Buenos días, tardes o noches. Yo soy un estudiante de Ingeniería Mecánica que se encuentra cursando el 3er año de su carrera en Argentina. Esto es relevante a la hora de responder esta pregunta porque curse materias de física 1,2 y 3, Materias de mecánica, termodinámica y estática de materiales etc. Es decir, una gran parte Técnica propiamente dicha de la carrera.
En mi experiencia como alumno, calculamos y dimensionamos en el papel diferentes objetos sometidos a diferentes solicitaciones de todo tipo, por lo tanto me encuentro apto para contarles que hace exactamente o por lo menos, que piensa un ingeniero a la hora de decir que viga hay que poner o que dimensiones tiene que tener determinada pieza en una estructura.
Bueno.. comencemos entonces, obviamente hay muchas cosas que hay que tener en cuenta y por eso no es un proceso sencillo ni lleva poco tiempo.
1- Función.
Lo primero que hay que hacer al enfrentarnos a un problema de Dimensionamiento (como se le llama), es determinar PARA QUE va a ser hecha o QUE FUNCIÓN va a cumplir en la estructura la pieza que queremos dimensionar. Que quiero decir con esto? Es decir, si yo estoy diseñando una columna, yo se que esa columna va a tener que aguantar parte del peso de la estructura, la gente que camina arriba, etc. Por lo tanto esa columna esta sometida a COMPRESIÓN.
Si yo lo que quiero diseñar es un cable que va a aguantar parte del peso de un puente, entonces ese cable va a estar sometido a TRACCIÓN.
Bueno, como podemos ver, existen varios tipos de solicitaciones. En definitiva hay tracción, compresión, flexion y torsion. Ni mas, ni menos. Normalmente los diferentes objetos están sometidos a varios tipos de solicitaciones (esfuerzos) . Cuando pasa este tipo de cosas se dice que hay "Solicitación multiple".
2- Determinación de los esfuerzos.
Genial! Una vez que identificamos que esfuerzo va a sufrir nuestra pieza (muchas veces es evidente y muchas otras no tanto). Ahora lo que tenemos que definir es que cantidad , expresado en NEWTONS (medida de fuerza), va a tener que aguantar. Normalmente esto se hace haciendo un análisis de esfuerzos en los ejes coordenados (x,y,z) y se termina así, los esfuerzos.
Dependiendo del problema esto puede ser mas o menos difícil. A modo introductorio voy a mencionar que este tipo de ejercicios se acomplejan mucho si tienen mas o menos grados de libertad. Quiero decir... que si están muy agarradas, poco agarrados etc.
3- Punto de máxima solicitación.
Ahora supongamos que ya calculamos esto, nos tomo nuestro tiempo pero ya lo hicimos. Lo siguiente a determinar es el PUNTO DE MÁXIMA SOLICITACIÓN. La manera fácil de explicar este concepto es la siguiente:
Supongamos que quieren armar un puente para cruzar un rió y dispones de un tablón de madera muy largo... Todo el mundo sabe, por mera intuición que si pones el tablón y caminas sobre el, donde tenes mas posibilidades de caer al rió porque se rompa el tablón? En el medio. Si. Es intuitivo el concepto!
Este análisis se hace haciendo unos gráficos de los distintos esfuerzos en la pieza o estructura y donde tenemos los mayores esfuerzos es donde haremos el análisis del próximo paso. Normalmente existen varios lugares críticos o SECCIONES criticas.
Algunos se preguntaran, Porque tengo que analizar una sección en particular? La respuesta rápida es la siguiente: Si sabemos cual es el punto mas débil de todos, y ese aguanta, entonces toda la estructura debería aguantar.
4- Criterios.
Supongamos entonces que ya disponemos de la sección mas solicitada de nuestra estructura. Ahora lo que tenemos que hacer es definir un CRITERIO que vamos a seguir para asegurarnos de que las decisiones que tomemos no sean las equivocadas. Que quiere decir esto? Existe, por ejemplo, el criterio de Tresca que define a la máxima tension por la tension de corte que presente la estructura. La tension de Von Mises, por ejemplo, define a la máxima tension por el conjunto de las tensiones presentes en el problema.
Oye oye, mas despacio cerebrito.... Jajaja
Que es la tension? La tension es el la fuerza dividido el area a la que este siendo ejercida. Es una cuasi "presión" por así decirlo, pero que va por dentro de los materiales. En la jerga se le suele hablar del "estrés" que esta sufriendo un material o pieza.
Que es la dichosa, "tension máxima"? En general se habla de que todos los materiales sufren un determinado comportamiento al ser sometidos a la tension. Primero se comportan de forma "elástica" y después de forma "plástica" hasta que de repente se rompen.
Normalmente cuando diseñamos algo, queremos que eso mantenga la forma original para la que fue creado por lo tanto diremos que la tension máxima sera la tension de fluencia.
(BREVE EXPLICACIÓN DE LOS TIPOS DE TENSIONES) --- Cuando un material se encuentra dentro de la parte elástica, quiere decir que recupera su forma original tras dejar de ejercerla esa tension, cuando se encuentra en la zona plástica, quiere decir que ya no recuperara el total de lo que se deformo.
