cilindros de paredes delgadas sometidos
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cilindros de paredes delgadas sometidos
Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de La Plata ESTRUCTURAS IV ANALISIS DE ESTRUCTURAS CILINDRICAS CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA Autores: Ing. Juan Pablo Durruty Dr. Ing. Marcos D. Actis 2009 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA ANALISIS DE ESTRUCTURAS CILINDRICAS Resistencia a la compresión de cilindros circulares de paredes delgadas no reforzados Una estructura cilíndrica circular ensayada a una carga de compresión paralela a un eje, puede fallar en una de las tres formas siguientes. 1) Si el cilindro es corto y grueso, la falla puede ocurrir debido a que la carga sobrepase la carga última de compresión del material y solo es función de las propiedades mecánicas del material. 2) Si el cilindro es muy largo y tiene un diámetro pequeño, la falla tiene lugar como columna. La tensión última de estas estructuras dependerá de la relación L/ρ y del módulo E del material. 3) Hay un tercer tipo de fallas que se encuentra en estructuras que tienen dimensiones correspondientes a las modernas estructuras semimonocasco. En este caso el cilindro será comparativamente de gran diámetro y paredes delgadas y la falla es una inestabilidad local de la sección delgada. En este apunte nos dedicaremos a resolver este último caso. Primero se desarrolla el problema en forma analítica. Página 1 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA CILINDROS A COMPRESION 1) Estado de equilibrio de una lámina cilíndrica: Si tomamos un diferencial de placa cilíndrica dθ dx, podemos plantear las 6 ecuaciones de equilibrio del diferencial cargado con una carga uniforme q (figura 1.1). Figura 1.1 1.1) ⎛ ∂v ∂ 2 w ⎞ ⎛ ∂2 ∂Nx ∂Nϕz ∂ 2w ∂ 2v ∂w ⎞ r − + − rQx 2 − rNxϕ 2 − Qϕ ⎜ + ⎟ − Nϕ ⎜ ⎟=0 ∂x ∂x ∂ϕ ∂x ⎝ ∂x ∂x∂ϕ ⎠ ⎝ ∂x∂ϕ ∂x ⎠ ⎛ ∂v ∂ 2 w ⎞ ⎛ ∂ 2 v ∂w ⎞ ∂Nϕ ∂Nxϕ ∂ 2v +r + rNx 2 − Qx⎜ + − ⎟ + Nϕx⎜ ⎟ ∂ϕ ∂x ∂x ⎝ ∂x ∂x∂ϕ ⎠ ⎝ ∂x∂ϕ ∂x ⎠ 1.2) ⎛ ∂v ∂ 2w ⎞ −Qϕ ⎜1 + + 2 ⎟= 0 ⎝ r∂ϕ r∂ϕ ⎠ ⎛ ∂v ∂ 2 w ⎞ ⎛ ∂Qx ∂Qϕ ∂ 2w ∂v ∂ 2w ⎞ + r + + Nxϕ ⎜ + ⎟ + rNx 2 + Nϕ ⎜1 + 2 ⎟ ∂x ∂ϕ ∂x ⎝ ∂x ∂x∂ϕ ⎠ ⎝ r∂ϕ r∂ϕ ⎠ 1.3) ⎛ ∂v ∂ 2 w ⎞ + Nϕx⎜ + ⎟ + qr = 0 ⎝ ∂x ∂x∂ϕ ⎠ Página 2 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA 1.4) ⎛ ∂ 2 v ∂w ⎞ ∂Mxϕ ∂Mϕ ∂ 2v r − − rMx 2 − Mϕx⎜ − ⎟ + rQϕ = 0 ∂x ∂ϕ ∂x ⎝ ∂x∂ϕ ∂x ⎠ 1.5) ⎛ ∂ 2 v ∂w ⎞ ∂Mϕx ∂Mx ∂ 2v +r + rMxϕ 2 − Mϕ ⎜ − ⎟ − rQx = 0 ∂ϕ ∂x ∂x ⎝ ∂x∂ϕ ∂x ⎠ ⎛ ∂v ∂ 2 w ⎞ ⎛ ∂ 2w ∂v ∂ 2w ⎞ + Mϕx⎜1 + + Mx⎜ + ⎟ + rMxϕ 2 ⎟ ∂x 2 ⎝ ∂x ∂x∂ϕ ⎠ ⎝ r∂ϕ r∂ϕ ⎠ 1.6) ⎛ ∂v ∂ 2 w ⎞ − Mϕ ⎜ + ⎟ + r( Nxϕ − Nϕx ) = 0 ⎝ ∂x ∂x∂ϕ ⎠ En el caso de un cilindro, por simetría, los esfuerzos cortantes Nxϕ = Nϕx se anulan y Nϕ es constante a lo largo de la circunferencia, en este caso Nx = cte (como carga externa). Por simetría también los esfuerzos cortantes transversales Qx son los únicos que no se anulan, los momentos torsores Mxϕ = Mϕx = 0 y los Mϕ se mantienen constantes a lo largo de la circunferencia (figura 1.2). Figura 1.2 Anulamos también el producto de los esfuerzos por los desplazamientos elementales u, v y z. Por lo tanto las ecuaciones de equilibrio quedarán: Página 3 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA 1.1) ∂Nx = 0 ⇒ Nx = cte. ∂x 