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TECSUP PFR Resistencia de Materiales 169 UNIDAD VI COLUMNAS 1. INTRODUCCIÓN Una columna es un miembro relativamente largo, cargado a compresión.” El análisis de columnas es diferente porque el modo de falla es diferente, cuando se analizó el esfuerzo de compresión, se supuso que el miembro fallaba por fluencia del material cuando se aplicaba un esfuerzo mayor que la resistencia a la fluencia del material. Esto es cierto en el caso de miembros cortos. Una columna alta esbelta falla por pandeo, nombre común que recibe la inestabilidad elástica. En lugar de aplastar o desmembrar el material, la columna se deflexiona de manera drástica a una cierta carga crítica y luego se desploma repentinamente. Se puede usar cualquier miembro delgado para ilustrar el fenómeno de pandeo; inténtelo con una regla de madera o plástico, una barra o solera delgada de metal. Al irse incrementando la fuerza de manera gradual, aplicada directamente hacia abajo, se alcanza la carga crítica cuando la columna comienza a flexionarse. Normalmente, se puede retirar la carga sin que provoque un daño permanente puesto que no hay fluencia. Así pues, una columna falla por pandeo a un esfuerzo menor que la resistencia a la fluencia del material en la columna. El objetivo de los métodos de análisis de columnas es predecir la carga o el nivel de esfuerzo al cual una columna se volvería inestable y se pandearía. 2. RAZÓN DE ESBELTEZ Hemos definido a la columna como un miembro esbelto relativamente largo cargado a compresión. Esta descripción se plantea en términos relativos y no es muy útil para el análisis. La medida de la esbeltez de una columna ha de tener en cuenta la longitud, el perfil de la sección transversal, las dimensiones de la misma y la manera de sujetar sus extremos en las estructuras que generan las cargas y las reacciones. La medida de esbeltez comúnmente utilizada es la razón de esbeltez, definida como: Donde:

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TECSUP – PFR Resistencia de Materiales

169

UNIDAD VI

CCOOLLUUMMNNAASS

1. INTRODUCCIÓN

“Una columna es un miembro relativamente largo, cargado a compresión.”

El análisis de columnas es diferente porque el modo de falla es diferente, cuando

se analizó el esfuerzo de compresión, se supuso que el miembro fallaba por

fluencia del material cuando se aplicaba un esfuerzo mayor que la resistencia a la

fluencia del material. Esto es cierto en el caso de miembros cortos.

Una columna alta esbelta falla por pandeo, nombre común que recibe la

inestabilidad elástica. En lugar de aplastar o desmembrar el material, la columna

se deflexiona de manera drástica a una cierta carga crítica y luego se desploma

repentinamente. Se puede usar cualquier miembro delgado para ilustrar el

fenómeno de pandeo; inténtelo con una regla de madera o plástico, una barra o

solera delgada de metal. Al irse incrementando la fuerza de manera gradual,

aplicada directamente hacia abajo, se alcanza la carga crítica cuando la columna

comienza a flexionarse. Normalmente, se puede retirar la carga sin que provoque

un daño permanente puesto que no hay fluencia. Así pues, una columna falla por

pandeo a un esfuerzo menor que la resistencia a la fluencia del material en la

columna. El objetivo de los métodos de análisis de columnas es predecir la carga

o el nivel de esfuerzo al cual una columna se volvería inestable y se pandearía.

2. RAZÓN DE ESBELTEZ

Hemos definido a la columna como un miembro esbelto relativamente largo

cargado a compresión. Esta descripción se plantea en términos relativos y no es

muy útil para el análisis.

La medida de la esbeltez de una columna ha de tener en cuenta la longitud, el

perfil de la sección transversal, las dimensiones de la misma y la manera de

sujetar sus extremos en las estructuras que generan las cargas y las reacciones.

La medida de esbeltez comúnmente utilizada es la razón de esbeltez, definida

como:

Donde:

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Resistencia de Materiales TECSUP – PFR

170

L = longitud real de la columna entre los puntos de apoyo o de restricción lateral.

K = factor de fijación de los extremos.

