Cálculo de la resistencia del tubo cuadrado y notas

Significado de Tubo Cuadrado

Como su nombre indica, un tubo cuadrado es un tubo de acero con una sección transversal cuadrada. Se trata de un tubo de acero hueco, ligero y de paredes delgadas, comúnmente conocido como perfil de acero doblado en frío. Los tubos cuadrados se fabrican típicamente a partir de fleje o bobina Q235 laminado en caliente o en frío como material base. Estos materiales se someten a un doblado en frío, seguido de una soldadura de alta frecuencia para formar la sección transversal cuadrada.

Las características de resistencia de los tubos cuadrados son cruciales para determinar su idoneidad para diversas aplicaciones. Comprender estas características es esencial para seleccionar el material adecuado y diseñar tubos cuadrados para fines estructurales específicos. Este artículo profundiza en los cálculos clave de resistencia y aplicaciones prácticas basadas en las propiedades reales del material de los tubos cuadrados.

Cálculo de la Resistencia de Tubos Cuadrados

Método de Cálculo
Cuando un tubo cuadrado se somete a flexión, se produce una deformación que afecta a su resistencia estructural. La fórmula básica para calcular la resistencia a la flexión de un tubo cuadrado es:

M = 4W⋅C

M: Momento flector
W: Carga aplicada
C: Coeficiente relacionado con la forma y la sección transversal del tubo

Este cálculo es esencial para evitar la deformación del tubo bajo cargas significativas. Cuanto mayor sea el momento flector, mayor será la probabilidad de que el tubo se deforme o falle.

Ejemplo práctico
Para un tubo cuadrado de acero de 100 mm de ancho con un espesor de pared de 5 mm, la resistencia a la flexión dependerá de las propiedades del material, como la tensión de flexión (aproximadamente 345 MPa para el acero ASTM A500).

Cálculo de la capacidad portante de un tubo cuadrado
Método de cálculo
La capacidad portante de un tubo cuadrado sometido a carga vertical se calcula mediante la siguiente fórmula:
P = F⋅S

P: Capacidad portante

F: Fuerza aplicada

S: Área de la sección transversal

Factores importantes
Propiedades del material: Las propiedades mecánicas del acero, como la resistencia a la tracción (375 MPa para Q235) y el límite elástico (235 MPa para Q235), son esenciales para calcular la capacidad portante.
Tamaño del tubo cuadrado: Una mayor área de la sección transversal generalmente mejora la capacidad portante. Este cálculo depende del área específica de la sección transversal.
Tamaño de la soldadura: Las soldaduras en tubos cuadrados desempeñan un papel fundamental en su capacidad portante. Las propiedades de la soldadura se determinan mediante pruebas específicas y afectan directamente a la resistencia estructural.

Resistencia de la soldadura: La resistencia de la soldadura depende de los materiales utilizados y del proceso de soldadura. Si no se cumplen los estándares de soldadura, la capacidad de carga del tubo cuadrado puede verse comprometida.

Precauciones:

1. El cálculo de la capacidad de carga de la soldadura de tubos cuadrados implica múltiples elementos y requiere un cálculo exhaustivo basado en circunstancias específicas.
2. Es necesario seleccionar un plan de tratamiento térmico adecuado según los requisitos de diseño para garantizar que las propiedades mecánicas del tubo cuadrado cumplan con los requisitos.
3. En aplicaciones de ingeniería reales, la soldadura debe realizarse en estricta conformidad con los requisitos de las normas de soldadura para garantizar la calidad de la soldadura.
4. Durante el diseño y la construcción, se debe considerar el tipo y la dirección de la carga que soporta el tubo cuadrado para seleccionar el tamaño y el método de soldadura adecuados.
5. Al calcular la capacidad de carga de los tubos cuadrados, se debe tener en cuenta el margen del material para mantener un cierto factor de seguridad.

¿Cómo se calcula la resistencia a la flexión de un tubo cuadrado?

La resistencia a la flexión de un tubo cuadrado se calcula mediante la fórmula:
M=4W⋅C
Donde M es el momento flector, W es la carga aplicada y C es un coeficiente relacionado con la geometría del tubo.

Fórmula para calcular la capacidad portante de tubos cuadrados
Por ejemplo, se erige un tubo cuadrado de 50x30x1,5 metros en dos extremos, con un tramo de 1 metro suspendido en el centro. ¿Cuántos elementos se pueden colocar en este tramo de 1 metro de tubos cuadrados de 50x30x1,5 metros?

M = Pac/L (M: momento flector, P = fuerza concentrada, a = distancia de la fuerza concentrada desde el soporte, c = distancia de la fuerza concentrada desde otro soporte, L = tramo, L = a + c)

W = b * h * h * h / 12 (solo para secciones rectangulares)

f = M/W ≤ tensión admisible del material (resistencia elástica a la tracción/factor de seguridad).

Cálculo de la resistencia = M/W (donde el momento flector M = 0,125 qL * 2, W es el módulo de la sección)

Cálculo de la rigidez = (5 qL * 4) / 384 EI

¿Cómo calcular la capacidad portante vertical de tubos cuadrados y tubos cuadrados galvanizados? 

1. Calcule la tensión de compresión, que es la tensión de compresión generada por la presión vertical que actúa sobre la sección transversal del tubo cuadrado. Es la presión (unidad N) dividida entre el área de la sección transversal del tubo cuadrado (unidad m²). Siempre que la tensión de compresión sea menor que la tensión admisible del material.

2. El tubo cuadrado está bajo presión, y se debe calcular la estabilidad. El cálculo de la estabilidad es más complejo. Depende de si el método de conexión es fijo en ambos extremos o fijo en un extremo y articulado en el otro. Se estima que se utilizará más de una columna, por lo que se puede calcular simplemente como fija en ambos extremos. Cálculo simple de la presión crítica: P = (4*n*Pi^2*E*I)/[(L/2)^2]. n es el número de columnas, pi^2 es el cuadrado del ángulo de inclinación, E es el módulo elástico, I es el momento de inercia y L es la longitud de la columna.

Los cálculos anteriores son sencillos y también deben considerarse el factor de seguridad e incluso la carga sísmica. Solicite a ingenieros profesionales con experiencia que calculen el análisis de la situación específica. La información anterior es solo de referencia.

Conclusión

Los tubos cuadrados, fabricados con materiales como acero ASTM A500 o acero inoxidable, son esenciales en diversas aplicaciones. Su capacidad para resistir flexión, torsión y cargas axiales los convierte en una opción ideal para ingeniería estructural, maquinaria industrial y diseño arquitectónico. Comprender los cálculos de resistencia de estos tubos permite la selección adecuada de materiales y garantiza la integridad estructural en cualquier aplicación.