AA.VV. - Reinvenciรณn de la metrรณpoli: 1920-1940 [2024].pdf
ย
AnalisisEstructural12345678900000000.pdf
1. UNIDAD 2: MรTODO DE CROSS
MรTODO DE DOBLE INTEGRACIรN
Sea una viga en voladizo que soporta una carga puntual
en un extremo. Se observarรก que esta viga,
originalmente recta, adopta una forma curva cuya
ecuaciรณn depende de ๐:
A la curva deformada que representa a la viga se le
llama la โelรกsticaโ y es la grรกfica de una funciรณn ๐ =
๐(๐).
De este รบltimo grรกfico observamos que
๐ฝ โ tan ๐ฝ =
๐ ๐
๐ ๐
= ๐!
. (๐)
2. Derivando con respecto a ๐:
๐ ๐ฝ
๐ ๐
= ๐โฒโฒ.
Pero, por Resistencia de Materiales sabemos que
๐ฟ =
๐
๐
=
๐ ๐ฝ
๐ ๐
(โ)
(๐)
Entonces, de (โ) en (๐) obtenemos que
๐
๐
=
๐ด
๐ฌ๐ฐ
=
๐ ๐ฝ
๐ ๐
= ๐โฒโฒ.
๐
๐
= ๐ฟ =
๐ด
๐ฌ๐ฐ
.
y
Luego,
๐!! =
๐ด
๐ฌ๐ฐ
. (๐)
Esta ecuaciรณn es una ecuaciรณn diferencial
ordinaria de segundo orden lineal cuya incรณgnita
es ๐. Se puede resolver utilizando el mรฉtodo de
variables separables.
Ya que ๐ด = ๐ด ๐ , es evidente que la EDO
mostrada puede resolverse utilizando el mรฉtodo
de variables separables. Es decir, requeriremos
efectuar dos integraciones sucesivas para
obtener ๐ = ๐ ๐ .
Efectuemos una primera integraciรณn de (๐):
๐!
= 8
๐ด
๐ฌ๐ฐ
๐ ๐ + ๐ช๐. (๐)
La ecuaciรณn (๐) representa los giros de cada una
de las secciones de la viga.
Efectuemos una segunda integraciรณn, es decir,
integramos (๐):
๐ = <
๐ด
๐ฌ๐ฐ
๐ ๐ + ๐ช๐๐ + ๐ช๐. (๐)
La ecuaciรณn (๐) representa las deflexiones de
cada una de las secciones de la viga. Su grรกfica
muestra ademรกs su configuraciรณn deformada.
3. Para encontrar las constantes ๐ช๐ y ๐ช๐ se
necesitarรก usar valores en la frontera. Esto
convierte a la EDO en un PVF.
Ejemplos de condiciรณn de frontera son los
siguientes:
โข En un apoyo empotrado la deflexiรณn y el giro
son cero.
โข En un apoyo fijo, la deflexiรณn es cero.
8. Luego, la EDO queda de la siguiente manera:
๐ฌ๐ฐ ๐!! = ๐ด โ ๐ฌ๐ฐ ๐!! = โ
๐๐๐
๐
+ ๐จ๐ฝ๐ โ ๐ด๐จ.
Utillicemos el mรฉtodo de variables
separables. Integrando una primera vez:
๐ฌ๐ฐ ๐! = โ
๐
๐
๐๐ +
๐จ๐ฝ
๐
๐๐ โ ๐ด๐จ๐ + ๐ช๐. (โ)
Integrando nuevamente:
๐ฌ๐ฐ ๐ = โ
๐
๐๐
๐๐
+
๐จ๐ฝ
๐
๐๐
โ
๐ด๐จ
๐
๐๐
+ ๐ช๐๐ + ๐ช๐. (โโ)
Para la determinaciรณn de ๐ช๐, ๐ช๐, ๐จ๐ฝ y ๐ด๐จ,
usemos valores en la frontera.
Es evidente que, para ๐ = ๐, ๐โฒ = ๐ .
Reemplazo estos valores en (โ):
๐ฌ๐ฐ ๐ = โ
๐
๐
๐ ๐ +
๐จ๐ฝ
๐
๐ ๐ โ ๐ด๐จ ๐ + ๐ช๐.
โ ๐ช๐ = ๐.
Ademรกs, para ๐ = ๐, ๐ = ๐ . Reemplazo
estos valores en (โโ):
๐ฌ๐ฐ ๐ = โ
๐
๐๐
๐ ๐ +
๐จ๐ฝ
๐
๐ ๐ โ
๐ด๐จ
๐
๐ ๐ + ๐ช๐ ๐ + ๐ช๐.
โ ๐ช๐ = ๐.
Tambiรฉn, para ๐ = ๐ณ, ๐โฒ = ๐ . Reemplazo
estos valores en (โ):
๐ฌ๐ฐ ๐ = โ
๐
๐
๐ณ๐ +
๐จ๐ฝ
๐
๐ณ๐ โ ๐ด๐จ๐ณ + ๐.
๐จ๐ฝ๐ณ
๐
โ ๐ด๐จ =
๐๐ณ๐
๐
. (๐ถ)
9. ๐จ๐ฝ๐ณ
๐
โ ๐ด๐จ =
๐๐ณ๐
๐๐
. (๐ท)
Finalmente, para ๐ = ๐ณ, ๐ = ๐. Reemplazo
estos valores en (โโ):
๐ฌ๐ฐ ๐ = โ
๐
๐๐
๐ณ๐ +
๐จ๐ฝ
๐
๐ณ๐ โ
๐ด๐จ
๐
๐ณ๐ + (๐)๐ณ + ๐.
De (๐ถ) y ๐ท :
๐จ๐ฝ =
๐๐ณ
๐
โ . ๐ด๐จ =
๐๐ณ๐
๐๐
(โบ).
