c202 - yerko garcia

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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica SANTIAGO TITULO DE LA EXPERIENCIA _____________________________________________________________________________________________________________ ______________________ EXPERIENCIA N° ____________Grupo N°______________________________Fecha de la Exp._________________ Fecha de Entrega ___________________ NOMBRE ASIGNATURA______________________________________________________________________________CODIGO_______________ ________ CARRERA__________________________________________________________________Modalidad (Diurna o Vespertina)____________________________ NOMBRE DEL ALUMNO__________________________________________________________- ___________________________________________________ Apellido Paterno Apellido Materno Nombre _____________________________ Firma del alumno Fecha de Recepción C202 2 “Determinación de esfuerzos y constante de materiales 26/01/2 Ingeniera Civil en Mecánica Laboratorio General I Diurna García 02/02/20 Vargas 15028 Yerko Fabrizio Yerko García

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Page 1: C202 - Yerko Garcia

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

FACULTAD DE INGENIERÍA

Departamento de Ingeniería Mecánica

SANTIAGO

TITULO DE LA EXPERIENCIA

___________________________________________________________________________________________________________________________________

EXPERIENCIA N° ____________Grupo N°______________________________Fecha de la Exp._________________ Fecha de Entrega ___________________

NOMBRE ASIGNATURA______________________________________________________________________________CODIGO_______________________

CARRERA__________________________________________________________________Modalidad (Diurna o Vespertina)____________________________

NOMBRE DEL ALUMNO_____________________________________________________________________________________________________________

Apellido Paterno Apellido Materno Nombre

_____________________________

Firma del alumno

Fecha de Recepción

Nota de Interrogación ________________ Nombre del Profesor ______________________________________________________________________________

Nota de Participación ________________

Nota de Informe ____________________ _________________________________

Nota Final ________________________ Firma del Profesor

SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU INFORME LA MATERIA MARCADA CON UNA X

________ Presentación ________ Cálculos, resultados, gráficos

________ Características Técnicas ________ Discusión, conclusiones

________ Descripción del Método seguido _______ Apéndice

OBSERVACIONES

C202 2

“Determinación de esfuerzos y constante de materiales metálicos”

26/01/2012 02/02/2012

Laboratorio General I

Ingeniera Civil en Mecánica Diurna

15028

García Vargas Yerko Fabrizio

Yerko García Vargas

Pablo Pablov

Page 2: C202 - Yerko Garcia

LABORATORIO GENERAL I

EXPERIENCIA C202

“DETERMINACION DE ESFUERZOS Y

CONSTANTE DE MATERIALES

METALICOS”

Profesor: Pablo Pablov

Alumno: Yerko García Vargas

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE

FACULTAD DE INGENIERÍA

Departamento de Ingeniería Mecánica

2

Page 3: C202 - Yerko Garcia

Fecha de realización: 26/01/2012

Fecha de entrega: 02/02/2012

Índice

1 Resumen......................................................................................................................................4

2 Objetivos......................................................................................................................................5

2.1 Flexión en maderas...............................................................................................................5

2.1.1 Objetivo Específico......................................................................................................5

2.1.2 Objetivo específico.......................................................................................................5

2.2 Cintas Extensometricas........................................................................................................5

2.2.1 Objetivo Específico......................................................................................................5

2.2.2 Objetivo específico.......................................................................................................5

3 Características técnicas de los equipos e instrumentos empleados.............................................6

3.1 Máquina universal de ensayos de tracción...........................................................................6

3.2 Higrómetro...........................................................................................................................6

3.3 Transductor de medidas (strain indicator)............................................................................7

3.4 Cintas Extensometricas (Strain Gage)..................................................................................7

3.5 Palpador de caratula (Reloj comparador).............................................................................8

3.6 Pie de metro..........................................................................................................................8

3.7 Pesas.....................................................................................................................................9

4 Descripción del método seguido................................................................................................10

4.1 Flexión en maderas.............................................................................................................10

4.2 Cintas exensometricas........................................................................................................10

5 Presentación de los resultados...................................................................................................11

5.1 Flexión en maderas.............................................................................................................11

5.2 Cintas Extensometricas......................................................................................................16

6 Discusión de lo resultados, Conclusión y Observaciones personales........................................20

3

Page 4: C202 - Yerko Garcia

7 Bibliografía utilizada.................................................................................................................22

1 Resumen

El presente informe denominado “Determinación de esfuerzos y constantes de

materiales metálicos”, presenta el estudio de un ensayo de flexión en vigas de madera y

también en probetas de aluminio sometidas a carga en voladizo, las cuales nos permitirán

obtener las propiedades metálicas de estos materiales.

