area momento y conjugada
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-
0ANALISIS DE VIGAS ESTATICAMENTE INDETERMINADAS
1.1. DEFINICIN.
Se denomina de esta manera a una barra sujeta a carga lateral; perpendicular
a su eje longitudinal, en la que el nmero de reacciones en los soportes
superan al nmero de ecuaciones disponibles del equilibrio esttico, esto es:
el nmero de incgnitas es mayor que:
0
0
0
M
F
F
Y
X
La figura 1, muestra una viga de este tipo con un extremo simple A y el otro
empotrado B bajo una carga puntual P.
A continuacin se muestra la viga indicando las reacciones en los soportes. En
el soporte A existe slo reaccin vertical puesto que el rodillo no impide el
desplazamiento horizontal. En el empotramiento en B hay dos reacciones dado que este soporte no permite ni desplazamientos ni rotaciones.
Puesto que existen tres reacciones desconocidas; las fuerzas cortantes VA y
VB y el momento flexionante MB y slo se dispone de dos ecuaciones de
equilibrio; M y Fy, la viga es estticamente indeterminada o hiperesttica
pues no es posible conocer las tres reacciones con solo dos ecuaciones. (Hay
ms incgnitas que ecuaciones).
Otro tipo de viga hiperesttica es aquella que tiene ms de dos soportes, y
que se denomina Viga Continua, como la que se muestra en la figura 2.
P
a b
A B
Fig. 1. Viga apoyada-empotrada.
P
VA VB
MB
-
Este caso corresponde a una barra mucho ms compleja de analizar puesto
que ahora existen cinco reacciones externas de soporte; las fuerzas cortantes
verticales y el momento flexionante en el empotramiento ubicado en A.
Para la solucin de estas vigas se requieren ecuaciones adicionales a las del
equilibrio esttico, un camino a seguir consiste en hacer el anlisis de las
deformaciones angulares o rotaciones de los nodos cuando las barras se
flexionan (pandean), bajo el efecto de las cargas aplicadas. Este anlisis se
plantea ms adelante.
1.2. INDETERMINACIN ESTATICA.
Se define como el nmero de acciones redundantes o exceso de reacciones
internas y externas, que no es posible determinar por medio del equilibrio
esttico. Se puede decir que es la diferencia entre el nmero de incgnitas y
ecuaciones disponibles de equilibrio esttico. Por ejemplo la viga de la figura
1 tiene tres reacciones desconocidas y solo se dispone de dos ecuaciones de
equilibrio, la viga es indeterminada en grado 1:
Nmero de incgnitas = NI = 3
Ecuaciones de equilibrio = EE = 2
Grado de indeterminacin = GI = NI EE = 3 2 = 1
Viga de la figura 2:
NI = Reacciones verticales y momento en el empotramiento = 5
EE = Equil. vertical y suma de momentos = 2
GI = 5 2 = 3
En ambos casos los GI representan el nmero de ecuaciones adicionales para
su solucin.
P P w
L1 L2 L3
A B C D
Fig. 2. Viga continua
P P w
MA
VA VB VC VD
-
1.3. SOLUCION DE VIGAS HIPERESTATICAS.
Se analizan vigas estticamente indetermindas con objeto de conocer las
reacciones externas e internas en los soportes, as como las deformaciones
angulares y lineales que ocuren a travs de su longitud cuando se les somete
a carga axterna. Las deformaciones angulares son las rotaciones o pendientes
que se miden mediante una tangente trazada a la curva elstica (Diagrama de
deformacin) y las lineales son los desplazamientos verticales que se miden
entre el eje original de la viga y el eje cuando la barra se flexiona. La figura 3
muestra esta condicin.
P = Carga aplicada.
= Rotacin o pendiente.
= Deformacin lineal o flecha.
1.3.1. METODO DE DE LA DOBLE INTEGRACIN.
Es uno de tantos mtodos que se basan en el anlisis de las deformaciones,
en particular la de los soportes. El mtodo consiste en integrar
sucesivamente una ecuacin denominada Ecuacin Diferencial de la Elstica dada por la expresin:
xMdx
ydEI
2
2
E = Mdulo elstico del material del que est hecha la viga.
I = Momento de inercia de la seccin transversal respecto al eje neutro.
Mx = Ecuacin de momentos a lo largo de toda la barra.
Al integrar sucesivamente la ecuacin de momentos, aparecen constantes que
ser necesarios definir. Estas constantes se determinan en funcin de las
condiciones de frontera, que generalmente las definen los tipos de apoyo o la
simetra de la carga. Recordemos que un apoyo simple tiene pendiente pero
no tiene flecha y un apoyo empotrado no tiene ni pendiente ni flecha. En un
punto cualquiera de la viga, la pendiente es la misma analizando las cargas y
momentos a la izquierda o a la derecha del punto.
Problema 1. Determine los momentos flexionantes y las reaciones verticales
en la viga de la figura 4). Tomar EI constante. El apoyo 1 es simple el 2 es
empotramiento.
Eje original no deformado P
Curva elstica de deformacin Tangente
Fig. 3. Viga deformada por flexin
-
Ecuaciones de momento. Se traza el diagrama de cuerpo libre indicando las
reacciones desconocidas y la carga aplicada. Enseguida se plantea la ecuacin
de momentos y se le integra sucesivamente.
80250 21 xxxVMx
212
2
250xxVdx
dEI y
Integrando:
)CxxV
dx
EIdy1
3
250
21
321
)CxCxxV
EIY 212
250
621
431
Clculo de las constantes. La ecuacin 1) proporciona la pendiente (dy/dx) en
cualquier punto de la viga. El apoyo 2) est empotrado y no tiene pendiente
por lo que sustituyendo x = 8 e igualando a cero se tiene:
1
321
3
8250
2
80 C
)()(V
11 326666642 V.,C
La ecuacin 2) proporciona la flecha (Y) en cualquier punto de la viga. El
apoyo 1) es simple y no tiene flecha, por lo que sustituyendo x = 0 e
igualando a cero, se tiene: C2 = 0
En la misma ecuacin 2) la flecha es cero en x = 8 y sustituyendo C1 logramos
obtener una ecuacin en funcin de la reaccin V1 la que al resolverse nos da
su valor.
832666664212
8250
6
80 1
431 )V.,(
)()(V
500 kg/m
x V1 V2
M2
8.00 m
500 kg/m
1 2 Fig. 4
Criterio de
signos:
+
-
V1 = 1500.00 kg
Por equilibrio de fuerzas verticales se obtiene la reaccin V2.
V1 + V2 - 500(8) = 0
V2 = 2500.00 kg
Conocidas las reacciones verticales, el momento M2 puede calcularse
sumando momentos en el nodo 1) o en el 2) o sustituyendo x = 8 en la
ecuacin de momentos.
M1 = M2 + 500(8)4 - 2500(8) = 0
M2 = 4000.00 kg.m
Fin del problema.
Problema 2. Obtenga los momentos y reacciones verticales para la viga de la
figura 5). Trace tambin los diagramas de fuerza cortante y de momento
flexionante. Si la seccin transversal es compacta rectangular de 15x25 cm,
calcule la flecha al centro del claro para un mduloelstico de 250,000.00
cm4.
Ecuaciones de momento. Se traza el diagrama de cuerpo libre indicando las
reacciones desconocidas y la carga aplicada. Enseguida se plantea la ecuacin
de momentos y se le integra sucesivamente.
500 kg/m
4000 kg.m
2500 1500 kg
800 kg
x
X1
M1 M2
V1 V2
Criterio de
signos:
+
800 kg
5.00 m 5.00 m
1 2
Fig. 5)
-
)xMxVMx 15011
)x)x(MxVMx 21955800 111111
Integrando la ecuacion 1).
112
2
MxVdx
EIdy
)CxMxV
dx
EIdy3
211
21
)CxCxMxV
EIY 426
21
21
31
En las ecuaciones 3) y 4), la pendiente (dy/dx) y la felcha (Y) son cero en el
apoyo 1, esto es cuando x = 0. Para esta condicin C1 y C2 son cero.
C1 = C2 = 0
Integrando la ecuacin 2).
)x(MxVdx
EIdy5800 11112
1
2
)C)x(
xMxV
dx
EIdy5
2
5800
23
21
11
211
1
)CxC)x(xMxV
EIY 66
5800
26413
31
211
311
En las ecuaciones 3) y 5) la pendiente es la misma cuando x = x1 = 5. Al
comparar estas ecuaciones resulta C3 = 0
En las ecuaciones 4) y 6) la flecha es la misma cuando x = x1 = 5. Al comparar
estas ecuaciones resulta C4 = 0
Se requieren ahora 2 ecuaciones de equilibrio. Estas ecuaciones se obtienen
para x1 = 10 en 5) y 6), ya que en este apoyo la pendienete y la flecha son
cero.
En 5) cuando x1 = 10, (dy/dx1 = 0):
2
51080010
2
100
2
1
21 )()( M
V
50V1 - 10M 10,000.00 = 0 -------- 7)
En 6) cuando x1 = 10, (Y = 0):
-
0106
5)- 10(800
2
10M
6
1043
321
31 CC
)()(V
166.666 V1 - 50 M1 - 16,666.666 = 0 ------- 8)
Resolviendo las ecuaciones 7) y 8).
