Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

Unidad Ticomán

3AM2

Mecánica de Solidos

Prof. Mario A. Carpinteyro Montelongo

Trabajo de Investigación:

Secciones Transversales de la Aeronave

Farías Gómez Jorge

01/10/2015

Introducción

Dentro de la aviación, se dispone de una alta gama de secciones transversales para el

diseño estructural de muchos componentes que forman la estructura interna de cada

parte de la aeronave, desde vigas, largueros, larguerillos, etcétera. Esto se debe a que,

para cada caso particular, existen ciertos requerimientos a cumplir, especialmente

relacionados a los esfuerzos que sufre dicha sección. Para eso los ingenieros tienen que

analizar el comportamiento del material a dichos esfuerzos para así desarrollar

componentes lo más ideales y eficaces posibles tomando en cuenta otros factores como:

el peso, las propiedades mecánicas, físicas y químicas de los materiales, entre otros.

En este trabajo de investigación nos enfocaremos en algunos de los elementos

estructurales de una aeronave, precisamente un avión. Lo mejor será seccionar las

diferentes partes del avión para estudiar cada una por separado. Pero antes de empezar

se mostraran algunas definiciones y conceptos:

Aeronave: toda máquina que puede desplazarse en la atmósfera por reacciones

del aire que no sean las reacciones del mismo contra la superficie de la tierra.

Avión: aeronave que propulsado por motor, debe su sustentación en vuelo

principalmente a reacciones aerodinámicas ejercidas sobre superficies que

permanecen fijas en determinadas condiciones de vuelo

Viga: son los elementos delgados que soportan cargas aplicadas en forma

perpendicular a su eje longitudinal; son barras largas, lineales con un área

constante en su sección transversal.

Sección transversal: Proyección de una parte de una viga que se ha realizado

mediante un corte perpendicular al eje longitudinal del mismo.

Centroide: se refiere al centro geométrico de un area, en estos casos de una

sección transversal.

Momento de inercia de área: En

ingeniería estructural, momento de

inercia de área, es una propiedad

geométrica de la sección transversal de

elementos estructurales.

Físicamente el segundo momento de inercia está relacionado con las tensiones

y deformaciones máximas que aparecen por flexión en un elemento estructural

y, por tanto, junto con las propiedades del material determina la resistencia

máxima de un elemento estructural bajo flexión.

Esfuerzo (interno): también llamados esfuerzos de sección, son magnitudes

físicas con unidades de fuerza sobre área utilizadas en el cálculo de piezas

prismáticas como vigas o pilares y también en el cálculo de placas y láminas.

Desarrollo

Estructura genérica de un avión

Como mencionamos anteriormente, es muchas más sencillo definir primero algunas de

las partes del avión para después aventurarnos a sus estructuras internas y

componentes. Por lo que burdamente las dividiremos en:

Fuselaje (parte central del avión.)

Ala (Semi-alas)

Etc.

Fuselaje

El fuselaje es el cuerpo del avión. La función del fuselaje es la de alojar la tripulación, el

pasaje, la carga y gran parte de los sistemas y mecanismos necesarios para controlar el

avión.

Se considera que el fuselaje es la parte principal del avión porque el resto de los

elementos (ala, estabilizadores vertical y/o horizontal, y/o motores) se unen a él,

de forma directa o indirecta.

La sección transversal del Fuselaje

La forma del fuselaje en general es esbelta por razones de aerodinámica. La sección

transversal varía, dependiendo de si se trata de un avión presurizado o no:

-Avión presurizado: Forma transversal circular o casi circular, ya que esta forma

permite absorber y repartir mejor las cargas de presurización (diferencia de presión

entre el exterior y el interior del avión) que producen esfuerzos de tracción en el

fuselaje.

-Avión no presurizado: Forma transversal arbitraria, no necesariamente circular.

En algunos casos llega a ser prácticamente rectangular, con vértices redondeados.

Ejemplos de secciones transversales de fuselajes de distintas aeronaves.

Tipos de Fuselaje

Los tipos de fuselaje dependen de varios factores como peso y dimensiones, función

(carga o pasaje), altitud de vuelo (presurización) y velocidad de vuelo, etc. Se

contemplan tres tipos posibles de construcción:

-Construcción reticular. Tipo Warren y tipo Pratt.

-Construcción monocasco.

-Construcción semi-monocasco.

Los componentes estructurales dependen del tipo de construcción de que se trate.

