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ESTRUCTURAS I
F.A.D.U. / UdelaR AÑO 2018
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REPASO DE EQUILIBRIO ESTÁTICO
la estructura se mantiene quieta con respecto a un
marco de referencia.
la suma de fuerzas y momentos sobre cada
partícula del sistema es cero.
Un cuerpo rígido plano, puede experimentar dos movimientos en el plano:
Estará en equilibrio estático si:
Σ Fx = 0
Σ Fy = 0
Σ M = 0
La estructura de una obra arquitectónica
debe encontrarse en equilibrio estático:
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Estructura hiperestática
Estructura isostática
Estructura hipostática
HIPERESTATICIDAD
La estructura de una obra arquitectónica
debe encontrarse en equilibrio estático:
Σ Fx = 0
Σ Fy = 0
Σ M = 0
No oponen resistencia a estímulos
de movimientos externos
Nº ecuaciones
de equilibrioNº
incógnitas>
Nº ecuaciones
de equilibrioNº
incógnitas=
Nº ecuaciones
de equilibrioNº
incógnitas<
Puede ser analizada mediante
los principios de la Estática
Tiene vínculos sobreabundantes,
es decir, más de los estrictamente
necesarios para la estabilidad del
sistema.
Σ Fx = 0
Σ Fy = 0
Σ M = 0
Cond. de
equilibrio:
“Grado de Hiperestaticidad”: el
número o cantidad de vínculos que
se deben eliminar para que el
sistema hiperestático se convierta
en isostático
Las reacciones en
los apoyos se
calculan aplicando:
Σ Fx = 0
Σ Fy = 0
Σ M = 0
Cond. de
equilibrio:Las reacciones
en los apoyos
se calculan
aplicando: Cond. de
Deformación
Ppio. de Rigidez
Relativa de los
Cuerpos
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REPASO DE EQUILIBRIO ESTÁTICO
Rigidez Relativa de los
Cuerpos: está basado en
que la mayoría de los casos
la forma de los sólidos
sometidos a las acciones
exteriores, varía de un modo
insubstancial.
Al formar las ecuaciones de
equilibrio, esto permite
considerar el sólido como
indeformable y dotado de
las mismas dimensiones
geométricas que tenía antes
de la aplicación de las
cargas
Σ Fx = 0
Σ Fy = 0
Σ M = 0
Cond. de
equilibrio:Las reacciones
en los apoyos
se calculan
aplicando: Cond. de
Deformación
Ppio. de Rigidez
Relativa de los
Cuerpos
Estructura hiperestática
¿Qué quiere decir que abandonamos el
Ppio. de Rigidez Relativa de los Cuerpos?
SI RECORDAMOS…
ecuaciones
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A. Método de las Fuerzas
B. Método de Cross
C. Métodos Matriciales
INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS DE ANÁLISIS DE
ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
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A. Método de las Fuerzas
B. Método de Cross
C. Métodos Matriciales
INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS DE ANÁLISIS DE
ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
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A. Método de las Fuerzas
B. Método de Cross
C. Métodos Matriciales
INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS DE ANÁLISIS DE
ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
Consiste en eliminar vínculos superabundantes hasta que
la estructura quede isostática, y luego, mediante el
Principio de Superposición, restituir las acciones que los
vínculos eliminados ejercían, y hallar qué valores deben
tomar para que se restablezcan las condiciones originales.
