Estatica - Villareal

ESTATICA
PROBLEMAS RESUELTOS
Ph.D. Genner Villarreal Castro
PREMIO NACIONAL ANR 2006, 2007, 2008
Lima – Perú
2011

2
PROLOGO
La Estática, es una ciencia de la Mecánica Teórica, que estudia el equilibrio de diversos elementos
o sistemas estructurales sometidos a la acción externa de cargas puntuales y distribuidas, así como de
momentos.
Por lo general, los textos base de Estática, son muy voluminosos y, principalmente, se centran en
la descripción teórica, lo cual dificulta el proceso de aprendizaje a través de trabajos domiciliarios e
investigación, conducentes a un mejor dominio de la materia.
El presente libro nació, después de comprobar las grandes dificultades mostradas por los alumnos
en la resolución de problemas aplicados en prácticas calificadas y exámenes, así como en la realización
de sus trabajos domiciliarios.
Es por ello, que tomé el reto de escribir un libro, que haga más didáctico el proceso de estudio
individual, resolviendo para ello 125 problemas tipos en forma seria y con el rigor científico, propiciando
de manera más amena la convivencia con la Estática.
En el presente libro, se tratan temas que en la mayoría de programas de las universidades se
analizan y que son muy importantes en la formación profesional de los ingenieros civiles.
Como base se tomó la experiencia adquirida en el dictado de los cursos de Estática en la
Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas, Universidad de San Martín de Porres y Universidad Privada
Antenor Orrego.
En mi modesta opinión, el presente libro es único en su género, tanto en la forma de resolución de
problemas; así como en su contenido, que no es una repetición de otros textos, editados anteriormente.
El presente libro consta de 5 capítulos y bibliografía.
En el primer capítulo se analizan las diversas formas de las fuerzas y momentos, a las cuales
están sometidas las estructuras.
En el segundo capítulo se estudian el equilibrio de estructuras simples, estructuras con rótulas
intermedias, estructuras compuestas y estructuras espaciales.
En el tercer capítulo se calculan los centroides en alambres y áreas, así como, los momentos de
inercia de áreas planas y de perfiles metálicos.
En el cuarto capítulo se analizan diversos tipos de armaduras, a través del método de los nudos y
método de las secciones.
En el quinto capítulo se calculan las fuerzas internas y se grafican los diagramas de fuerza axial,
fuerza cortante y momento flector para vigas, pórticos, arcos y estructuras espaciales.
El presente texto está dirigido a estudiantes de ingeniería civil y docentes que imparten los cursos
de Estática; así como, a ingenieros civiles, postgraduandos e investigadores en el área de estructuras.
Este libro se lo dedico a mis alumnos de Estática de la Universidad Peruana de Ciencias
Aplicadas, Universidad de San Martín de Porres y Universidad Privada Antenor Orrego; quienes con sus
consultas me motivaron a escribir el presente libro y con su energía renovada me permitieron culminar
con éxito este trabajo.
De manera muy especial, dedico el presente libro a la Ing. Leyda Yudith Suárez Rondón, una linda
venezolana, quien con su inteligencia, comprensión, apoyo constante, dulzura y belleza espiritual

3
conquistó mi corazón, rogando a Dios Todopoderoso nos conceda la oportunidad de seguir
compartiendo nuestras vidas, para continuar aportando al desarrollo integral de la sociedad.
Ph.D. Genner Villarreal Castro
genner_vc@rambler.ru
Lima, Julio del 2011

4
CAPITULO 1
FUERZAS Y MOMENTOS
1.1 OPERACIONES CON VECTORES
PROBLEMA 1.1 ¿Será correcto afirmar que los dos sistemas mostrados son equivalentes?
Solución:
Fig. 1.1
Para que ambos sistemas, sean equivalentes, las fuerzas del sistema I debieron estar orientadas tal
como se muestra en la figura 1.2, que lo denominaremos como Sistema III, cuyo valor de la
resultante lo determinamos por la ley del paralelogramo.
RIII  72
 242
 25N
Fig. 1.2
En consecuencia, los sistemas I y II no son equivalentes, a pesar que la resultante del sistema I tiene
la misma dirección y sentido que la fuerza única del sistema II.
PROBLEMA 1.2 Si P  76kN y Q  52kN , determine en forma analítica la resultante de P y Q
Fig. 1.3

5
Solución:
Calculamos el ángulo que forma el vector P con la vertical y el ángulo que forma el vector Q con la
horizontal.
  arctg
16
  26,56o 
 32 
  arctg
12
  26,56o 
 24 
Fig. 1.4
De esta manera, el ángulo que forman los vectores P y Q es
resultante se calculará por la fórmula:
  2.26,56  90  143,12o
y la
R  P2
 Q2
 2PQcos   762
 522
 2.76.52.cos143,12o
 46,45kN
Para determinar el ángulo que forma la resultante con Q, aplicamos la ley de senos (figura 1.5):
R

P
   79,09o
sen36,88o
sen
El ángulo que formará la resultante con el eje horizontal será de 52,53o
.
Fig. 1.5
PROBLEMA 1.3 Para la estructura mostrada en la figura 1.6, se pide:
a) Descomponer la fuerza de 360 lb en componentes a lo largo de los cables AB y AC. Considerar
  55o
y   30o
.
b) Si los cables de soporte AB y AC están orientados de manera que las componentes de la fuerza
de 360 lb a lo largo de AB y AC son de 185 lb y 200 lb, respectivamente. Determinar los ángulos
 y  .

6
Solución:
Fig. 1.6
a) Como la estructura debe de encontrarse en equilibrio, por lo tanto, aplicamos el triángulo de
fuerzas, mostrado en la figura 1.7
Fig. 1.7
Aplicamos la ley de senos y obtenemos los valores de las fuerzas en los cables AB y AC
PAB

360


P  180,69lb
sen300
sen950 AB
PAC

360


P  296,02lb
sen550
sen950 AC
b) Analizamos el triángulo de fuerzas, mostrado en la figura 1.8 y aplicamos la ley de senos para
determinar los ángulos  y 
Fig. 1.8

7
z
185

200
sen sen
360

200
sen  1,08sen (a)
sen180o
   
sen


cos  1,08cos  1,944 (b)
Aplicamos en la ecuación (a) el principio que sen  1 cos2
 y sen  1 cos 2
 ,
reemplazando luego cos de la ecuación (b) en la ecuación (a), obteniendo:
  21,6o
 19,9o
PROBLEMA 1.4 La longitud del vector posición r es de 2,40m (figura 1.9). Determine:
a) La representación rectangular del vector posición r
b) Los ángulos entre r y cada uno de los ejes coordenados positivos
Solución:
a) Descomponemos r en dos componentes como se muestra en la figura 1.10. Por trigonometría
obtenemos:
r  r cos 40o
 2,4cos 40o
 1,84m
r  rsen40o
 2,4sen40o
 1,54mxy
En forma análoga, descomponemos rxy en rx y ry :
rx  rxy
r  r
cos 50o
 0,99m
sen50o
 1,18my xy
Por lo tanto, la representación rectangular de r es:
r  rx i  ry j rz k  0,99i 1,18j1,84k
Fig. 1.9

8
Fig. 1.10
b) Los ángulos entre r y los ejes coordenados, los calculamos por las siguientes ecuaciones:
 rx   0,99  o
x  arccos   arccos   65,6
 r 
 ry 
 2,4 
1,18  o
y  arccos   arccos   60,5
 r 
 rz 
 2,4 
1,84  o
z  arccos   arccos   40,0
 r   2,4 
Dichos ángulos se muestran en la figura 1.11 y como se puede apreciar, no fue necesario
calcular z , porque ya estaba dado en la figura 1.9
Fig. 1.11

9
PROBLEMA 1.5 Encuentre la representación rectangular de la fuerza F cuya magnitud es de 240N
Solución:
Fig. 1.12
Como se conocen las coordenadas de los puntos O y A sobre la línea de acción de F, entonces
escribimos el vector OA (vector de O hasta A) en forma rectangular (figura 1.13), expresado en
metros:
OA  4i  5j 3k
Luego, el vector unitario de O hasta A será:
 
OA
OA

 4i 5j3k
 0,566i  0,707 j 0,424k
(4)2
 52
 32
Asimismo, se tendrá:
Fig. 1.13
F  240(0,566i  0,707 j 0,424k)  135,84i 169,68j 101,76k
Las componentes rectangulares de F se muestran en la figura 1.14
Fig. 1.14

10
PROBLEMA 1.6 Dado los vectores:
A  6i  4j k (N)
B  j 3k (m)
Determinar:
C  2i  j 4k (m)
a) A.B
b) La componente ortogonal de B en la dirección de C
c) El ángulo entre A y C
d) AxB
e) Un vector unitario  perpendicular a A y B
f) AxB.C
Solución:
a) Aplicamos la siguiente ecuación, obteniendo:
A.B  Ax Bx  AyBy  Az Bz  6(0)  4(1)  (1)(3)  1N.m
El signo positivo, indica que el ángulo entre A y B es menor que 90o
b) Si  es el ángulo entre B y C, se obtiene de la ecuación:
 
 
Bcos   B.C  B.
C
 (j 3k).
C
2i  j 4k
22
 (1)2
 42

1(1)  3(4)
 2,40m
21
c) Si  es el ángulo entre A y C, se encuentra de la siguiente ecuación:
 
cos   A .C 
A
.
C

6i 4jk
.
2i j4k

6(2) 4(1) (1)(4)
cos   0,1199
A C 62
 42
 (1)2
   83,1o
22
 (1)2
 42 53 21
d) El producto cruz de A y B es:
i
AxB  Ax
Bx
j k i j
Ay Az  6 4
By Bz 0 1
k
4
1  i
1
3
1 6
 j
3 0
1 6
 k
3 0
4
 13i 18j 6k
1
(m)
e) El producto cruz A x B es perpendicular a A y B. Por lo tanto, un vector unitario en esa dirección
se obtiene dividiendo A x B, que fue evaluado anteriormente, entre su magnitud:
AxB
AxB

13i 18j6k
 0,565i  0,783j 0,261k
132
 (18)2
 62
Como el negativo de este vector es también un vector unitario que es perpendicular a A y B, se
obtiene:
  (0,565i  0,783j  0,261k)
f) El triple producto escalar AxB.C se evalúa usando la ecuación:

11
Ax
AxB.C  Bx
Cx
Ay Az 6
By Bz  0
Cy Cz 2
4 1
1 3 0
1 3  6  4
1 4 2
1 4
3 0
 (1)
4 2
1
 68N.m2
1
PROBLEMA 1.7 Determinar a, b y c; tal que (a; 3; 5) x (20; -30; -60) = (b; 400; c)
Solución:
Reemplazamos valores y obtenemos:
i
AxB  a
20
j
3
 30
k
5
 60
3
 i
 30
5 a
 j
 60 20
5 a
 k
 60 20
3
 30
AxB  30i  (60a 100) j (30a  60)k
Por dato del problema:
AxB  bi  400 j  ck
Luego:
b  30
400  60a 100  a  5
c  30(5)  60  210
1.2 FUERZAS CONCURRENTES
PROBLEMA 1.8 Si R es la resultante de las fuerzas P y Q, determine P y Q
Solución:
Fig. 1.15
Fig. 1.16

12
o o
o o
De acuerdo a la figura 1.16, las representaciones rectangulares de P y Q son:

P  Pcos 25o
i  Psen25o
j

Q  Qcos 50o
i  Qsen50o
j
La resultante de P y Q se encuentra sumando sus componentes:
  
R  P  Q  (Pcos 25o
 Qcos 50o
)i  (Psen25o
 Qsen50o
)j (a)
Según dato del problema, expresamos la resultante R en función de sus componentes rectangulares:

R  260cos 22,62o
i  260sen22,62o
j  240i 100j
Igualamos las ecuaciones (a) y (b) y obtenemos:
P  588lb
Q  455lb
(b)
PROBLEMA 1.9 La fuerza R es la resultante de las fuerzas P1, P2 y P3 que actúan sobre la placa
rectangular de 0,6m x 1m. Determinar P1 y P2 si R  40kN y P3  20kN
Solución:
Fig. 1.17
Este problema lo podemos resolver de 2 formas:
1ra FORMA:
Rx  Fx  P1 cos 63,43  P2 cos 53  20  40cos 30o
0,45P1  0,60P2  54,64 (a)
R y  Fy  P1sen63,43  P2sen53  40sen30o
0,89P1  0,80P2  20
Resolvemos las ecuaciones (a) y (b), obteniendo:
P1  62,32kN
P2  44,33kN
(b)

13
2
o o
o o
2da FORMA:
Escribimos las fuerzas en forma vectorial:

P  P cos 63,43o
i  P sen63,43o
j1 1

P2  P2

1
cos 53o
i  P sen53o
j

P3  20i
R  40cos 30o
i  40sen30o
j
Como la fuerza resultante R se determinará de la ecuación vectorial:
    
R  F  P1  P2  P3
40cos 30o
i  40sen30o
j  (P cos 63,43o
 P cos 53o
 20)i  (P sen63,43o
 P sen53o
)j1 2 1 2
De esta manera, se obtienen las ecuaciones:
P1
cos 63,43  P2 cos 53  20  40cos 30o
P1
sen63,43  P2sen53  40sen30o
Estas ecuaciones, son las mismas que (a) y (b), obteniendo los mismos resultados, es decir:
P1  62,32kN
P2  44,33kN
PROBLEMA 1.10 Un pequeño aro tiene una carga vertical de peso P y está sostenido por dos
cuerdas AB y BC, la última de las cuales soporta en su extremo libre un peso PQ 100N , como se
observa en la figura. Determinar la magnitud del peso de la carga P y la tensión de la cuerda AB, si
el sistema se encuentra en equilibrio.
Solución:
Fig. 1.18
Efectuamos un corte y analizamos el equilibrio del nudo B
Fig. 1.19

