Beer - Mecanica de Los Materiales

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  • Unidades de uso comn en Estados Unidos y sus equivalencias enunidades del SI

    Cantidad Unidades de uso comn Equivalente del SIen Estados Unidos

    Aceleracin

    reain.2

    Energa 1.356 JFuerza kip 4.448 kN

    lb 4.448 Noz 0.2780 N

    ImpulsoLongitud ft 0.3048 m

    in. 25.40 mmmi 1.609 km

    Masa oz masa 28.35 glb masa 0.4536 kgslug 14.59 kgton 907.2 kg

    Momento de una fuerza

    Momento de inerciade un rea in.4de una masa

    Potencia 1.356 Whp 745.7 W

    Presin o esfuerzo 47.88 Palb/in.2 (psi) 6.895 kPa

    Velocidad ft/s 0.3048 m/sin./s 0.0254 m/smi/h (mph) 0.4470 m/smi/h (mph) 1.609 km/h

    Volumen, slidosin.3

    Lquidos gal 3.785 Lqt 0.9464 L

    Trabajo 1.356 Jft lb

    16.39 cm30.02832 m3ft3

    lb/ft2

    ft lb/s1.356 kg m2lb ft s20.4162 106 mm4

    0.1130 N mlb in.1.356 N mlb ft

    4.448 N slb s

    ft lb645.2 mm2

    0.0929 m2ft20.0254 m/s2in./s20.3048 m/s2ft/s2

  • MECNICA DE MATERIALES

  • MXICO BOGOT BUENOS AIRES CARACAS GUATEMALAMADRID NUEVA YORK SAN JUAN SANTIAGO SO PAULOAUCKLAND LONDRES MILN MONTREAL NUEVA DELHI

    SAN FRANCISCO SINGAPUR SAN LUIS SIDNEY TORONTO

    Revisin tcnica:

    Jess Manuel Dorador G.Universidad Nacional Autnoma de Mxico

    FERDINAND P. BEER (finado)Late of Lehigh University

    E. RUSSELL JOHNSTON, JR.University of Connecticut

    JOHN T. DEWOLFUniversity of Connecticut

    DAVID F. MAZUREKUnited States Coast Guard Academy

    MECNICA DE MATERIALES

    Quinta edicin

  • Director Higher Education: Miguel ngel Toledo CastellanosEditor sponsor: Pablo E. Roig VzquezCoordinadora editorial: Marcela I. Rocha M.Editor de desarrollo: Edmundo Carlos Ziga GutirrezSupervisor de produccin: Zeferino Garca Garca

    Traduccin: Jess Elmer Murrieta Murrieta

    MECNICA DE MATERIALESQuinta edicin

    Prohibida la reproduccin total o parcial de esta obra,por cualquier medio, sin la autorizacin escrita del editor.

    DERECHOS RESERVADOS 2010, 2007, 2003, 1993, 1982 respecto a la quinta edicin en espaol por McGRAW-HILL/INTERAMERICANA EDITORES, S.A. DE C.V.A Subsidiary of The McGraw-Hill Companies, Inc.

    Prolongacin Paseo de la Reforma Nm. 1015, Torre APiso 17, Colonia Desarrollo Santa Fe,Delegacin lvaro ObregnC.P. 01376, Mxico, D. F.Miembro de la Cmara Nacional de la Industria Editorial Mexicana, Reg. Nm. 736

    ISBN-13: 978-607-15-0263-6(ISBN: 970-10-6101-2 edicin anterior)

    Traducido de la quinta edicin en ingls de: Mechanics of Materials, fifth edition. Copyright 2009 by The McGraw-Hill Companies, Inc. All rights reserved.ISBN 0-07-722140-0

    1234567890 109876543210

    Impreso en Mxico Printed in Mexico

  • Acerca de los autores

    Como editores de los libros escritos por Ferd Beer y Russ Johnston, a me-nudo se nos pregunta cmo fue que escribieron juntos sus libros, cuando unode ellos trabaja en Lehigh y el otro en la University of Connecticut.