Semi-monocasco

En este trabajo nos enfocaremos en la estructura semi-monocasco debido a los

componentes estructurales que maneja:

- Cuadernas: dan la forma y rigidez transversal del fuselaje. Además, tienen otra

función, que es la de repartir las cargas tanto internas (pasajeros y carga) como

externas uniformemente.

- Largueros: son los miembros longitudinales más importantes, soportando buena

parte de las cargas que actúan sobre el fuselaje. Son de aleación de aluminio y se

fabrican por extrusión.

- Larguerillos: son parecidos a los largueros sólo que más pequeños. También se

fabrican por extrusión de aleación de aluminio

- Chapa de revestimiento: está hecha de aleación de aluminio y se remacha a los

larguerillos y a las cuadernas.

Secciones transversales de componentes del Fuselaje

Para las cuadernas y las costillas, las secciones transcversales tienen ejes inclinados y

partes uniformemente variadas debido a su curvatura ya que de ellas depende la

forma del fuselaje.

Los largueros y larguerillos comparten secciones transversales muy parecidas, todas

ellas dependen del tipo de funcion que le demos, explicaremos mejor esto con los

siguientes ejemplos:

a) En este tipo de componente se puede observar que su sección transversal es en

I y que además cuenta con alivios de peso en forma de círculos perfectos que

reducen su masa pero mantienen las propiedades estructurales intactas.

a) b) c) d)

b) En esta sección transversal podemos ver que la viga se forma por varios

componentes, unidos con remaches, que le ofrece una distribución de cargas

mejor aplicada, estas se pueden encontrar en la sección del fuselaje donde está

ubicada el ala.

c) Este tipo de componente es probable que sea un larguero debido a su sección

transversal que es más delgada y la combinación de varias otorga una

resistencia a los esfuerzos mayor.

d) Finalmente encontramos el tipo más común de viga que se puede encontrar,

simplemente su sección transversal es en I.

Como se puede observar la mayoría de los ejemplos tienen estructura en I esto es

principalmente a que es una de las secciones transversales más utilizadas para

elementos estructurales debido a que se puede tener menos peso pero con buenas

distribuciones de esfuerzos y cargas, haciéndolo un tipo de sección muy ideal.

El conjunto de todos estos componentes estructurales es lo que nos dan forma y

funcionamiento para la aeronave, en lo que a resistir las cargas y esfuerzos durante el

vuelo se refiere.

Nótese que entre mayor arreglo de componentes, suele haber mayor resistencia a los

esfuerzos, a este tipo de estructuras se les llama reticular (si contienen elementos

diagonales) y compuesta, es la más utilizada debido a su bajo peso y comportamientos

muy ideales de los diferentes componentes.

Ala (Semi-alas)

El ala es el elemento responsable de producir la sustentación necesaria para el vuelo.

Para entender el tipo de sección transversal que se emplea, también hay que conocer

conceptos teóricos de cargas y esfuerzos a los que la sometemos ya que, como en todos

los casos, estos van a dictar la forma y área de la sección transversal de los componentes

estructurales.

Sobre el ala actúan las cargas siguientes:

a) Fuerzas aerodinámicas. Son debidas al movimiento relativo del aire alrededor

del ala, produciéndose diferencias de presión entre la parte superior (extradós)

y la parte inferior (intradós) lo que da lugar a una fuerza resultante llamada

sustentación.

b) Fuerzas másicas o gravitatorias. Son debidas al peso de la propia estructura

del ala, al peso del combustible alojado en los depósitos del ala y al peso de los

motores, en el caso de que éstos cuelguen del ala.

c) Fuerzas propulsivas. Son las fuerzas que produce la planta motriz para

propulsar al avión.

Del análisis de las cargas que actúan sobre un avión se ve que el ala está sometida a:

a) Flexión. La distribución de sustentación a lo largo del ala en vuelo, hace que ésta

flexe (su eje se curva) y la parte superior (extradós) se vea sometida a

compresión y la parte inferior (intradós) a tracción.

b) Cortadura. Cada sección de ala ve una fuerza vertical que es la resultante de dos

fuerzas de sentido opuesto: 1º, la sustentación producida entre dicha sección y

el extremo del ala y 2º, el peso del trozo de ala, combustible y motores

comprendidos entre aquélla sección y el extremo del ala.

c) Torsión. La torsión es producida por el momento de picado debido a las fuerzas

aerodinámicas y al peso de los motores situados por delante del ala (más

concretamente, por delante del eje elástico).