14




FX  0  100cos 30o
 TAB cos 45o
 0  TAB  122,47N
FY  0  100sen30o
122,47sen45o
 P  0  P  136,60N
PROBLEMA 1.11 Sea R la resultante de las tres fuerzas mostradas. Si P1  110lb , P2  200lb y
P3 150lb , determinar:
a) La magnitud de R
b) Los cosenos directores de R
c) El punto en que la línea de acción de R interseca al plano YZ
Solución:
Fig. 1.20
a) Las fuerzas son concurrentes en el punto A (figura 1.21), por lo que pueden sumarse
inmediatamente. Como las fuerzas no se encuentran en un plano coordenado, conviene usar
notación vectorial.
Un método para expresar cada una de las fuerzas en notación vectorial es usar la forma F = Fλ,
donde λ es el vector unitario en la dirección de la fuerza.
De esta manera, se tendrá:
P1  110j
 o 
P2  200AC  200
AC
 200  2i 2tg25 j   181,26i  84,52j
AC  (2)2
 (2tg25o
)2 
 o 
P3  150AB  150
AB
 150  2i 2tg40 k   114,90i  96,42k
AB  (2)2
 (2tg40o
)2 
La fuerza resultante estará dada por:
R  F  P1  P2  P3  (181,26 114,90)i  (110  84,52) j 96,42k
R  296,16i 194,52 j 96,42k

15
o
o
o
La magnitud de la resultante R es:
R  (296,16) 2
 (194,52) 2
 (96,42) 2
 367,21lb
b) El vector unitario λ en la dirección de R es:

Fig. 1.21
 
R

296,16i 194,52j96,42k
 0,807i  0,530j 0,263k
R 367,21
Los cosenos directores de R y los ángulos entre R y los ejes coordenados son:
cos x  0,807  x 143,8
cos y  0,530  y  58
cos z  0,263  z  74,8
c) Sea D el punto en que la línea de acción de la resultante R interseca al plano YZ. La distancia
horizontal e y la distancia vertical h , mostradas en la figura 1.22, pueden determinarse por
proporciones:
e

h

2
De donde:
194,52 96,42 296,16
e  1,314pies
h  0,651pies
De la figura 1.18, las coordenadas del punto D son:
xD  0
yD  e  1,314pies
zD  h  0,651pies

16
Fig. 1.22
PROBLEMA 1.12 Tres tensiones T1 ,T2 ,T3 , generadas en cables, actúan en el punto A del mástil
 
OA. Si la fuerza resultante de las tres tensiones es
tensión en los cables.
R  400k (N), determinar la magnitud de cada
Solución:

Fig. 1.23
Se sabe que F  F.
Luego, analizamos cada cable en forma separada.
CABLE AB:
AB 
AB

 10j12k
 0,64j 0,768k
AB (10)2
 (12)2

17

T1  T1.AB  0,64 jT1  0,768kT1
CABLE AC:
AC 
AC

6i 12k
 0,447i  0,894k
AC 62
 (12)2

T2  T2 .AC  0,447iT2  0,894kT2
CABLE AD:
AD 
AD

 4i 3j12k
 0,308i  0,231j  0,923k
AD (4)2
 32
 (12)2

T3  T3 .AD  0,308iT3  0,231jT3  0,923kT3
Determinamos la resultante de la acción de las tres fuerzas:
   
R  T1  T2  T3  (0,447T2  0,308T3 )i  (0,64T1  0,231T3 )j (0,768T1  0,894T2  0,923T3 )k
Por condición del problema:
Esto significa que:

R  400k
0,447T2  0,308T3  0 
 0,64T1  0,231T3  0 
 0,768T1  0,894T2  0,923T3  400
T2  0,689T3
T1  0,361T3
Reemplazamos valores en esta última ecuación y obtenemos:
T3  220,24N
T2  151,74N
T1  79,50N
1.3 MOMENTO DE UNA FUERZA RESPECTO A UN PUNTO. TEOREMA DE VARIGNON
PROBLEMA 1.13 Una placa rectangular delgada está sostenida por los soportes de bisagra en A y B
y por dos cables PQ y RS, cuyas tensiones son 200N y 300N, respectivamente.
a) Determinar el momento de la fuerza ejercida por el cable PQ respecto al punto A
b) Determinar el ángulo que forma el cable RS con la línea RT
Solución:
a) La fuerza en el cable PQ lo denotamos como P y en forma vectorial es:
P  200
PQ
 200
 0,4i 0,3j0,8k
 200
0,4i 0,3j0,8k
PQ (0,4)2
 0,32
 (0,8)2
0,89
P  84,8i  63,6 j169,6k
Para el momento, respecto a “A”, elegimos un vector rAP
pertenece a la línea de acción PQ)
rAP  0,8k
que va desde A hasta P (punto que

18
Luego:
MA(P)  rAP xP
i
 0
 84,8
j
0
63,6
k
0,8
169,6
0
 i
63,6
0,8
169,6
0
 j
 84,8
0,8
169,6
0
 k
 84,8
0
63,6
MA( P)  50,88i  67,84 j (N.m)
Fig. 1.24
b) Determinamos los vectores rRS , rRT y calculamos el ángulo que forman dichos vectores
rRS  0,4i  j 0,8k
rRT  0,4i  0,8k
cos   RS.RT 
RS
.
RT

0,4i j0,8k
.
0,4i 0,8k
 0,667
RS RT 0,42
12
 (0,8)2
0,42
 (0,8)2
  arccos(0,667)  48,16o
PROBLEMA 1.14 Una placa rectangular está sostenida por dos ménsulas en A y B y por un cable
CD; sabiendo que el momento de la tensión respecto al punto A es
determinar el módulo de la tensión en N.
 7,68i  28,8 j 28,8k (N.m),
Fig. 1.25

19
Solución:
La fuerza en el cable CD lo denotamos como P y en forma vectorial es:

P  P.
CD
CD
 P.
 0,3i 0,24j0,32k
 (0,6i  0,48j 0,64k)P
(0,3)2
 0,242
 (0,32)2
Para el momento respecto a “A”, elegimos un vector rAC que va desde A hasta el punto C (punto que
pertenece a la línea de acción CD)
rAC  0,3i  0,08k
Luego:
MA  rAC xP
i
 0,3
 0,6P
j
0
0,48P
k
0,08
 0,64P
0
 i
0,48P
0,08
 0,64P
0,3
 j
 0,6P
0,08
 0,64P
0,3
 k
 0,6P
0
0,48P
MA  0,0384Pi  0,144Pj  0,144Pk
De donde:
P  200N
PROBLEMA 1.15 La puerta batiente se mantiene en la posición mostrada en la figura, por medio de
dos cables AB y AC y, además, por las bisagras mostradas. Si las tensiones en los cables son
T1  30lb y T2  90lb . Determinar:
a) La magnitud de la fuerza resultante
b) El momento de la fuerza tensional T1 respecto al punto C
Solución:
Fig. 1.26
a) Determinamos las coordenadas de los puntos A, B y C, de acuerdo a la figura 1.27
A (2; 0; 4)
B (5; 2,819; 1,026)
C (0; 2,819; 1,026)

20
Luego:
Fig. 1.27
BA


 3i 2,819j2,974k
 0,591i  0,555j 0,585k
(3)2
 (2,819)2
 2,9742
T1  T1. BA  30.(0,591i  0,555 j 0,585k)  17,73i 16,65 j17,55k
CA


2i 2,819j2,974k
 0,438i  0,618j 0,652k
22
 (2,819)2
 2,9742
T2  T2 .CA  90.(0,438i  0,618 j 0,652k)  39,42i  55,62 j 58,68k
En consecuencia:
  
R  T1  T2  21,69i  72,27 j 76,23k
La magnitud de la fuerza resultante:

R  21,692
 (72,27) 2
 76,232
107,26lb
b) Para el momento respecto a C, elegimos un vector rCB que va desde C hasta B (punto que
pertenece a la línea de acción de la tensión T1 )
rCB  5i
MC  rCB xT1 
i
5
17,73
j
0
16,65
k
0
17,55
MC  i
0
16,65
0
17,55
5
 j
17,73
0
17,55
5
 k
17,73
0
16,65
 87,75j83,25k (lb.pie)
PROBLEMA 1.16 Si las magnitudes de las fuerzas
determinar:
a) Los momentos de P y Q respecto a los puntos O y C
P  100N y Q  250N (figura 1.28),
b) Las distancias perpendiculares entre los puntos O y C y las fuerzas P y Q
Solución:
En este caso es conveniente utilizar la forma vectorial:
    
P  100
AB
 100
0,5i 0,6j 0,36k
  58,1i  69,8j 41,9k (N)
AB 
 

0,860 
 
Q  250
DB
 250
0,5i 0,36k
  202,9i 146,1k (N)
DB  0,616 

21
Fig. 1.28
Para el caso de los momentos respecto al punto O, elegimos un vector rOB que va del punto O hasta
B (punto que pertenece a la línea de acción de los vectores P y Q) y para el caso de los momentos
respecto al punto C, elegimos el vector rCB que va del punto C hasta el punto B, escribiéndolos en
forma vectorial:
rOB  0,36k (m)
rCB  0,6 j (m)
Ahora, determinamos los valores de los momentos respecto a los puntos O y C, posteriormente las
distancias requeridas.
a) El momento de P respecto al punto O será:
MO(P)  rOB xP
i
 0
 58,1
j
0
 69,8
k
0,36  25,1i  20,9j (N.m)
41,9
El momento de P respecto al punto C es:
MC(P)  rCBxP
i
 0
 58,1
j
 0,6
 69,8
k
0
41,9
 25,1i  34,9k (N.m)
El momento de Q respecto al punto O será:
MO(Q)  rOB xQ
i
 0
 202,9
j k
0 0,36
0 146,1
 73,0j (N.m)
El momento de Q respecto al punto C es:
MC(Q)  rCBxQ
i
 0
 202,9
j
 0,6
0
k
0
146,1
 87,7i 121,7k (N.m)

22
M 1
b) La distancia perpendicular del punto O a la línea de acción de P puede determinarse por:
dOP
MO(P)
 
P
25,12
 (20,9)2
100
 0,327m
La distancia perpendicular del punto C a la línea de acción de P es:
dCP
MC(P)
 
P
(25,1)2
 (34,9)2
100
 0,430m
La distancia perpendicular del punto O a la línea de acción de Q puede determinarse por:
dOQ
MO(Q)
 
Q
(73,0)2
250
 0,292m
La distancia perpendicular del punto C a la línea de acción de Q es:
dCQ
MC(Q)
 
Q
(87,7)2
 (121,7)2
250
 0,600m
PROBLEMA 1.17 Si el momento combinado de las dos fuerzas, cada una de magnitud
respecto al punto “H” es cero. Se pide:
a) Determinar la distancia “d” que localiza a “H”
b) Determinar el ángulo que forman las líneas EC y EB
P  100N ,
Solución:
Fig. 1.29
a) Calculamos los momentos respecto al punto “H”
PEC  P1  100.
EC
EC
 100.
3j3k
 70,71j  70,71k
32
 (3)2
rHC  d.i
i j k
P
0 0  d 0  d 0
H  rHC xP1   d
0
0
70,71
0
 70,71
 i
70,71
 j
 70,71 0
 k
 70,71 0 70,71

23
M
M
H
P2
P1
 70,71dj  70,71dk
PEB  P2  100.
EB
EB
100.
3i 3j3k
 57,73i  57,73j 57,73k
32
 32
 (3)2
rHB  (3  d).i
i
H  rHB xP2  (3  d)
57,73
j
0
57,73
k
0
 57,73
0
 i
57,73
0
 57,73
(3 d)
 j
57,73
0

 57,73
(3  d)
 k
57,73
0
57,73
 (3  d).(57,73) j (57,73).(3  d)k
Luego, por condición del problema:
MP1
 MP2
 0H H
 70,71d  (3  d).(57,73)  0
d  1,348m
b) Determinamos el ángulo que forman las líneas EC y EB
rEC
rEB
 3j  3k
 3i  3j  3k
cos    . 
EC
.
EB

3j3k
.
3i 3j3k

9 9
 0,8165EC EB
EC EB 18 27 18. 27
   arccos(0,8165)  35,26o
PROBLEMA 1.18 Determinar el momento de la fuerza de 50kN respecto al punto A (figura 1.30).
a) Usar el método vectorial.
b) Usar el método escalar colocando las componentes rectangulares de la fuerza en los puntos B,
C y D.
Fig. 1.30

24
Solución:
a) Escribimos la fuerza en forma vectorial, escogiendo el punto D como inicio del eje de
coordenadas en el plano XY, pudiendo apreciar que el rectángulo es de 0,6m x 0,8m, es decir, el
ángulo ADB es 37o
.
F  50cos 37o
i  50sen37o
j  40i  30j (kN)
Elegimos el vector r del punto A al punto D, por facilidad de cálculo, siendo:
r  rAD  0,3i (m)
Usando la forma de determinante para el producto cruz, el momento respecto al punto A es:
i j
MA  rxF  rAD xF   0,3 0
40 30
k
0  k(0,3)(30) 9k
0
(kN.m)
La magnitud de MA es 9kN.m y la dirección de MA es en la dirección de Z negativo, que por la
regla de la mano derecha significa que el momento respecto al punto A es horario.
b) En este problema el cálculo escalar es tan conveniente como el método vectorial, porque las
distancias perpendiculares entre A y cada una de las componentes de fuerza (figura 1.31)
pueden determinarse por inspección.
Fig. 1.31
Como primer caso, analizamos cuando las componentes están colocadas en el punto B:
MA  (30)(0,5)  (40)(0,6)  9kN.m (sentido horario)
Luego, analizamos el caso cuando las componentes están colocadas en el punto C:
MA  (30)(0,1)  (40)(0,3)  9kN.m (sentido horario)
Finalmente, analizamos el caso cuando las componentes han sido colocadas en el punto D:
MA  (30)(0,3)  9kN.m (sentido horario)
Como se puede apreciar, los resultados son los mismos, lo que implica que si tenemos un
sistema coordenado, lógicamente es mucho más fácil aplicar el método escalar,
descomponiendo la fuerza en sus componentes rectangulares y aplicarlo en cualquier punto de
la línea de acción de la fuerza, que los resultados serán los mismos, como se ha demostrado en
este problema.

