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COMPORTAMIENTO DINÁMICO DE VIGAS DE SECCIÓN
VARIABLE CON MASAS ADOSADAS
Carlos A. Rossita,c, Santiago Maiza,c y Valeria Y. Gonzálezb,c
a
Departamento de Ingeniería, Instituto de Mecánica Aplicada, Universidad Nacional del Sur,
Av. Alem 1253 (B8000CPB), Bahía Blanca, Argentina.
b
Departamento de Matemática, Universidad Nacional del Sur.
c
Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET)
Keywords: Vibraciones Naturales, Vigas, Masas, Inercia Rotatoria, Análisis Funcional.
Abstract: Como es sabido, es habitual que vigas y placas soporten máquinas o motores que ejercen
esfuerzos dinámicos a frecuencias, en principio, conocidas.
En esas circunstancias el ingeniero de diseño necesita conocer, imperiosamente, los parámetros
esenciales que definen el comportamiento dinámico de la estructura.
A los efectos de prevenir peligrosas condiciones de resonancia mediante un proyecto adecuado el
diseñador se encuentra con que la información que tratados y manuales presentan sobre elementos
estructurales con masas adosadas es muy escasa. Además generalmente está limitada a masas
puntuales de las que se tiene en cuenta sólo su inercia traslatoria y en el caso de vigas, mayormente se
consideran de sección constante.
Pero en muchas situaciones es necesario variar la sección transversal de las vigas de manera de
optimizar su rigidez estructural.
Por otro lado, si bien en general las dimensiones del elemento adosado son pequeñas frente a la
estructura, y la aproximación de considerarla puntual es razonable, no puede decirse lo mismo en
cuanto al efecto de la inercia rotacional del sistema electromecánico en operación, la que puede ser
considerable y afectar las frecuencias naturales y modos normales de vibración del sistema.
En el presente trabajo se analizan vigas cuya sección varía según distintas leyes y soportan masas
rígidamente adosadas, de las que se tiene en cuenta no solo su inercia traslatoria, sino también su
inercia rotatoria.
Se plantea en el presente trabajo un análisis variacional, aproximando la solución con distintas
expresiones alternativas cuya convergencia se estudia.
La metodología propuesta, compara con excelente precisión, con casos particulares más sencillos,
disponibles en la literatura.
1.
INTRODUCCIÓN
El estudio de la vibración de vigas que soportan masas concentradas en posiciones
arbitrarias y complejidades adicionales ha sido extensamente reflejado en la literatura técnicacientífica. En su tratamiento se han seguido diversas metodologías.
Y. Chen (1963), resolvió analíticamente el problema de una viga simplemente apoyada que
vibra con una masa concentrada en su centro, introduciendo la masa a través de la función
delta de Dirac; P. A. A. Laura et al (1974) y P. A. A. Laura et al (1975) estudiaron la viga
cantilever con una masa puntual en su extremo: Introduciendo la masa en las condiciones de
borde obtuvieron una solución analítica del problema.
Posteriormente E. H. Dowell (1979), en un profundo trabajo, utilizando una formulación
lagrangiana, estudió las propiedades generales de vigas que soportan resortes y masas
concentradas, realizando importantes observaciones en el tema.
Laura et al (1983) utilizaron el método de Rayleigh-Ritz para analizar vigas continuas con
masas concentradas y sometidas a la acción de una fuerza axial.
Deben tenerse en cuenta los trabajos de M. Gürgöze (1984) y (1985) en que utiliza la
técnica de sumar modos normales para determinar la frecuencia fundamental de vigas
cantilever que soportan masas y resortes.
Liu et al (1988) recurrieron a la transformada de Laplace para formular la ecuación de
frecuencias para vigas con masas concentradas intermedias.
Hamdan y Latif (1994) estudiaron el problema planteando la solución analítica exacta y
comparando sus resultados con los obtenidos mediante procedimientos aproximados
(Galerkin, Rayleigh-Ritz y M.E.F.)
En las referencias A. H. Register (1994), S. Kukla et al (1994), De Rosa et al (1995), M.
Gürgöze (1996), Rossit y Laura (2001), Rossit y Laura (2001), S. Naguleswaran (2002), De
Rosa et al (2003) se presentan otros estudios sobre la influencia de masas y resortes en vigas
esbeltas vibrantes.
En la mayoría de los trabajos mencionados previamente no ha sido tenida en cuenta la
inercia rotatoria de la masa adosada y considera a la viga de sección uniforme.
Con respecto a la inercia rotatoria de las masas, puede mencionarse el trabajo de Laura et
al. (1987), obteniendo frecuencias fundamentales de sistemas acoplados por medio de los
métodos de Rayleigh-Ritz y Dunkerley.
En cuanto al tratamiento de vigas de sección no uniforme, se consigna el trabajo en que
Auciello y Maurizi (1997) analizan una viga donde la altura de la sección transversal varía
linealmente. Obtienen la solución analítica de la ecuación diferencial que se expresa en
funciones de Bessel y una solución aproximada mediante el método de Rayleigh-Ritz
comparando sus resultados.