1.3) ∂Qx ∂ 2 w Nϕ + Nx 2 + +q=0 ∂x ∂x r 1.4) ∂Mϕ = 0 ⇒ Mϕ = cte. ∂ϕ 1.5) ∂Mx − Qx = 0 ∂x Las ecuaciones 1.2) y 1.6) se anulan. Luego derivando la ecuación 1.5) respecto de x y reemplazando en esta dQx/dx de la 1.3) obtenemos: 1.7) ∂ 2 Mx ∂ 2 w Nϕ + Nx 2 + +q =0 ∂x 2 ∂x r Sabiendo que εϕ = -w/r εx = du/dx y Por Hooke: Nx = Et 1− ν 2 ( εx + νεϕ ) = Et ⎛ ∂u w⎞ ⎜ −ν ⎟ 2 r⎠ 1 − ν ⎝ ∂x Nϕ = Et 1− ν 2 ( εϕ + νεx ) = Et ⎛ w ∂u ⎞ ⎜ +ν ⎟ 2 − ∂x ⎠ 1− ν ⎝ r De la primera obtenemos: Reemplazando en la segunda: ∂u Nx( 1 − ν 2 ) w = +ν Et ∂x r Nϕ = − Et w + νNx r Página 4 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA Con respecto a los momentos flectores, por simetría no hay cambio de la curvatura en el sentido de la circunferencia. La curvatura en la dirección x vale -d2w/dx2. Por lo tanto de placas tenemos: Mx = -D d2w/dx2 y D = Et3/12(1-ν2) Reemplazando Mx y Nϕ en la ecuación 1.7): ∂ 4w ∂ 2w w Nx D 4 − Nx 2 + 2 Et − ν =q ∂x ∂x r r 1.8) Esta es la ecuación diferencial de la elástica para un cilindro sometido a presión interna y a tracción. 2) Determinación de la carga crítica de pandeo para un cilindro a compresión: En este caso de la ecuación 1.8) tenemos q = 0 y medimos el corrimiento w, no desde la superficie media antes de la deformación, sino a partir de la superficie media después de haber aplicado la compresión uniforme. Reemplazamos w por w - νNx r/Et, (donde νNx r/Et es la elástica del punto medio de un cilindro para una carga de compresión) cambiando de signo a Nx en la ecuación 1.8) ya que ésta se dedujo para tracción. 2.1) ∂ 4w ∂ 2w w Nx D 4 + Nx 2 + 2 Et + ν =0 ∂x ∂x r r Reemplazando w obtenemos: 2.2) ∂ 4w ∂ 2w w D 4 + Nx 2 + 2 Et = 0 ∂x ∂x r Ecuación diferencial que representa el pandeo simétrico de una lámina cilíndrica. Página 5 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA Suponemos una solución de la ecuación diferencial: w = -A sen (mπx/L) Figura 2.1 Reemplazando en 2.2) ⎛ mπ ⎞ ⎛ mπx ⎞ ⎛ mπ ⎞ ⎛ mπx ⎞ A ⎛ mπx ⎞ ⎟ sen⎜ ⎟ + ANx⎜ ⎟ sen⎜ ⎟ − 2 Et sen⎜ ⎟= 0 − DA⎜ ⎝ l ⎠ ⎝ l ⎠ ⎝ l ⎠ ⎝ l ⎠ r ⎝ l ⎠ 4 2 Haciendo sen(mπx / L) = 0 y despejando Nx: ⎛⎛ mπ ⎞2 Et ⎛ l ⎞2 ⎞ ⎟ + ⎜ ⎟ ⎟ Nx = D⎜⎜ 2 ⎝⎝ l ⎠ Dr ⎝ mπ ⎠ ⎠ Dado que Nx es una fuerza por unidad de longitud, si dividimos por t obtenemos 2.3) 2 ⎛⎛ mπ ⎞2 1 E ⎛ l ⎞ ⎞ σcr = D⎜⎜ ⎟⎠ + 2 ⎜⎝ ⎟⎠ ⎟ t Dr mπ ⎠ ⎝⎝ l Página 6 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA Si tomamos a σcr como una función de mπ / L, minimizamos la expresión 2.3) derivando respecto a este valor, por lo tanto: mπ 4 Et = l r2D σcr 2.4) η = 2 rt EDt = Et r 3( 1 − ν 2 ) Donde η es la corrección por plasticidad Para ν = 0,3 σcr 2.5) η = 0,605E t t = KE r r Esta ecuación da una solución independiente de la longitud del cilindro, lo cual es aproximadamente cierto si se supone que la longitud es grande comparada con la longitud de las ondulaciones. Otros investigadores propusieron otras formas de onda obteniendo diferentes valores de K (0,375 ≤ K ≤ 0,605) Los ensayos realizados investigadores demostraron que K era un valor mucho menor que el teórico y que era una función de r/t, además la mejor correlación entre los valores experimentales y los teóricos corresponde al menor valor de K = 0,375 (Tsien) para pequeñas relaciones de r/t. Para grandes valores de r/t (r/t ≥ 1500) K decrece del 15 al 20% del valor teórico (figura 2.2). Se trató de explicar esta diferencia entre el valor teórico y experimental en base a errores encontrados en los ensayos; pero investigaciones posteriores demostraron que un pequeño porcentaje de diferencia entre ambos valores puede explicarse de este modo. Página 7 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA La gran discrepancia entre la teoría y la práctica se debe a la forma de onda que se presenta en la realidad, no siendo esta simétrica respecto al eje del cilindro y presentando una forma tipo "diamante". Además se determinó que las imperfecciones iniciales reducían enormemente la carga crítica de pandeo, siendo una medida indicativa de estas la relación r/t. Figura 2.2 Página 8 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA Cilindros sin presurizar Cilindros presurizados Página 9 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA Batdorf encontró una solución a la ecuación diferencial de octavo orden de Donnell, que dá la tensión crítica en función del coeficiente de pandeo Kc, la cual para bordes simplemente apoyados está definida por la ecuación: ⎡ ( m2 + β Kc = ⎢ m2 ⎢⎣ 2.6) Donde: 2 ) 2 ⎤⎥ ⎡ 12Z 2 m 2 +⎢ 4 2 ⎥⎦ ⎣ π ( m + β ⎤ ⎥ 2 )⎦ m = número de medias ondas en la dirección longitudinal β=L/λ λ = longitud de medias ondas en la dirección circunsferencial La tensión crítica está dada por: ⎡ π 2E ⎤ ⎛ t2 ⎞ = Kc⎢ 2 ⎥ ⎜ 2 ⎟ η ⎣ 12( 1 − ν ) ⎦ ⎝ L ⎠ σcr 2.7) Minimizando la ecuación 2.6) respecto al parámetro (m2 + β2)2 / m2 se obtiene el coeficiente Kc para cilindros largos: 2.8) ⎛4 3⎞ Kc = ⎜ 2 ⎟Z = 0,702Z ⎝π ⎠ ⎛ L2 ⎞ donde Z = ⎜ ⎟ 1 − ν 2 ⎝ rt ⎠ Página 10 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA Sustituyendo la 2.8) en la 2.7) para ν = 0,3 se obtiene la clásica ecuación: σcr η = 0,605E t r Nuevamente se ve la independencia de la constante de la relación r / t, por lo que se requiere de métodos experimentales para resolver este problema. Página 11 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA 2.1) METODOS DE RESOLUCION 2.1.1) Kanemitsu y Nojima determinaron experimentalmente la forma de onda al inicio del pandeo. Recogieron todos los datos experimentales confiables sobre cilindros bajo compresión, cubriendo no solo el amplio rango de relaciones r/t, sino también el rango de relaciones L/r y propusieron una ecuación empírica para la determinación de la carga crítica: 1, 3 ⎡ ⎛ t ⎞1, 6 ⎛t⎞ ⎤ σcr = E ⎢ 9 ⎜ ⎟ + 0,16 ⎜ ⎟ ⎥ ⎝ L⎠ ⎦ ⎣ ⎝r ⎠ 2.1.1.1) σcr ⎛ r ⎞ 0,3 1, 3 ⎡ ⎛ t ⎞ 0, 6 ⎛t ⎞ ⎛ r ⎞ ⎤ ⎜ ⎟ = Ko = ⎢ 9 ⎜ ⎟ + 0,16 ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎥ (figura 2.1.1.1) ⎝r ⎠ ⎝ L⎠ ⎦ E ⎝t ⎠ ⎣ ⎝r ⎠ 2.1.1.2) 0.3 0.25 Ko 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0.5 1 1.5 2 2.5 L/r r/t = 500 r/t = 1000 r/t = 1500 r/t = 2000 r/t = 2500 r/t = 3000 Figura 2.1.1.1 Esta fórmula se usa en los rangos de 500 ≤ r/t ≤ 3000 y 0,1 ≤ L/r ≤ 2,5 adoptando a Ko = cte. para r/t = cte. y L/r ≥ 2,5 y Ko = 0,3 para relaciones r/t ≤ 500. Página 12 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA 2.1.2) Batdorf, Schildcrout y Stein graficaron el coeficiente de pandeo Kc en función de Z, junto a los resultados de numerosos ensayos realizados por varios investigadores. Junto con la