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EJERCICIOS RESUELTOS RESISTENCIA DE MATERIALES, COLUMNAS.

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Academic year: 2021

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PROBLEMAS PROPUESTOS

PROBLEMAS PROPUESTOS 1.

1. HaHalllalar r la la llonongigittud ud mímíninimma, a, L, L, de de ununa a cocolulummna na cocon n exexttreremmoo articulado, !ue tenga un "rea tran#eral $cm %or &,$ cm ' %ara la articulado, !ue tenga un "rea tran#eral $cm %or &,$ cm ' %ara la cu

cual al e e a%a%lili!u!ue e la la ()()rmrmulula a de de EuEuleler r %a%ara ra cocolulumnmna a elel""titicaca.. Su%)ngae !ue E * + 

1-Su%)ngae !ue E * +  1-$$ MPa ' !ue el límite de %ro%orcionalidad MPa ' !ue el límite de %ro%orcionalidad e +,

1-e +, 1-++  MPa. El momento de inercia mínimo de la ecci)n  MPa. El momento de inercia mínimo de la ecci)n tran#eral e /

tran#eral e /minmin ** 7,57,5 x x55

3 3 12 12  * &,1+$ cm * &,1+$ cm 0 0.. En conecuencia. En conecuencia.

rr==rr minmin ¿¿

√√

 I min I min  A  A == h h √  √ 1212==

√√

78,125 78,125 7,55 7,55 == 5 5 √  √ 1212==11

 LuLuegego, o, ututilili2i2anando do la la ececuauacici)n)n33 σσ C C ==

π  π 22 E E (( L L r r22)) '

' de%e4de%e4ando ando de de ellaella la relaci)n L5r corre%ondiente al limite de %ro%orcionalidad.

la relaci)n L5r corre%ondiente al limite de %ro%orcionalidad.

66  L Lrr ¿¿ ++ ¿¿ π  π  2 2  E  E σ σ C C  ¿¿ π  π 22 x x101055 2,8 2,8 x x101022==70507050  EE  ddeecciirr33 7  7  ¿¿ L Lrr = =8484  y y  L L==8484 x x1,441,44==121121cmcm

Por lo tanto i eta columna tu#iera 1+1cm o ma de longitud e Por lo tanto i eta columna tu#iera 1+1cm o ma de longitud e  %andearía

 %andearía el"ticamente, el"ticamente, 'a 'a !ue !ue %ara %ara tale tale dimenione dimenione de de lala co

colulumnmna a la la tetenni)i)n n crcrititicica a en en %a%andndeo eo no no exexcecede de al al lilimimite te dede  %ro%orcionalidad del material.

(2)

+. 8uatro "ngulo de 1--x1--x1-mm e unen mediante %laca en celoía %ara (ormar una ecci)n com%ueta, como e indica en la (igura. A%licando la e%eci(icacione de la A/S8, con

9P8*+:-MPa, determinar la longitud m"xima !ue %uede tener i ;a de o%ortar una carga de $--<=. >8u"l de?e er la longitud li?re entre "ngulo, de manera !ue u e?elte2 ea, como m"ximo, igual a la tre cuarta %arte de la corre%ondiente a la ecci)n com%ueta@

P*$$- <= 9 %c*+:- MPa L* @

Para el "ngulo3 6de ta?la A*1:+- mm+

r*+-,0mm

l*1&&x1-CmmC x*+,+mm

(3)

/*D6/i Aidi+ 'di * F x*1+$F+,+ di* :C,mm /*061,&&x1-C  1:+-x:C,+ * 061:,&Cx1-C A* DAi *0A* 061:+- * &C- mm+

La relaci)n de e?elte2 límite e3

Aumimo3

. a L*Le 6extremo articulado . ? Le5r G 8c

Entonce, a%licando3

Reem%la2ando #alore o?tenido3

(4)