Componentes estructurales del Ala

Como acabamos de analizar, el ala es sometida a muchos tipos diferentes de esfuerzos

y cargas, por lo que cada componente que la constituya necesita un alto nivel de

ingeniería y diseño para satisfacer los parámetros de trabajo a los que se va a someter.

Así también es por eso que el ala está compuesta por una buena cantidad de elementos

estructurales. Como:

Vigas o Largueros (delanteros o traseros):

Son los miembros estructurales principales del ala. Soportan las cargas de cortadura

y absorben la flexión (junto con los

larguerillos), y la torsión (junto con

el revestimiento metálico).

La forma transversal de los

largueros es parecida al de una viga

en I para conseguir elevada rigidez

a flexión. Los extremos superior e

inferior del larguero reciben el

nombre de cordones.

Larguerillos:

Son elementos longitudinales de refuerzo para ayudar a soportar la flexión.

Su forma transversal es en Z, U o J. Se disponen en la parte superior e inferior del

ala.

Costillas:

Juegan el mismo papel que las cuadernas en los fuselajes, es decir, van

dispuestas a intervalos regulares, definiendo la forma transversal del ala

(perfil aerodinámico), aportando rigidez transversal y repartiendo

uniformemente la carga aplicada.

En el dibujo siguiente

se indican algunos

elementos típicos del

ala fabricados según

la técnica de las

estructuras sándwich.

En estos casos el

núcleo suele estar

fabricado en panal de

abeja (Honey-comb).

Conclusiones

Hemos visto que cada parte fundamental de la aeronave está sometida a diversos

esfuerzos, a su vez cada componente de estas partes cumple una función que en

conjunto nos otorga un correcto comportamiento estructural contra el esfuerzo. Debido

al análisis de varios factores se puede deducir cuál es el tipo de estructura más ideal

para la aeronave.

Partiendo de estos postulados, los casos particulares para cada componente estructural

se deben analizar finalmente en conjunto y a detalle ya que es la combinación de todos

estos elementos lo que hace al final del día todo el trabajo de resistir esfuerzos tanto en

vuelo como en tierra. Observamos el fuselaje y ala, para de la teoría partir hacia sus

elementos estructurales más básicos. Se puede decir que muchos de ellos entran en la

categoría de vigas, y los otros pueden seguir teniendo secciones transversales

planeadas para una función específica. Ejemplos como largueros, y larguerillos, que no

son más que vigas con áreas más grandes o más pequeñas, nos muestran que las

diferentes secciones transversales de un avión varían debido al uso que se les da, ya que

según el área este tipo de estructuras relaciona los esfuerzos que se le aplican.

En general el tipo de sección transversal en I es de los más comunes debido al gran

aprovechamiento de espacio y peso, así como el desempeñar un papel muy correcto al

momento de soportar cargas y esfuerzos; como sus derivados y subsecuentes mejoras

para el máximo aprovechamiento estructural de los elementos. Sin embargo se sabe de

otro tipo de áreas y secciones transversales que desempeñan papeles importantes en

las diferentes partes del avión y es el estudio y prueba de cada caso en particular lo que

otorga un panorama más extenso de los límites de las estructuras en relación al uso y

comportamiento de los elementos de tipo viga.

Finalmente considero que lo que tenemos que adquirir como conocimiento es que el

estudio de las secciones transversales es una ciencia al final de cuentas, utiliza los

principios de la física, la geometría, la mecánica de sólidos, etc., y es una ardua labor

utilizar el método científico y el análisis de diversos factores físicos para determinar el

tipo de sección transversal a usar. Todo ingeniero que diseñe este tipo de elementos

estructurales tiene que enfrentarse a problemas demasiado complejos que se

presentan en la práctica y es por eso fundamental que tenga bien definido primero los

conceptos teóricos para poder darle solución ideal a estas complicaciones.

Bibliografía:

Airframe Structural Design, MICHAEL CHUN-YUNG NIU, Lockheed Aeronautical

systems Copmany, 1988, Burbank California.

https://www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_manuals/aircraft/amt_

airframe_handbook/media/ama_ch01.pdf

http://projectehermes.upc.edu/Enginyeria_Aeroespacial/2a/Vehicles%20Aer

oespacials/Teoria/M%C3%B3dulo%208.2%20-

%20Estructuras%20aeronauticas.pdf