Fig. 1.34
25
PROBLEMA 1.19 En la siguiente figura, considerando que el peso W de la barra es de 100kg,
evaluar el momento de giro en el punto A.
Solución:
Fig. 1.32
Como se sabe, la ubicación del peso debe ser en la parte media de la barra, calculando las
distancias respectivas, que se muestran en la figura 1.33,a y 1.33,b
Evaluamos el momento en el apoyo A
Fig. 1.33
MA  150.(3,04)  220.(2,28) 100.(1,14)  1071,6kg.m
El sentido es horario por ser negativo
PROBLEMA 1.20 Determinar la relación a/b, sabiendo que el momento en la base A del poste es
nulo.

Fig. 1.36
26
Solución:
Como el momento respecto a un punto es fuerza x distancia, aplicamos este concepto al presente
problema.
MA  9F.(b)  2F.(2b) 10F.(1,5b)  6F.(a)  8F.(1,5a)  4F.(2a)  28Fb  26Fa
Por condición del problema:
De donde:
 28Fb  26Fa  0
a
 1,077
b
PROBLEMA 1.21 La fuerza F actúa sobre las tenazas del brazo de robot. Los momentos de F
respecto a los puntos A y B son de 120N.m y 60N.m respectivamente, ambos en sentido antihorario.
Determinar F y el ángulo 
Solución:
Fig. 1.35
Efectuamos los momentos respecto a los puntos A y B, descomponiendo la fuerza F y calculando por
geometría las distancias:
PUNT O “ A” :
PUNT O “
B” :
Fcos .(1561,23)  Fsen.(150)  120000
Fcos .(1041,62)  Fsen.(450)  60000
(a)
(b)

27
Fsen  57,33
Fcos   82,37
(c)
(d)
Dividimos (c) entre (d) y obtenemos:
Luego:
tg  0,696
  arctg(0,696)  34,84o
F 
57,33
 100,35N
sen34,84o
1.4 MOMENTO DE UNA FUERZA RESPECTO A LOS EJES CARTESIANOS
PROBLEMA 1.22 En la figura mostrada, la fuerza F2 es paralela al plano XZ, determinar el momento
resultante respecto a cada uno de los ejes coordenados.
Solución:
Fig. 1.37
Proyectamos la fuerza F2 en los ejes OX y OZ (figura 1.38)
Fig. 1.38

28
X
Y
Z
Resolvemos el problema de las dos formas: escalar y vectorial
METODO ESCALAR:
Proyectamos las fuerzas en los planos YZ (momento respecto al eje OX), XZ (momento respecto al
eje OY), XY (momento respecto al eje OZ)
EJE OX (PLANO YZ):
Calculamos el momento respecto al eje OX
M  400.1  600 cos 60o
(4)  1600N.m
Como el signo es negativo, el sentido del momento es horario, tal como se muestra en la figura 1.39
EJE OY (PLANO XZ):
Fig. 1.39
Efectuamos un proceso análogo al caso anterior.
M  600sen60o
.(1) 100.(1)  419,61N.m
El sentido del momento es antihorario, por ser positivo su valor (figura 1.40)
EJE OZ (PLANO XY):
Fig. 1.40
M  600sen60o
.(4)  400.(2)  1278,46N.m
El sentido del momento es horario, por ser negativo su valor (figura 1.41)

29
2 0 1
 rOB xF1.OA 0 400 0  400
1 0 0
 
M
M
M
F2
F4
METODO VECTORIAL:
EJE OX:
0 0 1
F3
Fig. 1.41
MOA  rOC xF3 .OA  100
1
0 0  0
0 0
Donde:
rOC  k
F3  100i
2i
OA
 i
22
(radio-vector que se inicia en O e interseca la fuerza)
(vector unitario en la dirección del eje OX)
Como se podrá apreciar, no era necesario calcular dicho momento, ya que se sabe por propiedades
que el momento de una fuerza respecto a un eje paralelo a la acción de la misma es cero.
F1
OA
OA  rOG xF2 .OA
0
 600sen60o
1
4 1
0 0  0
0 0
Tampoco era necesario su cálculo, debido a la misma propiedad que el de la fuerza F3
OA  rOF xF
0 4
4 .OA  0 0
1 0
0
 600cos 60o
0
 2400cos 60o
 1200
Luego:
MX  400 1200  1600N.m
Como el signo es negativo, indica que su orientación es en sentido horario.

30
2 0 1
 rOB xF1.OC 0 400 0  800
0 0 1
M
Y
Z
EJE OY:
Por propiedad se sabe, que F1 no genera momento por ser paralelo al eje OY y F4 tampoco genera
momento por intersecar el eje.
Calculamos los momentos que generan las fuerzas F3 y F2
0 0 1
F3
MOF  rOC xF3 .OF  100
0
0 0  100
1 0
Donde:
OF 
F2
4j
 j
42
0 4 1
o o
MOF  rOG xF2 .OF  600sen60
0
0 0  600sen60
1 0
Luego:
M  100  600sen60o
 419,61N.m
El sentido del momento es antihorario
EJE OZ:
La fuerza F3 interseca el eje y no genera momento y la fuerza F4 tampoco genera momento por ser
paralela al eje.
Calculamos los momentos que generan las fuerzas F1 y F2
F1
OC
0 4 1
F2 o o
MOC  rOG xF2 .OC  600sen60
0
0 0  2400sen60
0 1
Luego:
M  800  2400sen60o
 1278,46N.m
El sentido del momento es horario.
PROBLEMA 1.23 Para la figura mostrada, determinar la fuerza resultante y el momento resultante
respecto a cada uno de los ejes coordenados, donde la fuerza de 2kN es paralela al plano XZ, la
fuerza de 4kN es vertical y la fuerza de 7kN es paralela al plano YZ
Solución:
Descomponemos la fuerza de 7kN en los ejes OY y OZ, y calculamos las proyecciones de la
resultante en los ejes OX, OY y OZ.
RX  FX   2

31
Z
X
Y
RY  FY  7sen60o
 6,062
R  4  7cos 60o
 7,5
Luego, la fuerza resultante es:
R  2i  6,062 j 7,5k
Fig. 1.42
Ahora, calculamos los momentos respecto a los ejes coordenados.
METODO ESCALAR:
EJE OX (PLANO YZ):
M  4.(2)  7cos 60o
.(2)  7sen60o
.(4)  39,25kN.m
El signo negativo indica que su orientación es en sentido horario
EJE OY (PLANO XZ):
Fig. 1.43
M  7cos 60o
.(1)  4.(1)  2.(5)  9,5kN.m
Una vez más el signo negativo indica que va en sentido horario.

32
M
Z
 0
EJE OZ (PLANO XY):
Fig. 1.44
M  7sen60o
.(1)  2.(1)  4,06kN.m
La orientación del momento es en sentido horario.
METODO VECTORIAL:
Fig. 1.45
Codificamos las fuerzas de la figura 1.42, de la siguiente manera:
F1  2kN (punto D)
F2  4kN (punto E)
F3  7kN (punto G)
Calculamos los momentos respecto a los ejes coordenados.
EJE OX:
F1
OX
1 2 4
F2
MOX  rOE xF2 .OX  0 0
1 0
 4  8
0
rOE  i  2j 4k

33
M
M
M
F3
F3
F3
OX  i
F2  4k
1 2 4
OX  rOG xF3 .OX  0
1
7sen60o
0
 7cos 60o
0
 14cos 60o
 28sen60o
 31,25
rOG  i  2j 4k
F3
Luego:
 7sen60o
j 7cos 60o
k
MX  8  31,25  39,25kN.m
La orientación del momento es en sentido horario.
EJE OY:
0 1 5
F1
MOY  rOD xF1.OY   2 0
0 1
0  10
0
rOD  j 5k
OY  j
F1  2i
F2
1 2 4
MOY  rOE xF2 .OY  0 0
0 1
 4  4
0
OY  rOG
1
xF3 .OY  0
0
2
7sen60o
1
4
 7cos 60o
0
 7cos 60o
 3,5
Luego:
MY  10  4  3,5  9,5kN.m
El momento va en sentido horario.
EJE OZ:
0 1 5
F1
MOZ  rOD xF1.OZ   2
0
0 0  2
0 1
OZ  k
1 2 4
OZ  rOG xF3 .OZ  0
0
7sen60o
0
 7cos 60o
1
 7sen60o
 6,06

34
Luego:
El momento va en sentido horario.
MZ  2  6,06  4,06kN.m
PROBLEMA 1.24 Se aplican a la pieza compuesta ABDE las cuatro fuerzas mostradas en la figura,
donde la fuerza de 50N es vertical, la fuerza de 250N paralela al eje X, las fuerzas de 300N y 120N
son paralelas al eje Y. Determinar la fuerza resultante y el momento resultante de todas las fuerzas
respecto a los ejes coordenados.
Solución:
Fig. 1.46
Proyectamos las fuerzas en cada eje, calculando su resultante parcial respecto a cada eje.
RX  250
RY  300 120  420
RZ  50
Luego, la fuerza resultante es:
R  250i  420j 50k
Ahora, analizamos los momentos respecto a los ejes coordenados:
METODO ESCALAR:
EJE OX (PLANO YZ):
MX  50.200 120.100  22000N.mm  22N.m

35
EJE OY (PLANO XZ):
MY  0
EJE OZ (PLANO XY):
Fig. 1.47
Fig. 1.48
MZ  120.160  250.200  30800N.mm  30,8N.m
METODO VECTORIAL:
Fig. 1.49
Escribimos las fuerzas en forma vectorial, asumiendo que los módulos de las fuerzas son F1  50N ;
F2  300N ; F3  250N y F4  120N

36
1
2
3
M 4
 M  M  M  M
1
2
3
F4

F1  50k

F2  300 j

F3  250i

F4  120 j
Luego:
 4     
R  Fi  F1  F2  F3  F4  250i  420j 50k
i1
Ahora, determinamos los momentos respecto a los ejes coordenados:
EJE OX:
0 200 10
F1
MOX  rOF xF1.X  0 0  50  50.200  10000N.mm
1 0 0
0 220 0
F2
MOX  rOF xF2 .X  0  300 0  0
1 0 0
170
F3
200 0
MOX  rOF xF3 .X   250 0 0  0
1 0 0
OX  rOF xF4 .X 
160
0
1
220
120
0
100
0
0
 (120).(100)  12000N.mm
Luego:
MX
F1 F2
OX OX
F3 F4
OX OX  10000 12000  22000N.mm  22N.m
EJE OY:
F1
0 200 10
MOY  rOF xF1.Y  0 0  50  0
0 1 0
0 220 0
F2
MOY  rOF xF2 .Y  0  300 0  0
0 1 0
170
F3
200 0
MOY  rOF xF3 .Y   250 0 0  0
0 1 0

37
OY OF 4 Y
 M  M  M  M
1
2
3
OZ OF 4 Z
 M  M  M  M
M  0
M
Y
MF4
 r xF . 4
160
0
0
220
120
1
100
0  0
0
Luego:
EJE OZ:
F1 F2
Y OY OY
F3 F4
OY OY
0 200 10
F1
MOZ  rOF xF1.Z  0 0  50  0
0 0 1
0 220 0
F2
MOZ  rOF xF2 .Z  0  300 0  0
0 0 1
170
F3
200 0
MOZ  rOF xF3 .Z   250 0 0  (250).(200)  50000N.mm
0 0 1
MF4
 r xF . 4
160
0
0
220
120
0
100
0
1
 160.(120).1  19200N.mm
Luego:
F1 F2
Z OZ OZ
F3 F4
OZ OZ  50000 19200  30800N.mm  30,8N.m
PROBLEMA 1.25 Una fuerza única P actúa sobre el punto C en dirección perpendicular al mango
BC, el cual es paralelo al eje X. Determinar el valor del ángulo  y el momento MX de la fuerza P
con respecto al eje X, cuando   70o
, sabiendo que M  20N.m y MZ  37,5N.m
Solución:
Resolvemos el problema por ambos métodos.
Fig. 1.50

38
X
METODO ESCALAR:
EJE OX (PLANO YZ):
M  0,2sen70o
.(P cos )  0,2cos 70o
.(Psen)
EJE OY (PLANO XZ):
MY  P cos .(0,25)  0,25P cos 
Fig. 1.51
EJE OZ (PLANO XY):
MZ  0,25Psen
Fig. 1.52
Fig. 1.53

39
r
X
OC
o
O
X
Por datos del problema:
Dividimos (b) entre (a) y obtenemos:
Luego:
 0,25P cos   20
 0,25Psen  37,5
tg  1,875
  arctg(1,875)  61,93o
(a)
(b)
Reemplazamos el valor obtenido en la ecuación (a):
P 
20
170N
0,25cos 61,93o
Ahora, determinamos el momento respecto al eje “X”
M  0,2sen70o
.(170).cos61,93o
 0,2cos 70o
.(170).sen61,93o
 25,29N.m
El sentido del momento es antihorario.
METODO VECTORIAL:
Trazamos un vector rOC , siendo:

 0,25i  0,2sen70o
j 0,2cos 70o
k

P  (Psen).j  (Pcos ).k
Luego:
i j k
 
MO  rOC xP  0,25
0
0,2sen70o
 Psen
0,2cos 70o
Pcos 
M  i
0,2sen70 0,2cos 70o
 j
0,25 0,2cos 70o
 k
0,25 0,2sen70o
O
 Psen Pcos  0 Pcos  0  Psen
M  (0,2sen70o
Pcos   0,2cos 70o
Psen)i  (0,25P cos ) j (0,25Psen)k
Siendo:
M  0,2sen70o
Pcos   0,2cos 70o
Psen
MY  0,25P cos 
MZ  0,25Psen
Por datos del problema:
Dividimos (b) entre (a) y obtenemos:
Luego:
 0,25P cos   20
 0,25Psen  37,5
tg  1,875
(a)
(b)

