Unidad 1 MecaII.
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M.I. RODOLFO COELLO ALBORES
UNIDAD I
1
CONCEPTOS GENERALES
DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS
ELABORACIÓN DE LOS ESFUERZOS PLANOS
ESFUERZOS
CARGAS COMBINADAS
ESFUERZO PLANO BIDIMENSIONAL
El estado de esfuerzo bidimensional se asocia regularmente con una placa delgada, cargada en su plano .
La dirección z es normal al plano de la placa y el plano X-Y es el plano de la placa.
7- 8
Problema modelo
Una fuerza única horizontal P de
150 lb de magnitud se aplica al
extremo D de la palanca ABD.
Determinar a) los esfuerzos
normal y cortante en un elemento
ubicado en el punto H con lados
paralelos a los ejes x
Solución:
.- Determinar un sistema equivalente de par de fuerzas en el centro de la sección transversal que pasa por H.
.- Evaluar los esfuerzos normal y cortante en H.
PROBLEMA MODELO
SOLUCIÓN:
Determinar un sistema
equivalente de par de fuerzas
en el centro de la sección
transversal que pasa por H.
inkip5.1in10lb150
inkip7.2in18lb150
lb150
xM
T
P
Evaluar los esfuerzos normal y
cortante en H.
421
4
41
in6.0
in6.0inkip7.2
in6.0
in6.0inkip5.1
J
Tc
I
Mc
xy
y
ksi96.7ksi84.80 yyx
x
y
yyyx
xx
στ
τxyσT (1)
El tensor de esfuerzo en el plano se puede representar de forma MATRICIAL::
ESTADO BIDIMENSIONAL DEL ESFUERZO
Se establece el estado de
equilibrio
Considerar las condiciones de equilibrio de un elemento
prismático con caras perpendiculares a los ejes x, y y x’.
sensencossen
coscossencos0
cossensensen
sencoscoscos0
AA
AAAF
AA
AAAF
xyy
xyxyxy
xyy
xyxxx
aplicamos sustitución trigonométrica:
Cos2α = 1 + cos 2α / 2 .Sen2α = 1 – cos 2α /2 Sen 2α = 2 senα cos α
La expresión para el esfuerzo normal σy´ lo obtenemos reemplazando ϴ por el
ángulo ϴ+90° que el eje y’ forma con el eje x.
).....(2222
).....(2cos22
).....(22cos22
'
''
'
IIIsenCos
IIsen
Isen
xy
yyxxyyxx
y
xy
yyxx
yx
xy
yyxxyyxx
x
ECUACIONES DE TRANSFORMACIÓN DE ESFUERZO PLANO
Sumando miembro a miembro las ecuaciones (I) y (II)
.σx´ + σy´ = σxx + σyy …..(2)
…………“ la suma de los esfuerzos normales ejercidos sobre un elemento
cúbico de material es independiente de la orientación del elemento.”
ESFUERZOS PRINCIPALES EN EL PLANO
Tomando la ec. (II) e igualándolo a cero:
2
0 2 cos 22
tan 2 ........(3)xy
xx yy
xx yy
xy
p
sen
xyyyxx
yyxx
pp
xyyyxx
xypp
XYYYXX
sensen
OBOA
2
2
"
2
2
"
22
2
22cos2cos
2
22
2
(4)
ESFUERZOS PRINCIPALES EN EL PLANO
Sustituyendo las identidades de la ecuación (4) en la ecuación (I),
y simplificando :
2
2max´ 1 2min
.....(5)2 2
xx yy xx yy
xyx ó
ESFUERZOS CORTANTES MAXIMOS EN EL PLANO
Diferenciando la ecuación (II) e igualando a cero:
xy
yyxx
s
xyyyxxýxsen
d
d
22tan
022
2cos2
´
…….(6)
Análogamente, sustituyendo valores de las funciones seno y coseno del ángulo
doble en la ecuación (II), resulta:
2
2
maxmin
.....(7)2
xx yy
xy
ESFUERZOS CORTANTES MAXIMOS EN EL PLANO
El esfuerzo cortante se ve siempre acompañado de esfuerzo normal con valor:
.....(8)2
xx yy
prom
Si σxx y σyy en la ecuación (7) son esfuerzos principales (σxx = σ1 Y σxx = σ2 ) y
τxy = cero; la ecuación se simplifica a:
1 2maxmin
.....(9)2
CIRCULO DE MOHR EN EL PLANO
El significado físico del Círculo de Mohr para
esfuerzo plano establecido puede aplicarse con
simples consideraciones geométricas. Los
valores críticos se calculan de manera gráfica o
calculada.
Para un estado conocido del esfuerzo plano σx,
σy y τxy, grafique los puntos X y Y y construya el
círculo centrado en C.
2
2
prom22
xy
yxyxR
Los esfuerzos principales se obtienen en A y B.
yx
xy
p
R
22tan
avemínmáx,
La dirección de rotación de Ox a Oa es
la misma que de CX a CA.
CIRCULO DE M OHR EN EL PLANO
Con el Círculo de Mohr definido de manera
única, el estado de esfuerzo en otras
orientaciones de los ejes puede ser representado.
Para el estado de esfuerzo en un ángulo con
respecto a los ejes xy, construir un nuevo
diámetro X’Y’ en un ángulo 2 con respecto a
XY.
