Mecánica de materiales, 7ma Edición - James M. Gere PDF

Preview

Summary

Gere Goodno Séptima edición Séptima edición Gere • Goodno Mecánica de materiales Ahora con más ilustraciones que nunca antes, la séptima edición de Mecánica de materiales, continúa su tradición como uno de los textos principales en el mercado. Con su claridad y exactitud sello, este texto desarrolla...

Description

Gere Goodno Séptima edición

Séptima edición

Ahora con más ilustraciones que nunca antes, la séptima edición de Mecánica de materiales, continúa su tradición como uno de los textos principales en el mercado. Con su claridad y exactitud sello, este texto desarrolla la comprensión del estudiante junto con habilidades analíticas y de solución de problemas. Los temas principales incluyen el análisis y diseño de los miembros estructurales sujetos a fuerzas de tensión, compresión, torsión, flexión y más. El libro incluye más material del que se puede enseñar en un solo curso y da a los instructores la oportunidad de seleccionar los temas que desean cubrir mientras dejan cualquier material restante como referencia valiosa para el estudiante.

Características principales Problemas: El texto ofrece más de 1000 problemas para la asignación de tareas y las discusiones en el salón de clases. Los ejercicios se agrupan según el orden de dificultad, con los problemas muy largos o más difíciles indicados por una o más estrellas. Ejemplos: Los numerosos ejemplos ilustran los conceptos teóricos y demuestran cómo esos conceptos se pueden utilizar en situaciones prácticas.

ISBN 10: 970-830-040-3 ISBN 13: 978-970-830-040-7

Mecánica de materiales

Gere • Goodno

Séptima edición

James M. Gere • Barry J. Goodno

Mecánica de materiales SÉPTIMA EDICIÓN

James M. Gere Profesor Emérito, Stanford University

Barry J. Goodno Georgia Institute of Technology

Traducción:

Javier León Cárdenas

Profesor de Ciencias Básicas Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas Instituto Politécnico Nacional Revisión técnica:

José Nicolás Ponciano Guzmán

Instituto Tecnológico de Morelia Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Campus Morelia

Mecánica de materiales. Séptima Edición James M. Gere y Barry J. Goodno Presidente de Cengage Learning Latinoamérica: Javier Arellano Gutiérrez Director editorial Latinoamérica: José Tomás Pérez Bonilla Director de producción: Raúl D. Zendejas Espejel Coordinadora editorial: María Rosas López Editor: Sergio R. Cervantes González Editor de producción: Timoteo Eliosa García Ilustrador: Peter Papayanakis Diseño de portada: Ansialab Composición tipográfica: Ediciones OVA

© D.R. 2009 por Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., una Compañía de Cengage Learning, Inc. Corporativo Santa Fe Av. Santa Fe núm. 505, piso 12 Col. Cruz Manca, Santa Fe C.P. 05349, México, D.F. Cengage Learning™ es una marca registrada usada bajo permiso.

DERECHOS RESERVADOS. Ninguna parte de este trabajo amparado por la Ley Federal del Derecho de Autor, podrá ser reproducida, transmitida, almacenada o utilizada en cualquier forma o por cualquier medio, ya sea gráfico, electrónico o mecánico, incluyendo, pero sin limitarse a lo siguiente: fotocopiado, reproducción, escaneo, digitalización, grabación en audio, distribución en Internet, distribución en redes de información o almacenamiento y recopilación en sistemas de información a excepción de lo permitido en el Capítulo III, Artículo 27 de la Ley Federal del Derecho de Autor, sin el consentimiento por escrito de la Editorial. Traducido del libro Mechanics of Materials, Seventh ed. Publicado en inglés por Cengage Learning © 2009 ISBN: 0-534-55397-4 Datos para catalogación bibliográfica: Gere, James y Barry J. Goodno Mecánica de materiales. Séptima Ed. ISBN-13: 978-607-481-315-9 ISBN-10: 607-481-315-9 Visite nuestro sitio en: http://latinoamerica.cengage.com

Contenido James Monroe Gere (1925-2008)  ix Créditos de fotografías  x Prefacio  xi Símbolos  xv Alfabeto griego  xviii