Le= longitud efectiva, teniendo en cuenta la manera de fijar los extremos

(observe que Le = KL)

r = radio de giro mínimo de la sección transversal de la columna.

A continuación se analiza cada uno de estos términos.

2.1. LONGITUD REAL, L

En una columna simple con la carga aplicada en un extremo y la reacción

creada en el otro, la longitud real es, obviamente, la longitud entre sus

extremos. Pero en componentes de estructuras cargados a compresión

que disponen de medios de sujeción laterales que impiden que se

pandee, la longitud real se considera entre los puntos de restricción. Cada

una de las partes, entonces, se considera como una columna aparte.

2.2. FACTOR DE FIJACIÓN DE LOS EXTREMOS, K

El factor de fijación de los extremos mide el grado de limitación contra

rotación de cada extremo. Por lo general, se consideran tres tipos clásicos

de conexiones de extremos: el extremo de pasador, el extremo fijo y el

extremo libre. La figura 1 muestra varias combinaciones de tipos de

extremos con los valores correspondientes de K. Obsérvese que se dan

dos valores de K. Uno es el valor teórico y el otro es el que por lo general

se usa en situaciones prácticas, aunque se debe reconocer que es difícil

lograr el extremo verdaderamente fijo.

Figura 1 Valores de K para diferentes conexiones de los extremos.

Page 3: texto6

TECSUP – PFR Resistencia de Materiales

171

Los extremos de pasador están imposibilitados contra rotación. Cuando

una columna con sus dos extremos de pasador se pandea, adopta la

forma de una curva uniforme entre sus extremos. Éste es el caso básico

de pandeo de columna y el valor de K = 1.0 se aplica a columnas con dos

extremos de pasador. Un tipo ideal de extremo de pasador es la

articulación de rótula que permite el giro de la columna en cualquier

dirección con respecto a cualquier eje. Una junta de pasador cilíndrico,

permite la libre rotación con respecto al eje del pasador, aunque crea algo

de restricción en el plano perpendicular a su eje. Por esta razón se debe

tener cuidado al aplicar factores de fijación a pasadores cilíndricos. Se

supone que el extremo de pasador está guiado de tal modo que la línea

de acción de la carga axial no cambia.

En teoría, los extremos fijos impiden perfectamente la rotación de

columna en sus extremos. A medida que la columna tiende a pandearse,

la curva de deflexión del eje de la columna debe aproximarse al extremo

fijo con una pendiente cero, como se ilustra en la figura 1-b. La figura

pandeada se arquea hacia afuera a la mitad pero exhibe dos puntos de

inf1exión donde se invierte la dirección de la curvatura cerca de los

extremos. El valor teórico del factor de fijación de los extremos es K =

0.5, el cual indica que la columna actúa como si fuera sólo la mitad de

larga de lo que realmente es. Las columnas con extremos fijos son mucho

más rígidas que las columnas con extremos de pasador y, por

consiguiente, son capaces de soportar cargas mayores antes de

pandearse. Se debe entender que es muy difícil fijar los extremos de una

columna a la perfección. Se requiere que la conexión a la columna sea

rígida y firme y que la estructura a la que se transfieren las cargas

también sea rígida y firme. Por ello, en la práctica se recomienda el valor

mayor de K=0.65.

El extremo libre de una columna puede girar y también trasladarse. Pero

como puede moverse en cualquier dirección, éste es el peor caso de

fijación de los extremos de una columna. El único modo práctico de usar

una columna con un extremo libre es tener el extremo opuesto fijo, como

se ilustra en la figura 1c. Una columna como ésa en ocasiones se conoce

como el caso del asta bandera porque el extremo fijo se comporta como

un asta bandera insertada profundamente en un orificio de ajuste

apretado, mientras el otro extremo libre puede moverse en cualquier

dirección. Conocida como la condición de extremo libre, el valor teórico de

K es 2.0. Un valor práctico es K = 2.10.

