Resistencia de Materiales. Esfuerzos combiandos

1. INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO
“SANTIAGO MARIÑO”
Ampliación Maracaibo
Plataforma SAIA
Materia: Resistencia de Materiales 2
ESFUERZOS COMBINADOS
Autor:
GOMEZ PEÑA, Robin
C.I.: 9.799.075
Maracaibo, Agosto de 2016

2. 1 Introducción
Hasta ahora nos hemos interesado en el cálculo de un sólo tipo .de esfuerzo. Por
ejemplo, con 𝜎 = 𝑃/𝐴 solamente se consideraron cargas axiales aplicadas a
través del centroide de la sección, con 𝜏 = 𝑇𝑐/𝐽 solamente cargas de torsión sobre
ejes de sección circular, y para 𝜎 = 𝑀𝑐/𝐼 solamente cargas aplicadas
perpendicularmente al eje transversal. Con estos métodos pueden resolverse una
amplia clase de problemas. Pero podemos ampliar esta clase combinando
adecuadamente estos tipos básicos de carga.
En la práctica frecuentemente se encuentran cargas que no concuerdan con las
condiciones bajo las cuales las teorías básicas son válidas. La Fig. 1 muestra varios
ejemplos de problemas de este tipo. Sin embargo, estos problemas pueden
resolverse mediante una combinación adecuada de los métodos ya estudiados. La
poderosa técnica de superposición se usa en la solución de todos los problemas
mostrados en la Fig. 1. En la sección A de este capítulo se discuten algunos de
estos problemas, que involucran la superposición de esfuerzos 𝑃/𝐴 y 𝑀𝑐/𝐼. Los
casos de esfuerzos normales y cortantes combinados, se .estudian en la Sección
B.
Figura 1
2 Cargas combinadas, axiales y de flexión
Considere la viga empotrada en un extremo y sujeta a una carga inclinada P, como
se muestra en la Fig. 2 (a). Esta carga no produce flexión ni carga axial solamente,
sino una combinación de las dos. Si se descompone esta fuerza en sus

3. componentes horizontal y vertical, como en la Fig. 2 (b) y (c), estas componentes
actúan en las direcciones que permiten aplicar la teoría de Esfuerzo y deformación;
y Esfuerzos en vigas. La fuerza axial PX (Fig. 2b) produce esfuerzos directos de
tensión 𝜎 = 𝑃/𝐴 en todas las fibras. La fuerza PY (Fig. 2c) produce esfuerzos de
flexión 𝜎 = 𝑀𝑐/𝐼. Como ambos esfuerzos ( 𝑃/𝐴 y 𝑀𝑐/𝐼) actúan para alargar o
acortar las fibras, pueden combinarse algebraicamente. El hecho de que ambas
cargas producen esfuerzos que tienen la misma línea de acción confirma que la
superposición de esfuerzos es válida. Los esfuerzos en cualquier fibra pueden
calcularse como:
𝜎 = ±
𝑃
𝐴
±
𝑀𝑐
𝐼
(1)
Los esfuerzos de tensión se consideran positivos, mientras que los esfuerzos de
compresión son negativos. Esta convención de signos nos ayuda a determinar la
naturaleza de los esfuerzos finales. El término c en el factor 𝑀𝑐/𝐼 puede
reemplazarse por la distancia general y a partir del eje neutro, si se requiere el
esfuerzo en un punto diferente al de las fibras extremas.
Los esfuerzos calculados mediante la ecuación (1) no son enteramente correctos.
La carga PY produce una deflexión (no mostrada) que, cuando se multiplica por la
fuerza axial PX, produce un pequeño momento secundario. En casos de tensión
axial y flexión, este momento secundario tiende a reducir el momento total, y por
consiguiente, puede despreciarse. Si la fuerza axial es de compresión, el momento
secundario incrementa el momento total, y el despreciar este término no resulta
conservativo. Sin embargo, en la mayoría de los problemas de esfuerzos
combinados, el efecto de este término es pequeño y puede despreciarse. En el caso
de vigas-columnas esbeltas, el efecto puede no ser despreciable.