1

Tensión, compresión y cortante  2 1.1  1.2 1.3 1.4  1.5  1.6  1.7  1.8 

2

Introducción a la mecánica de materiales  5 Esfuerzo normal y deformación unitaria normal  7 Propiedades mecánicas de los materiales  15 Elasticidad, plasticidad y termofluencia  24 Elasticidad lineal, ley de Hooke y relación de Poisson  27 Esfuerzo cortante y deformación unitaria cortante  32 Esfuerzos y cargas permisibles  43 Diseño por cargas axiales y cortante directo  49 Resumen y repaso del capítulo  55 Problemas del capítulo 1  57

Elementos cargados axialmente  88 2.1 2.2  2.3  2.4  2.5  2.6  2.7  *2.8 *2.9 *2.10 *2.11

Introducción  91 Cambios de longitud de elementos cargados axialmente  91 Cambios de longitud en condiciones no uniformes  100 Estructuras estáticamente indeterminadas  107 Efectos térmicos, desajustes y deformaciones previas  116 Esfuerzos sobre secciones inclinadas  128 Energía de deformación  140 Carga de impacto  153 Carga repetida y fatiga  162 Concentraciones de esfuerzos  164 Comportamiento no lineal  170

*Especializado

y/o temas avanzados.

iii

iv    Contenido *2.12

3  

Torsión  220 3.1  3.2  3.3  3.4  3.5  3.6  3.7  3.8  3.9  3.10  *3.11

4

Análisis elastoplástico  175 Resumen y repaso del capítulo  181 Problemas del capítulo 2  182

Introducción  222 Deformaciones torsionantes de una barra circular  223 Barras circulares de materiales linealmente elásticos  226 Torsión no uniforme  238 Esfuerzos y deformaciones unitarias en cortante puro  245 Relación entre los módulos de elasticidad E y G  252 Transmisión de potencia por ejes circulares  254 Elementos de torsión estáticamente indeterminados  259 Energía de deformación en torsión y cortante puro  263 Tubos de pared delgada  270 Concentraciones de esfuerzos en torsión  279 Resumen y repaso del capítulo  282 Problemas del capítulo 3  283

Fuerzas cortantes y momentos flexionantes  304 4.1 

Introducción  306 4.2  Tipos de vigas, cargas y reacciones  306 4.3  Fuerzas cortantes y momentos flexionantes  313 4.4  Relaciones entre cargas, fuerzas cortantes y momentos flexionantes 320 4.5  Diagramas de fuerza cortante y de momento flexionante  325 Resumen y repaso del capítulo  337 Problemas del capítulo 4  338

5

Esfuerzos en vigas (temas básicos)  350 5.1  5.2  5.3  5.4  5.5  5.6  5.7  5.8 

Introducción  353 Flexión pura y flexión no uniforme  353 Curvatura de una viga  354 Deformaciones unitarias longitudinales en vigas  356 Esfuerzos normales en vigas (materiales linealmente elásticos)  361 Diseño de vigas para esfuerzos de flexión  374 Vigas no prismáticas  383 Esfuerzos cortantes en vigas con sección transversal rectangular  387

*Especializado

y/o temas avanzados.

contenido    v 5.9  Esfuerzos cortantes en vigas con sección transversal 5.10  **5.11  **5.12  **5.13 



circular  397 Esfuerzos cortantes en las almas de vigas con patines  400 Trabes armadas y flujo cortante  408 Vigas con cargas axiales  412 Concentraciones de esfuerzos en flexión  418 Resumen y repaso del capítulo  421 Problemas del capítulo 5  424

6   Esfuerzos en vigas (temas avanzados)  454 6.1 

Introducción  457 Vigas compuestas  457 6.3  Método de la sección transformada  466 6.4  Vigas doblemente simétricas con cargas inclinadas  472 6.5  Flexión de vigas asimétricas  479 6.6  Concepto de centro de cortante  487 6.7  Esfuerzos cortantes en vigas con secciones transversales abiertas de pared delgada  489 6.8  Esfuerzos cortantes en vigas de patín ancho  492 6.9  Centros de cortante en secciones abiertas de pared delgada  496 **6.10  Flexión elastoplástica  504 Resumen y repaso del capítulo  514 Problemas del capítulo 6  516 6.2 

7   Análisis de esfuerzo y deformación unitaria  536 7.1  7.2  7.3  7.4  7.5  7.6  7.7 



Introducción  539 Esfuerzo plano  540 Esfuerzos principales y esfuerzos cortantes máximos  548 Círculo de Mohr para esfuerzo plano  558 Ley de Hooke para esfuerzo plano  575 Esfuerzo triaxial  580 Deformación unitaria plana  584 Resumen y repaso del capítulo  600 Problemas del capítulo 7  602

