Piel estresada

Tipo de construcción rígida

En ingeniería mecánica , una piel estresada es una construcción rígida en la que la piel o cubierta asume una parte de la carga estructural, intermedia entre un monocasco , en el que la piel asume toda o la mayor parte de la carga, y un marco rígido, que tiene una cubierta sin carga. Por lo general, el marco principal tiene una estructura rectangular y está triangulado por la cubierta; una estructura de piel estresada tiene elementos que absorben la compresión localizada (marco rectangular) y elementos que absorben la tensión distribuida (piel).

Descripción

Una caja de armazón simple con cuatro miembros discretos no es inherentemente rígida, ya que se deformará al ser cuadrada bajo cargas relativamente ligeras; sin embargo, agregar uno o más elementos diagonales que soporten tensión o compresión la hace rígida, porque la caja no puede desviarse de los ángulos rectos sin alterar también las diagonales. A veces, los elementos diagonales son flexibles, como los alambres, que se utilizan para proporcionar tensión, o los elementos pueden ser rígidos para resistir la compresión, como en el caso de una cercha Warren o Pratt ; en cualquier caso, agregar miembros diagonales discretos da como resultado estructuras de armazón completo en las que la piel contribuye muy poco o nada a la rigidez estructural.

En un diseño de piel estresada, la piel o cubierta exterior está adherida o fijada al marco, lo que agrega rigidez estructural al servir como miembro triangulador que resiste la distorsión de la estructura rectangular. ^[1] La piel proporciona una parte significativa de la rigidez estructural general al absorber la tensión de corte en el plano; sin embargo, la piel proporciona muy poca resistencia a las cargas fuera del plano. ^[2]^{: 1}

Partes internas de la construcción de piel estresada en Murphy Moose que muestran los marcos y la piel de soporte

Este tipo de estructuras también se pueden llamar semimonocasco para distinguirlas de los diseños monocasco . Existe cierta superposición entre las estructuras monocasco, semimonocasco (piel estresada) y de marco rígido, dependiendo de la proporción de la rigidez estructural aportada por la piel. En un diseño monocasco, la piel asume toda o la mayor parte de la tensión y la estructura tiene menos elementos de marco discretos, que a veces incluyen solo miembros longitudinales o laterales. ^[3]^{: 175} Por el contrario, una estructura de marco rígido deriva solo una porción menor de la rigidez general de la piel, y los elementos de marco discretos proporcionan la mayoría.

Este método de construcción de piel estresada es más liviano que una estructura de marco completo y no es tan complejo de diseñar como un monocasco completo.

Historia

William Fairbairn documentó el desarrollo de los puentes tubulares Britannia y Conwy para el ferrocarril Chester y Holyhead en 1849; ^[4] en él, Fairbairn describe cómo Robert Stephenson solicitó su ayuda para revisar los conceptos originales de Stephenson, que enrutarían el tráfico ferroviario dentro de tubos de acero remachados, sostenidos por cadenas, con una sección transversal circular o en forma de huevo. ^[4]^{: 2} Los experimentos con modelos a escala llevaron a Fairbairn a sugerir una viga rectangular hueca en su lugar, con largueros longitudinales en la parte superior e inferior fijados firmemente a los revestimientos estructurales: "dos placas longitudinales, divididas por placas verticales para formar cuadrados, calculadas para resistir la tensión de aplastamiento en la primera instancia, y las partes inferiores [...], también placas longitudinales, bien conectadas con juntas remachadas, y de espesor considerable para resistir la tensión de tracción en la segunda". ^[4]^{: 16} Esto ha sido acreditado como el primer ejemplo de diseño de piel estresada, también conocido como sándwich o doble casco . ^[5]

Trabajador transportando un fuselaje monocasco Deperdussin parcialmente terminado , c. 1912