Por Estรกtica:
๐ฉ๐ฝ =
๐๐ณ
๐
โ . ๐ด๐ฉ =
๐๐ณ๐
๐๐
(โป).
Obs.: Los momentos en los extremos ๐ด๐จ y ๐ด๐ฉ son
llamados momentos de empotramiento perfecto (MEP)
o fixed extreme moments (FEM). Veremos mรกs adelante
que estos momentos son importantes en el desarrollo
del mรฉtodo de Cross y el mรฉtodo matricial de la rigidez.
De esta forma, tenemos ya a la ecuaciรณn de
los giros y la elรกstica:
๐ฌ๐ฐ ๐! = โ
๐
๐
๐๐ +
๐๐ณ
๐
๐๐ โ
๐๐ณ๐
๐๐
๐. ๐
๐ฌ๐ฐ ๐ = โ
๐
๐๐
๐๐
+
๐๐ณ
๐๐
๐๐
โ
๐๐ณ๐
๐๐
๐๐
. (๐)
10. EJEMPLO 3 Determine los FEM de una viga
cuyo extremo izquierdo rota un รกngulo ๐ฝ de
manera antihoraria.
SOLUCIรN
Seccionando:
โบ
๐ด๐๐
โบ
๐ด๐๐
๐ฝ๐๐
๐ฝ๐๐
โบ
๐ด๐๐
๐ฝ๐๐
๐ฝ(๐)
๐ด(๐)
โถ
๐ โค ๐ โค ๐ณ
๐
๐
11. +โบ โ๐ด = ๐: ๐ด ๐ + ๐ด๐๐ โ ๐ฝ๐๐๐ = ๐
๐ด ๐ = ๐ฝ๐๐๐ โ ๐ด๐๐.
Luego, la EDO queda de la siguiente manera:
๐ฌ๐ฐ ๐!!
= ๐ด โ ๐ฌ๐ฐ ๐!! = ๐ฝ๐๐๐ โ ๐ด๐๐.
Utillicemos el mรฉtodo de variables
separables. Integrando una primera vez:
๐ฌ๐ฐ ๐! =
๐ฝ๐๐๐๐
๐
โ ๐ด๐๐๐ + ๐ช๐
(โ)
Integrando nuevamente:
๐ฌ๐ฐ ๐ =
๐ฝ๐๐๐๐
๐
โ
๐ด๐๐๐๐
๐
+ ๐ช๐๐ + ๐ช๐
(โโ)
Para la determinaciรณn de ๐ช๐, ๐ช๐, ๐ฝ๐๐ y ๐ด๐๐,
usemos valores en la frontera.
Es evidente que, para ๐ = ๐, ๐โฒ = ๐ฝ .
Reemplazo estos valores en (โ):
๐ฌ๐ฐ ๐ฝ =
๐ฝ๐๐ ๐ ๐
๐
โ ๐ด๐๐(๐) + ๐ช๐.
โ ๐ช๐ = ๐ฌ๐ฐ๐ฝ.
Ademรกs, para ๐ = ๐, ๐ = ๐ . Reemplazo
estos valores en (โโ):
๐ฌ๐ฐ ๐ =
๐ฝ๐๐ ๐ ๐
๐
โ
๐ด๐๐ ๐ ๐
๐
+ ๐ช๐ ๐ + ๐ช๐
โ ๐ช๐ = ๐.
Tambiรฉn, para ๐ = ๐ณ, ๐โฒ = ๐ . Reemplazo
estos valores en (โ):
๐ฌ๐ฐ ๐ =
๐ฝ๐๐ ๐ณ ๐
๐
โ ๐ด๐๐ ๐ณ + ๐ช๐
โ
๐ฝ๐๐๐ณ
๐
+ ๐ด๐๐ =
๐ฌ๐ฐ๐ฝ
๐ณ
. (๐ถ)
13. EJEMPLO 4 Determine los FEM de una viga
cuyo extremo izquierdo se desplaza
verticalemente ๐ซ hacia abajo.
SOLUCIรN
Por doble integraciรณn obtenemos que
โบ
โบ
๐ด๐๐
๐ฝ๐๐
๐ฝ๐๐
๐
๐ฌ, ๐ฐ, ๐ณ
๐
๐
๐
๐ ๐ฌ, ๐ฐ, ๐ณ
โ
๐ซ
๐ฌ, ๐ฐ, ๐ณ
๐
๐
๐ซ
๐ด๐๐
๐ด๐๐ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐ณ๐ ๐ซ (โป). ๐ด๐๐ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐ณ๐ ๐ซ (โป).
Ademรกs:
๐ฝ๐๐ =
๐๐๐ฌ๐ฐ
๐ณ๐ ๐ซ (โ). ๐ฝ๐๐ =
๐๐๐ฌ๐ฐ
๐ณ๐ ๐ซ (โ).
14. EJEMPLO 5 Determine los FEM de una viga
cuyo extremo izquierdo se desplaza
verticalemente ๐ซ hacia abajo.
SOLUCIรN
Por doble integraciรณn obtenemos que
โบ
๐ฝ๐๐
๐ฝ๐๐
๐
๐ฌ, ๐ฐ, ๐ณ
๐
๐
๐
๐ ๐ฌ, ๐ฐ, ๐ณ
โ
๐ซ
๐ฌ, ๐ฐ, ๐ณ
๐
๐
๐ซ
๐ด๐๐
๐ด๐๐ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐ณ๐ ๐ซ (โป).
Ademรกs:
๐ฝ๐๐ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐ณ๐ ๐ซ (โ). ๐ฝ๐๐ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐ณ๐ ๐ซ (โ).