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ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
A. Método de las Fuerzas
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A. Método de las Fuerzas
Principio de Superposición
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A. Método de las Fuerzas
Principio de Superposición
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A. Método de las Fuerzas
Principio de Superposición
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A. Método de las Fuerzas
Principio de Superposición
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A. Método de las Fuerzas
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A. Método de las Fuerzas
Principio de Superposición
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A. Método de las Fuerzas
Principio de Superposición
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A. Método de las Fuerzas
Principio de Superposición
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A. Método de las Fuerzas
Principio de Superposición
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ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
A. Método de las Fuerzas
Principio de Superposición
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ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
A. Método de las Fuerzas
Principio de Superposición
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INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS DE ANÁLISIS DE
ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
Ing. Hardy Cross
1885-1959
Estados Unidos
A. Método de las Fuerzas
B. Método de Cross (Método de Distribución de Momentos)
C. Métodos Matriciales
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INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS DE ANÁLISIS DE
ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
Ing. Hardy Cross
1885-1959
Estados Unidos
A. Método de las Fuerzas
B. Método de Cross (Método de Distribución de Momentos)
C. Métodos Matriciales
En un sentido opuesto al caso anterior, en lugar
de quitarle vínculos, le agrega más, colocando los
nudos en condición de giro nulo.
Lleva la estructura a una situación ficticia, pero
conocida.
Luego se quitan de a uno los vínculos agregados
hasta restablecer las condiciones originales de la
estructura.
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ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
B. Método de CROSS
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ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
B. Método de CROSS
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ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
B. Método de CROSS
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ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
B. Método de CROSS
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ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
B. Método de CROSS
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ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
B. Método de CROSS
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ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
B. Método de CROSS
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ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
B. Método de CROSS
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ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
B. Método de CROSS
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INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS DE ANÁLISIS DE
ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
A. Método de las fuerzas
B. Método de Cross
C. Métodos Matriciales
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INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS DE ANÁLISIS DE
ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
A. Método de las fuerzas
B. Método de Cross
C. Métodos Matriciales
Consisten en utilizar el álgebra matricial, que permite un
planteo muy compacto de las ecuaciones, lo que
simplifica el algoritmo para generar un programa
informático práctico y versátil.
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INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS DE ANÁLISIS DE
ESTRUCTURAS HIPERESTÁTICAS
C. Métodos Matriciales DEFORMACIONES en los
extremos de una barra
Representación vectorial
Representación física
ACCIONES en los
extremos de una barra
Representación en
forma matricial:
DEFORMACIONES
AC
CIO
NE
S
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producen >>
deformaciones
MÉTODO DE CROSS
Para simplificar la parte
operativa, Cross se centra
solamente en el estudio de
los giros en los nudos de la
estructura
Permite visualizar cómo es el
proceso de resolución de una
estructura hiperestática
(mecanismo de distribución de
los momentos en la estructura)
Método manual
Actualmente: uso de Métodos Matriciales
c/programas en computadora brindan el
resultado final sin ver el proceso
Existen deformaciones
producidas por:
Momento (giros)
Cortante
Axil
Permite estudiar estructuras de alto grado de hiperestaticidad mediante operaciones
sencillas que pueden realizarse con una calculadora común.
Si la estructura lo requiere, en una segunda etapa se estudian los desplazamientos de
los nudos, y los giros que en ellos se producen.
Ventajas:
Simplificaciones:
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MÉTODO DE CROSSOBJETIVO del Método
El objetivo del método de Cross es conocer el valor de los
momentos en los extremos de las barras.
Luego de conocidos éstos, las reacciones y las solicitaciones
pueden ser determinadas mediante los procedimientos ya
conocidos, utilizando las ecuaciones de equilibrio.
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PASOS para aplicar el artificio del Método
[PASO 4]
Coeficientes de
Repartición
ri
Se juntan varias barras
en un nudo y ….
¿qué pasa cuando se
suelta un nudo en una
estructura que está
frenada?
[PASO 5]
Artificio del
Método de Cross
(ejemplo de
aplicación)
[PASO 3]
Momentos de
fijaciónó
Momentos frenosó
Momentos de
empotramiento
perfecto
M.E.P.
