Los programas de análisis estructural RFEM 6 y RSTAB 9 ofrecen capacidades potentes para simular la deformación térmica de componentes estructurales con la aplicación de cargas de temperatura. Estos programas le permiten tener en cuenta con precisión los efectos de las variaciones de temperatura, que pueden impactar significativamente en el comportamiento de los materiales y las estructuras. Al simular cambios de temperatura tanto uniformes como no uniformes, RFEM 6 y RSTAB 9 permiten un análisis completo de cómo la expansión o contracción térmica puede influir en el rendimiento estructural.
En este artículo, exploraremos el trasfondo teórico de los efectos térmicos, enfocándonos específicamente en los efectos de membrana y de flexión, y demostraremos cómo estos efectos térmicos pueden ser modelados y aplicados en RFEM 6. Por medio de ejemplos prácticos, verá cómo estas deformaciones relacionadas con la temperatura pueden capturarse efectivamente dentro del software, proporcionando valiosos conocimientos para el diseño y análisis de estructuras expuestas a temperaturas variables.
1. Efecto de membrana (cambio de temperatura uniforme)
Un cambio de temperatura uniforme a lo largo de la altura de un componente induce lo que se conoce como efecto de membrana. Esto ocurre cuando todo el componente experimenta la misma variación de temperatura a lo largo de su longitud, sin ningún gradiente en la dirección perpendicular. Bajo un cambio de temperatura uniforme, el elemento estructural experimenta expansión o contracción térmica sin deformación por flexión.
El efecto de membrana se caracteriza por una deformación uniforme a lo largo del eje de la barra, resultando en una deformación puramente axil (Imagen 1). Cuando la temperatura aumenta, el material se expande a lo largo del eje, y cuando la temperatura disminuye, se contrae. Es importante notar que este efecto no genera momentos internos o tensiones de flexión, pero sí crea esfuerzos axiles dentro de la barra si la expansión lineal de esta está restringida, como en un sistema estáticamente indeterminado.
2. Efecto de flexión (cambio de temperatura no uniforme)
A diferencia del efecto de membrana, la distribución de temperatura no uniforme a lo largo de la altura o espesor del componente resulta en una deformación por flexión (Imagen 2). Esto sucede cuando la temperatura varía a través de la sección transversal del elemento estructural, creando un gradiente de temperatura.
Cuando un componente está sometido a un gradiente de temperatura, el material se expande de manera diferente en diferentes puntos a lo largo de su altura o espesor. Esta expansión diferencial causa momentos internos y tensiones de flexión, que solo surgen en un sistema estáticamente indeterminado, donde la expansión está restringida. El componente intentará doblarse como respuesta a las temperaturas variables en diferentes secciones del elemento, con la parte superior de la sección expandiéndose más que la parte inferior, o viceversa. Por lo tanto, el efecto de flexión puede entenderse como el elemento estructural doblándose debido al gradiente térmico.
3. Efecto combinado: membrana y flexión
En la práctica, los componentes estructurales suelen estar sujetos tanto a cambios de temperatura uniformes (efecto de membrana) como a gradientes de temperatura (efecto de flexión). La deformación térmica total en el componente puede describirse así como una combinación de estos dos efectos:
- El efecto de membrana causa deformación axil (tensión o compresión) debido al cambio de temperatura uniforme a lo largo del eje del miembro.
- El efecto de flexión produce deformación de flexión debido al gradiente de temperatura a través de la altura o espesor del componente.
Este efecto combinado lleva a una deformación no uniforme (Imagen 3), ya que tanto los esfuerzos axiles como los momentos de flexión se generan dentro del componente, lo que ocurre cuando el sistema es estáticamente indeterminado y la expansión está restringida.
Simulación de deformaciones térmicas en RFEM 6
En RFEM 6, puede simular tanto los efectos de membrana como de flexión aplicando dos tipos de cargas de temperatura: “Temperatura” y “Cambio de temperatura”. Estos pueden definirse fácilmente usando la ventana “Nueva carga en barra”, donde puede seleccionar el tipo de carga apropiado del menú desplegable “Tipo de carga” (Imágenes 4 y 5).
1. Tipo de carga “Temperatura”
La carga “Temperatura” en RFEM 6 le permite especificar la temperatura superior (Tt) y la temperatura inferior (Tb) de la barra. La distribución de la temperatura puede ser:
- Uniforme: Cuando Tt=Tb, significando que la barra experimenta un cambio de temperatura uniforme, llevando a efectos de membrana (sin flexión).
- No uniforme: Cuando Tt≠Tb, esto crea un gradiente de temperatura a través del componente, llevando tanto a efectos de membrana como de flexión.
2. Tipo de carga “Cambio de temperatura”
La carga “Cambio de temperatura” le permite definir una temperatura de línea central (Tc) y especificar directamente la diferencia de temperatura ΔT entre la parte superior e inferior de la barra. Una temperatura de línea central positiva significa que la barra está calentándose, y una diferencia de temperatura positiva implica que la parte superior de la barra se está calentando más que la inferior, induciendo flexión.
