TEMA 4.3. CLASIFICACIÓN DE COLUMNAS.
Una columna es un elemento axial sometido a compresión, lo bastante
delgado respecto de su longitud, pero que bajo la acción de una carga
gradualmente creciente se rompa por flexión lateral o pandeo ante una carga
mucho menor que la necesaria para romperlo por aplastamiento. Esto se
diferencia de un poste corto sometido a compresión, el cual, aunque esté
cargado excéntricamente, experimenta una flexión lateral despreciable.
Aunque no existe un límite perfectamente definido entre elemento corto y
columna, se suele considerar que un elemento a compresión es una columna si
su longitud es más de diez veces su dimensión transversal menor o área o
grosor de la misma. Las columnas se suelen dividir en dos grupos: Largas e
intermedias. A veces, los elementos cortos a compresión se consideran como
un tercer grupo de las columnas. Las diferencias entre los tres grupos
vienen determinadas por su comportamiento. Las columnas largas se rompen
por pandeo o flexión lateral; las intermedias, por una combinación de
aplastamiento y pandeo, y los postes cortos, por aplastamiento. Examinemos
ahora estas diferencias.
Una columna ideal es un elemento homogéneo, de sección recta
constante, inicialmente perpendicular al eje, y sometido a compresión. Sin
embargo, las columnas suelen tener siempre pequeñas imperfecciones de
material y fabricación, así como una inevitable excentricidad accidental en
la aplicación de la carga. Todo esto se representa muy exageradamente en la
figura siguiente:
La curvatura inicial de la columna, junto con la posición de la
carga, dan lugar a una excentricidad indeterminada e, con respecto al
centro de gravedad, en una sección cualquiera m-n. El estado de carga en
esta sección es similar al de un poste corto similar cargado
excéntricamente, y el esfuerzo resultante está producido por la
superposición del esfuerzo directo de compresión y el esfuerzo de flexión
(o mejor dicho, por flexión). Si la excentricidad es pequeña y el elemento
es corto, la flexión lateral es despreciable, y el esfuerzo de flexión es
insignificante comparado con el esfuerzo de compresión directo. Sin
embargo, en un elemento largo, que es mucho más flexible ya que las
deflexiones son proporcionales al cubo de la longitud (l3), con un valor
relativamente pequeño de la carga P puede producirse un esfuerzo de flexión
grande acompañado de un esfuerzo directo de compresión despreciable. Así,
pues, en las dos situaciones extremas, una columna corta soporta
fundamentalmente el esfuerzo directo de compresión, y una columna larga
está sometida principalmente al esfuerzo de flexión. Cuando aumenta la
longitud de una columna disminuye la importancia y los efectos del esfuerzo
directo de compresión y aumenta correlativamente los del esfuerzo de
flexión. Por desgracia, en la zona intermedia no es posible determinar
exactamente la forma en que varían estos dos tipos de esfuerzos, o la
proporción con la que cada una contribuye al esfuerzo total.
No se ha dado, hasta aquí, criterio alguno de diferenciación entre
columnas largas e intermedias, excepto en su forma de trabajar, es decir la
columna larga está sometida esencialmente a esfuerzos de flexión y la
intermedia lo está a esfuerzos de flexión y compresión directa. La
distinción entre ambos tipos de acuerdo con su longitud sólo puede
comprenderse después de haber estudiado las columnas largas.
Las columnas representan el elemento vertical de soporte para la mayoría de
las
estructuras a base de marcos. Para analizar la capacidad de carga de las
columnas
se deben referirse al conjunto al que pertenecen y al sistema en el que
trabajan; es
decir, a las características generales del edificio en términos de la forma
en que se
encuentran definidas las partes integrantes o marcos, que son estructuras
reticulares
que contienen un cierto número de claros para una serie de niveles o
entrepisos.
La columna clásica se compone de tres partes:
-La base: protege a la columna de los golpes que podrían deteriorarla, al
mismo tiempo que da una superficie de sustentación mayor.
-El fuste.
-El capitel: es necesario para proporcionar un asiento capaz de recibir
mejor
el entabla miento.
Las columnas tradicionales se distinguen por su construcción.
-La columna construida en una sola pieza de material se llama monolítica;
cuando
está formada por una superposición de discos, cuya altura es superior
diámetro
se llama en trozos, y de tabores si la altura es inferior. Si el interior
de la columna
es hueco y contiene una escalera de caracol se llama cóclida.
-En su forma más simple, las columnas son barras prismáticas, rectas y
largas,
sujetas a cargas axiales de compresión.
Atendiendo a su disposición en relación
con otros componentes de un edificio, pueden distinguirse estos tipos de
columnas:
-Columna aislada o exenta: La que se encuentra separada de un muro o
cualquier elemento vertical de la edificación.
-Columna adosada: La que está yuxtapuesta a un muro u otro elemento de
la edificación.
-Columna embebida: La que aparenta estar parcialmente incrustada en el
muro u otro cuerpo de la construcción.
En el año 1757, el gran matemático suizo Leonhard Euler realizó un
análisis teórico de la carga crítica para columnas esbeltas basado en la
ecuación diferencial de la elástica: = M. Ahora se sabe que éste
análisis solamente es válido hasta que los esfuerzos alcanzan el límite de
proporcionalidad. En tiempos de Euler no se habían establecido los
conceptos de esfuerzo, ni de límite de proporcionalidad, por lo que el no
tuvo en cuenta la existencia de un límite superior a la carga crítica.
La ecuación de la fórmula de Euler para el análisis de columnas es:
Donde P = Carga crítica en Newtons (N)
E = Esfuerzo en Newtons/m2 ó Pascales (Pa)
L = Altura o longitud de la columna en metros (m)
-----------------------
m
n
P
Excentricidad accidental o evitable
Eje real con curvatura inicial (muy exagerada)
e= excentricidad de P en una sección m-n
Línea eje perfectamente recta
P
Factores que intervienen en la excentricidad de las cargas en las columnas