    La respuesta a esta pregunta es sencilla. El primer trabajo docente deRuss Johnston fue en el Departamento de Ingeniera Civil y Mecnica de Lehigh University. Ah conoci a Ferd Beer, quien haba ingresado a ese de-partamento dos aos antes y estaba al frente de los cursos de mecnica. FredBeer naci en Francia y se educ en ese pas y en Suiza. Alcanza el gradode maestro en Ciencias en la Sorbona y el de doctor en Ciencias en el cam-po de la mecnica terica en la Universidad de Ginebra. Lleg a Estados Uni-dos tras servir en el ejrcito francs a comienzos de la Segunda Guerra Mun-dial. Tambin ense durante cuatro aos en el Williams College en elprograma conjunto de arte e ingeniera de Williams-MIT. Russ Johnston na-ci en Filadelfia y obtuvo el grado de licenciado en Ciencias en la Univer-sity of Delaware y el grado de Doctor en Ciencias en el campo de ingenie-ra estructural en el MIT.

    Beer se alegr al descubrir que el joven que haba sido contratado prin-cipalmente para impartir cursos de posgrado en ingeniera estructural noslo deseaba ayudarlo a reestructurar los cursos de mecnica, sino que es-taba ansioso por hacerlo. Ambos compartan la idea de que estos cursos de-beran ensearse a partir de algunos principios bsicos y que los estudian-tes entenderan y recordaran mejor los diversos conceptos involucrados sistos se presentaban de manera grfica. Juntos redactaron notas para las c-tedras de esttica y dinmica, a las que despus aadieron problemas que,pensaron, seran de inters para los futuros ingenieros. Pronto tuvieron ensus manos el manuscrito de la primera edicin de Mechanics for Engineers.Cuando apareci la segunda edicin de este texto y la primera edicin deVector Mechanics for Engineers, Russ Johnston se hallaba en el WorcesterPolytechnics Institute. Al publicarse las siguientes ediciones ya trabajabaen la University of Connecticut. Mientras tanto, Beer y Johnston habanasumido responsabilidades administrativas en sus departamentos, y ambosestaban involucrados en la investigacin, en la consultora y en la supervi-sin de estudiantes: Beer en el rea de los procesos estocsticos y de lasvibraciones aleatorias, y Johnston en el rea de la estabilidad elstica y deldiseo y anlisis estructural. Sin embargo, su inters por mejorar la ense-anza de los cursos bsicos de mecnica no haba menguado, y ambos di-rigieron secciones de estos cursos mientras continuaban revisando sus tex-

    vii

  • tos y comenzaron a escribir juntos el manuscrito para la primera edicinde Mechanics of Materials.

    Las contribuciones de Beer y Johnston a la educacin en la ingenierales han hecho merecedores de varios premios y honores. Se les otorg el pre-mio Western Electric Fund Award por la excelencia en la instruccin de losestudiantes de ingeniera por sus secciones regionales respectivas de la Ame-rican Society for Engineering Education, y ambos recibieron el Premio alEducador Distinguido (Distinguished Educator Award) de la Divisin de Me-cnica de la misma sociedad. En 1991 Jonhston recibi el Premio al Inge-niero Civil Sobresaliente (Outstanding Civil Engineer Award) de la seccindel estado de Connecticut de la American Society of Civil Engineering, y en1995 Beer obtuvo el grado honorario de doctor en ingeniera por la LehighUniversity.

    John T. DeWolf, profesor de ingeniera civil de la University of Con-necticut, se uni al equipo de Beer y Johnston como autor en la segunda edi-cin de Mecnica de materiales. John es licenciado en Ciencias en ingenie-ra civil por la University of Hawaii y obtuvo los grados de maestra ydoctorado en ingeniera estructural por la Cornell University. Las reas de suinters en la investigacin son las de estabilidad elstica, monitoreo de puen-tes y anlisis y diseo estructural. Es miembro de la Junta de Examinadoresde Ingenieros Profesionales del Estado de Connecticut y fue seleccionadocomo miembro del Magisterio de la Universit y of Connecticut en 2006.