4. Figura 2
EJEMPLO E.1 Calcular los esfuerzos máximos y localizar el eje neutro en la
viga en voladizo de 40 mm X 100 mm, indicada en la Fig. 3.
Figura 3
SOLUCION El esfuerzo máximo ocurrirá en el extremo empotrado, pues en
ese lugar el momento flexionante es máximo.
La carga de flexión de la Fig. 3 (c) producen esfuerzos de tensión en las fibras
superiores y esfuerzos de compresión en las fibras inferiores. La carga axial de la
Fig. 3 (b) produce esfuerzos de tensión en todas las fibras. Así,
𝜎𝑆𝑈𝑃.
= ±
𝑃
𝐴
±
𝑀𝑐
𝐼
= +
11520
(40𝑥10−3)(100𝑥10−3)
+
(3360)(360𝑥10−3
)(50𝑥10−3
)
1
12
(40𝑥10−3)(100𝑥10−3)
= +2.88 𝑀𝑃𝑎 + 18.14 𝑀𝑃𝑎
= +21.02 𝑀𝑃𝑎 ( 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛);
𝜎𝐼𝑁𝐹. = ±
𝑃
𝐴
±
𝑀𝑐
𝐼
= 2.88 − 18.14
= −15.26 𝑀𝑃𝑎 ( 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛).
La combinación de esfuerzos se indica gráficamente en la Fig. 4. El eje neutro es el
plano de esfuerzos nulos, y puede localizarse mediante la ecuación (1), o mediante
simple geometría. Usando la ecuación (1), tenemos:

5. 𝜎 = ±
𝑃
𝐴
±
𝑀𝑐
𝐼
,
0 = +2.88 −
(3360)(360𝑥10−3
)𝑦
1
12
(40𝑥10−3)(100𝑥10−3)5
0 = (2.88𝑥106 ) − (362.88𝑥106 ) 𝑦
𝑦 = 0.00794 𝑚 = 7.94 𝑚𝑚.
Figura 4
3 Cargas excéntricas
Cuando a un miembro se le aplica una carga axial, la carga debe coincidir con el eje
centroidal de éste para que sea válida la ecuación 𝜎 = 𝑃/𝐴. En algunos casos la
carga se aplica paralela al eje centroidal del miembro, pero a cierta distancia de él (
véase la Fig. 5b). Este tipo de carga se describe como excéntrica, siendo la
excentricidad e la distancia entre la carga y el eje centroidal. Para resolver este tipo
de problema, la carga excentrica se descom-pone en una fuerza que pasa por el
centroide de la sección y un par, como se muestra en la Fig. 5 (d) y (e). El
procedimiento para descomponer una fuerza en una fuerza y un par. Los esfuerzos
en cualquier punto pueden así calcularse usando nuevamente la ecuación (1) con
el momento 𝑀 = 𝑃𝑒.

6. Figura 5
EJEMPLO E.2 Determinar los esfuerzos en las fibras extremas del bloque
cargado excéntricamente, indicado en la Fig. 6.
Figura 6
SOLUCION La carga excéntrica se descompone en una fuerza que pasa por
el eje centroidal, y un par, como se indica en la Fig. 7 (c) y (d). Determinamos el
esfuerzo en los bordes ab y cd aplicando la ecacion (1):
𝜎 𝑎𝑏
= −
𝑃
𝐴
+
𝑀𝑐
𝐼
= −
(90000)
(80𝑥10−3)(300𝑥10−3)
+
(90000)(60𝑥10−3
)(150𝑥10−3
)
1
12
(80𝑥10−3)(300𝑥10−3)5
= −3.75 + 4.5 + 0.75 𝑀𝑃𝑎 ( 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛);
𝜎 𝑎𝑏 = −
𝑃
𝐴
+
𝑀𝑐
𝐼
= −3.75 − 4.5 = −8.25 𝑀𝑃𝑎 ( 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛).
4 Cargas axiales excéntricas con respecto a dos ejes
Las cargas excéntricas descritas anteriormente eran excéntricas con respecto
solamente a un eje; es decir, la carga estaba aplicada a lo largo de uno de los ejes
principales. Si la carga no se aplica a lo largo de ninguno de los ejes principales,
como en la Fig. 7 el problema se resuelve por el mismo procedimiento básico; es
decir, la fuerza excéntrica se descompone en una fuerza axial que pasa por el
centroide y un par, como se muestra en la Fig. 7 (b). Sin embargo, el par no actúa

