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Introducción a la teoría de elementos finitos




Enviado por samara leon



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    • • 1 Estructuras III Introducción a los
    Elementos Finitos Introducción1 El campo de la
    mecánica se puede dividir en 3 grandes áreas: 1.
    Teórica 2. Aplicada 3. Numérica El área
    teórica se encarga de estudiar las leyes y principios de
    la mecánica por su valor científico. Por ejemplo
    las leyes de Newton y las leyes de la cinemática entre
    otras. El área aplicada transfiere los conocimientos
    teóricos a las aplicaciones científicas e
    ingenieriles. En general esa transferencia de conocimientos es
    utilizada para la generación de modelos matemáticos
    que representen a los fenómenos físicos. El
    área numérica aparece para resolver aquellos
    problemas que son difíciles de resolver
    analíticamente. Hoy en día los avances de la
    computación permiten resolver de ésta manera
    algunos problemas de manera muy sencilla. El resultado obtenido a
    partir de la resolución numérica utilizando a la
    computación como herramienta de apoyo es lo que se define
    como “mecánica computacional”. Los resultados
    obtenidos a partir de la mecánica compuacional
    deberán ser interpretados teniendo en cuenta la
    evolución de los fenómenos físicos.
    Mecánica computacional Se puede hacer una división
    de los grupos que forman la mecánica computacional
    según la escala física del fenómeno que se
    quiere estudiar: Nano mecánica y micro mecánica
    Mecánica del continuo o Sólidos y estructuras o
    Fluidos o Multi físicos (sólido – fluido) El
    primero de estos se encarga de los fenómenos a nivel
    molecular y atómico. Las leyes que gobiernan estos modelos
    son aquellas relacionadas con la física y la
    química. La micro mecánica se encarga
    principalmente de los fenómenos físicos a niveles
    cristalográficos y granulares. La parte de la
    mecánica del contínuo estudia los fenómenos
    físicos a nivel macroscópico. Las áreas
    tradicionales de este último campo son la de los
    sólidos y los fluidos. Problemas estáticos y
    dinámicos Los problemas de mecánica del continuo se
    pueden dividir de acuerdo a los efectos inerciales a ser tenidos
    en cuenta: • Estáticos • Dinámicos En los
    problemas dinámicos existe una dependencia del tiempo, en
    estos problemas las fuerzas inerciales son parte del problema. En
    los problemas estáticos o cuasi estáticos las
    fuerzas inerciales son nulas o despreciables. Felippa –
    Introduction to finite element method Página 1/29

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    2 2 Estructuras III Introducción a los Elementos Finitos
    Comportamientos lineales y no lineales Llamaremos a los problemas
    lineales, a aquellos en los la respuesta a una
    perturbación del sistema (estructura con cargas aplicadas)
    responde a una relación lineal con el valor de la
    perturbación. Los problemas no lineales pueden asociarse
    al comportamiento del material y a la geometría del
    modelo. Alcance de este estudio Con lo visto anteriormente
    podemos realizar un desglose de los campos que queremos cubrir en
    este curso: • Mecánica o Computacional Del continuo
    • Sólidos – estructuras o Estáticos
    Lineales Muchos problemas de ingeniería involucran una
    complejidad tal que nos vemos forzados a realizar un modelo
    matemático que represente al fenómeno
    físico. Una manera sencilla de simplificar el modelo es
    sub dividir el problema en partes o elementos para luego volverlo
    a construir ensamblando las partes para predecir el
    comportamiento del sistema completo. Por ejemplo, una estructura
    como la de la figura que sigue. Aquí se tiene un
    reticulado isoestáticamente restringido. Para su
    resolución será necesario separar la estructura en
    dos partes, resolver los subsistemas, que se pueden equilibrar
    por si mismos, para luego realizar la reconexión del
    sistema para ver obtener el resultado final, que será la
    obtención de los esfuerzos en cada uno de sus miembros
    considerando los efectos del sistema completo. Oñate
    – Una introducción generalizada al método de
    los elementos finitos Página 2/29