En el presente trabajo se estudia el comportamiento dinámico de vigas que soportan masas
y cuya sección transversal varía según distintas leyes, recurriendo al análisis funcional,
camino que fuera seguido por Grossi y colaboradores? al estudiar el comportamiento
dinámico de una viga cuya sección transversal varía linealmente.
2. MÉTODO GENERAL
La ecuación diferencial gobernante del problema de vibración de vigas con masas
puntuales adosadas, puede escribirse de la siguiente forma:
∂ 2 v ( x, t )
∂2 ⎛
E
I
x
( )
⎜
∂x 2 ⎝
∂x 2
⎞
∂ 2 v ( x, t )
ρ
δ
A
x
m
x
x
+
+
−
( )
( m ))
⎟ (
∂t 2
⎠
∂ 3 v ( x, t ) ⎞
∂ ⎛
δ
x
x
−m r
−
⎜ (
⎟=0
m)
∂x ⎝
∂x∂t 2 ⎠
(1)
2
donde E es el módulo de Young, I es el momento de inercia de la sección transversal de la
viga con respecto al eje de flexión, A es la sección transversal de la viga, ρ es la densidad de
masa del material, m es la masa adosada, r es el radio de giro de la masa adosada y δ es la
función delta de Dirac.
Cuando el sistema efectúa uno de sus modos normales de vibración, podemos expresar la
solución de la ecuación (1) de la siguiente forma:
v ( x, t ) = V ( x ) eiωt
(2)
siendo i = −1 .
Reemplazando la expresión (2) en la ecuación (1) aplicando previamente la siguiente
adimensionalización:
η=
x
L
η ∈ [ 0,1]
(3)
se llega a:
d 2V (η )
d2 ⎛
f
η
(
)
⎜
dη 2 ⎝
dη 2
⎞
2
2
⎟ − Ω g (η ) V (η ) − Ω M δ (η − ηm ) V (η )
⎠
dV (η ) ⎞
d ⎛
+Ω 2 Mc 2
⎜ δ (η − η m )
⎟=0
dη ⎝
dη ⎠
(4)
ya independizada del tiempo, con:
Ω =
2
ω 2 ρ A0 L4
E I0
, M=
m
r
, c=
L
ρ A0 L
A (η ) = A0 g (η ) , I (η ) = I 0 f (η )
(5)
donde A0 = A ( 0 ) e I 0 = I ( 0 ) , g (η ) y f (η ) representan las variaciones de la sección
transversal de la viga y de su momento de inercia respectivamente.
La componente espacial del problema deberá verificar además las condiciones de borde
que los vínculos extremos impongan sobre la viga vibrante:
Extremo empotrado:
Desplazamiento nulo: V = 0
Giro nulo: V ′ = 0
(6a)
(6b)
Desplazamiento nulo: V = 0
Momento flector nulo: E I V ′′ = 0
(6c)
(6d)
Extremo apoyado:
Extremo libre:
Momento flector nulo: E I V ′′ = 0
Corte nulo: E I V ′′′ = 0
(6e)
(6f)
Como es sabido, de las condiciones precedentes aquellas de orden menor a (n-2), donde n
es el orden de la Ecuación diferencial (4), se clasifican matemáticamente como estables.
Desde el punto de vista ingenieril, esas condiciones son denominadas como esenciales o
geométricas e imponen condicionamientos de origen cinemático a la deformada (corrimiento
o giro nulo).
Las otras condiciones, denominadas naturales o estáticas imponen condicionamientos
sobre derivadas de la curva de deflexión en virtud de exigencias del equilibrio de fuerzas
(momento flector o esfuerzo de corte nulo).
Multiplicando la ecuación diferencial (4) por una función de prueba W ∈ W (el espacio W
es el espacio de funciones W = { F : [ 0,1] → R, F ∈ C 2 [ 0,1] que verifican las condiciones
estables (6)} ) e integrando en [0,1], se tiene:
d 2V (η ) ⎞
d2 ⎛
∫0 dη 2 ⎜⎝ f (η ) dη 2 ⎟⎠W (η ) dη =
1
⎡1
⎤
= Ω ⎢ ∫ g (η ) V (η ) W (η ) dη + M V (ηm ) W (ηm ) + Mc 2V ′ (ηm ) W ′ (ηm ) ⎥
⎣0
⎦
(7)
2
Aplicando el teorema de Green a la integral del miembro izquierdo de la expresión (7),
obtenemos:
d 2V (η )
d2 ⎛
f
η
∫0 dη 2 ⎜⎝ ( ) dη 2
1
d 2V (η )
d ⎛
=
f
η
⎜ ( )
dη ⎝
dη 2
⎞
⎟ W (η ) dη =
⎠
1
1
⎞
d 2V (η ) dW (η )
d 2V (η ) d 2W (η )
−
+
W
η
f
η
f
η
dη
( )
( )
⎟ ( )
2
2
2
∫
d
η
d
η
d
η
d
η
0
⎠
0
0
1
Donde la última igualdad queda reducida a la expresión:
1
d2
∫0 dη 2
⎛
d 2V (η )
⎜⎜ f (η )
dη 2
⎝
1
⎞
d 2V (η ) d 2W (η )
dη
⎟⎟ W (η ) dη = ∫ f (η )
dη 2
dη 2
0
⎠
(8)
debido a cualquier combinación de las condiciones de borde (Ecuaciones (6)) que
necesariamente han de aplicarse en los extremos de la viga.
