Perdida de Estabilidad
Perdida de Estabilidad
Perdida de Estabilidad
Resulta evidente de que para se cumpla la no linealidad po r el material, las tensiones “σ”a
las que esté sometido, tendrán que sobre pasar el límite elástico y arribar a la zona de
fluencia. Se tomó este ejemplo para destacar que en muchas ocasiones la no linealidad del
elemento, depende de las tensiones a las que esté sometido. Para concluir se destaca que el
fenómeno de la Perdida de Estabilidad en las barras, es un fenómeno No Lineal por la
geometría del elemento.
7.3.1. Generalidades
Este fenómeno es uno de los que con profundidad debe ser estudiado por el futuro
proyectista estructural, pues su aparición muchas veces adopta formas sutiles, por lo que se
debe estar bien preparado para su identificación y prevención. La historia ha demostrado
que muchos fallos estructurales son debidos a la pérdida de estabilidad zonas de la
estructura o de algunos de sus elementos.
Ella siempre retorna a su posición inicial aunque haya sido perturbado su equilibrio por la
acción de determinada fuerza “F”. Si comparamos esta situación con la barra solicitada por
una carga axial “P”, la misma también se encuentra en equilibrio estable, pues esta carga no
puede deformarla o sacarla de su posición inicial. Se dice entonces que: P < Pcrit .donde
Pcrit es el valor que toma P capaz de sacar de su equilibrio estable a la barra. Como
vemos en la propia Fig.-7.12 en su parte (b), la barra pasa al equilibrio indiferente cuando
P= Pcrit, la cual causa determinada deformación en la barra (y1), pero de esta no pasa.
Cuando P > Pcrit, la barra pasa al equilibrio indiferente y las deformaciones crecen sin cesar
hasta que la misma se colapsa. Por las consideraciones anteriores, la Pcrit, se considera muy
peligrosa para el diseño. Precisamente aprender a identificar el fenómeno de la pérdida de
estabilidad y la forma de determinar la Pcrit, constituyen el objetivo de esta sección.
317
Fig.-7.12
La definición dada de forma general en el epígrafe anterior, por supuesto que es válida en el
caso de barras de eje recto sometidas a cargas axiales compresivas. El fenómeno de la
pérdida de estabilidad o pandeo consiste en el paso del equilibrio estable de la barra
comprimida, al estado de equilibrio indiferente o al inestable según fue representado en la
Fig.-7.12 en sus partes (b) y (c). En esta oportunidad, la No Linealidad por la Geometría,
la origina la esbeltez de la barra la cual soportará mejor la acción de la carga axial
mientras menor sea esta esbeltez.
Un hecho significativo que comprobaremos más adelante consiste en que la flexión por el
pandeo se verifica en el sentido de la menor inercia de la sección transversal de la
barra.
En el caso de las barras de eje recto comprimidas axialmente, de acuerdo con la Fig.-7.12-
b, la Carga Crítica, o sea, la Pcrit, es aquella que es capaz de originar en la barra un
equilibrio indiferente. En otras palabras, que si estando solicitada axialmente, a la barra se
le carga transversalmente, alcanzará cierta desviación de su forma rectilínea inicial que
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Se insiste en destacar, que un pequeño incremento de la carga axial por encima de la crítica
va acompañado de grandes incrementos de las deformaciones y de las tensiones en la barra,
razón por la cual la Pcrit, se considera peligrosa.
Por la razón anterior, una vez calculada la Pcrit, la carga admisible por pandeo vendrá dada
por la expresión:
Tabla 7.1
Material ηe
Los Estáticos
Los Energéticos
En esta expresión (a), como ya conocemos, es la energía potencial acumulada por la barra
durante la flexión, y “∆” es el desplazamiento provocado por la propia Pcrit. Los momentos
flectores son funciones de “Z” que se suponen y deben cumplir con las condiciones de
borde de la viga.
Este método es aproximado pero sencillo, obteniéndose valores de la Pcrit algo más elevado
que los calculados por los métodos exactos.
Otro método exacto muy poderoso es el de los Parámetros de Origen que como veremos,
se usará en la Flexión Longitudinal y Transversal.