V1 = 400 kg
M1 = 1000 kg.m
Diagramas de cortante y de momento.
Flecha al centro del claro. Se obtiene en la ecuacimn 4) para x = 5.00 m.
)CxCxMxV
EIY 426
21
21
31
E = 250,000.00 kg/cm2
43
255311912
2515cm.,
)(I
cm.).,(.,
)(.,Y 8530
255311900000250
1066616664 6
Fin del problema.
800 kg
400 kg 400 kg
1000 kg.m 1000 kg.m
400
400
1000
1000 1000
Fuerza Cortante
Momento Flector
EI
.,Y
66616664
-
Problema 3. La viga de la figura 6) tiene ambos extremos empotrados y recibe
una carga uniformemente variable de 1200 kg/m. Determine los momentos y
las reacciones verticales en los empotramientos. Tomar EI constante.
Incgnitas y ecuacin de momentos.
La altura (y) de la carga triangular a la distancia (x) se obtiene por triangulos
semejantes.
L
xwy
La resultante del triangulo ubicado en la longitud (x) y de altura (y) es su
rea (yx/2) y se ubica a (x/3) que es su centro de gravedad de derecha a
izquierda. La ecuacin de momentos es entonces:
Lxxx
XVM Ax 0M32L
wx A
A
3
M6
L
xwXVM Ax
Se escribe la ecuacin diferencial y se integra sucesivamente.
A
3
2
2
M6L
wx XV
dx
ydEIA
)(.EcCxL
xV
dx
dyEI A1M
24
wx
21A
42
En esta ecuacin cuando x = 0, la pendiente dy/dx es cero y por tanto la
constante C1 = 0.
)(.EcCx
L
xVEIY A 2
2
M
120
wx
62
2A
53
En esta ecuacin cuando X = 0, la flecha Y = 0 y por tanto la constante C2 = 0.
W = 1200 kg/m
L = 6.00 m
A B
W = 1200 kg/m
MA MB
VA VB x
y
Fig. 6
-
En las ecuaciones (1) y (2) cuando x = L, la pendiente y la flecha son cero. De
aqu resultan dos ecuaciones con dos incognitas.
dy/dx = 0. En la ecuacin 1.
x = L
)(.EcLMLV
AA 30
24
wL
2
32
Y = 0. En ecuacin 2.
X = L
)(.EcLLVA 40
2
M
120
wL
6
2A
43
La solucin de las ecuaciones (3) y (4) dan los siguientes resultados:
m.kg.,)(Lw
MA 00440130
61200
30
22
.kg.,)()(wL
va 00080120
612003
20
3
La reaccin vertical en B se obtiene por equilibrio de fuerzas.
.kg.,)()(wLwL
VB 00520220
612007
20
7
20
3wL
2
El momento en B se obtiene por suma de momentos en A o en B.
020
7wl
30
wL
3
2
2
2
BA ML
LwLM
m.kg.,)(wL
MB 00160220
61200
20
22
Resultados finales.
Fin del problema.
W = 1200 kg/m
2160.00 1440
1080 2520
-
Problema 4. La viga de la figura 7) tiene ambos extremos empotrados y recibe
una carga uniformemente distribuida de 1200 kg/m. Determine los momentos
y las reacciones verticales en los empotramientos. Tomar EI constante.
Incgnitas y ecuaciones de momento.
)(.EcxxVM Ax 150M- A
Integrando sucesivamente:
A2
2
M-xVdx
ydEIA
).(.EcCxxV
dx
dyEI A 2M2
1A
2
)(.EcCxCxxV
YEI A 32
M
621
2 A
3
En las Ec. (2) y (3) la pendiente dy/dx y la flecha y, son cero por estar el apoyo empotrado y por tanto, las constantes C1 y C2 son cero.
)(.Ecxx(xVM Ax 4105M2
)5-(x)5300 1A
1111
Integrando:
)(.EcCxxV
dx
dyEI A 5M6
)5-x(300
231A
31
21
1
)(.EcCxCxxV
YEI A 62
M
24
)5-x(300
6413
21A
41
31
W = 300 kg/m
MA MB
VB VA x
X1
W = 300 kg/m
A B
5.00 m 5.00 m
Fig. 7
-
En las ecuaciones (2) y (5) la pendiente tiene el mismo valor cuando
x = x1 = 5, por tanto, al igualar estas ecuaciones, resulta C3 = 0.
En las ecuaciones (3) y (6) la flecha tiene el mismo valor cuando
x = x1 = 5, por tanto al igualar estas ecuaciones, resulta C4 = 0.