Page 4: texto6

Resistencia de Materiales TECSUP – PFR

172

En la figura 1d se muestra la combinación de un extremo fijo y un

extremo de pasador. Nótese que la curva de deflexión se aproxima al

extremo fijo con una pendiente cero mientras que el extremo de pasador

gira libremente. El valor teórico de K = 0.7 se aplica a esa condición de

fijación mientras que en la práctica se recomienda K = 0.80.

2.3. LONGITUD EFECTIVA, LE.

La longitud efectiva combina la longitud real con el factor de fijación de

extremos; Le = KL. Para calcular la longitud efectiva se usarán los valores

prácticos recomendados del factor de fijación de extremos, quedando las

siguientes relaciones:

Columnas con extremos de pasador: Le = KL = 1.0 (L) = L

Columnas con extremos fijos: Le = KL = 0.65 (L)

Columnas con un extremo fijo y el otro libre: Le = KL = 2.10 (L)

Columnas con un extremo fijo y el otro de pasador: Le = KL = 0.80 (L)

2.4. RADIO DE GIRO, R

La medida de esbeltez de la sección transversal de la columna es su radio

de giro, r, definida como:

En donde:

I = momento de inercia de la sección transversal de la columna

con respecto a uno de los ejes principales.

A = área de la sección transversal.

Tanto I como A son propiedades geométricas de la sección transversal, el

radio de giro r también lo es. En el apéndice A-1 se dan fórmulas para

calcular r de varios perfiles comunes. Además de r se dan otras

propiedades de algunos de los perfiles estándares.

Para los que no se da r, con los valores disponibles de I y A y la ecuación

anterior se puede calcular r de manera muy simple.

Page 5: texto6

TECSUP – PFR Resistencia de Materiales

173

Nótese que el valor del radio de giro r, depende del eje con respecto al

cual se va a calcular. En la mayoría de los casos, se tiene que determinar

el eje con respecto al cual el radio de giro es mínimo, porque ése es el eje

con respecto al cual la columna probablemente se pandeará. Considérese,

por ejemplo, una columna de sección rectangular cuyo ancho sea mucho

mayor que su espesor, como se ilustra en la figura 02. Se puede usar una

regla graduada simple para demostrar que cuando se carga a compresión

axial con poca o ninguna restricción en los extremos, la columna siempre

se pandeará con respecto al eje que pasa por la dimensión mínima. En el

caso del rectángulo mostrado en las figuras 2-b y 2-c:

En donde t es el espesor del rectángulo. Nótese que: rx=0.289h; en

donde h es la altura del rectángulo, y que h > t por tanto: rx > ry. Por ello

ry es el radio mínimo de giro en la sección.

Figura 2 Apariencia general de la columna pandeada, radio de giro con

respecto al eje Y-Y, radio de giro con respecto al eje X-X.

Page 6: texto6

Resistencia de Materiales TECSUP – PFR

174

Para las vigas de patín ancho (Apéndice A-7) y para las vigas American

Standard (Apéndice A-8), el valor mínimo de r es el calculado con

respecto al eje Y-Y; es decir:

Asimismo, para tubería estructural rectangular (Apéndice A-9), el radio

mínimo de giro es el calculado con respecto al eje Y-Y. En la tabla se dan

valores de r.

Para ángulos estructurales de acero, llamados perfiles L, ni el eje X-X ni el

eje Y-Y proporcionan el radio de giro mínimo. Tal como se ilustra en el

apéndice A-5, el rmin es el calculado con respecto al eje Z-Z, con los

valores dados en la tabla.

Para secciones simétricas, el valor de r es el mismo con respecto a

cualquier eje principal. Tales perfiles son las secciones circulares sólidas o

huecas y las secciones cuadradas huecas.

3. RESUMEN DEL MÉTODO PARA CALCULAR LA RAZÓN DE ESBELTEZ

1. Determine la longitud real de la columna L, entre los puntos extremos o

entre los puntos de restricción lateral.

2. Determine el factor de fijación de extremos con base en el tipo de apoyo de

los extremos y la figura 01.

