Rigidizadores de Alma: Cuando el Alma Necesita Ayuda Bajo Carga Concentrada

Toda viga laminada y toda viga armada esconde su parte más delicada a la vista de todos: el alma, la chapa vertical delgada que lleva el cortante y mantiene separadas las dos alas. Cuando la carga se reparte a lo largo de un vano grande, el alma cumple bien. Pero en cuanto una fuerza concentrada cae sobre un tramo corto, una columna apoyada en el ala superior, una reacción de viga en un apoyo, una rueda de puente grúa, un punto de gato, toda esa fuerza se embudona en una franja estrecha de alma justo encima del acuerdo. Esa franja tiene unos milímetros de espesor, y acaba de convertirse en el material más solicitado de todo el miembro.

Dos cosas pueden salir mal ahí, y no son la misma falla. El alma puede fluir, aplastándose como metal blando justo bajo la carga, o puede abollarse, plegándose fuera del plano como una lata de refresco apretada de lado. Cuando cualquiera de las capacidades se agota tienes un único arreglo honesto: dar ayuda al alma. Esa ayuda es un rigidizador de alma, una chapa soldada al alma para repartir la carga e impedir el pandeo. Esta guía muestra exactamente cuándo el alma la necesita, cómo el AISC 360 Capítulo J10 le pone un número, y cómo dimensionar el rigidizador que carga la diferencia.

Un rigidizador de alma es una chapa de acero, normalmente una pletina, soldada al alma para rigidizarla o reforzarla contra un efecto local. El nombre cubre tres trabajos que los principiantes mezclan, así que fijémoslos primero.

Rigidizadores de apoyo, el tema de esta guía

Se colocan directamente bajo una carga concentrada o sobre una reacción de apoyo, alineados con la fuerza. Recorren toda la altura del alma, ajustan contra el ala cargada y actúan como una columna corta que lleva la fuerza más allá del alma. Cuando alguien dice que el alma necesita ayuda bajo una carga puntual, es este rigidizador el que quiere decir.

Rigidizadores intermedios (transversales)

Se espacian a lo largo de una viga armada para elevar la resistencia del alma al pandeo por cortante y, en almas altas y delgadas, anclar el campo de tracción. Responden al cortante, no a una fuerza concentrada, y no necesitan apoyar en el ala. Un problema distinto, del Capítulo G del AISC, citado aquí solo para que nunca confundas los dos.

Chapas de refuerzo (doubler)

En vez de una nervadura cruzando el alma, una doubler engrosa el propio alma con una chapa apoyada contra ella. Es la alternativa cuando el rigidizador de apoyo es difícil de encajar, por ejemplo dentro de la zona de panel de una columna. El resto de este artículo trata del primer tipo, porque es lo que pide una carga concentrada.

El AISC 360 Capítulo J10 no hace una pregunta sobre una fuerza concentrada, hace hasta cinco, cada una una forma distinta en que el ala o el alma ceden. Recórrelas y la lógica de los rigidizadores sale sola.

• Flexión local del ala (J10.1): una fuerza de tracción separa el ala del alma y la flexiona como chapa. Relevante en alas de conexión de momento, resuelta por un rigidizador transversal frente al ala.
• Fluencia local del alma (J10.2): el alma se aplasta bajo la carga donde es más delgada, justo encima del acuerdo. Un estado límite de resistencia, phi = 1,00.
• Abolladura local del alma (J10.3): el alma comprimida se pliega fuera del plano. Un estado límite de estabilidad, phi = 0,75, y en general el que gobierna.
• Pandeo lateral del alma (J10.4): toda el alma se arquea de lado porque el ala cargada puede moverse respecto a la otra. Solo cuando el ala comprimida no está arriostrada.
• Pandeo por compresión del alma (J10.5): una fuerza aplicada en ambas alas a la vez, por ejemplo una viga llegando a cada lado de una columna, pandea toda la altura del alma.

El rigidizador de apoyo es el remedio general: lleva la fuerza como columna, así que responde a la fluencia local, la abolladura, el pandeo lateral y el pandeo por compresión del alma de una vez. Los dos que revisas primero, y los dos que deciden si necesitas rigidizador, son casi siempre fluencia local del alma y abolladura local del alma.