7. a lo largo de un eje principal, y a su vez debe descomponerse en los pares
𝑀 𝑋 = 𝑃𝑒 𝑌 y 𝑀 𝑌 = 𝑃𝑒 𝑋.
El esfuerzo en cualquier punto es la suma de los esfuerzos debidos a las tres
cantidades P, MX, y MY, y se expresa algebraicamente como:
𝜎 = ±
𝑃
𝐴
±
𝑀𝑥𝑦
𝐼𝑥
±
𝑀𝑦𝑥
𝐼𝑦
(1)
Figura 7
Hay casos de diseño donde es indeseable que se presenten esfuerzos de tensión.
Los muros de mampostería y las zapatas de concreto reforzado, por ejemplo,
pueden fallar bajo la acción de cargas excéntricas cuando el momento de
volcamiento hace que gran parte de la sección transversal esté sujeta a tensión.
El núcleo central de una sección es aquella área dentro de la cual debe actuar la
fuerza resultante para evitar esfuerzos de tensión en cualquier fibra. Los límites del
núcleo central pueden determinarse generando tina ecuación para cada uno de sus
lados, usando la ecuación (2). La forma del núcleo central será un polígono con
tantos lados como esquinas tenga la sección transversal. Así, como se ilustra en la
Fig. 8, el núcleo central de un rectángulo tiene cuatro lados, el núcleo central de una
sección ángulo tiene cinco lados, y el núcleo central de un círculo tiene un número
infinito de lados.

8. Figura 8
5 Determinación del esfuerzo máximo
Ya se hanla ilustrado varios ejemplos de esfuerzos combinados por superposición.
La Fig. 9 muestra un problema de este tipo. El esfuerzo en cualquier punto, tal como
el punto A, se calcula mediante 𝜎 = ±𝑃/𝐴 ± 𝑀𝑦/𝐼.
Cuando se dice que se calcula el esfuerzo en un punto, la palabra “punto"
generalmente se usa con la intención de significar un cubo muy pequeño de material
cortado mediante secciones planas, como se muestra en la Fig. 9 (a) y (b). El cubo
se considera tan pequeño que podemos suponer que los esfuerzos sobre las caras
están uniformemente distribuidos y no cambian significativamente de una cara a la
otra. Los métodos de superposición descritos en la sección A fueron válidos en
problemas tales como el de la Fig. 9, debido a que los esfuerzos, como se indica
sobre el bloque de esfuerzos de la Fig. 9 (b), tenían la misma línea de acción y por
lo tanto podían superponerse. Sin embar-go, si se considera un eje sujeto a un par
y a una fuerza axial (Fig. 10), vemos que la fuerza axial produce esfuerzos normales
𝜎 = 𝑃/𝐴 en cada punto, y el par produce esfuerzos cortantes 𝜏 = 𝑇 𝜌/𝐽. Estos
esfuerzos se muestran sobre los cubos elementales de la Fig. 10 (b) y (d). Nótese
que los esfuerzos cortante y normal no tienen la misma línea de acción. Por
consiguiente, la suma algebraica de los esfuerzos (por superposición no es válida

9. aquí. Se necesitan diferentes técnicas de adición para determinar los esfuerzos
máximos que ocurren a partir de combinaciones de este tipo.
Esta sección explica los procedimientos para combinar estos esfuerzos. Los
métodos de solución, son relativamente fáciles de aplicar, y proporcionan
soluciones rápidas a problemas difíciles. Sin embargo, la presentación del material
básico, necesariamente requiere la solución de unos cuantos problemas laboriosos
para asegurar que las técnicas fundamentales están completamente entendidas.
Figura 9
Figura 10

10. 6 Esfuerzos sobre planos oblicuos
Si una barra, tal como la mostrada en la Fig. 11 (a), se corta a lo largo de una sección
que no es perpendicular a su eje, existirán esfuerzos sobre la superficie del corte
para mantener en equilibrio el cuerpo libre resultante. Como hay la posibilidad de
que existan tanto esfuerzos normales como cortantes, ambos se muestran en la
sección Fig. 11 (b). El problema consiste en determinar la magnitud de estos
esfuerzos que actúan sobre la sección oblicua.
Antes de investigar los esfuerzos en un punto situado sobre la sección oblicua mn
de la Fig. 11, consideremos los esfuerzos que actúan sobre las caras del bloque
elemental de esfuerzos abcd. En este caso, calculamos los esfuerzos normales y
los esfuerzos cortantes a partir de 𝜎 = 𝑃/𝐴 y 𝜏 = 𝑇 𝜌/𝐽. Debemos conocer la
magnitud de estos esfuerzos antes de que se puedan determinar los esfuerzos
sobre los planos oblicuos.
Supongamos que el bloque abcd se localiza en una posicióntal que el plano oblicuo
mn pasará a través de la arista en a, como se indica en la Fig. 11 (a) y ( c). Se
deben determinar los esfuerzos normal y cortante 𝜎 y 𝜏 sobre la superficie inclinada
del bloque. Esto se hace aislando un cuerpo libre de la cuña ( Fig. 11 d) Esta cuña
se mantiene en equilibrio mediante las fuerzas que actúan sobre sus superficies.
Debido a que la cuña es de tamaño infinitesimal, se considera que estas fuerzas
actúan en un solo punto, y solamente se usan las ecuaciones de equilibrio.
∑ 𝐹𝑥 = 0 𝑦 ∑ 𝐹𝑦 = 0
Figura 11
No actúa ningún par sobre la cuña.

