La fuerza axial se refiere a una carga cuya línea de acción corre a lo largo de una estructura o perpendicular a la sección transversal de la estructura. Además, la línea de fuerza pasa por el centro de gravedad de la sección transversal del miembro.
Cuando esta carga tiende a comprimir el miembro a lo largo de su línea de acción, es una carga de compresión axial y por convención tiene signo negativo. Mientras que si la carga extiende el miembro a lo largo de su línea de acción, es una carga de tracción axial, con signo positivo.
En este post, comprenderás el cálculo y la fórmula de la fuerza axial, cómo leer su interpretación mediante su diagrama de fuerza y su comportamiento frente a otros tipos de fuerzas.
Cálculo y fórmula
Cuando se trata de carga axial en un miembro, los tres parámetros clave para realizar los cálculos son la fuerza axial, la tensión axial y el área de la sección transversal. Entonces, para el área, lo que interesa es la forma del miembro perpendicular a la dirección de la fuerza.
En general, las formas circulares o cuadriláteras son los miembros de carga más comunes. Aunque existen secciones transversales triangulares y otras formas para estructuras de ingeniería. Para la fuerza axial, las direcciones de las cargas individuales sobre el miembro se suman para encontrar la magnitud y la dirección de la fuerza resultante.
Por ejemplo, el diagrama anterior muestra tres fuerzas axiales que actúan sobre una viga en voladizo en los puntos B, C y D. Entonces, considerando el impacto de las fuerzas en el voladizo, la fuerza en D (F D ) es una fuerza de compresión. Mientras que las de los puntos B (F B ) y C (F C ) son fuerzas de tracción. Así, la expresión para obtener el esfuerzo axial resultante sobre la viga (ƩF) es la siguiente:
Por lo tanto, usando los valores del diagrama, la fuerza resultante es de 5 kN. Como resultado, es un valor positivo, por lo que es una fuerza de tracción axial. Por lo tanto, para que esta estructura permanezca en equilibrio, la reacción en el punto ‘A’ debe ser equivalente a esta fuerza resultante. Estos dos parámetros, la fuerza resultante (ƩF) y el área de la sección transversal (A), se pueden relacionar con la tensión (σ) en el voladizo de la siguiente manera:
¿Cómo leer un diagrama de fuerza axial?
Un diagrama de fuerza axial es una representación gráfica de la fuerza axial a lo largo de un elemento con una escala y una convención de signos apropiadas. Generalmente, el eje x representa la longitud del miembro, mientras que el eje y cuantifica la magnitud de la fuerza en cada punto a lo largo de la estructura. Para entender cómo leer este diagrama, es importante saber cómo dibujarlo, como se destaca en los pasos a continuación.
Pasos para dibujar un diagrama de fuerza axial
- Primero, dibuje un diagrama de cuerpo libre de la estructura.
- Luego, para asegurar la uniformidad entre el diagrama de cuerpo libre y el diagrama de fuerza, coloque líneas verticales en cada punto donde haya un cambio de carga a lo largo del miembro.
- Después de eso, dibuje un eje horizontal que represente la longitud del miembro y la línea cero de la fuerza.
- Posteriormente, seleccione una escala apropiada para cada eje y la convención de signos para el eje y. En general, los valores positivos del eje y indican cargas de tracción, mientras que los valores negativos del eje y indican cargas de compresión.
- Si hay un extremo libre, comience a dibujar el diagrama de fuerza a partir de él. Porque esto ayuda a evaluar los valores de reacción en cualquier extremo fijo y puede exponer errores en cualquier cálculo anterior.
- Al dibujar, una línea recta horizontal representa la magnitud de la fuerza axial a lo largo de esa sección del miembro. Luego, en cada punto de carga, que indican las líneas verticales, muévase hacia arriba para una carga de tracción o hacia abajo para cargas de compresión. Si la carga es una carga concentrada, entonces el cambio es abrupto, con una línea vertical que lo indica. Mientras que para una carga distribuida, el cambio es gradual, con una línea diagonal que lo indica.
- Finalmente, como verificación para confirmar que el diagrama de fuerza es correcto, la magnitud de la fuerza siempre debe comenzar desde cero y terminar en cero.
El diagrama de fuerza axial de la viga en voladizo de la sección anterior sirve como ejemplo para entender mejor este concepto.
Entonces, del diagrama de fuerza axial en el voladizo anterior, la magnitud de la fuerza comienza desde 0 kN en el extremo libre del lado derecho y llega a -7 kN. Esto indica una carga de compresión en el punto ‘D’. Luego, en el punto ‘C’, la carga de tracción de 4 kN provoca un movimiento hacia arriba de cuatro lugares a -3 kN.
Otra carga de tracción de 8 kN en el punto ‘B’ lleva el valor de la fuerza a 5 kN en el diagrama. Finalmente, la fuerza de compresión de 5 kN de la reacción a la izquierda del voladizo lleva el valor total de la fuerza a 0 kN. Por lo tanto, el diagrama es exacto y el miembro está en equilibrio.
Comportamiento de la fuerza axial frente a otras fuerzas
Generalmente, es de conocimiento común que los efectos de las fuerzas axiales sobre una estructura son compresión y tensión. Además, existen otros tipos de fuerzas que provocan una variedad de cargas sobre un miembro. Las siguientes secciones revisan algunas de estas fuerzas y las comparan.
Fuerza axial vs Fuerza cortante
| Fuerza axial | Fuerza cortante |
| Con respecto al eje del miembro, una fuerza axial actúa paralela a su eje longitudinal. | La fuerza cortante actúa perpendicular al eje longitudinal del elemento. |
| Su efecto resultante es el esfuerzo de tracción y compresión. | Las fuerzas cortantes empujan una parte de un miembro en una dirección y la otra parte en la dirección opuesta. Conduce a desgarros o empalmes. |
| La dirección de la fuerza es perpendicular al área que la resiste. | En el caso de una fuerza cortante, el área que la resiste es paralela a su dirección. |
Fuerza axial vs Fuerza cortante
La fuerza normal es la reacción del suelo o de la superficie debido al contacto entre dos superficies. A menudo, las fuerzas axiales y normales se juzgan erróneamente como iguales. Sin embargo, hay un par de diferencias entre ellos.
| Fuerza axial | Fuerza normal |
| Actúa paralelo al eje longitudinal de un miembro. | Es una fuerza de reacción que actúa perpendicularmente a la superficie de contacto. |
| Da como resultado solo tensión o compresión. | La fuerza normal es sólo de compresión. |
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