Empalmes de columna: dónde colocarlo y qué debe cruzarlo

Un empalme de viga ocurre donde a la viga se le acaba el largo. Un empalme de columna es distinto: la columna podría laminarse en una sola pieza para tres o cuatro pisos, y uno la corta de todos modos, a propósito, porque una barra de 12 m es incómoda de transportar, de izar y de parar. Así que el empalme es una decisión, y viene en dos partes que la gente suele responder como una sola. La primera es dónde, a lo largo de la altura de la columna, colocarlo. La segunda es qué, de todas las fuerzas que la columna soporta, tiene que cruzar el corte realmente.

La trampa es responder la segunda pregunta con la carga axial, porque es el número de la planilla de columnas y es grande. En un edificio real una columna en un piso bajo soporta bastante más de mil kilonewtons en compresión, y el reflejo es dimensionar el empalme para pasarla toda. Ese reflejo se equivoca por partida doble. Se equivoca porque una columna acabada para apoyo por contacto pasa casi toda su compresión directamente a través de la junta fresada sin cargar una sola chapa, y se equivoca porque las cosas que sí cargan las chapas, la tracción, el cortante y el momento, son menores, provienen del sistema lateral y de las combinaciones de carga, e incluyen un mínimo que la norma fija y que el análisis nunca alcanza. Esta guía toma un empalme en una columna pesada y lo dimensiona de principio a fin, y la sección de acero que lo decide nunca es la compresión.

Reduzca el empalme a sus partes. Dos fustes de columna se encuentran extremo con extremo, un tramo superior y uno inferior, normalmente una sección más liviana sobre una más pesada porque la carga disminuye a medida que se sube. A través de la junta pasan tres tipos de material. Las chapas de ala, una en cada cara de cada ala, unen las alas de los dos fustes y soportan cualquier tracción y la fuerza de ala del momento. Una chapa de alma, o un par de ellas, une las almas y soporta el cortante. Y donde los dos extremos están fresados planos y puestos en contacto, la propia superficie de contacto soporta la compresión directamente, acero contra acero, con las chapas solo manteniendo las piezas alineadas.

Los conectores son tornillos o soldaduras. Un empalme atornillado usa tornillos de alta resistencia a través de las chapas de ala y de alma y se monta rápido en obra. Un empalme soldado usa soldaduras de ranura, de penetración total o parcial, a través de las alas y a veces del alma. Cuando el fuste superior es de tamaño distinto al inferior, una chapa de relleno (una chapa de división o de calce) rellena el escalón para que las chapas queden planas y los extremos apoyen. Cada una de estas piezas existe para responder a una fuerza específica de las que cruzan el corte, y por eso nombrar primero las fuerzas, y no la sección, es toda la disciplina. Para la base de la misma columna, donde la carga sale del acero y entra al hormigón, la guía complementaria de placa base de columna cubre la junta del otro extremo.

El lugar estándar para un empalme de columna es aproximadamente 1.2 m (4 ft) por encima del piso terminado, y cada parte de esa frase es una razón. Está por encima del piso, no a su nivel, para que el montador tenga una plataforma de trabajo: a esa altura una persona puede pararse sobre el tablero y alcanzar los tornillos o la soldadura, lo que es una regla de seguridad y de productividad antes que estructural. Está por encima de la conexión viga-columna, de modo que el empalme queda en la longitud libre de la columna y no choca con las chapas de cortante, las chapas de momento y los rigidizadores amontonados alrededor del nivel del piso. Y está cerca del punto de contraflexión, la altura del entrepiso donde el momento flector de la columna pasa por cero al flexionarse en doble curvatura bajo carga lateral, de modo que el empalme cae donde el momento que debe cruzar está cerca de su valor más pequeño.

