Apuntes de Mecánica de Materiales – Criterios de diseño-
Enviado por ferromgo • 9 de Mayo de 2022 • Examen • 1.516 Palabras (7 Páginas) • 97 Visitas
Apuntes de Mecánica de Materiales – Criterios de diseño-
Diana Guzmán
FALLAS Y LÍMITES EN EL DISEÑO[1]
Al diseñar un sistema estructural para que realice una función dada, el diseñador debe tener un claro entendimiento de los posibles modos en los cuales el sistema puede fallar al realizar dicha función.
El diseñador debe determinar los posibles modos de falla del sistema y establecer los criterios de falla adecuados que predigan con más precisión los modos de falla.
En general, la determinación de los modos de falla requiere un amplio conocimiento de la respuesta de un sistema estructural a las cargas. En particular, esto requiere de un análisis de esfuerzos completo del sistema.
Dado que la respuesta de un sistema estructural depende en gran parte del material usado en él, entonces también el modo de falla. A su vez, el modo de falla de un material dado depende de la historia de carga, tal como el número de ciclos de carga aplicados a una temperatura en particular.
En consecuencia, un criterio de falla adecuado debe representar diferentes materiales, diferentes historias de carga así como factores que influyan en la distribución de esfuerzos en el miembro.
El parámetro crítico que señala el inicio de la falla puede ser el esfuerzo, la deformación, el desplazamiento, la carga, el número de ciclos de carga o una combinación de éstos.
Los límites en el diseño se pueden presentar utilizando factores de seguridad o conceptos basados en la confiabilidad que proporcionen una medida de la seguridad contra la falla.
Históricamente, los límites en el diseño de un sistema se han establecido usando un factor de seguridad, SF es cual puede ser definido como
[pic 1] (1)
en donde [pic 2] es la resistencia nominal (el parámetro crítico relacionado con la falla) y [pic 3] es la magnitud de trabajo segura del mismo parámetro.
Generalmente la magnitud de [pic 4] está basada en teorías y observación experimental.
El factor de seguridad debe representar incógnitas, incluyendo la variabilidad de las cargas, las diferencias en las propiedades del material, las desviaciones de la geometría propuesta y nuestra habilidad para predecir el parámetro crítico.
Generalmente se emplea una desigualdad de diseño para relacionar los efectos de las cargas con la resistencia, la cual se puede expresar como
[pic 5] (2)
en donde cada [pic 6] representa el efecto de una carga de trabajo en particular (o de nivel de servicio), tal como una presión interna o un cambio de temperatura y N denota el número de tipos de carga considerados.
Más recientemente se han desarrollado filosofías de diseño basadas en conceptos de confiabilidad, reconociéndose que un simple factor de seguridad es inadecuado para considerar todas las incógnitas mencionadas arriba.
Más aún, cada uno de los tipos de carga en particular exhibe su propia variabilidad estadística. Consecuentemente, se aplican factores de carga y resistencia apropiados a ambos lados de la desigualdad de diseño, la cual se puede reformular como
[pic 7] (3)
en donde [pic 8] son los factores de carga para los efectos de las cargas [pic 9] y [pic 10] es el factor de resistencia para la capacidad nominal [pic 11].
La variación estadística de las cargas individuales está representada por [pic 12] mientras que la variabilidad en la resistencia (asociada con las propiedades del material, la geometría y los procedimientos de análisis) está representada por [pic 13].
El uso de este enfoque se conoce como diseño por estados límite.
Un estado límite es una condición en la cual un sistema, o componente cesa de cumplir la función para la que estaba pensada.
Ejemplo 1
Una barra de acero es usada como arrostramiento a tensión en una estructura. La estructura está sujeta a carga muerta, carga viva y nieve. El efecto de cada una de las cargas individuales en la barra a tensión es [pic 14] respectivamente. Seleccione una barra circular (redondo) apropiado para soportar estas cargas en forma segura. Use acero con una resistencia a la fluencia de 250 MPa. Haga la selección usando (a) diseño por factores de seguridad y (b) diseño por estados límite,
Nota:
En la figura 1 se muestra una gráfica idealizada de la curva esfuerzo - deformación del acero a carga uniaxial; en donde es posible distinguir tres fases del comportamiento de éste, las cuales se discutirán en otro capítulo, a saber: zona elástica, zona plástica y zona de endurecimiento.
El esfuerzo de fluencia [pic 15] es el punto (hipotético) en el cual cesa el comportamiento elástico lineal del material (zona elástica) y se inicia la fluencia de éste, es decir que el material sufre una gran deformación sin que haya un incremento en la magnitud del esfuerzo (zona plástica).
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