15. RIGIDEZ A LA FLEXIรN
Podemos definir a la rigidez a la flexiรณn como el valor
del momento que se requiere para flectar a una viga un
รกngulo unitario. Luego, sea la siguiente viga
doblemente empotrada:
Su rigidez a la flexiรณn se determina con
๐ฒ๐๐ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐ณ
.
Visto de otra forma, el momento que se produce en el
extremo donde rota una viga doblemente empotrada
es igual a su rigidez a la flexiรณn por el รกngulo de
rotaciรณn:
๐ด๐๐ = ๐ฒ๐๐ ๐ฝ.
FACTOR DE TRANSPORTE
En el ejemplo 3, vimos que el momento en el otro
extremo de la viga (i.e. el extremo que no rota) es igual
a ๐ด๐๐ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐ณ
๐ฝ. Es decir,
๐ด๐๐ =
๐
๐
๐ด๐๐.
Al valor de
๐
๐
se le conoce como โfactor de transporteโ.
FACTOR DE DISTRIBUCIรN
Considรฉrese ahora una serie de barras que comparten
el nudo comรบn โ๐โ. No se va a tomar en cuenta la
deformaciรณn axial (๐ฌ๐จ = โ) de tal forma que las
longitudes de las barras no cambian. Esto implica,
ademรกs, que el nudo โ ๐ โ puede rotar, pero no
desplazarse:
16. Visualicemos ahora sรณlo los ejes de
cada barra y apliquemos un
momento puntual ๐ด en el nudo
comรบn โ๐โ:
17. Debido a que el nudo โ๐โ es rรญgido,
el momento puntual ๐ด generarรก
que todas las barras roten un mismo
รกngulo ๐ฝ:
20. +โบ โ๐ด๐ = ๐: ๐ด โ ๐ด๐๐ โ ๐ด๐๐ โ ๐ด๐๐ โ โฏ โ ๐ด๐๐ โ โฏ ๐ด๐๐ = ๐
๐ด = ๐ด๐๐ + ๐ด๐๐ + ๐ด๐๐ + โฏ + ๐ด๐๐ + โฏ ๐ด๐๐
Sabemos que cada momento interno puede ser expresado como el
producto de su rigidez a la flexiรณn y el รกngulo que rota. Entonces
๐ด = ๐ฒ๐๐๐ฝ + ๐ฒ๐๐๐ฝ + ๐ฒ๐๐๐ฝ + โฏ + ๐ฒ๐๐๐ฝ + โฏ ๐ฒ๐๐๐ฝ.
Despejando ๐ฝ:
๐ฝ =
๐
๐ฒ๐๐ + ๐ฒ๐๐ + ๐ฒ๐๐ + โฏ + ๐ฒ๐๐ + โฏ ๐ฒ๐๐
๐ด โ ๐ฝ =
๐
โ๐+๐
๐
๐ฒ๐๐
๐ด.
El denominador โ๐3๐
๐
๐ฒ๐๐ representa la suma de las rigideces a la flexiรณn de todas las barras que comparte el nudo
โ๐โ.
Ahora bien, ya que ๐ด๐๐ = ๐ฒ๐๐ ๐ฝ, entonces
๐ด๐๐ =
๐ฒ๐๐
โ๐+๐
๐ ๐ฒ๐๐
๐ด.
Anรกlogamente:
22. MOMENTOS DE EMPOTRAMIENTO PERFECTO (MEP O
FEM)
Ya se habรญa indicado que los momentos reactivos en los
extremos de una viga doblemente empotrada
constituyen los momentos de empotramiento perfecto
(MEP) o fixed extreme moments (FEM). Podemos
determinar estos momentos utilizando, por ejemplo, el
mรฉtodo de doble integraciรณn que resuelve la EDO de la
elรกstica. Existen tablas que ya tienen calculados estos
valores para distintas cargas.
PROCEDIMIENTO PARA EL MรTODO CROSS EN VIGAS
Si los nudos de la viga son no desplazables, entonces
podemos seguir el siguiente procedimiento:
1.- Determinar la rigidez a la flexiรณn de todas las barras.
2.- Determinar los factores de distribuciรณn nudo a nudo.
3.- Considerar inicialmente que todos los nudos estรกn
empotrados. Esto permitirรก calcular los FEM en los
extremos de todas las barras.
4.- Los nudos estarรกn desequilibrados al inicio. Se
buscarรก equilibrarlos hasta lograr el nivel de precisiรณn
deseado usando el proceso de distribuciรณn de
momentos utilizando una tabla.
En los siguientes ejemplos, se observarรก el desarrollo es
este procedimiento.
CONVENCIรN DE SIGNOS PARA EL MรTODO DE CROSS
Los momentos internos antihorarios se considerarรกn
positivos y los horarios negativos.
23. EJEMPLO 6 Determine las reacciones, el DFC
y el DMF de la viga mostrada usando el
mรฉtodo de Cross.
๐ฌ, ๐ฐ
๐ = ๐ ๐ค/๐๐ญ
๐ช
๐
๐๐ ๐๐ญ
๐๐ ๐๐ญ
๐จ
๐ฉ ๐ฌ, ๐๐ฐ
SOLUCIรN
Rigideces a la flexiรณn.
๐ฒ๐จ๐ฉ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐
.
๐ท = ๐๐ ๐ค
๐. ๐ ๐๐ญ
๐ฒ๐ฉ๐ช =
๐๐ฌ(๐๐ฐ)
๐๐
=
๐๐ฌ๐ฐ
๐ณ
.
Factores de distribuciรณn.
NUDO A
๐ญ๐ซ๐จ๐ฉ = ๐.
NUDO B
๐ญ๐ซ๐ฉ๐จ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐
+
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐
=
๐
๐
.