En el primer ensayo se observan los valores de la flecha de vigas de madera simplemente

apoyadas con carga central, aquí se tomaran los valores de las cargas para las flechas

establecidas previamente dentro del límite elástico, luego se llevaran estas probetas a la

ruptura y se observará el valor de la carga máxima, así obtendremos propiedades mecánicas

de resistencia, de deformidad y las curvas de carga versus deflexión,

El segundo ensayo consistió en colocar cargas en vigas de aluminio que se encontraban en

voladizo y observar las deformaciones que se producían, con estos valores se calculan las

propiedades del material (modulo de Young, coeficiente de Poisson, etc), así como el plano

en donde se encuentran las tensiones principales.

4

Page 5: C202 - Yerko Garcia

2 Objetivos

2.1 Flexión en maderas

2.1.1 Objetivo Específico

Determinar propiedades mecánicas y características de materiales sometidos a flexión.

2.1.2 Objetivo específico

Determinar el modulo de elasticidad en diferentes maderas, tales como Raulí y

Coigue.

Determinar el esfuerzo de proporcionalidad (σprop).

Medir la fuerza de ruptura.

Medir el porcentaje de agua en las maderas utilizando un higrómetro.

2.2 Cintas Extensometricas

2.2.1 Objetivo Específico

Capacitar técnicamente para medir propiedades mecánicas de materiales metálicos

utilizando cintas extensométricas.

2.2.2 Objetivo específico

Determinar el modulo de elasticidad en el aluminio.

Determinar la razón de Poisson ν.

Determinar deformaciones, esfuerzos y direcciones principales con una roseta

rectangular.

5

Page 6: C202 - Yerko Garcia

3 Características técnicas de los equipos e instrumentos

empleados

3.1 Máquina universal de ensayos de tracción

Marca: Losenhausenwerk.

Rangos de carga:

0 – 1 Tonelada.

0 – 2 Toneladas.

0 – 5 Toneladas.

0 – 10 Toneladas.

Velocidades:

50 mm/min

100 mm/min.

150 mm/min.

200 mm/min.

260 mm/min.

3.2 Higrómetro

El higrómetro fue utilizado para medir la

humedad de las vigas de madera utilizadas

durante en el ensayo de flexión.

Marca: GANH

Modelo: HT 75

Tipo: digital

6

Page 7: C202 - Yerko Garcia

3.3 Transductor de medidas (strain indicator)

El traductor de medición fue utilizado para

interpretar los datos de las cintas

extensométricas.

Marca: Measurements Group

Instruments Division.

Modelo: P-3500

3.4 Cintas Extensometricas (Strain Gage)

La cintas de extensométricas fueron usadas

para medir la deformación que ocurría en

las vigas.

Marca: Measurements Groups.

Tipos: Simple, Doble y Roseta

Rectangular

7

Page 8: C202 - Yerko Garcia

3.5 Palpador de caratula (Reloj comparador)

El reloj comparador fue utilizado para

medir la flecha en el ensayo de flexión

Rango de operación: 0 – 10 [mm]

Resolución: 0.01 [mm]

3.6 Pie de metro

El pie de metro se utilizó tanto para medir

el largo de las probetas como su diámetro

para el cálculo de las tensiones y

deformación con respecto a las medidas.

Tipo: Manual

Rango de operación de 0 - 152

[mm]

Precisión: 0,01 [mm]

8

Page 9: C202 - Yerko Garcia

3.7 Pesas

Los pesos fueron utilizados para generar

fuerzas sobre las cargas para medir la

deflexión con las cintas extensométricas.