Imagina la carga bajando hacia el alma con una pendiente, aproximadamente 2,5 a 1 a través del ala y el acuerdo, hasta llegar al alma delgada. La longitud de alma que reparte la carga es la longitud de apoyo más ese reparto. La fluencia se alcanza cuando esa longitud, por el espesor del alma, por la tensión de fluencia, iguala a la fuerza:

Carga interior: Rn = Fyw · tw · (5k + lb)

En el extremo o cerca de él: Rn = Fyw · tw · (2,5k + lb)

donde Fyw es la tensión de fluencia del alma, tw el espesor del alma, k la distancia de la cara exterior del ala al pie del acuerdo (usa el valor de diseño kdes, no la dimensión de detalle k1, un desliz clásico), y lb la longitud de apoyo de la carga. Es un estado límite de fluencia, así que phi = 1,00. Fíjate en que el extremo es peor: solo hay medio reparto disponible, 2,5k contra 5k, porque no hay alma del lado de afuera para ayudar.

La abolladura es otro animal. En lugar de que el material fluya, el alma esbelta pierde su forma y se pliega fuera del plano, como una lata de refresco que se arruga cuando aprietas su pared. Por ser un modo de pandeo es mucho menos indulgente, y lleva phi = 0,75. La expresión del AISC junta la geometría del alma y del ala en una sola fórmula:

Interior: Rn = 0,80 tw² [1 + 3(lb/d)(tw/tf)^1,5] √(E Fyw tf / tw)

En el extremo la constante de delante cae a la mitad, a 0,40, y el corchete cambia cuando lb/d pasa de 0,2. La caída a la mitad es la misma historia que la fluencia: un extremo tiene alma de un solo lado.

Dos cosas hacen que la abolladura sea el gobernante habitual. La constante 0,80 (o 0,40) y su naturaleza de pandeo empujan el número hacia abajo, y está movida por tw al cuadrado, así que el alma delgada es castigada dos veces. En perfiles laminados de alma robusta, fluencia y abolladura pasan las reacciones comunes. En vigas armadas altas y de alma delgada, la abolladura es la primera en agotarse.

Toma una viga armada de 1000 mm de altura, con alma de 10 mm, alas de 350 x 20 mm, Fy = 345 MPa. Una columna cae sobre el ala superior en el centro del vano sobre una placa de apoyo de lb = 200 mm, entregando una fuerza de cálculo Pu = 1100 kN. La soldadura alma-ala es un filete de 8 mm, así que k = tf + soldadura = 28 mm. La esbeltez del alma h/tw es 96, delgada lo bastante para que la carga concentrada sea una pregunta real. Haz las dos verificaciones:

El alma aguanta 854 kN antes de abollarse, la columna entrega 1100 kN. Falta 246 kN. Fíjate en que la fluencia (1173 kN) parece segura por sí sola, y te habría engañado si solo hubieras revisado la ecuación de número mayor. La abolladura es el gobernante honesto aquí. El alma necesita ayuda: un rigidizador de apoyo es obligatorio, y tendrá que cargar toda la fuerza concentrada como columna.

Lleva la misma carga de la viga a un apoyo y los números caen, porque un extremo es más débil en ambos criterios. Con una reacción Ru = 700 kN sobre un apoyo lb = 180 mm:

• Fluencia local del alma (extremo): Rn = 345 · 10 · (2,5·28 + 180) = 862 kN.
• Abolladura local del alma (extremo): lb/d = 0,18, por debajo de 0,2, así que aplica la constante 0,40: phiRn = 420 kN.

La fluencia cayó de 1173 a 862 kN, la abolladura de 854 a 420 kN, más o menos la mitad en cada caso. La reacción de 700 kN pasa de largo el límite de 420 kN de la abolladura. Por eso los rigidizadores de apoyo aparecen tanto en los apoyos de vigas armadas y vigas de puente grúa aunque el interior esté bien: la misma alma tiene solo la mitad de la resistencia donde termina. Mantén los dos casos separados, usar la fórmula interior en un apoyo es un error real y contra la seguridad.

