tema 07 armaduras entramados y maquinas

1º I.T.I. : 1º I.T.I. : MECANICA IMECANICA I

Departamento: INGENIERÍA MECÁNICA, ENERGÉTICA Y DE MATERIALESDepartamento: INGENIERÍA MECÁNICA, ENERGÉTICA Y DE MATERIALES

TEMA Nº 7: TEMA Nº 7: ESTÁTICAESTÁTICA

ARMADURAS, ENTRAMADOS Y ARMADURAS, ENTRAMADOS Y MÁQUINASMÁQUINAS

- - 22 - -

I.T.I 1º:I.T.I 1º:MECANICA IMECANICA I


Departamento de Ingeniería Mecánica, Energética y de MaterialesIngeniaritza Mekanikoa, Energetikoa eta Materialeen Saila


IndiceIndice Punto 7.1 Introducción

Punto 7.2 Armaduras planas Punto 7.2.1 Método de los nudos Punto 7.2.2 Miembros de fuerza nula Punto 7.2.3 Método de las secciones Punto 7.2.4 Fuerzas en miembros de dos fuerzas rectos y curvos

Punto 7.3 Armaduras espaciales

Punto 7.4 Entramados y máquinas Punto 7.4.1 Entramados Punto 7.4.2 Máquinas

- - 33 - -





• La determinación de las reacciones en los apoyos vista en el tema anterior sólo es el primer paso del análisis de las estructuras y máquinas.• En este tema utilizaremos las ecuaciones de equilibrio (EQ) para determinar las fuerzas en los nudos de estructuras compuestas de miembros conectados por pasador.• Este paso es necesario para elegir las sujeciones (tipo, tamaño, material, etc.) que se utilicen para mantener unida la estructura.• La determinación de las fuerzas interiores (Resistencia de materiales) es necesaria para proyectar los miembros que constituyan la estructura.• Las fuerzas en los nudos siempre son, dos a dos, de igual módulo y recta soporte, pero opuestas. Si no se separan del resto de la estructura por medio de un DSL, no habrá que considerar estas parejas de fuerzas al escribir las EQ. Por tanto, para poder determinarlas habrá que dividir la estructura en dos o más partes. Así, las fuerzas de los nudos se convertirán, en los puntos de separación, en fuerzas exteriores en cada DSL y entrarán en las EQ. La aplicación de estas EQ a las distintas partes de una estructura permitirá determinar todas las fuerzas que actúan en las conexiones.

7.1 Introducción

- - 44 - -





1.- Armaduras, estructuras compuestas totalmente por miembros de dos fuerzas. Las armaduras constan generalmente de subelementos triangulares y están apoyadas de manera que se impida todo movimiento. Su estructura ligera puede soportar una fuerte carga con un peso estructural relativamente pequeño.Ejemplo: Puente de la figura

2.- Entramados, estructuras que siempre contienen al menos un miembro sobre el que se ejercen fuerzas entres o más puntos. Los entramados también se construyen y apoyan de manera que se impida su movimiento.Las estructuras tipo entramado que no estén totalmente inmovilizadas reciben el nombre de máquinas o mecanismos.Ejemplo: Mesa de la figura

Aun cuando existen muchos tipos de estructuras, en este tema calcularemos dos de los tipos más corrientes e importantes:

- - 55 - -





7.2 Armaduras planas

La Armadura es una estructura compuesta por miembros usualmente rectos unidos por sus extremos y cargada solamente en estos puntos de unión (nudos). La estructura ligera de una armadura proporciona, para grandes luces, una resistencia mayor que la que proporcionarían muchos tipos de estructura más recios.

Las Armadura planas están contenidas en un solo plano y todas las cargas aplicadas deben estar contenidas en él. Ejemplo: Se utilizan a menudo por parejas para sostener puentes. Las cargas sobre el piso son transmitidas a los nudos ABCD por la estructura del piso.Las Armadura espaciales son estructuras que no están contenidas en un solo plano y/o están cargadas fuera del plano de la estructura.Ejemplos: Grandes antenas, molinos de viento, etc.

