Paso a paso: Diseño Columna Acero Flexocompresión

Summary

En este video, el canal de estructura tech 21 aborda el diseño de columnas de acero sometidas a flexión y compresión axial. Se presenta un problema práctico que consiste en diseñar una columna de acero estructural de 2.8 metros de altura, sujeta a una carga axial de 180 kN y momentos de flexión de 800 kN·m en la parte superior y 1950 kN·m en la base. Se utiliza acero estructural grado 50 y se sigue las ecuaciones de interacción del manual de construcción en acero del PSC para garantizar un buen comportamiento frente a los efectos combinados. Tras una aproximación inicial y el análisis de diferentes perfiles estructurales, se concluye con la selección del perfil W12 x 45 como una opción relativamente óptima y ligera para la columna, destacando la importancia de la programación para iterar y encontrar la solución que minimiza el peso y, por tanto, los costos.

Takeaways

• 📐 **Diseño de Columnas de Acero:** El video trata sobre el diseño de columnas de acero estructural sometidas a efectos de flexión y compresión axial.
• 🔍 **Problema Propuesto:** Se solicita diseñar una columna de acero de 2.8 metros de altura sujeta a una carga axial de 180 kN y momentos de flexión de 800 kNm en la parte superior y 1950 kNm en la base.
• 🇪🇸 **Material Elegido:** Se considera un acero estructural de grado 50 para el diseño de la columna.
• 🏗️ **Condiciones de Borde:** Se tiene en cuenta que la columna puede formar parte de un sistema estructural y se menciona la importancia de la rigidez en los elementos conectados para模拟边界条件.
• 📉 **Ecuaciones de Interacción:** Se utilizan ecuaciones empíricas para garantizar el diseño y buen comportamiento frente a la flexión y compresión axial.
• ⚖️ **Criterio de Diseño:** El manual establece un criterio para discriminar o aceptar una propuesta de diseño, buscando que la relación entre los efectos y la resistencia sea menor a 1.
• 🔢 **Aproximación Inicial:** Se sugiere comenzar con una aproximación en la que la relación entre la carga axial y la resistencia sea alrededor de 0.5 para acercarse a la solución óptima.
• 📈 **Selección de Perfil:** Se selecciona un perfil de acero (W10x33) como primera aproximación, teniendo en cuenta la relación k/l y el esfuerzo crítico de pancado.
• 🔎 **Análisis de Propiedades:** Se calculan las capacidades de compresión y flexión del perfil seleccionado y se verifica su clasificación por compresión y flexión.
• 📊 **Resistencia a la Carga:** Se determina la resistencia a la carga axial y a la flexión del perfil W10x33, considerando los efectos de pandeo y flexión torsional.
• 🔄 **Iteración de Diseño:** Se realiza un análisis para encontrar una sección más ligera y óptima, como el perfil W12x45, que cumple con las demandas de resistencia y se acerca más a la relación deseada en la ecuación de interacción.

Q & A

¿Qué tipo de columna de acero estructural se está diseñando en el video?

Se está diseñando una columna de acero estructural de grado 50, con una altura de 2.8 metros, sometidas a efectos de flexión y compresión axial.

¿Cuáles son las cargas y momentos que se aplican a la columna en el problema?

La columna se ve sometida a una carga axial de 180 kN y una distribución de momentos de flexión, con 800 kN·m en la parte superior y 1950 kN·m en la base.

¿Qué son las ecuaciones de interacción y para qué se utilizan?

Las ecuaciones de interacción son ecuaciones empíricas que se utilizan para garantizar el diseño y un buen comportamiento de la columna frente a la flexión y compresión. Sirven para discriminar o aceptar una propuesta de diseño.

¿Cómo se determina si una sección de acero es la más adecuada para el diseño?

Se verifica que la suma de los coeficientes en ambas ecuaciones de interacción sea menor a 1, lo que indica que la relación entre el efecto y la resistencia es adecuada.

¿Qué significa que la solución de diseño sea óptima?

Una solución óptima implica acercarse al límite, es decir, igualar los efectos a las capacidades. Esto se logra cuando la relación entre el efecto combinado y la resistencia sea tan cercana como sea posible a 1.

¿Cuál fue la primera sección de acero que se consideró para el diseño de la columna?

La primera sección de acero que se consideró fue W10x33, que proporcionó un peso más bajo entre las opciones disponibles.

¿Cómo se determinó la resistencia a la compresión de la sección W10x33?

Se calcularon los esfuerzos críticos y se utilizó la ecuación para la resistencia ante pandeo flexionante para determinar que la resistencia era de 395 kN.

¿Por qué se rechazó la sección W10x33 como solución final?

La ecuación de interacción resultante para la sección W10x33 mostró un coeficiente mayor a 1, lo que indica que la sección no resistiría los efectos combinados de carga axial y momento de flexión.

¿Qué perfil de acero resultó ser más adecuado después de las iteraciones?

El perfil W12x45 resultó en una resistencia de carga axial de 534 kN y resistencia a flexión de 2.889 kN·m, lo que se acerca más a la condición óptima con un coeficiente en la ecuación de interacción cercano a 1.

¿Cómo se sugiere abordar el proceso de diseño para encontrar la sección óptima?

Se recomienda programar el procedimiento en un lenguaje de computación o en una hoja de cálculo para realizar varias iteraciones y probar diferentes perfiles, lo que permite acercarse al coeficiente de 1 en la ecuación de interacción y minimizar el peso.

¿Qué importancia tiene el peso en el diseño estructural de acero?

El peso es un factor crucial ya que los perfiles de acero se venden por peso y un diseño que minimiza el peso también minimiza los costos, logando así un diseño óptimo estructural.