Como estudiante de ingeniería o ingeniero, sabe lo importante que es que las estructuras puedan manejar diferentes tipos de cargas.
Pero, ¿ha pensado alguna vez en los problemas únicos que presenta la carga axial? A diferencia de la fuerza de corte, la carga de torsión y la carga de flexión, la carga axial aplica fuerza directamente a lo largo del eje de una estructura.
Esto significa que al diseñar, construir y mantener estructuras, se debe tener en cuenta un conjunto completamente nuevo de cosas.
En este artículo, entraré en detalles sobre la carga axial y cubriré todo lo que necesita saber para construir estructuras que puedan manejar esta importante fuerza.
¡Así que abróchate el cinturón y empecemos!.
Introducción a la carga axial
Definicion formal:
Una fuerza con su resultante que pasa por el centroide de una sección particular y es perpendicular al plano de la sección.
La carga axial es un tipo de carga que ejerce presión sobre un miembro estructural a lo largo de su eje.
A diferencia de la fuerza de corte, la carga de torsión y la carga de flexión, la carga axial crea más tensión de compresión que la tensión o la fuerza de corte.
Fuerza de corte, carga de torsión y carga de flexión: diferencias
La fuerza de corte hace que la tensión se distribuya a lo largo del plano de un objeto, mientras que la carga de torsión hace que la tensión se distribuya alrededor del eje longitudinal del objeto.
Cuando una carga se dobla, crea un esfuerzo normal y un esfuerzo cortante transversal.
El esfuerzo normal incluye tanto el esfuerzo axial como el transversal, mientras que el esfuerzo cortante transversal incluye tanto el esfuerzo cortante torsional como el transversal.
Importancia de la carga axial
Las cargas axiales son importantes porque pueden cambiar tanto la estructura del implante como el hueso que lo rodea.
En ingeniería, la carga axial es una parte muy importante de cómo se fabrican columnas, vigas y armaduras.
En biomecánica, las cargas axiales pueden cambiar la forma en que se mueven los huesos, lo que puede provocar fracturas o reemplazos articulares, entre otras lesiones.
Debido a esto, es importante tanto en ingeniería como en medicina comprender cómo funciona la carga axial.
Diferencia entre carga axial y carga transversal
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Miembros estructurales y cargas axiales
Las armaduras y las columnas son dos tipos comunes de miembros estructurales que en su mayoría se fabrican para soportar cargas axiales.
Trusses: Características y Aplicaciones
Las armaduras son miembros estructurales que están hechos para soportar fuerzas axiales en sus miembros.
Estas fuerzas pueden ser de tensión, compresión o tensión/compresión reversible, dependiendo de las cargas y combinaciones de carga en el peor de los casos.
Los miembros del truss usan menos material para soportar la misma cantidad de peso.
Esto los hace ideales para puentes o techos que necesitan ser fuertes pero no demasiado pesados.
Pero los miembros del truss son libres de moverse y solo pueden transportar cargas en una dirección.
Esto significa que no son lo suficientemente fuertes para soportar cargas que se mueven de lado a lado o se doblan.
Columnas: Características y Aplicaciones
Las columnas son las partes verticales de los marcos de construcción de acero que sostienen las vigas del piso o los pisos que están sujetos a fuertes cargas de compresión axial.
En su mayoría están hechos para resistir cargas axiales de compresión, pero dependiendo de cómo se configuren y se fabriquen, también pueden resistir fuerzas de flexión y de corte.
Las columnas pueden ser redondas, cuadradas o rectangulares y pueden ser de hormigón, acero o madera, entre otros.
Miembros del marco: características y aplicaciones
Dependiendo de cómo se configuren y fabriquen, las vigas y las columnas pueden soportar cargas tanto transversales como axiales a lo largo de su longitud.
A menudo se utilizan para sostener pisos, techos y paredes en proyectos de edificación y construcción.
Pero, a diferencia de los miembros de la armadura, los miembros del marco no tienen que soportar solo cargas axiales; también pueden soportar cargas transversales.
