viernes, 18 de junio de 2010

Análisis del Puente

Análisis del Puente



En términos de ingeniería civil, se denomina puente atirantado a aquel cuyo tablero está suspendido de uno o varios pilones centrales mediante obenques. Se distingue de los puentes colgantes porque en estos los cables principales se disponen de pila a pila, sosteniendo el tablero mediante cables secundarios verticales, y porque los puentes colgantes trabajan principalmente a tracción, y los atirantados tienen partes a tracción y otras a compresión. También hay variantes de estos puentes en que los tirantes van desde el tablero al pilar situado a un lado, y desde este, al suelo, o bien, como el Puente del Alamillo, estar unidos al pilar solo.

La construcción de un puente, esta destinada a proteger obstáculos naturales, como valles, ríos, lagos o brazos de mar; y obstáculos artificiales, como vías férreas o carreteras, que nos permite pasar sobre el y con el fin de unir caminos. Los puentes construidos sobre terreno seco o en un valle y formados por un conjunto de tramos cortos se suelen llamar viaductos; se llaman pasos elevados los puentes que cruzan las autopistas y las vías de tren. Un puente bajo, pavimentado, sobre aguas pantanosas o en una bahía y formado por muchos tramos cortos se suele llamar carretera elevada. Esta estructura esta hecha principalmente por: pilares externos, apoyos centrales y los cimientos y esta une la base de ambos. Esta estructura aguanta directamente las cargas, en las vigas, cables y arcos que transmiten las cargas a los apoyos centrales y pilares externos. Además, su elaboración y su cálculo esta dirigido por la Ingeniería Estructural (es una rama de la Ingeniería Civil que se ocupa del diseño y calculo de la parte estructurales tales como edificios, puentes, muros, presas, túneles, etc.). Los principales puentes estructurales son: Colgantes, Arco, Puentes Viga y Ménsula. Los demás son derivados de estos. Puentes Colgantes: Posee una estructura básicamente formada por cables de acero. Tiene dos cables tensores de acero que sostienen la superficie transitable mediante tirantes verticales. Los cables tensores se apoyan en torres y se anclan a grandes bloques de hormigón ubicados en los extremos del puente. Este puente sido utilizado por la humanidad desde la antigüedad. Al pasar de los años, este tipo de puente, es capas de soportal el tráfico rodado y también líneas de ferrocarril ligeras, ya que los materiales de la construcción han mejorado

¿Qué es un vector y para qué sirven?

Un vector en física es una cantidad que tiene magnitud, dirección y sentido al mismo tiempo. Por ejemplo, una cantidad ordinaria, o escalar, puede ser una distancia de 6 km, una cantidad vectorial sería decir 6 km norte. Los vectores se representan normalmente como segmentos rectilíneos orientados, como B en la Figura 1; el punto "O" es el origen o punto de aplicación del vector y B su extremo. La longitud del segmento es la medida o módulo de la cantidad vectorial, y su dirección es la misma que la del vector.

Figura 1. Representación gráfica de vectores. Note que el vector C es la suma de los vectores A y B.

El uso sencillo de los vectores así como los cálculos utilizando vectores quedan ilustrados en la Figura 1, que muestra el movimiento de una barca para atravesar una corriente de agua. El vector a, u A, indica el movimiento de la barca durante un determinado periodo de tiempo si estuviera navegando en aguas tranquilas; el vector b, o B, representa la deriva o empuje de la corriente durante el mismo periodo de tiempo. El recorrido real de la barca, bajo la influencia de su propia propulsión y de la corriente, se representa con el vector c, u C. Utilizando vectores, se puede resolver gráficamente cualquier problema relacionado con el movimiento de un objeto bajo la influencia de varias fuerzas.