[PASO 2]
Coeficiente de
transmisión
β (beta)
[PASO 1]
Ángulos de giro en
los extremos de
una barra aislada
θ (theta)
a) Carga transversal
b) Momento aplicado
en extremo izq.
c) Momento aplicado
en extremo der.
a) Apoyo A: MA aplicado
Apoyo B: “frenado”
c/carga transversal
≠ cond. vínculos
a) frenados
c) articulado-frenado
b) frenado-articulado
MÉTODO DE CROSSSe comienza estudiando una sola barra aislada para determinar
expresiones matemáticas auxiliares que nos permitan conocer
los ángulos de giro en los apoyos de tramos flexionados.
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MÉTODO DE CROSSExpresiones matemáticas auxiliares
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DEFORMACIÓN DE LA DOVELA CENTRAL
MÉTODO DE CROSSExpresiones matemáticas auxiliares
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d
dx
r(x)
Kx
1
r(x)
Mf / (E.I) = K
DEFORMACIÓN DE LA DOVELA CENTRAL
MÉTODO DE CROSSExpresiones matemáticas auxiliares
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-p = V`(x)
V(x) = M`(x)
M``(x) = V`(x) = -p
Relación entre p, V y M.
Ecuación fundamental
de las vigas rectas.
MÉTODO DE CROSSExpresiones matemáticas auxiliares
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Por definición:
Dado que la magnitud de las deformaciones son
muy pequeñas, se admite:
K ≈ z” (x)
O sea que la función de la curvatura equivale a la derivada segunda
de la función de la elástica.
MÉTODO DE CROSSExpresiones matemáticas auxiliares
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Según la hipótesis de Bernouilli, las secciones planas y normales al eje del
tramo, se mantienen planas y normales a la elástica, luego de la deforma-
ción.
La derivada de z es el ángulo que forma la tangente a la curva con respec-to al eje de las abscisas (a).
Por lo tanto, la perpendicular a la tangente es el giro de la sección, que
abre con la vertical el mismo ángulo que la tangente con la horizontal.
O sea: z’(x) = q(x)
Expresiones matemáticas auxiliaresMÉTODO DE CROSS
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ANALOGÍA DE MÖHR
-p = V`(x)
V(x) = M`(x)
M``(x) = V`(x) = -p
Relación entre p, V y M.
z”(x) = K = Mf/E.I
Z’ = q(x)
z``(x) = q`(x) = K = Mf/E.I
Relación entre K, q y z
MÉTODO DE CROSSExpresiones matemáticas auxiliares
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[PASO 4]
Coeficientes de
Repartición
ri
[PASO 5]
Artificio del
Método de Cross
(ejemplo de
aplicación)
[PASO 3]
Momentos de
fijaciónó
Momentos frenosó
Momentos de
empotramiento
perfecto
M.E.P.
[PASO 2]
Coeficiente de
transmisión
β (beta)
[PASO 1]
Ángulos de giro en
los extremos de
una barra aislada
θ (theta)
a) Carga transversal
b) Momento aplicado
en extremo izq.
c) Momento aplicado
en extremo der.
MÉTODO DE CROSSPASOS para aplicar el artificio del Método
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MÉTODO DE CROSSPASO [1]: ángulos de giro θ (theta) en extremos
RIGIDEZ:(kappa)
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MÉTODO DE CROSSPASO [1]: ángulos de giro θ (theta) en extremos
RIGIDEZ FLEXIONAL:
(gamma
kappa)
(alpha
kappa)
ó
Para
inercia
constante:
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MÉTODO DE CROSSPASO [1]: ángulos de giro θ (theta) en extremos
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[PASO 4]
Coeficientes de
Repartición
ri
[PASO 5]
Artificio del
Método de Cross
(ejemplo de
aplicación)
[PASO 3]
Momentos de
fijaciónó
Momentos frenosó
Momentos de
empotramiento
perfecto
M.E.P.
[PASO 2]
Coeficiente de
transmisión
β (beta)
[PASO 1]
Ángulos de giro en
los extremos de
una barra aislada
θ (theta)
Rigidez flexional:
(gamma
kappa)
(alpha
kappa)
ó
a) Carga transversal
b) Momento aplicado
en extremo izq.