Determinación de la carga axial máxima
Al construir una estructura, es importante saber cuánta carga axial puede soportar un miembro o estructura determinada.
Cálculo de la carga axial máxima para columnas
Para averiguar cuánta carga axial puede manejar una columna, puede calcular su KL/r y luego buscar el valor de cFcr en una tabla.
La tensión en la sección transversal de la columna se puede encontrar utilizando la ecuación AP=f, donde se supone que f es la misma en toda la sección transversal.
Se sabe que el pandeo es un estado límite de falla para las columnas, y la ecuación proporciona la carga crítica de pandeo Pcr para las columnas (3.1).
Pero para calcular completamente la carga de pandeo crítica para una columna dada, necesita más ecuaciones y métodos, y el diseño debe tener en cuenta cómo termina la columna y las propiedades del material.
Aproximación de la capacidad máxima de transporte de carga
Hacer un diseño de acero y observar la relación de interacción es una buena manera de tener una idea aproximada del peso máximo que puede soportar un miembro.
La relación de interacción es la relación entre la mayor cantidad de peso que un miembro puede soportar y la cantidad de peso que realmente soporta.
El recíproco de esa proporción te dice cuánto más peso puede soportar cada miembro antes de que se rompa.
Es importante recordar que este método solo da una estimación.
La carga máxima real que un miembro puede soportar puede ser menor o mayor que el valor calculado.
Diseño para carga axial máxima
Al diseñar estructuras, el tamaño de los miembros se basa aproximadamente en dibujos arquitectónicos y otros documentos relevantes, y sus pesos se calculan utilizando información de la mayoría de los códigos y otra literatura de ingeniería civil.
Pero las estructuras deben construirse para manejar la carga crítica, que es la carga más grande que podría actuar sobre ellas.
Esto se hace sumando todas las cargas que una estructura podría soportar durante su vida útil.
Esto incluye tanto las cargas vivas como las cargas muertas, así como las cargas causadas por el viento, los terremotos y otras posibles cargas.
Carga Crítica en Columnas Largas y Esbeltas
La carga crítica es el peso axial máximo que puede soportar una columna antes de que comience a doblarse.
Fórmula de Euler: cálculo de la carga crítica
La fórmula de Euler se puede utilizar para encontrar la carga crítica: Pcr = (2EI)/(KL)2, donde Pcr es la carga crítica de Euler, E es el módulo de elasticidad de Young, I es el segundo momento de área mínimo de la sección transversal de la columna (momento de inercia del área), K es el factor de longitud efectiva de la columna y L es la longitud no soportada de la columna.
Importancia de la carga crítica
La carga crítica es importante para determinar cuánto tiempo reaccionan las columnas delgadas a la fuerza de compresión axial porque no depende de la resistencia del material.
Esto significa que al construir estructuras delgadas que podrían doblarse, los ingenieros deben prestar especial atención a la relación de esbeltez, que es la longitud de la columna dividida por su radio de giro más pequeño.
Una relación de esbeltez alta significa que es más probable que las cargas de compresión pequeñas provoquen la rotura de la estructura.
El pandeo ocurre cuando una columna recta que se comprime a lo largo de su longitud se dobla repentinamente. Este es un estado límite de falla para las columnas.
Celdas de carga axial y sus aplicaciones
Las celdas de carga que miden la fuerza a lo largo de un solo eje se denominan celdas de carga axial.
Principio de funcionamiento de las celdas de carga axial
Las celdas de carga axial funcionan convirtiendo la fuerza que se les aplica en una señal eléctrica que se puede leer y escribir.
Utilizan galgas extensiométricas para medir la cantidad de carga axial que cambia la forma de algo.
Cuando se ejerce una fuerza sobre la celda de carga a lo largo de su eje, las galgas extensométricas se doblan, lo que cambia su resistencia.
El cambio en la resistencia luego se convierte en una señal eléctrica que se puede medir.