11. Aunque debemos determinar los esfuerzos que actúan sobre la superficie, las
ecuaciones de equilibrio se aplican solamente a las fuerzas que actúan sobre el
cuerpo libre. Los esfuerzos no solamente tienen magnitud y dirección, sino que
también dependen del área sobre la cual actúan. Podemos convertir un esfuerzo en
su fuerza correspondiente multipicándolo por el área sobre la cual actúa. Es muy
importante recordar que se considera que los esfuerzos que se están calculando
actúan en un punto particular sobre la superficie inclinada; no son los mismos sobre
toda la sección inclinada. Por ahora no nos importa si estos esfuerzos son o no
máximos. Estamos interesados solamente en la magnitud y dirección de estos
esfuerzos y en el método para calcularlos. Los esfuerzos máximos se calcularán en
secciones posteriores.
7 Determinación de esfuerzos sobre una sección oblicua
El método básico para calcular los esfuerzos normal y cortante sobre una sección
oblicua a través de un cuerpo es la técnica llamada de cuerpo libre. El ejemplo E.3
ilustra este procedimiento.
EJEMPLO E.3 Determinar los esfuerzos en el punto A sobre una sección
oblicua cortada según un ángulo de 60° con respecto al eje del miembro mostrado
en la Fig. 12. El punto A es un pequeño cubo sobre la superficie exterior de un eje
de 2 plg de diámetro.
Figura 12
SOLUCION El esfuerzo normal sobre las caras verticales ab y cd del punto
A se calcula como:
𝜎 =
𝑃
𝐴
=
15000
( 𝜋/4)(2)2
= 4800 𝑙𝑏/𝑝𝑙𝑔2

12. El esfuerzo cortante sobre la superficie es:
𝜏 =
𝑇𝑐
𝐽
=
5000(1)
( 𝜋/32)(2)4
= 3200 𝑙𝑏/𝑝𝑙𝑔2
Estos esfuerzos se muestran sobre el cubo elemental de la. Fig. 12 (e).
La sección a 60° con respecto al eje pasa a través de la arista superior a. del cubo.
Los esfuerzos 𝜎 y 𝜏′
, mostrados sobre la cara inclinada de la cuita resultante de la
Fig. 12 (d), son las cantidades que se deben calcular. La determinación de estos
esfuerzos se hace mediante un análisis estático de las fuerzas sobre la cuña.
Primero los esfuerzos deben convertirse en fuerzas. Para hacer esto, multiplicamos
los esfuerzos por las áreas: sobre las que actúan. Es más conveniente considerar
el área de la superficie inclinada de la cuña como dA, y las superficies de los otros
dos lados como las fracciones correspondientes de dA. La Fig. 13 (a) y (b), muestra
el área de la superficie, ae como dA, y las áreas de ab y be como dA sen 60° y dA
cos 60°, respectivamente. Los esfuerzos que actúan sobre estas áreas deben
convertirse en las fuerzas correspondientes. Los resultados, que se dan en la Fig.
13 (e), se calculan a continuación.
Figura 13

13. Superficie ae:
𝑃 𝑁
′
= 𝜏′
𝑑𝐴 𝑃 𝑁
′
= 𝜏′
𝑑𝐴
Superficie ab:
𝐹1 = 𝜎𝐴 = 4800(0.866 𝑑𝐴) 𝐹1 = 4160 𝑑𝐴
𝐹2 = 𝜏𝐴 = 3200(0.866 𝑑𝐴) 𝐹2 = 2760 𝑑𝐴
Superficie be:
𝐹3 = 𝜏𝐴 = 3200(0.500 𝑑𝐴) 𝐹3 = 1600 𝑑𝐴
Se considera que las fuerzas mostradas en la Fig. 13 (c) son concurrentes pues la
cuña es de tamaño infinitesimal. Solamente es necesario resolver las ecuaciones
de equilibrio, ∑ 𝐹 𝑋 = 0 y ∑ 𝐹𝑌 = 0para conocer las dos incógnitas 𝜎′
y 𝜏′
. Cuando
se aplican estas ecuaciones, todas las fuerzas mostradas en la Fig. 13 (c) pueden
descomponerse en sus componentes horizontal y vertical. Aunque este es un
tratamiento válido, las incógnitas 𝜎′
y 𝜏′
aparecen en ambas ecuaciones, y por
consiguiente es necesaria la solución de ecuaciones simultáneas.
Un enfoque más conveniente, consiste en descomponer todas las fuerzas en sus
componentes paralelos y perpendiculares a la superficie inclinada de la cuña, como
se muestra en la Fig. 13 (d) y (e). Después sumamos las fuerzas en estas dos
direcciones y así se evita la necesidad de resolver ecuaciones simultáneas.
A continuación se calculan las componentes de F1, F2 y F3 en las direcciones
paralela y perpendicular a la superficie inclinada, usando las fuerzas mostradas en
la Fig. 13 (d). Los resultados se muestran en la Fig. 13 (e).
Fuerza F1:
𝐹1∥ = 𝐹1 cos 60° = 4160 𝑑𝐴(0.500) = 2080 𝑑𝐴
𝐹1⊥ = 𝐹1 sin 60° = 4160 𝑑𝐴(0.866) = 2080 𝑑𝐴