Este método de resolución de problemas, conocido como adición vectorial, se lleva a cabo según se explica a continuación. Un vector que representa una fuerza se dibuja empezando por el origen "O" en la dirección y con el sentido apropiados. La longitud del vector es proporcional a su valor real según una escala determinada, que puede ser un cierto número de centímetros por cada kilómetro. En el dibujo anterior, la velocidad al remar es de 2,2 km/h, el tiempo transcurrido es 1 hora y la escala es 1 cm por cada km. Por tanto, el vector A mide 2,2 cm y representa 2,2 km. La velocidad de la corriente del río es de 6 km/h, y se representa con el vector B que mide 6 cm, lo que indica que la corriente recorre una distancia de 6 km en una hora. Este segundo vector se dibuja con su origen en el extremo del vector A y en dirección paralela al movimiento de la corriente. El punto B, extremo del segundo vector, es la posición real de la barca después de una hora de viaje, y la distancia recorrida es la longitud del vector c, u C (en este caso, unos 6,4 km. El método descrito recibe el nombre de Método Geométrico de Suma de Vectores).

1.2 Magnitudes vectoriales y escalares.

Una magnitud escalar es aquella que solo posee módulo, como por ejemplo: el tiempo, el volumen, la masa, la densidad de los cuerpos, el trabajomecánico, la cantidad de dinero entre otras. Las magnitudes escalares se suman o restan a través de los métodos ordinarios del álgebra; por ejemplo:

2 s + 5 s = 7 s ("s" significa segundo).

A diferencia de las magnitudes escalares, las magnitudes vectoriales poseen dirección y sentido. Por ejemplo:

  • El desplazamiento: un avión que vuela una distancia de 160 km hacia el sur.
  • La velocidad: un barco que navega a 20 nudos hacia el este.

Una magnitud vectorial se representa por medio de una flecha a una cierta escala. La longitud de la flecha representa el módulo del vector. La línea sobre la que se encuentra es la dirección del vector y el sentido es indicado por la flecha (Figura 2).

Figura 2. Representación gráfica de un vector. La línea punteada es conocida como línea de acción del vector. Nótese que el vector siempre va acompañado de un "flecha" sobre la letra usada para representarlo.

1.3 Suma y resta de vectores.

Existen dos formas clásicas para realizar dichas operaciones: una analítica y una gráfica. A continuación se describe en forma sucinta cada una de ellas:

Suma y resta de vectores en forma geométrica

Para sumar más de dos vectores, se emplea la Regla del Polígono, no obstante, si la suma involucra dos vectores se aplica la Regla del Triángulo o la Regla del Paralelogramo.

Regla del Polígono

Consiste en dibujar a una escala adecuada los vectores que se desean adicionar conservando su módulo, dirección y sentido. Uniendo el origen del primero con el extremo del último, obtendrá el vector suma (Figura 3).

Regla del Triángulo

En realidad es un caso particular de la Regla del Polígono, y se aplica a la suma de dos vectores (Figura 4).

Figura 3. En la figura se observa la adición de los vectores A, B y C, por la Regla del Polígono. Es importante señalar que los vectores se representan en negritas o en su defecto con una flechita sobre la letra usada en la grafía.

Figura 4. En la figura se observa la adición de los vectores A y B, por la Regla del Triángulo.

Regla del Paralelogramo

Este método se usa cuando los vectores tienen el mismo punto de aplicación (o sea idéntico origen). Se traza una línea punteada paralela a cada vector, el punto de intercepción de dichas líneas se une con el origen y se tendrá el vector resultante (Figura 5).

No se debe olvidar conservar la escala a efecto de cuantificar el módulo del vector resultante, la dirección y sentido se determinan directamente sobre el gráfico. Como puede acusar, los métodos gráficos requieren de un juego de escuadras, un transportador y en la medida de las posibilidades una hoja milimetrada. No obstante, la exactitud de los métodos gráficos es sumamente baja, por lo que son inaplicables en la gran mayoría de los cálculos de ingeniería.

Figura 5. En la figura se observa la adición de los vectores A y B, por la Regla del Paralelogramo. Detalle como el origen de ambos vectores es el mismo.

