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Facultad <strong>de</strong> IngenieríaUniversidad Nacional <strong>de</strong> La PlataESTRUCTURAS IVANALISIS DE ESTRUCTURAS CILINDRICASCILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS ACOMPRESION Y PRESION INTERNAAutores:Ing. Juan Pablo DurrutyDr. Ing. Marcos D. Actis2009
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNAANALISIS DE ESTRUCTURAS CILINDRICASResistencia a la compresión <strong>de</strong> cilindros circulares <strong>de</strong> pare<strong>de</strong>s <strong>de</strong>lgadas noreforzadosUna estructura cilíndrica circular ensayada a una carga <strong>de</strong> compresión paralela a uneje, pue<strong>de</strong> fallar en una <strong>de</strong> las tres formas siguientes.1) Si el cilindro es corto y grueso, la falla pue<strong>de</strong> ocurrir <strong>de</strong>bido a que la carga sobrepasela carga última <strong>de</strong> compresión <strong>de</strong>l material y solo es función <strong>de</strong> las propieda<strong>de</strong>smecánicas <strong>de</strong>l material.2) Si el cilindro es muy largo y tiene un diámetro pequeño, la falla tiene lugar comocolumna. La tensión última <strong>de</strong> estas estructuras <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>rá <strong>de</strong> la relación L/ρ y <strong>de</strong>lmódulo E <strong>de</strong>l material.3) Hay un tercer tipo <strong>de</strong> fallas que se encuentra en estructuras que tienen dimensionescorrespondientes a las mo<strong>de</strong>rnas estructuras semimonocasco. En este caso el cilindroserá comparativamente <strong>de</strong> gran diámetro y pare<strong>de</strong>s <strong>de</strong>lgadas y la falla es unainestabilidad local <strong>de</strong> la sección <strong>de</strong>lgada.En este apunte nos <strong>de</strong>dicaremos a resolver este último caso. Primero se <strong>de</strong>sarrolla elproblema en forma analítica.Página 1 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNACILINDROS A COMPRESION1) Estado <strong>de</strong> equilibrio <strong>de</strong> una lámina cilíndrica:Si tomamos un diferencial <strong>de</strong> placa cilíndrica dθ dx, po<strong>de</strong>mos plantear las 6ecuaciones <strong>de</strong> equilibrio <strong>de</strong>l diferencial cargado <strong>con</strong> una carga uniforme q (figura 1.1).Figura 1.11.1)r Nx N z 2∂ ∂ ϕ ∂ w v v wwrQx rNxϕ ∂ 2Qϕ ∂ 2∂Nϕ∂ 2∂∂x + ∂ϕ− ∂x− ∂x− ⎛∂x+⎞ ⎛ ⎞22 ⎜ ⎟ − ⎜ − ⎟ = 0⎝ ∂∂ϕ x ⎠ ⎝∂∂ϕx ∂x⎠1.2)∂Nϕ∂ ϕ ∂ ∂ ∂ϕ∂ ∂r Nx 22 2v ⎛ v w ⎞ ⎛ v w⎞+ + rNx 2− Qx⎜+ ⎟ + N x⎜− ⎟∂ϕ ∂x∂x⎝∂x∂∂ϕ x ⎠ ⎝∂∂ϕx ∂x⎠2⎛ ∂v∂ w ⎞− Qϕ⎜1+ +2 ⎟ = 0⎝ r∂ϕr∂ϕ⎠1.3)∂r Qx∂x∂Qϕv w wvNxϕ ∂ 2 2⎛ ∂ ⎞ ∂∂+ + ⎜ + rNx Nϕ∂ϕ ⎝∂x∂∂ϕ x ⎠⎟ + ∂x+ ⎛⎜⎝+ r∂ϕ+21v wNϕx∂ 2⎛ ∂ ⎞+ ⎜ + ⎟ + qr = 0⎝∂x∂∂ϕ x ⎠2∂ w ⎞2 ⎟r∂ϕ⎠Página 2 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA1.4) r Mx 2∂ ϕ ∂Mϕ∂ v v wrMx Mϕx∂ 2⎛ ∂ ⎞− − 2 − ⎜ − ⎟ + rQϕ= 0∂x∂ϕ ∂x⎝∂∂ϕx ∂x⎠1.5)∂Mϕx∂ϕ∂ϕ ∂ ϕ∂ ∂r Mx22v ⎛ v w⎞+ + rMx 2 − M ⎜ − ⎟ − rQx = 0∂x∂x⎝∂∂ϕx ∂x⎠1.6)⎛∂vMx⎜⎝∂x2∂ wwvrMxϕ ∂ 2⎞∂+Mϕx∂∂ϕ x ⎠⎟ + ∂x+ ⎛⎜⎝+ r∂ϕ+21Mv wϕ ∂ 2⎛ ∂ ⎞− ⎜ + ⎟ + rNx ( ϕ − Nϕx)= 0⎝∂x∂∂ϕ x ⎠2∂ w ⎞2 ⎟r∂ϕ⎠En el caso <strong>de</strong> un cilindro, por simetría, los esfuerzos cortantes Nxϕ = Nϕx se