14. Fuerza F2:
𝐹2∥ = 𝐹2 cos 30° = 2760 𝑑𝐴(0.866) = 2390 𝑑𝐴
𝐹2⊥ = 𝐹2 sin30° = 2760 𝑑𝐴(0.500) = 1380 𝑑𝐴
Fuerza F3:
𝐹3∥ = 𝐹3 cos 60° = 1600 𝑑𝐴(0.500) = 800 𝑑𝐴
𝐹3⊥ = 𝐹3 sin60° = 1600 𝑑𝐴(0.866) = 1380 𝑑𝐴
Aplicando las ecuaciones de estática al cuerpo libre de la Fig. 13 (e), tenemos:
∑ 𝐹⊥ = 0 ∶ 𝜎′
𝑑𝐴 − 3600 𝑑𝐴 − 1380 𝑑𝐴 − 1380 𝑑𝐴 = 0
𝜎′
𝑑𝐴 = +6360 𝑑𝐴 (a)
∑ 𝐹∥ = 0 ∶ 𝜏′
𝑑𝐴 − 2390 𝑑𝐴 + 2080 𝑑𝐴 + 800 𝑑𝐴 = 0
𝜏′
𝑑𝐴 = −490 𝑑𝐴 (b)
Se determinan los esfuerzos dividendo las fuerzas dadas por las ecuaciones (a) y
(b) por el área dA. Los esfuerzos son, entonces:
𝜎′
= +6360 𝑙𝑏/𝑝𝑙𝑔2
𝜏′
= −490 𝑙𝑏/𝑝𝑙𝑔2
El signo “más” para el esfuerzo normal significa que el sentido supuesto del esfuerzo
normal desconocido de la Fig. 13 era el sentido correcto. El signo “menos” para el
esfuerzo cortante significa que en la Fig. 13, el sentido supuesto estaba incorrecto.
El esfuerzo cortante realmente actúa hacia abajo del plano, en vez de hacia arriba,
como se indica.

15. 8 Fórmulas generales para el esfuerzo en un punto
El método anterior para calcular esfuerzos además de requerir de mucho tiempo,
solamente determina los esfuerzos a un ángulo particular de inclinación. Sin
embargo, se pueden deducir fórmulas generales para los esfuerzos normal y
cortante en un punto sobre un plano de cualquier inclinación deseada.
Para obtener fórmulas que sean suficientemente generales para resolver todas las
combinaciones posibles de esfuerzo plano, se deducirán las fórmulas para los
esfuerzos mostrados sobre el cubo elemental de la Fig. 14 (a). La cuña mostrada
en la Fig. 14 (b) muestra las fuerzas que actúan sobre las superficies. Nuestra tarea
consiste en deducir ecuaciones para 𝜎′
y 𝜏′
escribiendo las ecuaciones de
equilibrio para el cuerpo libre. Para poder sumar las fuerzas paralelas y
perpendiculares a la superficie inclinada, se deben descomponer las fuerzas
mostradas en la Fig. 14 (b) en sus componentes según esas direcciones. Estas
componentes se muestran en la Fig. 14 (c).
A partir del diagrama de cuerpo libre de la Fig. 14 (d), se tiene:
∑ 𝐹⊥ = 0: 𝜎′
𝑑𝐴 + 𝜏𝑑𝐴 sin 𝜃 cos 𝜃 + 𝜏 𝑑𝐴 sin 𝜃 cos 𝜃
−𝜎 𝑋 𝑑𝐴cos2
𝜃 − 𝜎 𝑌 𝑑𝐴sin2
𝜃 = 0
𝜎′
= 𝜎 𝑋 cos2
𝜃 + 𝜎 𝑌 sin2
𝜃 − 2𝜏 sin 𝜃 cos 𝜃 (a)
Para obtener una expresión mas útil, sustitúyanse las identidades trigonométricas:
cos2
𝜃 =
1
2
(1 + cos 2𝜃) sin2
𝜃 =
1
2
(1 − cos 2𝜃)
sin 𝜃 cos 𝜃 =
1
2
sin 2𝜃