๐ญ๐ซ๐ฉ๐ช =
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐
+
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐
=
๐
๐
.
Obs.:Note que la suma de los FD es igual a 1.
NUDO C
๐ญ๐ซ๐ช๐ฉ = ๐.
24. FEM
๐ฌ, ๐ฐ
๐ = ๐ ๐ค/๐๐ญ
๐ช
๐
๐๐ ๐๐ญ
๐๐ ๐๐ญ
๐จ
๐ฉ
๐ฌ, ๐๐ฐ
๐ท = ๐๐ ๐ค
๐. ๐ ๐๐ญ
๐ด๐จ๐ฉ
๐
=
๐ ๐๐ ๐
๐๐
= ๐๐. ๐ ๐ค โ ๐๐ญ.
๐ด๐ฉ๐จ
๐
= โ
๐ ๐๐ ๐
๐๐
= โ๐๐. ๐ ๐ค โ ๐๐ญ.
โบ
โป
โบ
โป
๐ด๐ฉ๐ช
๐
=
๐ ๐๐ ๐
๐๐
+
๐๐ ๐๐
๐
= ๐๐๐. ๐ ๐ค โ ๐๐ญ.
๐ด๐ช๐ฉ
๐
= โ
๐ ๐๐ ๐
๐๐
โ
๐๐ ๐๐
๐
= โ๐๐๐. ๐ ๐ค โ ๐๐ญ.
๐ด๐จ๐ฉ
๐ ๐ด๐ฉ๐จ
๐
๐ด๐ฉ๐ช
๐ ๐ด๐ช๐ฉ
๐
Distribuciรณn de momentos
Nudos ๐จ ๐ฉ ๐ช
Barras ๐จ๐ฉ ๐ฉ๐จ ๐ฉ๐ช ๐ช๐ฉ
FD ๐ ๐/๐ ๐/๐ ๐
FEM ๐๐. ๐ โ๐๐. ๐ ๐๐๐. ๐ โ๐๐๐. ๐
Para este paso conviene preparar un cuadro
con los siguientes datos:
Observamos que los momentos sobre el
nudo B y el nudo C no estรกn equilibrados ya
que, por ejemplo, en B la suma no es cero y
en C valor no es cero.
Empezemos entonces equilibrando al nudo C
(es el que estรก mรกs desequilibrado). Para
ello debemos sumar 112.5:
De las tablas de FEM obtenemos que
25. ๐๐๐. ๐ ๐๐. ๐๐
Nudos ๐จ ๐ฉ ๐ช
Barras ๐จ๐ฉ ๐ฉ๐จ ๐ฉ๐ช ๐ช๐ฉ
FD ๐ ๐/๐ ๐/๐ ๐
FEM ๐๐. ๐ โ๐๐. ๐ ๐๐๐. ๐ โ๐๐๐. ๐
Ahora el nudo C ya estรก equilibrado. Sin
embargo, por haber aplicado un momento
de 112.5 en el extremo CB de la barra, al
otro extremo BC le llega la mitad. Esto hace
que el nudo B que ya estaba desequilibrado
se desequilibre mรกs:
๐๐๐. ๐
Nudos ๐จ ๐ฉ ๐ช
Barras ๐จ๐ฉ ๐ฉ๐จ ๐ฉ๐ช ๐ช๐ฉ
FD ๐ ๐/๐ ๐/๐ ๐
FEM ๐๐. ๐ โ๐๐. ๐ ๐๐๐. ๐ โ๐๐๐. ๐
Equilbremos ahora al nudo B. La suma de los
momentos es โ๐๐. ๐ + ๐๐๐. ๐ + ๐๐. ๐๐ =
๐๐๐. ๐๐. Luego, hay que aplicar en el nudo
B un momento de โ๐๐๐. ๐๐ para
equilibrarlo. Este valor se va a distribuir en
BA y BC en funciรณn a sus factores de
distribuciรณn, es decir:
๐ฉ๐จ: โ๐๐๐. ๐๐ร ๐/๐ = โ๐๐. ๐๐.
๐ฉ๐ช: โ๐๐๐. ๐๐ร ๐/๐ = โ๐๐. ๐.
26. ๐๐. ๐๐
Coloquemos esto valores en la tabla:
๐๐๐. ๐
Nudos ๐จ ๐ฉ ๐ช
Barras ๐จ๐ฉ ๐ฉ๐จ ๐ฉ๐ช ๐ช๐ฉ
FD ๐ ๐/๐ ๐/๐ ๐
FEM ๐๐. ๐ โ๐๐. ๐ ๐๐๐. ๐ โ๐๐๐. ๐
โ๐๐. ๐๐ โ๐๐. ๐
Ahora el nudo B ya estรก equilibrado. Sin
embargo, por haber aplicado momentos en
BA y en BC en sus respectivos extremos se
aplica la mitad de estos valores.