Rigidez:
(kappa)
c) Momento aplicado
en extremo der.
a) Apoyo A: MA aplicado
Apoyo B: “frenado”
MÉTODO DE CROSSPASOS para aplicar el artificio del Método
Para inercia cte.:
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Para
inercia
constante:
Para inercia
constante:
PASO [2]: coeficiente de transmisión β (beta)
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[PASO 4]
Coeficientes de
Repartición
ri
[PASO 5]
Artificio del
Método de Cross
(ejemplo de
aplicación)
[PASO 3]
Momentos de
fijaciónó
Momentos frenosó
Momentos de
empotramiento
perfecto
M.E.P.
[PASO 2]
Coeficiente de
transmisión
β (beta)
[PASO 1]
Ángulos de giro en
los extremos de
una barra aislada
θ (theta)
Rigidez flexional:
(gamma
kappa)
(alpha
kappa)
ó
a) Carga transversal
b) Momento aplicado
en extremo izq.
Rigidez:
(kappa)
c) Momento aplicado
en extremo der.
a) Apoyo A: MA aplicado
Apoyo B: “frenado”
c/carga transversal
≠ cond. vínculos
a) frenados
c) articulado-frenado
b) frenado-articulado
MÉTODO DE CROSSPASOS para aplicar el artificio del Método
Para inercia cte.: Para inercia cte.:
![Page 55: ESTRUCTURAS I - fadu.edu.uyTICAS-C… · Hardy Cross 1885-1959 Estados Unidos A. Método de las Fuerzas B. Método de Cross (Método de Distribución de Momentos) C. Métodos Matriciales](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022021713/5ba547aa09d3f266618c7ea7/html5/thumbnails/55.jpg)
MOMENTOS NODALES MOMENTOS DE FIJACIÓN
MOMENTOS FRENO
MOMENTOS DE EMPOTRAMIENTO
PERFECTO (M.E.P.)
signo -
< 0
signo +
> 0
efecto de la barra sobre
el nudo
efecto del nudo sobre la
barra
MÉTODO DE CROSSPASO [3]: M.E.P.
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MÉTODO DE CROSSPASO [3]: M.E.P.
![Page 57: ESTRUCTURAS I - fadu.edu.uyTICAS-C… · Hardy Cross 1885-1959 Estados Unidos A. Método de las Fuerzas B. Método de Cross (Método de Distribución de Momentos) C. Métodos Matriciales](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022021713/5ba547aa09d3f266618c7ea7/html5/thumbnails/57.jpg)
MÉTODO DE CROSSPASO [3]: M.E.P.
![Page 58: ESTRUCTURAS I - fadu.edu.uyTICAS-C… · Hardy Cross 1885-1959 Estados Unidos A. Método de las Fuerzas B. Método de Cross (Método de Distribución de Momentos) C. Métodos Matriciales](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022021713/5ba547aa09d3f266618c7ea7/html5/thumbnails/58.jpg)
MÉTODO DE CROSSPASO [3]: M.E.P.
![Page 59: ESTRUCTURAS I - fadu.edu.uyTICAS-C… · Hardy Cross 1885-1959 Estados Unidos A. Método de las Fuerzas B. Método de Cross (Método de Distribución de Momentos) C. Métodos Matriciales](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022021713/5ba547aa09d3f266618c7ea7/html5/thumbnails/59.jpg)
MÉTODO DE CROSSPASO [3]: M.E.P.
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MÉTODO DE CROSSPASO [3]: M.E.P.
Expresiones para
hallar las reacciones
de apoyo
Expresiones para la
determinación de los
M.E.P.
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MÉTODO DE CROSSPASO [3]: M.E.P.
Expresiones
para hallar las
reacciones de
apoyo
Expresiones
para la
determinación
de los M.E.P.