16. Figura 14
en la ecuacion (a). Haciendo estas sustituciones y simplificando la expresión
resultante se llega a:
𝜎′
=
𝜎 𝑋 + 𝜎 𝑌
2
+
𝜎 𝑋 − 𝜎 𝑌
2
cos 2𝜃 − 𝜏 sin 2𝜃 (3)
Análogamente, las fuerzas paralelas al plano inclinado pueden sumarse, como se
indica a continuación:
∑ 𝐹∥ = 0: 𝜏′
𝑑𝐴 − 𝜎 𝑋 𝑑𝐴sin 𝜃 cos 𝜃 + 𝜏 𝑑𝐴 cos2
𝜃 + 𝜏 𝑑𝐴 sin2
𝜃
+ 𝜎 𝑌 𝑑𝐴sin 𝜃 cos 𝜃 = 0
𝜏′
= ( 𝜎 𝑋 − 𝜎 𝑌
)(sin 𝜃 cos 𝜃) + 𝜏(cos2
𝜃 − sin2
𝜃) (b)

17. Nuevamente, haciendo las mismas sustituciones trigonométricas y simplificando la
expresión resultante, tenemos:
𝜏′
=
𝜎 𝑋 − 𝜎 𝑌
2
sin 2𝜃 + 𝜏 cos 2𝜃 (4)
Usamos las ecuaciones (3) y (4) para calcular los esfuerzos normal y cortante según
cualquier ángulo de inclinación. Sin embargo, se debe adoptar una convención de
signos de manera que el signo algebraico de la respuesta indique la clase de
esfuerzo presente en la sección. La convención de signos para las ecuaciones (3)
y (4) considera los esfuerzos de tensión como positivos y los esfuerzos. de
compresión corno negativos. Los esfuerzos cortantes en los sentidos mostrados en
la Fig. 14 (a) se considera que son positivos.
De acuerdo con esta convención, un valor positivo del esfuerzo normal indica que
el esfuerzo es de tensión, como se indica mediante el sentido de 𝜎′
en la
Fig. 14 (b), y un resultado positivo para el esfuerzo cortante indica que 𝜏′
tiene el
sentido mostrado en la Fig. 14 (b).
9 Esfuerzos principales
Los esfuerzos en un punto situado sobre un plano inclinado según un ángulo 𝜃 se
pueden calcular a partir de las ecuaciones (3) y (4). Sin embargo, no se sabe si los
esfuerzos calculados mediante estas ecuaciones para cualquier ángulo particular
son los esfuerzos Máximos o mínimos posibles. Los esfuerzos máximos y mínimos
en un punto se llaman los esfuerzos principales, y es importante para el proyectista
poder calcular estos esfuerzos principales.

18. Figura 15
Un método para obtener los esfuerzos principales para un problema dado, es
representar gráficamente los valores del esfuerzo a partir de la ecuación (3), con los
valores correspondientes de 𝜃. Si esto se hace, se obtendrá una gráfica semejante
a la mostrada en la Fig. 15. Las coordenadas de los esfuerzos principales en A y B
podrían entonces obtenerse gráficamente. Sin embargo, este método es muy
laborioso y debe repetirse para cada combinación numérica de esfuerzos que surja.
Por consiguiente, es más conveniente obtener fórmulas generales para los
esfuerzos principales.
La pendiente de la gráfica de una ecuación en cualquier punto es la pendiente de la
tangente a la curva en ese punto, que es la primera derivada de la ecuación de la
curva. Para la ecuación (3), la primera derivada es 𝑑𝜎′
/𝑑𝜃. En la Fig. 15 se ve que
la pendiente de la curva en él punto donde se presenta el esfuerzo principal es cero
(horizontal). Por consiguiente, se obtiene una ecuación general para los esfuerzos
principales resolviendo un problema de máximos y mínimos, tal corno el descrito
anteriormente. Esto es, se deriva la ecuación (3) y se iguala la derivada a cero. Los
valores de 𝜃 para esa pendiente (cero) serán los valores de 𝜃 correspondientes a
los esfuerzos principales.