Método del paralelogramo (Resta de vectores)

Es análogo a la adición, solo que este caso el sustraendo es un vector opuesto (Figura 6).

Figura 6. Se observan dos vectores A y B, si se desea obtener la diferencia entre A y B, se dibuja el vector A y seguido el vector opuesto de B; la intersección de las paralelas a ambos vectores con el origen común representa el vector diferencia.

Método del triángulo (Resta de vectores)

Es análogo a la adición, no obstante el vector resultante se traza desde la punta del vector sustraendo al vector minuendo (Figura 7).

Figura 7. Dos vectores A y B, la diferencia de ambos se obtiene dibujando el vector A y el vector B con un origen común, posteriormente se traza el vector resultante desde la punta del vector sustraendo a la punta del vector minuendo.

Suma y resta de vectores en forma analítica

Teorema del coseno

Este teorema es aplicado cuando interactúan dos vectores en el plano (los cuales, en nuestro caso serían fuerzas) y tienen como característica el hecho de presentar un origen común; se requiere conocer los módulos de los vectores, y el ángulo que forman entre si (Figura 8).

  • Caso uno. Suma de vectores.

(1)

Donde:

A: módulo del vector A

B: módulo del vector B

A + B: módulo del vector suma A + B

: ángulo en grado encerrado por los vectores A y B

Figura 8. Dos vectores A y B, ambos se suman por el método del paralelogramo.

  • Caso dos. Resta de vectores.

(2)

Donde:

A: módulo del vector A

B: módulo del vector B

A - B: módulo del vector resta A – B

: ángulo en grado encerrado por los vectores A y B

Método de las proyecciones (método de la descomposición rectangular)

Es el más popular en ingeniería. En él se determina la suma de las proyecciones en cada eje para aplicar luego el Teorema de Pitágoras a fin de determinar el módulo del vector suma, y la definición de la función tangente para la cuantificación del ángulo que forma dicho vector con el eje x positivo.

En general, lo más cómodo es descomponer un vector en sus proyecciones o componentes según dos direcciones ortogonales entre si cuando se trate de problemas en el plano, y en tres, si es en el espacio.

Ejemplo:

Figura 9. En la Figura se observa la coexistencia de los vectores A, B y C. El vector resultante se obtiene a través del Método de las Proyecciones; observe la manera en que se obtienen las proyecciones de cada vector: se descomponen rectangularmente, se halla la resultante en cada eje, se aplica el Teorema de Pitágoras y la función tangente.

Suma sobre el eje x: Ax + Cx – Bx = Sx

Suma sobre el eje y: Ay + By – Cy = Sy

Sx y Sy son las componentes del vector resultante y por ende, ortogonales entre si; tal condición permite aplicar el Teorema de Pitágoras para la determinación del módulo del vector resultante. De igual manera, la definición de la función tangente es usada para el establecer el sentido y la dirección del vector suma.

Método del teorema del seno

Este método se aplica en la resolución de sistemas de fuerzas donde coexisten un máximo de tres fuerzas no concurrentes, pero que actúan sobre un mismo cuerpo (Figura 10). Es muy útil al momento de determinar dirección y sentido de un vector, y suele emplearse en conjunción con el teorema del coseno.

(3)

Donde:

A, B, C: módulos de los vectores A, B y C.

: ángulo en frente del vector A.

: ángulo en frente del vector B.

: ángulo en frente del vector C.

Figura 10. En la Figura se observa la coexistencia de los vectores A, B y C. Los ángulos internos o cualquiera de los vectores pueden determinarse dado tres variables.

Suma y resta de vectores en forma analítica en el espacio

Para sumar o restar vectores en el espacio se debe conocer previamente las componentes de los vectores a lo largo de cada eje (Figura 11), seguido, se adiciona o restan las proyecciones; obteniéndose las componentes ortogonales del vector resultante.