- - 66 - -





1ª.- Los miembros de las armaduras están unidos solo por sus extremos. Aunque en la realidad haya miembros que cubran varios nudos.2ª.- Los miembros de la armadura están conectados por pasadores exentos de rozamiento por lo que no hay momentos aplicados a los extremos de los miembros.3ª.- La armadura sólo está cargada en los nudos. Los miembros suelen ser largos y esbeltos por lo que no pueden soportar momentos o cargas laterales fuertes.4ª.- Se pueden despreciar los pesos de los miembros. En la práctica, es corriente suponer que la mitad del peso de cada miembro se ejerce sobre cada uno de los dos nudos que lo conectan.

En el análisis de armaduras se formulancuatro hipótesis fundamentales:

- - 77 - -





El resultado de estas cuatro hipótesis es que todos los miembros de la estructura idealizada son miembros de dos fuerzas. (figura).Tales estructuras son mucho más fáciles de analizar que otras más generales con igual número de miembros. El error resultante suele ser suficientemente pequeño para justificar las hipótesis.

En su forma más sencilla, una armadura consiste en un conjunto de miembros de dos fuerzas unidos por pasadores exentos de rozamiento (figura).

- - 88 - -





Cuando un nudo ejerce una fuerza que tira del extremo de un miembro, éste ejerce una reacción que también tira del nudo. (Principio de acción y reacción).

Las fuerzas que tiran del extremo de un miembro se denominan fuerzas de tracción o de tensión y tienden a alargar el miembro. Las fuerzas que aprietan el extremo del miembro se denominan fuerzas de compresión y tienden a acortarlo.

Los miembros largos y esbeltos que constituyen una armadura son muy resistentes a la tracción pero tienden a sufrir flexión o pandeo cuando se someten a cargas compresivas fuertes, por lo que en estos casos deberán ser más gruesos o deberán riostrarse.

Uno de los extremos de una armadura de puente grandese suele dejar flotar sobre un apoyo de zapata o de rodillo.Aparte del requisito matemático (problema equilibrioPlano: 3 reacciones de apoyo) va a permitir la dilatacióno contracción por causas térmicas.

En el caso de los miembros de dos fuerzas, las fuerzas están dirigidas según la recta que une sus puntos de aplicación.

- - 99 - -





Para mantener su forma y resistir las grandes cargas que se le apliquen, las armaduras han de ser estructuras rígidas. El elemento constitutivo básico de toda armadura es el triángulo ya que es la estructura rígida más sencilla.

A menudo se dice que una armadura es rígida si conserva su forma al sacarla de sus apoyos o cuando uno de sus apoyos puede deslizar libremente. Ejemplo:

Por otro lado, la armadura de la 2ª figura se dice que es una armadura compuesta y la falta de rigidez interna se compensa mediante una reacción de apoyo exterior más. Ejemplo:

- - 1010 - -





El elemento constitutivo básico de toda armadura es el triángulo. Las armaduras grandes se construyen uniendo varios triángulos.

Armaduras simples: Estas se diseñan a partir de un elemento triangular básico (triángulo ABC), luego se añaden, uno a uno, elementos triangulares adicionales uniendo un nuevo nudo (D) a la armadura y utilizando dos nuevos miembros (BD y CD) y así sucesivamente.Las armaduras de la página anterior no son simples.La armadura simple, al estar constituida tan solo por elementos triangulares, siempre será rígida. Como cada nuevo nudo trae con él dos nuevos miembros, se cumple que en una armadura simple plana:

32 nm Siendo m el nº de miembros y n el nº de nudos.

Según el método de los nudos, ésta es exactamente la condición necesaria para garantizar la resolubilidad de la armadura simple plana, aunque no es válida para otro tipo de armaduras.