Quedando la expresión (8) como sigue:
1
∫
0
d 2V (η ) d 2W (η )
f (η )
dη =
dη 2
dη 2
⎡
⎤
= Ω ⎢ ∫ g (η ) V (η ) W (η ) dη + M V (ηm ) W (η m ) + Mc 2V ′ (η m ) W ′ (ηm ) ⎥
⎣0
⎦
1
2
El primer término de la ecuación precedente (9) es la forma bilineal:
(9)
1
B (V ,W ) = ∫ f (η )
0
d 2V (η ) d 2W (η )
dη
dη 2
dη 2
(10)
que como es sabido (Grossi et al (1998)) es simétrica, continua y W-elíptica.
Indicando al producto del corchete del segundo término de (9) como:
1
V , W = ∫ g (η ) V (η ) W (η ) dη + M V (η m ) W (η m ) + Mc 2V ′ (η m ) W ′ (η m )
(11)
0
la ecuación diferencial (4) se transforma en la expresión:
B (V ,W ) = Ω2 . V , W
V ,W ∈ W
(12)
donde Ω 2 son los autovalores del problema, asociados con las frecuencias naturales de
vibración.
En consecuencia podemos aplicar el método de Ritz para obtener dichos autovalores.
Sea {ϕi (η )}i =1 una base del subespacio W N ⊂ W . Escribiendo VN en esta base, tenemos
N
la expresión siguiente:
N
VN (η ) = ∑ aiϕi (η )
(13)
i =1
Sustituyendo (13) en (12) obtenemos:
N
∑ a ⎡⎣ B (ϕ (η ) ,W ) − Ω . ϕ (η ) ,W
i =1
2
i
i
i
Luego, tomando W (η ) = ϕ j (η )
⎤⎦ = 0
∀ W ∈W
(14)
j = 1...N en (14), obtenemos el sistema homogéneo de
ecuaciones:
B (ϕi (η ) , ϕ j (η ) ) − Ω 2 . ϕi (η ) , ϕ j (η ) = 0
j = 1...N
(15)
Hallando la solución de (15), se obtiene una aproximación de los autovalores.
3.
VIGA EN VOLADIZO
En primer lugar vamos a elegir las funciones coordenadas ϕ j a utilizar. Estas deben
satisfacer al menos las condiciones de borde esenciales, por lo tanto, podemos tomar la
siguiente base:
{ϕ j } j =1 = {η j +1} j =1
N
N
(16)
que cumple con las condiciones ϕ ( 0 ) = ϕ ′ ( 0 ) = 0
Observemos que se obtendrá una mejor aproximación si la función de prueba elegida
cumple además con las condiciones de borde naturales ϕ ′′ (1) = 0 y ϕ ′′′ (1) = 0 .
Entre todas ellas, las más utilizadas son las funciones viga, en este caso la función de la
viga en voladizo:
{ϕ j } j =1 = {cos ( λ jη ) − cosh ( λ jη ) − p j ( sen ( λ jη ) − senh ( λ jη ) )} j =1
N
N
(17)
cosh λ j + cos λ j
y λ j resulta de la ecuación característica cos λ cosh λ = −1 , que
senh λ j + sen λ j
resulta ser la ecuación de frecuencias de la viga uniforme en voladizo, cuyas raíces son:
donde p j =
λ1 = 1.87510406871196, λ2 = 4.69409113297417, λ3 = 7.85475743823761,
λ4 = 10.9955407348755, λ5 = 14.1371683910465,...
También son muy utilizados los polinomios:
{ϕ j } j =1 = {(η 4 − 4η 3 + 6η 2 )η j −1} j =1
N
N
(18)
A continuación se indican los casos de vigas en voladizo que se estudiarán:
Figura 1: Viga uniforme
Figura 2: Viga escalonada
Figura 3: Viga con variación lineal
Figura 4: Viga con variación parabólica
Los casos de la Figura 1 y de la Figura 2 se resuelven analíticamente con la teoría de vigas
de Bernoulli-Euler (S. Maiz 2007), y se utilizan como test de convergencia del método para
las distintas funciones coordenadas propuestas.
Resulta oportuno aclarar que para los casos propuestos, las aproximaciones (17) y (18) no
verifican las condiciones naturales en η = 1 , es más, imponen la nulidad de éstas ya que
corresponden a un extremo libre. Podrían utilizarse en caso de que la masa estuviese adosada
en una posición intermedia de la viga.
Se obtendrán mejores resultados aproximando la deflexión con (16) ya que no impone la
nulidad de esfuerzos en el extremo libre.
En esta situación, plantear una función que cumpla con las condiciones de borde naturales,
conlleva a incluir autovalores en las funciones coordenadas, lo que dificultaría el análisis (P.
A. A. Laura et al. 1995).
Por simplicidad se analizarán las vigas de sección rectangular y se mantendrá la base
constante b = b0 . Con esta simplificación y con (5) se tiene f (η ) = ( g (η ) ) .