En la Ec. (5) la pendiente dy/dx es cero cuando x1 = 10, sustituyendo este valor resulta la siguiente ecuacin:
AA M
()(V10
6
)5-10300
2
100
32
)7( Ec.0002506M1050 A .,VA
En la Ec. (6) la flecha es cero cuando x1 = 10:
2
10M
24
)5-10(300
6
100
2A
43 )()(VA
)8(Ec.0508127M50666166 A .,V. A
Al resolver las ecuaciones (7) y (8), resulta:
MA = 781.25 kg.m
VA = 281.25 kg
VB =1,218.75 kg Se obtiene por equilibrio vertical.
MB=1,718.75 kg.m
Verificacin de los momentos con frmula:
m.kg.)()(Lw
MA 25781192
103005
192
5 22
m.kg.)()(Lw
MB 751718192
1030011
192
11 22
Fin del problema.
W = 300 kg/m
781.25
281.25 1218.75
1718.75
281.25
1218.75
4.0625
781.25
625
756.84
1718.75
-
Problema 5. Determinar los momentos y trazar los diagramas de fuerza
cortante y de momento flexionante para la viga de la figura 8).
Reacciones desconocidas y ecuaciones de momento.
La altura (y) del tringulo de base (x) se obtiene por tringulos semejantes
(y =100x) y su resultante es su rea (R = yx/2) aplicada a 2/3 de la base (x)
a partir del extremo izquierdo o 1/3 del extremo derecho (x/3).
)..Ecxx
xVxyx
xVMx 1406
100
32
3
11
6
100 3
12
2 xxV
dx
ydEI
Integrando sucesivamente:
)..EcCxxV
dx
dyEI2
24
100
21
421
)..EcCxCxxV
EIY 3120
100
621
531
En la Ec. 3), cuando x = 0, la flecha (Y) es cero, y por tanto C2 = 0.
Ecuacin de momentos a la distancia x1: Para esta distancia debe tomarse la
resultante total de la carga triangular ya que queda ubicada a la izquierda del
punto donde se est cortando, es decir: (R = 400(4)/2 = 800 kg) y se aplica
al centroide, esto es a ( 2/3 de 4 = 8/3 = 2.666).
4.00 m 4.00 m
1 2
400 kg/m
Fig. 8
400 kg/m
X1
x
y
V1 V2
M2
-
846662800 1111 x).x(xVMx
).x(xVdx
ydEI6662800 1112
2
Integrando sucesivamente:
)..EcC).x(xV
dx
dyEI4
2
6662800
23
21
211
).EcCxC).x(xV
YEI 56
6662800
643
31
311
Comparando las ecuaciones 2) y 4) en x = x1 = 4, la pendiente es la misma:
2
66624800
24
4100 2
3
4
1
).(C
)(C
)..Ec.CC 655535531
Comparando las Ec. 3) y 5) en x=x1 = 4, la flecha es la misma:
6
666248004
120
41004
3
43
5
1
).(CC
)(C
Sustituyendo Ec. 6):
04943013163338535553554 433 .CC.).C(
C4 = 884.9383
En Ec. 4) cuando x1 = 8, la pendiente es cero (dy/dx1 = 0):
02
66628800
2
83
221
C
).()(V
13 327806237711 V.,C
En Ec. 5) cuando x1 = 8, la flecha es cero (Y = 0):
0938388432780623771186
66628800
6
81
331
.)V.,(
).()(V
V1 = 420.00 kg.
Por equilibrio vertical:
.kg..)(
V 00380004202
44002
-
Por suma de momentos en el nodo 1):
m.kg.)()()(
M 6690683803
42
2
44002
Verificacin con frmula:
m.kg.)()(Lw
M 66906480
840017
480
17 22
2
Punto donde la fuerza cortante es cero.
024
400420
xxVx
X = 2.898275 m
La ecuacin de momentos es:
4024
400420
3
xx
xM x
X = 2.898275 m
M = 811.52 kg.m
X = 4.00 m
M = 613.34 kg.m
Fin del problema.
400 kg/m
420 380
906.66
4.00 4.00
420
380
811.52
906.66
613.34
Fuerza Cortante
Momento Flexionante
-
1.3.2. TEOREMAS DE OTTO MOHR.
Es un mtodo semigrfico ideado por Christian Otto Mohr (1835-1918) y que
representa una alternativa importante para calcular pendientes y flechas en
puntos especficos de una viga. El procedimiento se conoce tambin como
Mtodo del Area de Momentos y consiste en establecer de manera
independiente la variacin de la pendiente y de la flecha en los puntos
extremos de un intervalo cualquiera, generalmente definido por los apoyos.