El diseño sísmico lo fija en lugar de dejarlo a la costumbre. Las Disposiciones Sísmicas del AISC exigen que el empalme quede al menos a 1.2 m (4 ft) de las conexiones de ala viga-columna, para que se mantenga fuera de la región donde se espera que la columna fluya, y el empalme se baja a media altura de la columna solo cuando el entrepiso libre es menor que 2.4 m. La frase conocida de 1.2 m por encima del piso terminado es en realidad una regla de acceso con el mismo número: una Nota de Usuario recomienda esa altura para que la cuadrilla pueda montar los cables perimetrales de seguridad antes de que suba el siguiente nivel. Estructura y seguridad caen aproximadamente en el mismo lugar. Note lo que ninguna de estas razones dice: nunca coloca el empalme donde la fuerza es cero. El momento es bajo cerca del punto de inflexión, no ausente, la axial apenas cambia con un metro de altura, y el cortante que soporta el entrepiso está presente en toda la subida. Un empalme se ubica donde es conveniente y donde la demanda es modesta, y luego se diseña para la demanda que realmente está allí, que es el tema del resto de esta guía. El punto de inflexión y la longitud libre también fijan la longitud efectiva de la columna, la otra razón por la que esta altura importa.

Haga el corte y mire lo que tiene que pasar por él. Hay cuatro cosas, y toman caminos distintos y las soportan piezas de acero distintas:

1. Compresión. La carga axial que la columna descarga hacia abajo. Si los extremos están acabados para apoyo por contacto, cruza acero contra acero a través del contacto fresado, y las chapas casi no soportan nada de ella. Si los extremos no están fresados, las chapas y sus conectores la soportan toda, y por eso el fresado vale la pena en una columna pesada.

2. Tracción. No de la gravedad, que solo comprime una columna, sino de una combinación de carga que levanta: el vuelco por viento o sismo bajo una combinación como 0.9D + 1.0W puede poner en tracción neta el lado de barlovento de una columna alta. Solo las chapas de ala y sus tornillos pueden cruzar una tracción, así que esta es la fuerza que hace que las chapas no sean opcionales.

3. Cortante. El cortante de entrepiso que el sistema lateral transmite a través de la columna, cruzado a través del corte por las chapas de alma.

4. Momento. Cualquier flexión a la altura del empalme, resuelta en un par de fuerzas: una fuerza de tracción en un ala y una compresión igual en la otra, cada una igual al momento dividido por la distancia entre las alas. Las chapas de ala lo soportan.

Leer las cuatro de este modo es el replanteo que promete el título. La compresión es la fuerza más grande y el menor de sus problemas, porque tiene un camino que evita por completo los conectores. Los conectores existen para las otras tres, más un mínimo de norma, y esas son las que fijan los tamaños de las chapas. La manera en que las combinaciones mayoradas convierten el viento y la gravedad en la tracción y el momento gobernantes en el empalme es tarea de la combinación de carga que los produce.

Comience por el número más grande, porque es el que se va más rápido. Cuando los dos extremos de la columna están acabados para apoyo por contacto, es decir, fresados o cortados con sierra planos a un plano, la compresión pasa del fuste superior al inferior como apoyo directo, acero presionando sobre acero en toda el área de la sección transversal de contacto. AISC 360 permite transferir la compresión de este modo y da la resistencia de contacto como Rn = 1.8 Fy Apb, donde Apb es el área de contacto, con un factor de resistencia de 0.75.

Ponga los números de la columna del ejemplo. La sección es una H pesada, de 360 mm de peralte con alas de 300 mm, un área bruta de 15,840 mm.sq en acero Fy = 345 MPa. Fresada en toda su área, su resistencia de contacto es phi Rn = 0.75 x 1.8 x 345 x 15,840, que es 7,377 kN. La compresión mayorada que tiene que pasar es 1,400 kN. El apoyo la supera 5.3 veces. A las chapas y tornillos no se les pide soportar nada de los 1,400 kN en el caso de apoyo; toda su tarea es mantener alineados los dos fustes para que las caras fresadas sigan en contacto y estar allí para las fuerzas que el apoyo no puede tomar, que son la tracción, el cortante y el momento. Este es el único hecho que convierte un empalme de columna de un gran problema en uno modesto: la fuerza que uno miraba tiene un camino que no lo necesita.