Aplicaciones de las celdas de carga axial
Las celdas de carga montadas axialmente se utilizan en muchos campos, como la industria aeroespacial, automotriz y de fabricación.
Algunas formas comunes en que se usan las celdas de carga axial son:
- Medición de la fuerza en partes estructurales de edificios y puentes, como vigas y columnas, mientras se construyen o utilizan.
- Probar usos, como calcular cuánta fuerza se necesita para apretar o estirar algo, o cuánta fuerza se necesita para romper o deformar algo.
- Vigilar cosas como prensas hidráulicas, grúas y elevadores para asegurarse de que funcionen de manera segura.
- Voy a enumerar más en la parte inferior de este artículo.
Otros aspectos de la carga axial
Carga de viento axial
La carga de viento axial es la fuerza que el flujo de viento ejerce sobre un edificio.
En el pasado, las fuerzas del viento, especialmente en las zonas costeras, han causado la caída de muchos edificios.
Los ingenieros civiles utilizan la ecuación 2.2 modificada de ASCE 7-16, que tiene en cuenta la altura de la estructura sobre el nivel del suelo y la importancia que tiene para la vida y la propiedad de las personas, para calcular la velocidad y la presión del viento a diferentes alturas sobre el nivel del suelo.
Los ingenieros civiles utilizan una fórmula que tiene en cuenta aspectos como el área proyectada, la presión del viento, el coeficiente de arrastre, el coeficiente de exposición, el factor de respuesta a las ráfagas y el factor de importancia para calcular la carga del viento axial.
Una fórmula es F = A x P x Cd, donde F es la fuerza o carga del viento, A es el área proyectada del objeto, P es la presión del viento y Cd es el coeficiente de arrastre.
Resistencia a la fatiga
El cálculo de la resistencia a la fatiga de una estructura bajo cargas axiales y de flexión se puede realizar utilizando métodos analíticos basados en la relación de las resistencias a la fatiga para cargas axiales y de flexión.
En estos métodos, la resistencia a la fatiga bajo carga de flexión rotatoria se cambia a la resistencia a la fatiga bajo carga axial.
Para averiguar cómo funciona un modelo analítico, también se pueden realizar pruebas de fatiga de alto ciclo en ambas condiciones de carga.
Además, los modelos de tensiones planas se pueden utilizar para calcular cuánto durará un material cuando se utilice en su superficie, donde una de las tensiones principales suele ser cero.
Por último, las curvas SN se pueden utilizar para encontrar la tensión máxima admisible en N ciclos y un factor de reducción de la resistencia a la fatiga kf.
Rodamientos de Bolas y Carga Axial Máxima
Los rodamientos de bolas radiales con retenedor (o jaula) están hechos principalmente para manejar cargas radiales, pero también pueden manejar cargas axiales.
La cantidad de carga axial que se puede aplicar a un rodamiento depende de su tamaño y, por lo general, se expresa como un porcentaje de la clasificación de carga radial del rodamiento.
Cuando la diferencia entre el diámetro del orificio y el diámetro del aro exterior es grande, el rodamiento puede soportar cargas axiales de hasta el 50 % de la carga estática radial.
Las pistas de rodadura en los rodamientos de sección delgada son menos profundas, lo que los hace menos capaces de manejar cargas axiales.
Se debe usar un rodamiento de contacto angular si el rodamiento necesita manejar una carga axial pesada.
Estos están hechos de manera diferente en el interior que los rodamientos de bolas de ranura profunda, por lo que pueden manejar cargas axiales más altas.
La carga axial máxima para los rodamientos de bolas con un diámetro interior determinado depende de varias cosas, como el tamaño del rodamiento, la profundidad de la pista del rodamiento y si está sujeto o no a cargas radiales o de momento fuertes.
La cantidad de carga axial que se puede aplicar a un rodamiento a menudo se da como una aproximación de la clasificación de carga radial del rodamiento.
