Carga axial y fuerza axial en el análisis estructural

¿Qué es la carga axial?

Una carga axial es una fuerza externa aplicada a lo largo del eje longitudinal de un elemento estructural. Cuando la carga actúa a través del centro de gravedad de la sección transversal, produce principalmente tracción o compresión axial. Si la carga se aplica de forma excéntrica, el elemento queda sometido a una combinación de fuerza axial y flexión.

La fuerza actúa en paralelo al eje del elemento. En un caso ideal, la carga pasa por el centro de gravedad de la sección transversal, lo que produce una respuesta axial uniforme.

En función de su dirección, una carga axial puede provocar:

• Tensión, que tira y alarga el elemento
• Compresión, que ejerce presión y acorta el miembro

Por ejemplo, una barra de suspensión que soporta una carga suspendida está sometida a una carga axial de tracción, mientras que un pilar de un edificio que soporta cargas gravitatorias sufre principalmente una carga axial de compresión.

Las cargas axiales son habituales en numerosas aplicaciones estructurales, entre las que se incluyen columnas, tirantes, elementos de cerchas, tirantes de unión, cables, pernos y estructuras de elevación.

¿Qué es la fuerza axial?

La fuerza axial es la fuerza interna que se genera como consecuencia de las cargas aplicadas, las reacciones de los apoyos, los desplazamientos impuestos, los efectos de la temperatura, la reestresación, las restricciones y la transferencia de cargas a través de los elementos conectados. A diferencia de una carga aplicada, que actúa sobre la estructura desde el exterior, la fuerza axial es la fuerza interna normal resultante que actúa a lo largo de la sección transversal de un elemento y que es necesaria para satisfacer equilibrio. Actúa a lo largo del eje longitudinal del elemento y tiende a estirar el elemento (tensión) o a acortarlo (compresión).

En mecánica, estas acciones internas incluyen las fuerzas normales (axiales) y fuerzas de cizallamiento, momentos flectores, y momentos de torsión. La fuerza axial, también conocida como fuerza normal, actúa a lo largo del elemento hasta la sección transversal examinada y es la responsable del comportamiento a tracción o a compresión.

La fuerza axial es la fuerza interna que se desarrolla en un elemento estructural para resistir una carga aplicada desde el exterior. Actúa a lo largo del eje longitudinal del elemento y puede presentarse de dos formas:

• Fuerza axial de tracción (positiva): el elemento está sometido a tracción.
• Fuerza axial de compresión (negativa): el elemento se está acortando.

La magnitud y el signo de la fuerza axial dependen del equilibrio del elemento y de las cargas que actúan sobre él. A diferencia de la carga axial, que es una acción externa aplicada a una estructura, la fuerza axial representa la fuerza interna que existe dentro del propio elemento.

Imagen: Ilustración de la fuerza axial

En el software de análisis estructural y de análisis por elementos finitos, la fuerza axial se suele representar mediante N. Normalmente se presenta como un resultado interno para elementos de viga, pórtico o celosía, y puede representarse en tablas de fuerzas o en diagramas de fuerzas axiales. Dependiendo de la convención de signos adoptada, los valores positivos suelen indicar tracción y los valores negativos, compresión.

Carga axial frente a fuerza axial: diferencia clave

Una carga axial es una acción externa que se aplica a una estructura, mientras que la fuerza axial es la respuesta interna que se genera en un elemento para resistir dicha carga. El valor final de la fuerza axial depende no solo de la propia carga aplicada, sino también de las condiciones de apoyo, las restricciones y el comportamiento de todo el sistema estructural.

Tensión y compresión bajo carga axial

Cuando un elemento estructural se ve sometido a una carga axial, la respuesta interna se manifiesta como una fuerza axial (normal), que puede actuar tanto en tracción como en compresión, dependiendo de la dirección de la carga y de las condiciones de contorno.

A de tracción La fuerza axial se produce cuando la fuerza interna tiende a alargar el elemento. Las fibras del material se separan y el elemento se ve sometido a un estiramiento a lo largo de su eje longitudinal.

A compresivo La fuerza axial se produce cuando la fuerza interna tiende a acortar el elemento. Las fibras del material se comprimen entre sí y el elemento resiste el acortamiento a lo largo de su eje.

El signo asignado a las fuerzas de tracción y compresión depende de la convención adoptada. Según la convención de signos utilizada en este ejemplo, la tracción es positiva y la compresión es negativa. Los programas de análisis pueden emplear una convención diferente, especialmente en el caso de las fuerzas en los extremos de los elementos y los resultados de las fuerzas internas; por lo tanto, los ingenieros deben verificar siempre la documentación del solucionador y la orientación de los ejes locales de los elementos antes de interpretar los resultados.