3
3.1 Viga Uniforme:
g (η ) = 1
En este caso (Figura 1) se calculan los primeros cinco autovalores utilizando las funciones
de base (16) y se realiza un análisis de convergencia, volcando los resultados en la Tabla 1.
Este análisis de convergencia nos da una pauta de la cantidad de términos necesarios para
calcular los autovalores de los posteriores ejemplos, en los cuales no se dispone de los
autovalores exactos.
Tabla 1: Análisis de convergencia del método para una viga en voladizo de sección uniforme con una masa
M = 1 en el extremo libre
M=1
c=0
c = 0.01
c = 0.02
c = 0.05
c = 0.1
Metodología
5 térm.
10 térm.
15 térm.
Exacta.
5 térm.
10 térm.
15 térm.
Exacta.
5 térm.
10 térm.
15 térm.
Exacta
5 térm.
10 térm.
15 térm.
Exacta
5 térm.
10 térm.
15 térm.
Exacta
Ω1
Ω2
Ω3
Ω4
Ω5
1.55730
1.55730
1.55730
1.55730
1.55716
1.55716
1.55716
1.55716
1.55675
1.55675
1.55675
1.55675
1.55388
1.55388
1.55388
1.55388
1.54368
1.54368
1.54368
1.54368
16.2504
16.2501
16.2501
16.2501
16.2175
16.2171
16.2171
16.2171
16.1186
16.1183
16.1183
16.1183
15.4310
15.4307
15.4307
15.4307
13.2398
13.2396
13.2396
13.2396
51.3743
50.8958
50.8958
50.8958
51.0625
50.6037
50.6037
50.6037
50.1024
49.7012
49.7012
49.7012
43.3872
43.2558
43.2558
43.2558
32.0803
32.0696
32.0696
32.0696
109.719
105.199
105.198
105.198
108.317
103.954
103.954
103.954
103.693
99.8223
99.8220
99.8220
80.1468
78.0056
78.0056
78.0056
68.4488
66.8287
66.8287
66.8287
366.239
179.250
179.232
179.232
281.354
175.524
175.507
175.507
198.659
162.314
162.301
162.301
139.466
130.349
130.346
130.346
132.032
124.419
124.416
124.416
En la Tabla 1 se comparan los resultados obtenidos con 5, 10 y 15 términos, donde se
puede apreciar la convergencia del método. De aquí se deduce que resultaría conveniente
tomar más de 15 términos de funciones coordenadas para los demás casos.
También se puede destacar que a medida que el valor de la inercia rotatoria de la masa
aumenta, el método converge más rápidamente. Esto puede verse reflejado en el 5to
coeficiente de frecuencia (Tabla 1) para el cálculo con 5 términos. A medida que aumenta el
radio de giro de la masa, los valores de frecuencia son más cercanos al exacto.
3.2 Viga Escalonada:
Consideremos la forma de la viga dada por la siguiente función:
⎧1
g (η ) = ⎨
⎩h1 / h0
para 0 ≤ η ≤ η1
para η1 ≤ η ≤ 1
En el caso de la viga escalonada se dispone de la solución exacta (D. H. Felix et al. 2006 y
S. Maiz 2007) (Tabla 2).
Tabla 2: Solución exacta para viga en voladizo escalonada en x =
M
0
c
0
0
0.5
0.05
0.1
0
1
0.05
0.1
h1 / h0
Ω1
Ω2
0.4
0.6
0.8
1
0.4
0.6
0.8
1
0.4
0.6
0.8
1
0.4
0.6
0.8
1
0.4
0.6
0.8
1
0.4
0.6
0.8
1
0.4
0.6
0.8
1
4.56677
4.12637
3.78615
3.51602
2.01248
2.07642
2.05444
2.01630
2.00230
2.07096
2.05024
2.01267
1.97105
2.05453
2.03769
2.00184
1.48883
1.56621
1.56990
1.55730
1.48011
1.56132
1.56604
1.55388
1.45344
1.54664
1.55452
1.54368
20.5203
22.3294
22.3383
22.0345
11.2262
14.6173
16.2211
16.9014
9.95980
13.6665
15.5743
16.4074
7.39624
11.1931
13.7275
14.9942
10.8765
14.0574
15.5934
16.2501
8.81272
12.4680
14.5085
15.4307
5.80774
9.12375
11.7301
13.2396
3
l con una masa en el extremo libre
4
Ω3
Ω4
Ω5
43.1710
52.7625
58.9212
61.6972
37.2805
42.2524
47.7416
51.7009
26.1175
34.4419
41.6974
47.3857
19.2509
25.4974
31.4352
37.6785
37.1655
41.8811
47.0964
50.8958
21.5487
29.5123
36.8412
43.2558
17.2294
22.3732
26.9043
32.0696
96.5715
103.753
112.907
120.902
85.8232
93.0427
99.1854
106.058
46.2805
63.0701
76.8273
88.1709
43.7731
55.0017
64.2570
71.4824
85.5991
92.7274
98.6212
105.198
44.1965
56.8944
68.1671
78.0056
43.1164
52.9756
61.0190
66.8287
152.685
177.443
188.788
199.860
129.778
158.051
170.939
180.123
98.6735
108.879
124.390
139.740
97.9250
106.072
117.176
127.634
129.509
157.572
170.324
179.232
97.9210
106.375
118.392
130.346
97.5500
105.079
115.052
124.416
En la Tabla 2, puede notarse que para la viga sin masa los coeficientes de frecuencias
primero y segundo aumentan cuando la viga presenta un escalón. Para la frecuencia
fundamental el máximo valor se halla para una relación h1/h0 = 0.4 y para el segundo
coeficiente el máximo valor se encuentra para una relación h1/h0 = 0.8.