- - 1111 - -





7.2.1 Método de los nudos

Consiste en desmontar la armadura dibujando por separado el DSL de cada miembro y cada pasador y aplicarles las condiciones de equilibrio.

- - 1212 - -





Los DSL de los miembros de la armadura solo tienen fuerzas axiales aplicadas en sus extremos en virtud de la hipótesis formuladas anteriormente. El símbolo TBC representa la fuerza incógnita en el miembro BC (TBC = TCB). Al conocer las rectas soporte de los miembros solo faltaría determinar el módulo y sentido de las fuerzas en los mismos. El sentido de la fuerza se tomará del signo de TBC. Las fuerzas que apuntan hacia fuera del miembro se denominan fuerzas de tracción o de tensión y tienden a estirar el miembro. Las fuerzas que apuntan hacia el miembro se denominan fuerzas de compresión y tienden a comprimirlo. Aun cuando algunos intentan prever el sentido de las fuerzas, no es necesario hacerlo, por lo que dibujaremos los DSL como si todos los miembros estuvieran sometidos a tracción. Así, el valor negativo de una fuerza indicará que el miembro está sometido a compresión.

Consideraciones generales del Método de los nudos (1/3):

- - 1313 - -





De acuerdo con el principio de acción y reacción, la fuerza que un pasador ejerce sobre un miembro es igual y opuesta a la que el miembro ejerce sobre el pasador. El análisis de la armadura se reduce a considerar el equilibrio de los nudos ya que el equilibrio de los miembros no aporta más información que la igualdad de fuerzas en los extremos. Como en cada nudo actúan fuerzas concurrentes coplanarias, el equilibrio de momentos no dará información útil con lo que solo se analiza el equilibrio de fuerzas. Para cada nudo R = 0 dará lugar a 2 ecuaciones escalares independientes:

Una armadura plana con n pasadores dará un total de 2n ecuaciones escalares independientes con las que calcularemos las m fuerzas en los miembros y las 3 reacciones en los apoyos de una armadura simple.

00 yx FyF


- - 1414 - -





Si existe un nudo con solo dos fuerzas incógnitas, las dos ecuaciones para este nudo se pueden resolver independientemente del resto de ecuaciones. Si no existe un tal nudo, suele poderse crear resolviendo primero las EQ de la armadura en su conjunto. Los nudos se resuelven de esta manera uno tras otro hasta que se conozcan todas las fuerzas. Una vez determinadas todas las fuerzas, deberá hacerse un resumen de todas las fuerzas de los miembros indicando en cada una si es de tracción o d compresión. Si se utiliza primeramente el equilibrio global para determinar las reacciones en los apoyos y ayudar a iniciar el método de los nudos, entonces tres de las 2n EQ de los nudos serán superabundantes y se podrán utilizar para comprobar la solución. Si no es así, es el equilibrio global el que puede utilizarse para comprobar la solución.


- - 1515 - -





PROBLEMA 7.1PROBLEMA 7.1

- - 1616 - -






- - 1717 - -






- - 1818 - -





7.2.2 Miembros de fuerza nula

1º Cuando sólo dos miembros no colineales forman un nudo y a éste no hay aplicada ni carga exterior ni reacción de apoyo, los miembros serán de fuerza nula. Ejemplo:

En este caso se podrían suprimir los dos miembros BC y CD, sin que viera afectada la solución e incluso la estabilidad de la armadura.

Sucede a menudo que ciertos miembros de una armadura dada no soportan carga. Esto suele deberse a una de las dos causas generales.

- - 1919 - -





2º Cuando tres miembros forman un nudo en el cual dos de los miembros sean colineales y el tercero forme ángulo con ellos, el miembro no colineal lo será de fuerza nula si al nudo no hay aplicada fuerza exterior ni reacción de apoyo. Los dos miembros colineales soportan cargas iguales. Ejemplo:

En este caso estos miembros de fuerza nula no pueden suprimirse, sin más, de la armadura y descartarlos. Son necesarios para garantizar la estabilidad de la armadura, tal y como se indica a continuación.

