viernes, 4 de noviembre de 2011

Columnas

Una columna es un elemento largo de forma vertical sujeto a una fuerza de compresion axial, se utilizan como soporte para estructuras como edificios, puentes, etc. Siempre que se diseña una columna, es necesario que se satisfagan requisitos especificos de resistencia, deflexion y estabilidad. En algunas columnas, si son muy lasgas o esbeltas la carga puede ser suficientemente grande como para provocar que se deflexionen lateralmente (llamada pandeo). Con suma frecuencia el pandeo de una columna puede conducir a una repentina y dramatica falla de una estructura o mecanismo y, por tanto, debe presentarse especial atencion al diseño de columnas, de modo que sean capaces de soportar cargas sin pandearse.

La carga maxima que una columna puede soportar cuando esta a punto de pandearse se llama carga critica, Pcr. Cualquier carga adicional provocara que la columna se pandee y, por consiguiente, se deflexione lateralmente.

En rigor, segun lo antes expuesto, las columnas no son perfectamente rectas, y la mayoria tiene esfuerzos residuales en ellas, sobre todo debido al enfriamiento no uniforme durante su fabriacion. Asimismo, los apoyos de las columnas son menos que exactos, y los puntos de aplicacion y las direcciones de las cargas no se conocen con absoluta certeza. Para compensar estos efectos, los cuales en realidad varian de una columna a otra, muchos codigos de diseño especifican el uso de formulas empiricas. Realizando un gran numero de pruebas experimentales en un gran numero de columnas axialmente cargadas, los resultados pueden ser graficados y una formula de diseño ajustando una curva a la medida de los datos. 

Para cosiderar el comportamiento de las columnas de diferente longitud,  los codigos de diseño casi siempre especifican varias formulas  que se ajustaran mejor a los datos en el intervalo de columnas cortas, intermedias y largas. Por consiguiente, cada formula sera valida solo para un intervalo especifico de razones de esbeltes, y por tanto es importante que el ingeniero observe con cuidado los limites de KL/r dentro de los cuales una formula particular es valida.

A continuacion se analizaran algunas formulas de diseño de columnas de acero. El objetivo es dar una idea sobre como se diseñan las columnas en la practica. Sin embargo, estas formulas no deben utilizarse para el diseño de columnas reales, a menos que se consulte el codigo del cual se tomaron.

Columnas de acero. Las columnas de acero estructural se diseñan con base en formulas propuestas por el Structural Stability Research Council (SSRC). A estas formulas se les aplicaron factores de seguridad y han sido adoptadas como especificaciones en la industria de la construccion por el American Institute of Steel Construction (AISC). Basicamente, estas especificaciones estipulan dos formulas para para el diseño de columnas, cada una de las cuales da el esfuerzo permisible maximo en la columna para un intervalo especifico de razones de esbeltez.

Para las columnas largas se propone la formula de Euler:


La aplicacion de esta formula requiere que se aplique un factor de seguridad F.S. = 1.92. Por tanto, para diseño,




Segun lo expuesto esta ecuacion es aplicable para una razon de esbeltez limitada por 200 y (KL/r)c. Si se exige que se utilice la formula de Euler solo para comportamiento de material elastico se obtiene un valor especifico de (KL/r)c. Mediante experimentos se ha determinado que en secciones de acero laminadas pueden existir esfuerzos residuales de compresion cuya magnitud puede ser hasta de la mitad del esfuerzo de cadencia.


Las ecuacines empleadas para el diseño de columnas dependeran del tipo de material con el cual se fabricaran las columnas por ejemplo para columnas de aluminio la Aluminum Association especifica el diseño de columnas de aluminio por medio de tres ecuaciones cada una aplicable dentro de un intervalo especifico de razones de esbeltes. Como existen varios tipos de aleaciones de aluminio, hay un juego de formulas para cada tipo de aleacion.

Para columnas de madera usadas en construcciones de madera se diseñan con base en formulas publicadas por la National Forest Products Association (NFPA) y el American Institute of Timber Construction (AITC).

Si se utilizan las formulas anteriores para diseñar una columna, es decir, para determiner el area de su seccion transversal para una carga y una longitud efectiva dadas, entonces, por lo general debe seguirse un procedimiento de tanteos, si la columna tiene una configuracion compuesta, tal como una seccion de patin ancho, Ello es necesario por que el esfuerzo permisible depende de la razon de esbeltez tal como lo indican las formulas. En cada caso, siempre que se repita un procedimiento de tanteo, la seleccion de un area se determina mediante el area requerida previamente calculada. En la practica este metodo de diseño en general se acorta mediante el uso de programas de computadora o tablas y graficas publicadas. Como se puede observar el diseño de una columna no es algo que debe tomarse a la ligera ya que pueden causar problemas en la estructura o macanismo en los cuales empleamos columnas. Cuando se utilice cualquiera de las formulas mencionadas anteriormente para analizar uan columna, es decir, para hallar su carga permisible, primero es necesario calcular la razon de esbeltez con el fin de determinar cual formula es valida.



Bibliografia
Mecanica de Materiales
Rusel Hibbeler
ED. Prentice Hall

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