anulan yNϕ es <strong>con</strong>stante a lo largo <strong>de</strong> la circunferencia, en este caso Nx = cte (como cargaexterna). Por simetría también los esfuerzos cortantes transversales Qx son los únicosque no se anulan, los momentos torsores Mxϕ = Mϕx = 0 y los Mϕ se mantienen<strong>con</strong>stantes a lo largo <strong>de</strong> la circunferencia (figura 1.2).Figura 1.2Anulamos también el producto <strong>de</strong> los esfuerzos por los <strong>de</strong>splazamientos elementales u,v y z. Por lo tanto las ecuaciones <strong>de</strong> equilibrio quedarán:Página 3 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA1.1)∂Nx∂x= 0 ⇒ Nx = cte.1.3)∂Qx∂x2∂ w Nϕ+ Nx + +q =∂xr201.4)∂Mϕ= 0 ⇒ Mϕ= cte.∂ϕ1.5)∂Mx− Qx =0∂xLas ecuaciones 1.2) y 1.6) se anulan.Luego <strong>de</strong>rivando la ecuación 1.5) respecto <strong>de</strong> x y reemplazando en esta dQx/dx <strong>de</strong> la1.3) obtenemos:1.7)22∂ Mx ∂ w Nϕ2+ Nx + + q =∂x∂xr20Sabiendo que ε ϕ = -w/r y ε x = du/dxPor Hooke:EtEt ⎛∂uw⎞Nx = ( x + ) = ⎜ − ⎟−2 ε νεϕ−2 ν1 ν1 ν ⎝∂xr ⎠EtEt ⎛ w u ⎞Nϕ= ( + x)= ⎜− + ⎟1 −2 εϕνε1 −2 ν ∂ νν ⎝ r ∂x⎠De la primera obtenemos:∂u∂x=Nx2( 1−ν )Etw+ νrReemplazando en la segunda: Nϕ =− Et w + νNxrPágina 4 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNACon respecto a los momentos flectores, por simetría no hay cambio <strong>de</strong> la curvatura enel sentido <strong>de</strong> la circunferencia. La curvatura en la dirección x vale -d 2 w/dx 2 . Por lo tanto<strong>de</strong> placas tenemos:Mx = -D d 2 w/dx 2 y D = Et 3 /12(1-ν 2 )Reemplazando Mx y Nϕ en la ecuación 1.7):41.8) D w2∂ ∂ w wNxx x r Et Nx4−2+2− ν = q∂ ∂rEsta es la ecuación diferencial <strong>de</strong> la elástica para un cilindro sometido a presión internay a tracción.2) Determinación <strong>de</strong> la carga crítica <strong>de</strong> pan<strong>de</strong>o para un cilindro a compresión:En este caso <strong>de</strong> la ecuación 1.8) tenemos q = 0 y medimos el corrimiento w, no <strong>de</strong>s<strong>de</strong>la superficie media antes <strong>de</strong> la <strong>de</strong>formación, sino a partir <strong>de</strong> la superficie media<strong>de</strong>spués <strong>de</strong> haber aplicado la compresión uniforme. Reemplazamos w porw - νNx r/Et, (don<strong>de</strong> νNx r/Et es la elástica <strong>de</strong>l punto medio <strong>de</strong> un cilindro para unacarga <strong>de</strong> compresión) cambiando <strong>de</strong> signo a Nx en la ecuación 1.8) ya que ésta se<strong>de</strong>dujo para tracción.42.1) D w2∂ ∂ w w Nx4+ Nx + Et + ν =∂x∂xr r2 20Reemplazando w obtenemos:42.2) D w2∂ ∂ w w4+ Nx + Et =∂x∂xr2 20Ecuación diferencial que representa el pan<strong>de</strong>o simétrico <strong>de</strong> una lámina cilíndrica.Página 5 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNASuponemos una solución <strong>de</strong> la ecuación diferencial:w = -A sen (mπx/L)Reemplazando en 2.2)Figura 2.14 2⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛− ⎜ ⎟ ⎜ ⎟+ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟−⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝⎜ ⎞DA m π mπxANx m π mπxA⎟ =l ll l r Et mπxsen sen