๐๐. ๐๐ ๐๐๐. ๐
Nudos ๐จ ๐ฉ ๐ช
Barras ๐จ๐ฉ ๐ฉ๐จ ๐ฉ๐ช ๐ช๐ฉ
FD ๐ ๐/๐ ๐/๐ ๐
FEM ๐๐. ๐ โ๐๐. ๐ ๐๐๐. ๐ โ๐๐๐. ๐
โ๐๐. ๐๐ โ๐๐. ๐
โ๐๐. ๐๐๐ โ๐๐. ๐๐
Notemos que ahora, el nudo que ya estaba
equilibrado se ha vuelto a desequilibrar. Lo
vamos a equilibrar nuevamente, sumando
43.75:
27. ๐๐. ๐๐ ๐๐๐. ๐
Nudos ๐จ ๐ฉ ๐ช
Barras ๐จ๐ฉ ๐ฉ๐จ ๐ฉ๐ช ๐ช๐ฉ
FD ๐ ๐/๐ ๐/๐ ๐
FEM ๐๐. ๐ โ๐๐. ๐ ๐๐๐. ๐ โ๐๐๐. ๐
โ๐๐. ๐๐ โ๐๐. ๐
โ๐๐. ๐๐๐ โ๐๐. ๐๐
Nuevamente, este momento de 43.75 en CB
transmite la mitad a BC lo que harรก que el
nudo B desequilibre nuevamente:
๐๐. ๐๐
๐๐. ๐๐ ๐๐๐. ๐
Nudos ๐จ ๐ฉ ๐ช
Barras ๐จ๐ฉ ๐ฉ๐จ ๐ฉ๐ช ๐ช๐ฉ
FD ๐ ๐/๐ ๐/๐ ๐
FEM ๐๐. ๐ โ๐๐. ๐ ๐๐๐. ๐ โ๐๐๐. ๐
โ๐๐. ๐๐ โ๐๐. ๐
โ๐๐. ๐๐๐ โ๐๐. ๐๐
๐๐. ๐๐
๐๐. ๐๐๐
Equilibremos ahora nuevamente al nudo B
sumando -21.875 distribuido en funciรณn a
los factores de distribuciรณn:
๐ฉ๐จ: โ๐๐. ๐๐๐ร ๐/๐ = โ๐. ๐๐.
๐ฉ๐ช: โ๐๐. ๐๐๐ร ๐/๐ = โ๐๐. ๐๐.
Llevemos estos valores a la tabla:
28. ๐๐. ๐๐ ๐๐๐. ๐
Nudos ๐จ ๐ฉ ๐ช
Barras ๐จ๐ฉ ๐ฉ๐จ ๐ฉ๐ช ๐ช๐ฉ
FD ๐ ๐/๐ ๐/๐ ๐
FEM ๐๐. ๐ โ๐๐. ๐ ๐๐๐. ๐ โ๐๐๐. ๐
โ๐๐. ๐๐ โ๐๐. ๐
โ๐๐. ๐๐๐ โ๐๐. ๐๐
๐๐. ๐๐
๐๐. ๐๐๐
Evidentemente, estos รบltimos momentos
generan la mitad es sus extremos lo que
hace que el nudo C se vuelva a desequilibrar.
De esta forma, repetimos el procedimiento
hasta lograr la precisiรณn deseada:
โ๐. ๐๐ โ๐๐. ๐๐
๐๐. ๐๐ ๐๐๐. ๐
Nudos ๐จ ๐ฉ ๐ช
Barras ๐จ๐ฉ ๐ฉ๐จ ๐ฉ๐ช ๐ช๐ฉ
FD ๐ ๐/๐ ๐/๐ ๐
FEM ๐๐. ๐ โ๐๐. ๐ ๐๐๐. ๐ โ๐๐๐. ๐
โ๐๐. ๐๐ โ๐๐. ๐
โ๐๐. ๐๐๐ โ๐๐. ๐๐
๐๐. ๐๐
๐๐. ๐๐๐
โ๐. ๐๐ โ๐๐. ๐๐
โ๐. ๐๐๐ โ๐. ๐๐
๐. ๐๐
๐. ๐๐๐
โ๐. ๐๐๐ โ๐. ๐๐
โ๐. ๐๐๐ โ๐. ๐๐๐
๐. ๐๐๐
๐. ๐๐๐
โ๐. ๐๐๐ โ๐. ๐๐๐ โ๐. ๐๐๐
๐. ๐๐๐
๐. ๐๐๐
โ๐. ๐๐๐ โ๐. ๐๐๐ โ๐. ๐๐๐
๐. ๐๐๐
๐. ๐๐๐
โ๐. ๐๐๐ โ๐. ๐๐๐
โ๐. ๐๐๐
โ๐. ๐๐๐
29. Ya que los รบltimos momentos obtenidos
tiene el nivel de precisiรณn deseado,
podemos cerrar el proceso.
Es recomendable terminar en una
distribuciรณn, no es un traslado.
Los momentos obtenidos por Cross son las
sumas de cada columna:
๐๐. ๐๐ ๐๐๐. ๐
Nudos ๐จ ๐ฉ ๐ช
Barras ๐จ๐ฉ ๐ฉ๐จ ๐ฉ๐ช ๐ช๐ฉ
FD ๐ ๐/๐ ๐/๐ ๐
FEM ๐๐. ๐ โ๐๐. ๐ ๐๐๐. ๐ โ๐๐๐. ๐
โ๐๐. ๐๐ โ๐๐. ๐
โ๐๐. ๐๐๐ โ๐๐. ๐๐
๐๐. ๐๐
๐๐. ๐๐๐
โ๐. ๐๐ โ๐๐. ๐๐
โ๐. ๐๐๐ โ๐. ๐๐
๐. ๐๐
๐. ๐๐๐
โ๐. ๐๐๐ โ๐. ๐๐
โ๐. ๐๐๐ โ๐. ๐๐๐
๐. ๐๐๐
๐. ๐๐๐
โ๐. ๐๐๐ โ๐. ๐๐๐ โ๐. ๐๐๐
๐. ๐๐๐
๐. ๐๐๐
โ๐. ๐๐๐ โ๐. ๐๐๐ โ๐. ๐๐๐
๐. ๐๐๐
๐. ๐๐๐
โ๐. ๐๐๐ โ๐. ๐๐๐
M (Cross) ๐๐. ๐๐ โ๐๐ ๐๐ ๐
โ๐. ๐๐๐
โ๐. ๐๐๐
30. Los momentos obtenidos por el mรฉtodo de
Cross corresponden a los momentos
internos en los extremos de cada barra y con
los signos segรบn Cross.