    David F. Mazurek, profesor de ingeniera civil en la United States CoastGuard Academy, es un autor nuevo en esta edicin. David cuenta con una li-cenciatura en Ingeniera oceanogrfica y una maestra en Ingeniera civil porel Florida Institute of Technology, as como un doctorado en Ingeniera civilpor la University of Connecticut. Los ltimos diecisiete aos ha trabajadopara el Comit de Ingeniera y Mantenimiento de Vas y Caminos Estado-unidenses en el rea de estructuras de acero. Entre sus intereses profesiona-les se incluyen la ingeniera de puentes, el anlisis forense de estructuras yel diseo resistente a las explosiones.

    viii Acerca de los autores

  • Contenido

    Prefacio xvLista de smbolos xxi

    1INTRODUCCIN. EL CONCEPTO DE ESFUERZO

    1

    1.1 Introduccin 21.2 Un breve repaso de los mtodos de la esttica 21.3 Esfuerzos en los elementos de una estructura 51.4 Anlisis y diseo 61.5 Carga axial. Esfuerzo normal 71.6 Esfuerzo cortante 91.7 Esfuerzo de apoyo en conexiones 111.8 Aplicacin al anlisis y diseo de estructuras sencillas 121.9 Mtodo para la solucin de problemas 14

    1.10 Exactitud numrica 151.11 Esfuerzos en un plano oblicuo bajo carga axial 231.12 Esfuerzos bajo condiciones generales de carga.

    Componentes del esfuerzo 241.13 Consideraciones de diseo 27

    Repaso y resumen del captulo 1 38

    2ESFUERZO Y DEFORMACIN. CARGA AXIAL

    462.1 Introduccin 472.2 Deformacin normal bajo carga axial 482.3 Diagrama esfuerzo-deformacin 50

    *2.4 Esfuerzo y deformacin verdaderos 552.5 Ley de Hooke. Mdulo de elasticidad 56

    ixix

  • 2.6 Comportamiento elstico contra comportamiento plstico de un material 57

    2.7 Cargas repetidas. Fatiga 592.8 Deformaciones de elementos sometidas a carga axial 612.9 Problemas estticamente indeterminados 70

    2.10 Problemas que involucran cambios de temperatura 742.11 Relacin de Poisson 842.12 Carga multiaxial. Ley de Hooke generalizada 85

    *2.13 Dilatacin. Mdulo de elasticidad volumtrico (o mdulo decompresibilidad) 87

    2.14 Deformacin unitaria cortante 892.15 Anlisis adicional de las deformaciones bajo carga axial.

    Relacin entre E, y G 92*2.16 Relaciones de esfuerzo-deformacin para materiales

    compuestos reforzados con fibras 952.17 Distribucin del esfuerzo y de la deformacin bajo

    carga axial. Principio de Saint-Venant 1042.18 Concentraciones de esfuerzos 1072.19 Deformaciones plsticas 109

    *2.20 Esfuerzos residuales 113Repaso y resumen del captulo 2 121

    3TORSIN

    1313.1 Introduccin 1323.2 Anlisis preliminar de los esfuerzos en un eje 1343.3 Deformaciones en un eje circular 1363.4 Esfuerzos en el rango elstico 1393.5 ngulo de giro en el rango elstico 1503.6 Ejes estticamente indeterminados 1533.7 Diseo de ejes de transmisin 1653.8 Concentraciones de esfuerzo en ejes circulares 167

    *3.9 Deformaciones plsticas en ejes circulares 172*3.10 Ejes circulares hechos de un material elastoplstico 174*3.11 Esfuerzos residuales en ejes circulares 177*3.12 Torsin de