40
X
  arctg(1,875)  61,93o
Reemplazamos el valor obtenido en la ecuación (a):
P 
20
170N
0,25cos 61,93o
Ahora, determinamos el momento respecto al eje “X”
M  0,2sen70o
.(170).cos61,93o
 0,2cos 70o
.(170).sen61,93o
 25,29N.m
Como se podrá apreciar se obtienen los mismos resultados por ambos métodos.
1.5 CUPLA O PAR DE FUERZAS
PROBLEMA 1.26 ¿Será correcto afirmar que los dos sistemas mostrados son equivalentes?
Solución:
Fig. 1.54
Calculamos los momentos que generan ambos sistemas, ya que se trata de cuplas o pares de
fuerzas, cuyas proyecciones como fuerzas en los ejes X e Y son ceros.
SISTEMA I:
SISTEMA II:
MI  20.0,3  6N.m
MII  10.0,2  4  6N.m
Efectivamente, ambos sistemas son equivalentes, ya que generan el mismo momento. Hay que
aclarar, que sistema equivalente no es lo mismo que igual, ya que generan diferentes efectos.
PROBLEMA 1.27 Los trabajadores del sector petrolero pueden ejercer entre 220N y 550N con cada
mano sobre el volante de una válvula (una mano en cada lado). Si para cerrar la válvula se requiere
un par de momento de 140N.m, determinar el intervalo del diámetro “d” que debe tener el volante.
Fig. 1.55

41
Solución:
Analizamos cada caso, es decir:
FUERZA 220N:
Se sabe:
Reemplazamos valores:
Obtenemos:
FUERZA 550N:
Fd  M
220d  140
d  0,636m
Analizamos en forma análoga al caso anterior:
550d  140
d  0,254m
Luego, el intervalo en el cual puede variar el diámetro del volante es:
0,254m  d  0,636m
PROBLEMA 1.28 La placa delgada en forma de paralelogramo mostrado en la figura, se somete a la
acción de dos pares de fuerzas (cuplas), determinar:
a) El momento formado por las dos fuerzas de 210N, indicando su sentido.
b) La distancia perpendicular entre las fuerzas de 120N, si el par resultante de los dos pares es
nulo.
Solución:
Fig. 1.56
a) El momento del par formado por las dos fuerzas de 210N es:
M210  210.0,16  33,6N.m
La orientación del momento es sentido antihorario.
b) Por dato del problema:
M120  M210  0
120d  33,6  0
d  0,28m
Siendo “d” la distancia perpendicular entre las fuerzas de 120N

42
PROBLEMA 1.29 Si el sistema mostrado es equivalente a un par
de  tal que F sea mínimo y luego estimar el valor de F mínimo.
M  16T.m , determinar el valor
Solución:
Fig. 1.57
En la figura 1.58 se muestra la distancia “d” que separa ambas fuerzas F
Se sabe que:
Reemplazamos valores:
Fig. 1.58
M  F.d
16  F.(2sen)
F 
8
sen
El valor de F será mínimo, cuando el denominador, es decir sen , sea máximo, esto es:
Luego:
Fmín  sen  1 
Fmín  8T
  90o
1.6 TRASLACION DE FUERZAS. PAR DE TRANSPORTE
PROBLEMA 1.30 Trasladar todas las fuerzas mostradas al punto B y expresarlas como una sola
fuerza más un momento. En su respuesta debe incluir la dirección de la fuerza.
Solución:
Como se sabe, el resultado de trasladar una fuerza hacia otro punto, generará un momento más la
acción de la fuerza en dicho sentido, por ello, el equivalente de un sistema de fuerzas, será la suma
de las proyecciones de las fuerzas en los ejes vertical y horizontal más el momento resultante de
todas ellas.

43
F
F
R F RH
R
F
RV
RH
RV
10
Fig. 1.59
En base a lo indicado anteriormente, calculamos las proyecciones de las fuerzas en el punto B y
determinamos la resultante de las mismas.
B
 30  40  70T 
B
 20 10  10T 
FB
 B
2
 FB
2
 702
102
 70,71T
Determinamos el ángulo  que forma la fuerza resultante FB
con el eje horizontal
FB
70
tg  RV
  7    arctg(7)  81,87o
B
RH
Ahora, calculamos el momento resultante:
Fig. 1.60
MB  30.2 10.1  40.1  10T.m
Esquematizamos los resultados obtenidos en la figura 1.61
Fig. 1.61

44
F
F
R F RH
R
F
RV
RH
RV
RH
B
PROBLEMA 1.31 Trasladar todas las fuerzas mostradas al punto B y expresarlas como una sola
fuerza más un momento. En su respuesta debe incluir la dirección de la fuerza.
Solución:
Fig. 1.62
Calculamos las proyecciones de las fuerzas en el punto B y determinamos la resultante de las
mismas.
B
 700  800sen60o
1392,82N 
B
 600  800 cos 60o
 1000N 
FB
 B
2
 FB
2
 1392,822
10002
1714,63N
Determinamos el ángulo  que forma la fuerza resultante FB
con el eje horizontal.
FB
1392,82
tg  RV
  1,3928    arctg(1,3928)  54,32o
B
1000
Ahora, calculamos el momento resultante:
Fig. 1.63
M  800sen60o
.(0,5)  800 cos 60o
.(2)  700.(2,5)  200  803,59N.m
Esquematizamos los resultados obtenidos en la figura 1.64

45
M X
R
Fig. 1.64
1.7 REDUCCION DE FUERZAS PARALELAS
PROBLEMA 1.32 En la figura 1.65 se muestra una platea de cimentación, donde actúan las cuatro
columnas, sabiendo que la fuerza resultante actúa en el punto (3; 3,5) m del plano XY. Determinar
los módulos de las fuerzas P y Q
Solución:
Calculamos el valor de la resultante:
Fig. 1.65
R  P  Q  40 12  (P  Q  52) 
Aplicamos el Teorema de Varignon para fuerzas paralelas, sabiendo que por condición del problema,
la ubicación de la fuerza resultante es la mostrada en la figura 1.66
1) X
4
 MFi
i1
 (P  Q  52).(3,5)  P.(4)  Q.(10) 12.(10)
0,5P  6,5Q  62 (a)

46
M Y
R
2) Y
4
 MFi
i1
(P  Q  52).(3)  P.(10)  Q.(5)
7P  2Q  156 (b)
Resolvemos (a) y (b), obteniendo:
P  20T
Q  8T
Fig. 1.66
PROBLEMA 1.33 La figura muestra una platea de cimentación, donde se encuentran apoyadas las
columnas con las fuerzas indicadas. Determinar los módulos de P y Q, de tal manera que el centro
de presión pase por (2,4; 0,8) m.
Solución:
Fig. 1.67
8
R  Fi 15.(3)  20  2.(10)  P  Q  (85  P  Q) 
i1

47
M X
M Y
R
R
Aplicamos el Teorema de Varignon, sabiendo que el centro de presión es el lugar donde se ubica la
resultante.
1) X
8
 MFi
i1
 (85  P  Q).0,8  (10  P 15).5  20.3 10.6
4,2P  0,8Q  63 (a)
2) Y
8
 MFi
i1
(85  P  Q).2,4  (20  P  Q).2,5  30.5
P  Q  40 (b)
P  19T
Q  21T
PROBLEMA 1.34 La figura muestra una platea de cimentación que tiene la forma de un hexágono
regular ABCDEF (en planta) de 6m de lado, sobre la cual se encuentran 6 columnas. Determinar los
valores de P y Q, de modo que la fuerza resultante pase por el centro O de la platea.
Solución:
Fig. 1.68
Un hexágono regular es aquel que tiene todos sus ángulos internos iguales y son de 120o
. También
se puede definir, como una figura formada por 6 triángulos equiláteros (figura 1.69)
Fig. 1.69

48
M X
M Y
R
R
Aplicamos el Teorema de Varignon:
1) X
6
 MFi
i1
0  20.3 10.3  30.6 15.6  P.(3)  Q.(3)
P  Q  60 (a)
2) Y
6
 MFi
i1
0  P.(5,2) 10.5,2  20.5,2  Q.(5,2)
P  Q  10 (b)
P  35T
Q  25T
1.8 FUERZAS DISTRIBUIDAS
PROBLEMA 1.35 Determinar la resultante de la carga distribuida que actúa sobre la barra ABC e
indicar su dirección, sentido y ubicación.
Solución:
Fig. 1.70
Calculamos las resultantes de cada acción de la carga distribuida sobre una línea, sabiendo que
dicho valor es igual al área de la figura. Para ello, dividimos en 3 figuras geométricas: 2 rectángulos y
1 triángulo.
RECTANGULO EN EL TRAMO AB:
R1  500.3  1500lb 
Está ubicada en el centro del tramo AB (centro de gravedad del rectángulo formado por la carga
distribuida de 500lb/pie con el tramo AB)
RECTANGULO EN EL TRAMO BC:
R2  500.4  2000lb 
Está ubicada en el centro del tramo BC (centro de gravedad del rectángulo formado por la carga
distribuida de 500lb/pie con el tramo BC)
TRIANGULO EN EL TRAMO BC:
R 
1
.300.4  600lb 
3
2

49
M ZZ
Está ubicada a una distancia de 2/3 de la longitud del tramo BC respecto al punto B (centro de
gravedad del triángulo formado por la diferencia de 800lb/pie y 500lb/pie con el tramo BC), es decir,
a una distancia 2,67pie respecto al punto B o a una distancia 1,33pie respecto al punto C.
Fig. 1.71
Calculamos la resultante del sistema de fuerzas distribuidas:
3
R  FY 1500  2000  600  4100lb 
i1
Para determinar la ubicación de la resultante, aplicamos el Teorema de Varignon:
3
R
 MFi
i1
 Rx  1500.(1,5)  2000.(5)  600.(5,67)
 4100x  15652
x  3,82pie
PROBLEMA 1.36 La resultante de las dos cargas distribuidas triangulares es un par antihorario de
60kN.m. Determinar la intensidad de la carga w0
Fig. 1.72

50
Solución:
Determinamos las resultantes y orientamos sus direcciones de acuerdo a lo mostrado en la figura
1.73
Fig. 1.73
Calculamos el valor de w0, aplicando el concepto de cupla o par de fuerzas
1,5w 0 .(5,5)  60
w0  7,27kN / m
PROBLEMA 1.37 Para la platea de cimentación mostrada en la figura, determine la resultante del
sistema de fuerzas, así como su ubicación y sentido, si todas las cargas distribuidas son lineales.
Solución:
Fig. 1.74
Calculamos la ubicación y valor de las resultantes parciales de cada tramo.
TRAMO FJ:
R1  3000.3  9000N
Fig. 1.75

51
TRAMO EF, HJ:
R2  3000.4  12000N
TRAMO EG:
R3  3000.5  15000N
TRAMO AD:
Fig. 1.76
Fig. 1.77
R 
1
.(3).(2500)  3750N4
2
TRAMO AB:
R5  2000.4  8000N
Fig. 1.78
R 
1
.(4).(2500)  5000N6
2
Fig. 1.79

52
M X
M Y
R
R
8
R  Ri 1500  9000 12000.2  5000  8000 15000  3750  66250N 
i1
Aplicamos las cargas a la platea de cimentación, tal como se muestra en la figura 1.80
Fig. 1.80
Para determinar la ubicación de la resultante, utilizamos el Teorema de Varignon.
1) X
8
 MFi
i1
 66250y  9000.1,5 15000.1,5 12000.3  3750.1 1500.3  5000.3  8000.3
y  0,373m
2) Y
8
 MFi
i1
 66250x  12000.2 12000.2 1500.4  9000.4  5000.1,33  8000.2 15000.2  3750.4
x  0,337m
Esto quiere decir, que la ubicación de la resultante es la misma que la mostrada en la figura 1.80
PROBLEMA 1.38 Sabiendo que la abscisa de las coordenadas del centro de presión del conjunto de
cargas distribuidas es 1,073m. Determinar el valor de “a”
Solución:
Determinamos las resultantes de la acción de cada carga distribuida sobre superficie:
CARGA TRIANGULAR:
CARGA RECTANGULAR:
P 
1
.(3000).(a).(1,5)  2250a1
2

53
M YY
CARGA SEMICIRCULAR:
P2  3000.(1,5).(2)  9000
 
P  3000. .(1)2
 4712,393
 2 
3
R  Pi  2250a  9000  4712,39  (2250a 13712,39) 
i1
Fig. 1.81
Ahora, aplicamos las fuerzas (figura 1.82) y el Teorema de Varignon:
3
R
 MPi
i1
(2250a 13712,39).1,073  2250a.(0,75)  9000.(0,75)  4712,39.(1,924)
a  1,518m
Fig. 1.82

54
PROBLEMA 1.39 Para la platea de cimentación mostrada en la figura, se sabe que además de la
carga distribuida w  2T / m2
; existe una carga puntual vertical dirigida hacia abajo de magnitud
P  16T ubicada en (2; 0; 2) y que CD es paralelo al eje OZ. Determinar la resultante del sistema y
su ubicación.
Solución:
Fig. 1.83
Calculamos las resultantes de las cargas distribuidas en las zonas rectangular y triangular
SECTOR RECTANGULAR:
SECTOR TRIANGULAR:
R1  3.6.2  36T
R 
1
.3.3.2  9T2
2
Ubicamos las fuerzas resultantes y la carga P  16T , de acuerdo a lo indicado en el problema
Fig. 1.84
Calculamos la resultante del sistema de fuerzas:
R  36 16  9  61T 

55
M X
M Z
M X
R
R
2
X
Aplicamos el Teorema de Varignon, teniendo en cuenta los ejes coordenados:
1) X
3
 MFi
i1
61.z 16.2  36.3  9.5
z  3,03m
2) Z
3
 MFi
i1
 61.x  16.2  36.1,5  9.4
x  2m
En consecuencia, las coordenadas del centro de presión son (2; 0; 3,03) m.
PROBLEMA 1.40 Determinar las coordenadas del centro de presión de las fuerzas distribuidas
mostradas en la figura, donde el cilindro circular hueco de 1,5m de radio se encuentra en la parte
central correspondiente a las fuerzas distribuidas uniforme sobre una superficie de la zona positiva
de los ejes X, Y, Z
Solución:
Fig. 1.85
Calculamos las resultantes de la carga distribuida triangular y la carga rectangular con círculo interior
CARGA TRIANGULAR:
R 
1
.3.6.2000  18000N1
2
CARGA RECTANGULAR CON CIRCULO INTERIOR:
R  (6.6  .1,52
).2000  57862,83N
Ubicamos las fuerzas resultantes en la figura 1.86 y determinamos el valor de la resultante:
R  18000  57862,83  75862,83N 
Aplicamos el Teorema de Varignon:
2
R
 MFi
i1