En este intervalo intervienen las reas de los diagramas de momentos y el
momento de tales reas. Es recomendable utilizar las reas de los diagramas
de momentos por partes ya que estos facilitan el clculo del rea as como de
su centro de gravedad. El mtodo consta de dos teoremas, a saber:
Primer Teorema de Mohr. La variacin o incremento de la pendiente (AB) entre las tangentes trazadas a la elstica en dos puntos cualquiera A y B es
igual al producto 1/EI por el rea del diagrama de momentos flectores entre
estos dos puntos. En la figura 9) se indica esta condicin.
Donde:
AB = Cambio de pendiente entre las tangentes a la curva elsica. AAB = Area del diagrama de momentos entre A y B.
EI = Rigidez a la flexin.
Segundo Teorema de Mohr. La desviacin de un punto cualquiera B respecto de la tangente trazada a la elstica en otro punto cualquiera A, en direccin
perpendicular al eje inicial de la viga, es igual al producto de 1/EI por el
momento respecto de B del rea de la porcin del diagrama de momentos
entre los puntos A y B. La figura 10) muestra esdta condicin.
P
L
A B
AB
Viga con carga cualquiera.
Tangentes por A y B.
Cambio de pendiente AB.
M Diagrama de momentos
cualquiera..
Fig. 9). Viga simple con carga cualquiera.
EI
A ABAB
-
Donde:
BA = Desplazamiento vertical en B trazado perpendicularmente al eje original de la viga hasta intersectar con la tangente por A.
ABA = Area del diagrama de momentos entre los puntos B y A.
X = cg = Centro de gravedad del diagrama de momentos medidos desde B.
Problema 6). Calcular el momento en el empotramiento para la viga de la
figura 11). Determinar tambin las reacciones verticales.
Incognitas en la viga.
P
L
A B
Viga con carga cualquiera.
M Diagrama de momentos cualquiera y centro
de gravedad respecto al punto B.
Fig. 10). Viga simple con carga cualquiera.
BA
cg
x
EI
XA BABA
6.00 m
800 kg./m
A B
Fig. 11). Viga apoyada-empotrada.
800 kg./m
MB
VA VB
-
Diagrama de momentos por partes. Se obtienen dos vigas equivalentes
simplemente apoyadas; una con la carga de 800 kg/m y la otra con MB.
El objetivo es obtener el momento MB y puesto que la viga est empotrada en
B la pendiente es cero y una tangente por ese punto es horizontal y entonces
en el punto A el desplazamiento vertical es tambien cero. La ecuacin que se
requiere se obtiene sumando momentos en A para las reas de los diagramas
de momento, es decir es el producto de las reas y el centro de gravedad de
cada una medido desde A. Las reas arriba del eje x se toman positivas. Se recuerdan las reas y centroides de algunas figuras geomtricas.
042
6504
3
6144004
2
614400 BA
M.
)()(M
MB = 3600.00 kg.m
Reacciones verticales.
06360036800 BA V)(M
VB = 3000.00 kg.
VA = 800(6) 3000 = 1800.00 kg.
Otra forma de resolver el problema. Considerense los diagramas de
momentos reales para cada viga simple.
800 kg./m
MB +
2400 2400 MB/6 MB/6
14400
14400
MB
6.00 6.00
x
x
cg M
2L/3 L/3
2
LMA
L
cg
x
A = ML/(n + 1) X = L/(n + 2)
n = grado de la curva
M
800 kg./m
3600
1800 3000
-
El rea total del diagrama de la carga uniforme es 2ML/3. El momento
mximo para esta carga es wL2/8 = 3600 kg.m.
042
63
3
636002 BA
M)(M
MB = 3600.00 kg.m
Fin del problema.
Problema 7. Calcular la pendiente en el extremo A y la flecha al centro del
claro de la viga del problema anterior, Fig. 12). Tomar EI constante.
Trazar una tangente a la curva elstica por el punto A y una vertical por B.
El desplazamiento YB se obtiene sumando momentos en B para las reas de los diagramas de momentos.
006002122
636003
3
636002.,)(
)()(EIYB
800 kg./m
MB +
2400 2400 MB/6 MB/6
MB
6.00
x
x
3.00 3.00
Mmx.
3.00 3.00
yB Y0
Y1 . . .
mx.
3600
3600
A B
-
La pendiente en A se obtiene dividiendo YB entre la longitud.
EI
.,
EI
.,A
006003
6
0060021
El valor de la flecha al centro del claro mx. se obtiene relacionando geomtricamente los desplazamientos indicados en la figura anterior.
mx. = Yo - Y1
Donde Yo se obtiene por tringulos semejantes y Y1 se obtiene sumando momentos para las reas situadas a la izquierda del centro del claro.
36
oB YY
EI
.,
EI
),(Yo
0080010
6
600213
Cg = Centro de gravedad de derecha a izquierda.