En algunas aplicaciones tecnológicas, se busca este efecto intencionalmente con el objeto
de elevar las primeras frecuencias naturales en un proceso que se denomina “rigidización
dinámica”.
Para un valor de masa M = 0.5 sólo el primer coeficiente de frecuencia aumenta,
registrándose los valores máximos para una relación h1/h0 = 0.6 y para M = 1 el valor máximo
de dicho coeficiente corresponde a la relación h1/h0 = 0.8.
Tabla 3: Solución aproximada con 20 términos para viga en voladizo escalonada en x =
M
c
0
0
0
0.5
0.05
0.1
0
1
0.05
0.1
3
l (Figura 2)
4
h1 / h0
Ω1
Ω2
Ω3
Ω4
Ω5
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
4.57629
4.12829
3.78642
2.04354
2.08142
2.05502
2.03392
2.07605
2.05084
2.00434
2.05987
2.03831
1.51454
1.57057
1.57042
1.50625
1.56576
1.56657
1.48082
1.55130
1.55508
21.7171
22.5712
22.3703
11.8326
14.8523
16.2603
10.4066
13.8870
15.6143
7.59630
11.3533
13.7657
11.4429
14.2823
15.6318
9.13353
12.6624
14.5472
5.91973
9.23505
11.7624
44.8458
53.8784
59.1532
37.5450
42.6653
47.8838
26.2789
34.5133
41.7747
19.7425
25.5106
31.4459
37.4129
42.2691
47.2315
21.8746
29.5188
36.8788
17.7944
22.4222
26.9053
96.7687
104.108
113.148
87.5762
93.0770
99.2247
47.8621
63.7932
76.8742
45.0659
55.8395
64.3924
87.3960
92.7652
98.6555
45.5159
57.6846
68.2666
44.2896
53.7852
61.1707
161.807
178.160
188.808
138.151
160.233
171.085
98.7960
109.446
124.697
98.0738
106.472
117.427
137.842
159.787
170.479
98.0700
106.785
118.648
97.7175
105.417
115.276
Se utilizaron 20 términos en la aproximación de la solución (Tabla 3), obteniendo una muy
buena convergencia, por lo que se tomará esta cantidad de términos para los demás ejemplos.
3.3 Viga con variación lineal de la altura:
g (η ) = (1 − h1 / h0 )(1 − η ) + h1 / h0
En el caso de la Figura 3, basados en el análisis de convergencia realizado en los casos
anteriores, se calculan los coeficientes de frecuencia (Tabla 4).
Tabla 4: Solución aproximada con 20 términos para viga en voladizo de la Figura 3
M
c
0
0
0
0.5
0.05
0.1
0
1
0.05
0.1
h1 / h0
Ω1
Ω2
Ω3
Ω4
Ω5
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
3.9343
3.7371
3.6083
1.6304
1.7969
1.9201
1.6241
1.7920
1.9159
1.6050
1.7773
1.9035
1.2027
1.3481
1.4627
1.1975
1.3439
1.4589
1.1818
1.3311
1.4477
17.4879
19.1138
20.6210
12.1279
13.8615
15.4341
11.0749
13.1369
14.8564
8.4314
11.1235
13.2154
11.8548
13.4568
14.9028
9.9656
12.1974
13.9256
6.6053
9.2517
11.4129
44.0248
50.3537
56.1923
35.2109
41.0942
46.5364
25.0923
34.0394
41.2211
18.3748
24.7368
31.2917
34.9562
40.6697
45.9265
20.8369
29.1360
36.6556
16.6847
21.4799
26.6750
83.5541
96.9954
109.3184
71.4202
83.8417
95.2653
45.9858
59.9495
74.3946
42.9372
52.3270
61.7901
71.1791
83.4193
94.6346
43.4597
54.2552
65.8790
42.0650
50.4953
58.6702
136.2031
159.1732
180.1631
120.7590
142.1235
161.6928
83.3267
101.6045
120.3520
81.9568
97.8941
112.9649
120.5254
141.7025
161.0506
81.9596
98.3229
114.2747
81.3081
96.5929
110.8036
3.4 Viga con variación parabólica de la altura:
g (η ) = (1 − h1 / h0 )(1 − η ) + h1 / h0
2
En el caso de la Figura 4, al igual que el caso anterior, se calculan los coeficientes de
frecuencia con N = 20 (Tabla 5).