Los primeros aviones de principios del siglo XX se construyeron con armazones completos que consistían en miembros de armazón de tubos de madera o acero, cubiertos con tela barnizada o madera contrachapada, aunque algunas empresas comenzaron a desarrollar estructuras monocasco que se construían doblando y laminando capas delgadas de madera de tulipán . ^[6]^{: 8} Oswald Short patentó un ala de piel estresada totalmente de metal a principios de la década de 1920. ^[7]^{: 97}^[8] Al Dr.-Ing Adolf Rohrbach se le atribuye la invención del término "piel estresada" en 1923. ^[7]^{: 169} En 1940, las láminas de duraluminio habían reemplazado a la madera y casi todos los nuevos diseños usaban una construcción monocasco. ^[6]^{: 8}

La adopción de una construcción con revestimiento estresado dio como resultado una mejora en la velocidad y el alcance de la aeronave, gracias a la reducción de la resistencia gracias a superficies más lisas, la eliminación de los refuerzos externos y la provisión de espacio interno para el tren de aterrizaje retráctil. ^[9]^{: 25}

Ejemplos

Entre los ejemplos se incluyen casi todos los aviones modernos fabricados íntegramente en metal , así como algunos vehículos ferroviarios, autobuses y autocaravanas . El London Transport AEC Routemaster incorporaba paneles internos remachados a los marcos que soportaban la mayor parte de la carga de corte de la estructura. Los monocascos de los automóviles también son una forma de revestimiento estresado, al igual que algunos edificios con armazón que carecen de arriostramiento diagonal.

Dornier-Zeppelin DI (1918): primer caza con revestimiento reforzado totalmente de metal y el primero con alas de revestimiento reforzado
Zeppelin-Lindau (Dornier) Rs.IV (1918): primer avión con fuselaje de revestimiento reforzado totalmente de metal en volar
Zeppelin-Staaken E-4/20 (1919): primer avión de pasajeros de cuatro motores con revestimiento reforzado totalmente de metal
Short Silver Streak (1920): primer avión británico con revestimiento estresado totalmente de metal ^[7]^{: 164}
Northrop Alpha (1930): primer avión estadounidense con revestimiento estresado totalmente metálico ^[10]
Autobús GM New Look (1959): autobús con carrocería estresada, más de 44.000 unidades fabricadas desde 1959 y muchas todavía en servicio

Referencias

^ Sood, Pallika (3 de marzo de 2022). "Pisos con revestimiento estresado". Blue Engineering . Consultado el 28 de noviembre de 2023 . Cuando se fija una lámina de madera contrachapada en la parte superior o inferior de una viga de madera, creamos efectivamente una viga en forma de T con una gran masa, alejada del centroide; creando así un piso reforzado y, en última instancia, profundidades estructurales más eficientes. [...] la conexión entre los elementos, proporcionada por el pegamento y los tornillos, es suficiente para considerar la sección en T como una sección completa.
^ Bryan, ER (1973). El diseño de la piel estresada de los edificios de acero . Londres: Crosby Lockwood Staples. ISBN 0-258-96858-3.
^ División de Normas y Currículo, Capacitación, Oficina de Personal Naval (1945). Cursos de capacitación de la Armada: Trabajos en metal para aeronaves. Oficina de Imprenta del Gobierno . Consultado el 27 de noviembre de 2023 .{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
^ abc Fairbairn, William (1849). Un relato de la construcción de los puentes tubulares Britannia y Conway, con una historia completa de su progreso, desde la concepción de la idea original hasta la conclusión de los elaborados experimentos que determinaron la forma exacta y el modo de construcción finalmente adoptados. Londres: John Weale y Longman, Brown, Green y Longmans . Consultado el 28 de noviembre de 2023 .
^ Meyboom, AnnaLisa; Correa, David; Krieg, Oliver David (21–26 de octubre de 2019). Estructuras de superficies de madera con piel estresada . ACADIA 19: Ubicuidad y autonomía (Actas de la 39.ª conferencia anual). Facultad de Arquitectura de la Universidad de Texas en Austin: Asociación para el diseño asistido por computadora en arquitectura (ACADIA). pp. 470–477. doi : 10.52842/conf.acadia.2019.470 . ISBN. 978-0-578-59179-7.
^ ab Gunston, Bill (1988). Anatomía de las aeronaves: noventa años de desarrollo desde el Wright Flyer hasta el bombardero furtivo B-2 . Stamford, Connecticut: Longmeadow Press. ISBN 0-681-40714-X.
^ abc Howard, Frank; Gunston, Bill (1972). La conquista del aire . Nueva York: Random House. ISBN 978-0-394-47474-8. Código de Área 72-3818.
^ Patente estadounidense 1451059A, Hugh Oswald Short, "Ala y elementos similares construidos de metal para aviones y otras aeronaves", publicada el 10 de abril de 1923
^ Haddon, JD (1945). Introducción a la ingeniería aeronáutica. Vol. II: Estructuras (quinta edición). Londres: Sir Isaac Pitman & Sons, Ltd. Consultado el 28 de noviembre de 2023 .
^ "La NACA y el avión comercial moderno: América por aire". airandspace.SI.edu . Consultado el 5 de mayo de 2019 .