0040053
3
2
31800
4
33
3
33600501336001 .,
)()()(.)(EIY
EI
.,Y
0040051
EI
..
EI
.,
EI
., .Mx
0040050040050080010
Fin del problema.
3.00 3.00
yB Y0
Y1 . . .
mx.
3600
1800
A B
M
L
A = ML/3
Cg = 3L/4
-
Prtoblema 8. Calcular los momentos flexionantes para la viga con ambos
extremos empotrados de la figura 13). Tomar EI constante.
Incgnitas en la viga.
Digrama de momentos para cada accin actuando por separado. El momento
mximo para la carga uniforme es wL2/8 = 15,000.00 kg.m. Estas grficas y
momentos corresponden a vigas simplemente apoyadas.
Como ambos extremos estn empotrados, las pendientes en esos puntos son
cero, y por tanto, una tangente trazadas por estos extremos son horizontales
y entonces los desplazamientos o desviaciones verticales son tambien cero.
011 MEI
03
102
2
10
3
10
2
105
3
10150002 21
)(MM)()(
)..EcM.M.., 10333336661600000500 21
022 MEI
03
10
2
10
3
102
2
105
3
10150002 21
M)(M)()(
)..EcM.M.., 20666163333300000500 21
Resolviendo las ecuaciones 1) y 2):
M1 = M2 = 10,000.00 kg.m
Fin del problema.
M2 1200 kg/m
M1
V1 V2
1200 kg/m
15000
M1
M1
M2
M2
10.00 m
1200 kg/m
1 2
Fig. 13
-
Problema 9. Calcular los momentos flexionantes en los extremos de la barra
de la figura 14). Ambos extremos estn empotrados.
Momentos desconocidos.
Diagramas de momentos para vigas simplemente apoyadas. El momento
mximo para la carga puntual es (PL/4).
Si ambos extremos estn empotrados las desviaciones verticales respecto a
tangentes trazadas por ellos, son cero.
01 EI
03
2
232224
211
LLMLLMLLPLM
03616
22
21
3
LMLMPL
Puesto que M1 y M2 son iguales debido a la simetra, la solucin de la
ecuacin anterior arroja los siguientes resultados:
821
LPMM
Fin del problema.
P
L/2 L/2
1 2
Fig. 14
P
M1 M2
V2 V1
P
L/2 L/2
PL/4
M1
M1
M2
M2
-
Problema 10. Calcular el momento flexionante en el extremo empotrado de la
barra de la figura 15).
Incgnitas en la viga.
Diagramas de momentos para vigas simplemente apoyadas.
La desviacin vertical en el apoyo 2 es cero debido a que no hay pendiente
en el empotramiento.
02 EI
03
82
2
8
3
4
2
432002416004
4
4
3
41600
3
8
2
84800 1
)(M)()(
)()(
M1 = 900.00 kg.m
Verificacin con frmula.
m.kg.)()(wL
M 00900128
82009
128
9 22
1
Fin del propblema.
200 kg/m
4.00 4.00
1 2
Fig.15 Viga empotrada-apoyada
200 kg/m
M1
V1 V2
200
4.00 4.00
M1
8.00
4800
1600 4800
M1
1600
3200
4.00
-
Problema 11. Calcular los momento flexionantes en los extremo empotrados
de la barra de la figura 16). Calcular tambin las reacciones verticales y trazar
los diagramas de fuerza cortante y de momento flexionante.
Incgnitas en la viga.
Diagramas de momentos para las vigas equivalentes simplemente apoyadas.
Para ambos extremos la desviacin vertical respecto a la tangente por
cualquiera de ellos es cero.
01 EI
03
102
2
10
3
10
2
10
3
228
2
23000
3
723
2
73500
3
102
2
106500 21
)(MM)()()()()()(
94,750.00 16.666 M1 33.333 M2 = 0 Ec. 1).
03
10
2
10
3
102
2
10
3
2
2
23000
3
7
2
73500
3
10
2
106500 21
M)(M)()()(
77,750.00 33.333 M1 - 16.666 M2 = 0 Ec. 2).
500 1500
M1 M2
V1 V2
500 1500
3.00 5.00 2
. 2
.
1
.
Fig. 16. Viga con ambos extremos
.empotrados.
500 1500
3 5 2
3500
3000
6500
M1
M1
M2
M2
10.00 10.00
-
Resolviendo las ecuaciones 1) y 2):
M1 = 1,215.00 kg.m
M2 = 2,235.00 kg.m
Verificacin con frmula.
m.kg.)(
)()(
)(
)()(
L
baPM 001215
10
281500
10
735002
2
2
2
2
2
1
m.kg.)(
)()(
)(
)()(
L
baPM 002235
10
281500
10
735002
2
2
2
2
2
2
Reacciones verticales. Conocidos los momentos de empotramiento pueden
calcularse por equilibrio esttico.
