VIGAS COMPUESTAS O REFORZADAS 1 Unidad N° 7 VIGAS COMPUESTAS O REFORZADAS 7.1. Objetivos Al terminar el estudio de esta unidad usted deberá ser capaz de resolver los siguientes objetivos trazados para el Estudio de tensiones en secciones de viga compuesta por distintos materiales. 1. Efectuar el análisis tensional en la sección transversal de viga compuesta, identificando las tensiones normales y cortantes que se producen en los distintos materiales (Diagramas Tensiónales). 2. Aprender a transformar la sección transversal real compuesta por distintos materiales en una sección equivalente compuesta de un solo material. 3. Determinar momentos máximos y corte máximo que es capaz de resistir la sección trasversal. 7.2. Introducción Las vigas cuya sección transversal esta construida por dos o más materiales diferentes se la denomina Vigas compuestas o Reforzadas. Su importancia de estas secciones es que varios de los materiales de construcción soportan distintas tensiones de compresión y de tracción, entre estos materiales figura el hormigón, la madera, algunos metales y plásticos. Además de que como ingenieros se busca optimizar las cualidades de los materiales. El caso más conocido es el del Hormigón armado, que las debilidades que tiene el hormigón para absorber tensiones de tracción se busca que sean absorbidas por el acero. La teoría de la flexión estudiada no se puede aplicar directamente a las vigas de secciones compuestas, ya que se habrán dado cuenta estas se basan en las Hipótesis de continuidad, homogeneidad, isotropía y en especial la Hipótesis de bernoulli que define que las secciones planas deben permanecer planas después del proceso de la deformación, es decir que las deformaciones deben ser proporcionales a la distancia a la línea neutra. Lo cual no cumple las secciones de viga compuesta. Ing. G. Elías Belmonte C. VIGAS COMPUESTAS O REFORZADAS 2 La metodología que se va a seguir para el estudio de vigas compuestas es la transformación de la sección compuesta de distintos materiales en una sección equivalente homogénea de un solo material a la que se aplique directamente las ecuaciones que gobiernan la flexión. Para poder cumplir con las hipótesis antes mencionadas debemos basarnos en dos principios fundamentales de transformación: 1er Principio.- Las deformaciones de los materiales que componen la sección compuesta debe ser la misma 2do Principio.- La capacidad de carga de los materiales que componen la sección compuesta debe ser la misma 7.3. Formulación Supongamos una viga de sección compuesta de dos materiales, madera y acero firmemente asegurados de forma que no pueda haber deslizamiento entre ambos materiales, como muestra la figura 7.3.1. Madera h h1 FIG. 7.3.1 Sección Real de Madera y Acero Acero b Lo que se quiere lograr es transformar la sección compuesta en una sección homogénea equivalente donde se cumpla las hipótesis de resistencia de materiales y se puedan aplicar directamente las formulas de flexión. Para lograr este objetivo aplicaremos a la sección los dos principios: 1er Principio.