19. 𝜎′
=
𝜎 𝑋 + 𝜎 𝑌
2
+
𝜎 𝑋 − 𝜎 𝑌
2
cos 2𝜃 − 𝜏 sin 2𝜃 (3)
𝑑𝜎′
𝑑𝜃
= −( 𝜎 𝑋 − 𝜎 𝑌
) sin 2𝜃 − 2𝜏 cos 2𝜃 = 0
Resolviendo esta expresión, obtenemos
tan 2𝜃 = −
2𝜏
𝜎 𝑋 − 𝜎 𝑌
(5)
La ecuación (5) da dos valores de 2 𝜃 (con diferencia de 180°), correspondientes a
los puntos A y B de la Fig. 15. Esto significa que las superficies oblicuas sobre las
cuales ocurren los esfuerzos principales máximo y mínimo, se localizan con una
diferencia en 𝜃 de 90°.
Si se sustituyen los valores de 2 𝜃 de la ecuación (5) en la ecuación (3), se obtiene
una fórmula para los esfuerzos normales principales. Los resultados finales (se
omiten los pasos algebraicos intermedios) para los esfuerzos principales se dan
mediante las ecuaciones (6) y (7):
𝜎 𝑚á𝑥 = (
𝜎 𝑋 + 𝜎 𝑌
2
) + √(
𝜎 𝑋 − 𝜎 𝑌
2
)
2
+ ( 𝜏)2 (6)
𝜎 𝑚í𝑛 = (
𝜎 𝑋 + 𝜎 𝑌
2
) + √(
𝜎 𝑋 − 𝜎 𝑌
2
) + ( 𝜏)2 (7)
EJEMPLO E.4 Determinar los esfuerzos principales en el eje de acero
mostrado en la fig. 16. El eje tiene un diámetro de 80 mm. Las poleas pesan
1000 N cada una, y las tensiones en las bandas se muestran en la figura. Las
chumaceras en los extremos permiten rotación suficiente de modo que los apoyos
extremos pueden considerarse como articulados. Despréciese el peso del eje.

20. Figura 16
SOLUCION El eje está sujeto tanto a esfuerzos de flexión como de torsión.
Los esfuerzos flexionantes 𝜎 = 𝑀𝑐/𝐼 son máximos en las fibras de la parte
superior e inferior del eje. Los esfuerzos de torsión 𝜏 = 𝑇𝑐/𝐽 son máximos en las
fibras del anillo exterior extremo. Esto significa que los valores máximos de 𝜎 y 𝜏
ocurren simultáneamente en los puntos a y b de la sección transversal mostrada en
la Fig. 16 (b). Los bloques de esfuerzos correspondientes a esos puntos se
muestran en la Fig. 16 (e).
Los esfuerzos flexionantes en a y b se pueden calcular así:
𝜎 =
𝑀𝑐
𝐼
=
(2100)(40𝑥10−3)
( 𝜋/32)(80𝑥10−3)4
= 41.78 𝑀𝑃𝑎
𝜏 =
𝑇𝑐
𝐽
=
(2400𝑥400𝑥10−3)(40𝑥10−3)
( 𝜋/32)(80𝑥10−3)4
= 9.55 𝑀𝑃𝑎

21. Las ecuaciones (6) y (7) pueden aplicarse tanto al bloque a como al b.
Los resultados serán numéricamente iguales, pero de signos contrarios.
Consideremos los esfuerzos sobre el punto a:
𝜎 𝑚á𝑥
𝑚í𝑛
= (
𝜎 𝑋 + 𝜎 𝑌
2
) ± √(
𝜎 𝑋 − 𝜎 𝑌
2
)
2
+ ( 𝜏)2
𝜎 𝑚á𝑥 =
−41.78 + 0
2
+ √(
−41.78 − 0
2
)
2
+ (9.55)2
𝜎 𝑚á𝑥 = −20.89 + 22.97 = +2.08 𝑀𝑃𝑎
𝜎 𝑚í𝑛 = −20.89 − 22.97 = 43.86 𝑀𝑃𝑎
10 Esfuerzos cortantes máximos
En la sección 9 se dio un procedimiento para determinar el ángulo para el cual
ocurren los esfuerzos normales máximos. El ángulo de inclinación para el cual
ocurren los esfuerzos cortantes máximos se determina de la misma manera, es
decir, se deriva la ecuación general para el esfuerzo cortante en un punto
(ecuación 4), y la derivada se iguala a cero. La solución de la ecuación que resulta
dá los ángulos para los cuales ocurren los esfuerzos cortantes máximos y mínimo,
Así:
𝜏′
=
𝜎 𝑋 − 𝜎 𝑌
2
sin 2𝜃 + 𝜏 cos 2𝜃 (4)
𝑑𝜏
𝑑𝜃
= ( 𝜎 𝑋 − 𝜎 𝑌
)cos 2𝜃 − 2𝜏 sin 2𝜃 = 0
Resolviendo la ecuación, tenemos
tan 2𝜃 =
𝜎 𝑋 − 𝜎 𝑌
2𝜏
(8)