Aquí es donde un empalme de columna sorprende a la gente. Quite la compresión por apoyo, tome un caso en que el viento es leve, de modo que el momento y la tracción neta sean pequeños, y el análisis dice que los conectores casi no tienen nada que soportar. La norma no está de acuerdo. Un empalme no puede proporcionarse para la fuerza que el modelo casualmente reporta a esa altura, porque esa fuerza puede ser pequeña por razones que no se sostendrán en el edificio real: una dirección de viento algo distinta, una excentricidad accidental, una tolerancia de montaje, o el pórtico fluyendo en algún punto y redistribuyendo.

Dos reglas fijan el piso mínimo. Fuera de un diseño sísmico, AISC 360 J1.4 solo pide que un empalme de columna acabado para apoyo por contacto tenga suficientes conectores para mantener todas las partes en su lugar, más, por su Nota de Usuario, que la junta resista cualquier tracción real que desarrollen las combinaciones de carga, incluido el levantamiento que un diseño por gravedad nunca activa. Note lo que J1.4 no dice: no hay ninguna regla de que un empalme de columna desarrolle el 50 por ciento, ni ninguna fracción fija, de la resistencia de la columna. Esa cifra del 50 por ciento es real, pero pertenece a miembros en compresión distintos de las columnas, y citarla como un mínimo de columna es un error común y costoso.

Dentro de un edificio diseñado según las Disposiciones Sísmicas del AISC, AISC 341 nombra un número, y se aplica a todo empalme de columna, incluso a una columna de gravedad que no soporta carga lateral. El empalme debe cruzar un cortante de Mpc / (as x H), el momento plástico de la columna sobre la altura de entrepiso, el cortante que existiría si la columna alcanzara su resistencia total a flexión. Para la columna del ejemplo eso es 810 / 3.6 = 225 kN. El análisis del pórtico en el mismo empalme reporta 60 kN de cortante de entrepiso. El mínimo de norma es 3.75 veces mayor, y él, no el modelo, dimensiona las chapas de alma. Un pórtico especial resistente a momento lo endurece aún más: su empalme atornillado toma la suma de los momentos plásticos en ambos extremos de la columna, aquí 450 kN, sus chapas de ala deben desarrollar la mitad de la fuerza de fluencia de ala esperada, más de 1100 kN, y un empalme soldado de penetración parcial se diseña para el doble de su resistencia requerida. Diseñe un empalme de columna para la reacción que imprime el análisis y lo construirá por debajo, porque el número gobernante nunca estuvo en el análisis.

Este es el empalme que dimensiona esta guía. Una columna de perfil H pesado, de 360 mm de peralte, alas de 300 mm de 20 mm de espesor, un alma de 12 mm, en acero Fy = 345 MPa, la misma sección arriba y abajo por ahora, con los extremos fresados para apoyar. El empalme se ubica 1.2 m por encima del segundo piso. Del análisis del pórtico, reproducible en la calculadora más abajo, tres demandas llegan al empalme: una compresión mayorada de Pu = 1,400 kN de 1.2D + 1.6L, un momento de columna de Mu = 120 kN.m del caso de viento 0.9D + 1.0W, y un cortante de entrepiso de Vu = 60 kN.

Resuelva el momento antes de dimensionar nada. Un momento en el empalme se soporta como un par de fuerzas entre las alas, una tracción en una chapa de ala y una compresión igual en la otra, cada una igual al momento dividido por el brazo de palanca entre los centroides de las alas. Esa fuerza de ala es Ff = Mu / (d - tf) = 120 / (0.360 - 0.020) = 353 kN. Mantenga los cuatro números a la vista: 1,400 kN de compresión que el apoyo tomará, una fuerza de ala de 353 kN del momento, 60 kN de cortante del pórtico, y, esperando detrás de ellos, el cortante mínimo de norma de 225 kN. El diseño es ahora cuestión de emparejar cada uno con la pieza de acero que lo soporta. La interacción de esa axial y ese momento en el propio fuste es la verificación de flexión y axial combinadas que la columna ya aprobó para llegar hasta aquí.