- Deformaciones iguales. εm = εa (7.3.1) εm = Deformación unitaria Madera εa = Deformación unitaria Acero Sabemos de las unidades 1 y 2 que: ε= ΔL L (a) Ing. G. Elías Belmonte C. VIGAS COMPUESTAS O REFORZADAS σ= N A ΔL = 3 (b) N*L E*A (c) remplazando la expresión (b) en (c) tenemos: ΔL = σ*L E (d) remplazando la expresión (d) en (a) tenemos: ε= ΔL σ * L = L E*L = ε σ E (e) remplazando la expresión (e) en (7.3.1) tenemos: σm σa = Em Ea n = E E Ea σm Em σa = a (7.3.2.) m σ a = nσ m (7.3.3.) 2do Principio.- Capacidad de cargas iguales. Nm = Na (7.3.4.) Na = Capacidad de Carga Acero Nm = Capacidad de Carga Madera sabemos de la unidad 1 que: N = A*σ (f) remplazando en 7.3.4. tenemos: Am*σm = Aa*σa (g) por ultimo remplazando 7.3.3 en (g) tenemos: Am*σm = Aa*(n*σm) Am = n* Aa (7.3.5.) que es la ecuación que gobierna las transformaciones de secciones reales compuestas a secciones equivalentes homogéneas. La cual significa que para convertir un área real de acero en un área equivalente de madera es necesario multiplicar esta área en “n” veces. Cuyo valor “n” esta en función de la relación de módulos de elasticidad que existen, ver expresión 7.3.2. aplicando esta expresión a la sección de la Fig. 7.3.1. tenemos: Ing. G. Elías Belmonte C. VIGAS COMPUESTAS O REFORZADAS • 4 Transformación a sección Equivalente Madera Am = n* Aa Am = n*(b*h1) Considerando h1 constante podemos escribir la expresión de la siguiente manera: Am = h1*(n*b) Lo que transforma a la sección como muestra la Fig. 7.3.2. Madera h FIG. 7..3.2. h1 Acero b nb Sección Equivalente de Madera Sección Real de Madera y Acero • Transformación a sección Equivalente Acero Am = n* Aa Aa = 1 1 Am ⇒ Aa = (h * b) n n Considerando h constante podemos escribir la expresión de la siguiente manera: ⎛b⎞ Aa = h * ⎜ ⎟ ⎝n⎠ Lo que transforma a la sección como muestra la Fig. 7.3.3. b/n Madera h h1 b Acero Sección Equivalente de Acero Sección Real de Madera y Acero FIG. 7.3.3. Para el caso que se analice tensiones de corte debido a flexión el procedimiento es el mismo lo único que varía en las expresiones son las tensiones de corte que remplazan a las tensiones normales quedando las expresiones de la siguiente manera: Ing. G. Elías Belmonte C. VIGAS COMPUESTAS O REFORZADAS n = E E a (7.3.2.a) m τ a = nτ m (7.3.3.a) Am = n* Aa 7.4. 5 (7.3.5.a) Transformación en secciones equivalentes La transformación de secciones reales compuestas por distintos materiales en secciones equivalentes de un mismo material (homogéneas), se lo realiza siguiendo la expresión 7.3.5 y el procedimiento del anterior inciso, se simplifica partiendo del conocimiento de que todas las ecuaciones de flexión como las estudiadas en este unidad están referidas a la línea neutra por lo cual las alturas deben ser constantes y no pueden variar en dimensión. Por consiguiente las únicas dimensiones que pueden variar son las bases (bi) de los distintos materiales que componen la sección. Existiendo varios casos que plantearemos a continuación como queda la expresión 7.3.5. 