El dimensionamiento de un tubo rectangular de aluminio se basa en parámetros geométricos y mecánicos que las herramientas en línea simplifican en exceso. Aquí proponemos un enfoque estructurado, centrado en las verificaciones realmente discriminantes para un perfil extruido en aleación 6000 sometido a cargas de estructura.
Fatiga de las aleaciones 6xxx: el parámetro que ignora el cálculo estático
Un tubo rectangular de aluminio 6060-T5 o 6082-T6 correctamente dimensionado en flexión estática puede romperse prematuramente bajo solicitaciones cíclicas. Las curvas S-N específicas para las aleaciones 6xxx muestran una disminución notable de la resistencia admisible a partir del millón de ciclos. Estructuras vibrantes, soportes de máquinas, marcos expuestos al viento: la fatiga a gran número de ciclos impone coeficientes de seguridad mucho más altos que los considerados para cargas cuasi-estáticas.
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El Aluminum Design Manual (edición 2020, erratas 2023) formaliza esta exigencia. Recomendamos verificar sistemáticamente si la estructura sufre variaciones de tensión repetidas antes de conformarse con un cálculo de la resistencia de un tubo rectangular puramente estático. Un perfil que pasa todos los controles en flexión y compresión puede fallar en fatiga si el rango de tensión alternante supera el umbral admisible para la aleación considerada.
En la práctica, esto implica aplicar un descuento sobre la tensión admisible tan pronto como la estructura esté sometida a más de unos pocos cientos de miles de ciclos durante su vida útil. Este punto rara vez es cubierto por los calculadores en línea.
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Propiedades de sección del tubo rectangular: momento de inercia, módulo elástico y módulo plástico
El comportamiento mecánico de un tubo rectangular depende directamente de sus características geométricas de sección. Tres magnitudes guían el dimensionamiento en flexión.
Momento de inercia de flexión
El momento de inercia (I) cuantifica la rigidez del perfil frente a la deformación. Para un tubo rectangular hueco de dimensiones exteriores B x H y de espesor t, el cálculo se realiza por diferencia entre el rectángulo lleno exterior y el rectángulo vacío interior, según cada eje (y-y y z-z).
Cuanto más alejado esté el material del eje neutro, mayor será el momento de inercia: un tubo de gran altura H pero de baja anchura B será rígido en flexión según y-y, pero mucho menos según z-z.
Módulo elástico y módulo plástico
El módulo elástico de flexión (W_el = I / v, donde v es la distancia al borde extremo) determina la tensión máxima en servicio bajo la hipótesis elástica. El módulo plástico (W_pl) interviene cuando se permite una plastificación parcial de la sección, lo que es común para las aleaciones dúctiles como el 6082-T6.
Confundir módulo elástico y módulo plástico falsea la relación de utilización de un factor significativo. En diseño según el Eurocódigo 9 (cálculo de estructuras de aluminio), la elección entre los dos depende de la clase de sección del perfil.
Verificaciones de resistencia según las normas de diseño de aluminio
El dimensionamiento completo de un tubo rectangular de aluminio no se limita a la flexión. Cuatro verificaciones deben llevarse a cabo simultáneamente.
- Control en flexión en los dos ejes: comparación del momento solicitante con el momento resistente, calculado a partir del módulo de sección y del límite de elasticidad de la aleación considerada.
- Control en corte: verificación de que el esfuerzo cortante en cada alma del tubo no exceda la resistencia al corte de la sección neta.
- Control en compresión (pandeo): un tubo rectangular sometido a compresión axial debe ser verificado para el pandeo global (fórmula de Euler corregida por las curvas de pandeo) y para el abollamiento local de las paredes delgadas.
- Control en tracción: pertinente para las barras de contraviento o las vigas tensadas, teniendo en cuenta las secciones netas a la altura de los taladros.
Las normas utilizadas en la práctica son el Eurocódigo 9 (EN 1999-1-1), el ADM 2020 (América del Norte) y la CSA S157-17 (Canadá). Cada norma aplica diferentes coeficientes parciales de seguridad, lo que modifica la sección de tubo requerida para una misma carga.
Pandeo local de las paredes delgadas: la trampa de los tubos de bajo espesor
En un tubo rectangular, la relación entre la anchura de cada pared plana y el espesor (relación b/t) condiciona la sensibilidad al abollamiento local. Un tubo de gran sección con un espesor reducido puede pandear localmente mucho antes de alcanzar el límite de elasticidad del material.
El abollamiento local de una pared reduce la capacidad portante real del perfil en comparación con la resistencia teórica calculada sobre la sección bruta. El Eurocódigo 9 clasifica las secciones en cuatro categorías (1 a 4) según la relación b/t. Las secciones de clase 4, frecuentes con los tubos de aluminio de pared delgada, requieren un cálculo sobre sección efectiva reducida.
Observamos que este punto es a menudo pasado por alto en los dimensionamientos habituales. Un tubo rectangular de aluminio de sección generosa pero de espesor insuficiente puede ofrecer una resistencia inferior a un tubo más compacto con paredes más gruesas.
Influencia de la aleación y del tratamiento térmico en la resistencia del tubo
La elección de la aleación de aluminio modifica directamente el límite de elasticidad utilizado en cada verificación. Las aleaciones comunes para los tubos rectangulares extruidos son el 6060-T5, el 6060-T66 y el 6082-T6, con límites de elasticidad crecientes.
La industria del transporte y de las estructuras desmontables utiliza cada vez más aleaciones 7000 de muy alto límite de elasticidad para reducir el espesor a resistencia igual. La ganancia de masa es real, pero la soldadura de estas aleaciones impone controles más estrictos y un descuento de resistencia en la zona afectada térmicamente (ZAT) más marcado que en las 6xxx.
Un tubo soldado pierde una fracción de su resistencia en las proximidades del cordón. En un 6082-T6, la resistencia en ZAT cae de manera significativa en comparación con el metal base. Este parámetro debe integrarse desde la elección de la sección, no tratarse como una corrección a posteriori.
El dimensionamiento de un tubo rectangular de aluminio para una estructura no se resume a una fórmula de flexión. La combinación entre clase de sección, modo de solicitación, posible fatiga y estado metalúrgico en la zona de las soldaduras determina la fiabilidad real del armazón. Cada verificación omitida es un eslabón débil en la cadena de seguridad.