![Page 62: ESTRUCTURAS I - fadu.edu.uyTICAS-C… · Hardy Cross 1885-1959 Estados Unidos A. Método de las Fuerzas B. Método de Cross (Método de Distribución de Momentos) C. Métodos Matriciales](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022021713/5ba547aa09d3f266618c7ea7/html5/thumbnails/62.jpg)
[PASO 4]
Coeficientes de
Repartición
ri
Se juntan varias barras
en un nudo y ….
¿qué pasa cuando se
suelta un nudo en una
estructura que está
frenada?
[PASO 5]
Artificio del
Método de Cross
(ejemplo de
aplicación)
[PASO 3]
Momentos de
fijaciónó
Momentos frenosó
Momentos de
empotramiento
perfecto
M.E.P.
[PASO 2]
Coeficiente de
transmisión
β (beta)
[PASO 1]
Ángulos de giro en
los extremos de
una barra aislada
θ (theta)
Rigidez flexional:
(gamma
kappa)
(alpha
kappa)
ó
a) Carga transversal
b) Momento aplicado
en extremo izq.
Rigidez:
(kappa)
c) Momento aplicado
en extremo der.
a) Apoyo A: MA aplicado
Apoyo B: “frenado”
c/carga transversal
≠ cond. vínculos
a) frenados
c) articulado-frenado
b) frenado-articulado
MÉTODO DE CROSSPASOS para aplicar el artificio del Método
Para inercia cte.: Para inercia cte.:
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MÉTODO DE CROSSPASO [4]: coeficientes de repartición
¿qué ocurre cuando a un nudo concurren varios tramos?
Concepto de repartición
Artificio del método de Cross (ejemplo)
Supongamos un nudo A, al cual
concurren barras con distintos
vínculos en su otro extremo,
existiendo cargas solamente en la
ménsula
Inmovilizando el nudo A, aparece un
momento freno MA, con el sentido
indicado, que producirá giro nulo en
los extremos de los tramos.
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0A1 = 0A2 = 0A3
MA1 + MA2 + MA3 = - MA
MÉTODO DE CROSSPASO [4]: coeficientes de repartición
Si quitamos el freno
en A, el nudo gira,
produciéndose las
deformaciones que se
indican, provocadas
por −MA .
Por hipótesis
se admite
que todos los
tramos
concurrentes
al nudo
tienen el
mismo giro:
La relación entre deformaciones
(giros) y causas que las
producen (momentos) es:
Por otra parte, el momento en el nudo: − M A ,
se reparte entre los tramos, debiéndose cumplir:
De ambas relaciones obtenemos:
¿Qué valor de momentos
asume cada tramo en
relación a -MA?
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MÉTODO DE CROSSPASO [4]: coeficientes de repartición
Particularizando al tramo 1:
Generalizando para un tramo cualquiera:
Se define coeficiente de
repartición al valor:
Por lo que:
Esta expresión resuelve el
problema planteado:
Dividiendo numerador y
denominador entre 4
¿Qué valor de momentos
asume cada tramo en
relación a -MA?
𝑟𝑡
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MÉTODO DE CROSSPASO [4]: coeficientes de repartición
B. INERCIA RELATIVA: por comodidad
operativa se aconseja tomar como VALOR
UNIDAD
a la menor de las inercias mínimas de
los tramos que intervienen con sus
rigideces
o la inercia del tramo si es de sección
constante
A los efectos prácticos, es conveniente
simplificar la expresión del coeficiente de
repartición:
Los valores de la inercia de
los demás tramos serán
expresados en relación a
la unidad, resultando
valores ≥ 1
A. como generalmente operamos con barras
del mismo material, se simplifica el valor E
en la expresión de κ :
𝑟𝑡 =𝛼𝑡 ∙𝐼𝑟 𝑡𝐿𝑡
𝛼𝑖 ∙𝐼𝑟 𝑖𝐿𝑖
INERCIA
RELATIVA
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[PASO 4]
Coeficientes de
Repartición
ri
Se juntan varias barras
en un nudo y ….