- - 2020 - -





Si se suprimieran los miembros de fuerza nula AD y BD, nada impediría que una pequeña perturbación desplazara ligeramente el pasador D y destruyera el alineamiento de los miembros.

La armadura ya no estaría estático, el pasador D seguiría moviéndose hacia afuera y la armadura se derrumbaría.

Así pues, no hay que apresurarse a descartar miembros de una armadura sólo por que no soporten carga para una cierta configuración. Tales miembros son a menudo necesarios para soportar parte de la carga cuando la carga aplicada varíe y casi siempre son necesarios para garantizar la estabilidad de la armadura.

DECDy

DECDx

TTF

TTF

0

0

Pero el equilibrio del pasador C exigeque TCD no sea nula. Con lo que:

- - 2121 - -






- - 2222 - -






- - 2323 - -





7.2.3 Método de las secciones

La armadura se divide solo en dos pedazos. Como la armadura entera está en equilibrio cada uno de los pedazos es también un cuerpo en equilibrio. Ejemplo: La armadura de la figura se puede dividir en dos partes haciendo pasar una sección imaginaria aa que corte a alguno de sus miembros. La sección deberá cortar la armadura de manera que se puedan dibujar DSL completos para cada uno de los pedazos.En cada uno hay que incluir la fuerza que sobre cada miembro cortado ejerce la otra parte del miembro que ha quedado fuera.Así pues, para hallar la TCF, la sección deberá cortar ese miembro. Para cada cuerpo rígido podrán escribirse 3 EQ independientes. En total 6 ecuaciones para despejar 6 incógnitas (las fuerzas en los tres miembros cortados y las 3 reacciones en los apoyos).

- - 2424 - -





Podremos simplificar la resolución de las ecuaciones si se determinan las reacciones de los apoyos a partir del equilibrio de toda la armadura antes de ser seccionada.

Si una sección cortara cuatro o más miembros cuyas fuerzas no se conocieran, el método de las secciones no generaría bastantes EQ para despejar todas las fuerzas incógnitas.En ocasiones, no puede encontrarse una sección que corte no más de 3 miembros y pase a través de un miembro de interés dado. En tal caso, podrá ser necesario dibujar una sección que atraviese un miembro próximo y despejar primero las fuerzas en él y posteriormente aplicar el método de los nudos a un nudo próximo o el de la secciones a una sección que contenga el miembro de interés (problema ejemplo 7.8).

Ventajas: Suele poderse determinar la fuerza en un miembro cercano al centro de una armadura grande sin haber obtenido primero las fuerzas en el resto de la armadura con lo que la posibilidad de error se reduce de manera importante. Puede servir de comprobación cuando se utilice el método de los nudos o un programa de ordenador para resolver una armadura.

- - 2525 - -






- - 2626 - -





PROBLEMA 7.6 bisPROBLEMA 7.6 bis

- - 2727 - -






- - 2828 - -






- - 2929 - -






- - 3030 - -





Considerando un corte transversal en la sección aa del miembro recto de la figura, sobre la superficie de corte habrá una distribución compleja de fuerzas que podría sustituirse por una fuerza y un par equivalentes.Al aplicar las EQ al DSL, estas exigen que sea nula la componente cortante V, que sea nula la componente M del momento y que la componente axial P del sistema equivalente fuerza-par sea de igual módulo y dirección pero de sentido opuesto a T.Es decir, si las fuerzas en los extremos de un miembro recto de dos fuerzas tiran del miembro, las fuerzas que se ejerzan sobre cualquier sección del miembro representarán también una fuerza axial que tire de dicha sección.