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7.3.5.1“Columna de Euler”
320
En la Fig.-7.14 se representa una viga simplemente apoyada solicitada por una carga axial
P. Supóngase que por cualquier causa, la barra fue desviada de su posición rectilínea,
Fig.-7.14
M = − Pcrit ·Y … (a)
Otra observación importante que hacer antes de continuar es que la barra se flexa según el
eje de menor inercia (en esta oportunidad es Ix de acuerdo con la Fig.7.14 −ver sec. 1-1 −)
Esta expresión es la Ecuación Diferencial de la Línea Elástica, la cual fue concebida para
pequeños desplazamientos. De esta forma, si sustituimos la expresión (a) en la (b) resulta:
Y” + k²Y = 0 … (e)
321
La expresión anterior es una Ecuación diferencial de segundo orden cuya solución se brinda
a continuación:
1a condición: Para: Z = 0, … Y = 0
2a condición: Para: Z = L, … Y = 0
B=0
0 = A·sen kL … (g)
En esta expresión (g), A ≠ 0 porque sería una solución trivial y absurda, significaría que no
habría pandeo, por lo tanto, la única posibilidad es que:
kL = 0 ± nπ … (i)
Y= A·sen(nπ/L)Z … (7.30)
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De acuerdo con la deformada de la viga durante el fenómeno del pandeo (ver la Fig.- 7.14),
el valor que toma “n” en la expresión (7.30) es la unidad y el valor máximo del
desplazamiento “Y” viene dado por el valor que tome “A”; claro que esto sucede para Z =
L/2.
Para la obtención de la Pcrit basta con darle el valor unitario a “n” en la expresión (j) e
introducir este valor de “k” en la expresión (d) y despejar entonces a la Pcrit. De esta forma
arribamos finalmente a la siguiente expresión:
Podemos obtener entonces la expresión de Euler para el cálculo de la Pcrit que tome en
consideración la deformada que pudiera tener la viga, al incluir en la expresión (7.31) el
factor “n”. En efecto, si comparamos la expresión (j) con la (d) para cualquier valor de “n”,
resulta
Observación:
La solución de la ecuación
diferencial presentada en (7.30),
es ambigua, pues no da
información de cuál es la
amplitud “A” conforme varíe la
carga “P” varíe. Además, para
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valores de “P” ubicados entre los de cargas críticas consecutivas, o sea, entre la primera y la
segunda cargas críticas, por ejemplo, sucede que no se cumple la expresión (i) pues kL ≠
nπ , lo cual trae como consecuencia que: Sen kL ≠ 0. Luego entonces por la condición de
borde planteada en (g), se tendría que: A = 0, lo cual contradice el hecho físico, pues
indicaría que la barra adopta la forma rectilínea si P > Pcrit lo cual contradice la mecánica
de la flexión que se produce.
:
1/ρ = Y”/[1 + (Y’)²]3/2
La expresión anterior no es válida para cuando la carga axial es mayor que la Pcrit pues
como se ha dicho, las deformaciones crecen con mucha rapidez cundo esto es así y
consecuentemente el ángulo de giro, o sea, la (Y’)² que habíamos despreciado. Sin
embargo, a los fines de poder calcular el valor de la Pcrit la expresión adoptada es la exacta.
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La expresión (7.31) de la Fórmula de Euler fue deducida para una barra simplemente
apoyada. Resulta entonces necesario obtener la expresión de Euler para diferentes
condiciones de apoyo de las barras. En la Fig.-7.16 se presenta a una columna en voladizo.