Tanto las fuerzas de tracción como las de compresión son importantes desde el punto de vista estructural, pero pueden dar lugar a diferentes mecanismos de fallo. Los elementos sometidos a tracción suelen fallar cuando el material alcanza su límite de resistencia. Por ejemplo, los pernos y las tirantes pueden fallar bajo una carga de tracción excesiva porque no pueden pandease. Los elementos sometidos a compresión, por su parte, pueden fallar bien por aplastamiento del material, bien por pandeo inestabilidad. Las columnas y los tirantes delgados son especialmente sensibles, ya que pequeñas imperfecciones o excentricidades en la carga pueden provocar que el elemento pierda estabilidad y se pande antes de alcanzar la resistencia máxima del material.

Tensión axial media y su relación con la fuerza axial

La relación entre la tensión axial y la fuerza axial se utiliza habitualmente para estimar el comportamiento de los elementos sometidos a una carga axial pura. En el caso de un elemento prismático simple con sección transversal uniforme, la tensión axial puede calcularse de la siguiente manera:

σ = F / A

donde:

• σ = tensión axial
• F F = fuerza axial
• A a = área de la sección transversal

La ecuación también puede reescribirse para determinar la fuerza axial:

\( N = \sigma_{\text{avg}} A \)

Estas ecuaciones parten de la hipótesis de que la tensión se distribuye uniformemente a lo largo de la sección transversal y de que el elemento está sometido a una carga axial concéntrica. Proporcionan la tensión normal media en un elemento simple y se utilizan ampliamente en la mecánica de materiales. Sin embargo, no determinan la distribución de la fuerza axial en estructuras generales, cerchas o modelos de análisis por elementos finitos, en los que las fuerzas internas se obtienen mediante ecuaciones de equilibrio y análisis estructural.

Ejemplos de carga axial y fuerza axial en estructuras

Entre los ejemplos más comunes se incluyen:

• Pilar sometido a carga vertical – Las columnas soportan principalmente fuerzas axiales de compresión generadas por las cargas gravitatorias transmitidas desde las vigas, los forjados u otros elementos estructurales.
• Tirante en un marco – Los tirantes estructurales resisten acciones laterales, como el viento o las cargas sísmicas, y pueden soportar fuerzas axiales de tracción o compresión, dependiendo de la dirección de la carga.
• Elemento de una estructura de vigas – En teoría, los elementos de las vigas en celosía solo soportan tracción o compresión axial. En la práctica, también puede producirse una flexión secundaria debido a los detalles de las uniones, al peso propio de los elementos, a las excentricidades o a las cargas aplicadas entre las uniones.
• Viga-columna sometida a fuerza axial y flexión – En las estructuras reales, los elementos suelen soportar cargas combinadas. Una viga-columna puede sufrir una fuerza axial junto con momentos flectores, lo que da lugar a una distribución de tensiones más compleja.
• Estructuras para equipos de elevación, de alta mar y de gran tonelaje – Las grúas, los bastidores de elevación, los módulos marinos y otros sistemas similares suelen contener elementos sometidos a cargas axiales importantes. En estas aplicaciones, la fuerza axial se evalúa habitualmente junto con los efectos dinámicos, los requisitos de estabilidad y las comprobaciones de diseño basadas en la normativa.

Cómo interpretar un diagrama de fuerzas axiales

Un diagrama de fuerzas axiales muestra cómo varía la fuerza axial interna a lo largo de un elemento estructural, como una viga, un pilar, un cable o un elemento de cercha.

Lo que muestra el diagrama

El eje horizontal representa la posición a lo largo del elemento, y el eje vertical representa la fuerza axial interna correspondiente. El diagrama ilustra cómo varía la fuerza axial de una sección transversal a otra.

Fuerza axial positiva y negativa

El signo de la fuerza indica el tipo de carga:

• Valores positivos → fuerza axial de tracción
• Valores negativos → fuerza axial de compresión

La convención exacta puede variar en función del software o de la norma de diseño que se utilice.

Zonas de fuerza axial constante

En el caso de un elemento recto unidimensional, la fuerza axial se mantiene constante entre dos puntos si no existe ninguna carga axial distribuida ni ninguna otra transferencia de fuerza axial a lo largo de ese segmento. Estas regiones aparecen como segmentos horizontales en el diagrama.

Variaciones en las cargas aplicadas y en los apoyos

Los cambios bruscos en el diagrama se producen en los puntos en los que las cargas concentradas o las reacciones de los apoyos introducen una componente de fuerza axial. La magnitud del salto es igual a la componente de la fuerza aplicada que actúa a lo largo del eje local del elemento.