Con objeto de construir los DFC y DMF
podemos cambiar los signos a la convenciรณn
estudiada en Estรกtica:
Nudos ๐จ ๐ฉ ๐ช
Barras ๐จ๐ฉ ๐ฉ๐จ ๐ฉ๐ช ๐ช๐ฉ
M (Cross) ๐๐. ๐๐ โ๐๐ ๐๐ ๐
M (Estรกtica) โ๐๐. ๐๐ โ๐๐ โ๐๐ ๐
Seccionemos a la viga para los cรกlculos de la
Estรกtica que nos lleven a determinar las
reacciones y los diagramas:
36. ACELERACIรN DE LA DISTRIBUCIรN
Es posible acelerar el proceso de distribuciรณn de varias
maneras.
Por ejemplo, sea una viga empotrada-articulada:
๐
โบ
๐ด๐๐
๐ฝ๐๐
๐
Utilizando el mรฉtodo de doble integraciรณn, se obtiene
que
๐ด๐๐ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐ณ
๐ฝ (โบ).
Observamos que, al cambiar el empotramiento de la
derecha por un apoyo articulado, la viga ha perdido un
75% de su rigidez a la flexiรณn:
๐ฒโฒ๐๐ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐ณ
.
Si usamos esta rigidez en el proceso de Cross, durante
la distribuciรณn ya no serรก necesario transmitir
momentos al apoyo articulado ya que el factor de
transporte es cero.
Asimismo, el FEM que usemos corresponderรก al de una
viga empotrada-articulada.
37. EJEMPLO 7 Determine las reacciones, el DFC
y el DMF de la viga mostrada usando el
mรฉtodo de Cross con aceleraciรณn de la
distribuciรณn.
๐ฌ, ๐ฐ
๐ = ๐ ๐ค/๐๐ญ
๐ช
๐
๐๐ ๐๐ญ
๐๐ ๐๐ญ
๐จ
๐ฉ ๐ฌ, ๐๐ฐ
SOLUCIรN
Rigideces a la flexiรณn.
๐ฒ๐จ๐ฉ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐
.
๐ท = ๐๐ ๐ค
๐. ๐ ๐๐ญ
๐ฒโฒ๐ฉ๐ช =
๐๐ฌ(๐๐ฐ)
๐๐
=
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐
.
Factores de distribuciรณn.
NUDO A
๐ญ๐ซ๐จ๐ฉ = ๐.
NUDO B
๐ญ๐ซ๐ฉ๐จ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐
+
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐
= ๐. ๐.
๐ญ๐ซ๐ฉ๐ช =
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐
+
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐
= ๐. ๐.
Obs.:Note que la suma de los FD es igual a 1.
NUDO C
๐ญ๐ซ๐ช๐ฉ = ๐.
54. PROCEDIMIENTO PARA EL MรTODO CROSS EN
PรRTICOS (SIN DESPLAZAMIENTO)
Si los nudos del pรณrtico son no desplazables (considรฉrese EA
= โ y exclรบyase a los voladizos), entonces podemos seguir
el siguiente procedimiento:
1.- Determinar la rigidez a la flexiรณn de todas las barras.
2.- Determinar los factores de distribuciรณn nudo a nudo.
3.- Considerar inicialmente que todos los nudos estรกn
empotrados, excepto en caso de usar un proceso acelerado.
Esto permitirรก calcular los FEM en los extremos de todas las
barras.
4.- Los nudos estarรกn desequilibrados al inicio. Se buscarรก
equilibrarlos hasta lograr el nivel de precisiรณn deseado
usando el proceso de distribuciรณn de momentos utilizando
una tabla.
En los siguientes ejemplos, se observarรก el desarrollo es
este procedimiento.
55. EJEMPLO 10 Determine las reacciones, el DFN, DFC y el DMF de la viga mostrada usando el
mรฉtodo de Cross. Considere ๐ฌ = ๐๐ ๐๐๐ ๐ค๐ฌ๐ข en todas las barras y, ademรกs, EA=โ.
๐ฐ = ๐๐๐๐ ๐ข๐ง๐
๐ ๐ค/๐๐ญ
๐ฌ
๐๐ ๐ค
๐๐ ๐๐ญ ๐๐ ๐๐ญ
๐ฐ = ๐๐๐๐ ๐ข๐ง๐
๐ฐ
=
๐๐๐
๐ข๐ง
๐
๐ฐ
=
๐๐๐
๐ข๐ง
๐
๐๐ ๐๐ญ
๐๐ ๐๐ญ
๐จ ๐ฉ
๐ช
๐ซ
56. SOLUCIรN
Rigideces a la flexiรณn.
๐ฒ๐จ๐ช =
๐๐ฌ(๐๐๐)
๐๐
.
Factores de distribuciรณn.
NUDO A
๐ญ๐ซ๐จ๐ช = ๐.
NUDO C
๐ญ๐ซ๐ช๐จ =
๐๐ฌ(๐๐๐)
๐๐
๐๐ฌ(๐๐๐)
๐๐
+
๐๐ฌ(๐๐๐๐)
๐๐
=
๐
๐
.
Obs.:Note que la suma de los FD es igual a 1.
NUDO D
๐ฒ๐ฉ๐ซ =
๐๐ฌ(๐๐๐)
๐๐
.
๐ฒ๐ช๐ซ =
๐๐ฌ(๐๐๐๐)
๐๐
. ๐ฒ๐ซ๐ฌ
!
=
๐๐ฌ(๐๐๐๐)
๐๐
.
NUDO B
๐ญ๐ซ๐ฉ๐ซ = ๐.
๐ญ๐ซ๐ช๐ซ =
๐๐ฌ(๐๐๐๐)
๐๐
๐๐ฌ(๐๐๐)
๐๐
+
๐๐ฌ(๐๐๐๐)
๐๐
=
๐
๐
.