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    Estructuras III Introducción a los Elementos Finitos
    Elemento 2 P Nodo Elemento 1 P Hay sistemas en los cuales las
    partes son claramente diferenciables, estando estas conectadas
    por uniones comúnmente llamadas nodos. A tales sistemas se
    los denomina discretos. A veces estas divisiones no son posibles
    por lo que se llega a un modelo matemático que se
    manifiesta en ecuaciones diferenciales (problemas de elasticidad
    tridimensional). Este tipo de sistemas recibe el nombre de
    sistemas contínuos. En algunos casos la solución
    analítica de estos problemas es difícil de
    encontrar. Para disminuir la complejidad del problema la
    propuesta será recurrir al modelo contínuo con
    infinitos grados de libertad a uno de finitos grados de libertad.
    Esto es lo que se define como un sistema discreto.
    Introducción El método de los elementos finitos
    (MEF en castellano o FEM en inglés) es un método de
    cálculo utilizado en diversos problemas de
    ingeniería, que se basa en considerar al cuerpo o
    estructura dividido en elementos discretos, con determinadas
    condiciones de vínculo entre sí, generándose
    un sistema de ecuaciones que se resuelve numéricamente y
    proporciona el estado Página 3/29

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    • • • • • • • Estructuras III
    Introducción a los Elementos Finitos de tensiones y
    deformaciones. También se utiliza en matemáticas
    como método nodal aproximado para resolver ecuaciones
    diferenciales en forma numérica. Es un procedimiento
    numérico aplicable a un gran número de problemas
    con condiciones de borde impuestas (en las estructuras las
    condiciones de borde serian: restricciones y cargas externas).
    Varios de estos problemas no tienen solución
    analítica o es muy difícil obtenerla, por lo que se
    convierte en la única alternativa de resolución.
    Con este método se pueden resolver sistemas los cuales no
    son fáciles de resolver mediante modelos
    matemáticos simples. Existen dos tipos de caminos para su
    formulación, basándose en el principio de los
    trabajos virtuales, es decir, formulaciones variacionales, o
    mediante el método de Garlekin, Método directo o
    bien con Raleigh Ritz.. Si bien fue originalmente desarrollado
    para el análisis de estructuras, con este método se
    pueden representar entre otros, los siguientes fenómenos
    físicos: Fenómenos termodinámicos:
    distribución de temperaturas en un sólido.
    Simulación de efectos dinámicos: Choque de dos
    cuerpos. Geomecánica: Comportamiento de la corteza
    terrestre. Concepto La base del método de los elementos
    finitos es la representación de un cuerpo por un ensamble
    de subdivisiones llamadas elementos. Estos elementos se
    interconectan a través de puntos llamados nodos. Una
    manera de discretizar un cuerpo o estructura es dividirla en un
    sistema equivalente de cuerpos pequeños, tal que su
    ensamble representa el cuerpo original. La solución que se
    obtiene para cada unidad se combina para obtener la
    solución total. Por ende, La solución del problema
    consiste en encontrar los desplazamientos de estos puntos y a
    partir de ellos, las deformaciones y las tensiones del sistema
    analizado. Las propiedades de los elementos que unen a los nodos,
    están dadas por el material asignado al elemento, que
    definen la rigidez del mismo, y la geometría de la
    estructura a modelizar (a partir de las Leyes de la
    Elástica). Las deformaciones y las fuerzas externas se
    relacionan entre si mediante la rigidez y las relaciones
    constitutivas del elemento. Trabajando en régimen
    elástico, las ecuaciones que definen el sistema pueden
    expresarse de forma matricial como se muestra a
    continuación: [K] .{d}={F} Donde : [K]: es la matriz
    rigidez del sistema {d}: es el vector desplazamientos {F}: es el
    vector de esfuerzos Los tipos de elementos utilizados
    generalmente en la resolución a través de Fem son:
    Elementos Lineales (1-D) Página 4/29