L * Le * 1+$,61-1 *G L*1+,&

Para o?tener la e%araci)n li?re entre "ngulo3

e donde3 L * :0,I$6I-,0 * +,m

Jeri(icamo !ue el e(uer2o 9m"x G 9a%licado

I. Un %er(il KIC-x1I0 #a em%leare como columna con una longitud de :m. La columna o%orta una carga axial de +C- <= ' una excentricidad de IC-<=, !ue acta o?re el e4e . eterminar la excentricidad m"xima de carga de IC-<= uando el mNtodo del m"ximo e(uer2o ' la ()rmula lineal de la ecuaci)n3

 P

 A=110−0,483(  L

r )

0. Mediante la (ormula de A/S8 determinar la carga axial de tra?a4o en una columna contituida %or un %er(il KIC-  1++ en la iguiente condicione3

aArticulada en u extremo ' con una longitud de :m  ? Extremo %er(ectamente em%otrado ' longitud de 1-m

(5)

c Extremo %er(ectamente em%otrado, longitud de 1-m ' u4eta lateralmente en el centro. Ue σ pc  * I- MPa

$. etermine la carga crítica de %andeo %ara cada una de la columna uando la ecuaci)n de Euler. E=29 x106 psi

Límite %ro%orcional * I- --- %i. Su%onga extremo im%lemente a%o'ado ' una relaci)n de e?elte2 %ermii?le L5 r

*+--Para una ?arra )lida cuadrada de 1.- %ulg.  1.- %ulg. a L * I %ie  ? L * 0 %ie Soluci)n a L * I %ie  Pu=π  2  EA ( KL r ) 2  A=l2=1 x1=1¿2  I =b h 3 12 = 1 x13 12 = 1 12¿ 4  KL r = 1 x3 x12 0.29 =124.14<200  F cr=π  2  x29 x106

(

1 x3 x12 0.29

)

2=18.4ksi<30ksi→ Rango Elástico

Carga Criticad pandosrá: Pu= F cr x A=18.4 x1=18.4klb!  ? L * 0 %ie.  Pu=π  2  EA ( KL r ) 2  A=l2=1 x1=1¿2  I =b h 3 12 = 1 x13 12 = 1 12¿ 4

(6)

 KL r = 1 x4 x12 0.29 =165.52<200  F cr=π  2  x29 x106

(

1 x4 x12 0.29

)

2=8.2ksi<30ksi → Rango Elástico

Carga Critica d pandosrá: Pu= F cr x A=8.2 x1=8.2klb!

C. 8alcular la carga critica, el e(uer2o crítico, la carga de tra?a4o ' el e(uer2o de tra?a4o, %ara una columna ti%o m"til, E decir, em%otrada a?a4o ' li?re arri?a  %ara la iguiente condicione.

 E LP=22 "pa E=19#pa L=4.50m

+- cm

I-cm

8"lculo de la relaci)n de e?elte2 egn lo materiale. $ cr= π 2 E 4

(

 L r

)

2  L r =

 π 2 E 4$ cr  L r =

π 2

(

19 x109 %  m2

)

4

(

22 x106 %  m2

)

 =46

8"lculo de la relaci)n de e?elte2 egn la geometría.  A=30cm x20cm=600cm2  I = 1 12 (30cm) (20cm) 3 =20000cm4 r=

20000cm 4 600cm2 =5.77cm  L r =  450cm 5.77cm=78>46

(7)

8alculo del E(uer2o crítico ' el E(uer2o de tra?a4o.

 8omo e una columna larga o e?elta, el e(uer2o critico de?e calculare con la

ecuaci)n de Euler. $ cr= π 2 E 4

(

 L r

)

2 $ cr= π 2

(

19 x109 %  m2

)

4(78)2 = 7.7 "pa

Q Para el e(uer2o de tra?a4o e toma un (actor de eguridad de I. $ u=7.7 "pa

3 =2.5 "pa

Q 8alculo de la carga crítica ' carga del tra?a4o.  Pcr=π  2  EI  4 xL2  Pcr= π 2

(

19 x109 %  m2

)

(

20000 x10 −8 m4

)

4 x(4.50m)2  Pcr=462955 % =462.9 K%  Tomando el mimo actor de eguridad.