senl ⎠20Haciendo sen(mπx / L) = 0 y <strong>de</strong>spejando Nx:Nx D m 2⎛⎛π ⎞= ⎜⎜⎟ +⎝⎝l ⎠EtDr2⎛ l ⎞⎜ ⎟⎝ mπ⎠2⎞⎟⎠Dado que Nx es una fuerza por unidad <strong>de</strong> longitud, si dividimos por t obtenemos2.3) σπcr D m 2⎛⎛⎞ 1= ⎜⎜⎟ +⎝⎝l ⎠ tEDr2⎛ l ⎞⎜ ⎟⎝ mπ⎠2⎞⎟⎠Página 6 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNASi tomamos a σ cr como una función <strong>de</strong> mπ / L, minimizamos la expresión 2.3)<strong>de</strong>rivando respecto a este valor, por lo tanto:mlπ =42Etr D2.4)σcrη2= EDt =rtrEt( −ν)312Don<strong>de</strong> η es la corrección por plasticidadPara ν = 0,32.5)σcrη= 0,605E t =rKE t rEsta ecuación da una solución in<strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong> la longitud <strong>de</strong>l cilindro, lo cual esaproximadamente cierto si se supone que la longitud es gran<strong>de</strong> comparada <strong>con</strong> lalongitud <strong>de</strong> las ondulaciones.Otros investigadores propusieron otras formas <strong>de</strong> onda obteniendo diferentes valores<strong>de</strong> K (0,375 ≤ K ≤ 0,605)Los ensayos realizados investigadores <strong>de</strong>mostraron que K era un valor mucho menorque el teórico y que era una función <strong>de</strong> r/t, a<strong>de</strong>más la mejor correlación entre losvalores experimentales y los teóricos correspon<strong>de</strong> al menor valor <strong>de</strong> K = 0,375 (Tsien)para pequeñas relaciones <strong>de</strong> r/t. Para gran<strong>de</strong>s valores <strong>de</strong> r/t (r/t ≥ 1500) K <strong>de</strong>crece <strong>de</strong>l15 al 20% <strong>de</strong>l valor teórico (figura 2.2).Se trató <strong>de</strong> explicar esta diferencia entre el valor teórico y experimental en base aerrores en<strong>con</strong>trados en los ensayos; pero investigaciones posteriores <strong>de</strong>mostraron queun pequeño porcentaje <strong>de</strong> diferencia entre ambos valores pue<strong>de</strong> explicarse <strong>de</strong> estemodo.Página 7 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNALa gran discrepancia entre la teoría y la práctica se <strong>de</strong>be a la forma <strong>de</strong> onda que sepresenta en la realidad, no siendo esta simétrica respecto al eje <strong>de</strong>l cilindro ypresentando una forma tipo "diamante". A<strong>de</strong>más se <strong>de</strong>terminó que las imperfeccionesiniciales reducían enormemente la carga crítica <strong>de</strong> pan<strong>de</strong>o, siendo una medidaindicativa <strong>de</strong> estas la relación r/t.Figura 2.2Página 8 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA<strong>Cilindros</strong> sin presurizar<strong>Cilindros</strong> presurizadosPágina 9 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNABatdorf en<strong>con</strong>tró una solución a la ecuación diferencial <strong>de</strong> octavo or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> Donnell,que dá la tensión crítica en función <strong>de</strong>l coeficiente <strong>de</strong> pan<strong>de</strong>o Kc, la cual para bor<strong>de</strong>ssimplemente apoyados está <strong>de</strong>finida por la ecuación:2.6)⎡Kc = ⎢⎣⎢( m + β )2 2 2m2⎤ ⎡ Z m⎥⎦⎥ + 12⎢⎣π+2 2( m β )4 2 2⎤⎥⎦Don<strong>de</strong>:m = número <strong>de</strong> medias ondas en la dirección longitudinalβ = L / λλ = longitud <strong>de</strong> medias ondas en la dirección circunsferencialLa tensión crítica está dada por:2.7) 2η 12( 1−ν )σcr⎡= Kc⎢⎣2π E⎤ t⎥ ⎛ ⎦ ⎝ ⎜ L22⎞⎟⎠Minimizando la ecuación 2.6) respecto al parámetro (m 2 + β 2 ) 2 / m 2coeficiente Kc para cilindros largos:se obtiene elL2.8) Kc = ⎛ ⎞Z Z Z⎝ ⎜ ⎟ = = ⎛ 24 3⎠⎝ ⎜ ⎞220, 702 don<strong>de</strong> ⎟ 1−νπrt ⎠Página 10 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNASustituyendo la 2.8) en la 2.7) para ν = 0,3 se obtiene la clásica ecuación:σcrη= 0,605E t rNuevamente se ve la in<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ncia <strong>de</strong> la <strong>con</strong>stante <strong>de</strong> la relación r / t, por lo que serequiere <strong>de</strong> métodos experimentales para resolver este problema.Página 11 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA2.1) METODOS DE RESOLUCION2.1.1) Kanemitsu y Nojima <strong>de</strong>terminaron experimentalmente la forma <strong>de</strong> onda al inicio<strong>de</strong>l pan<strong>de</strong>o. Recogieron todos los datos experimentales <strong>con</strong>fiables sobre cilindros bajocompresión, cubriendo no solo el amplio rango <strong>de</strong> relaciones r/t, sino también el rango<strong>de</strong> relaciones L/r y propusieron una ecuación empírica para la <strong>de</strong>terminación <strong>de</strong> lacarga crítica:⎡ ⎛ tt2.1.1.1) σcr = E ⎜ ⎞ ⎝ r ⎠ ⎟ ⎛ ⎞⎢9 + 016 , ⎜ ⎟⎣⎝ L ⎠16 , 13 ,⎤⎥⎦2.1.1.2)σcrE⎛r⎜ ⎞ Ko⎝ t ⎠ ⎟ = =⎡ ⎛ tt⎜ ⎞ ⎝r⎠ ⎟ ⎛⎢9 + 016 , ⎜ ⎞⎣⎝r⎠ ⎟06 , 03 , 13 ,⎛ r ⎞⎜ ⎟⎝ L ⎠⎤⎥⎦(figura 2.1.1.1)0.30.250.2Ko0.150.10.050 0.5 1 1.5 2 2.5L/rr/t = 500 r/t = 1000 r/t = 1500 r/t = 2000 r/t = 2500 r/t = 3000Figura 2.1.1.1Esta fórmula se usa en los rangos <strong>de</strong> 500 ≤ r/t ≤ 3000 y 0,1 ≤ L/r ≤ 2,5 adoptandoa Ko = cte. para r/t = cte. y L/r ≥ 2,5 y Ko = 0,3 para relaciones r/t ≤ 500.Página 12 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNAFigura 2.1.2.1De la figura se observa que para relaciones L/r ≥ 0,75 (Z >0,5 r/t para μ = 0,3) lascurvas se hacen in<strong>de</strong>pendientes <strong>de</strong> las <strong>con</strong>diciones <strong>de</strong> bor<strong>de</strong>.El método propuesto se basa en utilizar las curvas <strong>de</strong> la figura 2.1.2.1 para relacionesL/r < 0,75, don<strong>de</strong> se manifiesta la influencia <strong>de</strong> las <strong>con</strong>diciones <strong>de</strong> bor<strong>de</strong> y paraL/r ≥ 0,75 usar:Kc = 1,15 C Zdon<strong>de</strong> C se obtiene <strong>de</strong> la figura 2.1.2.2 (esta curva se obtuvo en base a los datos <strong>de</strong>Kanemitsu y Nojima).Esta curva es usada en el BOEING DESIGN MANUAL.Página 14 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA0.240.20.16C0.120.080.0400 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200r/tFigura 2.1.2.22.1.3) Harris, Suer, Skene y Benjamin trabajaron <strong>con</strong> la solución <strong>de</strong> Batdorf y graficaronel coeficiente <strong>de</strong> pan<strong>de</strong>o Kc en función <strong>de</strong> Z.El análisis <strong>con</strong>sistió en los siguientes pasos:a) Graficar la curva Kc(Z)b) Plotear los resultados <strong>de</strong> ensayos para <strong>de</strong>terminadas relaciones r / tc) Obtener la curva <strong>de</strong>l 90%, paralela a Kc(Z), para las distintas relaciones r/t (figura2.1.3.1)d) Definir la transición entre el rango <strong>de</strong> cilindros largos y cortos (Esta transición es lamisma que ya fue <strong>de</strong>finida en el punto 2.1.2).Corrigiendo esta curva para cada valor <strong>de</strong> r/t se obtiene la curva <strong>de</strong> diseño <strong>de</strong> la figura2.1.3.2:Página 15 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNAFigura 2.1.3.1Página 16 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNAFigura 2.1.3.2Página 17 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA2.1.4) El Manual <strong>de</strong> Estructuras Aeronáuticas, Parte II, sección C3 da la tensión crítica<strong>de</strong> pan<strong>de</strong>o como:2.1.4.1)σcrη=rγEt2( ν )31−σcrηEt= 0 605γr, (para ν = 0,3)Don<strong>de</strong> el factor γ pue<strong>de</strong> ser obtenido <strong>de</strong>: γ = 1− 0 901( 1− −φ ), e (2.1.4.2)Don<strong>de</strong>: φ = 116rtpara r/t < 1500La ecuación 2.1.4.2) se ve en la figura 2.1.4.1. Esta información <strong>de</strong>be ser usada <strong>con</strong>cuidado para cilindros <strong>con</strong> una relación L/r > 5 dado que no se ha verificado <strong>con</strong>experimentos para este rango. Para cilindros muy largos <strong>de</strong>be ser chequeado <strong>con</strong> lateoría <strong>de</strong> Euler para columnas.10.90.80.7γ0.60.50.40.30.20.101E0 1E1 1E2 1E3 1E4r/tFigura 2.1.4.1Página 18 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNACarga última en cilindros circulares:El cálculo teórico nos lleva a una ecuación que da la tensión a la cual ocurre el pan<strong>de</strong>oen un cilindro cargado axialmente. La pregunta que surge es saber si resulta posible ono exce<strong>de</strong>r la tensión <strong>de</strong> pan<strong>de</strong>o <strong>de</strong> tal estructura. Las experiencias <strong>de</strong>muestran que entodos los casos <strong>de</strong> cilindros completos, la carga a la cual pan<strong>de</strong>a es también la cargaúltima que pue<strong>de</strong> soportar, ya que en tales estructuras el pan<strong>de</strong>o es <strong>de</strong> característicascatastróficas y tienen lugar gran<strong>de</strong>s <strong>de</strong>formaciones axiales repentinas.3) Determinación <strong>de</strong> la carga crítica <strong>de</strong> pan<strong>de</strong>o para un cilindro sometido acompresión y presión interna:Investigaciones experimentales han <strong>de</strong>terminado un significativo incremento <strong>de</strong> latensión crítica <strong>de</strong> pan<strong>de</strong>o en cilindros <strong>con</strong> presión interna.Lo, Create y Schwartz han analizado el problema <strong>de</strong> largos cilindros presurizadosusando una extensión <strong>de</strong> la teoría <strong>de</strong> las gran<strong>de</strong>s <strong>de</strong>flexiones <strong>de</strong> von Kármán y Tsien.Dibujando estos resultados en términos <strong>de</strong> los parámetros adimencionales (p/E)(r/t) 2 y(σcr/E)(r/t) se ve el incremento <strong>de</strong>l coeficiente <strong>de</strong> pan<strong>de</strong>o <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el valor <strong>de</strong> Tsien <strong>de</strong>0,375 a presión cero hasta el clásico valor máximo <strong>de</strong> 0,605 a (p/E)(r/t) 2 = 0,169 (figura3.1).Se pue<strong>de</strong> observar que un cilindro presurizado tien<strong>de</strong> a alcanzar el valor <strong>de</strong> K = 0,605.Esto se <strong>de</strong>be a que la presión interna fuerza al cilindro a tomar la forma <strong>de</strong> onda, quese propuso en el primer análisis teórico ( w = -A sen (mπx/L) ). De igual manera en losexperimentos, a<strong>de</strong>más <strong>de</strong> que la presión interna "plancha" las imperfecciones iniciales<strong>de</strong>l cilindro.Comparando la teoría <strong>con</strong> los resultados experimentales se observan gran<strong>de</strong>sdiscrepancias, <strong>de</strong>bidas a la forma <strong>de</strong> onda al inicio <strong>de</strong> pan<strong>de</strong>o. Lo, Create y Schwartzobtubieron una mejor correlación <strong>con</strong> los experimentos graficando el incremento <strong>de</strong> latensión crítica (Δσcr/E)(r/t) = ΔK = K - Ko don<strong>de</strong> Ko es el coeficiente a presión cero(figura 3.2). De esta forma la teoría pre<strong>de</strong>cía en forma muy aproximada el incremento<strong>de</strong> la tensión <strong>de</strong>bida a la presurización.Página 19 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA0.6Teoría <strong>de</strong> Lo0.5σcrσcrr= = kE t0.40.30.20.1t = 0,001 in (p crec.)t = 0,001 in (p <strong>de</strong>crec.)t = 0,003 in00 0.5 1 1.5 2 2.5p =pE⎛r⎜ ⎞ 2⎝ t ⎠ ⎟Figura 3.10.30.250.2Δσ cr=Δk0.150.10.0500 0.5 1 1.5 2 2.5p =pE⎛r⎜ ⎞ 2⎝ t ⎠ ⎟Figura 3.2Página 20 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA3.1) METODOS DE RESOLUCION:3.1.1) Harris, Suer, Skene y Benjamin trabajaron estadísticamente <strong>con</strong> la curva <strong>de</strong>lincremento <strong>de</strong>l coeficiente <strong>de</strong> pan<strong>de</strong>o dada por Lo, Create y Schwartz, haciendo lacorrelación <strong>de</strong> los resultados experimentales y calculando la curva <strong>de</strong>l 90 % <strong>de</strong>probabilidad para ser usada como curva <strong>de</strong> diseño.Figura 3.1.1.1Para obtener la tensión crítica <strong>de</strong> pan<strong>de</strong>o a una <strong>de</strong>terminada presión, <strong>de</strong>be calcularsetensión crítica para el cilindro sin presurizar (figura 2.1.3.1) y sumarle el valor <strong>de</strong>lincremento dado por la figura 3.1.1.1Página 21 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA3.1.2) Fung y Sechler corrigieron la curva <strong>de</strong>l incremento <strong>de</strong>l coeficiente <strong>de</strong> pan<strong>de</strong>o <strong>de</strong>Lo, Create y Schwartz, trazando una recta <strong>de</strong>s<strong>de</strong> ΔK = 0 a (p/E)(r/t) 2ΔK = 0,229 a (p/E)(r/t) 2 = 1,20 y luego para valores <strong>de</strong> (p/E)(r/t) 2 > 1,20= 0 hastatomandoΔK = 0,229 = cte. (figura 