Análisis de estructuras: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 10 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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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

  1. Dibuja un diagrama de cuerpo libre y sustituye cada apoyo por sus reacciones.
  2. Sustituye cada carga repartida por una única fuerza aplicada en su centroide.
  3. Toma momentos respecto a un apoyo para hallar la reacción en el otro.
  4. 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

  1. Halla las reacciones en los apoyos a partir del equilibrio de toda la viga.
  2. Corta la viga por la sección que necesitas y quédate con un lado.
  3. Esfuerzo cortante: suma de las fuerzas verticales de ese lado. Momento flector: suma de sus momentos respecto al corte.
  4. 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

  1. Halla las reacciones en los apoyos de toda la armadura.
  2. Método de los nudos: empieza por un nudo con como mucho dos esfuerzos desconocidos en las barras y usa ΣFx = 0 y ΣFy = 0.
  3. Método de las secciones: corta por la barra que necesitas y toma momentos respecto a un punto donde se cortan las demás barras desconocidas.
  4. 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
P1​ = 20 kNP2​ = 45 kNABCRA​ = ?2 m0,5 m1,5 m

La viga tiene una articulación en A y un apoyo deslizante en B, a 2,5 m de A, y vuela más allá de B hasta el extremo libre C. Halla la reacción vertical RA, tomando positivo hacia arriba.

AB = 2,5 mAC = 4 mP1 = 20 kN en 2 mP2 = 45 kN en 4 m
RA = kN
2.Reacciones en vigasDifícil
w = 3 kN/mP = 75 kNQ = 10 kNADCMA​ = ?3 m1 m3 m3 m

Una viga compuesta está empotrada en el muro en A, tiene una rótula interior en C (a 4 m de A) y descansa sobre un apoyo deslizante en D (a 10 m de A). Soporta una carga puntual P a 7 m de A, una carga uniformemente repartida w en todo el tramo CD y una carga puntual Q a 3 m de A. Halla el valor del momento de empotramiento MA en el muro.

AC = 4 mAD = 10 mP = 75 kN en 7 mw = 3 kN/m de 4 a 10 mQ = 10 kN en 3 m
MA = kN·m
3.Cortante y momento flectorMedia
w = 10 kN/mP = 80 kNABsección1 m0,5 m1 m

El voladizo está empotrado en A. Soporta una carga uniformemente repartida w en toda su longitud y una carga puntual P a 1,5 m de A. Halla el momento flector Mx en la sección x = 1 m desde el empotramiento A. Toma positivos los momentos que flexionan la viga hacia abajo y el cortante hacia arriba en la cara izquierda.

L = 2,5 mP = 80 kN en 1,5 mw = 10 kN/m de 0 a 2,5 mx = 1 m
Mx = kN·m
4.Cortante y momento flectorDifícil
5 kN/m10 kN55 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

Las marcas A a G dividen la viga en seis partes iguales. ¿En qué marca es mayor el momento flector en valor absoluto, positivo o negativo? Haz clic en ella en el diagrama.

10 kN @ 6 m55 kN @ 3 m5 kN/m, 0–4 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
5.Armaduras: método de los nudosMedia
ABCDEFGH20 kN20 kN35 kN10 kN4 × 4 m3 m

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.

C: 20 kN ↓D: 20 kN ↓G: 35 kN ↓H: 10 kN ↓
  1. 1miembro AB
  2. 2miembro BC
  3. 3miembro CD
  4. 4miembro DE
  5. 5miembro FG
  6. 6miembro GH
  7. 7miembro AF
  8. 8miembro HE
  9. 9miembro BF
  10. 10miembro CG
  11. 11miembro DH
  12. 12miembro FC
  13. 13miembro HC
6.Armaduras: método de los nudosDifícil
ABCDEFGH30 kN35 kN15 kN40 kN20 kN4 × 3 m3 m

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.