56
De donde:
 75862,83.y  57862,83.3 18000.1
y  2,05m
Luego, las coordenadas del centro de presión son (3; 2,05; 0) m.
Fig. 1.86

57
CAPITULO 2
EQUILIBRIO
2.1 DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE
PROBLEMA 2.1 Dibuje el diagrama de cuerpo libre (DCL) debidamente acotado para:
a) La viga isostática ABC
b) La viga hiperestática AB
Fig. 2.1
Solución:
Fig. 2.2
Se denomina diagrama de cuerpo libre (DCL), al esquema resultante de eliminar los apoyos, fuerzas
distribuidas y cargas puntuales inclinadas, reemplazándolos por sus reacciones y fuerzas
equivalentes resultantes de las cargas distribuidas o componentes de las cargas puntuales
inclinadas.
Hay que recordar, que un apoyo simple posee 1 reacción, el apoyo fijo posee 2 reacciones y el
empotramiento 3 reacciones (2 fuerzas y 1 momento).
También hay que aclarar, que una viga es isostática, cuando se puede resolver su equilibrio por las
ecuaciones simples de la estática e hiperestática, cuando no se puede resolver por las ecuaciones
simples de la estática y necesita ecuaciones adicionales de compatibilidad.
a) Calculamos la resultante de la carga trapezoidal, dividiéndola en una carga uniformemente
distribuida y otra carga triangular.
CARGA UNIFORMEMENTE DISTRIBUIDA:
R1  2000.3  6000N 

58
CARGA TRIANGULAR:
R 
1
.2000.3  3000N 2
2
Luego, descomponemos la carga puntual inclinada.
CARGA INCLINADA:
R3X
R
 800cos 60o
 400N 
 800sen60o
 692,82N 3Y
Ubicamos las cargas resultantes en los centros de gravedad para las distribuidas y en el punto
de acción de las mismas para las puntuales descompuestas, tal como se muestra en la figura
2.3. Nótese, que el momento queda igual.
Fig. 2.3
b) Efectuamos en forma análoga con la viga hiperestática AB
CARGA TRIANGULAR:
R 
1
.1200.1,5  900N 1
2
R2  2,5.1200  3000N 
Con estos valores, esquematizamos el DCL de la viga hiperestática.
Fig. 2.4

59
PROBLEMA 2.2 Para la viga mostrada en equilibrio, cuyo peso es 300N, donde en A existe un
empotramiento, dibuje su diagrama de cuerpo libre (DCL) debidamente acotado.
Solución:
Fig. 2.5
Calculamos las resultantes de la carga trapezoidal, dividiéndola en uniformemente distribuida y
triangular.
R1  200.(4,5)  900N 
CARGA TRIANGULAR:
R 
1
.(4,5).(300)  675N 2
2
Luego, el DCL será el mostrado en la figura 2.6
Fig. 2.6
Como se puede apreciar, el peso se ubica en el centro de la viga.
2.2 CALCULO DE REACCIONES DE ESTRUCTURAS SIMPLES
PROBLEMA 2.3 Determinar las reacciones en los apoyos de las siguientes armaduras:

60
Solución:
Fig. 2.7
a) Esquematizamos las reacciones como se muestra en la figura 2.8, calculando sus valores por las
ecuaciones simples de equilibrio estático en el plano.
Fig. 2.8
Para determinar el momento en A, aplicamos el concepto de momento respecto de un punto y
recordando que la orientación del momento es positiva en sentido antihorario y negativa en
sentido horario.
MA  0 
FY  0 
VP .(18)  2.(3) 8.(3)  8.(6)  8.(9) 8.(12)  8.(15)  4.(18)  0
VP  24,33T 
VA  24,33  4.(2)  8.(5)  0
VA  23,67T 
FX  0  2  HA  0
HA  2T 
b) Esquematizamos las reacciones como se muestra en la figura 2.9

61
Fig. 2.9
Para calcular las reacciones, previamente, será necesario calcular el valor del ángulo 
Fig. 2.10
tg 
4,5


  arctg     18,435o
13,5
Ahora, determinamos la longitud del tramo AF
1
 3
LAF  13,52
 4,52
 14,23m
MA  0  VM .(27)  90.(4,743)  90.(9,486)  45.(14,23)  0
VM  71,147kN 
FY  0  VA  71,147  2.(45 cos18,435o
)  2.(90 cos18,435o
)  0
VA  184,997kN 
FX  0   HA  2.(45sen18,435o
)  2.(90sen18,435o
)  0
HA  85,382kN 
Nótese, que para la sumatoria de fuerzas proyectadas en los ejes horizontal y vertical, se tuvo
que descomponer las fuerzas de 45kN y 90kN en dichos ejes.
PROBLEMA 2.4 Sabiendo que la viga homogénea AD pesa W, determinar la distancia “x” tal que la
componente de reacción en el apoyo B sea el doble de la componente de reacción en C
Fig. 2.11

62
Solución:
Por condición del problema, sabemos que VB  2VC , entonces analizamos el equilibrio de la viga.
W
FY  0  VB  VC  W  VC  
3
V 
2W
B
3
Luego, esquematizamos las reacciones en la viga y determinamos la distancia “x”
Fig. 2.12
2W W
MA  0  .(x)  W.(3) 
3
.(4)  0
3
 x  2,5m
PROBLEMA 2.5 Determinar el peso de la viga y las componentes de reacción en el apoyo A, si la
reacción en B es 14,44kN
Solución:
Fig. 2.13
Esquematizamos el peso de la viga como P y lo ubicamos en el centro de la misma, analizando el
equilibrio de la estructura.
MA  0
Fig. 2.14
 14,44.(3)  P.(2,5)  6  4sen60o
.(5)  0  P  8kN
FX  0  HA  4cos 60o
 0  HA  2kN 

63
FY  0   VA 14,44  8  4sen60o
 0  VA  2,97kN 
PROBLEMA 2.6 Determinar las reacciones en los apoyos de las siguientes vigas:
Solución:
Fig. 2.15
a) Esquematizamos las reacciones, como se muestra en la figura 2.16 y calculamos sus reacciones
MB  0 
FY  0 
FX  0 
Fig. 2.16
VC .(6) 10.(6).(3)  4  0 
VB  29,33  8 10.(6)  0 
HB  0
VC  29,33T 
VB  38,67T 
b) Esquematizamos sus reacciones (figura 2.17) y determinamos sus valores, descomponiendo la
carga puntual de 60kN en sus fuerzas horizontal y vertical.
Fig. 2.17

64
o
o
MB  0  VC .(12)  30.(6) 10.(12).6  (60sen15 ).(18)  (60cos15o
).(4)  0
FY  0  VB
VC  41,02kN 
 41,02  30 10.(12)  60sen15o
 0
VB  93,45kN 
FX  0   HB  60cos15  0
HB  57,95kN 
PROBLEMA 2.7 Determinar las reacciones en los apoyos de las siguientes barras de eje quebrado:
Solución:
Fig. 2.18
a) Calculamos las resultantes de la acción de la carga uniformemente distribuida de 12T/m y la
carga trapezoidal, dividiendo esta última en 2 resultantes parciales de una uniformemente
distribuida y otra triangular, esquematizando todas las cargas y reacciones de la barra de eje
quebrado en la figura 2.19

65
Fig. 2.19
Determinamos las reacciones por las ecuaciones de equilibrio estático:
MC  0 

 VA .(8)  60cos 53 .(6,5)  60sen53 .(2)  60.(2,5) 15.(1,667)  0o o
VA  63,125T 
FY  0  63,125  VC  60cos 53o
 60 15  0
FX  0  60sen53o
VC  47,875T 
 HC  0
HC  48T 
b) Orientamos las reacciones en los apoyos como se muestra en la figura 2.20 y determinamos sus
valores mediante el equilibrio estático.
MA  0 
Fig. 2.20
V .(7)  800.(5).(2,5) 
1
.(3).(2000).(6)  3000.(4)  0C
2
VC  5714,28N 

66
o
o
FY  0  VA  5714,28  800.(5).cos 37  3000 
1
.(3).(2000)  0
2
FX  0  800.(5).sen37
VA  3485,72N 
 HA  0
HA  2400N 
PROBLEMA 2.8 En la siguiente estructura en equilibrio se tiene una barra doblada ABC, la cual
pesa 330kgf, determinar las componentes de reacción en los apoyos A y C
Solución:
Fig. 2.21
Como el peso total es 330kgf, determinamos los pesos en los tramos AB y BC, dividiéndolo en forma
proporcional a su longitud, obteniendo:
PAB  180kgf
PBC  150kgf
Calculamos las resultantes de las cargas distribuidas y ubicamos dichas resultantes en el DCL de la
viga doblada ABC, tal como se muestra en la figura 2.22
Fig. 2.22

67
C
o
Calculamos las reacciones en los apoyos, aplicando las ecuaciones de equilibrio estático en el plano
MA  0 
V .(10)  2025.(1,5) 180.(3)  225.(5,5)  400.(6) 150.(8)  3000 cos 53o
.(1,5)  3000sen53o
.(8)  0
VC  2784kgf 
FY  0  VA  2784  225  2025 180  400 150  3000sen53o
 0
VA  2146kgf 
FX  0  HA  3000 cos 53  0
HA  1800kgf 
PROBLEMA 2.9 Determinar las reacciones en los apoyos A y C de la estructura mostrada en la
figura 2.23
Solución:
Proyectamos la reacción RA
estructura.
Fig. 2.23
en la horizontal y vertical (figura 2.24) y analizamos el equilibrio de la
Fig. 2.24

68
o
AMC  0   RA cos18o
.(15)  R sen18o
.(10,8)  675.(7,5)  88,29.(4,5)  0
RA  310,216kN
FY  0  VC  310,216 cos18o
 675  0
FX  0
VC  379,967kN 
  HC 88,29  310,216sen18  0
HC  7,572kN 
Nótese, que la reacción RA forma un ángulo de 18o
con la vertical
PROBLEMA 2.10 Determinar las reacciones en los apoyos de los siguientes pórticos, considerando
para el caso b) que la carga de 10kN y el momento de 8kN.m dividen a la barra CD en tres tramos
iguales.
Solución:
Fig. 2.25
a) Orientamos las reacciones en los apoyos, como se muestra en la figura 2.26, calculando las
reacciones por las ecuaciones de equilibrio estático.

69
MA  0
FY  0
FX  0
Fig. 2.26
 VD .(10,8)  60.(10,8).(5,4)  54.(7,2) 108.(3,6)  0
VD  396kN 
 VA  396  60.(10,8)  0
VA  252kN 
  HA 108  54  0
HA  162kN 
b) Esquematizamos las reacciones en los apoyos, tal como se muestra en la figura 2.27 y
calculamos sus valores por el equilibrio estático.
MA  0
Fig. 2.27

V .(7) 15.(4).(2) 
1
.(4).(20).
2
.4 10cos 53o
.(5) 10sen53o
.
8
  8  0
 
D
2  3 
 
 3
VD  32,476kN 

70
o
FY  0  V  32,476 
1
.(4).(20) 10cos 53o
 0A
2
VA  13,524kN 
FX  0   HA 10sen53 15.(4)  0
HA  52kN 
2.3 CALCULO DE REACCIONES DE ESTRUCTURAS CON ROTULAS INTERMEDIAS
PROBLEMA 2.11 Determinar las reacciones en los apoyos A, C y D, sabiendo que en B existe una
rótula.
Solución:
Fig. 2.28
Efectuamos un corte en la rótula B y analizamos el equilibrio en el tramo AB de la viga, sabiendo que
en una rótula existen 2 fuerzas internas.
MA  0
FY  0
 VB .(30)  450.(12)  45.(30).(15)  0
VB  855kN 
 VA  855  450  45.(10)  0
VA  945kN 
FX  0  HA  HB
Fig. 2.29

71
Ahora, analizamos el equilibrio del tramo BCD de la viga.
MD  0
FY  0
  VC .(36)  855.(54)  45.(54).(27)  360.(45)  0
VC  3555kN 
 3555  VD  855  360  45.(54)  0
VD  90kN 
FX  0  HB  0
De esta manera, se cumplirá que HA  HB  0
Fig. 2.30
Ahora, comprobamos el equilibrio de toda la viga, incorporando, para ello, las reacciones obtenidas
en el cálculo previo.
FX  0  0  0
Fig. 2.31
FY  0
MB  0
 945  3555  90  450  360  45.(84)  0

3555.(18)  90.(54)  450.(18)  945.(30)  360.(9)  45.(84).(12)  0
De esta manera, se ha comprobado el correcto cálculo de las reacciones en los apoyos.

72
PROBLEMA 2.12 Sabiendo que el siguiente sistema se encuentra en equilibrio, donde en C y E
existen rótulas, determinar las componentes de reacción en los apoyos A, B, D y F
Solución:
Fig. 2.32
Analizamos en forma consecutiva los tramos EF, CDE y ABC
TRAMO EF:
FX  0  HE  0
1
ME  0
FY  0
 VF .(1,8)  .(1,8).(3).(1,2)  0
2
 V 1,8 
1
.(1,8).(3)  0E
2
 VF  1,8T 
 VE  0,9T 
TRAMO CDE:
FX  0  HC  2cos 60o
Fig. 2.33
 0  HC  1T 
MC  0  VD .(1)  2sen60o
.(1)  0,9.(2)  0  VD  3,53T 
FY  0  3,53  VC  2sen60o
 0,9  0  VC  0,9T 

73
TRAMO ABC:
FX  0  HA 1  0
Fig. 2.34
 HA  1T 
MA  0
FY  0
  VB .(2)  0,9.(3)  0,5  2.(3).(0,5)  0 
 VA  0,1 2.(3)  0,9  0 
VB  0,1T 
VA  5,2T 
Fig. 2.35
Ahora, comprobamos el equilibrio de toda la viga, incorporando las reacciones obtenidas en el
cálculo previo.
FX  0  1 2cos 60o
Fig. 2.36
 0
FY  0
MF  0
 5,2  0,1 3,53 1,8  2.(3)  2sen60o


1
.(1,8).(3)  0
2
 3,53.(2,8)  0,1.(4,8)  5,2.(6,8)  0,5  2.(3).(6,3)  2sen60o
.(2,8) 
1
.(1,8).(3).(0,6)  0
2
De esta manera, se ha comprobado el correcto cálculo de las reacciones en los apoyos.