3. Calcule la longitud efectiva, Le = KL.

4. Calcule el radio mínimo de giro de la sección transversal de la columna.

5. Calcule la razón de esbeltez por medio de:

4. RAZÓN DE ESBELTEZ DE TRANSICIÓN

4.1. ¿CUÁNDO SE CONSIDERA LARGA UNA COLUMNA?

La respuesta a esta pregunta requiere la determinación de la razón de

esbeltez de transición, o de la constante de columna Cc.

Page 7: texto6

TECSUP – PFR Resistencia de Materiales

175

Las reglas siguientes tienen que ver con el valor de Cc:

Si la razón de esbeltez efectiva real Le/r es mayor que Cc, entonces la

columna es larga, y al analizar la columna se debe usar la fórmula de

Euler.

Si la razón real, Le/r es menor que Cc, entonces la columna es corta. En

este caso, se debe usar la fórmula de J. B. Johnson, los reglamentos

especiales o la fórmula del esfuerzo de compresión directo, como se verá

en secciones posteriores.

Cuando se va a analizar una columna dada para determinar la carga que

soportará, en primer lugar habrá que calcular el valor de Cc y la razón real

Le/r para decidir qué método de análisis se debe usar. Nótese que Cc

depende de la resistencia a la fluencia, Sy y del módulo de elasticidad E

del material. Cuando se trabaja con acero, por lo general se considera E

= 207 GPa (30 x l06 lb/pulg2). Con este valor y suponiendo un intervalo

de valores de resistencia a la fluencia, se obtienen los valores de Cc

mostrados en la figura 3.

Figura 3 Constante de columna vs. Resistencia a la fluencia del acero.

Page 8: texto6

Resistencia de Materiales TECSUP – PFR

176

Figura 4 Constante de columna vs. resistencia a la fluencia del aluminio.

Para aluminio, E es aproximadamente de 69 GPa (10 x 106 lb/pulg2). En la

figura 4 se muestran los valores correspondientes de Cc.

4.2. FÓRMULA DE EULER PARA COLUMNAS LARGAS

Para columnas largas cuya razón de esbeltez es mayor que el valor de

transición Cc, se puede usar la fórmula de Euler para predecir la carga

crítica con la que la columna comenzaría a pandearse. La fórmula es:

en donde A es el área de la sección transversal de la columna. Otra forma

de expresar esta fórmula sería en función del momento de inercia, puesto

que r2 = l/A. Entonces, la fórmula se transforma en:

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TECSUP – PFR Resistencia de Materiales

177

4.3. FÓRMULA DE J. B. JOHNSON PARA COLUMNAS CORTAS

Si la razón de esbeltez efectiva real de una columna, Le/r, es menor que

el valor de transición Cc, la fórmula de Euler predice una carga crítica

exorbitante. Una fórmula recomendada para el diseño de máquinas en el

intervalo de Le/r menor que Cc es la fórmula de J. B. Johnson.

Ésta es una forma de un conjunto de ecuaciones llamadas ecuaciones

parabólicas, y concuerda perfectamente bien con el comportamiento de

columnas de acero de maquinaria típica.

La fórmula de Johnson da el mismo resultado que la fórmula de Euler de

la carga crítica a la razón de esbeltez de transición Cc. Entonces, en el

caso de columnas muy cortas, la carga crítica se aproxima a la

pronosticada por la ecuación del esfuerzo de compresión directo, σ = P/A.

Por consiguiente, se puede decir que la fórmula de Johnson se aplica

mejor a columnas de longitud intermedia.

4.4. FACTORES DE DISEÑO PARA COLUMNAS Y CARGA PERMISIBLE

Debido a que una columna falla por pandeo y por falla última o fluencia

del material, los métodos antes utilizados para calcular el esfuerzo de

diseño no se aplican a columnas.

Así que, la carga permisible se calcula dividiendo la carga de pandeo

crítica con la fórmula de Euler o la fórmula de Johnson por un factor de

diseño N. Es decir:

En donde:

Pa = carga segura permisible.

Pcr = carga de pandeo crítica.

N = factor de diseño.