Los esfuerzos normal y cortante se obtienen
de las coordenadas X’Y’.
CIRCULO DE M OHR EN EL PLANO
CIRCULO DE M OHR EN EL PLANO
C
A
S
O
S
E
S
P
E
C
I
A
L
E
S:
Círculo de Mohr para carga axial céntrica:
0, xyyxA
P
A
Pxyyx
2
Círculo de Mohr para carga axial torsional:
J
Tcxyyx 0 0 xyyx
J
Tc
25
Estado de tensión.
El paralelepípedo se encuentra en equilibrio.
Se deduce que las fuerzas ejercidas sobre sus caras son iguales y de signos opuestos.
Las tensiones o esfuerzos también son iguales, ya que las áreas de dos caras opuestas son iguales.
Los esfuerzos cortantes sobre caras opuestas constituyen pares de fuerzas .
ANALISIS TRIDIMENSIONAL DEL ESSFUERZO
ANALISIS TRIDIMENSIONAL DEL ESFUERZO
El estado de esfuerzo en un punto que puede ser definido por tres componentes sobre cada uno de los ejes mutuamente perpendiculares (ortogonales) se llama TENSOR DE ESFUERZO
Los tres conjuntos de tres componentes cartesianas forman un arreglo de nueve componentes cartesianas, y solo 6 tienen valores independientes.
El TENSOR ESFUERZO es un tensor de segundo rango que requiere de dos índices para identificar sus elementos o componentes
zzzyzx
yzyyyx
xzxyxx
σττ
τστ
ττσ
T
En algunos casos, las tensiones se analizan en planos inclinados como el
ABC, conocido las tensiones en los planos coordenados. A este proceso se
le llama TRANSFORMACION DE ESFUERZOS DE UN SISTEMA DE
EJES A OTRO.
TRANSFORMACION DE ESFUERZOS
Vector Esfuerzo actuando en
plano arbitrario
N vector unitario normal al
plano arbitrario ABC
.σ vector esfuerzos
actuando en el plano
arbitrario ABC
N = li + mj + nk; donde l,
m, n son los cosenos
directores del vector N.
A1, A2, A3 y A son las
áreas de BOC, AOC, AOB
y ABC respectivamente
A1 = Al;
A2 = Am,
A3 =An
TRANSFORMACION DE ESFUERZOS
NT
n
m
l
zzyzxz
zyyyxy
zxyxxx
z
y
x
Considerando el equilibrio del tetraedro:
ΣFx=0 -σxx A1 – τyxA2 – τzxA3 + σxA = 0 …….(1)
σx = σxx l + τyx m + τzx n ………(2)
Análogamente:
ΣFy=0 σy = τxy l + σyy m + τzy n ……..(3)
ΣFz=0 σz = τxz l + τyz m + σzz n ……..(4)
Las ecuaciones 2,3,y 4 se pueden representar matricialmente:
TRANSFORMACION DE ESFUERZOS
Componentes Normal y
Cortante del Vector Esfuerzo
VINC
TRANSFORMACION DE ESFUERZOS.
32
ESFUERZOS PRINCIPALES
•Los ESFUERZOS PRINCIPALES actúan en planos donde los esfuerzos cortantes
son nulos. (.τxy = 0).
•Los planos se les llama: Planos Principales.
•El ESFUERZO PRINCIPAL es normal al plano y su dirección coincide con el del
vector unitario normal al plano.
VINC.
ESFUERZOS PRINCIPALES
Descomponiendo vectorialmente
Retomando igual de ecuaciones
Escribiendo matricialmente
Haciendo operaciones y simplificando:
Realizando operaciones tenemos:
Esta ecuación tiene cuatro incógnitas:
l, m, n y σn, necesitamos otra ecuación adicional:
0
0
0
nml
nml
nml
nzzzyzx
yznyyyx
zxyxnxx
1222 nml
Con esta ultima ecuación se elimina la solución trivial del sistema
ESFUERZOS PRINCIPALES
02 222
22223
yyxzzzxyxxyzyzxzxyzzyyxx
nxyzxyzzzyyzzxxyyxxnzzyyxxn
Desarrollando y ordenando tenemos:……….(A)
Simplificando:
0322
13 III nnn
TI
I
I
zzzyxz
zyyyxy
xzxyxx
xyzxyzzzyyzzxxyyxx
zzyyxx
3
2222
1
Donde:
I1, 12, 13: INVARIANTES DEL ESFUERZO
CIRCULO DE MOHR PARA EL ESTADO GRAL. DE ESFUERZOS
La figura muestra un elemento después de realizar la transformación apropiada de
esfuerzos con tres esfuerzos principales actuando sobre él.
La transformacion de esfuerzo por un
elemento que gira alrededor de un eje
principal puede ser representado por el
círculo de Mohr.
Los puntos A, B y C representan los
esfuerzos principales en los planos
principales (el esfuerzo cortante es cero).
Los tres círculos representan los
esfuerzos normal y cortante para
rotación alrededor de cada eje
principal.
El radio del mayor de los círculos da el
esfuerzo cortante máximo.
mínmáxmáx2
1
APLICACION DEL CIRCULO DE MOHR AL ANALISIS TRIDIMENSIONAL DE ESFUERZOS