74
B
PROBLEMA 2.13 En el sistema mostrado en equilibrio, las barras AB y BC pesan 200kgf y 100kgf,
determinar las componentes de reacción en los apoyos A y C
Solución:
Fig. 2.37
Como se sabe, la resultante del peso de una estructura, se ubica en el propio centro de la misma y
en este caso, por ser B una rótula, efectuamos un corte en dicha rótula y analizamos el equilibrio de
los tramos BC y AB
TRAMO BC:
Mder
 0 
Fig. 2.38
VC .(1) 100.(0,5)  0  VC  50kgf 
FY  0
FX  0
TRAMO AB:
 VB  50 100  0
 HB  0
 VB  50kgf 
Fig. 2.39

75
Como se podrá apreciar, en la rótula B, la fuerza interna VB del tramo AB es igual que la del tramo
BC, pero en sentido opuesto.
FX  0  HA  0
1
FY  0  VA  200  50  .(3).(600)  0
2
VA  1150kgf 
1
MA  0  MA  50.(3)  200.(1,5)  .(3).(600).(2)  0
2
MA  2250kgf .m
El momento MA va orientado en el mismo sentido que la figura 2.39
PROBLEMA 2.14 En el sistema en equilibrio mostrado en la figura, se tienen dos barras dobladas
ABC de peso despreciable y CDE cuyo peso es 60kgf. Determinar las componentes de reacción en
los apoyos A y E
Solución:
Fig. 2.40
Distribuimos las reacciones y pesos en forma proporcional a su longitud y analizamos todo el sistema
(figura 2.41,a):
MA  0  V .(5)  H .(1,5) 
1
.(6).(50).(0)  24.(3,5)  36.(5) 120  0E E
2
5VE 1,5HE  144 (a)
Ahora, analizamos la parte derecha de la estructura, es decir derecha de la rótula C (figura 2.41,b):
Mder
 0C  VE .(3)  HE .(4,5)  24.(1,5)  36.(3) 120  0
3VE  4,5HE  24 (b)

76
VE  34kgf 
HE  17,33kgf 
Retornamos al sistema general (figura 2.41,a), analizando el equilibrio final:
FX  0  HA 17,33  0
HA  17,33kgf 
1
FY  0  VA  34  .(6).(50)  24  36  0
2
VA  176kgf 
Fig. 2.41
PROBLEMA 2.15 Determinar las reacciones en los apoyos A y C del arco triarticulado ABC
Solución:
Fig. 2.42
Analizamos el equilibrio del arco triarticulado ABC:
MA  0  VC .(36) 135.(6) 135.(12)  270.(30)  0
VC  292,5kN 

77
FY  0  VA  292,5 135 135  270  0
VA  247,5kN 
Para determinar las reacciones horizontales en A y C, efectuamos un corte en la rótula B y
analizamos el tramo AB del arco.
Mizq
 0B  247,5.(18) 135.(6) 135.(12)  HA .(9)  0
HA  225kN 
Fig. 2.43
Para determinar la reacción horizontal en el apoyo C, analizamos el equilibrio del arco ABC
FX  0  225  HC  0
HC  225kN 
De esta manera, las reacciones finales de todo el arco se muestran en la figura 2.44
Fig. 2.44

78
PROBLEMA 2.16 Determinar las reacciones en los apoyos A y B del arco triarticulado ACB
mostrado en la figura 2.45
Solución:
Efectuamos el equilibrio de todo el arco ACB
Fig. 2.45
MA  0  VB .(42)  360.(12) 180.(18) 180.(33)  HB .(6)  0
7VB  HB  2250
Ahora, efectuamos un corte en la rótula C y analizamos el equilibrio del tramo CB
Mder
 0
(a)
C  180.(9)  HB .(6)  VB .(18)  0
3VB  HB  270 (b)
VB  252kN 
HB  486kN 
Retornamos, para analizar el equilibrio de todo el arco, determinando las componentes de reacción
en el apoyo A
Fig. 2.46

Fig. 2.48
79
FX  0
FY  0
 HA  486  0
HA  486kN 
 VA  252  360 180 180  0
VA  468kN 
De esta manera, las componentes de reacción en los apoyos A y C se muestran en la figura 2.46
2.4 CALCULO DE ESTRUCTURAS COMPUESTAS
PROBLEMA 2.17 Para la estructura mostrada en equilibrio, determinar las componentes de reacción
en los apoyos A, E y la tensión en el cable FG
Solución:
Fig. 2.47
Efectuamos un corte por el cable y analizamos el equilibrio de toda la estructura.
MA  0 
VE .(5,9)  TFG .(2)  200.(3,9).(1,95) 
1
.(3,9).(100).(1,3)  60.(4,9)  0
2
5,9VE  2TFG  2068,5 (a)

Fig. 2.50
80
Ahora, efectuamos un corte en el perno B y analizamos el tramo BE
Mder
 0B  VE .(3)  TFG .(2)  0
2TFG  3VE (b)
Reemplazamos (b) en (a) y obtenemos:
Fig. 2.49
VE  713,27N 
TFG  1069,91N 
Luego, analizamos el equilibrio de todo el sistema:
FX  0  HA  TFG  0
HA  1069,91N 
(200  300).3,9
FY  0  VA  713,27   60  0
2
VA  321,73N 
PROBLEMA 2.18 Para la estructura mostrada en la figura, despreciando el peso de AD, se pide
calcular las reacciones en los apoyos, si el peso de la barra CDE es 125kg y el peso de la barra
quebrada GEB es 250kg.

81
Solución:
Calculamos las reacciones en el centro “C” de la polea:
FX  0
FY  0
 250  HC  0
 VC  250  0
Fig. 2.51


HC  250kg 
VC  250kg 
Ahora, pasamos dicho efecto en sentidos opuestos a la barra CDE y analizamos el equilibrio de la
barra CDE incluyendo su peso de 125kg
ME  0
FY  0
Fig. 2.52
 250.(14)  VD .(10) 125.(7)  0 
 437,5 125  250  VE  0 
VD  437,5kg 
VE  62,5kg 
Nos detenemos en el análisis y pasamos a la barra AD
MA  0
FX  0
  HD .(6)  0
 HA  0
Fig. 2.53
 HD  0

82
2
FY  0  VA  437,5  0  VA  437,5kg 
Ahora, retornamos al equilibrio de la barra CDE
FX  0  250  HE  0  HE  250kg 
Finalmente, analizamos el equilibrio de la barra GEB, aplicando los pesos en forma proporcional a
sus longitudes y las acciones de las otras componentes en G y E
FX  0
FY  0
Fig. 2.54
 250  250  HB  0
HB  0
  50  62,5  200  VB  0
VB  187,5kg 
 

2
MB  0   MB  250.(8)  250.(8  2)  50.

  0

MB  388,91kg.m
El sentido del momento MB es horario, tal como se muestra en la figura 2.54
PROBLEMA 2.19 Para la estructura mostrada en equilibrio, la polea tiene masa 120kg, determinar
las componentes de reacción en:
a) El centro E de la polea
b) Los apoyos A y C
c) La articulación G

83
Solución:
Fig. 2.55
a) Calculamos el peso en el centro de la polea:
P  mg  120.(9,81)  1177,2N
Luego, analizamos el equilibrio de la polea:
FX  0
FY  0
 500  HE  0
 VE  500 1177,2  0
 HE  500N 
 VE  1677,2N 
Fig. 2.56
b) Aplicamos todas las reacciones y sus acciones en toda la estructura (figura 2.57)
FX  0 
MA  0 
FY  0 
HA  500  500  0
HA  0
VC .(3,6)  500.(1,8)  500.(1,2) 1677,2.(2,4)  0
VC  1034,8N 
VA 1034,8 1677,2  0
VA  642,4N 

84
c) Analizamos el equilibrio de la barra BEG
Fig. 2.57
MB  0  VG .(2,4) 1677,2.(1,2)  0  VG  838,6N 
Fig. 2.58
Luego, analizamos el equilibrio de la barra DGC:
MD  0   500.(1,8)  HG .(2,4)  0 
Fig. 2.59
HG  375N 

85
PROBLEMA 2.20 La siguiente estructura está en equilibrio y formada por dos barras AB y BC de
pesos 50N y 80N respectivamente. Se pide:
a) Determinar las componentes de reacción en los apoyos.
b) Dibujar el diagrama de cuerpo libre del perno en B, indicando las componentes de las fuerzas
que actúan sobre el mismo.
Solución:
Fig. 2.60
a) Ubicamos las cargas y pesos sobre la estructura, analizando su equilibrio:
MA  0  VC .(2)  HC .(2,5)  80.(1) 100.(4)  200.(4).(2)  0
2VC  2,5HC  2080 (a)
Fig. 2.61
Ahora, analizamos el equilibrio de la parte derecha de la estructura, efectuando un corte en el
perno B.
Mder
 0B  VC .(2)  HC .(1,5)  80.(1)  0
2VC 1,5HC  80 (b)

86
' '
B B
Fig. 2.62
VC  415N 
HC  500N 
Analizamos el equilibrio del tramo BC:
FX  0  H'
 500  0  H'
 500N 
FY  0  415  80  VB  0  VB  335N 
Retornamos al sistema completo (figura 2.61), para analizar su equilibrio:
FX  0
FY  0
  HA  200.(4) 100  500  0 
  VA  50  80  415  0 
HA  400N 
VA  285N 
Ahora, analizamos la barra AB y comprobamos su equilibrio:
FX  0
FY  0
  400  HB  200.(4)  0
 VB  50  285  0
 HB  400N 
 VB  335N 
Fig. 2.63

87
b) Con los valores obtenidos, dibujamos el DCL del perno B y comprobamos que existe equilibrio
en dicho nudo, lo cual certifica el correcto cálculo.
FX  0
FY  0
 400 100  500  0
 335  335  0
Fig. 2.64
PROBLEMA 2.21 Para el sistema en equilibrio mostrado en la figura, calcular:
a) Las reacciones en el centro E de la polea
b) La reacción en el apoyo C y las fuerzas internas en el perno B
c) La reacción en el apoyo A y el diagrama de cuerpo libre del perno B
Solución:
Fig. 2.65
a) Calculamos las reacciones en el centro E de la polea:
FX  0
FY  0
 HE  20  0
 VE  20  0
 HE  20T 
 VE  20T 
Fig. 2.66

88
b) Efectuamos un corte en el perno B (rótula) y analizamos el equilibrio en la barra BC
MB  0  VC .(5)  25  0  VC  5T
FX  0  5cos 37o
 HB  0  HB  4T 
FY  0  5sen37o
 VB  0  VB  3T 
Fig. 2.67
c) Ahora, analizamos el equilibrio de la barra ADB, efectuándolo de 2 formas:
1ra. FORMA:
FX  0 
FY  0 
MA  0 
HA  20  4  0 
VA  20  3  0 
3.(8)  20.(4,5)  20.(0,5)  MA  0 
HA  16T 
VA  17T 
MA  56T.m
2da. FORMA:
FX  0 
FY  0 
HA  4  20  0
VA  20  3  0
Fig. 2.68


HA  16T 
VA  17T 
MA  0  MA  20.(4)  3.(8)  0  MA  56T.m

89
Fig. 2.69
Efectuamos el diagrama de cuerpo libre (DCL) del perno B y comprobamos el equilibrio en dicho
nudo, corroborando, de esta manera, el correcto análisis.
FX  0
FY  0
 4  4  0
 3  3  0
Fig. 2.70
PROBLEMA 2.22 La siguiente estructura en equilibrio está formada por dos barras AB y BC, donde
la barra AB es de peso despreciable, la barra BC tiene 0,5T de peso y la polea es de peso
despreciable, con radio r  0,5m . Se pide:
a) Determinar las componentes de reacción en los apoyos A y C
b) Dibujar el diagrama de cuerpo libre del perno en B, indicando las componentes de las fuerzas
que actúan sobre el mismo.
Solución:
Fig. 2.71
a) Analizamos el equilibrio de toda la estructura, incorporando el peso de la barra BC (figura 2.72):
MA  0  VC .(4)  HC .(3)  2.(6)  0,5.(2)  4.(0,5)  4.(0,5)  0
4VC  3HC  13 (a)

90
B B
Fig. 2.72
Ahora, analizamos el equilibrio de la barra BC:
Mder
 0B  VC .(4)  HC .(3)  0,5.(2)  0
4VC  3HC  1 (b)
Fig. 2.73
VC 1,75T 
HC  2T 
Luego, analizamos el equilibrio de la barra BC:
FX  0
FY  0
 HB  2  0
 1,75  0,5  VB  0
 HB  2T 
 VB  1,25T 
Retornamos al sistema completo (figura 2.72):
FX  0
FY  0
  HA  2  2  0
 VA  8  0,5 1,75  0
 HA  0
 VA  6,75T 
Ahora, analizamos el equilibrio de la barra AB:
FX  0  H'
 0  0  H'
 0
FY  0  6,75  V'
 8  0  V'
 1,25T B B

91
Fig. 2.74
b) Con los valores obtenidos, dibujamos el DCL del perno B y comprobamos el equilibrio del mismo
FX  0
FY  0
 0  2  2  0
 1,25 1,25  0
Fig. 2.75
2.5 CALCULO DE REACCIONES DE ESTRUCTURAS ESPACIALES
PROBLEMA 2.23 Calcular las reacciones que surgen en el empotramiento A, por efecto del sistema
de cargas mostrado en la figura. Considerar que la barra CD es paralela al eje Z
Fig. 2.76

92
X MX
Y Y
Solución:
Sabemos que en un empotramiento en 3D existen 6 reacciones (3 fuerzas y 3 momentos), teniendo
que analizar el equilibrio para 6 ecuaciones.
Orientamos las reacciones en el punto A (fuerzas) en las direcciones mostradas en la figura 2.77
FX  0   XA  500  0
Fig. 2.77
FY  0
XA  500N 
 Y 1000 
1
.(3).(600)  400.(6)  0A
2
YA  4300N 
FZ  0  ZA  800  0
ZA  800N
La orientación de la reacción ZA es la misma que la mostrada en la figura 2.77
Proyectamos los momentos en los planos YZ, XZ, XY, con la finalidad de determinar los momentos
respecto a los ejes X, Y, Z respectivamente.
MX  0   MA
 800.(2)  400.(6).(3)  0  A
 8800N.m
MY  0   MA
Fig. 2.78
 800.(5)  0  MA
 4000N.m

93
Z
Fig. 2.79
A 1
MZ  0  MZ 1000.(2)  .(3).(600).(4)  2400.(5)  0
2
MA
 17600N.m
Fig. 2.80
PROBLEMA 2.24 La losa homogénea pesa P  8kN y está unida a la pared por medio de una
rótula esférica A, una rótula cilíndrica B y un cable AD, cuyo peso se desprecia. La losa soporta una
carga F  15kN y un par de fuerzas con momento M  5kN.m . Se pide determinar las reacciones
en los apoyos y la tensión en el cable.
Fig. 2.81

94
3
1
Solución:
Elaboramos el esquema de cálculo, incorporando las cargas y reacciones en la losa. El peso “P” lo
aplicamos en el centroide de la losa, es decir en la intersección de las diagonales.
El sistema de ejes coordenados, lo elegimos de tal manera que la mayor cantidad de incógnitas sean
paralelas a los ejes coordenados o intersectan a los mismos, disminuyendo, así, el cálculo.
 