Ejemplos prácticos
Para entender mejor los efectos de las cargas de temperatura, exploremos varios escenarios donde la misma viga en voladizo está sujeta a condiciones de temperatura variables. En cada caso, consideraremos cómo las diferentes variaciones de temperatura pueden simularse en RFEM 6 utilizando los tipos de carga "Temperatura" y "Cambio de temperatura". Ambos tipos de carga pueden representar los mismos efectos de temperatura; la única diferencia es la forma en que se define la entrada de datos. Destacaremos cómo estas variaciones influyen en el comportamiento de la viga, particularmente en términos de flexión y deformación.
1. Escenario: Sistema de suelo radiante en edificio
En este escenario, una viga en voladizo soporta una parte del sistema de suelo en un edificio, y está expuesta a un aumento uniforme de temperatura de 10°C debido a la activación de un sistema de calefacción por suelo radiante. El sistema de calefacción eleva la temperatura de toda la viga uniformemente a lo largo de su longitud, causando que la viga se caliente de manera uniforme.
Cómo aplicar esto en RFEM 6:
Este escenario puede simularse en RFEM 6 usando el tipo de carga "Cambio de temperatura", donde la temperatura de línea central (Tc) está establecida en 10°C, representando el calentamiento uniforme de la viga (Imagen 6). La diferencia de temperatura (ΔT) entre las superficies superior e inferior de la viga sería cero, ya que el aumento de temperatura es uniforme a lo largo de la longitud de la viga.
Alternativamente, la misma simulación puede realizarse usando el tipo de carga "Temperatura", donde tanto la temperatura superior (Tt) como la inferior (Tb) están establecidas en 10°C (Imagen 7). En ambos casos, el resultado será la expansión uniforme de la viga sin causar flexión, ya que toda la viga experimenta la misma expansión térmica (Imagen 8).
2. Escenario: Viga expuesta a fuente de calor
Una viga en voladizo se sitúa en un entorno industrial, donde está expuesta al calor de un lado de la viga. Por ejemplo, durante un proceso de manufactura, la viga puede estar sometida a temperaturas más altas (por ejemplo, 30°C) en un lado, mientras que el lado opuesto de la viga permanece a una temperatura más baja (por ejemplo, 20°C) o está protegido del calor.
Cómo aplicar esto en RFEM 6:
Esto puede simularse usando el tipo de carga "Temperatura" con Tt ≠ Tb (Imagen 9), donde la temperatura superior (Tt) se establece más alta (30°C) debido a la fuente de calor, y la temperatura inferior (Tb) permanece más baja (20°C). La diferencia de temperatura a través de la parte superior e inferior de la viga crea un gradiente térmico, que causa que la viga se expanda y se doble (Imagen 10).
3. Escenario: Viga expuesta a radiación solar desigual
Una viga en voladizo se encuentra en un entorno al aire libre, donde una superficie está expuesta a la luz solar, mientras que la superficie opuesta está sombreada. Como resultado, una superficie de la viga se calienta hasta 5°C, mientras que la otra permanece a -5°C. En este caso, la temperatura de línea central es 0°C, pero existe un gradiente de temperatura a través de la viga, con una superficie experimentando una temperatura más alta que la otra. El enfoque principal en este escenario es capturar la flexión causada por el gradiente térmico creado por la diferencia de temperatura (ΔT) entre las superficies superior e inferior de la viga, llevando a la flexión debido a la expansión diferencial.
Cómo aplicar esto en RFEM 6:
Este escenario puede simularse en RFEM 6 usando el tipo de carga "Cambio de Temperatura" (Imagen 11), donde se especifica la diferencia de temperatura (ΔT) entre la parte superior e inferior de la viga (ΔT=10°C). La temperatura de línea central (Tc) se establece en 0°C, pero la diferencia de temperatura (ΔT) es no nula, representando el gradiente térmico que causa que la viga se doble. Es importante notar que se usa el tipo de carga "Cambio de temperatura", y no hay necesidad de definir temperaturas específicas para las superficies superior (Tt) e inferior (Tb), ya que el enfoque está en la flexión inducida por el gradiente térmico creado por la ΔT.
Conclusión
En conclusión, RFEM 6 ofrece un enfoque flexible para modelar los efectos térmicos en componentes estructurales, permitiéndote simular tanto los efectos de membrana como de flexión con los tipos de carga “Temperatura” y “Cambio de temperatura”. Estos tipos de carga permiten simulaciones precisas de las variaciones de temperatura a lo largo de la longitud y altura de una barra, asegurando un análisis exhaustivo de las deformaciones térmicas.
Al entender cómo aplicar efectivamente estos tipos de carga, los ingenieros pueden predecir el comportamiento de los componentes estructurales bajo cargas térmicas, llevando a análisis más precisos y diseños optimizados. Ya sea lidiando con calentamiento uniforme, exposición localizada a temperatura o condiciones variables, RFEM 6 proporciona las herramientas necesarias para gestionar los efectos relacionados con la temperatura en sus estructuras.