Enlaces externos

Piel estresada ^{[ vínculo muerto permanente ]}
De madera a metal: los orígenes estructurales del avión moderno

[1] Sood, Pallika (3 de marzo de 2022). "Pisos con revestimiento estresado". Blue Engineering . Consultado el 28 de noviembre de 2023 . Cuando se fija una lámina de madera contrachapada en la parte superior o inferior de una viga de madera, creamos efectivamente una viga en forma de T con una gran masa, alejada del centroide; creando así un piso reforzado y, en última instancia, profundidades estructurales más eficientes. [...] la conexión entre los elementos, proporcionada por el pegamento y los tornillos, es suficiente para considerar la sección en T como una sección completa.

[2] Bryan, ER (1973). El diseño de la piel estresada de los edificios de acero . Londres: Crosby Lockwood Staples. ISBN 0-258-96858-3.

[3] División de Normas y Currículo, Capacitación, Oficina de Personal Naval (1945). Cursos de capacitación de la Armada: Trabajos en metal para aeronaves. Oficina de Imprenta del Gobierno . Consultado el 27 de noviembre de 2023 .{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )

[Fairbairn-4] Fairbairn, William (1849). Un relato de la construcción de los puentes tubulares Britannia y Conway, con una historia completa de su progreso, desde la concepción de la idea original hasta la conclusión de los elaborados experimentos que determinaron la forma exacta y el modo de construcción finalmente adoptados. Londres: John Weale y Longman, Brown, Green y Longmans . Consultado el 28 de noviembre de 2023 .

[5] Meyboom, AnnaLisa; Correa, David; Krieg, Oliver David (21–26 de octubre de 2019). Estructuras de superficies de madera con piel estresada . ACADIA 19: Ubicuidad y autonomía (Actas de la 39.ª conferencia anual). Facultad de Arquitectura de la Universidad de Texas en Austin: Asociación para el diseño asistido por computadora en arquitectura (ACADIA). pp. 470–477. doi : 10.52842/conf.acadia.2019.470 . ISBN. 978-0-578-59179-7.

[Gunston-6] Gunston, Bill (1988). Anatomía de las aeronaves: noventa años de desarrollo desde el Wright Flyer hasta el bombardero furtivo B-2 . Stamford, Connecticut: Longmeadow Press. ISBN 0-681-40714-X.

[Howard-7] Howard, Frank; Gunston, Bill (1972). La conquista del aire . Nueva York: Random House. ISBN 978-0-394-47474-8. Código de Área 72-3818.

[8] Patente estadounidense 1451059A, Hugh Oswald Short, "Ala y elementos similares construidos de metal para aviones y otras aeronaves", publicada el 10 de abril de 1923

[Haddon-9] Haddon, JD (1945). Introducción a la ingeniería aeronáutica. Vol. II: Estructuras (quinta edición). Londres: Sir Isaac Pitman & Sons, Ltd. Consultado el 28 de noviembre de 2023 .

[10] "La NACA y el avión comercial moderno: América por aire". airandspace.SI.edu . Consultado el 5 de mayo de 2019 .