La selección del factor de diseño es la responsabilidad del diseñador a

menos que el proyecto figure en un reglamento. Los factores a considerar

en la selección de un factor de diseño son similares a los utilizados para

Page 10: texto6

Resistencia de Materiales TECSUP – PFR

178

determinar factores de diseño aplicados a esfuerzos. Un factor común

utilizado en el diseño mecánico es N= 3.0, y la razón por la que se

seleccionó este valor es la incertidumbre con respecto a las propiedades

del material, la fijación de los extremos, lo recto de la columna o la

posibilidad de que la carga se aplique con algo de excentricidad y no a lo

largo del eje de la columna.

En ocasiones se usan factores mayores en situaciones críticas y para

columnas muy largas.

En la construcción de edificios, donde el diseño está regido por las

especificaciones del American Institute of Steel Construction, AISC, se

recomienda un factor de 1.92 para columnas largas. La Aluminum

Association requiere N = 1.95 para columnas largas.

4.5. RESUMEN-MÉTODO DE ANÁLISIS DE COLUMNAS

El objetivo de esta sección es resumir los conceptos presentados en las

secciones anteriores en un procedimiento que se pueda usar para analizar

columnas. Se puede aplicar a columnas rectas de sección transversal

uniforme a lo largo de ellas, en las que la carga de compresión se aplica

alineada con el eje centroidal de la columna. A fin de cuentas, se supone

que se conocen los factores siguientes:

1. La longitud real L.

2. La manera de conectar la columna a sus apoyos.

3. La forma de la sección transversal de la columna y sus dimensiones.

4. El material del cual está hecha la columna.

Entonces, el procedimiento es:

1. Determine el factor de fijación de extremos, el tipo de conexión entre

la columna y sus apoyos con la información dada en la figura 1.

2. Calcule la longitud efectiva, Le = KL.

3. Calcule el valor mínimo del radio de giro de la sección transversal por

medio de:

4. AIr /minmin rmin ; o determine rmin con tablas de datos.

5. Calcule la máxima razón de esbeltez con:

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TECSUP – PFR Resistencia de Materiales

179

6. Con el módulo de elasticidad E, y la resistencia a la fluencia SY del

material, calcule la constante de columna:

7. Compare el valor de SR con Cc,

Si SR > Cc, la columna es larga. Use la fórmula de Euler para calcular la carga crítica de pandeo:

Si SR> Cc, la columna es corta. Use la fórmula de Johnson para calcu-lar la carga crítica de pandeo:

8. Especifique el factor de diseño N.

9. Calcule la carga permisible, Pa,

EJEMPLO 01

Se tiene que usar un miembro circular sometido a compresión con ambos

extremos de pasador de acero AISI 1020 estirado en frío en una máquina.

Su diámetro es de 25 mm y su altura de 950 mm. ¿Cuál es la carga

máxima que el miembro puede soportar antes de pandearse? También

calcule la carga permisible sobre la columna para un factor de diseño de

N = 3.

Solución

Objetivo: Calcular la carga crítica de pandeo para la columna y la carga

permisible para un factor de diseño de N = 3.

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Resistencia de Materiales TECSUP – PFR

180

Datos: L = 950 mm. Sección transversal circular D = 25 mm. Extremos

de pasador. La columna es de acero; AISI 1020 estirado en frío.

Del anexo A-13: Sy = 441 MPa; E = 207 GPa = 207x 109N/m2

Análisis: Use las instrucciones para analizar columnas centralmente

cargadas.

Resultados:

Paso 1: Determine el factor de fijación de los extremos. Para la columna

con extremos de pasador, K = 1.0

Paso 2: Calcule la longitud efectiva.

Le = KL = 1.0 (L) = 950 mm

Paso 3: Calcule el valor mínimo del radio de giro. En el anexo A-1, para

cualquier eje de una sección circular transversal, r = D/4. Entonces:

Paso 4: Calcule la razón de esbeltez, SR = Le/r.

Paso 5: Calcule la constante de columna Cc.