Tabla 5: Solución aproximada con 20 términos para viga en voladizo de la Figura 4
M
c
0
0
0
0.5
0.05
0.1
0
1
0.05
0.1
h1 / h0
Ω1
Ω2
Ω3
Ω4
Ω5
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
3.45196
3.48084
3.50093
1.28835
1.59839
1.83229
1.28249
1.59359
1.82818
1.26499
1.57928
1.81590
0.94270
1.19269
1.39219
0.93802
1.18862
1.38850
0.92407
1.17647
1.37748
14.6934
17.3837
19.7972
10.6990
12.8630
14.9182
9.63246
12.1418
14.3438
7.21453
10.2093
12.7308
10.5240
12.5388
14.4320
8.61966
11.2773
13.4567
5.63676
8.48064
10.9926
37.0071
45.8766
54.0168
30.4087
37.9288
44.9597
22.1234
31.5890
39.8783
16.6735
23.3179
30.4510
30.2285
37.5744
44.3939
18.7064
27.2499
35.5498
15.3023
20.3983
26.0469
70.3809
88.4835
105.147
61.1085
77.0750
91.9104
40.8266
56.1792
72.2758
37.9439
48.9639
60.0779
60.9265
76.7103
91.3172
38.5476
50.9070
64.1157
37.1920
47.2530
57.0423
114.885
145.307
173.339
102.890
130.394
155.881
72.5079
94.4434
116.754
71.1018
90.7032
109.377
102.706
130.023
155.272
71.2119
91.2405
110.756
70.5398
89.4840
107.267
Para los casos de viga en voladizo con variación lineal y parabólica (Tablas 4 y 5), se
observa una disminución en los coeficientes de frecuencia fundamental con respecto a la viga
escalonada.
4
VIGA BIEMPOTRADA
Para el caso de vigas biempotradas la base de funciones coordenadas utilizadas es:
{ϕ j }
N
j =1
{
}
= (η − 1) η j +1
2
N
j =1
(19)
que cumplen con las condiciones de borde esenciales del problema. Cabe aclarar que en este
caso no se tienen condiciones de borde naturales o inestables.
En las Figuras 5 y 6 se muestran los casos de vigas analizados:
Figura 5: Viga biempotrada con variación lineal de la
altura
Figura 6: Viga biempotrada con variación parabólica
de la altura
4.1 Viga con variación lineal de la altura:
⎛ h ⎞1
h
g (η ) = 2 ⎜1 − 1 ⎟ − η + 1
h0
⎝ h0 ⎠ 2
En el caso de la Figura 5, y con el análisis de convergencia realizado en el ejemplo
anterior, se considera la viga con variación lineal de la altura, con su mínimo valor en el
centro de la viga, donde se encuentra adosada la masa. Se calcularon los cinco primeros
autovalores para distintos valores de h1/h0 y de la masa y su radio de giro (Tabla 6).
Tabla 6: Solución aproximada con 20 términos para viga biempotrada de la Figura 5
M
0
c
0
0
0.5
0.05
0.1
0
1
0.05
0.1
h1 / h0
Ω1
Ω2
Ω3
Ω4
Ω5
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
19.4315
20.2954
21.3074
9.52901
11.4497
13.1892
9.52901
11.4497
13.1892
9.52901
11.4497
13.1892
7.16477
8.80822
10.3508
7.16477
8.80822
10.3508
7.16477
8.80822
10.3508
46.2335
51.9620
57.0304
46.2335
51.9620
57.0304
35.5304
44.2700
51.0784
22.1939
30.7904
38.5581
46.2335
51.9620
57.0304
28.9895
38.3258
45.9853
16.3453
23.3402
30.1577
85.5862
98.0623
109.773
64.3264
76.8223
88.6899
64.3264
76.8223
88.6899
64.3264
76.8223
88.6899
62.5431
74.1628
85.2106
62.5431
74.1628
85.2106
62.5431
74.1628
85.2106
138.838
160.850
180.978
138.838
160.850
180.978
83.9733
108.316
133.338
71.4208
85.8244
101.560
138.838
160.850
180.978
75.7640
94.3540
114.806
69.2802
81.3933
94.0559
204.359
238.000
269.175
171.477
202.110
231.452
171.477
202.110
231.452
171.477
202.110
231.452
169.780
199.239
227.332
169.780
199.239
227.332
169.780
199.239
227.332
4.2 Viga con variación parabólica de la altura:
2
⎛ h ⎞⎛ 1
⎞ h
g (η ) = 4 ⎜1 − 1 ⎟ ⎜ − η ⎟ + 1
⎠ h0
⎝ h0 ⎠ ⎝ 2
En este ejemplo se toma la variación en forma parabólica. Los coeficientes de frecuencia
se presentan en la Tabla 7 para distintos valores de h1/h0 y de la masa y su radio de giro.