7.4.1 Sección compuesta por dos materiales Este es el caso que desarrollamos la expresión 7.3.5. De forma simplificada haciendo solamente la transformación de las bases queda b = nb e i E n = r Ee r i b ie = base (i) equivalente b ir = base (i) real (7.3.6.) Er = Modulo de elasticidad real Ee = Modulo de elasticidad equivalente Ing. G. Elías Belmonte C. VIGAS COMPUESTAS O REFORZADAS 6 7.4.2 Sección compuesta por “n” materiales colocados de forma horizontal En este caso existen varios factores “n” de transformación, tantos como materiales que esta compuesta la sección quedado la expresión 7.3.5. de la siguiente manera. b ie = n i b ir (7.3.7.) E ir ni = e Ei Ejemplo 1 Sea la sección de viga mostrada en la compuesta de tres materiales como muestra la Fig. transformar la sección a una sección equivalente de Madera. 8.00 cm. Latón 16.00 Madera 2.00 cm. Acero 4.00 cm. 3.00 cm. DATOS EL = 1*106 k/cm2 Em = 1*105 k/cm2 Ea = 2*106 k/cm2 3.00 cm. Solución: a) b) Factores de transformación n1 = EL = 10 Em Factor de latón a madera n2 = Em =1 Em Factor de madera a madera n3 = Ea = 20 Em Factor de acero a madera Transformación • Latón a Madera Ing. G. Elías Belmonte C. VIGAS COMPUESTAS O REFORZADAS 7 b1m = n1 * b1L = 10*10 = 100 cm. • Madera a Madera b m2 = n 2 * b m2 = 1*10 = 10 cm. • Acero a Madera b 3m = n 3 * b 3a = 20*4 = 80 cm. c) Sección equivalente Madera 100.00 cm. 8.00 cm. 10.00 cm. 16.00 2.00 cm. 4.00 cm. 3.00 cm. 80.00 cm. 3.00 cm. Sección Equivalente de Madera Sección Real Esta misma sección se puede transformar a cualquier otro material con tan solo tomar como base en el cálculo del factor de transformación el modulo de elasticidad del material que se desee convertir la sección y seguir el mismo procedimiento para el calculo de las nuevas bases. 7.4.3 Sección compuesta por “n” materiales colocados de forma Vertical En este caso no podemos emplear directamente las expresiones 7.3.7. ya que al cortar la sección transversal compuesta nos encontramos con mas de una clase de materiales. Para dar solución a este caso y siguiendo el concepto de la ecuación 7.3.5. es que se utilizan las siguientes expresiones. b ie = ∑nb i r i (7.3.7.) ni = E E r i e i Ing. G. Elías Belmonte C. VIGAS COMPUESTAS O REFORZADAS 8 Ejemplo 2 Sea la sección de viga mostrada en la compuesta de tres materiales como muestra la Fig. transformar la sección a una sección equivalente de Bronce. 1 1 18 cm. 2 2 6 cm. 6 cm. 4 cm. 6 cm. Latón Bronce Acero DATOS EL = 1*106 k/cm2 Eb = 2.5*105 k/cm2 Ea = 2*106 k/cm2 Solución: d) e) Factores de transformación n1 = EL =4 Eb Factor de latón a bronce n2 = Eb =1 Eb Factor de bronce a bronce n3 = Ea =8 Eb Factor de acero a bronce Transformación • Sección 1 – 1 (latón + bronce) b1b = n 1 * b1L + n 2 b1b = 4*6 + 1*6 = 30 cm. • Sección 2 – 2 (latón + acero + bronce) b1b = n 1 * b1L + n 3 b1a + n2 b1b = 4*6 + 8*4 + 1*6 = 62 cm. Ing. G. Elías Belmonte C. VIGAS COMPUESTAS O REFORZADAS f) 9 Sección equivalente Madera 30 cm. 18 cm. 6 cm. 6 cm. 4 cm. 6 cm. 62 cm. Sección Equivalente de Bronce Sección Real 7.5. Determinación de tensiones reales y capacidad carga El procedimiento que se sigue es el mencionado en la parte introductiva de este unidad. El cual de tallaremos a continuación: • Paso 1: Transformación de la sección compuesta de varios materiales a una sección equivalente de un solo material. • Paso 2: Mediante las