 Pu=462.9

(8)

Laureate International Universities® FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

COLUMNAS

INSTRUCTORES:

 - Ing. PINTO BARRANTES, Raul Antonio

PARTICIPANTES:

 ESPINOA PONTE, Eri!a

CICLO: "#$% & I

Li'a & Per( 2017

(9)

8OLUM=AS

Una columna en ingeniería etructural e un elemento etructural !ue tranmite, a tra#N de com%rei)n, el %eo de la etructura o?re otro elemento etructurale !ue e encuentran de?a4o. Eta %ueden er

dieada %ara reitir la (uer2a laterale del #iento o de lo mo#imiento ímico. La columna on (recuentemente uada %ara o%ortar #iga o arco o?re lo cuale la %arte u%eriore de la %arede o tec;o

decanan. La %rimera columna eran contruida de %iedra, acada de una %ie2a im%le de roca, uualmente rot"ndola o?re un a%arato %arecido a un torno. Otra (ueron creada de mlti%le eccione de roca, %egada con mortero o en eco. La columna moderna on contruida de acero, concreto #ertido o %re(a?ricado, o de ladrillo. Luego %ueden er re#etida en una cu?ierta ar!uitect)nica o de4ada in cu?rir.

En el %reente tra?a4o a?ordaremo la clai(icaci)n ' mNtodo %ara

dimenionar una columna, como #imo en el %"rra(o anterior ete elemento etructural cum%le un rol (undamental en edi(icacione, e %or eo !ue ete modeto tra?a4o #a e#ocado %ara a di(undir alguno conce%to '

metodología de dearrollo de lo mimo.

E%erando !ue ete tra?a4o ea del agrado del lector, aí tam?iNn como  %arte de u a%rendi2a4e o re(or2amiento de lo !ue a continuaci)n e #er".

8olumna3

La columna e un elemento ometido %rinci%almente a com%rei)n, %or lo tanto el dieo et" ?aado en la (uer2a interna, con4untamente de?ido a la condicione %ro%ia de la columna, tam?iNn e diean %ara (lexi)n de tal (orma !ue la com?inaci)n aí generada e denomina (lexocom%rei)n.

Segn el uo actual de la columna como elemento de un %)rtico, no

neceariamente e un elemento recto #ertical, ino e el elemento donde la com%rei)n e el %rinci%al (actor !ue determina el com%ortamiento del

(10)

elemento. E %or ello !ue el %redimenionado de columna conite en determinar la dimenione !ue ean ca%ace de reitir la com%rei)n !ue e a%lica o?re el elemento aí como una (lexi)n !ue a%arece en el dieo de?ido a di#ero (actore. 8a?e detacar !ue la reitencia de la columna diminu'e de?ido a e(ecto de geometría, lo cuale in(lu'en en el ti%o de (alla. La columna en ete tra?a4o la di#idiremo en3

+.1.1 8olumna Larga3

Se dice una columna larga cuando u longitud e ma'or de 1- #ece la menor dimeni)n tran#eral ' u e?elte2 mec"nica e ma'or igual a 1--. +.1.+ 8olumna /ntermedia3

Se dice una columna larga cuando u longitud e ma'or a 1- #ece la

menor dimeni)n tran#eral ' u e?elte2 mec"nica e encuentre entre I-' 1--.

En alguno cao la columna corta tam?iNn (orman %arte de eta

clai(icaci)n 6e dice columna corta cuando no cum%le !ue u longitud e ma'or a 1- #ece la menor dimeni)n tran#eral.La di(erencia entre lo tre gru%o #ienen determinada %or u com%ortamiento, la columna larga e rom%en %or %andeo o (lexi)n lateral la intermedia, %or una com?inaci)n de a%latamiento ' %andeo, ' la columna corta, %or a%latamiento.

