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1Fórmulas y métodos
Reacciones en vigas
Equilibrio
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Carga uniforme
resultante w·L en el centro de la carga
Momento
M = F·d
Método
Dibuja un diagrama de cuerpo libre y sustituye cada apoyo por sus reacciones.
Sustituye cada carga repartida por una única fuerza aplicada en su centroide.
Toma momentos respecto a un apoyo para hallar la reacción en el otro.
Usa ΣFy = 0 para hallar la reacción restante y compruébala con una segunda ecuación de momentos.
Cortante y momento flector
Cortante y momento
V = ΣF a un lado, M = ΣF·d a un lado
Tensión de flexión
σ = M·y/I
Rectángulo
I = bh³/12
Módulo resistente
W = I/ymax
Viga biapoyada, carga uniforme
Mmax = wL²/8
Método
Halla las reacciones en los apoyos a partir del equilibrio de toda la viga.
Corta la viga por la sección que necesitas y quédate con un lado.
Esfuerzo cortante: suma de las fuerzas verticales de ese lado. Momento flector: suma de sus momentos respecto al corte.
Para el momento máximo, busca dónde el esfuerzo cortante es cero.
Armaduras: método de los nudos
Método de los nudos
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Método de las secciones
ΣM = 0 about a cut point
Esfuerzo en la barra
positivo = tracción, negativo = compresión
Método
Halla las reacciones en los apoyos de toda la armadura.
Método de los nudos: empieza por un nudo con como mucho dos esfuerzos desconocidos en las barras y usa ΣFx = 0 y ΣFy = 0.
Método de las secciones: corta por la barra que necesitas y toma momentos respecto a un punto donde se cortan las demás barras desconocidas.
Supón tracción; una respuesta negativa significa compresión.
Flecha de la viga
Carga puntual en el centro del vano
δ = PL³/(48EI)
Carga uniforme, viga biapoyada
δ = 5wL⁴/(384EI)
Voladizo, carga en el extremo
δ = PL³/(3EI)
Voladizo, carga uniforme
δ = wL⁴/(8EI)
Superposición
δ = δ1 + δ2
Pandeo de pilares
Carga crítica de Euler
Pcr = π²EI/(KL)²
Factor de longitud de pandeo
K = 1 articulado–articulado, 0,5 empotrado–empotrado, 0,7 empotrado–articulado, 2 empotrado–libre
Tensión crítica
σcr = Pcr/A
Esbeltez
λ = KL/r, r = √(I/A)
2Problemas de práctica
1.Reacciones en vigasMedia
La viga simplemente apoyada tiene una articulación en A y un apoyo deslizante en B. Halla la reacción vertical RA.
L = 5 mP1 = 25 kN en 2 mP2 = 55 kN en 2,5 m
RA = kN
2.Reacciones en vigasDifícil
La viga simplemente apoyada tiene una articulación en A y un apoyo deslizante en B. Halla la reacción vertical RB.
L = 4 mP = 55 kN en 2 mw = 10 kN/m de 0 a 2 m
RB = kN
3.Cortante y momento flectorMedia
La viga simplemente apoyada soporta un par en sentido horario M0 = 50 kN·m en x = 4 m desde A, y ninguna otra carga. Halla el momento flector Mx justo a la derecha del par. Toma positivos los momentos que flexionan la viga hacia abajo y el cortante hacia arriba en la cara izquierda.
L = 10 mM0 = 50 kN·m en sentido horario, en 4 m
Mx = kN·m
4.Cortante y momento flectorDifícil
Halla el momento flector Mx en la sección x = 2,5 m desde el apoyo A. Toma positivos los momentos que flexionan la viga hacia abajo y el cortante hacia arriba en la cara izquierda.
L = 6 mP = 60 kN en 2,5 mw = 8 kN/m de 0 a 6 mx = 2,5 m
Mx = kN·m
5.Armaduras: método de los nudosMedia
Exactamente un miembro de esta cercha no soporta ninguna fuerza con estas cargas. ¿Cuál es el miembro de fuerza nula? Haz clic en él en el diagrama.
D: 20 kN ↓F: 40 kN ↓G: 25 kN ↓
1miembro AB
2miembro BC
3miembro CD
4miembro DE
5miembro FG
6miembro GH
7miembro AF
8miembro HE
9miembro BF
10miembro CG
11miembro DH
12miembro BG
13miembro DG
6.Armaduras: método de los nudosDifícil
Usa el método de los nudos para hallar la fuerza FAC en la barra AC. Da la tracción como positiva y la compresión como negativa.
luz = 8 maltura = 4 mB está a 5 m de Acarga vertical = 50 kNcarga horizontal = 15 kN →
FAC = kN
7.Flecha de la vigaMedia
Una viga simplemente apoyada soporta una carga puntual P a a = 3,5 m del apoyo A. Halla la flecha δP bajo la carga.