SKF proporciona cargas axiales y radiales mínimas para rodamientos individuales y pares de rodamientos configurados en tándem o configuraciones espalda con espalda/cara a cara.
La mayor tensión que se puede ejercer sobre los rodamientos de bolas depende de cómo estén hechos por dentro.
Carga axial en estructuras
Cuando se ejerce una fuerza sobre una estructura directamente a lo largo de un eje de la estructura, esto se denomina carga axial.
Cuando hay una carga puntual, el esfuerzo cerca del punto de carga es mucho mayor que el esfuerzo promedio.
Esto provoca deformaciones muy complicadas porque los estados de tensión son muy complicados.
El esfuerzo normal y el esfuerzo cortante son formas de medir el esfuerzo promedio en una sección transversal.
No importa en qué parte de la sección transversal mire, la cantidad de tensión es la misma.
Una carga puntual es una fuerza del exterior que se concentra en un área pequeña.
casos de uso
Aquí hay algunas formas en que se podría usar la carga axial:
| Utilizada en: | Descripción: |
|---|---|
| diseño de una columna | Las columnas son un gran ejemplo de un miembro estructural que está hecho para soportar cargas axiales. Por ejemplo, en los edificios, las columnas soportan el peso de los pisos y el techo de arriba, lo que crea una carga axial de compresión que la columna debe resistir. La carga axial es un aspecto importante a tener en cuenta al diseñar columnas para asegurarse de que no se doblen ni se rompan bajo la fuerza. |
| Puentes | Al diseñar puentes, la carga axial también es un factor muy importante en el que pensar. Las cargas axiales de compresión son causadas por el peso del puente y los vehículos que transporta. El puente debe ser capaz de soportar estas cargas. Los puentes también pueden verse afectados por cosas como el viento, los terremotos y el tráfico, todo lo cual puede causar momentos de flexión y fuerzas de corte. Para hacer puentes seguros y útiles, es importante saber cómo interactúan estas cargas entre sí. |
| Diseño de la torre | Se colocan altas cargas axiales de compresión en torres como torres de transmisión, torres de telefonía celular y turbinas eólicas. Al hacer estas estructuras, hay que pensar en la forma en que se cargarán, los materiales, la altura y el ancho de las torres, entre otras cosas. Para asegurarse de que estas estructuras sean seguras y duren mucho tiempo, necesita saber cómo las afectan las cargas axiales. |
| Fabricación y pruebas | La carga axial también es un concepto importante en la fabricación y las pruebas, donde los materiales y productos deben poder soportar ciertas cargas sin romperse ni deformarse. Con herramientas de prueba como celdas de carga axial, puede averiguar cuánta carga axial puede soportar un material o producto antes de que se rompa. |
| Aplicaciones aeroespaciales | Las cargas axiales pueden ser muy importantes al diseñar cohetes, misiles y otros vehículos para uso en el espacio. Las cargas axiales pueden ser causadas por el peso del vehículo, su velocidad o vibraciones. Para hacer sistemas seguros y efectivos, es importante saber cómo las cargas axiales afectan las partes estructurales de un vehículo. |
Conclusión
Como hemos visto en este artículo, la carga axial es una parte clave del diseño y la construcción de estructuras que puedan resistir las fuerzas que se les imponen.
Cuando se trabaja con esta importante fuerza, hay muchas cosas en las que pensar, desde comprender los desafíos únicos de las columnas largas y delgadas hasta agregar celdas de carga axial a su conjunto de herramientas de ingeniería.
Pero la carga axial también es un recordatorio de que la ingeniería es un campo complicado que siempre está cambiando.
A medida que continuamos superando los límites de lo que es posible, inevitablemente enfrentaremos nuevos problemas que requerirán que pensemos creativamente y trabajemos juntos para resolverlos.
Por lo tanto, la próxima vez que trabaje con carga axial, mantenga la mente abierta y prepárese para aprender.
¿Quién sabe qué cosas nuevas hay a la vuelta de la esquina?
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