+.+ 8om%ortamientoentro de lo re!uiito (undamentale de una etructura o elemento

etructural et"n3 e!uili?rio, reitencia, (uncionalidad ' eta?ilidad. En una columna e %uede llegar a una condici)n ineta?le ante de alcan2ar la

de(ormaci)n m"xima %ermitida o el e(uer2o m"ximo. El (en)meno de

ineta?ilidad e re(iere al %andeo lateral, el cual e una de(lexi)n !ue ocurre en la columna 6#Nae igura I cuando a%arece incrementa el momento (lector a%licado o?re el elemento, el aumento de la de(lexi)n agranda la magnitud del momento (lector, creciendo aí la cur#atura de la columna ;ata la (alla ete cao e conidera ineta?le. Por ello la reitencia de la columna ometida a com%rei)n tiene do límite, el de reitencia %ara columna corta ' el de eta?ilidad %ara columna larga 6#Nae igura 1. La eta?ilidad e aí el nue#o %ar"metro !ue de(ine adem" de la

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+.I 8arga crítica

La de(ormaci)n de la columna #aría egn cierta magnitude de carga,  %ara #alore de P ?a4o e acorta la columna, al aumentar la magnitud cea

el acortamiento ' a%arece la de(lexi)n lateral. Exite una carga límite !ue e%ara eto do ti%o de con(iguracione ' e conoce como carga crítica Pcr

Lo (actore !ue in(lu'en en la magnitud de la carga crítica on la longitud de la columna, la condicione de lo extremo ' la ecci)n tran#eral de la columna. Eto (actore e con4ugan en la relaci)n de e?elte2 o

coe(iciente de e?elte2, el cual e el %ar"metro !ue mide la reitencia de la columna. e eta (orma %ara aumentar la reitencia de la columna e de?e  ?ucar la ecci)n !ue tenga el radio de giro m" grande %oi?le, o una

longitud !ue ea menor, 'a !ue de am?a (orma e reduce la e?elte2 ' aumenta el e(uer2o crítico.

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+.0 Excentricidad

8uando la carga no e a%lica directamente en el centroide de la columna, e dice !ue la carga e excNntrica ' genera un momento adicional !ue

diminu'e la reitencia del elemento, de igual (orma, al a%arecer un

momento en lo extremo de la columna de?ido a #ario (actore, ;ace !ue la carga no acte en el centroide de la columna 6#Nae igura 0. Eta

relaci)n del momento re%ecto a la carga axial e %uede ex%rear en unidade de ditancia egn la %ro%iedad del momentoI, la ditancia e denomina excentricidad. 8uando la excentricidad e %e!uea la (lexi)n e de%recia?le ' cuando la excentricidad e grande aumenta lo e(ecto de (lexi)n o?re la columna.

+.$ Longitude(ecti#a

La longitud e(ecti#a com?ina la longitud real con el (actor de (i4aci)n de extremo Lt * L (ue deducida %ara el cao de una columna con extremo articulado, o li?re de girar. En otra %ala?ra. L en la ecuaci)n re%reenta la ditancia no o%ortada entre lo %unto con momento cero. Si la columna !ue o%ortada en otra (orma, la ()rmula de Euler e %uede uar %ara

determinar la carga crítica, iem%re !ue VLW re%reente la ditancia entre  %unto con momento cero. A eta ditancia e le llama longitud e(ecti#a de

la columna, Le. E o?#io !ue %ara una columna con extremo, %ero en (igura 6$d. Para la columna con un extremo (i4o ' uno em%otrado !ue e anali2) arri?a, e encontr) !ue la cur#a de de(lexi)n (ue la mitad de la de una columna con u extremo articulado, cu'a longitude +L ' aí

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Para calcular la longitud e(ecti#a e uaran la iguiente relacione3 . 8olumna con extremo de %aador3 Le*L* 1.-6L * L

. 8olumna con extremo (i4o3 Le*L * -,C$6L . 8olumna con extremo li?re3 L,*L * +.1-6L

. 8olumna con %aadore (i4o ' el otro (i4o3 L,*L*-.-6L

)rmula de Euler %ara columna larga o mu' e?elta

La ()rmula de Euler e #"lida olamente %ara columna larga ' calcula lo !ue e conoce como Xcarga critica de %andeoX, eta e la ltima carga !ue  %uede o%ortar %or columna larga, e decir, la carga %reente en el

intante del cola%o.La columna articulada en u extremo, inicialmente recta ;omogNnea, de ecci)n tran#eral contante en toda u longitud e com%orta el"ticamente.

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Referencias

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