22. La ecuación (8) da dos valores de 2𝜃, que tienen una diferencia de 180°. Esto
significa que las secciones planas sobre las que ocurren los esfuerzos cortantes
difieren en un ángulo, 𝜃 = 90°. Como la ecuación (8) es la reciproca negativa de,
la ecuación (5), los valores correspondientes de 2𝜃 difieren en 90°, y los valores
correspondientes de 𝜃 difieren en 45°. Se discutirán estos enunciados en forma más
completa en la sección 11.
Si los valores de 2𝜃, obtenidos a partir de la ecuación (8) se sustituyen en la
ecuación (4), se obtiene una fórmula para los esfuerzos cortantes máximos.
Nuevamente, omitiendo los pasos algebraicos involucrados, se llega al resultado:
𝜏 𝑚á𝑥 = √(
𝜎 𝑋 − 𝜎 𝑌
2
)
2
+ ( 𝜏)2 (9)
11 Círculo de Mohr
Las ecuaciones presentadas en las secciones 9 y 10 pueden usarse para determinar
los esfuerzos principales normal y cortante, en un punto. Sin embargo, este no es
el método más fácil o más conveniente para calcular estos valores. Un enfoque
mejor consiste en usar la solución semigráfica (ideada por el profesor Otto Mohr, en
Alemania alrededor de 1882), que representa gráficamente las fórmulas dadas en
las secciones anteriores de este capítulo.
Las ecuaciones (3) y (4) representan la ecuación de un círculo en forma
paramétrica. Cuando se traza un par de ejes coordenados y se sitúan los valores
de 𝜎′
y 𝜏′
que corresponden a un valor de 𝜎, las coordenadas corresponderán a un
punto que queda situado sobre la circunferencia de un círculo. Esta propiedad de
las ecuaciones hace mucho más fácil resolver problemas que combinen esfuerzos
normales y cortantes. Para construir un círculo de Mohr que sirva en la solución de
problemas, se usa el siguiente procedimiento. (Véase la Fig. 17):

23. 1. Se traza un par de ejes coordenados tomando a 𝜎 como eje de las abscisas y a
𝜏 como eje de las ordenadas.
2. Se trazan los valores de 𝜏 y 𝜎 correspondientes a dos superficies mutuamente
perpendiculares del cubo elemental, tales como las caras cd y ac de la Fig. 17 (a),
obteniendo dos puntos en la periferia del círculo. De acuerdo con la convención de
signos, los esfueitos de tensión son positivos y los esfuerzos de compresión,
negativos. Los esfuerzos cortantes que tienden a hacer girar al bloque en sentido
de las manecillas del reloj, tales como los de las caras ab y cd, se consideran
positivos, mientras que los esfuerzos cortantes que tienden a hacer girar el bloque
en el sentido contrario al de las manecillas del reloj, tales como los de las caras ac
y bd, se consideran negativos. En el circulo de la Fig. 17 (b), el punto V con
coordenadas (+ 𝜎 𝑥 ,+ 𝜏), y el punto H con coordenadas (+ 𝜎 𝑌 ,− 𝜏) son los
puntos que se trazan.
3. Se traza la línea recta HCV que une estos dos puntos. Esta recta es el diámetro
del circulo cuyo centro es el punto C.
4. Se completa el círculo tomando como centro al punto C y como radio CV.
Figura 17

24. Las coordenadas de cualquier punto sobré la circunferencia de este círculo
representan los esfuerzos normal y cortante correspondientes sobre un plano
oblicuo inclinado según un ángulo igual a la mitad del mostrado sobre el circulo de
Mohr. Se ve que los, esfuerzos principales corresponden a los puntos A y B sobre
el círculo, y el esfuerzo cortante máximo es la longitud del radio del círculo. El uso
del círculo de Mohr es un método rápido conveniente para calcular cantidades tales
como esfuerzos principales, esfuerzos cortantes máximos y ángulos de inclinación
de los planos sobre los que éstos esfuerzos ocurren. El esquema puede hacerse a
mano libre, pues estamos prinipalmente interesados en las coordenadas del punto
C y el radio del círculo, que se determina mediante el uso del teorema de Pitágoras
aplicado al triángulo CFV de la Fig. 17 (b).