8   Aplicaciones del esfuerzo plano (recipientes a presión, vigas y cargas combinadas)  618 8.1 8.2 8.3 **Temas

Introducción  621 Recipientes esféricos a presión   621 Recipientes cilíndricos a presión  627 avanzados.

vi    Contenido 8.4 8.5

9

Esfuerzos máximos en vigas  635 Cargas combinadas  645 Resumen y repaso del capítulo  661 Problemas del capítulo 8  663

Deflexiones de vigas  676 Introducción  679 9.2 Ecuaciones diferenciales de la curva de deflexión  679 9.3  Deflexiones por integración de la ecuación del momento flexionante  685 9.4  Deflexiones por integración de las ecuaciones de la fuerza cortante y de la carga  696 9.5 Método de superposición  702 9.6 Método de área-momento  711 9.7 Vigas no prismáticas  720 9.8  Energía de deformación por flexión  725 **9.9  Teorema de Castigliano  731 **9.10 Deflexiones producidas por impacto  744 **9.11  Efectos de la temperatura  746 Resumen y repaso del capítulo  749 Problemas del capítulo 9  751 9.1

10

Vigas estáticamente indeterminadas  770 10.1  10.2  10.3 10.4  **10.5  **10.6 

11

Introducción  773 Tipos de vigas estáticamente indeterminadas  773 Análisis de la curva de deflexión con las ecuaciones diferenciales  777 Método de superposición  784 Efectos de la temperatura  797 Desplazamientos longitudinales en los extremos de una viga  801 Resumen y repaso del capítulo  805 Problemas del capítulo 10  806

Columnas  816 11.1  11.2 11.3  11.4

**Temas

Introducción  819 Pandeo y estabilidad  819 Columnas con extremos articulados  823 Columnas con otras condiciones de soporte  834 avanzados.

contenido    vii 11.5  11.6  11.7  11.8  11.9 



12

Columnas con cargas axiales excéntricas  845 Fórmula de la secante para columnas  850 Comportamiento elástico e inelástico de columnas  856 Pandeo inelástico  858 Fórmulas para diseño de columnas  863 Resumen y repaso del capítulo  882 Problemas del capítulo 11  883

Repaso de centroides y momentos de inercia  900 12.1  12.2  12.3  12.4 12.5  12.6  12.7  12.8  12.9 



Introducción  902 Centroides de áreas planas  902 Centroides de áreas compuestas  905 Momentos de inercia de áreas planas  909 Teorema de los ejes paralelos para momentos de inercia  912 Momentos polares de inercia  916 Productos de inercia  918 Rotación de ejes  921 Ejes principales y momentos de inercia principales  923 Problemas del capítulo 12  927

Referencias y notas históricas  935 Apéndice A Sistemas de unidades y factores de conversión  943 A.1  Sistemas de unidades  943 A.2  Unidades si  944 A.3  Unidades inglesas habituales  950 A.4  Unidades de temperatura  952 A.5  Conversión entre unidades  953 Apéndice B Resolución de problemas  956 B.1  Tipos de problemas  956 B.2  Pasos en la resolución de problemas  957 B.3  Homogeneidad dimensional  958 B.4  Cifras significativas  959 B.5  Redondeo de números  961 Apéndice C