7.2.4 Fuerzas en miembros de dos fuerzas rectos y curvos

- - 3131 - -





Si el miembro de dos fuerzas es curvo, las fuerzas en sus extremos actuarán según la recta que une los puntos de aplicación de las fuerzas.

Si se corta el miembro transversalmente en la sección aa, se tendrá una distribución compleja de fuerzas sobre la sección que podría sustituirse por un sistema fuerza-par equivalente.

Al aplicar las EQ al DSL, estas exigen ahora que la resultante R de las componentes axial P y cortante V del sistema fuerza-par equivalente sea de igual módulo y dirección pero de sentido opuesto a T. Como las fuerzas R y T no son colineales, el equilibrio de momentos exige ahora que 0. dTMPor tanto, el diseño de miembros rectos de dos fuerzas sólo precisa considerar fuerzas axiales, mientras que los miembros curvos de dos fuerzas deben diseñarse para resistir fuerzas cortantes V y momentos flectores M, así como fuerzas axiales P. Complica más aún el problema el hecho de que los valores de V, M y P dependen de donde se corte el miembro.

- - 3232 - -






- - 3333 - -






- - 3434 - -





7.3 Armaduras espaciales

El equivalente tridimensional del triángulo es el tetraedro.Una armadura espacial simple se forma añadiendo unidades tetraédricas a la armadura con lo que son siempre rígidas.Como ahora cada nuevo nudo lleva consigo 3 nuevos miembros, la relación entre los n nudos y los m miembros vendrá dado por:

m = 3n – 6.Estas armaduras, al igual que las planas, se pueden analizar utilizando el método de los nudos o el de las secciones: Método de los nudos: al aplicar las EQ en cada nudo obtendremos 3n ecuaciones para calcular las m fuerzas en los miembros y las 6 reacciones de apoyos. Método de las secciones: la aplicación de las EQ a las dos secciones darán 12 EQ (6 c.u.) suficientes para determinar las 6 reacciones de apoyos y 6 fuerzas de miembros internas (suele ser difícil hacer pasar una sección que no corte a más de 6 miembros).

Son armaduras cuyos nudos no se encuentren todos en un plano y/o cuyos apoyos y cargas no sean coplanarios.

- - 3535 - -






- - 3636 - -






- - 3737 - -






- - 3838 - -






- - 3939 - -





7.4 Entramados y máquinas

Aun cuando los entramados y las máquinas pueden contener también uno o más miembros de dos fuerzas, contienen al menos un miembro sobre el que se ejercen fuerzas en más de dos puntos o sobre el cual actúen fuerzas y momentos.

Los entramados a su vez son estructuras rígidas mientras que las máquinas no lo son. Ejemplos:

MáquinaEntramado

Esta estructura no es rígida en el sentido de que depende de sus apoyos para mantener su forma.La falta de rigidez se compensa con una reacción más de los apoyos.

- - 4040 - -





Mas concretamente, el término máquina suele utilizarse para describir objetos que se utilicen para amplificar el efecto de las fuerzas (tenazas, pinzas, cascanueces, etc.) En cada caso, se aplica al mango del dispositivo una fuerza de entrada y este elemento aplica una fuerza de salida mucho mayor a donde sea. Deben desmenbrarse y analizarse aun cuando lo único que se pida sea la relación entre las fuerza aplicada y de salida.

El método de resolución de entramados y máquinas consiste en desmenbrar las estructuras, dibujar el DSL de cada componente y escribir las EQ para cada DSL.

En el caso de armaduras, al conocerse la dirección de la fuerza en todos los miembros, el método de los nudos se reducía a resolver problemas de equilibrio del punto. Si embargo, como algunos miembros de los entramados y máquinas no son miembros de dos fuerzas, no se conocen las direcciones de las fuerzas en dichos miembros con lo que su análisis consistirá en resolver el equilibrio de un sistema de cuerpos rígidos.

Así pues, en la máquinas el equilibrio global no es suficiente para determinar las 4 reacciones en los apoyos. La estructura debe desmenbrarse y analizarse aun cuando lo único que se pida sean las reacciones en los apoyos.