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    • • Estructuras III Estos pueden ser: o o o o Resorte
    Barras Vigas Caños Introducción a los Elementos
    Finitos Elementos Planos (2-D) Estos pueden ser: o o membranas
    placas Elementos Sólidos (3-D) Es importante destacar que
    se puede utilizar combinaciones de estos elementos actuando en
    conjunto. Proceso de Análisis por Elementos Finitos El
    proceso de análisis por elementos finitos se puede
    describir como: Página 5/29

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    • • • • • • Estructuras III
    Introducción a los Elementos Finitos Modelado
    Geométrico Modelado de Elementos Finitos Definición
    del Ambiente Análisis Corroboración de Resultados
    Modelado Geométrico: Creación del modelo
    matemático del objeto o del conjunto. Reproducción
    del sólido en forma precisa y de la geometría de la
    superficie. Modelado de Elementos Finitos: Subdividir la
    geometría del modelo en elementos discretos. Asignar las
    propiedades del material y del elemento. Definición del
    Ambiente: Aplicar las cargas y las condiciones de borde para
    simular el ambiente de la operación. Análisis:
    Computar los resultados (tensiones, deformaciones, etc.) a partir
    de análisis estáticos, dinámicos o de
    transferencia de calor. Corroboración de Resultados:
    Comparar los resultados con los criterios de diseño.
    Rediseñar la estructura y repetir el proceso si fuese
    necesario. En la actualidad la utilización de este
    método ha crecido notablemente debido a la
    utilización de software avanzado (además de un
    hardware potente que debe poseer gran velocidad y mucha memoria).
    Cabe destacar que la utilización de software no implica la
    obtención del resultado exacto y real, es solo una
    aproximación y esta en el criterio del usuario el saber
    discernir entre un resultado coherente y uno que no lo es;
    además de conocer los márgenes de error y las
    limitaciones del modelo y el método. Método Directo
    Elemento Resorte Página 6/29

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    • • • • • ? ? ? ? ? = ? ?.? ? ? ? ? ? ?
    ? ?? ? ? – k ? ? ? Estructuras III Introducción a los
    Elementos Finitos Los elementos tipo resorte más sencillos
    son definidos solamente con rigidez en sentido longitudinal del
    mismo, o sea son capaces de resistir esfuerzos de tracción
    – compresión. El elemento se define con las
    siguientes características: Eje de coordenadas local: x
    Nodos: i, j Desplazamientos de los nodos (grados de libertad):
    ui, uj Fuerzas internas: fi, fj Rigidez del elemento: k Se debe
    recordar que las fuerzas del sistema podrán actuar
    solamente en los nodos de los elementos. Las fuerzas internas del
    resorte se pueden expresar en función de los
    desplazamientos nodales y la rigidez del elemento: Ke fi = Ke (ui
    – uj) fj fi fj = Ke (uj – ui) x Se puede expresar este sistema de
    forma matricial. Las fuerzas internas como un vector columna
    llamado f, así como el vector de los desplazamientos
    nodales (u): fi ui f= fj , u= uj Los desplazamientos contemplados
    en el modelo matemático (en la dirección x del
    elemento) serán los grados de libertad del elemento (GL).
    Cuando alguno de estos desplazamientos es una condición de
    borde (desplazamiento conocido) este GL pasa a ser un dato del
    sistema; pasando entonces a ser la fuerza en el nodo la
    incógnita a resolver en el mismo. ? fi? ? k ? fj ? ?- k –
    k ? ?ui? k ? ?uj? Siendo ? k ?- k ? la matriz rigidez del
    elemento. k ? Debe observarse que la matriz rigidez es
    simétrica de modo que se cumpla el equilibrio del sistema
    de fuerzas del elemento. Página 7/29