curva teórica graficaron las curvas de Kanemitsu y Nojima, las cuales se ajustan muy bien a los resultados experimentales, en el rango de cilindros largos; no así para los cilindros cortos donde hay una gran discrepancia para cilindros simplemente apoyados; por lo que definieron la transición entre cilindros largos y cortos (figura 2.1.2.1). Teóricamente el rango de cilindros cortos ocurre en Z = 0. En la realidad los cilindros cortos se ven afectados por las condiciones de borde que generan otros tipos de esfuerzos, aparte de Nx, que no están tomados en cuenta en el análisis teórico. Para Z =1 los ensayos han dado valores de Kc = 1 para cilindros simplemente apoyados, y Kc = 4 para bordes empotrados. La curva de transición entre los dos rangos para bordes simples está dada por la ecuación 2.6) tomando los valores límites m = 1 y β = 0 quedando: ⎛ 12 Z 2 ⎞ Kc = 1 + ⎜ 4 ⎟ ⎝ π ⎠ La solución para bordes empotrados es una ecuación similar, por lo tanto se adopta una ecuación para definir la transición entre cilindros largos y cortos, para ambas condiciones de borde: 2.1.1.1) ⎛ 12 Z 2 ⎞ Kc = Kp1 + ⎜ 4 ⎟ ⎝ π Kp1⎠ Donde Kp1 toma los valores 1 y 4 para bordes simples y empotrados respectivamente. Página 13 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA Figura 2.1.2.1 De la figura se observa que para relaciones L/r ≥ 0,75 (Z >0,5 r/t para μ = 0,3) las curvas se hacen independientes de las condiciones de borde. El método propuesto se basa en utilizar las curvas de la figura 2.1.2.1 para relaciones L/r < 0,75, donde se manifiesta la influencia de las condiciones de borde y para L/r ≥ 0,75 usar: Kc = 1,15 C Z donde C se obtiene de la figura 2.1.2.2 (esta curva se obtuvo en base a los datos de Kanemitsu y Nojima). Esta curva es usada en el BOEING DESIGN MANUAL. Página 14 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA 0.24 0.2 0.16 C 0.12 0.08 0.04 0 0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 r/t Figura 2.1.2.2 2.1.3) Harris, Suer, Skene y Benjamin trabajaron con la solución de Batdorf y graficaron el coeficiente de pandeo Kc en función de Z. El análisis consistió en los siguientes pasos: a) Graficar la curva Kc(Z) b) Plotear los resultados de ensayos para determinadas relaciones r / t c) Obtener la curva del 90%, paralela a Kc(Z), para las distintas relaciones r/t (figura 2.1.3.1) d) Definir la transición entre el rango de cilindros largos y cortos (Esta transición es la misma que ya fue definida en el punto 2.1.2). Corrigiendo esta curva para cada valor de r/t se obtiene la curva de diseño de la figura 2.1.3.2: Página 15 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA Figura 2.1.3.1 Página 16 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA Figura 2.1.3.2 Página 17 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA 2.1.4) El Manual de Estructuras Aeronáuticas, Parte II, sección C3 da la tensión crítica de pandeo como: σcr η 2.1.4.1) σcr η = 0,605γ = Et r Donde el factor γ puede ser obtenido de: φ= Donde: 1 r 16 t γEt r 3( 1 −ν 2 ) (para ν = 0,3) γ = 1 − 0,901( 1 − e − φ ) (2.1.4.2) para r/t < 1500 La ecuación 2.1.4.2) se ve en la figura 2.1.4.1. Esta información debe ser usada con cuidado para cilindros con una relación L/r > 5 dado que no se ha verificado con experimentos para este rango. Para cilindros muy largos debe ser chequeado con la teoría de Euler para columnas. 