Alinee cada pieza de acero contra la fuerza que responde, usando chapas atornilladas en acero Fy = 345, Fu = 450 MPa con tornillos M20 A325 (equivalente a grado 8.8) en agujeros estándar:

Lea la tabla por columna, porque es el argumento de toda la guía en tres filas. El apoyo por contacto soporta la fuerza más grande, 1,400 kN, y queda al 19 por ciento porque el contacto fresado es enormemente resistente; las chapas no soportan nada de ella. Las chapas de ala las dimensiona la fuerza de ala de 353 kN del momento, y su límite gobernante no es la chapa sino los seis tornillos M20 por lado en cortante a 526 kN, así que quedan al 67 por ciento. Las chapas de alma las dimensiona 225 kN, el mínimo de norma sísmica para toda columna de edificio, no los 60 kN de cortante que reporta el pórtico, que las habría dejado al 7 por ciento y peligrosamente livianas. Cada verificación a nivel de tornillo detrás de esas capacidades, fluencia y rotura de la chapa, cortante del tornillo, aplastamiento y desgarro del tornillo, sigue las mismas reglas que cualquier otra conexión atornillada. Lo que es distinto en un empalme es solo qué demanda se le entrega, y en una columna esa demanda es el par de fuerzas del momento y el piso mínimo de la norma, nunca la axial.

El empalme del ejemplo usó una sola sección arriba y abajo para mantener las fuerzas limpias, pero la razón por la que existe un empalme suele ser que la columna superior es más liviana que la inferior. Dos cosas cambian cuando las secciones cambian de tamaño. Primero, los extremos ya no se encuentran planos, así que una chapa de relleno (una chapa de división) rellena la diferencia de espesor de ala y, si los peraltes difieren, una chapa de división horizontal a través de la junta recibe la sección superior menor y reparte su apoyo sobre la sección inferior mayor. Segundo, el área de apoyo es ahora el área de contacto de la sección menor, no de la mayor, porque la compresión solo puede cruzar donde el acero realmente toca el acero: dimensione el apoyo con la columna superior, y verifique la chapa de división a flexión y el alma de la columna inferior para la carga concentrada, la misma familia de abolladura y fluencia del alma que una viga ve bajo una carga concentrada.

Los conectores también cambian. Los tornillos que pasan a través de una chapa de relleno más gruesa que unos 6 mm necesitan o bien que el relleno se desarrolle (tornillos adicionales, o el relleno extendido y atornillado) o una reducción de su resistencia al cortante, porque un calce grueso y suelto deja que las capas deslicen antes de que los tornillos apoyen de manera uniforme. Nada de esto toca la lógica de ubicación ni las cuatro fuerzas; es el mismo empalme, con una chapa adicional para pasar la compresión a través de un escalón y una regla para mantener honestos los tornillos a través del calce.

Un empalme puede atornillarse con chapas o soldarse con soldaduras de ranura, y la elección es sobre todo del taller y de la obra más que de la resistencia. Los empalmes atornillados se montan rápido: las chapas se sueldan o atornillan en taller a un fuste, el montador posa la columna superior y coloca los tornillos de obra, y la junta soporta carga apenas queda ajustada y apretada. Los empalmes soldados, que usan soldaduras de ranura de penetración completa (CJP), desarrollan la sección completa y dejan una línea limpia, pero necesitan soldadura en obra, acceso por todo el contorno, e inspección de cada soldadura, lo que es más lento y depende del clima.