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    • Donde Estructuras III Introducción a los Elementos
    Finitos La matriz del elemento es cuadrada, el orden de la misma
    se relaciona directamente con la cantidad de grados de libertad.
    Para el elemento definido anteriormente la matriz rigidez es de
    orden 2. Sistema de Resortes Considerando un par de resortes en
    serie: Para el Elemento 1: Para el Elemento 2: es la fuerza
    interna local del Nodo i actuando en el Elemento m (i=1,2).
    Considerando la condición de equilibrio estático de
    fuerzas: F externas = F internas Nodo 1: Nodo 2: Nodo 3:
    Desarrollando con los valores de las fuerzas internas en
    función de la rigidez de cada elemento: Página
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    Estructuras III De forma Matricial: Introducción a los
    Elementos Finitos O bien, Donde: K.U=F K: es la matriz rigidez
    del sistema completo de resortes Se puede plantear por separado y
    luego plantear superposición: Planteando
    superposición se obtiene: A modo de ejemplo si
    consideramos un sistema que posee las siguientes condiciones:
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    • Estructuras III Introducción a los Elementos
    Finitos Reemplazando: Se reduce a: Y, Como incógnita
    tenemos: Resolviendo, Reemplazando se obtiene la fuerza de
    reacción: Como conclusión, para un sistema de
    “n” nodos, el método de elementos finitos
    permite generar “n” ecuaciones, las cuales
    deberán tener “n” incógnitas para ser
    un sistema definido. Las incógnitas podrán ser
    parte del vector desplazamiento o ser parte del vector fuerza.
    Cada nodo deberá tener su desplazamiento o su fuerza
    actuante como condición de borde impuesta. Este sistema
    permite, cómo veremos más adelante resolver
    sistemas isoestáticos e hiperestáticos sin
    necesidad de cambiar el método. Elemento barra en una
    dimensión Consideremos una barra de sección
    constante: Página 10/29

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    • Estructuras III El sistema se compone de:
    Introducción a los Elementos Finitos • • •
    • Dos Nodos: Modulo de Elasticidad Área de la
    Sección Transversal Longitud del Elemento i, j E A L El
    mismo está sujeto a: • Fuerzas internas: fi, fj El
    elemento tiene dos grados de libertad, en el sentido longitudinal
    del elemento, cualquier desplazamiento de los nodos en el sentido
    normal al elemento no generara esfuerzos internos: Dos
    desplazamientos: ui, uj Sabiendo que la rigidez a tracción
    / compresión de una barra es: Y haciendo una
    analogía con el elemento resorte, tenemos que: Por lo
    tanto, O bien, Por lo tanto, la ecuación de equilibrio del
    Elemento será: Para la resolución de este sistema
    se procede de la misma manera que en el elemento resorte.
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    • Estructuras III Elemento Barra en Dos Dimensiones
    Introducción a los Elementos Finitos Local x,y
    ui´,vi´ Global X,Y ui,vi 1 grado de Libertad por 2
    grados de Libertad por nodo nodo Nota: El desplazamiento lateral
    vi´ no contribuye a la deformación de la barra. La
    idea es trabajar con las coordenadas globales, por lo tanto se
    deben hacer las siguientes transformaciones: Donde: Escrito en
    forma matricial: Página 12/29

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    Estructuras III Introducción a los Elementos Finitos O
    bien, Donde la matriz transformación: Donde la
    relación con la matriz ortogonal: A modo de ejemplo, se
    puede decir que para un sistema de elemento barra con dos nodos
    tenemos que: O bien, Con, Las fuerzas nodales son transformadas
    de la misma manera: Para obtener la matriz rigidez en dos
    dimensiones: En el sistema local de coordenadas tenemos que: Esto
    se puede escribir en su totalidad como: Página 13/29