ecuaciones que conocemos de flexión determinamos las tensiones normales y cortantes equivalentes para la sección equivalente. • Paso 3: Una vez conocidas las tensiones equivalentes, mediante la expresión (7.3.3) y (7.3.3.a) las transformamos en tensiones reales para cada material σ ir = n i σ ie Ecc. de transformación para las tensiones normales ( 7.5.1. ) τ ir = n i τ ie Ecc. de transformación para las tensiones cortantes ( 7.5.2. ) Ing. G. Elías Belmonte C. VIGAS COMPUESTAS O REFORZADAS 10 Siguiendo el mismo procedimiento se calcula las capacidades de carga ya sea de momentos, como de fuerzas verticales. Una vez obtenido los valores máximos para cada material, se compara los valores y el menor será la capacidad que puede resistir tanto a momento, como a fuerza vertical la sección compuesta antes de romperse. Ejemplo 3 Sea la viga cuya sección esta compuesta por dos materiales acero y aluminio como muestra la Fig. Determinar con las máximas solicitaciones lo siguiente: • Diagrama de Tensiones normales • Diagrama de tensiones cortantes • Tensiones máximas q=4000 kg/m P = 4000 kg 5.00 cm 5.00 cm 1cm Aluminio Acero Aluminio 15.00cm 5 4 5 cm Seccion Ra 0.6m 0.6m M = 6000 kg-m 0.6m 0.6m 0.6m Rb 0.6m Real Modulos de Elasticidad Eal = 5.0 E5 k/cm2 Eac = 2.0 E6 k/cm2 Solucion 1. Calculo de maximas solicitaciones 1.1. Calculo de reacciones ∑Ma ?Ma == 00 qx1.8x0.3 - M + px3.0 - Rbx2.4 = 0 Rb = 3400 kg ?V==00 ∑V Ra + Rb - qx1.8 - p = 0 Ra = 7800 kg Ing. G. Elías Belmonte C. VIGAS COMPUESTAS O REFORZADAS 11 1.2. Diagramas M y Q P = 4000 kg q=4000 kg/m M = 6000 kg-m Ra = 7800 kg 0.6m A Rb = 3400kg 1.2m 0.6m B C 0.6m D 0.6m E F 5400 kg 4000 kg Vmax = 5400 kg. + + Q 5400 M 3240 600 kg 2400 kg 2760 kg-m 2400 kg-m 720 kg-m + Mmax = 3240 kg-m. 2880 kg-m 3240 kg-m 1.2.1 Corte QA = 0 Q isq B = −4000 * 0.6 = 2400kg Q der B = −4000 * 0.6 + 7800 = 5400kg Q C = −4000 * 0.6 + 7800 - 4000 *1.2 = 600kg Q F = +4000kg Q der E = +4000kg Q isq E = +4000 - 3400 = 600k Ing. G. Elías Belmonte C. VIGAS COMPUESTAS O REFORZADAS 12 1.2.2. Momento MA = 0 0.6 = −2400kg − m 2 1.8 M C = −4000 *1.8 * + 7800 *1.2 = 2880kg − m 2 MF = 0 M B = −4000 * 0.6 * M E = −4000 * 0.6 = −2400kg − m M der D = −4000 *1.2 + 3400 * 0.6 = −2760kg − m M isq D = −4000 *1.2 + 3400 * 0.6 + 6000 = 3240kg − m 2. Transformacion de la seccion real en seccion equivalente n1= Eal / Eal = 1.00 n2 = Eac/Eal = 4.00 be = nixbr Ecc. de Transfornacion a seccion equivalente bases n 1 b1 Aluminio 1cm Acero 5.00 cm 5.00 cm 14.00 5 be = nixbr n 2 b3 8 15.00cm 11.92 Csup 1 2 3 13.08 Cinf LN 5 15 4 Aluminio 5 n 1 b4 4 5 cm Seccion Real X 10.00 Seccion equivalente Aluminio 3. Ubicación linea neutra en Seccion Equivalente Cinf = A1Y1 + A2Y2 + A3Y3 A1 + A2 + A3 Cinf = Csup= Areas F1 F2 F3 13.08 cm 11.92 cm h 15.00 5.00 5.00 25.00 b 10.00 8.00 14.00 Yi 7.50 17.50 22.50 Ai 150.00 40.00 70.00 260.00 Igi 2812.50 83.33 145.83 di=(Cinf - Yi) 5.58 -4.42 -9.42 Ini 7477.81 865.88 6361.44 14705.13 4. Calculo de inercia en la linea neutra en la seccion Eqquivalente InT = In1 + In2 + In3 Steiner Ini = Igi + Aidi2 Inercia baricentrica del rectangulo In1 = 7477.81 In2 = 865.88 In3 = 6361.44 Int = 