Fórmulas matemáticas  962

Apéndice D

Propiedades de áreas planas  966

viii    Contenido

Apéndice E

Propiedades de los perfiles estructurales de acero  972

Apéndice F

Propiedades de la madera estructural  983

Apéndice G

Deflexiones y pendientes de vigas  984

Apéndice H

Propiedades de los materiales  990

Respuestas a los problemas  995 Índice onomástico  1016 Índice  1017

James Monroe Gere (1925-2008) James Monroe Gere, Profesor Emérito de Ingeniería Civil en la Stanford University, nació el 14 de junio de 1925 en Syracuse, Nueva York, y murió el 30 de enero de 2008 en Portola Valley, California. En 1942, a la edad de 17 años, ingresó al U.S. Army Air Corps y desempeñó su servicio militar en Inglaterra, Francia y Alemania. Después de la Segunda Guerra Mundial obtuvo los grados de ingeniero y la maestría en ingeniería civil en el Rensselaer Polytechnic Institute en 1949 y 1951, respectivamente. Trabajó como instructor y después como Investigador asociado en Rensselaer entre 1949 y 1952. Fue premiado con una de las primeras becas NSF y decidió estudiar en la Stanford University. En 1954 recibió su grado de Ph.D. y se le ofreció un puesto en la facultad de ingeniería civil, dando inicio así a una carrera de 34 años en la que hizo que los estudiantes participaran en temas estimulantes en ingeniería mecánica, estructural y sísmica. Fue jefe de departamento y decano asociado de ingeniería y en 1974 fue cofundador del John A. Blume Earthquake Engineering Center en Stanford. En 1980, Jim Gere también fue el principal fundador del Stanford Committee on Earthquake Preparedness, que exhortó a los miembros del campus universitario a asegurar y reforzar el equipo de oficina, mobiliario y otros artículos que pudieran representar un peligro para la vida en caso de un sismo. Ese mismo año fue uno de los primeros extranjeros en ser invitado a estudiar la ciudad devastada por un sismo de Tangshan, China. Jim se jubiló de Stanford en 1988, pero continuó siendo un miembro muy apreciado en la comunidad de Stanford ya que en su tiempo libre aconsejó y guió estudiantes en varios viajes de campo a la zona de temblores de California. Jim Gere fue conocido por su comportamiento sociable, su alegre personalidad y maravillosa sonrisa, su afición al atletismo y su habilidad como educador en ingeniería civil. Fue autor de nueve libros sobre varios temas de ingeniería; el primero fue en 1972 con Mecánica de materiales, un libro inspirado por su maestro y mentor Stephan P. Timoshenko. Sus otros libros famosos, utilizados en cursos de ingeniería en todo el mundo incluyen: Teoría de estabilidad elástica, coescrito con S. Timoshenko; Análisis matricial de marcos y Álgebra matricial para ingenieros, los dos coescritos con W. Weaver; Distribución de momentos; Tablas sísmicas: manual de diseño estructural y construcción, coescrito con H. Krawinkler y Terra Non Firma: Comprensión y preparación para sismos, coescrito con H. Shah. Respetado y admirado por los estudiantes, profesorado y personal de la Stanford University, el profesor Gere siempre sintió que la oportunidad de trabajar y dar servicio a los jóvenes, tanto dentro como fuera del aula, fue una de sus mayores alegrías. Le gustaba caminar y a menudo visitaba los Parques Nacionales de Yosemite y Grand Canyon. Realizó más de 20 ascensiones al Half Dome en Yosemite así como la “excursión a pie John Muir” de hasta 50 millas en un solo día. En 1986 llegó hasta el campo base del Monte Everest, y le salvó la vida a un compañero de viaje. James fue un corredor activo y completó el Jim Gere en la Biblioteca Timoshenko en la Stanford Maratón de Boston a la edad de 48 años, con un tiempo de 3:13. University, mostrando una John Gere siempre será recordado por todos los que lo conocieron como un hombre copia de la 2a. edición de considerado y amoroso que con su buen humor hizo más placenteros los aspectos de la este libro (fotografía cortesía vida y el trabajo. Su último proyecto (en progreso y ahora continuado por su hija Susan de Richard Weingardt Conen Palo Alto, California) fue un libro basado en las memorias de su bisabuelo, un coronel sultants, Inc) (112d NY) en la Guerra Civil. ix