Para simplicidad de cálculo, descomponemos los vectores F y M
en los ejes coordenados.
por medio de sus proyecciones
FUERZA “F”:
MOMENTO “ M”
:
Siendo:
Fig. 2.82
F1  Fcos 
F2  Fsen
M1  Mcos 
M2  Msen
cos  
GC

3

3
 0,6
GE 32
 42 5
sen 
CE

4
 0,8
De esta manera, obtenemos:
GE 5

La tensión S
F1  15.0,6  9kN F2
 15.0,8  12kN M1
 5.0,6  3kN.m M2
 5.0,8  4kN.m
en el cable también lo descomponemos en sus proyecciones:
S  S.cos 30o
 0,866S
S  S.sen30o
 0,5S

95
Fig. 2.83
Plateamos las ecuaciones de equilibrio estático:
FX  0
FY  0
FZ  0
MX  0
MY  0
MZ  0
 F1  S1  XA  XB  0
 F2  YA  0
 S3  P  ZA  ZB  0
  S3 .2  ZB .2  M1  0
  S3 .3  P.1,5  M2  0
  S1.2  F1.2  XB .2  0
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Resolvemos las ecuaciones (a) – (f), previamente, reemplazamos los valores calculados
anteriormente, obteniendo:
XA  8,76kN
YA  12kN
ZA  4,16kN X
B  4,38kN ZB
 1,17kN
S  5,33kN

96
CAPITULO 3
CENTROIDES Y MOMENTOS DE INERCIA
3.1 CENTROIDE DE ALAMBRES
PROBLEMA 3.1 Un alambre compuesto delgado de sección uniforme ABCD está conformado por un
tramo AB de cuarto de circunferencia y dos tramos rectos BC y CD donde este último es vertical.
Determinar las coordenadas de su centro de gravedad.
Solución:
Fig. 3.1
Para determinar el centro de gravedad de figuras, como es el caso de alambres compuestos, se
divide en sectores conocidos (tramo cuarto de círculo AB y líneas BC y CD).
Para el caso del cuarto de círculo, tenemos:
L 
R

3
 1,5AB
2
Y  Z
2

2R

2.3

6
CG CG
  
Fig. 3.2
Las longitudes y ubicación de los centros de gravedad de las líneas BC y CD se conocen y muestran
en la tabla 3.1

97
Tabla 3.1
TRAMO Li
(m)
Xi Yi Zi
AB 1,5 0 6/  6/ 
BC 5 2 1,5 0
CD 2 4 0 1
Luego, determinamos las coordenadas del centro de gravedad:
X 
Li Xi

1,5.(0) 5.(2) 2.(4)

18
 1,537m
Li 1,5  5  2
1,5.
6
  5.(1,5)  2.(0)
11,712
 
Y 
Li Yi

 

16,5
 1,409m
Li 11,712
1,5.
6
  5.(0)  2.(1)
11,712
 
Z 

Li Zi
Li

  

11,712

11
11,712
 0,939m
PROBLEMA 3.2 Sabiendo que la coordenada en “Z” del centro de gravedad del siguiente alambre
delgado homogéneo es 0,466m. Determinar “R”, sabiendo que la semi-circunferencia se encuentra
en el plano YZ
Solución:
Determinamos las longitudes de cada tramo:
LAB  0,5m
Fig. 3.3
LBC 
LCD 
0,52
1,22
0,92
1,22
1,3m
1,5m
LDE  R
En la tabla 3.2 se tienen las longitudes y centroides de cada tramo.

98
Tabla 3.2
TRAMO Li
(m)
Zi
AB 0,5 0
BC 1,3 0
CD 1,5 0,45
DE R
0,9 
2R

Luego:
0,5.(0) 1,3.(0) 1,5.(0,45)  R.0,9 
2R

 
Z 
Li Zi
Li
 0,466 
  
0,5 1,3 1,5  R
Efectuamos cálculos y obtenemos:
2R 2
1,3634R  0,8628  0
Resolvemos la ecuación cuadrática, tomando solo el valor positivo, ya que el radio siempre será así,
obteniendo:
R  0,4m
3.2 CENTROIDE DE AREAS
PROBLEMA 3.3 Determinar las coordenadas del centroide de la lámina compuesta delgada, la cual
está formada por una región de cuarto de círculo y otra región rectangular hueca.
Solución:
Fig. 3.4
Analizamos cada figura en forma independiente, determinando sus áreas y coordenadas del centro
de gravedad.
FIGURA 1:
X 
4R

4.(3)

4
1
3 3 

99
Y1  0
Z 
4R

4.(3)

4
1
3 3 
 .(3)2
A  .R2
  2,25
1
4 4
FIGURA 2:
X2  1,5
Y2  1,5
Z2  0
A2  3.3  9
FIGURA 3:
X3  0,75
Y3  1,5
Z3  0
A3  1.1,5  1,5
Fig. 3.5
Fig. 3.6

100
Fig. 3.7
Con los resultados obtenidos, elaboramos la tabla 3.3, con la finalidad de determinar las
coordenadas del centro de gravedad de la lámina compuesta.
Tabla 3.3
FIGURA Ai
(m
2
)
Xi Yi Zi Ai Xi Ai Yi Ai Zi
1 2,25 4/  0 4/  9 0 9
2 9 1,5 1,5 0 13,5 13,5 0
3 -1,5 0,75 1,5 0 -1,125 -2,25 0
Σ 14,568 - - - 21,375 11,25 9
Nótese, que el área de la figura 3, es negativa, por ser la lámina hueca en esa parte.
Luego:
X 
Ai Xi

21,375
1,467m
Ai 14,568
Y 
Ai Yi

11,25
 0,772m
Ai 14,568
Z 
Ai Zi

9
 0,618m
Ai 14,568
PROBLEMA 3.4 Sabiendo que las coordenadas del centro de gravedad de la lámina delgada
homogénea mostrada es (0,421; Y; Z) . Determinar a , Y , Z .
Fig. 3.8

101
Solución:
Una vez más, dividimos en figuras regulares.
FIGURA 1:
X 
a
1
3
Y1  0
Z 
2
1
3
A 
1
.(a).(2)  a1
2
FIGURA 2:
X2  0
Y2  1,5
Z2  1
A2  2.3  6
FIGURA 3:
X3  0
Fig. 3.9
Fig. 3.10
Y  3
4.(1)
 3
4
3
3 3
Z3  1
2 2
A 
R

.1


3
2 2 2

102
Luego:
Fig. 3.11
a.
a
  6.(0) 

.(0)
 
X 
Ai Xi
Ai
 0,421 
 3  2
a  6 

2
Efectuando cálculos se obtiene:
a2
1,263a  9,561  0
Tomamos solo el valor positivo de la solución de la ecuación cuadrática, obteniendo:
a  3,787m
Ahora, determinamos las otras coordenadas del centro de gravedad de toda la figura:
  
3,787.(0)  6.(1,5) 
 .3 
4

Y 
Ai Yi

2  3
 1,266m
Ai 3,787  6 

2
3,787.
2
  6.(1) 

.(1)
 
  Ai Zi
Z  
Ai
3  2
3,787  6 

2
 0,889m
3.3 MOMENTOS DE INERCIA DE AREAS PLANAS
PROBLEMA 3.5 Determinar los momentos de inercia respecto a los ejes centrales principales de la
sección transversal mostrada en la figura 3.12, cuyas dimensiones están dadas en centímetros.
Solución:
Fig. 3.12
Los ejes OX y OY se denominan centrales principales de toda la sección transversal.
Determinamos los momentos de inercia, áreas del rectángulo y de cada uno de los círculos huecos.

103
I
I
I Y
X X X
Y Y Y
I
I
2
2
2
2
RECTANGULO:
(1)
X
bh3
 
12
60.203
12
 40000cm 4
(1)
Y
hb3
 
12
20.603
12
 360000cm 4
A1  60.20  1200cm
CIRCULO:
(2)
X  I(2) R4
 
4
.64
4
1017,88cm 4
A2  R  .62
 113,10cm 2
Calculamos los momentos de inercia respecto a los ejes principales centrales, aplicando el teorema
de ejes paralelos:
I  I(1)
 3I( 2)
 40000  3.1017,88  36946,36cm 4
I  I(1)
 3I(2)
 2A2 .d  360000  3.1017,88  2.113,10.182
 283657,56cm 4
PROBLEMA 3.6 Determinar los momentos de inercia respecto a los ejes principales centrales de la
sección transversal mostrada en la figura 3.13, cuyas dimensiones están dadas en centímetros.
Solución:
Fig. 3.13
Dividimos la sección transversal en tres figuras geométricas sencillas: un rectángulo y dos triángulos
isósceles.
Calculamos las áreas y momentos de inercia del rectángulo y triángulos, respecto a sus ejes
centrales.
RECTANGULO (eje central XOY):
(1)
X
12.83

12
 512cm4
(1)
Y
8.123

12
 1152cm 4
A1  12.8  96cm

104
I
I
X X X1
Y Y Y
X1
3
TRIANGULO (eje central X1O1Y)
(2)
X1
bh3

36
12.63

36
 72cm4
(2)
Y
hb3
 
48
12.6
6.123
48
 216cm4
2
A2   36cm
2
Ahora, calculamos los momentos de inercia respecto a los ejes centrales principales OX y OY,
considerando el teorema de ejes paralelos.
I  I(1)
 2I(2)
 A2 .d2
 512  2.72  36.62
 3248cm 4
I  I(1)
 2I( 2)
 1152  2.216  1584cm 4
PROBLEMA 3.7 Determinar la ubicación del centro de gravedad y los momentos de inercia respecto
a los ejes centrales principales de la sección transversal mostrado en la figura 3.14, cuyas
dimensiones están dadas en centímetros.
Solución:
Fig. 3.14
La sección transversal mostrada, se puede analizar como un rectángulo de 24cm x 18cm y otro
rectángulo hueco de 12cm x 12cm
El área de la sección transversal es:
A  24.18 12.12  288cm 2
Para determinar la posición del centro de gravedad, el cual se ubica en el eje de simetría OY,
utilizamos un eje auxiliar O1X1, el cual pasa por la base de la sección.
El momento estático de la sección respecto a este eje, lo determinamos como la diferencia entre los
momentos estáticos de dos rectángulos.
S  A1 y1  A2 y2  24.18.9 12.12.6  3024cm
Determinamos la ubicación del centro de gravedad.
SX 3024
y  1
  10,5cm0
A 288
De esta manera, los ejes OX y OY son los denominados ejes centrales principales.