¿qué pasa cuando se
suelta un nudo en una
estructura que está
frenada?
[PASO 5]
Artificio del
Método de Cross
(ejemplo de
aplicación)
[PASO 3]
Momentos de
fijaciónó
Momentos frenosó
Momentos de
empotramiento
perfecto
M.E.P.
[PASO 2]
Coeficiente de
transmisión
β (beta)
[PASO 1]
Ángulos de giro en
los extremos de
una barra aislada
θ (theta)
Rigidez flexional:
(gamma
kappa)
(alpha
kappa)
ó
a) Carga transversal
b) Momento aplicado
en extremo izq.
Rigidez:
(kappa)
c) Momento aplicado
en extremo der.
a) Apoyo A: MA aplicado
Apoyo B: “frenado”
c/carga transversal
≠ cond. vínculos
a) frenados
c) articulado-frenado
b) frenado-articulado
MÉTODO DE CROSSPASOS para aplicar el artificio del Método
Para inercia cte.: Para inercia cte.:
![Page 68: ESTRUCTURAS I - fadu.edu.uyTICAS-C… · Hardy Cross 1885-1959 Estados Unidos A. Método de las Fuerzas B. Método de Cross (Método de Distribución de Momentos) C. Métodos Matriciales](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022021713/5ba547aa09d3f266618c7ea7/html5/thumbnails/68.jpg)
MÉTODO DE CROSSPASO [5]: Artificio del método
Esquema de forma,
cargas y vínculos
Se aíslan las barras y
determinan M.E.P.
Situación de partida:
Nodos frenados Determinación de los momentos de fijación,
o de empotramiento perfecto, provocados
por cargas perpendiculares al eje del tramo,
o por momentos aplicados en el mismo
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MÉTODO DE CROSSPASO [5]: Artificio del método
Se vuelve a componer la estructura
(con los M.E.P. en los extremos de las
barras)
Se plantea: 𝑀𝐴 = 100𝑑𝑎𝑁.𝑀
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MÉTODO DE CROSSPASO [5]: Artificio del método
Se plantea suelta el aparato
fijador y surge:− 𝑀𝐴 = 100𝑑𝑎𝑁.𝑚
Repartición de momentos en el nudo
y transmisión de momentos hacia
extremos opuestos (si corresp.)
−100 × 0,20 = 20𝑑𝑎𝑁.𝑚 (barra 1)− 𝑀𝐴 × 𝑟𝑖 = −100 × 0,50 = 50𝑑𝑎𝑁.𝑚 (barra 2)
−100 × 0,30 = 30𝑑𝑎𝑁.𝑚 (barra 3)
× 𝛽 = 20 × 0,50 = 10𝑑𝑎𝑁.𝑚
× 𝛽 = 50 × 0,50 = 25𝑑𝑎𝑁.𝑚
Momentos repartidos: Momentos transmitidos:
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MÉTODO DE CROSSPASO [5]: Artificio del método
M.E.P.
MOMENTOS FINALES
Momentos repartidos
Momentos transmitidos
MOMENTOS FINALES
en los extremos de las
barras
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MÉTODO DE CROSSPASO [5]: Artificio del método
MOMENTOS FINALES
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MÉTODO DE CROSSPASO [5]: Artificio del método
Se separan las barras.
Se está en condiciones de hallar
las reacciones en los apoyos y los
diagramas de solicitacionesAplicando:
ecuaciones de equilibrio Σ Fx = 0
Σ Fy = 0
Σ M = 0
M``(x) = V`(x) = -p
la ecuación fundamental de las vigas
rectas: relación pVM
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MÉTODO DE CROSS
Ejemplo de aplicación:
PASO [5]: Artificio del método