Observe que su deformada puede ser transformada en la deformada de una barra
simplemente apoyada si se sitúa un espejo en el empotramiento. De esta forma, podemos
plantear que para las barras empotradas y libres en su otro extremo, la expresión de la Pcrit
es como sigue:
Otro caso vendría dado por la columna que se representa en la Fig.-7.17, la cual está
biempotrada. En esta oportunidad el número de semiondas que tiene en su deformada es
dos, así pues, la zona central y la de sus extremos (considerados trabajando en conjunto),
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pierde la estabilidad de la misma forma que lo hace una barra simplemente apoyada de
longitud L/2. O sea:
Fig.-7.16
La Fórmula de Euler no siempre se puede aplicar. Esto se debe a que la misma fue deducida
a partir de la ecuación diferencial de la Línea Elástica, la cual considera que el material
cumple con la Ley de Hooke, o sea, que el fenómeno se desarrolla dentro de un régimen
Lineal y Elástico. De esta forma, si en la barra surgen tensiones mayores que la de
proporcionalidad, cuando se analice su estabilidad ante el pandeo, la Fórmula de Euler deja
de tener validez. Pero ¿Cómo proceder? Veamos:
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Fig.-7.17 Fig.-7.18
Imin/A = rmin²
Luego la expresión (a) se reduce a:
σcrit = π²E·rmin² /(μL)² = π²E· /(μL/ rmin)² … (b)
σcrit = π²E· /(μL/ rmin)² = π²E· /(λ)²
Donde:
de tener validez cuando la tensión crítica sobrepasa los límites de proporcionalidad. Luego
podemos aplicar la Fórmula de Euler si la Tensión Crítica en igual o menor a la
tensión de proporcionalidad del material constitutivo de la barra, o sea:
λ Lim = … (7.37)
Note que tanto λ Lim como λc son adimensionales, destacándose el hecho de que el valor de
λ Lim no depende de las dimensiones de la barra sino de las propiedades mecánicas del
material de que este formada la barra. Todo lo contrario sucede con λc, la cual si depende
de las dimensiones de la barra y no de las propiedades mecánicas del material.
Como ejemplo de λ Lim , se tiene la del acero ACT-3 cuya σp = 2 000 Kg/cm² y
E = 2,1·106 Kg/cm²
Sustituyendo en la 7.37:
λ Lim = = ≈ 100
λ Lim = 100
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Ejemplo 7.4
Calcular la carga crítica de la barra que se muestra en la La misma es de acero cuyo límite
de proporcionalidad es σp = 2 000 Kg/cm²
Datos:
Solución:
Comprobando si λc ≥ λ Lim
Sustituyendo en (a):
Cálculo de la Pcrit
Pcrit = 4731 Kg
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Ejemplo 7.5
Calcular la misma viga, pero suponiendo que está arriostrada en el punto medio siguiendo
la dirección del eje X. (Ver la Fig.-7.20)
Solución:
Como vemos en la Fig.-7.20, la viga tiene dos posibles planos de pandeo, uno de ellos flexa
a la barra de forma tal que sus secciones tienden a girar alrededor del eje “Y”, igual que en
el ejemplo anterior, con la diferencia de que en esta oportunidad, debido a la presencia
del arriostre # 1, se producen dos semiondas, por lo que al calcular la Pcrit usaremos: μ = ½,
― otra forma sería usando el coeficiente μ = 1 y tomando como longitud a la barra a L/2―
. En dependencia de la intensidad de la Pcrit , la flexión por el pandeo se puede producir en
un plano ortogonal al anterior y las secciones tender a girar alrededor del eje X en este caso.
Note que en esta segunda oportunidad, aunque la inercia que tendríamos que tomar es
mayor (Ix) que en la primera, la mayor longitud efectiva de pandeo es un factor que
contribuye a la aparición de la pérdida de estabilidad, por lo que deben considerarse ambas
posibilidades y tomar como Pcrit a la menor de las dos que se calculen. Resumiendo, hay
dos posibilidades de pandeo: Pandeo en el plano “XZ” y pandeo en el plano “YZ”.
Cálculo de λc
λc = μL/ rmin
Pcrit = 18,9 t
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Fig.-7.20
λc = μL/ rmin
Luego:λc = 1·950/9,22 = 103 > λ Lim = 100, (se usará fórmula de Euler)
Pcrit = 64,0 t
Pcrit = 18,9 t
330
Ejemplo 7.6
Fig.-7.21
Datos:
Solución:
Determinación de λc
λc = μL/ rmin
L = 200 cm
λc = 0,7·200/1,44 ≈ 100
Cálculo de la Pcrit
Pcrit = 55 t
Debemos notar que al incrementarse la temperatura hay dos fuerzas actuantes, una
que tiende a alargar la barra por el cambio de temperatura y la otra que impide este
alargamiento. Por esta razón podemos plantear que la suma de los desplazamientos
provocados por el cambio de temperatura y por la fuerza axial “N” son nulos, o sea:
∆L∆T = α·L·∆T
∆LN = NL/EA
Entonces:
∆L∆T + ∆LN = 0
O sea:
α·L·∆T = NL/EA
N = − 50,4 t
Conclusión:
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Fig.-7.23