Tabla 7: Solución aproximada con 20 términos para viga biempotrada de la Figura 6
M
c
0
0
0
0.5
0.05
0.1
0
1
0.05
0.1
h1 / h0
Ω1
Ω2
Ω3
Ω4
Ω5
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
18.0051
19.4783
20.9289
8.19636
10.6554
12.8174
8.19636
10.6554
12.8174
8.19636
10.6554
12.8174
6.10796
8.15248
10.0344
6.10796
8.15248
10.0344
6.10796
8.15248
10.0344
41.3393
48.6740
55.3784
41.3393
48.6740
55.3784
29.9792
40.7650
49.3692
18.0512
27.8089
37.0016
41.3393
48.6740
55.3784
23.9197
34.9265
44.2946
13.1934
20.9658
28.8622
75.2985
91.7010
106.736
58.3991
72.8307
86.6513
58.3991
72.8307
86.6513
58.3991
72.8307
86.6513
57.1350
70.5794
83.3936
57.1350
70.5794
83.3936
57.1350
70.5794
83.3936
120.159
148.764
175.045
120.159
148.764
175.045
72.5087
100.016
128.931
63.4546
80.4259
98.7325
120.159
148.764
175.045
66.5391
87.7710
111.265
61.9353
76.6256
91.6544
176.028
219.952
260.363
149.364
188.016
224.503
149.364
188.016
224.503
149.364
188.016
224.503
148.068
185.511
220.610
148.068
185.511
220.610
148.068
185.511
220.610
En las Tablas 6 y 7 se muestran los coeficientes de frecuencias para vigas biempotradas
con variación lineal y parabólica de la altura, respectivamente. Tales valores son superiores
cuando la altura varía linealmente.
5
VIGA SIMPLEMENTE APOYADA
En el caso de vigas simplemente apoyadas, se toman como funciones coordenadas:
{ϕ j } j =1 = {(η − 1)η j } j =1
N
N
(20)
las cuales cumplen con las condiciones de borde esenciales del problema.
También se toma como base:
{ϕ j } j =1 = {(η 3 − 2η 2 + 1)η j } j =1
N
N
(21)
que además cumple con las condiciones de borde naturales ϕ ′′ ( 0 ) = ϕ ′′ (1) = 0
Se calculan los coeficientes de frecuencias de los modelos presentados en las Figuras 7 y 8
y con ambas bases de funciones coordenadas.
Figura 7: Viga simplemente apoyada con variación
lineal de la altura
Figura 8: Viga simplemente apoyada con variación
parabólica de la altura
5.1 Viga con variación lineal de la altura:
⎛ h ⎞1
h
g (η ) = 2 ⎜1 − 1 ⎟ − η + 1
h0
⎝ h0 ⎠ 2
En la Tabla 8 se muestran los coeficientes de frecuencias de la viga simplemente apoyada,
con una masa central, calculados con la base de funciones (20) y en la Tabla 9 con la base
(21).
Tabla 8: Solución aproximada con 20 términos para viga simplemente apoyada de la Figura 7
M
c
0
0
0
0.5
0.05
0.1
0
1
0.05
0.1
h1 / h0
Ω1
Ω2
Ω3
Ω4
Ω5
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
5.10914
6.86627
8.43205
2.94004
4.32758
5.66957
2.94004
4.32758
5.66957
2.94004
4.32758
5.66957
2.27427
3.41557
4.55326
2.27427
3.41557
4.55326
2.27427
3.41557
4.55326
25.8716
30.9185
35.3848
25.8716
30.9185
35.3848
22.7838
28.4200
33.2476
16.8137
22.7305
27.9794
25.8716
30.9185
35.3848
20.2827
26.2124
31.2894
13.0486
18.3421
23.3401
59.7439
69.7238
79.4169
41.0892
51.8028
62.0189
41.0892
51.8028
62.0189
41.0892
51.8028
62.0189
39.0454
49.0709
58.6624
39.0454
49.0709
58.6624
39.0454
49.0709
58.6624
106.477
124.784
141.782
106.477
124.784
141.782
65.6921
88.1675
109.775
48.6578
63.2546
78.8882
106.477
124.784
141.782
55.3421
73.9821
93.2969
45.0176
56.7766
69.2021
165.621
194.228
221.134
135.776
162.109
187.659
135.776
162.109
187.659
135.776
162.109
187.659
134.029
159.248
183.640
134.029
159.248
183.640
134.029
159.248
183.640
Tabla 9: Solución aproximada con 20 términos para viga simplemente apoyada de la Figura 7
M
c
0
0
0
0.5
0.05
0.1
0
1
0.05
0.1
h1 / h0
Ω1
Ω2
Ω3
Ω4
Ω5
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
5.10875
6.86620
8.43204
2.93968
4.32749
5.66956
2.93968
4.32749
5.66956
2.93968
4.32749
5.66956
2.27397
3.41549
4.55324
2.27397
3.41549
4.55324
2.27397
3.41549
4.55324
25.8713
30.9185
35.3848
25.8713
30.9185
35.3848
22.7787
28.4184
33.2470
16.7981
22.7223
27.9748
25.8713
30.9185
35.3848
20.2725
26.2084
31.2875
13.0312
18.3306
23.3321
59.7398
69.7231
79.4168
41.0730
51.7968
62.0164
41.0730
51.7968
62.0164
41.0730
51.7968
62.0164
39.0288
49.0643
58.6594
39.0288
49.0643
58.6594
39.0288
49.0643
58.6594
106.472
124.783
141.782
106.472
124.783
141.782
65.5267
88.0592
109.705
48.5207
63.1347
78.7812
106.472
124.783
141.782
55.1833
73.8555
93.1964
44.8998
56.6716
69.1041
165.592
194.223
221.134
135.663
162.057
187.633
135.663
162.057
187.633
135.663
162.057
187.633
133.912
159.193
183.610
133.912
159.193
183.610
133.912
159.193
183.610
En este caso, se utilizaron dos bases de funciones coordenadas, (20) y (21), cuyos
resultados fueron volcados en las Tablas 8 y 9. En ellas puede comprobarse que cuando las
funciones coordenadas cumplen con las condiciones de borde esenciales y naturales se
consigue una mejor aproximación.