B: 30 kN ↓D: 35 kN ↓F: 15 kN →G: 40 kN ↓H: 20 kN ↓
  1. 1miembro AB
  2. 2miembro BC
  3. 3miembro CD
  4. 4miembro DE
  5. 5miembro FG
  6. 6miembro GH
  7. 7miembro AF
  8. 8miembro HE
  9. 9miembro BF
  10. 10miembro CG
  11. 11miembro DH
  12. 12miembro BG
  13. 13miembro DG
7.Flecha de la vigaMedia
w = 12 kN/mABθ2 m

Una viga simplemente apoyada soporta una carga uniformemente repartida w en toda su luz. Halla el giro θA de la viga en el apoyo A, en radianes.

w = 12 kN/mL = 2 mE = 11 GPa (madera estructural)I = 120 × 10⁶ mm⁴
θA = rad
8.Flecha de la vigaDifícil
w = 4 kN/mAB6 m

Una viga está empotrada en A y simplemente apoyada en B (viga empotrada y apoyada). Soporta una carga uniformemente repartida w en toda su longitud. EI es constante. Halla la reacción RB en el apoyo B.

L = 6 mw = 4 kN/m
RB = kN
9.Pandeo de pilaresMedia
PL = 2,5 m20 × 100 mmsección

Un pilar de longitud L de acero está empotrado en ambos extremos. Con la fórmula de Euler, halla su carga crítica de pandeo Pcr.

L = 2,5 mE = 200 GPa (acero)b × h = 20 × 100 mm
Pcr = kN
10.Pandeo de pilaresDifícil
PL = 3 md = 60 mmsección

Un pilar de longitud L de aluminio está empotrado en ambos extremos. Halla su esbeltez y la tensión crítica de pandeo σcr con la fórmula de Euler.

L = 3 mE = 70 GPa (aluminio)d = 60 mm
σcr = MPa

3Disoluciones

1.Reacciones en vigas

Respuesta: RA = −23 kN

Equilibrio estático: un cuerpo en reposo cumple ΣFx = 0, ΣFy = 0 y ΣM = 0 respecto a cualquier punto. Sustituye cada carga repartida por su resultante (su área) aplicada en el centroide del diagrama de carga, y toma momentos respecto a un apoyo para eliminar la reacción de ese apoyo de la ecuación.

Momentos respecto a A

Antihorario positivo.

ΣMA = 0: RB·2,5 = 20·2 + 45·4
RB = 220/2,5 = 88 kN

Equilibrio vertical

RA = 20 + 45 − 88 = −23 kN

Respuesta

RA = −23 kN

RA es negativa: la articulación en A tiene que sujetar la viga hacia abajo.

2.Reacciones en vigas

Respuesta: MA = 216 kN·m

Equilibrio estático: un cuerpo en reposo cumple ΣFx = 0, ΣFy = 0 y ΣM = 0 respecto a cualquier punto. Sustituye cada carga repartida por su resultante (su área) aplicada en el centroide del diagrama de carga, y toma momentos respecto a un apoyo para eliminar la reacción de ese apoyo de la ecuación. Una rótula interior no puede transmitir momento flector, lo que da una ecuación adicional: el momento respecto a la rótula de las fuerzas de cualquiera de los dos lados es nulo.

Tramo CD

La rótula no tiene momento, así que los momentos respecto a C solo en CD deben equilibrarse.

W = 3·6 = 18 kN en 3 m desde C
ΣMC = 0: RD·6 = 75·3 + 18·3
RD = 46,5 kN
VC = 93 − 46,5 = 46,5 kN

Tramo AC

La fuerza en la rótula VC actúa hacia abajo sobre AC (igual y opuesta a su acción sobre CD).

RA = 10 + 46,5 = 56,5 kN
MA = 10·3 + 46,5·4 = 216 kN·m

Respuesta

MA = 216 kN·m
3.Cortante y momento flector

Respuesta: Mx = −51,25 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.

Quédate con la parte del extremo libre

P: −80·0,5 = −40 kN·m
w: −10·1,5²/2 = −11,25 kN·m
Mx = −40 − 11,25 = −51,25 kN·m

Respuesta

Mx = −51,25 kN·m

Negativo significa tracción en la cara superior.