02150075002235121510 12 )()(VM
V1 = 548.00 kg.
V2 = 1452.00 kg.
Fin del problema.
P
M1 M2
a b
500 1500
1215 2235
548 1452
548
48
1452
1215
2235
429
669
Diagrama de
Cortante
Diagrama de
momentos
-
1.3.3. METODO DE LA VIGA CONJUGADA.
Se denomina viga conjugada a una barra en la que las cargas son los
diagramas de momentos de las cargas reales dadas. La figura 17) muestra un
ejemplo de este tipo de vigas.
Relaciones entre la viga real y la viga conjugada.
a.- La longitud de la viga real y de la conjugada es la misma.
b.- La carga en la viga conjugada es el diagrama de momentos de la viga real.
c.- La fuerza cortante en un punto de la viga conjugada es la pendiente en el
mismo punto de la viga real.
d.-El momento flexionante en un punto de la viga conjugada es la flecha en el
mismo punto de la viga real.
e.-Un apoyo simple real equivale a un apoyo simple en la viga conjugada.
f.- Un apoyo empotrado real equivale a un extremo libre o voladizo de la viga
conjugada.
g.- Un extremo libre (voladizo) real equivale a un empotramiento conjugado.
h.- Un apoyo interior en una viga continua equivale a un pasador o rticulacin
en la viga conjugada.
RELACIONES ENTRE LOS APOYOS
VIGA REAL VIGA CONJUGADA NOTAS 1.- Apoyo simple
1.- Apoyo simple Un apoyo simple real no tiene f lecha pero si tiene pendiente y por tanto el conjugado no
tiene momento pero si tiene cortante;
equivale a un apoyo simple.
2.- Apoyo empotrado.
2.- Sin apoyo: libre.
Un apoyo empotrado no tiene f lecha ni
pendiente y por tanto, el conjugado no tiene
momento ni cortante; equivale a un voladizo.
3.-Voladizo.
3.- Apoyo empotrado.
El extremos libre tiene pendiente y f lecha y
por tanto el conjugado tiene cortante y
momento; equivale a un empotramiento.
4.- Apoyo interior.
4.- Apoyo articulado o pasador.
Un apoyo interior tiene pendiente pero no
tiene f lecha y por tanto tiene cortante pero
no tiene momento; equivale a una
articulacin.
a b
P
a b
L
baPMmx
Fig. 17). Viga simple real y viga conjugada.
Viga Real Viga Conjugada
-
Problema 12. Para la viga simple de la figura 18), calcular la pendiente en los
extremos y la flecha mxima. Tomar EI constante.
Viga conjugada. Tiene los mismos apoyos, la misma longitud y la carga es el
diagrama de momentos de la viga real.
La pendiente en el apoyo 1) es la fuerza cortante V1), en la viga conjugada
dividida entre el producto EI.
EI
V 11
Por simetra el cortante V1, es el rea del tringulo a la mitad del claro.
0013502
39001 .
)(V
EI
13501
Verificacin con frmula.
EIEI
)(
EI
LP
1350
16
6600
16
22
1
Flecha al centro del claro. Es el momento al centro del claro para la viga
conjugada.
EI
M
0027003
3
2
390031350 .
)()(M
EI
2700
600 kg
3.00 3.00
1 2
Fig. 18). Viga simple.
900
V1 V2
-
Verificacin con frmula.
EIEI
)(
EI
LP
2700
48
6600
48
33
Fin del problema.
Problema 13. Calcular el momento en el empotramiento para la viga apoyada-
empotrada de la figura 19).
Diagramas de momentos para vigas simplemente apoyadas. La viga
conjugada ser una barra apoyada-volada.
El momento en el apoyo 1) para las cargas de la viga conjugada es cero, por
ser apoyo simple.
03
62
2
6
4
63
3
67200
3
62
2
67200 11
)(M)()()()(M
M1 = 1800.00 kg.m
Fin del problema.
400 kg/m
6.00 m
1 2
Fig. 19)
400
kg/m 6.00
7200
7200
6.00
M1
M1
V1 6.00 m
Viga Conjugada
Cargas en la Viga Conjugada
+
-
1.4. VIGAS CONTINUAS.
Se da el nombre de viga continua a una barra apoyada en ms de dos
soportes. La figura 20) muestra una viga de este tipo.
Para el anlisis de estas vigas existen una gran cantidad de mtodos, pero en
la mayora de ellos se consideran los momentos de los nodos como las
incognitas principales, para posteriormente, por equilibrio esttico, obtener el
resto de las incgnitas.