5.2 Viga con variación parabólica de la altura:
2
⎛ h ⎞⎛ 1
⎞ h
g (η ) = 4 ⎜1 − 1 ⎟ ⎜ − η ⎟ + 1
⎠ h0
⎝ h0 ⎠ ⎝ 2
En la Tabla 10 se muestran los coeficientes de frecuencias de la viga calculados con la
base de funciones (21), que como se mostró en el ejemplo anterior, brinda una mejor
aproximación para igual número de términos.
Tabla 10: Solución aproximada con 20 términos para viga simplemente apoyada de la Figura 8
M
c
0
0
0
0.5
0.05
0.1
0
1
0.05
0.1
h1 / h0
Ω1
Ω2
Ω3
Ω4
Ω5
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
0.4
0.6
0.8
4.3950
6.3108
8.1252
2.4077
3.8922
5.4207
2.4077
3.8922
5.4207
2.4077
3.8922
5.4207
1.8455
3.0560
4.3437
1.8455
3.0560
4.3437
1.8455
3.0560
4.3437
20.6641
27.4599
33.6622
20.6641
27.4599
33.6622
17.9018
25.0989
31.5729
12.9359
19.8891
26.4796
20.6641
27.4599
33.6622
15.7689
23.0520
29.6706
9.9682
15.9844
22.0475
49.5172
63.3476
76.3622
34.3001
47.3209
59.7728
34.3001
47.3209
59.7728
34.3001
47.3209
59.7728
32.7932
44.9793
56.6204
32.7932
44.9793
56.6204
32.7932
44.9793
56.6204
88.9709
113.2783
136.0794
88.9709
113.2783
136.0794
52.9935
79.3142
105.1461
39.6454
57.1055
75.6424
88.9709
113.2783
136.0794
44.7961
66.5938
89.3655
36.8663
51.4081
66.4450
139.3563
177.3413
212.8291
115.2025
148.7954
181.0254
115.2025
148.7954
181.0254
115.2025
148.7954
181.0254
113.8740
146.3033
177.2296
113.8740
146.3033
177.2296
113.8740
146.3033
177.2296
De las dos configuraciones de la viga simplemente apoyada, se observa que las frecuencias
más altas corresponden al caso en que la altura varía linealmente.
6
EFICIENCIA DE RIGIDIZACIÓN
Las tablas vistas anteriormente se complementan con el gráfico del factor de eficiencia de
rigidización ε que se expresa como sigue:
ε=
Ω1 / Ω 01
ΔM
(22)
donde Ω1 representa el primer coeficiente de frecuencia de la viga rigidizada, Ω01 el
coeficiente de frecuencia de la viga uniforme y ∆M la variación de la masa de la viga
rigidizada con respecto a la viga uniforme, y se calcula de la siguiente manera:
l
∫ ρ A ( x ) dx
ΔM = 0
ρ A0l
(23)
A modo demostrativo se calcularon los gráficos de eficiencia para la viga en voladizo con
una masa en el extremo libre, comparando los cuatro modelos analizados anteriormente.
La Figura 9 corresponde al caso de la viga con una masa adimensional M = 0.5 y radio de
giro adimensional de la masa de c = 0.05. Puede notarse que a partir de una relación de alturas
h1/h0 > 0.3, todos los modelos planteados son más eficientes que la viga uniforme. Por otro
lado, en el intervalo 0.1<h1/h0<0.4 la mayor eficiencia corresponde a la viga con variación
lineal de la altura y para relaciones h1/h0 > 0.4 predomina la viga escalonada en x=3/4 l.
Un análisis similar puede deducirse de la Figura 10, que corresponde a la viga en voladizo
con una masa adimensional en su extremo M = 1 y radio de giro adimensional c = 0.05.
Figura 9: Grafico de eficiencia de rigidización para una viga en voladizo con una masa en el extremo libre
de M = 0.5 y c = 0.05
Figura 10: Grafico de eficiencia de rigidización para una viga en voladizo con una masa en el extremo libre
de M = 1 y c = 0.05
7
CONCLUSIONES
Se ha utilizado el método de Ritz, a través de un planteo variacional, para presentar
soluciones aproximadas en el problema de vibración de vigas de sección variable con masas
adosadas.
Fue comprobada la convergencia del método en el caso de resultados conocidos de
situaciones particulares del modelo en análisis o, cuando fue posible, comparando con la
solución analítica exacta del sistema de ecuaciones gobernantes.
Se presenta, en resumen, un procedimiento eficaz y de sencilla implementación para
obtener resultados satisfactorios de un problema analíticamente complejo, acompañando de
tablas de valores de frecuencia para casos donde la información es escasa.
8
AGRADECIMIENTOS
El presente trabajo fue auspiciado por la Secretaría de Ciencia y Tecnología de la
Universidad Nacional del Sur, por la Agencia Nacional de Promoción Científica y
Tecnológica (ANPCyT) y por el Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
(CONICET).
9
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