Ejemplo:

Sea los vectores:

A = axi + ayj + azk (4)

B = bxi + byj + bzk (5)

Su suma se establece como:

A + B = (ax + bx)i + (ay + by)j + (az + bz)k (6)

La diferencia de ambos esta dada por:

AB = (ax - bx)i + (ay - by)j + (az - bz)k (7)

Las letras i, j y k reciben el nombre de vectores unitarios de dirección, pues son vectores cuya módulo vale uno, pero que poseen dirección y sentido. La letra i se asocia al eje x positivo, la letra j se asocia al eje y positivo y por último, la letra k se asocia al eje z positivo.

El vector unitario de un vector cualquiera puede obtenerse a través de la siguiente expresión:

(8)

O sea, se divide las componentes ortogonales del vector entre su módulo (algunos libros llaman al módulo, magnitud del vector). Si se suman los cuadrados de las componentes ortogonales de un vector unitario dará la unidad (uno). En términos generales cualquier vector se puede representar de la forma siguiente:

(9)

Donde:

ax: componente del vector a lo largo del eje x.

ay: componente del vector a lo largo del eje y.

az: componente del vector a lo largo del eje z.

Figura 11. En la Figura se observa un vector en el espacio. Los vectores ax, ay y az se conocen como componentes ortogonales del vector.

1.4 Multiplicación de vectores: producto escalar y producto vectorial.

Producto escalar

Es una cantidad escalar igual al producto de las magnitudes de dos vectores y el coseno del ángulo encerrados por ellos (Figura 12).

Algebraicamente, el producto vectorial esta dado por:

(10)

Algunas propiedades del producto vectorial son:

  • Propiedad conmutativa: A.B = B.A(11)
  • Propiedad distributiva: A.(B + C) = A.B + A.C (12)

Figura 12. El producto escalar de dos vectores se obtiene multiplicando sus magnitudes por el coseno del ángulo .

Si se conoce las componentes de los vectores:

A = Axi + Ayj + Azk (13)

B = Bxi + Byj + Bzk (14)

Nos queda...

C = A.B = Ax.Bx + Ay.By + Az.Bz(15)

Producto vectorial

Si tenemos dos vectores coplanares (que se encuentra en el mismo plano) A y B, el producto vectorial generará un vector C ortogonal al plano conformado por A y B, cuya magnitud esta dada por:

(16)

El sentido del vector C está determinado por el avance de un tornillo de cuerda derecha cuando se gira de A hacia B, a través del ángulo . Una regla más conveniente puede usarse para determinar la dirección de C, es la Regla de la Mano Derecha. Los cuatro dedos de la mano derecha apuntan a lo largo de A y luego se enrollan hacia B a través del ángulo . La dirección del pulgar derecho erecto es la dirección de C (Figura 13).

Figura 13. El producto vectorial de los vectores A y B genera un nuevo vector C ortogonal a los dos primeros.

Las propiedades del producto escalar son:

A x B = - (B x A) (17)

Si A es paralelo a B; A x B = 0 (18)

Si A es perpendicular a B; A x B = A.B(19)

Ley distributiva; A x (B x C) = A x B + A x C(20)

Cuando se conoce las componentes de los vectores, se usa la siguiente expresión:

(21)

En matemática la expresión antes mostrada se deriva del "Teorema del Cofactor".

1.5 Generalidades sobre fuerza.

Fuerza, en física, es cualquier acción o influencia que modifica el estado de reposo o de movimiento de un objeto. La fuerza que actúa sobre un objeto de masa m es igual a la variación del momento lineal (o cantidad de movimiento) de dicho objeto respecto del tiempo. En el Sistema Internacional de unidades, la fuerza se mide en newtons: 1 newton (N) es la fuerza que proporciona a un objeto de 1 kg de masa una aceleración de 1 m/s2.

La fuerza es una magnitud vectorial, puesto que el momento lineal lo es, y esto significa que tiene módulo, dirección y sentido. Al conjunto de fuerzas que actúan sobre un cuerpo se le llama sistema de fuerzas. Si las fuerzas tienen el mismo punto de aplicación se habla de fuerzas concurrentes. Si son paralelas y tienen distinto punto de aplicación se habla de fuerzas paralelas.