- - 4141 - -





7.4.1 Entramados

El la figura tenemos una mesa en la que ninguno de sus miembros lo es de dos fuerzas. Además, aun cuando pueda doblarse la mesa desenganchando el tablero de las patas, en su utilización normal la mesa es una estructura rígida estable y por tanto un entramado.

1º Análisis de la estructura completa. Dibujamos su DSL y escribimos las EQ:

0.3,0.6,0

0

0

WDM

WDAF

AF

yA

yyy

xx

dan las reacciones en los apoyos:

A continuación, se desmiembra la mesa y se dibujan por separado los DSL de cada una de sus partes.

220

WD

WAA yyx

- - 4242 - -





Teniendo en cuenta el principio de acción y reacción, al dibujar los DSL, las fuerzas que un miembro ejerce sobre otro deberán ser de igual módulo y dirección, pero de sentido opuesto, que las fuerzas que el segundo miembro ejerce sobre el primero.

Aun cuando no todos los miembros de un entramado puedan ser miembros de dos fuerzas, es posible e incluso muy probable, que uno o varios lo sean. Hay que aprovechar dichos miembros y mostrar que las fuerzas correspondientes se ejercen en su dirección, que es conocida. Pero, hay que estar seguros antes de hacer esta simplificación.

En el análisis de entramados, al contrario que ocurre con las armaduras, rara vez resulta útil analizar por separado el equilibrio de los pasadores.

- - 4343 - -





Sin embargo, existen algunas situaciones particulares en las que sí importa: Cuando un pasador conecta un apoyo y dos o más miembros, el pasador debe asignarse a uno de los miembros. Las reacciones del apoyo están aplicadas al pasador de este miembro. Cuando un pasador conecta dos o más miembros y a él está aplicada una carga, el pasador deberá asignarse a uno de los miembros. La carga estará aplicada al pasador de este miembro.

También hay que tener cuidado cuando uno o más miembros que concurran en un nudo sea miembro de dos fuerzas, siendo recomendables las dos reglas siguientes:

Los pasadores no deben nunca asignarse a miembros de dos fuerzas. Cuando todos los miembros que concurran en un pasador sean miembros de dos fuerzas, deberá suprimirse y analizarse por separado dicho pasador, como se hace en el método de los nudos para las armaduras.

Para cada parte tenemos 3 EQ, en total 9 EQ para hallar la 6 fuerzas incógnitas restantes (Bx, By, Cx, Cy, Ex y Ey). La obtención previa de las reacciones en los apoyos a partir del equilibrio global del entramado ha reducido a 3 de estas EQ a una mera comprobación.

En la mayoría de los casos, no importa a qué miembro esté unido un pasador cuando se desmiembra la estructura.

- - 4444 - -





7.4.2 Máquinas

Ejemplo: Prensa de ajos de la figura.Las fuerzas H1 y H2 aplicadas a las empuñaduras (fuerzas de entrada) se convierten en las fuerzas G1 y G2 (fuerzas de salida) aplicadas al diente de ajo.El equilibrio de toda la prensa solo da H1 = H2; No da información acerca de la relación entre las fuerzas de entrada y de salida. Para ello, habrá que desmembrar la máquina y dibujar DSL para cada una de sus partes. Entonces:

La razón de las fuerzas de salida a las de la entrada se denomina desarrollo mecánico (DM) de la máquina. En nuestro caso valdría:

Hb

baGbGHbaM B

)(0

b

baDM

El método anterior también se utiliza para analizar máquinas y otras estructuras no rígidas.

- - 4545 - -






- - 4646 - -






- - 4747 - -






- - 4848 - -





PROBLEMA 7.13 bisPROBLEMA 7.13 bisOtra resoluciónOtra resolución

tema 07 armaduras entramados y maquinas

Documents