Skip to main content

Caso 11 — Columna en voladizo con carga combinada axial y lateral (Efecto P-Delta)

Abrir en RodX Descargar informe PDF

Una columna en voladizo vertical, empotrada en la base y libre en la parte superior, está cargada simultáneamente por una fuerza lateral (horizontal) y una fuerza axial (vertical) de compresión aplicada en el extremo libre. La fuerza axial amplifica la deflexión lateral a través de efectos de segundo orden (P-Delta), produciendo un desplazamiento superior mayor de lo que predeciría la solución de primer orden (lineal). Este caso de verificación valida la implementación de la no linealidad geométrica (P-Delta) de RodX.

Descripción

Una columna en voladizo de longitud $L$, empotrada en la base (los tres grados de libertad restringidos) y libre en la parte superior. Una fuerza horizontal $H$ y una fuerza vertical (axial, de compresión) $P$ se aplican simultáneamente en el extremo libre.

Determinar (considerando los efectos de segundo orden (P-Delta)):

Esquema estructural

Cantilever column with combined horizontal lateral force and vertical compressive load at free end

Geometría, condiciones de borde y aplicaciones de carga utilizadas en el modelo de verificación.

Parámetros del modelo

ParámetroValor
Unidadesm, kN
Tipo de elementoBeam-column element (geometric nonlinearity enabled)
MaterialSteel, $E = 2.1 \times 10^{8}$ kN/m²
Propiedades de la sección$I = 8.014 \times 10^{-7}$ m⁴
Longitud$L = 4$ m
Condiciones de bordeBase node: fixed (all 3 DOF restrained); top node: free
CargasHorizontal load $H = 2$ kN and vertical (axial) load $P = 5$ kN at top node

Solución analítica

La columna se rige por la ecuación diferencial de viga-columna:

$$EI\,v''(x) + P\,v(x) = M_0(x)$$

donde $M_0(x) = H(L - x)$ es el momento de primer orden de la carga lateral, y $P$ entra a través del parámetro $k = \sqrt{\dfrac{P}{EI}}$.

Aplicando las condiciones de borde de una base empotrada ($v(0) = 0$, $v'(0) = 0$) y evaluando la solución en el extremo libre ($x = L$) se obtiene la deflexión superior en forma cerrada:

$$\Delta = \frac{HL^3}{3EI}\left[\frac{3(\tan kL - kL)}{(kL)^3}\right]$$

El momento flector en la base incluye la contribución de segundo orden de la fuerza axial actuando a través del desplazamiento lateral:

$$M_{\text{base}} = HL + P\Delta$$

Para los parámetros anteriores:

$$kL = 0.6895$$

$$\Delta_{\text{theoretical}} = 313.219 \text{ mm}$$

$$M_{\text{base}} = -9.566\,\mathrm{kN{\cdot}m}$$

Resultados numéricos

Desplazamientos

Deformed shape of cantilever column under combined axial and lateral load (P-Delta)

Diagrama de momento flector

Bending moment diagram for cantilever column under P-Delta loading — RodX

Comparación

Parameter Theoretical RodX
Δx(B), mm 313.219 313.066
M, kN·m −9.565 −9.566

Los resultados numéricos obtenidos con RodX están en concordancia con la solución analítica.