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    Estructuras III Introducción a los Elementos Finitos O
    bien, Utilizando las transformaciones Obtenemos: Multiplicando
    ambos lados por TT y como TT*T=I , obtenemos: La matriz rigidez
    en el sistema global quedara de la siguiente manera: La cual es
    una matriz simétrica de 4X4. Escrita de manera explicita
    tenemos que: Donde los cosenos directores l y m son:
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    • • • • • Estructuras III
    Introducción a los Elementos Finitos Elemento Viga Se
    considera una viga en el plano. Esta toma esfuerzos de Corte,
    Axiles y Momentos, todas consideradas en el plano. Cada Nodo
    posee tres Grados de Libertad (u, v, q). Un elemento que toma
    estas cargas, tiene asociado para el calculo a E, J, l y A. El
    sistema se compone de: • • • • • Dos
    Nodos: Modulo de Elasticidad Área de la Sección
    Transversal Longitud del Elemento Momento de Inercia i, j E A L I
    El mismo está sujeto a: Fuerzas internas en los Nodos:
    Momento en los Nodos: Habrá tres grados de libertad por
    cada nodo Cuatro desplazamientos: Dos Giros: Fi, Fj, Vi, Vj Mi,
    Mj ui, uj, vi, vj ?i, ?j Para crear la Matriz Rigidez se suponen
    casos con desplazamientos unitarios, que luego mediante
    Superposición se ensamblan y dan forma a dicha matriz. Se
    adoptan giros en sentido horario y desplazamientos positivos. Se
    supone ui=1 uj, vi, vj, ?i, ?j =0 Página 15/29

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    Estructuras III Introducción a los Elementos Finitos
    Aplicando la Ley de Hooke, tal como se hace con elemento barra,
    tenemos que: Por lo tanto, Hi = EA l · ui Realizando un
    equilibrio de fuerzas, Hi = EA l Hj = – EA l Se supone vi =1 ui,
    uj, vj, ?i, ?j = 0 Mi Mj Se puede demostrar calculando por
    Método de las Fuerzas que para un Desplazamiento
    Transversal en el extremo i, los esfuerzos en el sistema son: Vi
    = 12EJ l3 M i = – 6EJ l 2 Página 16/29

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    Estructuras III Introducción a los Elementos Finitos V j =
    – 12EJ l 3 M j = – 6EJ l 2 H i = 0 H j = 0 Se supone ?i=1 ui, uj,
    vi, vj, ?j = 0 De la misma manera que en el caso anterior,
    tenemos que: Mj Mj Vi = – 6EJ l 2 M i = 4 EJ l V j = 6EJ l 2 M j
    = 2EJ l H i = 0 H j = 0 Procediendo de forma análoga para
    los desplazamientos del Nodo j , obtendremos los restantes
    coeficientes de la Matriz Rigidez del Elemento. Página
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    Estructuras III Introducción a los Elementos Finitos
    Ejemplos Prácticos 1. Elemento Resorte Sea un sistema de
    resortes en serie, con una carga P aplicada: Datos: Se pide: a)
    Encontrar la matriz rigidez del sistema. b) Desplazamientos en
    los Nodos 2 y 3. c) Las fuerzas en los empotramientos (Nodos 1 y
    4). d) La fuerza en el resorte 2. Solución a) La matriz
    rigidez de cada elemento es: Página 18/29

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    Estructuras III Introducción a los Elementos Finitos
    Aplicando el principio de superposición se obtiene la
    matriz rigidez del sistema completo: o bien, La Ecuación
    Matricial de Equilibrio quedara de la siguiente manera:
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    Estructuras III Introducción a los Elementos Finitos b)
    Aplicando las Condiciones de Borde: en la Ecuación
    Matricial de Equilibrio y tachando la primera y cuarta fila y
    columna, tenemos que: Cuya solución es: c) Con la primera
    y cuarta fila de la Ecuación de Equilibrio, y con los
    datos de los desplazamientos ya calculados, tenemos que: d) La
    ecuación de equilibrio del elemento 2 es: donde, Por lo
    tanto se puede calcular, la fuerza como: Página
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    Estructuras III Introducción a los Elementos Finitos 2.
    Sistema de Resortes Sea un sistema de resortes en serie-paralelo
    con cargas aplicadas: Se pide: Para el Sistema de Resortes de la
    figura, cuyos nodos fueron numerados de forma arbitraria,
    encontrar la Matriz Rigidez Global. Solución: Se construye
    una Tabla de Conectividad de Elementos: La matriz rigidez de cada
    elemento: Página 21/29