๐ญ๐ซ๐ซ๐ช =
๐๐ฌ(๐๐๐๐)
๐๐
๐๐ฌ(๐๐๐๐)
๐๐ +
๐๐ฌ(๐๐๐๐)
๐๐ +
๐๐ฌ(๐๐๐)
๐๐
= ๐. ๐.
๐ญ๐ซ๐ซ๐ฌ =
๐๐ฌ(๐๐๐๐)
๐๐
๐๐ฌ(๐๐๐๐)
๐๐
+
๐๐ฌ(๐๐๐๐)
๐๐
+
๐๐ฌ(๐๐๐)
๐๐
= ๐. ๐.
๐ญ๐ซ๐ซ๐ฉ =
๐๐ฌ(๐๐๐)
๐๐
๐๐ฌ(๐๐๐๐)
๐๐
+
๐๐ฌ(๐๐๐๐)
๐๐
+
๐๐ฌ(๐๐๐)
๐๐
= ๐. ๐.
Obs.:Note que la suma de los FD es igual a 1.
NUDO E
๐ญ๐ซ๐ฌ๐ซ = ๐.
70. PROCEDIMIENTO PARA EL MรTODO CROSS EN VIGAS Y
PรRTICOS CON DESPLAZAMIENTO
Si los nudos de una viga o un pรณrtico son desplazables
(considรฉrese EA = โ), entonces podemos seguir el
siguiente procedimiento (aplicable para una sola
posibilidad de desplazamiento, exclรบyase a los
voladizos):
1.- Coloque un apoyo ficticio en un nudo de tal manera
que la viga o pรณrtico quede como no desplazable.
2.- Bajo la consideraciรณn anterior, determine los
momentos en los extremos de todas las barras usando
el mรฉtodo de Cross. Llame a estos momentos ๐ด๐.
3.- Utilice los procedimientos de la Estรกtica, para
determinar la reacciรณn en el apoyo ficticio. Llame a esta
reacciรณn ๐ฟ.
4.- Con el objeto de eliminar el efecto del apoyo ficticio,
retรญrelo y coloque una fuerza igual a ๐ฟ, pero en
direcciรณn contraria. No considere en este paso a las
cargas externas porque รฉstas ya fueron consideradas en
los pasos anteriores. Esta fuerza genera que la viga o el
pรณrtico tenga un desplazamiento lateral ๐ซ desconocido
el cual genera los FEM de este paso. Bajo esta
consideraciรณn, determine los momentos en los
extremos de todas las barras usando el mรฉtodo de
Cross. Llame a estos momentos ๐ด๐.
5.- Los momentos finales ๐ด se determinarรกn de la
siguiente manera: ๐ด = ๐ด๐ + ๐ด๐.
Note que en el paso 4, ๐ซ es desconocido. Por ello, se
harรก lo siguiente: para el cรกlculo de los FEM se asumirรก
que el desplazamiento tiene un valor cualquiera ๐น. Bajo
este desplazamiento, se determinarรกn los momentos
en los extremos de las barras a los cuales llamaros ๐๐.
71. Con estos estos momentos ๐๐ y por Estรกtica, se podrรก
calcular el valor de la fuerza que generรณ el
desplazamiento asumido a la cual llamaremos ๐. Luego,
se establece la siguiente relaciรณn:
๐
๐ฟ
=
๐๐
๐ด๐
โ ๐ด๐ =
๐ฟ
๐
๐๐.
De esta forma, los momentos finales por Cross se
determinan con
๐ด = ๐ด๐ +
๐ฟ
๐
๐๐.
En los siguientes ejemplos, se observarรก el desarrollo es
este procedimiento.
72. EJEMPLO 11 Determine las reacciones, el DFN, DFC y el DMF del pรณrtico mostrado usando el
mรฉtodo de Cross. Considere ๐ฌ = ๐ร๐๐๐
๐๐๐, ๐ฌ๐จ = โ. Todas las barras son de secciรณn
rectangular ๐. ๐๐ ๐ฆ ร ๐. ๐๐ ๐ฆ.
๐๐ ๐ค๐
๐๐ ๐ค๐/๐ฆ
๐ ๐ฆ
๐ ๐ฆ
๐ ๐ฆ
๐จ
๐ฉ ๐ช
๐ซ
73. SOLUCIรN
๐๐ ๐ค๐
๐๐ ๐ค๐/๐ฆ
๐จ
๐ฉ ๐ช
๐ซ
Coloquemos un apoyo en C de tal forma que
el pรณrtico no pueda desplazarse lateralmente:
๐ฟ
Rigideces a la flexiรณn
๐ฒ๐จ๐ฉ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐
.
Factores de distribuciรณn
NUDO A
๐ญ๐ซ๐จ๐ช = ๐.
NUDO B
๐ญ๐ซ๐ฉ๐จ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐
๐๐ฌ๐ฐ
๐
+
๐๐ฌ๐ฐ
๐
=
๐
๐
.
๐ฒ๐ฉ๐ช =
๐๐ฌ๐ฐ
๐
. ๐ฒ๐ช๐ซ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐
.
๐ญ๐ซ๐ฉ๐ช =
๐๐ฌ๐ฐ
๐
๐๐ฌ๐ฐ
๐
+
๐๐ฌ๐ฐ
๐
=
๐
๐
.
NUDO C
๐ญ๐ซ๐ช๐ฉ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐
๐๐ฌ๐ฐ
๐
+
๐๐ฌ๐ฐ
๐
= ๐. ๐. ๐ญ๐ซ๐ช๐ซ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐
๐๐ฌ๐ฐ
๐ +
๐๐ฌ๐ฐ
๐
= ๐. ๐.