P = 26 kNa = 3,5 mL = 5 mE = 70 GPa (aluminio)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.Flecha de la vigaDifícil
Una viga simplemente apoyada soporta una carga puntual P a b = 1 m del apoyo B. Halla la flecha máxima δmax de la viga.
P = 7 kNb = 1 mL = 5 mE = 200 GPa (acero)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Pandeo de pilaresMedia
Un pilar de longitud L de acero está empotrado en la base y libre arriba. Con la fórmula de Euler, halla su carga crítica de pandeo Pcr.
L = 1,5 mE = 200 GPa (acero)d = 60 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
Un pilar macizo circular de longitud L de acero está empotrado en la base y libre arriba. Debe soportar 70 kN con un coeficiente de seguridad de 3 frente al pandeo. Halla el diámetro mínimo d.
P = 70 kNn = 3L = 5 mE = 200 GPa (acero)
d = mm
3Disoluciones
1.Reacciones en vigas
Respuesta: RA = 42,5 kN
Equilibrio estático: un cuerpo en reposo cumple ΣFx = 0, ΣFy = 0 y ΣM = 0 respecto a cualquier punto. Tomar momentos respecto a un apoyo elimina su reacción de la ecuación.
Diagrama de cuerpo libre
Sustituye los apoyos por fuerzas de reacción. Un apoyo deslizante da una reacción vertical; con solo cargas verticales, la articulación también da una reacción vertical.
Equilibrio
Momentos respecto a A, positivos en sentido antihorario. Después, equilibrio de fuerzas verticales.
ΣMA = 0: RB·5 = 25·2 + 55·2,5
RB = 187,5/5 = 37,5 kN
ΣFy = 0: RA = 80 − 37,5 = 42,5 kN
Respuesta
RA = 42,5 kN
2.Reacciones en vigas
Respuesta: RB = 32,5 kN
Equilibrio estático: un cuerpo en reposo cumple ΣFx = 0, ΣFy = 0 y ΣM = 0 respecto a cualquier punto. Tomar momentos respecto a un apoyo elimina su reacción de la ecuación.
Diagrama de cuerpo libre
Sustituye los apoyos por fuerzas de reacción. Un apoyo deslizante da una reacción vertical; con solo cargas verticales, la articulación también da una reacción vertical.
Equilibrio
Momentos respecto a A, positivos en sentido antihorario. Después, equilibrio de fuerzas verticales.
Resultante de la carga repartida: W = w·ℓ = 10·2 = 20 kN, aplicada en x̄ = 1 m
ΣMA = 0: RB·4 = 55·2 + 10·2·1
RB = 130/4 = 32,5 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 32,5 = 42,5 kN
Respuesta
RB = 32,5 kN
3.Cortante y momento flector
Respuesta: Mx = 30 kN·m
Método de las secciones: corta la viga donde quieras conocer los esfuerzos internos y quédate con un lado. El cortante V equilibra las fuerzas verticales de ese lado, y el momento flector M equilibra sus momentos respecto al corte. Un par aplicado hace que el diagrama de momentos flectores salte en el valor del par.
Reacciones en los apoyos
Momentos respecto a A, antihorario positivo: RB·L − M0 = 0. Equilibrio vertical: RA + RB = 0.
RB = M0/L = 50/10 = 5 kN (hacia arriba)
RA = −RB = −5 kN (hacia abajo)
Corte justo a la derecha del par
La parte izquierda contiene ahora RA y el par.
Mx = RA·a + M0 = −5·4 + 50 = 30 kN·m
Respuesta
Mx = 30 kN·m
4.Cortante y momento flector
Respuesta: Mx = 122,5 kN·m
Método de las secciones: corta la viga donde quieras conocer los esfuerzos internos y quédate con un lado. El cortante V equilibra las fuerzas verticales de ese lado, y el momento flector M equilibra sus momentos respecto al corte.
Reacciones en los apoyos
Equilibrio de toda la viga.
Resultante de la carga repartida: W = w·ℓ = 8·6 = 48 kN, aplicada en x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 60·2,5 + 8·6·3
RB = 294/6 = 49 kN
ΣFy = 0: RA = 108 − 49 = 59 kN
Corta en x = 2,5 m y quédate con la parte izquierda
Solo aparecen las fuerzas a la izquierda del corte. Un tramo de carga repartida actúa como una fuerza en el centro de ese tramo.