Ejemplo sencillo

Consideremos una barra recta fijada por un extremo y sometida a dos cargas puntuales axiales de 20 kN y 10 kN que actúa a lo largo de su eje. En condiciones de equilibrio, la reacción del soporte es 30 kN.

Para calcular la fuerza axial, realice cortes transversales entre las cargas y aplique las ecuaciones de equilibrio a cada segmento:

• Segmento 1 (soporte a la primera carga): N = 30 kN
• Segmento 2 (entre las cargas): N = 10 kN
• Segmento 3 (más allá de la segunda carga): N = 0 kN

Este resultado por tramos puede utilizarse a continuación para trazar el diagrama de fuerzas axiales. El diagrama consta de tres regiones de fuerza constante separadas por saltos bruscos en los puntos de aplicación de la carga. Cada salto es igual a la magnitud de la carga puntual axial correspondiente.

Si el primer segmento tiene una sección transversal de 1.000 mm², la tensión axial media es:

σ = N/A = 30 000 N / 1 000 mm² = 30 MPa

Imagen: Ejemplo de diagrama de fuerzas axiales con reacciones de apoyo y cálculo de tensiones

Este ejemplo de diagrama de fuerzas axiales muestra cómo se utilizan conjuntamente las reacciones de los apoyos, los cortes transversales, las ecuaciones de equilibrio y la fórmula de la tensión axial para determinar las fuerzas internas en un elemento sometido a una carga axial.

Carga axial y fuerza axial en el análisis por elementos finitos (FEA)

En Análisis de elementos finitos (FEA), la fuerza axial es un resultado estándar que se obtiene para los elementos de viga, celosía y estructura. Sin embargo, la interpretación de los resultados de la fuerza axial requiere algo más que la simple lectura de un único valor en el posprocesador.

Al analizar la fuerza axial en el análisis por elementos finitos (FEA), los ingenieros deben tener en cuenta lo siguiente:

• Casos de carga, combinaciones de cargay envolventes, que pueden dar lugar a diferentes fuerzas axiales determinantes
• Tipo de elemento y formulación (viga, celosía, elementos no lineales, etc.)
• Orientación del sistema de coordenadas local, ya que la fuerza axial se define a lo largo del eje local del elemento
• Convención de signos y definiciones de las fuerzas en los extremos de los elementos, que pueden variar según el solucionador
• Ubicación o estación del resultado a lo largo del elemento en el que se registra la fuerza
• Supuestos del análisis lineal frente a los del análisis no lineal
• Comportamiento de los elementos sometidos únicamente a tracción o únicamente a compresión, cuando proceda

La fuerza axial también debe evaluarse junto con los momentos flectores, las fuerzas de corte, los efectos de pandeo y las comprobaciones de resistencia basadas en la normativa. Por sí sola, la fuerza axial rara vez proporciona información suficiente para la verificación estructural, especialmente en elementos en los que la carga combinada determina el diseño.

El valor final de la fuerza axial depende no solo de las cargas individuales incluidas en una combinación de cargas, sino también de los coeficientes de carga aplicados a cada caso de carga. En consecuencia, diferentes combinaciones y envolventes pueden dar lugar a fuerzas axiales determinantes significativamente diferentes en un mismo elemento.

Un aspecto fundamental en la interpretación del análisis por elementos finitos (FEA) es la elección de los en el análisis por elementos finitos. En el caso de los elementos unidimensionales (vigas, marcos, barras y cerchas), la fuerza axial suele indicarse a lo largo del eje local longitudinal del elemento, que puede designarse como «local x», «local 1» u otro eje específico del solucionador. Una interpretación errónea de la orientación del eje local o de la convención de signos puede dar lugar a conclusiones incorrectas sobre si un elemento se encuentra en tensión o en compresión.

En el caso de los elementos de cáscara y sólidos, no suele disponerse de un único resultado de fuerza axial a nivel de elemento. En su lugar, los ingenieros suelen evaluar las tensiones, las resultantes de las fuerzas de membrana, las fuerzas seccionales o las fuerzas integradas a lo largo de un corte transversal para valorar los efectos de la carga axial.

La fuerza axial también debe evaluarse junto con:

• momentos flectores
• fuerzas de cizallamiento
• efectos de estabilidad, como el pandeo
• comprobaciones de resistencia basadas en códigos

Por sí sola, la fuerza axial no proporciona información suficiente para la verificación estructural, especialmente en elementos en los que el diseño viene determinado por la carga combinada.