14705.13 Ig = bh3/12 Xg Ing. G. Elías Belmonte C. VIGAS COMPUESTAS O REFORZADAS 13 5. Calculo de Tensiones normales en la seccion c - c σe = Mc-cCi Int Tension normal equivalente σr = ni σe Tension normal real Mmax Seccion Materiales c-c Reales 1 2s 2i 3s 3i Ln 4 Aluminio Aluminio Acero Acero Aluminio Aluminio Aluminio Ci k-m cm cm 3240.00 3240.00 3240.00 3240.00 3240.00 3240.00 3240.00 σe Int 11.92 6.92 6.92 1.92 1.92 0.00 13.08 4 k/cm 14705.13 14715.13 14715.13 14715.13 14715.13 14715.13 14715.13 σr ni 2 k/cm -262.70 -152.43 -152.43 -42.34 -42.34 0.00 287.93 2 -262.70 -152.43 -609.73 -169.37 -42.34 0.00 287.93 1.00 1.00 4.00 4.00 1.00 1.00 1.00 5.1. Diagramas de Tensiones Nomales 1 -262.70 k/cm2 -262.70 k/cm2 - - + 2 -152.43 k/cm2 -609.73 k/cm2 -169.37 k/cm2 -42.34 k/cm2 0.00 k/cm2 3 LN + 4 287.93 k/cm2 -287.93 k/cm2 Diagrama de Tension Normal Equivalente para la seccion c-c Diagrama de Tension Normal Real para la seccion c-c 6. Calculo de Tensiones de Corte en la seccion c - c τe = τr = Vc-c Me bi Int ni τe Tension cortante equivalente Tension cortante real Vmax Seccion Materiales c-c Reales 1 2s 2i 3s 3i Ln 4 Aluminio Aluminio Acero Acero Aluminio Aluminio Aluminio Me cm k 5400.00 5400.00 5400.00 5400.00 5400.00 5400.00 5400.00 Int 3 cm 0.00 659.62 659.62 836.54 836.54 855.03 0.00 τe be 4 cm 14705.13 14715.13 14715.13 14715.13 14715.13 14715.13 14715.13 2 ni k/cm 14.00 14.00 8 8 10 10 10 2 τr 2 k/cm 0.00 17.29 30.26 38.37 30.70 31.38 0.00 1.00 1.00 4.00 4.00 1.00 1.00 1.00 0.00 17.29 121.03 153.49 30.70 31.38 0.00 6.1. Diagramas de Tensiones de Corte en la seccion c - c 0.00 k/cm2 17.29 k/cm2 30.26k/cm2 30.70k/cm2 1 0.00 k/cm2 17.29 k/cm2 38.37k/cm2 30.70 k/cm2 0.00 k/cm2 Diagrama de Tension Cotante Equivalente para la 2 3 31.38 k/cm2 31.38k/cm2 + 121.03 k/cm2 153.49 k/cm2 LN + 0.00 k/cm2 4 Diagrama de Tension Cortante Real para la Ing. G. Elías Belmonte C. VIGAS COMPUESTAS O REFORZADAS 14 7. Tensiones M axim as 7.1. Tensiones m axim as norm ales acero max = -609.73 k /cm 2 σ alum inio = -287.93 m ax σ k /cm 2 7.1. Tensiones m axim as cortantes acero = 153.49 k /cm 2 max τ τ aluminio = 31.38 k /cm 2 max • Ejemplo 4 Se la sección de viga compuesta mostrada en la Fig. Determinar el momento flexor máximo y la fuerza de corte máxima capaz de soportar: Bronce 18 cm. Acero 3 cm. 6 cm. 3 6 3 cm. Datos a σadm = 1200 k/cm2 b = 300 k/cm2 σadm a = 400 k/cm2 τadm b = 100 k/cm2 τadm Eb = 2.5*105 k/cm2 Ea = 2*106 k/cm2 Solución: 1. Transformación en sección equivalente n1 = Eb =1 Eb n2 = Ea =4 Eb Ing. G. Elías Belmonte C. VIGAS COMPUESTAS O REFORZADAS 15 Bases Equivalentes 18 cm. 3 6 Acero 6 cm. Bronce 1 n1*b1 Csup Bronce 3 cm. 12 be = ni*br Ln n2*b3 n1*b4 2 3 24 Cinf 4 (X) 12 3 cm. Sección equivalente de bronce Sección real 2. Calculo de ubicación y de inercia en Ln de la sección equivalente FIGURA 1 2 3 h b 18 3 6 27 A 216 72 72 360 12 24 12 Yi 18 7,5 3 2 Ig A*Yi 3888 540 216 4644 5832 54 216 6102 Ai*di 5618,16 2099,52 7056,72 14774,4 Cinf = 12,9 cm. Csup = 14,1 cm. Iln= 20876,40 cm4. 