Créditos de fotografías Capítulo 1. 2: Foto de Bryan Tokarczyk, PE/KPFF Tower Engineers 15: Cortesía de MTS Systems Corporation 16: Cortesía de MTS Systems Corporation 18: Cortesía de MTS Systems Corporation 32: © Barry Goodno 60: Barry Goodno 66: © Barry Goodno 67: Vince Streano/Getty Images 67: © Barry Goodno 67: © Barry Goodno 68: © Barry Goodno 68: © Barry Goodno 72: © Barry Goodno 76: Cortesía de American Superconductor 83: © Barry Goodno 76: Cortesía de Tilt-Up Concrete Association. Capítulo 2. 88: Joe Raedle/Getty Images 93: © Barsik/Dreamstime.com 118: Barros & Barros/Getty Images 163: Cortesía de MTS Systems Corporation 188: © Barry Goodno. Capítulo 3. 220: Harald Sund/Getty Images 232: Louie Psihoyos/Getty Images 233: Peter Ginter/Getty Images 290: © Barry Goodno 290: Bontrager Race XXX Lite Flat Handlebar, cortesía de Bontrager. Capítulo 4. 304: © Jupiter Images, 2007 307: Joe Gough/Sthutterstock 309: Cortesía del National Information Service for Earthquake Engineering EERC, University of California, Berkeley 339: Thomasz Gulla/Shutterstock. Capítulo 5. 350: Lester Lefkowitz/Getty Images 374: Cortesía del AISC 413: Lester Lefkowitz/Getty Images 427: Gabriel M. Covian/Getty Images. Capítulo 6. 454: Chris Harvey/Shutterstock 479: Franz Pflueg/Shutterstock 527: Barry Goodno 527: © Barry Goodno. Capítulo 7. 536: Alfred Pasieka/Peter Arnold, Inc. 548: Cortesía de Eann Patterson 548: Frans Lemmens/Getty Images 594: Cortesía de Omega Engineering Inc. Capítulo 8. 618: Cortesía de Christian Michel, www.modernairships.info 621: Harald HØilan TjØstheim/Getty Images 627: Wayne Eastep/Getty Images. Capítulo 9. 676: Cortesía del National Information Service for Earthquake Engineering EERC, University of California, Berkeley 698: Cortesía del National Information Service for Earthquake Engineering EERC, University of California, Berkeley 700: Tom Brakefield/Getty Images 709: Cortesía del National Service for Earthquake Engineering EERC, University of California, Berkeley 720: Malcom Fife/Getty Images. Capítulo 10: 770: © David Sanger photography/Alamy 776: Lopatinsky Vladislav/Shutterstock 812: Cortesía del National Information Service for Earthquake Engineering EERC, University of California, Berkeley. Capítulo 11. 816: LUSHPIX/UNLISTED IMAGES, INC. 833: Lester Lefkowitz/ Getty Images 834: Digital Vision/Getty Images 887: © Barry Goodno. Capítulo 12. 900: Bob Scott/Getty Images 903: Fotografía cortesía de Louis Ge­sch­ winder 906: Don Farral/Getty Images Prefacio: Richard Weingardt Consul­ tants Inc. x

Prefacio Prefacio La mecánica de materiales es un tema básico de ingeniería que debe comprender quien tenga interés en la resistencia y el desempeño físico de las estructuras, sean hechas por el hombre o naturales. La materia incluye conceptos fundamentales como esfuerzos y deformaciones unitarias, deformaciones y desplazamientos, elasticidad e inelasticidad, energía de deformación y capacidad de carga. En estos conceptos se basa el diseño y análisis de una gran variedad de sistemas mecánicos y estructurales. En el nivel universitario la mecánica de materiales por lo general se enseña durante los primeros años. La materia es un requisito para la mayoría de los alumnos de ingeniería mecánica, estructural, civil, biomédica, aeronáutica y aeroespacial. Además, muchos estudiantes de campos tan diversos como ciencia de materiales, ingeniería industrial, arquitectura e ingeniería agrícola también encuentran útil estudiar este tema.

Acerca de este libro Los temas principales que se estudian en este libro son el análisis y diseño de elementos estructurales sometidos a tensión, compresión, torsión y flexión, incluidos los conceptos fundamentales mencionados en el primer párrafo. Otros temas de interés general son las transformaciones de esfuerzo y deformación unitaria, cargas combinadas, concentraciones de esfuerzo, deflexiones de vigas y estabilidad de columnas. Entre los temas especializados se incluyen los siguientes: efectos térmicos, cargas dinámicas, elementos no prismáticos, vigas de dos materiales, centros de cortante, recipientes a presión y vigas estáticamente indeterminadas. Para mayor alcance y referencia ocasional, también se incluyen temas elementales como fuerzas cortantes, momentos flexionantes, centroides y momentos de inercia. Como ayuda para el lector estudiante, cada capítulo inicia con los Aspectos generales del capítulo y termina con un Resumen y repaso del capítulo en donde se destacan los puntos clave presentados en el capítulo para un repaso rápido (en preparación para exámenes sobre el material). Cada capítulo también empieza con una fotografía de un componente o de una estructura que ilustra los conceptos clave que se e...