1 0.9 0.8 0.7 0.6 γ 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1E0 1E1 1E2 1E3 1E4 r/t Figura 2.1.4.1 Página 18 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA Carga última en cilindros circulares: El cálculo teórico nos lleva a una ecuación que da la tensión a la cual ocurre el pandeo en un cilindro cargado axialmente. La pregunta que surge es saber si resulta posible o no exceder la tensión de pandeo de tal estructura. Las experiencias demuestran que en todos los casos de cilindros completos, la carga a la cual pandea es también la carga última que puede soportar, ya que en tales estructuras el pandeo es de características catastróficas y tienen lugar grandes deformaciones axiales repentinas. 3) Determinación de la carga crítica de pandeo para un cilindro sometido a compresión y presión interna: Investigaciones experimentales han determinado un significativo incremento de la tensión crítica de pandeo en cilindros con presión interna. Lo, Create y Schwartz han analizado el problema de largos cilindros presurizados usando una extensión de la teoría de las grandes deflexiones de von Kármán y Tsien. Dibujando estos resultados en términos de los parámetros adimencionales (p/E)(r/t)2 y (σcr/E)(r/t) se ve el incremento del coeficiente de pandeo desde el valor de Tsien de 0,375 a presión cero hasta el clásico valor máximo de 0,605 a (p/E)(r/t)2 = 0,169 (figura 3.1). Se puede observar que un cilindro presurizado tiende a alcanzar el valor de K = 0,605. Esto se debe a que la presión interna fuerza al cilindro a tomar la forma de onda, que se propuso en el primer análisis teórico ( w = -A sen (mπx/L) ). De igual manera en los experimentos, además de que la presión interna "plancha" las imperfecciones iniciales del cilindro. Comparando la teoría con los resultados experimentales se observan grandes discrepancias, debidas a la forma de onda al inicio de pandeo. Lo, Create y Schwartz obtubieron una mejor correlación con los experimentos graficando el incremento de la tensión crítica (Δσcr/E)(r/t) = ΔK = K - Ko donde Ko es el coeficiente a presión cero (figura 3.2). De esta forma la teoría predecía en forma muy aproximada el incremento de la tensión debida a la presurización. Página 19 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA 0.6 Teoría de Lo 0.5 σ cr = σ cr r E t 0.4 =k 0.3 t = 0,001 in (p crec.) 0.2 t = 0,001 in (p decrec.) 0.1 t = 0,003 in 0 0 0.5 1 1.5 p ⎛r ⎞ p= ⎜ ⎟ E ⎝t ⎠ 2 2.5 2 Figura 3.1 0.3 0.25 0.2 Δσcr = Δk 0.15 0.1 0.05 0 0 0.5 1 1.5 p ⎛r ⎞ p= ⎜ ⎟ E ⎝t ⎠ 2 2.5 2 Figura 3.2 Página 20 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA 3.1) METODOS DE RESOLUCION: 3.1.1) Harris, Suer, Skene y Benjamin trabajaron estadísticamente con la curva del incremento del coeficiente de pandeo dada por Lo, Create y Schwartz, haciendo la correlación de los resultados experimentales y calculando la curva del 90 % de probabilidad para ser usada como curva de diseño. Figura 3.1.1.1 Para obtener la tensión crítica de pandeo a una determinada presión, debe calcularse tensión crítica para el cilindro sin presurizar (figura 2.1.3.1) y sumarle el valor del incremento dado