Paso 6: Compare Cc con Le/r y decida si la columna es larga o corta. En

seguida, use la fórmula apropiada para calcular la carga crítica de

pandeo. Como Le/r es mayor que Cc, se aplica la fórmula de Euler.

mmmmD

r 25.64

25

4

15225.6

950

mm

mm

r

Le

2.96

/10441

/102072226

2922

mNx

mNx

S

EC

y

c

22

/ rL

EAP

e

cr

Page 13: texto6

TECSUP – PFR Resistencia de Materiales

181

El área es:

Por tanto:

Paso 7: Se especifica un factor de diseño de N = 3.

Paso 8: La carga permisible Pa es:

EJEMPLO 02

Determine la carga crítica sobre una columna de acero de sección

transversal cuadrada de 12 mm por lado y 300 mm de longitud. La

columna tiene que ser de acero AISI1040 laminado en caliente. Uno de

sus extremos se soldará rígidamente a un apoyo firme y el otro se

conectará con una junta de pasador. También calcule la carga permisible

sobre la columna para un factor de diseño de N = 3.

Solución

Objetivo: Calcular la carga crítica de pandeo para la columna y la carga

permisible para un factor de diseño de N = 3.

Datos: L = 300 mm. La sección transversal es cuadrada; cada lado es b

= 12 mm. Un extremo de pasador; un extremo fijo. La columna es de

acero; AISI 1040 laminado en caliente.

Del anexo A-13: Sy = 414 MPa; E = 207 GPa = 207x 109N/m2

Análisis: Use las instrucciones para analizar columnas centralmente

cargadas.

2

22

4914

25

4mm

mmDA

kNmm

mx

mmmNxPcr 4.43

10

1

152

491/1020723

2

2

2292

kNkN

N

PP cr

a 5.143

4.43

Page 14: texto6

Resistencia de Materiales TECSUP – PFR

182

Resultados:

Paso 1: Determine el factor de fijación de los extremos. Para la columna

con extremo fijo y el otro de pasador, K = 0.80 es el valor práctico.

Paso 2: Calcule la longitud efectiva.

Le = KL = 0.80 (300) = 240 mm

Paso 3: Calcule el valor mínimo del radio de giro. En el anexo A-1, para

una sección transversal cuadrada, r = b/ 12 . Entonces:

Paso 4: Calcule la razón de esbeltez, SR = Le/r.

Paso 5: Normalmente, se calcularía el valor de la constante de columna,

Cc. Pero, en este caso, se utiliza la figura 3. Para un acero con una

resistencia a la fluencia de 414 MPa, Cc = 96, aproximadamente.

Paso 6: Compare Cc con Le/r y decida si la columna es larga o corta. En

seguida, use la fórmula apropiada para calcular la carga crítica de

pandeo. Como Le/r es menor que Cc, se aplica la fórmula de Johnson.

El área de la sección transversal cuadrada es:

Entonces:

Paso 7: Se especifica un factor de diseño de N = 3.

Paso 8: La carga permisible Pa es:

mmmmb

r 46.312

12

12

4.6946.3

)300)(8.0(

mm

mm

r

KL

r

Le

E

rLSySyAP e

cr 2

2

4

/1

222 14412 mmmmbA

kNmNx

mNx

mm

NmmPcr 1.45

)/10207(4

)4.69)(/10414(1

414)144(

292

226

2

2

Page 15: texto6

TECSUP – PFR Resistencia de Materiales

183

5. PERFILES EFICIENTES PARA SECCIONES TRANSVERSALES DE COLUMNA

Cuando se diseña una columna que va a soportar una carga especificada, el

diseñador tiene la responsabilidad de seleccionar la forma general de su sección

transversal y determinar las dimensiones requeridas. Los principios siguientes

pueden ayudar en la selección inicial del perfil.

Un perfil eficiente es aquel que utiliza una pequeña cantidad de material para

realizar una función dada. Para columnas, el objetivo es incrementar al máximo

el radio de giro con el objeto de reducir la razón de esbeltez. Nótese también que

como r = AI , maximizando el momento de inercia para un área dada tiene el

mismo efecto.

