esfuerzos en recipientes de paredes delgadas (tubulares)

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ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL CURSO : MECÁNICA DE SOLIDOS DOCENTE : ING. LUIS SILVA TEMAS : - ESFUERZOS EN RECIPIENTES DE PAREDES DELGADAS (TUBULARES) - DEFORMACIÓN EN VIGAS (CURVA ELÁSTICA) - FLEXIÓN ALUMNO : RAFAEL LIVAQUE, Néstor CICLO : IV CHOTA – PERÚ 2015

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Page 1: ESFUERZOS EN RECIPIENTES DE PAREDES DELGADAS (TUBULARES)

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

CURSO : MECÁNICA DE SOLIDOS

DOCENTE : ING. LUIS SILVA

TEMAS : - ESFUERZOS EN RECIPIENTES DE PAREDES

DELGADAS (TUBULARES)

- DEFORMACIÓN EN VIGAS (CURVA ELÁSTICA)

- FLEXIÓN

ALUMNO : RAFAEL LIVAQUE, Néstor

CICLO : IV

CHOTA – PERÚ

2015

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Mecánica de Solidos 1

INTRODUCCIÓN

Se deducen las ecuaciones para calcular los esfuerzos en las paredes de los cilindros

de pared delgada, tales como: los domos de las calderas, las tuberías, los separadores

de fluidos en la industria petrolera, los tanques llamados "salchichas" y los tanque

esféricos llamados "esferas" en la industria petrolera.

Se detalla las deformaciones de vigas donde se estudiará en especial la curva elástica.

También se hablará de flexión en vigas.

La utilidad de estos conocimientos está en el diseño de los dispositivos mecánicos

señalados, y en la impartición de las materias de la carrera Ingeniero Civil.

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I. MARCO TEÓRICO

1.1. RECIPIENTES DE PAREDES DELGADAS (TUBULARES)

Los recipientes de pared delgada constituyen una aplicación importante del

análisis de esfuerzo plano. Como sus paredes oponen poca resistencia a la

flexión, puede suponerse que las fuerzas internas ejercidas sobre una parte de

la pared son tangentes a la superficie del recipiente.

Considerando recipiente cilíndrico de radio interior r y espesor de pared t, que

contiene un fluido a presión Se van a determinar los esfuerzos ejercidos sobre

un pequeño elemento de pared con lados respectivamente paralelos y

perpendiculares al eje del cilindro. Debido a la simetría axial del recipiente y

de su contenido, no se ejercen esfuerzos cortantes sobre el elemento.

A. DIFERENCIA ENTRE CILINDROS DE PARED GRUESA Y

CILINDROS DE PARED DELGADA

Un cilindro es de pared delgada cuando hay una gran diferencia entre el

espesor de la pared y el diámetro del mismo, en un cilindro de pared gruesa

no sucede lo mismo.

r

t

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Mecánica de Solidos 3

Por otro lado, la distribución de esfuerzo en el espesor de las paredes del

cilindro de pared delgada es uniforme, mientras que en el cilindro de pared

gruesa no sucede así. Los cilindros de pared gruesa son los que constituyen

los barriles o cañones de las armas de fuego. En nuestro caso, veremos el

diseño de un cilindro de pared delgada.

B. ESFUER ZO EN RECIPIENTES DE PARED FINA.

El supuesto de pared delgada para ser válido en un recipiente esta debe tener

un espesor de pared de no más de aproximadamente una décima parte (a

menudo citada como un veinteavo) de su radio. Esto permite que para el

tratamiento de la pared como una superficie, y posteriormente usando

la ecuación de Laplace-Young estimar de la tensión circunferencial creado por

una presión interna en un recipiente a presión cilíndrico de pared delgada:

(Para un cilindro)

(Para una esfera)

Donde:

P = es la presión interna

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e = es el espesor de la pared

r = es el radio interior del cilindro.

= es la tensión circunferencial.

Cuando el recipiente se ha cerrado termina actúa la presión interna sobre ellos

para desarrollar una fuerza a lo largo del eje del cilindro. Esto se conoce como

la tensión axial y es usualmente menor que la tensión circunferencial.

Aunque esto puede ser aproximado a

Que resulta ser aproximadamente la mitad de la tangencial.

1.2. DEFORMACIÓN EN VIGAS

La viga suele dividirse en vigas

isostáticas e hiperestáticas.

Recordemos que esta división

corresponde a las condiciones de

apoyo que presente el elemento a

analizar Si la viga tiene un

número igual o inferior a tres

incógnitas en sus reacciones,

bastará con aplicar las condiciones

de equilibrio estático para

resolverla.

ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0

Si en cambio, la viga presenta un mayor número de incógnitas, no bastará con

las ecuaciones antes indicadas, sino que será necesario incorporar nuevas

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Mecánica de Solidos 5

expresiones. Para abordar el análisis de las vigas hiperestáticas o estáticamente

indeterminadas resulta necesario analizarlas deformaciones que experimentará

la viga, luego de ser cargada.

Las distintas cargas sobre la viga generan tensiones de corte y flexión en la

barra, y a su vez la hacen deformarse. El análisis de las deformaciones tiene

básicamente dos objetivos. Por una parte, el poder obtener nuevas condiciones,

que, traducidas en ecuaciones, nos permitan resolver las incógnitas en vigas

hiperestáticas.

Y por otra parte, las deformaciones en sí, deben ser limitadas. Los envigados

de madera o acero, por ejemplo, pueden quedar correctamente diseñados por

resistencia, vale decir, no se romperán bajo la carga, pero podrán deformarse

más allá de lo deseable, lo que llevaría consigo el colapso de elementos de

terminación como cielos falsos o ventanales. No resulta extraño entonces que

muchos dimensionamientos queden determinados por la deformación y no por

la resistencia.

A. CURVA ELÁSTICA

La curva elástica o elástica es la deformada por flexión del eje

longitudinal de una viga recta, la cual se debe a la aplicación de cargas

transversales en el plano xy sobre la viga.

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Mecánica de Solidos 7

3.1. FLEXIÓN.

En ingeniería se denomina flexión al

tipo de deformación que presenta un

elemento estructural alargado en una

dirección perpendicular a su eje

longitudinal. El término "alargado" se

aplica cuando una dimensión es

dominante frente a las otras. Un caso

típico son las vigas, las que están diseñadas para trabajar, principalmente, por

flexión. Igualmente, el concepto de flexión se extiende a elementos

estructurales superficiales como placas o láminas.

El rasgo más destacado es que un objeto sometido a flexión presenta una

superficie de puntos llamada fibra neutra tal que la distancia a lo largo de

cualquier curva contenida en ella no varía con respecto al valor antes de la

deformación. El esfuerzo que provoca la flexión se denomina momento flector.

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Mecánica de Solidos 8

A. FLEXIÓN EN VIGAS Y ARCOS

Las vigas o arcos son elementos estructurales pensados para trabajar

predominantemente en flexión. Geométricamente son prismas

mecánicos cuya rigidez depende, entre otras cosas, del momento de

inercia de la sección transversal de las vigas. Existen dos hipótesis

cinemáticas comunes para representar la flexión de vigas y arcos:

La hipótesis de Navier-Euler-Bernouilli. En ella las secciones transversales

al eje baricéntrico se consideran en primera aproximación indeformables y

se mantienen perpendiculares al mismo (que se curva) tras la deformación.

La hipótesis de Timoshenko. En esta hipótesis se admite que las secciones

transversales perpendiculares al eje baricéntrico pasen a formar un ángulo

con ese eje baricéntrico por efecto del esfuerzo cortante.

B. TEORÍA DE EULER-BERNOULLI

La teoría de Euler-Bernoulli para el cálculo de vigas es la que se deriva de

la hipótesis cinemática de Euler-Bernouilli, y puede emplearse para

calcular tensiones y desplazamientos sobre una viga o arco de longitud de

eje grande comparada con el canto máximo o altura de la sección

transversal.

Para escribir las fórmulas de la teoría de Euler-Bernouilli conviene tomar

un sistema de coordenadas adecuado para describir la geometría, una viga

es de hecho un prisma mecánico sobre el que se pueden considerar las

coordenadas (s, y, z) con s la distancia a lo largo del eje de la viga e (y, z)

las coordenadas sobre la sección transversal. Para el caso de arcos este

sistema de coordenas es curvilíneo, aunque para vigas de eje recto puede

tomarse como cartesiano (y en ese caso s se nombra como x). Para una viga

de sección recta la tensión el caso de flexión compuesta esviada la tensión

viene dada por la fórmula de Navier:

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Donde:

son los segundos momentos de área (momentos de inercia) según los ejes

Y y Z.

es el momento de área mixto o producto de inercia según los ejes Z e Y.

son los momentos flectores según las direcciones Y y Z, que

en general varíarán según la coordenada x.

es el esfuerzo axial a lo largo del eje.