3.1.2.1)El método que propusieron es calcular la tensión crítica para un cilindro sin presurizarpor intermedio <strong>de</strong> la fórmula <strong>de</strong> Kanemitsu y Nojima (figura 2.1.1.1) y sumarle elincremento obtenido <strong>de</strong> la curva corregida.Esto se podría aplicar igualmente para el método <strong>de</strong> Batdorf (2.1.2), ya que este corrigela curva teórica <strong>con</strong> la ecuación <strong>de</strong> Kanemitsu y Nojima.0.30.250.2Δσ cr=Δk0.150.10.0500 0.5 1 1.5 2 2.5p =pE⎛r⎜ ⎞ 2⎝ t ⎠ ⎟Figura 3.1.2.1Página 22 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA3.1.3) El Manual <strong>de</strong> Estructuras Aeronáuticas, Parte II, sección C3 da la tensión crítica<strong>de</strong> pan<strong>de</strong>o para cilindros comprimidos y presurizados como:3.1.3.1)σcrη=rγEt2( −ν)31+ Δ γσcrηEt=0605 , γ Δγr+ (para ν = 0,3)Don<strong>de</strong> el factor γ se obtiene <strong>de</strong> igual manera que el cilindro sin presurizar y Δγ = ΔK seobtiene <strong>de</strong> la figura 3.1.2.1Se <strong>de</strong>be tener en cuenta que esta tensión calculada no incluye el efecto <strong>de</strong> traccióngenerado por la presión interna.Página 23 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNA4. EJEMPLOS DE CALCULOEn la siguiente tabla se observan los valores obtenidos por los distintos métodos parauna dada relación r/t y distintas longitu<strong>de</strong>s.E = 750000 Kg/cm 2 r = 10 cm t = 0,02 cm r/t = 500σ cr (1) σ cr (2) σ cr (3) σ cr (4) L L/r r/t ZArtic. Emp. Artic. Emp. Artic. Emp. Artic. Emp. (cm)1066.5 868 1274 325 1085 292 1 0.1 500 4.77625.73 540 610 280 420 292 2 0.2 500 19.08416 412 327.2 280 280 292 5 0.5 500 119.25361.5 327.2 280 292 10 1 500 477340 327.2 280 292 20 2 500 1908335.6 327.2 280 292 40 4 500 7632Las tensiones críticas están dadas en Kg/cm 2 Z = L 2 (1-μ 2 ) 0.5(1) Método 2.1.1(2) Método 2.1.2(3) Método 2.1.3(4) Método 2.1.4r tPara distintos valores <strong>de</strong> presión interna los incrementos en la carga crítica serán:Δσ cr (1) Δσ cr (2) r/t P (Kg/cm 2 ) P/E (r/t) 2210 71.5 500 0.75 0.25270 143 500 1.5 0.5300 300 500 3 1330 343.5 500 6 2(1) Método 3.1.1(2) Método 3.1.2Página 24 <strong>de</strong> 25
CILINDROS DE PAREDES DELGADAS SOMETIDOS A COMPRESION Y PRESION INTERNABIBLIOGRAFIA:• S. Timoshenko, Teoría <strong>de</strong> la estabilidad elástica, EDIAR 1961.REFERENCIAS:• Batdorf S. B., Schil<strong>de</strong>rout M. and Stein M., Critical Stress of Thin-Walled in AxialCompresion, NACA TN 1343, June 1947.• Lo H., Crate H. and Schwartz E. B., Buckling of Thin-Walled Circular Cylin<strong>de</strong>rs Un<strong>de</strong>rAxial Compresion and Internal Pressure, NACA Report 1027, 1951.• Fung Y. C. and Sechler E. E., Buckling of Thin-Walled Circular Cylin<strong>de</strong>rs Un<strong>de</strong>r AxialCompresion 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-WalledCircular Cylin<strong>de</strong>rs Un<strong>de</strong>r Axial Compresion and Internal Pressure, Journal of theAeronautical Sciences, August 1957.• George C. Marshall Space Flight Center, Astronautic Structures Manual, Vol II,section C3.0, August 1975.Página 25 <strong>de</strong> 25