4.Cortante y momento flector

Respuesta: D (x = 3 m)

Mayor momento flector: M cambia de pendiente allí donde cambia el esfuerzo cortante, así que sus picos están donde el esfuerzo cortante cruza el cero: bajo una carga puntual, dentro de una carga distribuida, o sobre un apoyo de un voladizo. En el empotramiento de una ménsula, el momento es máximo en la pared. Compara el valor de M en esos lugares, positivo o negativo.

Reacciones en los apoyos

Toma momentos respecto a un apoyo y luego usa el equilibrio de fuerzas verticales.

R1 = 18,75 kN, R2 = 66,25 kN

Momento flector en cada marca

Suma los momentos de todas las fuerzas a un lado del corte. El momento positivo hace que la viga se comba hacia abajo; el negativo, hacia arriba.

MA = 0, MB = 16,25, MC = 27,5, MD = 33,75 kN·m, ME = −20, MF = −10, MG = 0

Respuesta

Marca D: MD = 33,75 kN·m
5.Armaduras: método de los nudos

Respuesta: miembro BF

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 B

AB y BC están en una misma línea recta y el nudo no tiene carga. Al equilibrar las fuerzas perpendicularmente a esa línea queda solo BF.

ΣF⊥ = 0 → FBF = 0

Comprueba con el método de los nudos

Resolver todos los nudos da estas fuerzas en los miembros (T = tracción, C = compresión).

AB: 46,67 kN (T), BC: 46,67 kN (T), CD: 66,67 kN (T), DE: 66,67 kN (T), FG: 93,33 kN (C), GH: 93,33 kN (C), AF: 58,33 kN (C), HE: 83,33 kN (C), BF: 0, CG: 35 kN (C), DH: 20 kN (T), FC: 58,33 kN (T), HC: 33,33 kN (T)

Respuesta

Miembro de fuerza nula: BF
6.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).

AB: 67,5 kN (T), BC: 90 kN (T), CD: 90 kN (T), DE: 72,5 kN (T), FG: 67,5 kN (C), GH: 72,5 kN (C), AF: 74,25 kN (C), HE: 102,5 kN (C), BF: 52,5 kN (T), CG: 0, DH: 52,5 kN (T), BG: 31,82 kN (C), DG: 24,75 kN (C)

Respuesta

Miembro de fuerza nula: CG
7.Flecha de la viga

Respuesta: θA = 0,00303 rad

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). El giro θ = dv/dx es la primera integral de M/(EI); con unidades coherentes sale en radianes.

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.

w = 12 N/mm, L = 2000 mm
EI = 1,32 × 10¹² N·mm²

Giro en el extremo

θA = wL³/(24EI) = 12·2000³/(24·1,32 × 10¹²) = 0,00303 rad

Respuesta

θA = 0,00303 rad

Eso son 0,1736°.

8.Flecha de la viga

Respuesta: RB = 9 kN

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). En una viga hiperestática, quita un apoyo redundante e impón que la flecha ahí sea nula (compatibilidad).

Quita el apoyo adicional

Sin el apoyo adicional la viga es un voladizo. Su extremo libre descendería bajo la carga.

δload = wL⁴/(8EI)

Compatibilidad en el apoyo B

La reacción del apoyo RB por sí sola levanta el extremo libre RBL³/(3EI). El apoyo mantiene B con flecha nula, así que ambas deben anularse. EI se simplifica.

RB·L³/(3EI) = wL⁴/(8EI) → RB = 3wL/8 = 3·4·6/8 = 9 kN

Respuesta

RB = 9 kN
9.Pandeo de pilares

Respuesta: Pcr = 84,22 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

Un rectángulo pandea respecto a su eje débil, usando la dimensión menor al cubo.

Imin = h·b³/12 = 100·20³/12 = 66667 mm⁴

Longitud de pandeo

KL = 0,5·2500 = 1250 mm

Carga crítica

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·66667/1250² = 84221 N = 84,22 kN

Respuesta

Pcr = 84,22 kN
10.Pandeo de pilares

Respuesta: σcr = 69,09 MPa

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.

I = πd⁴/64 = π·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Radio de giro y esbeltez

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 0,5·3000 = 1500 mm
KL/r = 1500/15 = 100

Tensión crítica

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/100² = 69,09 MPa

Respuesta

σcr = 69,09 MPa

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