105
X
b h b h
1 0
2 2 4
Determinamos el momento de inercia de toda la sección respecto al eje O1X1, que es la base de
ambos rectángulos:
3
I  1 1
1
3
3
2 2

3
24.183
3
12.123

3
 39744cm 4
Ahora, determinamos los momentos de inercia respecto a los ejes centrales principales, aplicando
para el eje OX el teorema de ejes paralelos, pero para el eje OY no es necesario, ya que coinciden
los ejes de las figuras analizadas anteriormente con la sección completa, producto de la simetría.
IX  IX  Ay2
 39744  288.10,52
 7992cm 4
IY 
18.243
12
12.123

12
19008cm 4
Otra de las formas para determinar el momento de inercia respecto al eje OX, es analizando cada
figura en forma independiente y considerando el teorema de ejes paralelos para cada figura, es decir
la distancia de cada eje local respecto al eje OX. Para ello, dividimos en tres figuras regulares, donde
existe material, es decir, un rectángulo en la parte superior de 24cm x 6cm y dos rectángulos
laterales de 6cm x 12cm.
24.63
 6.123

IX    24.6.4,5   2.  6.12.4,5   7992cm
 12   12 
Como podemos apreciar, coincide la respuesta, quedando a criterio del lector el método más
adecuado a utilizar.
PROBLEMA 3.8 Determinar los momentos de inercia respecto a los ejes X1  X1 y X2  X2 de la
sección mostrada en la figura 3.15. Considere que los ejes X1  X1 y X2  X2 son paralelos.
Solución:
Fig. 3.15
Determinamos los momentos de inercia de toda la sección, respecto a sus ejes centrales principales
IX  IY 
IXY  0
10.103

12
2.23
12
 832cm4
Ahora, calculamos el momento de inercia respecto al eje X1  X1

106
X
X
X
Y
Y
X
2
X
X
2 2
I  I cos2
1
  IYsen   IXYsen2
Para este caso, reemplazamos los valores obtenidos anteriormente y   45o
, porque  es
positivo en sentido antihorario y negativo en sentido horario, que es el presente caso.
I  832cos2
1
(45o
)  832sen 2
(45o
)  0  832cm 4
Luego, determinamos el momento de inercia respecto al eje
paralelos.
X2  X2 , utilizando el teorema de ejes
I  I2 1
 A.d2
 832  (102
 22
).(5 2)2
 5632cm 4
Si en el presente problema, nos hubiesen pedido determinar el momento de inercia respecto al eje
Y1  Y1 , perpendicular al eje X1  X1 , se determinaría de la siguiente manera:
I  I sen1
  IY cos   IXYsen2
I  832sen 2
1
(45o
)  832cos2
(45o
)  0  832cm 4
Para determinar el producto de inercia respecto a los ejes
mediante la siguiente relación:
X1  X1 e Y1  Y1 , se determinará
IX1Y1

IX IY
sen2  I
2
XY cos 2
IX1Y1

832 832
sen(90o
)  0  0
2
Esto demuestra un principio básico del producto de inercia, que indica: “Si un área tiene un eje de
simetría, ese eje y el eje perpendicular a él, constituyen un conjunto de ejes para los cuales el
producto de inercia es cero”.
3.4 MOMENTOS DE INERCIA DE PERFILES METALICOS
PROBLEMA 3.9 Determinar los momentos de inercia respecto a los ejes centrales principales de la
sección transversal de acero, compuesta de cuatro ángulos de lados iguales L10x10x1 y una
plancha de sección 30x1, tal como se muestra en la figura 3.16, cuyas dimensiones están dadas en
centímetros. Las características del ángulo se dan en la tabla 3.4, respecto a los ejes O1X1 y O1Y1
Fig. 3.16

107
PERFIL
A1
(cm
2
)
(1)
IX
(cm
4
)
I(1)
Y1
(cm
4
)
L10x10x1 19,2 179 179
PERFIL
A1
(cm
2
)
(1)
IX
(cm
4
)
I(1)
Y1
(cm
4
)
I27 40,2 5010 260
I
I
X X1 1 1 X
Y Y1 1 1 Y
2
2
Tabla 3.4
1
Solución:
Los momentos de inercia respecto a los ejes OX y OY y el área de la plancha son:
(2)
X
1.303

12
 2250cm 4
(2)
Y
30.13

12
 2,5cm4
A2  30.1  30cm
El área de toda la sección transversal es:
A  4A1  A2  4.19,2  30  106,8cm
Los momentos de inercia respecto a los ejes centrales principales OX y OY lo determinamos,
teniendo en cuenta el principio de ejes paralelos.
I  4.I(1)
 A b2
 I(2)
 4.179 19,2.12,172
 2250  14340,76cm 4
I  4.I(1)
 A a2
 I(2)
 4.179 19,2.3,332
 2,5  1570,13cm 4
PROBLEMA 3.10 Determinar la ubicación del centro de gravedad y los momentos de inercia
respecto a los ejes centrales principales de la sección transversal de una viga de acero compuesta
por dos perfiles I27 y una plancha de sección 40x1,2cm, tal como se muestra en la figura 3.17. Las
características del perfil I27 se dan en la tabla 3.5
Fig. 3.17
Tabla 3.5
1

108
I
I
2 2 .13
X
Y
2
X
Solución:
Los momentos de inercia respecto a los ejes O2X2Y2 y el área de la plancha son:
(2)
X2
40.1,23

12
 5,76cm 4
(2)
Y2
1,2.403

12
 6400cm 4
A2  40.1,2  48cm
El área de toda la sección será:
A  2.40,2  48  128,4cm 2
Para determinar la ubicación del centro de gravedad de toda la sección, calculamos el momento
estático de la sección respecto al eje O1X1, que pasa por el centro de gravedad de los perfiles I27 y,
en consecuencia, no generan dichos perfiles momentos estáticos respecto al eje indicado.
S  A y  48

,5 1,2  3
  676,8cm1
 2 
De esta manera, determinamos el centro de gravedad de toda la sección, respecto al eje O1X1:
SX 676,8
y  1
  5,27cm0
A 128,4
Los ejes OX y OY se denominan ejes centrales principales y los momentos de inercia respecto a
dichos ejes son:
I  2.5010  40,2.5,272
 5,76  48.8,832
 16001,21cm 4
I  2.260  40,2.102
 6400  14960cm 4
PROBLEMA 3.11 Para la sección no simétrica mostrada en la figura 3.18,a compuesta por un perfil
I50 y un ángulo de lados desiguales L20x12,5x1,6. Se pide determinar la ubicación del centro de
gravedad de la sección, los momentos de inercia respecto a los ejes centrales principales y la
orientación de estos ejes. Los momentos de inercia y áreas de ambos perfiles respecto a sus ejes
locales centrales se dan en la tabla 3.6
Fig. 3.18

109
PERFIL I50 PERFIL L20x12,5x1,6
4
IX  39727cm I  617cm 4
X2
4
IY 1043cm I  2026cm 4
Y2
- I  644cm 4
X2Y2
2
A1  100cm A  49,8cm 2
2
1 1 1 X 2 2
1 1 1 Y 2 2
2
2
2
2
Tabla 3.6
1
1
Solución:
El área de toda la sección es:
A  100  49,8  149,8cm 2
Para determinar la ubicación del centro de gravedad, elegimos como ejes auxiliares los ejes del perfil
I50, es decir, los ejes O1X1 y O1Y1
SY A x 49,8.21,79
x  1
 2 2
  7,24cm0
A A 149,8
SX A y 49,8.22,01
y  1
 2 2
  7,32cm0
A A 149,8
Estas magnitudes y las coordenadas de los centros de gravedad de los perfiles se muestran en la
figura 3.18,a, cuyos valores son:
a1  7,24cm ; b1  7,32cm ; a2  14,55cm ; b2  14,69cm
Determinamos los momentos de inercia respecto a los ejes centrales OX y OY
IX  IX
 A b2
 I 2
 A b2
IX  39727 100.(7,32)  617  49,8.14,692
 56448,88cm 4
IY  IY
 A a2
 I 2
 A a2
IY  1043 100.(7,24)  2026  49,8.14,552
 18853,54cm 4
IXY  IX Y  A1a1b1  IX Y  A2a2b21 1 2 2
IXY  0 100.(7,24).(7,32)  644  49,8.14,55.14,69  15299,91cm 4
Ahora, determinamos los momentos de inercia principales y los ángulos de desviación de los ejes
principales 1 y 2 respecto al eje OX

IX IY

  IX IY  2
I1,2
2
 
 2 
 IXY
56448,88 18853,54  56448,88 18853,54  2 4
I1   
2  2
 15299,91

 61888,36cm

110
2
2
o
56448,88 18853,54  56448,88 18853,54  2 4
I2   
2  2
 15299,91

 13414,05cm
tg1 
tg2 
IXY
IY  I1
IXY
IY  I2

15299,91
18853,54  61888,36

15299,91
18853,54 13414,05
 0,355
 2,813
 1  19,54
   70,43o
En la figura 3.18,b se muestra la obtención gráfica de los momentos de inercia principales y la
orientación de los ejes principales, cuyo proceso se detalla a continuación:
1. Se eligen los ejes coordenados, orientando en el eje horizontal los momentos de inercia
y en el eje vertical el producto de inercia IXY
IX ,IY
2. De acuerdo a la escala elegida, se obtienen los puntos correspondientes en el eje horizontal de
los momentos de inercia IX e IY
3. La diferencia de dichos momentos de inercia lo dividimos entre dos y obtenemos el centro C de
la figura.
4. A partir del extremo del momento de inercia IY , levantamos en el eje vertical del producto de
inercia, es decir IXY , obteniendo el punto K de la figura.
5. Unimos los puntos C y K, cuyo valor es el radio del circulo denominado de Mohr para momentos
de inercia.
6. Trazamos el denominado circulo de Mohr, intersecándose con el eje horizontal en dos puntos,
que corresponden de mayor a menor a los momentos de inercia principales I1 e I2 , cuyos
valores se obtienen como indicamos en un inicio de acuerdo a una escala previamente elegida.
7. Para obtener la orientación de los ejes principales, trazamos desde el punto K dos líneas que
unen al punto K con el extremo del momento de inercia principal I1 y corresponde a la
orientación del eje principal 1. Análogamente, unimos el punto K con el extremo del momento de
inercia principal I2 y cuya dirección corresponde a la orientación del eje principal 2.
8. Los ángulos que forman dichos ejes principales con el eje horizontal, corresponden a los ángulos
de desviación de los ejes principales 1 y 2 respecto al eje OX, recordando que el signo es
positivo en sentido antihorario y negativo en sentido horario, siempre y cuando se tome como
referencia el eje OX como inicio de la medida.

111
CAPITULO 4
ARMADURAS
4.1 METODO DE LOS NUDOS
PROBLEMA 4.1 Para la siguiente armadura:
a) Calcular las reacciones en los apoyos
b) Indicar que barras no trabajan
c) Determinar las fuerzas axiales en las barras restantes
Solución:
a) Calculamos las reacciones en los apoyos:
Fig. 4.1
MB  0 
FX  0 
FY  0 
HA .(3)  9.(4)  0 
 HB 12  0 
VB  9  0 
HA  12T 
HB  12T 
VB  9T 
b) Sabemos que una barra no trabaja, si su fuerza interna es cero, también conocida como barra
nula, existiendo 3 principios de determinación visual de tal tipo de barras, los cuales son:
1. Si en un nudo convergen dos barras y el nudo no está cargado, entonces ambas barras son
nulas.
2. Si en un nudo convergen dos barras y el nudo está cargado con una fuerza en la dirección
de una de las barras, entonces la otra barra será nula.
3. Si en un nudo convergen tres barras, donde dos de las barras se encuentran sobre una
misma línea y la tercera en una dirección arbitraria, además el nudo no está cargado,
entonces la barra que tiene dirección arbitraria es nula.
Basado en estos principios, analizamos la armadura de la figura 4.1, para ello iniciamos con el
nudo K y vemos que la barra KL es nula por el 3er principio anteriormente descrito, luego,
pasamos al nudo L y observamos que la barra LI es nula por el mismo principio. Continuamos
analizando el nudo I, determinando que la barra IJ es nula y así, sucesivamente, se cumplirá con
este mismo principio al analizar los nudos J, G, H, E, F, D y C.

112
o
Las reacciones en los apoyos y las barras nulas se muestran en la figura 4.2, esquematizándolas
las barras nulas con un círculo.
Fig. 4.2
c) Para calcular las fuerzas internas en el resto de barras, aplicamos el método de los nudos,
analizando el equilibrio en el nudo M
FY  0  FLM sen37o
 9  0  FLM  15T (TRACCION)
FX  0  FKM 15cos 37  0  FKM  12T (COMPRESION)
Fig. 4.3
El resto de barras tienen las mismas fuerzas internas, tal como se muestra en la figura 4.4
Fig. 4.4

113
PROBLEMA 4.2 Para la siguiente armadura:
a) Calcular las reacciones en los apoyos
b) Indicar que barras no trabajan
c) Determinar las fuerzas axiales en las barras restantes
Solución:
Fig. 4.5
MA  0 
FY  0 
FX  0 
VI .(8) 100.(6)  0
VA  75 100  0
HA  0
 VI  75kN 
 VA  25kN 
b) Si analizamos el nudo E y aplicamos el 1er principio de barras nulas, se tendrá que las barras
ED y EI son nulas. Luego, aplicamos el 3er principio al nudo F, siendo la barra FB nula y
continuamos con este principio en los nudos B, G y C, siendo nulas las barras BG, GC y CH.
Las reacciones en los apoyos, las barras nulas y las fuerzas internas en el resto de barras se
muestran en la figura 4.6, esquematizando las barras nulas con un círculo.
Fig. 4.6

114
o
o
c) Aplicamos el método de los nudos para determinar las fuerzas internas en el resto de barras.
NUDO “ A” :
FY  0  25  FABsen37  0
FAB  41,67kN (COMPRESION)
FX  0  FAF  41,67 cos 37o
 0
FAF  33,33kN (TRACCION)
Fig. 4.7
Ahora, pasamos al nudo F, en el cual, la barra FB es nula y las fuerzas internas en las barras AF
y FG son iguales. Lo mismo sucede con las barras FG y GH, así como en AB y BC, BC y CD.
NUDO “ H” :
FX  0
FY  0
 FHI  33,33  0
 FHD 100  0
 FHI  33,33kN (TRACCION)
 FHD  100kN (TRACCION)
NUDO “
I” :
Fig. 4.8
Previamente, calculamos el valor del ángulo  :
tg 
4,5
2
   66,04o
Ahora, calculamos la fuerza interna en la barra DI:
FY  0  75  FDI sen66,04  0
FDI  82,07kN (COMPRESION)
Como comprobación, efectuamos el equilibrio en el eje horizontal:
FX  0  82,07 cos 66,04o
 33,33  0 OK
Con esto, no es necesario comprobar el equilibrio del nudo D, el cual también será correcto.

115
Fig. 4.9
PROBLEMA 4.3 Para la armadura mostrada en la figura, determinar:
a) Las reacciones en los apoyos
b) Las fuerzas axiales en las barras AB y BE, indicando si están en tracción o compresión
Solución:
Fig. 4.10
MA  0   VD .(6)  400.(3)  300.(8)  0
VD  200kN 
FX  0  HA  300  0
HA  300kN 
FY  0  VA  200  400  0
VA  600kN 
b) Determinamos la fuerza interna en la barra AB, analizando el equilibrio en el nudo A y la fuerza
en la barra BE, analizando el equilibrio en el nudo B.
NUDO “ A” :
Previamente, calculamos el ángulo :
tg 
5
3
   59,04o

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