Análisis de Estructuras Semi-monocasco: Ejercicio Propuesto

Estructura Semi-monocasco (fuselaje)

Bienvenidos. En esta ocasión, observaremos como se comporta uno de los tipos de estructura de mayor uso en el mundo aeronáutico. Además, te explicaré un poco el por qué suele preferirse este tipo de estructuras a la hora de la construcción de aeronaves y te propondré un ejercicio relacionado con el tema.

¿Qué es una Estructura Semi-monocasco?

Antes de definir qué es una estructura semi-monoscasco, es importante conocer qué es una estructura monocasco. Básicamente, son estructuras las cuales soportan las cargas únicamente a través de su piel externa (como la cáscara de un huevo). Este tipo de estructuras pueden transportar tanto fuerzas de tracción como de compresión y pueden reconocerse con facilidad debido a que no distribuyen cargas en su marco interno.

Por el contrario, las estructuras semi-monocasco son "híbridos" que se basan en la capacidad de las estructuras monocasco de transportar cargas en su piel externa, y además, añaden una estructura interna capaz de soportar compresión formada por largueros, larguerillos y costillas o cuadernas. En otras palabras, son estructuras las cuales poseen una especie de "esqueleto" interno el cual ayuda a mantener una forma más rígida y fuerte. 

¿Por qué son tan utilizadas en la aeronáutica?

Al principio, la mayoría de las aeronaves poseían una estructura interna similar a la utilizada en los puentes. Muchos de los primeros aviones eran biplanos y los perfiles aerodinámicos que utilizaban eran muy delgados. No había espacio para una estructura interna.

Ejemplo de las estructuras utilizadas a principios del siglo XX

Como pueden observar en el ejemplo, los cables absorben las fuerzas cortantes resultantes de la flexión y las cargas torsionales colocadas en el ala. Los fuselajes también utilizaron este tipo de diseño estructural y se cubrieron con tela (la cual no soportaba casi nada de carga).

Aproximadamente en 1930, ocurrió la transición hacia las estructuras semi-monocasco. Esto no fue una mera casualidad. La demanda de aeronaves con velocidades mas elevadas requirió estructuras más rígidas, capaces de soportar mejor las cargas (sobretodo la torsión). Las estructuras semi-monocasco son especialmente adecuadas para resistir la torsión debido a que la piel por si misma sirve como componente estructural. 

Además de la piel, la estructura interna aporta muchas ventajas. La forma más sencilla de observar la funcionalidad de las costillas, largueros y larguerillos es que sirven para apoyar la piel. Sin ellos, la piel del fuselaje o de las alas tendería a doblarse incluso con cargas moderadas. Sin embargo, este no es el único propósito de las mismas. Los largueros suelen encargarse de soportar las cargas resultantes de la flexión y compresión por efecto del fuselaje y del ala. Las costillas también transmiten fuerzas a la estructura, ya sea la carga distribuida producto de la sustentación o una carga puntual, como por ejemplo, depósitos de combustible en las alas o una bomba.

En conclusión, si se diseñan correctamente, las estructuras semi-monocasco hacen un excelente trabajando soportando todas las cargas a las que se pueda enfrentar una aeronave.

Ejemplo

Primeramente, debemos calcular la inercia, obtener la línea neutra y los Δq de cada uno de los larguerillos respectivamente.

Ahora, se realizan los diagramas de corte en la figura.

Para finalizar, las incógnitas se obtienen con una sumatoria de fuerzas. Se realiza además el diagrama de carga axial:

Para una explicación más detallada, pincha en el siguiente vídeo: