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Uso de los Perfiles Tubulares en las Estructuras Metálicas

POR QUÉ EL USO DE LOS PERFILES TUBULARES EN LAS ESTRUCTURAS METÁLICAS?

La naturaleza ha adoptado la forma tubular como la expresión más eficiente del transporte, tanto del flujo de líquidos, como de la conducción de las fuerzas externas e internas que se imponen a cualquier elemento. 

Ejemplos hidrodinámicos: el torrente circulatorio y el sistema de abastecimiento de nutrientes en las plantas.

Ejemplos estructurales: la guadua esbelta y nuestra misma columna vertebral.  Un principio fundamental respalda las excelentes propiedades elástico-mecánicas de los elementos tubulares, y es la óptima distribución de la materia alrededor de su eje longitudinal.  En tanto la materia se distancie de su centro gravitacional, el comportamiento a flexión se hace dramáticamente superior. Si, sumada a esta propiedad, se añade el hecho de ser cerrado el perfil, las propiedades torsionales se mejoran sustancialmente, eliminando de paso el riesgo de inestabilidad lateral.

La resistencia torsional de los perfiles tubulares, es en efecto, 200 a 300 veces mayor que la de los perfiles abiertos de sección comparable (masa y espesor).  Su deformación angular puede ser hasta 1000 veces mayor (figura 1).

Lo anterior hace posible incrementar las luces de las estructuras, minimizando el número de elementos de arriostramiento y de componentes secundarios, reduciendo apreciablemente el número de uniones, facilitando la producción en planta y/o en obra y disminuyendo tiempos y costos.

Teniendo en cuenta que los perfiles de acero poseen propiedades muy eficientes para el manejo de solicitaciones de flexo-compresión y particularmente de alta compresión axial, aparece jugando una función decisiva la forma de la sección transversal, al considerar los problemas de pandeo o de inestabilidad elástica. 

Un perfil tubular de igual área que uno abierto, bien puede tener una carga crítica de pandeo superior al doble de éste, incrementándose la diferencia en la medida en que el espesor de pared se reduce.

En la figura 2 se compara la relación Ñ (Esfuerzo último de pandeo / Esfuerzo de cedencia para el material) vs la longitud L, para perfiles cerrados y abiertos. 

Se observa la gran diferencia de los perfiles tubulares

Para estructuras que deben soportar cargas significativas de viento, tales como torres de transmisión, cubiertas con fuertes pendientes, mástiles, estructuras de señalización, antenas de telecomunicación, etc., juega un papel decisivo la forma geométrica de la sección con respecto a su comportamiento aerodinámico. Un perfil tubular evita las turbulencias de flujo, en tanto uno abierto, las causa.

Como consecuencia, el coeficiente de arrastre por viento y por tanto las fuerzas externas asociadas, son mucho mayores para las estructuras hechas con base en perfiles abiertos.  Cuantitativamente hablando, este incremento de las fuerzas dinámicas causadas por el viento en estructuras de perfiles abiertos, puede llegar a ser del orden del 40%.

Los perfiles cerrados, con respecto a los perfiles abiertos de igual área, presentan superficies laterales de un 30 o 40% menores.  Esto implica menores costos de protección contra la corrosión o contra la acción de cualquier otro tipo de agentes ambientales agresivos.

La protección contra la corrosión interna se garantiza si el perfil se sella herméticamente en sus extremos.  De esta forma, cualquier proceso de oxidación que haya podido iniciarse, cesa al consumirse el oxígeno existente previo al sellado de los extremos. 

Los perfiles tubulares ofrecen una superficie mínima para que se depositen sobre ellos sustancias fácilmente inflamables, con la consiguiente disminución del riesgo de incendios accidentales o de su propagación en caso de que éstos ocurran.  Esta propiedad es particularmente relevante en estructuras de cubierta de fábricas textiles, bodegas de espumas plásticas, hilanderías, almacenes de materias primas inflamables, entre otros.

La resistencia al fuego de los perfiles tubulares, es sustancialmente mayor que la de los correspondientes perfiles abiertos, los cuales bajo una reducida carga de fuego fallan por alabeo excesivo.

Adicionalmente, los perfiles tubulares se prestan para ser protegidos mediante procedimientos tan sencillos como el llenado con agua, concreto u otro material, sin que deteriore el aspecto estético de la construcción.

BIBLIOGRAFÍA

Specificacion for Structural Steel Building AISC 

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