M = RA·x − (cada carga a la izquierda del corte × su distancia al corte)
Mx = 59·2,5 − 8·2,5·1,25 = 122,5 kN·m
Respuesta
Mx = 122,5 kN·m
5.Armaduras: método de los nudos
Respuesta: miembro CG
Miembros de fuerza nula: en un nudo, las fuerzas deben equilibrarse en todas las direcciones. Si un nudo no tiene carga ni apoyo, y dos de sus tres miembros están alineados, el equilibrio perpendicular a esa línea involucra solo al tercer miembro, así que su fuerza es cero. Si en un nudo sin carga solo se unen dos miembros y no están alineados, ambos son nulos.
Nudo C
BC y CD están en una misma línea recta y el nudo no tiene carga. Al equilibrar las fuerzas perpendicularmente a esa línea queda solo CG.
ΣF⊥ = 0 → FCG = 0
Comprueba con el método de los nudos
Resolver todos los nudos da estas fuerzas en los miembros (T = tracción, C = compresión).
Método de los nudos: cada nudo de una armadura está en equilibrio, así que ΣFx = 0 y ΣFy = 0 en cada nudo. Empieza por un nudo con como mucho dos fuerzas de barra desconocidas. Un resultado negativo significa que la barra está a compresión.
Reacciones en los apoyos
Equilibrio de toda la armadura. Momentos respecto a A, positivos en sentido antihorario.
ΣMA = 0: Cy·8 = 50·5 + 15·4 → Cy = 38,75 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 38,75 = 11,25 kN
ΣFx = 0: Ax = −15 kN
Nudo C
El apoyo deslizante solo da una reacción vertical, así que el nudo C tiene solo dos fuerzas de barra desconocidas. Supón ambas a tracción.
Flecha de vigas: las flechas se obtienen integrando dos veces la curvatura M/(EI). Los casos habituales están tabulados, por ejemplo PL³/(3EI) para un voladizo con carga en el extremo y 5wL⁴/(384EI) para una viga simplemente apoyada con carga uniforme completa. Las flechas de cargas distintas se suman (superposición).
Unidades coherentes
Trabaja en N y mm: P en N, w en N/mm (kN/m = N/mm), L en mm, E en N/mm² (GPa × 1000), I en mm⁴.
P = 26000 N, a = 3500 mm, b = 1500 mm, L = 5000 mm
EI = 3,99 × 10¹² N·mm²
Flecha bajo la carga
δP = Pa²b²/(3EIL) = 26000·3500²·1500²/(3·3,99 × 10¹²·5000) = 11,97 mm
Respuesta
δP = 11,97 mm
8.Flecha de la viga
Respuesta: δmax = 2,296 mm
Flecha de vigas: las flechas se obtienen integrando dos veces la curvatura M/(EI). Los casos habituales están tabulados, por ejemplo PL³/(3EI) para un voladizo con carga en el extremo y 5wL⁴/(384EI) para una viga simplemente apoyada con carga uniforme completa. Las flechas de cargas distintas se suman (superposición).
Unidades coherentes
Trabaja en N y mm: P en N, w en N/mm (kN/m = N/mm), L en mm, E en N/mm² (GPa × 1000), I en mm⁴.
P = 7000 N, b = 1000 mm, L = 5000 mm
EI = 4,6 × 10¹² N·mm²
Posición del máximo
Igualando a cero el giro en el tramo más largo se obtiene la posición.
x = √((L² − b²)/3) = √((5000² − 1000²)/3) = 2828 mm
Flecha máxima
δmax = Pb(L² − b²)3/2/(9√3·EIL) = 2,296 mm
Respuesta
δmax = 2,296 mm
9.Pandeo de pilares
Respuesta: Pcr = 139,5 kN
Pandeo de Euler: un pilar esbelto se vuelve inestable en Pcr = π²EI/(KL)², donde KL es la longitud de pandeo: K = 1 para articulado–articulado, 2 para empotrado–libre, 0,7 para empotrado–articulado y 0,5 para empotrado–empotrado. Pandea respecto al eje con el menor I. La fórmula vale para pilares esbeltos, cuya tensión crítica queda por debajo del límite elástico.
Menor momento de inercia
Una sección circular tiene el mismo I respecto a cualquier eje.
Pandeo de Euler: un pilar esbelto se vuelve inestable en Pcr = π²EI/(KL)², donde KL es la longitud de pandeo: K = 1 para articulado–articulado, 2 para empotrado–libre, 0,7 para empotrado–articulado y 0,5 para empotrado–empotrado. Pandea respecto al eje con el menor I. La fórmula vale para pilares esbeltos, cuya tensión crítica queda por debajo del límite elástico.
Carga crítica necesaria
Pcr = n·P = 3·70000 = 210000 N
KL = 2·5000 = 10000 mm
Despeja el diámetro
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·210000·10000²/(π³·200000))^(1/4) = 121,3 mm
Respuesta
d = 121,3 mm
Comprobación: la esbeltez KL/r es 329,7, así que el pilar es esbelto y Euler es válido.