Por lo tanto, la tension de fluencia sera aquella tension para la cual el material deja de comportarse de manera elástica. Entonces este sera nuestro limite. Estas tensiones varían de acuerdo al material.
Obviamente, no todo se trata de ese valor de fluencia, debido a que los diferentes materiales, dependiendo de para que uno quiera hacer el dimensionamiento, se comportan de diferente manera. No es lo mismo que nosotros queramos diseñar un edificio que no tendrá que moverse en ningún momento, a una bicicleta que ira rebotando y pegándose contra todo.
O quizás queramos que sea mas liviana , sacrificando un poco de la "resistencia a los golpazos". Este análisis se hará de acuerdo para que quiera que se use la pieza.
5- Otras consideraciones.
Acá ya entramos en un terreno un poco mas difícil de explicar. Debido a que, dependiendo del problema considerado, habrá o no distintas cosas a tener en cuenta.
En el caso de una columna sometida a compresión, esta podría sufrir "pandeo", por lo tanto habrá un calculo especifico para definir las tensiones máximas dependiendo de este ultimo.
En el caso de una calle por ejemplo, los efectos de dilatación por efecto térmico serán muy apreciables, por lo tanto las placas de pavimento chocaran unas con otras generando tensiones de compresión unas con las otras. Aumentando los efectos de solicitación.
Efectos de cargas dinámicas: Hay casos donde las cargas aplicadas a la estructura se aplican repentinamente y a una velocidad determinada. Estas condiciones generan un aumento bastante drástico de las tensiones que debe aguantar la estructura. Este efecto también se puede dar por vibraciones.
La manera mas fácil de verlo es: Si caminas despacio por un trampolín casi que no se va a mover. Ahora si saltamos, amplificamos la fuerza de tal manera que este se dobla apreciable mente.
Fatiga: La fatiga es un aspecto complejo del análisis, ya que es muy estadístico y se determina a través de ensayos experimentales. Normalmente, se especifica la cantidad de "ciclos" a los que se vera sometido una carga y se estima el esfuerzo máximo que podrá ser ejercido.
Tensiones remanentes: Este efecto se da muchas veces en la construcción de distintas piezas prefabricadas. Donde por diferentes procesos de manufactura, la pieza ya contiene tensiones de compresión y tracción a lo largo de todo el material.
Concentradores de tensiones y generadores de fisuras: Normalmente un concentrador de tensiones es un lugar de la estructura que por su forma (factores geométricos), incrementa las tensiones PUNTUALMENTE, en la estructura o pieza. Estos pueden ser agujeros de formas irregulares, esquinas angulosas (producto de soldaduras, malos diseños, etc.).
Normalmente este análisis general de consideraciones se demora bastante. Un buen calculo estructural y dimensionamiento de una pieza compleja con multiples solicitaciones, sometido a cargas cíclicas y efectos de desgaste, con condiciones especificas de construcción (tensiones remanentes, concentradores de tensiones,etc) demora muchísimo tiempo.
FINALMENTE
Una vez que hemos llegado hasta este punto, tomando todas las consideraciones necesarias para el buen desempeño de nuestra pieza o estructura, llega el momento de dimensionar.
Una vez alcanzados este estado, ya se disponen de todas las ecuaciones que normalmente relacionan diferentes constantes ingenieriles de los materiales, sus tensiones y las dimensiones del objeto. Entonces, definimos que pieza nos conviene mas utilizar para la tension o solicitación que queremos soportar. A veces podremos elegir, otras veces no por como es la construcción.
Ahora agarramos una tabla de dimensiones de piezas prefabricadas (o no), y le damos valores a los distintos parámetros. Hasta que cumpla con todas las condiciones que nosotros impusimos.
NO OLVIDARSE
Es de vital importancia tener en cuenta que nunca se podrá hacer un calculo perfecto. Normalmente todas las teorías de mecánica de materiales siempre tienen simplificaciones. Por ejemplo: que los materiales son homogéneos e isotropos, etc. Pero esto no necesariamente es así!
Y ahora que? Diras. Todo al pedo? No. Existe un factor, llamado factor de seguridad que contempla el uso de simplificaciones en el problema.
Supongamos que no se como calcular en una determinada parte de un barco la solicitación que va a interactuar porque puede ser extremadamente variable. Bueno, como desconocemos, multiplicamos x2 o x3 o x4 las diferentes dimensiones. Normalmente, en vez de aumentar las dimensiones (por que no necesariamente tiene que seguir una linealidad), se divide la tension máxima.
SIEMPRE SE DEBE APLICAR UN FACTOR DE SEGURIDAD.
Esto no quiere decir que ahora tenemos que poner a 10 personas en un ascensor cuando dice máximo 3.... por mas que este diseñado para 10 personas, se espera que se suban solo 3 para que se aseguren que esas 3 suban sin morir en el intento...
Espero que les haya servido! / les haya interesado. Muchas gracias!
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