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    Estructuras III Introducción a los Elementos Finitos Por
    lo tanto, aplicando el Principio de Superposición,
    obtendremos la Matriz Rigidez Global del Sistema: 3. Elemento
    Barra Sean dos barras de igual Longitud, igual Modulo de
    Elasticidad y el Área de una es dos veces la de la otra:
    Se pide: Hallar el desplazamiento en el Nodo 2. Solución:
    Página 22/29

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    Estructuras III Introducción a los Elementos Finitos La
    Matriz Rigidez de cada elemento: Elemento 1 Elemento 2 Aplicando
    el Principio de Superposición, obtenemos la Matriz Rigidez
    Global, y así, obtenemos la Ecuación de Equilibrio.
    Aplicando las Condiciones de Borde: y reemplazando, se obtiene:
    Para hallar el desplazamiento en el Nodo 2, utilizamos solo la
    segunda fila: Página 23/29

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    Estructuras III Introducción a los Elementos Finitos Por
    lo tanto, 4. Elemento Barra en Dos Dimensiones Sean dos barras
    idénticas que poseen el mismo Modulo de Elasticidad, la
    misma Área Transversal y la misma Longitud: Se pide:
    Hallar el desplazamiento del Nodo 2. Solución: En el
    sistema Local de Coordenadas, la matriz rigidez de los elementos
    es: Estas matrices no pueden ser ensambladas juntas, ya que cada
    una esta en diferentes Sistemas Coordinados. Por esta
    razón se debe trabajar con un Sistema Coordenado Global.
    Trabajaremos con cada elemento por separado: Página
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    Estructuras III Introducción a los Elementos Finitos
    Elemento 1: La matriz rigidez del elemento 1 respecto a la Terna
    Global es: Elemento 2: La matriz rigidez del elemento 1 respecto
    a la Terna Global es: Aplicando el Principio de
    Superposición, podemos armar la Ecuación de
    Equilibrio: Página 25/29

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    Estructuras III Introducción a los Elementos Finitos
    Utilizando las Condiciones de Borde: Consideramos solo la tercer
    y cuarta fila, junto a la tercer y cuarta columna, y obtenemos:
    Resolviendo: 5. Elemento Viga Sea una viga empotrada-empotrada,
    con una carga P aplicada en L/2 y un Momento actuando en el mismo
    punto: Se pide: a) Hallar la Rotación y Deflexión
    del Nodo 2. Página 26/29

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    Estructuras III Introducción a los Elementos Finitos b)
    Hallar las Reacciones de Vinculo en los Empotramientos. Nota:
    Para este ejemplo, se tomo como convención que el momento
    antihorario es positivo. No solo como condición de borde,
    sino en el análisis matricial, y es por eso que la matriz
    rigidez difiere en signos con la de la explicación de la
    pagina 15. Solución: a) La Matriz Rigidez de cada Elemento
    es: La Ecuación de Equilibrio Global es: Página
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    Estructuras III Introducción a los Elementos Finitos
    Aplicando las Condiciones de Borde: Reemplazamos y obtenemos: Por
    lo tanto, resolviendo: b) Reemplazando en la Matriz Global,
    tenemos: Resolviendo tenemos, Página 28/29

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    • • • • • • Estructuras III
    Introducción a los Elementos Finitos Referencias
    ¨Análisis de Estructuras mediante el Método de
    los Elementos Finitos¨. Ing. Ruben Lopez Triaca. Universidad
    Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires.
    ¨Introduction to Finite Element Method¨. Yijun Liu.
    University of Cincinnati. ¨Finite Elements in Solids and
    Structures¨. Astley. ¨Resistencia de Materiales¨.
    Stiopin “Introduction to finite element method”.
    Felippa “Una introducción generalizada al
    método de los elementos finitos”. Oñate
    Página 29/29

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