3. Calculo de momento máximo σ max ≤ σ adm Se parte del cocimiento que tenemos de que: 3.1 Diagrama de tensiones normales b σmax Bronce 18 cm. 3 cm. Bronce 6 cm. Bronce 6 12 6 cm. σr = ni*σe + Bronce Acero Bronce Diagrama de tensiones normales Equivalentes - Csup= 14.1cm. Ln a σmax + Cinf = 12.9cm. Diagrama de tensiones normales Reales Ing. G. Elías Belmonte C. VIGAS COMPUESTAS O REFORZADAS 16 Como vemos en el diagrama de tensiones normales, las tensiones máximas quedaran ubicadas siempre en las fibras mas alejadas de cada material de la Ln. Por consiguiente serán las tensiones que producirán los momentos máximos para los distintos materiales como veremos a continuación: 3.2. Momento máximo que es capaz de soportar el acero σ amax ≤ σ aadm σ a max M amax * C amax σ aadm * I Ln a a = n 2 * σe = n 2 * = σ adm ⇒ M max = I Ln n 2 * C amax M amax = 3.3. 1200 * 20876.40 = 907669.57 k - cm = 9076.70 k - m 4 * 6 .9 Momento máximo que es capaz de soportar el bronce b σ bmax ≤ σ adm σ bmax = n 1 * σ e = n 1 * M bmax = 3.4. M bmax * C bmax σb * I b = σ adm ⇒ M bmax = adm b Ln I Ln n 1 * C max 300 * 20876 .4 = 444178.72 k - cm = 4441.79 k - m 1 * 14 .1 Momento máximo que es capaz de soportar la sección de viga Se elige el menor valor entre los momentos máximos que son capaces de soportar el acero y el bronce, este es debido a que es el máximo valor donde los materiales en conjunto son capaces de resistir de forma conjunta sin fallar ninguno de ellos. M max ≤ M amax , M bmax Mmax = 4441.79 k-m 4. Calculo de fuerza vertical máxima Se parte del cocimiento que tenemos que: τ max ≤ τ adm Ing. G. Elías Belmonte C. VIGAS COMPUESTAS O REFORZADAS 17 4.1. Diagrama de tensiones cortantes Bronce 18 cm. + 3 cm. Bronce 6 cm. Bronce 6 12 6 cm. τr = ni*τe Bronce Acero Bronce Diagrama de tensiones cortantes Equivalentes + b τmax Csup= 14.1cm. Ln a τmax Cinf = 12.9cm. Diagrama de tensiones cortantes Reales Como vemos en el diagrama de tensiones cortantes, las tensiones máximas quedan ubicadas en las fibras más próximas de cada material a la Ln. Esta regla no es general hay que estar pendientes de las variaciones de tensiones que pueden producir las bases. Por consiguiente para este caso es mejor analizar el diagrama de tensiones que nos indicara donde se producirán las tensiones cortantes máximas para los distintos materiales como veremos a continuación: 4.2. Fuerza vertical máxima que es capaz de soportar el acero τ amax ≤ τ aadm τ amax = n 2 * τ e = n 2 * a Vmax * M ea τ aadm * I Ln * b ae a a = ⇒ = τ V adm max I Ln * b ae n 1 * M ea M ea = M eLn = (12 * 6) * 9.9 + ( 24 * 3) * 5.4 = 1101 .6 cm 3 a Vmax = 4.3. 400 * 20876 .4 * 24 = 45482.35 k 4 * 1101 .6 Fuerza vertical máxima que es capaz de soportar el bronce b τ bmax ≤ τ adm τ b max b b Vmax * M eb τ adm * I Ln * b eb b b = n1 * τ e = n1 * = τ adm ⇒ Vmax = n 1 * M eb I Ln * b eb M eb = M eLn = (12 * 14.1) * 14.1/2 = 1192.86cm b Vmax = 3 100 * 20876 .4 * 12 = 21001.36 k 1 * 1192 .86 Ing. G. Elías Belmonte C. VIGAS COMPUESTAS O REFORZADAS 4.4 18 Fuerza vertical máxima que es capaz de soportar la sección de viga Con el mismo principio que para momentos se elige la fuerza vertical menor entre los máximos de cada material ósea: a b Vmax ≤ Vmax , Vmax Vmax = 21001.36 k-m Ing. G. Elías Belmonte C.