Cuando sobre un objeto actúan varias fuerzas, éstas se suman vectorialmente para dar lugar a una fuerza total o resultante. Si la fuerza resultante es nula, el objeto no se acelerará: seguirá parado o detenido o continuará moviéndose con velocidad constante. Esto quiere decir que todo cuerpo permanece en estado de reposo o de movimiento rectilíneo y uniforme mientras no actúe sobre él una fuerza resultante no nula (equilibrio de traslación).

Una fuerza es siempre una acción mutua que se ejerce entre dos objetos (fuerzas exteriores) o entre dos partes de un mismo objeto (fuerzas interiores). Así, un objeto experimenta una fuerza cuando otro objeto lo empuja o tira de él. Si una bola de billar golpea a otra que está en reposo y ambas se mueven después de chocar es porque existen fuerzas que actúan sobre cada una de las bolas, ya que las dos modifican sus movimientos. Por sí mismo, un objeto no puede experimentar ni ejercer ninguna fuerza.

Las fuerzas aparecen siempre entre los objetos en pares de acción y reacción iguales y opuestas, pero que nunca se pueden equilibrar entre sí puesto que actúan sobre objetos diferentes.

Esta acción mutua no siempre se ejerce entre dos objetos en contacto. En muchas ocasiones parece tener lugar "a distancia"; éste es el caso de un objeto atraído por la Tierra, y viceversa, con una fuerza que es el peso del objeto. Entonces se habla de campos de fuerzas, y en el caso concreto del objeto atraído por la Tierra se habla del campo gravitatorio terrestre; las cargas eléctricas se atraen o se repelen debido a la presencia de un campo eléctrico.

1.6 Momento de torsión de una fuerza.

El momento, en física, es una medida del efecto de rotación causado por una fuerza. Es igual a la magnitud de la fuerza multiplicada por la distancia al eje de rotación, medida perpendicularmente a la dirección de la fuerza. En vez de describir la dinámica de rotación en función de los momentos de las fuerzas, se puede hacer en función de pares de fuerzas.

Un par de fuerzas es un conjunto de dos fuerzas iguales y de sentido contrario aplicadas en puntos distintos. El momento del par de fuerzas o torque se representa por un vector perpendicular al plano del par, cuyo módulo es igual al producto de la intensidad común de las fuerzas por la distancia entre sus rectas soporte, y cuyo sentido está ligado al sentido de rotación del par por la "regla del sacacorchos o regla de la mano derecha".

En forma simple, el momento de una fuerza viene a ser el producto vectorial del radio vector de la fuerza por el vector de la fuerza generadora del momento (Figura 14).

(22)

Donde:

: momento asociado al vector fuerza, N.m

r: radio vector, m

F: vector fuerza, N

También puede expresarse como:

(23)

Figura 14. Una fuerza F actúa en un punto A de un cuerpo, ello hace que éste rote alrededor del punto "o", el cual recibe el nombre de centro instantáneo de rotación. La distancia más pequeña que existe entre "o" y la línea de acción del vector fuerza recibe el nombre de "brazo del vector fuerza"; r es conocido como radio vector de la fuerza, y es un vector cuyo origen se encuentra en "o" y extremo en el punto de aplicación de la fuerza.

1.7 Condiciones de equilibrio estático en un sistema mecánico.

El equilibrio de un sólido sometido a la acción de un sistema de fuerzas coplanarias (que pertenecen al mismo plano) no paralelas se puede reducir alestudio de dos sistemas de fuerzas paralelas, sin más que tener en cuenta las componentes horizontales y verticales por separadas. Las dos condiciones de equilibrio se expresan a continuación;

  • Equilibrio de traslación: la resultante o suma vectorial de todas las fuerzas aplicadas al cuerpo debe ser cero. Esto equivale a decir que la suma algebraica de las fuerzas o de sus componentes aplicadas a un cuerpo en una dirección cualquiera debe ser cero. Si se hace el análisis del sistema en función de un sistema referencial ortogonal entre si, ello equivale a:

(24)

La fuerza resultante a lo largo del eje x debe ser cero.