9

Page 10: C202 - Yerko Garcia

4 Descripción del método seguido

La experiencia comenzó con una breve introducción realizada por el profesor, seguido

a esto explico la metodología a seguir especificando que la experiencia se dividía en dos

partes, donde la primera correspondía a Flexión en maderas y la segunda a Cintas

extensometricas.

4.1 Flexión en maderas

Para esta parte de la experiencia se trabajo con dos tipos de maderas las cuales fueron

Raulí, y Coigue, donde los análisis solo se realizaron para el Raulí y para el Coigue solo se

obtuvo la fuerza de ruptura.

Luego se calibró la máquina de ensayos, procedimiento necesario para la obtención de

resultados. Posteriormente se tomaron medidas de las vigas de madera a utilizar, y se

realizaron las marcas correspondientes para la ubicación de los 2 apoyos y el punto de

aplicación de la fuerza. Se tomaron todas las precauciones necesarias para la aplicación

equidistante de fuerzas que provocaran solo flexión en la viga. Se aplicó un precarga para

para fijar la viga a los apoyos y seguido a esto se instalo el reloj comparador.

Las vigas fueron sometidas a flexión debido a la acción de la fuerza centrada, donde se

fueron registrando los valores de deformación en el centro que se obtenían gracias al reloj

comparador, todo esto en función de la carga de trabajo que también fue registrada.

4.2 Cintas exensometricas

Esta parte de la experiencia consistió en conectar mediante unos cables el indicador

de deformaciones o transductor de medidas a la cinta extensométrica que se encontraba en

una viga de aluminio, para luego comenzar a medir las deformaciones con una cinta simple

y cintas dobles (deformaciones longitudinales y transversales), con siete cargas para cada

caso

El último análisis que se realizó fue con una roseta rectangular (45°) que nos permitirá

saber (mediante cálculos) el plano en donde se encuentran las tensiones principales donde

se analizó con dos valores de carga.

10

Page 11: C202 - Yerko Garcia

5 Presentación de los resultados

5.1 Flexión en maderas

Para la obtención de los valores se utilizo una viga de raulí que es como la que se

muestra en la siguiente imagen.

La carga actúa en el centro de la viga, la cual se encuentra apoyada en apoyos simples.

Las características geométricas de la viga de Raulí son la que se muestran a continuación:

Material

b [mm] h [mm] L [cm] I [mm4]

Raulí 30 30 30 6,75Tabla 1.

11

Page 12: C202 - Yerko Garcia

Los valores de carga P y deflexión δ obtenidos son los que se presentan en la siguiente

tabla.

P [kgf] δ [mm]10 0,230 0,450 0,675 0,895 1,0120 1,2140 1,4160 1,6180 1,8200 2,0220 2,2

Pprop [kgf] 240 2,4Tabla 2.

Graficando los valores anteriores se obtiene lo siguiente:

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.40

50

100

150

200

250

300Carga v/s Deflexión

δ [mm]

P [k

gf]

Grafica 1.

Es posible apreciar que la carga respecto la deflexión o flecha van variando linealmente

12

Page 13: C202 - Yerko Garcia

Utilizando la ecuación la ecuación de Navier, la que se define como:

σ=M cI

(1)

Donde:

M= PL4∧c=h

2∧ I=b h3

12dado que b=h⇒ I= h4

12

Y al agrupar los valores, la ecuación de Navier se puede dejar expresada de la siguiente

manera.

σ=3 PL

2h3(2)

La viga al ser apoyada en apoyos simples es posible obtener la formulas de su flecha

δ= P L3

48 E I⇒E= P L3

48 Iδ(3)

13

Page 14: C202 - Yerko Garcia

Al aplicar la ecuación (2) y (3) es posible obtener los valores que se exponen a

continuación.

E [kgf/cm2] σ [kgf/cm2]41,7E3 16,762,5E3 5069,4E3 83,378,1E3 12579,2E3 158,383,3E3 20083,3E3 233,383,3E3 266,783,3E3 30083,3E3 333,383,3E3 366,783,3E3 40041,7E3 16,762,5E3 5069,4E3 83,3 σprop [kgf/cm2]

Tabla 3.