por la figura 3.1.1.1 Página 21 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA 3.1.2) Fung y Sechler corrigieron la curva del incremento del coeficiente de pandeo de Lo, Create y Schwartz, trazando una recta desde ΔK = 0 a (p/E)(r/t)2 = 0 hasta ΔK = 0,229 a (p/E)(r/t)2 = 1,20 y luego para valores de (p/E)(r/t)2 > 1,20 tomando ΔK = 0,229 = cte. (figura 3.1.2.1) El método que propusieron es calcular la tensión crítica para un cilindro sin presurizar por intermedio de la fórmula de Kanemitsu y Nojima (figura 2.1.1.1) y sumarle el incremento obtenido de la curva corregida. Esto se podría aplicar igualmente para el método de Batdorf (2.1.2), ya que este corrige la curva teórica con la ecuación de Kanemitsu y Nojima. 0.3 0.25 0.2 Δ σ cr = Δ k 0.15 0.1 0.05 0 0 0.5 1 1.5 p ⎛r ⎞ p= ⎜ ⎟ E ⎝t ⎠ 2 2.5 2 Figura 3.1.2.1 Página 22 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA 3.1.3) El Manual de Estructuras Aeronáuticas, Parte II, sección C3 da la tensión crítica de pandeo para cilindros comprimidos y presurizados como: σcr η 3.1.3.1) σcr η = 0,605γ = γEt r 3( 1 −ν 2 ) Et + Δγ r + Δγ (para ν = 0,3) Donde el factor γ se obtiene de igual manera que el cilindro sin presurizar y Δγ = ΔK se obtiene de la figura 3.1.2.1 Se debe tener en cuenta que esta tensión calculada no incluye el efecto de tracción generado por la presión interna. Página 23 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA 4. EJEMPLOS DE CALCULO En la siguiente tabla se observan los valores obtenidos por los distintos métodos para una dada relación r/t y distintas longitudes. E = 750000 Kg/cm2 σcr (1) Artic. r = 10 cm σcr (2) Emp. t = 0,02 cm σcr (3) r/t = 500 σcr (4) Artic. L Emp. L/r r/t Z Artic. Emp. Artic. Emp. (cm) 1066.5 868 1274 325 1085 292 1 0.1 500 4.77 625.73 540 610 280 420 292 2 0.2 500 19.08 416 412 327.2 280 280 292 5 0.5 500 119.25 361.5 327.2 280 292 10 1 500 477 340 327.2 280 292 20 2 500 1908 335.6 327.2 280 292 40 4 500 7632 Las tensiones críticas están dadas en Kg/cm2 Z = L2 (1-μ2)0.5 rt (1) Método 2.1.1 (2) Método 2.1.2 (3) Método 2.1.3 (4) Método 2.1.4 Para distintos valores de presión interna los incrementos en la carga crítica serán: Δσcr (1) Δσcr (2) r/t P (Kg/cm2) P/E (r/t)2 210 71.5 500 0.75 0.25 270 143 500 1.5 0.5 300 300 500 3 1 330 343.5 500 6 2 (1) Método 3.1.1 (2) Método 3.1.2 Página 24 de 25 CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA BIBLIOGRAFIA: • S. Timoshenko, Teoría de la estabilidad elástica, EDIAR 1961. REFERENCIAS: • Batdorf S. B., Schilderout M. and Stein M., Critical Stress of Thin-Walled in Axial Compresion, NACA TN 1343, June 1947. • Lo H., Crate H. and Schwartz E. B., Buckling of Thin-Walled Circular Cylinders Under Axial Compresion and Internal Pressure, NACA Report 1027, 1951. • Fung Y. C. and Sechler E. E., Buckling of Thin-Walled Circular Cylinders Under Axial Compresion and Internal Pressure, Journal of the Aeronautical Sciences, May 1957. • Harris L. A., Suer H. S., Scene W.T. and Benjamin R. J., Buckling of Thin-Walled Circular Cylinders Under Axial Compresion and Internal Pressure, Journal of the Aeronautical Sciences, August 1957. • George C. Marshall Space Flight Center, Astronautic Structures Manual, Vol II, section C3.0, August 1975. Página 25 de 25