NUDO D
๐ญ๐ซ๐ซ๐ช = ๐.
74. FEM
De las tablas de FEM obtenemos que
๐ด๐ฉ๐ช
๐
=
๐๐ (๐๐
)
๐๐
= ๐๐ ๐ค๐ โ ๐ฆ.
๐ด๐ช๐ฉ
๐
= โ
๐๐ (๐๐
)
๐๐
= โ๐๐ ๐ค๐ โ ๐ฆ.
Distribuciรณn de momentos 0
Nudos A B C D
Barras AB BA BC CB CD DC
FD 0 4/7 3/7 0.5 0.5 0
FEM 0 0 40 -40 0 0
-11.43 -22.86 -17.14 -8.57
12.15 24.29 24.29 12.15
-3.47 -6.94 -5.21 -2.61
0.66 1.31 1.31 0.66
-0.19 -0.38 -0.28 -0.14
0.04 0.07 0.07 0.04
-0.01 -0.02 -0.02
๐#
(Cross) -15.1 -30.2 30.2 -25.7 25.7 12.9
76. ๐จ
๐ฉ ๐ช
๐ซ
Con objeto de eliminar la carga ficticia ๐ฟ, la
colocamos en el pรณrtico en direcciรณn contraria:
๐ฟ = ๐๐. ๐๐
Ya que se desconoce cuรกl es el desplazamiento ๐ซ
hacia la derecha debido a la fuerza ๐ฟ = ๐๐. ๐๐, no
es posible determinar los FEM.
Se deben encontrar ahora por el mรฉtodo de Cross
los momentos para este nuevo caso. Los
momentos finales se obtendrรกn sumando los
momentos del primer Cross con los de este
segundo.
Pero podemos usar el siguiente artificio. Vamos a
suponer que el pรณrtico se desplaza hacia la
derecha una cantidad cualquiera, por ejemplo, ๐น =
๐. ๐๐ ๐ฆ. De esta forma, obtendremos luego del
segundo Cross por Estรกtica el valor de la fuerza ๐
que harรญa que el pรณrtico se desplaza el valor
asumido.
Finalmente, por una simple regla de 3
obtendremos un factor de correcciรณn que
permitirรก obtener los verdaderos valores de los
momentos por este segundo caso.
88. Rigideces a la flexiรณn
๐ฒ๐จ๐ฉ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐ ๐๐
.
Factores de distribuciรณn
NUDO A
๐ญ๐ซ๐จ๐ฉ = ๐.
NUDO B
๐ญ๐ซ๐ฉ๐จ =
๐๐ฌ๐ฐ
๐ ๐๐
๐๐ฌ๐ฐ
๐ ๐๐
+
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐
= ๐. ๐๐๐๐.
๐ฒ๐ฉ๐ช
!
=
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐
.
NUDO C
๐ญ๐ซ๐ช๐ฉ = ๐.
๐ญ๐ซ๐ฉ๐ช =
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐
๐๐ฌ๐ฐ
๐ ๐๐
+
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐
= ๐. ๐๐๐๐.
FEM
Al no haber cargas en las barras, todos los FEM son 0.
Distribuciรณn de momentos 0
Ya que todos los FEM son 0, los momentos por el primer Cross
tambiรฉn son 0:
๐ฟ = ๐๐ โ .
Nudos A B C
Barras AB BA BC CB
FD 0 0.5259 0.4741 1
FEM 0 0 0 0
๐#
(Cross) 0 0 0 0
Por lo tanto:
89. Para el segundo Cross, consideremos que el pรณrtico se desplaza horizontalmente ๐น =
๐๐๐
๐ฌ๐ฐ
debido a una
fuerza ficticia ๐ de la siguiente manera:
๐๐ ๐๐ญ
๐จ
๐ฉ ๐ช
๐๐ ๐๐ญ
๐ ๐๐ญ
๐
๐ฉ!
๐ช!
๐น
๐น
๐ถ
๐ถ
โบ
๐ด๐ฉ๐จ
๐
โบ
๐ด๐จ๐ฉ
๐
๐น
sin
๐ถ
โป
๐น
tan ๐ถ
๐ด๐ฉ๐ช
๐
tan ๐ถ = ๐. ๐.
sin ๐ถ =
๐๐
๐ ๐๐
.
Note que el desplazamiento horizontal ๐น en el pรณrtico induce a que AB y BC presenten desplazamientos
perpendiculares a sus ejes iguales a
๐น
123 ๐ถ
y
๐น
563 ๐ถ
, respectivamente.
cos ๐ถ =
๐
๐ ๐๐
.
90. Los FEM para este caso son (ver
ejemplos 4 y 5):
๐ด๐จ๐ฉ
๐
=
๐๐ฌ๐ฐ
๐ ๐๐
๐ ร
๐๐๐
๐ฌ๐ฐ
๐๐
๐ ๐๐
= ๐๐. ๐๐ ๐ค โ ๐๐ญ.
๐ด๐ฉ๐จ
๐
=
๐๐ฌ๐ฐ
๐ ๐๐
๐ ร
๐๐๐
๐ฌ๐ฐ
๐๐
๐ ๐๐
= ๐๐. ๐๐ ๐ค โ ๐๐ญ.
๐ด๐ฉ๐ช
๐
=
๐๐ฌ๐ฐ
๐๐๐ ร
๐๐๐
๐ฌ๐ฐ
๐. ๐
= โ๐๐ ๐ค โ ๐๐ญ.
Distribuciรณn de momentos 1
Nudos A B C
Barras AB BA BC CB
FD 0 0.5259 0.4741 1
FEM 24.96 24.96 -10 0
-3.94 -7.87 -7.09
๐$
(Cross) 21.02 17.09 -17.09 0