El valor promedio del modulo elástico tiene un valor de:

EPromedio=1

12∑i=0

11

Ei=76,2∗103 Kgfcm2

El valor de la fuerza de ruptura se obtuvo de forma experimental, es decir hasta que la viga

se rompiera, por lo que la fuerza leída en la maquina es de:

Pruptura=450 kgf

Para el Coigue se obtuvo un valor de:

Pruptura=440 kgf

14

Page 15: C202 - Yerko Garcia

El porcentaje de humedad medido en tres partes distintas de la viga de raulí se aprecia en la

siguiente tabla.

N° Medición % Humedad1 7,12 7,43 7,3

Tabla 4.

Por lo que el valor promedio es de:

13∑i=0

2

% Humedad i=7,3

15

Page 16: C202 - Yerko Garcia

5.2 Cintas Extensometricas

En esta parte de la experiencia se utiliza una probeta de aluminio en donde su

extremo se encuentra empotrado. Se utilizan sobre la probeta tres configuraciones de cintas

extensometricas; simple, doble y roseta rectangular.

La probeta de aluminio presenta las siguientes características geométricas:

Probeta L [mm] Lo [mm] b [mm] h [mm]Aluminio 286 260 25,4 3,1

Tabla 5.

Para calcular el esfuerzo en una viga empotrada se obtiene con el uso de la siguiente

expresión:

σ=6 P Lo

bh2 (4)

También de la ley de Hooke se tiene que:

σ=E ε (5 )

16

Page 17: C202 - Yerko Garcia

Al igualar (4) con (5) se tiene la siguiente relación para el modulo de elasticidad de forma

experimental:

E=6 P Lo

b h2ε(6)

En la experiencia se indico que el esfuerzo admisible para el aluminio es de 720 kgf/cm2

entonces al aplicar la ecuación (4) la fuerza admisible para la probeta corresponde a:

Padm=σ admbh2

6 Lo

=1,02 kgf

Para la probeta con la cinta extensometrica simple se aplicaron distintos valores de cargas,

obteniéndose distintos valores de deformación y que al aplicar la ecuación (6) se puede

obtener el modulo elástico esta de forma experimental.

P [kgf] ε [μdef] E [kgf/cm2]0,1 90 710E30,2 182 702E30,3 272 705E30,5 454 704E30,6 544 705E30,8 727 703E31,0 903 708E3

Tabla 6.

Calculando el valor promedio para el modulo elástico, se obtiene que:

EPromedio=17∑i=0

6

Ei=705∗103 kgfcm2

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Page 18: C202 - Yerko Garcia

Para la probeta con cinta extensometrica doble también se aplicaron distintas cargas,

obteniéndose valores de deformaciones tanto tangenciales como longitudinales, en donde la

razón de ambas corresponde a valor del coeficiente de Poisson.

P [kgf] εt [μdef] εl [μdef] ν = εt/εl

0,5 34 108 0,310,7 48 151 0,321,0 68 216 0,311,2 81 260 0,311,5 101 325 0,312,0 136 433 0,313,0 204 652 0,31

Tabla 7.

Calculando el valor promedio para el coeficiente de Poisson, se obtiene que:

νPromedio=17∑i=0

6

ν i=0,31

Para la probeta con la roseta rectangular se aplicaron dos valores de cargas distintas, donde

se obtuvieron las deformaciones que se presentan en la siguiente tabla.

P [kgf] ε1 [μdef] ε2 [μdef] ε3 [μdef]0,5 298 419 101,0 604 836 25

Tabla 8.

Las deformaciones principales, los esfuerzos principales y las direcciones principales

correspondientes se pueden obtener a través de las siguientes ecuaciones:

ε p ,q=ε1+ε3

1−ν± √2

1+ν√(ε1−ε 2)

2+(ε2−ε3)2(7)

σ p ,q=E2 [ ε1+ε3

1−ν± √2

1+ν√(ε1−ε2)

2+(ε2−ε3)2](8)

ϕ p , q=12

arctg ( (ε2−ε3 )−(ε1−ε2 )ε1−ε3

)(9)

(si ε1>ε1+ε3

2, ϕp , q=ϕp ; si ε1<

ε1+ε3

2, ϕ p , q=ϕq ; si ε1=

ε1+ε 3

2, ϕ p=± 45 °)

18

Page 19: C202 - Yerko Garcia

Los valores obtenidos al aplicar las ecuaciones (7) (8) y (9) son los que se presentan en la

siguiente tabla.

εp [μdef] εq [μdef] ν = /εq/εp/ σp [kgf/cm2] σq [kgf/cm2] Φp,q [°]456 -148 0,32 319.79 -4.96 30,7911 -282 0,31 642.60 0.34 30,5

Tabla 9.

Dado que:

ε 1>ε 1+ε3

2entonces ϕp , q=ϕp

19

Page 20: C202 - Yerko Garcia

6 Discusión de lo resultados, Conclusión y Observaciones

personales

Flexión en Maderas

De acuerdo a los valores que se obtuvieron en el desarrollo de estar parte de la

experiencia queda claro que el comportamiento de estructuras sometidas a flexión permite

vislumbrar cuan perjudicial es este fenómeno en comparación con la tracción motivo por el

cual es uno de los fenómenos mas considerados en el campo de la construcción. La madera

pertenece se encuentra en la categoría de los materiales anisotrópicos, es decir que sus

propiedades varían si sus propiedades mecánicas son diferentes en diferentes direcciones.

En general, las propiedades mecánicas de los materiales anisotrópicos no son simétricas

con respecto a ningún plano o eje. Los materiales ortotrópicos a veces se denominan

anisotrópicos.

En lo que respecta a los resultados obtenidos se expone a continuación las propiedades

mecánicas del Raulí:

De acuerdo a los valores que se presentan en la propiedades mecánicas del Raulí, se puede

decir que el valor del modulo de elasticidad se encuentra dentro del rango dado que se tiene

que varia de 66000 a 81000 kgf/cm2, eso si con diferentes porcentajes de humedad en

20

Page 21: C202 - Yerko Garcia

donde se obtuvo experimentalmente un 7,3% que claramente esta sujeto a las condiciones

de temperatura y presión al momento de realizar la medición.

Cintas extensometricas

El método de cuantificar deformaciones para así calcular esfuerzos es bastante

aplicable en la parte donde los estudios de esfuerzos son de difícil acceso, hoy en día se han

dejado de usar debido a los análisis de elementos finitos. Los strain gage son utilizados en

fases donde el diseño del elemento ya está definido y realizado, es por ello que cuando

mecanismos son utilizados y presentan fallas es factible usar este método para definir que

solicitaciones están causando el daño, generalmente se ocupan en situaciones donde no se

pueden evidenciar las fuentes de las cargas que provocan esfuerzos catastróficos.

En los que respecta a los valores obtenidos estos difieren muy poco a los encontrados en la

literatura dado que para el aluminio se expone que tiene un modulo de elasticidad de

731000 kgf/cm2 y el valor experimental fue de 705000 kgf/cm2. Lo mismo ocurre con el

coeficiente de Poisson en donde en la literatura se expone un valor de 0,333 y el valor

experimental obtenido es de 0,31.

Como conclusión los objetivos se cumplieron en su cabalidad, mediante el ensayo de

flexión se lograron determinar las propiedades mecánicas de las probetas utilizadas en

forma correcta y también las cintas extensométricas que nos permitió captar las pequeñas

deformaciones longitudinales y transversales producidas en la probeta de Aluminio en

voladizo y con una carga en su extremo.

21

Page 22: C202 - Yerko Garcia

7 Bibliografía utilizada

C.c. Perry y H.R. Lissner; the Strain Gage Primer. T.G. Beckurth y N.L. Back; Mechanical Measurements. Higdon; Mecánica Aplicada a la Resistencia de Materiales. H.E. Davis, G.E. Troxell, C.T. Wiscocil; Ensayo e Inspección de los Materiales de

Ingeniería. Shigley, Diseño en ingeniería mecánica, McGraw-Hill

Apuntes del laboratorio “Determinación de esfuerzos y constante de materiales

metálicos”

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