(25)

La fuerza resultante a lo largo del eje y debe ser cero.

(26)

La fuerza resultante a lo largo del eje z debe ser cero.

  • Equilibrio rotacional: la suma algebraica de los momentos de torsión de todas las fuerzas, con respecto a un eje cualquiera perpendicular al plano de las mismas debe ser cero. Si se hace el análisis del sistema en función de un sistema referencial ortogonal entre si, ello equivale a:

(27)

La sumatoria de los momentos alrededor del eje x debe ser cero.

(28)

La sumatoria de los momentos alrededor del eje y debe ser cero.

(29)

La sumatoria de los momentos alrededor del eje z debe ser cero.

1.8 Reacciones en puntos de apoyos.

Como se mencionó en el apartado 1.5 una fuerza es siempre una acción mutua que se ejerce entre dos objetos (fuerzas exteriores) o entre dos partes de un mismo objeto (fuerzas interiores). En tal sentido, al momento de estudiar sistemas estáticos debe tenerse especial cuidado al ubicar las reacciones sobre los apoyos (vigas simplemente apoyadas, articulaciones o sus equivalentes). En términos generales, si la superficie es perfectamente lisa la reacción se dibuja perpendicular al punto de apoyo; en caso contrario, el apoyo poseerá una reacción con dos componentes: una reacción vertical y otra horizontal, cuya suma vectorial genera la reacción total equivalente (Figura 15).

Figura 15. En una barra simplemente apoyada en dos elementos perfectamente lisos coexisten dos reacciones ortogonales a la superficie de contacto (arriba). Una articulación o bisagra posee generalmente dos reacciones: una vertical y otra horizontal, las cuales equilibran el sistema.

Al estudiar sistemas estáticos en el espacio, solo debe incluirse una componente adicional en la reacción (a lo largo del eje z).

El hecho de obtener reacciones negativas al determinar las fuerzas incógnitas de un sistema estático, conlleva a concluir que las reacciones poseen sentido opuestos al asignado; este principio se extrapola a cualquier fuerza con valor negativo (tensión, por ejemplo).

Se advierte que a nivel de los apoyos, además de las reacciones señaladas, se generan momentos o torques equilibrantes; no obstante, esta situación se aborda con mayor profundidad en mecánica racional y/o resistencia de materiales. Asimismo, a lo largo de este módulo se ignora las deformaciones mecánicas que experimentan las barras o cables tensores como consecuencia de las fuerzas de compresión o tracción actuantes.

1.9 Metodología para resolver sistemas isostáticos.

  1. Elabore un dibujo del objeto considerado
  2. Dibuje un diagrama de cuerpo libre y asigne una letra a todas las fuerzas externas que actúen sobre el objeto. Intente adivinar la dirección correcta de cada fuerza. Si usted elige una dirección que conduce a un signo negativo en su solución para una fuerza, no se alarme; esto simplemente se significa que la dirección de la fuerza es opuesta a la que usted eligió.
  3. Descomponga todas las fuerzas en componentes rectangulares, pero elija un sistema de coordenadas conveniente. Aplique después la primera condición de equilibrio. Recuerde conservar los signos de las diferentes componentes de fuerza.
  4. Elija un eje conveniente para calcular el momento de torsión neto sobre el objeto. Recuerde que la elección del origen para la ecuación de momento de torsión es arbitraria; por lo tanto, elija un origen que simplifique sus cálculos lo más posible. Volverse un adepto de lo anterior es muy práctico.
  5. La primera y la segunda condiciones de equilibrio brindan un conjunto de ecuaciones lineales con varias incógnitas. Todo lo que resta es resolver las ecuaciones simultáneas respectos de las incógnitas en función de las cantidades desconocidas.




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