1.4.1. ANALISIS POR SUPERPOSICION.
El principio de superposicin establece que el efecto de un conjunto de cargas
que actua simultneamente, es el mismo cuando se suman los efectos de cada
una de ellas actuando por separado. Bajo este concepto, es posible solucionar
una viga continua analizando las rotaciones en los extremos de las barras
para las cargas dadas considerando a cada barra simplemente apoyada. Para
su aplicacin es necesario conocer las formulas de estas rotaciones para vigas
simples y cualquier tipo de carga. A continuacin se dan las de uso comn.
Notacin.
Carga Rotacin
Extremo Izquierdo
Rotacion
Extremo Derecho 1.- Carga uniforme.
EI
Lw
24
3
1
EI
Lw
24
3
2
2. -Carga parcial uniforme.
EI
Lw
384
9 3
1
EI
Lw
384
7 3
2
3.-Carga parcial iforme.
222
1 4424
aaLLEIL
aw
222
2 224
aLEIL
aw
P P P
L1 L2
1 2 3
Fig. 20). Viga continua indicando cargas y
reacciones desconocidas.
M1
M2
V2 V3 V1
w
L
L
1 2
w
L/2 L/2
w
a b
-
Carga Rotacin
Extremo Izquierdo
Rotacion
Extremo Derecho 4.- Carga puntual.
EI
LP
16
2
1
EI
LP
16
2
2
5. Carga puntual.
2216
bLEIL
bP
2226
aLEIL
aP
6.- Carga variable.
EI
Lw
360
7 3
1
EI
Lw
360
8 3
2
7.- Carga variable.
EI82436
7
1212
3422
1wa
L
waLwawabLwaL
L
wawaLLwawabLEI
2469
2
6
422
2
8.- Momento en extremo.
EI
LM
31
EI
LM
62
9.-Momento en extremo.
EI
LM
61
EI
LM
32
10.- Momento en la barra.
221 36
bLEIL
M
222 2366
LbLbEIL
M
Problema 14). Calcule los momentos y las reacciones verticales en los nodos
de la viga continua de la figura 21).
Incognitas en la viga. Se dibujan los claros 1-2 y 2-3 por separado
indicando cargas y momentos desconocidos. En este caso solo hay un
momento descocnocido, el momento del nodo 2; M2 y se obtienen las vigas equivalentes simplemente apoyadas. Habr tantas vigas equivalentes como
momentos de extremo y cargas haya en el claro correspondiente. En la figura
siguiente se mestra esta condicin.
L/2 L/2
P
a b
P
w
L
w
a b
L
M
L
M
M
a b
3.00 3.00 8.00 m.
1 2 3
500 kg 300 kg/m
Fig. 21). Viga continua.
-
Se hacen las siguientes consideraciones:
1.- La rotacin o pendiente es cero en extremos empotrados.
2.- En un soporte interior la pendiente es la misma a la izquierda y a la
derecha de dicho soporte.
3.- Se indican las pendientes en los extremos de cada soporte con el criterio
siguiente:
a.- Carga cualquiera. b).- Momento en extremo.
Para nuestro caso solo se necesita plantear una ecuacin de equilibrio, pues
solo hay un momento desconocido, M2. Esta ecuacin se obtiene sumando las
pendientes en el apoyo 2, igualando las pendientes de la izquierda con las
pendientes de la derecha.
.DerIzq 22
23232121
EI
LM
EI
Lw
EI
LM
EI
LP
324316
223212
21
3
8
24
8300
3
6
16
6500 23
22 M)(M)(
L1 = 6
M2
P
P
21
+ M2
21
=
L2 = 8
w M2
w
1 2
23
=
+ M2
23
2 3
12 21
P
M
12 21 Pendientes positivas
Pendiente negativa
-
M2 = 1,612.50 kg.m
Reacciones verticales. Se obtienen por equilibrio esttico mediante suma de
momentos a la izquierda o a la derecha de los soportes.
Sumando momentos a la ezquierda del soporte 2:
035005016126 12 )(.VM
V1 = - 18.75 kg.
Sumando momentos a la derecha del soporte 2:
0850161248300 32 V.)(M
V3 = 998.4375 kg
Sumando cargas verticales:
V1 + V2 + V3 - 500 - 300(8) = 0
V2 = 1,920.3125 kg.
Fin del problema.
Problema 15). Calcule los momentos y las reacciones verticales en los nodos
de la viga continua de la figura 22).
3.00 3.00 8.00 m.
1 2 3
500 kg 300 kg/m
V1 V2 V3
1612.50
Criterio de signos:
+
300 kg/m
1 2 3 4 5
5.00 5.00 8.00 m 3.00
Figura 22. Viga continua con carga uniforme
en todo el calro.
-
Vigas equivalentes:
w
12 21