Cuando se analiza el momento de inercia, se observa que es deseable disponer

toda el área posible de la sección transversal tan lejos del centroide como sea

posible. En las vigas, por lo general sólo un eje era el importante, el eje con

respecto al cual ocurría la flexión. En columnas, el pandeo en general puede

ocurrir en cualquier dirección. Por consiguiente, es deseable que las propiedades

sean uniformes con respecto a cualquier eje. La sección circular hueca,

comúnmente llamada tubo, es un perfil muy eficiente para usarse como columna.

Le sigue de cerca el tubo cuadrado hueco. También se pueden usar secciones

compuestas de secciones estructurales estándar, como se muestra en la figura 5.

Las columnas de edificios con frecuencia se arman con perfiles especiales de

patín ancho llamadas secciones para columna. Cuentan con patines

relativamente anchos y gruesos en comparación con los perfiles por lo general

seleccionados para vigas. Esto hace que el momento de inercia con respecto al

eje Y-Y sea más similar a aquél con respecto al eje X-X. El resultado es que los

radios de giro con respecto a los dos ejes también son casi iguales.

La figura 6 muestra una comparación de dos perfiles de patín ancho de 12 plg;

uno es una sección de columna y el otro es un perfil de viga típico. Nótese que el

radio de giro mínimo se debe utilizar al calcular la razón de esbeltez.

kNkN

N

PP cr

a 0.153

1.45

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Resistencia de Materiales TECSUP – PFR

184

Figura 5. Ejemplos de perfiles de columna eficientes.

(a) Tubo de sección circular hueco. (b) Tubo cuadrado hueco. (c) Sección tubular

hecha de vigas de madera. (d) Ángulos de patas iguales con placas. (e)

Canales de aluminio con placas. (f) Dos ángulos de patas iguales.

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TECSUP – PFR Resistencia de Materiales

185

Figura 6 Comparación de un perfil de viga de patín ancho con una sección de columna.

PROBLEMAS PROPUESTOS

PROBLEMA 1

Una columna se compone de 4 ángulos, como se muestra en la figura. Los

ángulos se mantienen unidos con barras de enlace, las cuales se pueden ignorar

en el análisis de las propiedades geométricas.

Utilizando las ecuaciones estándar de Euler o Johnson con Le = L y un factor de

diseño de 3.0, calcule la carga permisible sobre la columna si es de 18.4 pies de

largo. Los ángulos son de acero ASTM A36.

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Resistencia de Materiales TECSUP – PFR

186

Rpta.- Pa = 65300 lb

PROBLEMA 2

La figura muestra una viga con sus extremos soportados por juntas de pasador.

La barra inclinada soporta el extremo derecho de la viga, pero también la somete

a una fuerza de compresión axial.

¿Sería satisfactoria una viga S6x12.5 si soporta 1320 kg en su extremo?

La viga es de acero ASTM A36.

Rpta.- Fuerza axial = 31.1 kN

Pcr = 260 kN

N = 8.37 (OK)

Figura 7

Figura 8

Page 19: texto6

TECSUP – PFR Resistencia de Materiales

187

PROBLEMA 3

Se va a diseñar una estructura para que soporte una tolva sobre una máquina de

extrudir plástico, como se muestra en la figura. La tolva debe ser soportada por 4

columnas que comparten la carga por igual.

La estructura se refuerza con riostras cruzadas.

Se supone que las columnas sean de tubo cédula 40 estándar de 2pulg. y se

empotrarán en el suelo.

Debido al arriostramiento transversal, el extremo superior de las columnas está

guiado de modo que se comporte como si estuviera redondeado o marrado con

pasador.

El tubo es de acero AISI 1020 laminado en caliente. La tolva está diseñada para

soportar 20000 lb de plástico molido. ¿Son adecuadas las columnas propuestas

para esta carga?

Rpta.- Carga crítica = 10914 lb.

Carga real = 5000 lb

N = 2.18 (bajo)

Analice cómo se vería afectado el diseño del caso anterior si el descuidado

conductor de un montacargas embistiera las riostras cruzadas y las rompiera.

Figura 9

Page 20: texto6

Resistencia de Materiales TECSUP – PFR

188

ANOTACIONES:

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................