Si la dirección de los ejes de coordenadas (y, z) se toman coincidentes con

las direcciones principales de inercia entonces los productos de inercia se

anulan y la ecuación anterior se simplifica notablemente. Además si se

considera el caso de flexión simple no-desviada las tensiones según el eje

son simplemente:

Por otro lado, en este mismo caso de flexión simple no esviada, el campo

de desplazamientos, en la hipótesis de Bernoulli, viene dada por la ecuación

de la curva elástica:

Donde:

representa la flecha, o desplazamiento vertical, respecto de la

posición inicial sin cargas.

representa el momento flector a lo largo de la ordenada x.

el segundo momento de inercia de la sección transversal.

el módulo de elasticidad del material.

representa las cargas a lo largo del eje de la viga.

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Mecánica de Solidos 10

C. TEORÍA DE TIMOSHENKO

Esquema de deformación de una viga que

ilustra la diferencia entre la teoría de

Timoshenko y la teoría de Euler-

Bernouilli: en la primera θi y dw/dxi no

tienen necesariamente que coincidir,

mientras que en la segunda son iguales.

La diferencia fundamental entre la teoría

de Euler-Bernouilli y la teoría

de Timoshenko es que en la primera el giro relativo de la sección se

aproxima mediante la derivada del desplazamiento vertical, esto constituye

una aproximación válida sólo para piezas largas en relación a las

dimensiones de la sección transversal, y entonces sucede que las

deformaciones debidas al esfuerzo cortante son despreciables frente a las

deformaciones ocasionadas por el momento flector. En la teoría de

Timoshenko, donde no se desprecian las deformaciones debidas al cortante

y por tanto es válida también para vigas cortas, la ecuación de la curva

elástica viene dada por el sistema de ecuaciones más complejo:

Derivando la primera de las dos ecuaciones anteriores y substituyendo en

ella la segunda llegamos a la ecuación de la curva elástica incluyendo el

efecto del esfuerzo cortante:

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Mecánica de Solidos 11

BIBLIOGRAFÍA

Fitzgerald, Robert W. Resistencia de materiales. Fondo Educativo Interamericano, S.

A. y Representaciones y Servicios de Ingeniería, México, 1970

Sloane, Alvin. Mechanics of materials, The MacMillanCo.EEUU,1960

Balanzá, Julio C. Resistencia de materiales teoría y práctica. Universidad

Veracruzana, Xalapa Ver., México, 1993.

Timoshenko, Stephen; Godier J.N. (1951). McGraw-Hill, ed. Theory of elasticity.

Ortiz Berrocal, Luis (1991). McGraw-Hill, ed. Resistencia de Materiales. Aravaca

(Madrid). ISBN 84-7651-512-3.

Monleón Cremades, S., Análisis de vigas, arcos, placas y láminas, Ed. UPV,

1999, ISBN 84-7721-769-6.

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Mecánica de Solidos 12

ANEXOS

EJEMPLOS DE RECIPIENTES DE PAREDES DELGADAS (TUBULARES)

EJEMPLO 1

El cilindro mostrado en la figura, esta sujeto a una presión interna de 400psi ( pounds per

square inch) (lb /pulg2). El diámetro del cilindro es de 30 pulgadas y el espesor de la

pared es media pulgada. ¿Cuál es el esfuerzo de tensión más grande en el espesor de las

paredes?

RESPUESTA

El esfuerzo de tensión más grande será el ST1 de acuerdo a lo que acabamos de ver

Datos:

P = 400psi

r = 15 pulg.

t = 0.5 pulg.

Incógnita

ST1= ¿

Ecuación:

ST1= t

pr

Sustituyendo valores tenemos:

ST1= 5.0

)15(400

ST1= 12 000 psi

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EJEMPLOS DE DEFORMACIÓN EN VIGAS – CURVA ELÁSTICA

Ejemplo 01

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Mecánica de Solidos 15

EJEMPLOS DE FLEXIÓN

Ejemplo 1:

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