Las soldaduras de ranura de penetración parcial (PJP) son el punto medio tentador: más baratas que una CJP, sin chapas. Soportan bien la compresión por apoyo, pero son débiles y frágiles en tracción a través de la garganta, y esa es exactamente la demanda que se le debe confiar a un empalme. Por eso las disposiciones sísmicas duplican la resistencia requerida de un empalme de columna soldado con PJP: debe diseñarse para el doble de la fuerza que tendría un empalme atornillado o CJP en el mismo lugar, una penalización que normalmente borra el ahorro y devuelve la elección a las chapas atornilladas o a una soldadura de penetración total. El compromiso general entre desarrollar una junta por completo y detallarla para una fuerza elegida es el mismo que hay detrás de las conexiones de momento frente a las de cortante en otras partes del pórtico.

La verificación del empalme comienza con las fuerzas en el empalme, y esas vienen del pórtico, no de la planilla de columnas. Arme su propio pórtico abajo: el vano, la altura de entrepiso, la carga de gravedad y la carga lateral. Lea la axial de la columna, el momento de la columna a la altura del empalme y el cortante de entrepiso, y esos tres números son la compresión que va al apoyo, el momento que se convierte en su fuerza de ala mediante M / (d - tf), y el cortante que soportan las chapas de alma. Luego compare ese cortante con el mínimo de norma, la suma de los momentos plásticos de la columna sobre la altura libre, y dimensione las chapas de alma para el que sea mayor. Cambie el viento y observe cómo se mueven el momento y el cortante mientras la axial apenas lo hace, que es toda la razón por la que los conectores, no la compresión, deciden el empalme.

Las fallas se repiten, y cada una es un caso de dimensionar el empalme para la fuerza equivocada o de colocarlo en el lugar equivocado:

1. Dimensionar las chapas para la axial. Pasar toda la compresión de la columna por las chapas y tornillos cuando los extremos están fresados para apoyar, de modo que el empalme queda enormemente sobredimensionado para la única fuerza que tenía un camino que lo rodeaba, y a menudo aún subverificado para la tracción.

2. Olvidar la combinación de levantamiento. Diseñar solo para la gravedad, que comprime, y nunca correr 0.9D + 1.0W, de modo que la tracción neta que una columna alta ve bajo el vuelco encuentra un empalme sin camino para la tracción.

3. Usar el cortante del análisis como demanda. Dimensionar las chapas de alma para el cortante de entrepiso que imprime el modelo y saltarse el mínimo de norma, que en un pórtico sísmico es varias veces mayor y es el número que gobierna.

4. Una soldadura PJP desnuda en tracción. Elegir una soldadura de ranura de penetración parcial para ahorrar dinero e ignorar tanto su fragilidad a través de la garganta como la duplicación que las disposiciones sísmicas le imponen.

5. Empalmar a la altura del piso. Colocar el corte abajo, en la conexión viga-columna, en la región congestionada y de alto momento que la norma le dice que evite, en lugar de arriba en la longitud libre cerca del punto de inflexión.

• Un empalme de columna se ubica a unos 1.2 m (4 ft) por encima del piso terminado: por encima de la conexión de viga, sobre una plataforma de trabajo, y cerca del punto de inflexión donde el momento es bajo. Bajo, no cero, y nunca en el mínimo de fuerza.
• La compresión en una columna fresada cruza por apoyo directo (Rn = 1.8 Fy Apb): en el perfil H del ejemplo eso supera 5.3 veces los 1400 kN de compresión mayorada, de modo que los conectores casi no soportan nada de ella.
• Los conectores soportan tracción, cortante y momento. El momento de 120 kN.m se convierte en una fuerza de ala de 353 kN mediante Ff = M/(d - tf), y eso dimensiona las chapas de ala, al 67 por ciento en dos chapas de 300 x 16 con seis tornillos M20 por lado.
• La norma fija un mínimo que el análisis no fija: AISC 341 pide a todo empalme de columna un cortante del momento plástico de la columna sobre la altura de entrepiso, aquí 225 kN, 3.75 veces los 60 kN que reporta el pórtico, de modo que las chapas de alma las dimensiona la norma.
• Un empalme soldado con PJP se diseña para el doble de su resistencia requerida según las disposiciones sísmicas, y un empalme escalonado necesita una chapa de relleno o de división con el apoyo limitado a la sección menor.