - " (-6690 + 0)² + 1510² σ ð ððððð ð ðððð ð ðððð lb/pulg² σ ð -3345 - 3760 = -7015 lb/pulg² 3.- Ahora determine el esfuerzo cortante máximo de la flecha. σ = = " (-3315 - 0)² + 1510² = 3670 lb/pulg² http://es.wikipedia.org/wiki/Tri%C3%A1ngulo_equil%C3%A1tero http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Roseta_equiangular.jpg?uselang=es INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE LA REGIÓN CARBONÍFERA Materia: MECÁNICA DE MATERIALES. UNIDAD IV Tema: “Esfuerzos Combinados y Deformaciones”. Alumno: Fernando De la Rosa Muñoz
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