Por este motivo, muchos equipos de ingeniería utilizan software de análisis y diseño estructural SDC Verifier. Este software ayuda a los ingenieros a utilizar los resultados del análisis por elementos finitos (FEA) en un flujo de trabajo de verificación estructurado. Es capaz de reconocer detalles estructurales, organizar casos de carga y combinaciones, realizar comprobaciones de resistencia y estabilidad basadas en la normativa, y generar informes que se actualizan al mismo tiempo que el modelo de cálculo.

Carga axial frente a carga radial

La diferencia entre las cargas axiales y las radiales radica en la dirección en la que se aplica la fuerza con respecto al eje del elemento o componente.

Imagen: Cargas axiales y radiales que actúan sobre un rodamiento

Errores habituales al interpretar la fuerza axial

Centrarse únicamente en un valor de fuerza axial sin tener en cuenta el contexto estructural más amplio puede llevar a conclusiones de ingeniería erróneas.

Entre los errores más comunes se encuentran:

• Confundir la carga aplicada con la fuerza interna – Una carga axial es una acción externa, mientras que la fuerza axial es la respuesta interna que se desarrolla en el elemento.
• Sin tener en cuenta las convenciones de signos – La tensión y la compresión se identifican mediante convenciones de signos, que pueden variar entre los distintos programas de análisis y las normas de diseño.
• Comprobación de la tensión axial sin tener en cuenta los cálculos de pandeo – Un elemento sometido a compresión puede fallar debido a la inestabilidad mucho antes de que se alcance el límite de resistencia del material.
• Sin tener en cuenta la fuerza axial y la flexión combinadas – Muchos elementos estructurales se comportan como vigas-pilares, en los que la interacción entre la fuerza axial y los momentos flectores determina el cálculo.
• Leer la orientación global en lugar del eje del miembro local – En los modelos de análisis por elementos finitos (FEA), la fuerza axial suele expresarse en el sistema de coordenadas local del elemento. Una interpretación errónea de las direcciones locales y globales puede dar lugar a una evaluación incorrecta de la tracción y la compresión.
• Evaluación de un único caso de carga en lugar de combinaciones de cargas o envolventes – La fuerza axial crítica suele producirse bajo una combinación de cargas específica, más que bajo un caso de carga individual.
• Tratar todos los tipos de elementos por igual – El resultado de la fuerza axial calculado para elementos de viga o de celosía no es directamente equivalente a la tensión obtenida a partir de elementos de caparazón o sólidos. La magnitud del resultado adecuada depende de la formulación del elemento y del método de verificación seleccionado.

PREGUNTAS FRECUENTES

¿Qué es la carga axial?

Una carga axial es una fuerza que se aplica en paralelo al eje longitudinal de un elemento. Dependiendo de su dirección, somete al elemento a tracción o a compresión.

¿Qué es la fuerza axial?

La fuerza axial es la fuerza interna que actúa a lo largo del eje de un elemento como respuesta a una carga externa. Representa la tensión o la compresión que se desarrolla en el interior del elemento.

¿Son lo mismo la carga axial y la fuerza axial?

Una carga axial se refiere a una acción externa aplicada a lo largo del eje de un elemento, mientras que la fuerza axial se refiere a la fuerza interna que se desarrolla en el interior del elemento. Estos términos se utilizan a veces indistintamente en contextos menos formales, pero describen funciones diferentes en el análisis estructural.

¿Cómo se calcula la fuerza axial?

No existe una fórmula universal única para calcular la fuerza axial en una estructura completa. La fuerza axial se determina normalmente a partir de ecuaciones de equilibrio o del análisis estructural. En el caso de un elemento simple con una tensión normal media conocida, la relación es la siguiente:

\( F = \sigma_{\text{avg}} A \)

donde F es la fuerza axial, σ es la tensión axial, y A es el área de la sección transversal.

¿Qué muestra un diagrama de fuerzas axiales?

Un diagrama de fuerzas axiales muestra cómo varía la fuerza axial interna a lo largo de la posición de un elemento. Ayuda a identificar las zonas sometidas a tracción o compresión y a localizar los valores críticos de la fuerza.

¿La tensión es positiva o negativa?

La convención de signos depende de la norma o del software que se utilice. En muchas aplicaciones de ingeniería, la tracción se considera positiva y la compresión, negativa, aunque también puede utilizarse la convención opuesta.

¿Cuál es la diferencia entre una carga axial y una carga radial?

Una carga axial actúa en paralelo al eje de un elemento o componente y produce tracción o compresión. Una carga radial actúa perpendicularmente al eje y, por lo general, genera fuerzas transversales y efectos de flexión.