Toda verificación J10 empieza por la propia fuerza concentrada, la reacción o carga puntual que el alma tiene que aguantar. Define el vano, suelta una carga puntual donde va la columna o el apoyo y lee la reacción directo en el diagrama. Luego lleva ese número a las verificaciones de fluencia y abolladura de arriba. Cambia la posición y observa cuánto más grande puede ser una reacción de apoyo que una carga puntual en el centro del vano, que es justo por lo que los apoyos son la casa habitual de los rigidizadores de apoyo.

Una vez que el alma queda corta, el rigidizador carga la fuerza. El AISC J10.8 trata un par de rigidizadores de apoyo, uno a cada lado del alma, como una columna corta: las dos chapas más una franja de alma actuando juntas. Tres verificaciones lo dimensionan, y para el caso de 1100 kN de arriba quedan así.

1. Proporciones

Cada chapa tiene que alcanzar bajo el ala y ser bastante gruesa para no pandear por sí sola. Ancho mínimo bst ≥ bf/3 - tw/2 = 350/3 - 5 = 112 mm, así que usa 120 mm. Para que el saliente no pandee localmente, tst ≥ bst / (0,56 √(E/Fy)) = 120/13,5 = 8,9 mm, así que 14 mm queda holgado (b/t = 8,6 contra el límite 13,5).

2. Resistencia de columna

La columna efectiva son las dos chapas de 120 x 14 más una franja de alma de 25tw = 250 mm de ancho (12tw en el extremo del miembro), área total 5860 mm². Su longitud efectiva es 0,75h = 720 mm con K = 0,75, porque las alas sujetan ambos extremos. Eso da KL/r = 27, una columna muy robusta: Fcr = 327 MPa, phiPn = 1722 kN. El pandeo de columna pasa con muchísimo margen, que es la regla.

3. Aplastamiento en el ala

El rigidizador tiene que apoyar en el ala cargada sin aplastar el contacto. Tras recortar las esquinas interiores para liberar la soldadura alma-ala, el área de contacto es 2800 mm², así que phiRn = 0,75 · 1,8 · Fy · Apb = 1304 kN. Esta es la verificación que de verdad gobierna el tamaño, 1304 kN contra la solicitación de 1100 kN, con la verificación de columna muy por encima.

Así que un par de rigidizadores de 120 x 14 mm, ajustados para apoyar, convierte un alma que fallaba a 854 kN en un detalle bueno para 1100 kN. La lección se repite: rara vez es la columna la que dimensiona un rigidizador de apoyo, es el contacto de apoyo y el propio límite b/t de la chapa.

El cálculo es solo la mitad del trabajo. Un rigidizador de apoyo detallado sin cuidado carga mucho menos de lo que prometen los números.

• Ajusta para apoyar. El rigidizador tiene que tocar el ala que recibe la carga. Bajo una carga superior, termina el extremo de arriba para apoyar; sobre un apoyo, el de abajo. Un hueco hace que el alma tome la fuerza primero.
• Recorta las esquinas. Corta una pequeña esquina del borde interior para que el rigidizador libere la soldadura de filete alma-ala. Por eso el ancho de contacto de apoyo es menor que el ancho completo de la chapa.
• Par, no uno solo. Usa una chapa a cada lado del alma para que la carga quede centrada. Un rigidizador de un solo lado flexiona el alma y sirve solo para casos ligeros.
• Suelda al alma. La soldadura alma-rigidizador lleva la fuerza al rigidizador, así que dimensiónala para la fuerza, no a ojo.
• Altura completa para apoyo. Un rigidizador de apoyo recorre toda la altura libre del alma. Los rigidizadores de altura parcial son de la familia intermedia (cortante), no de aquí.

No toda carga concentrada pide rigidizador, y poner uno que no necesitas es fabricación tirada. Los perfiles laminados de ala ancha tienen almas robustas, así que una viga simple apoyada en un muro o una reacción de columna modesta suelen pasar sin nada. Haz los números de J10.2 y J10.3 primero: si ambos phiRn vencen a la fuerza, terminaste.

El alma necesita ayuda cuando el alma es delgada y la carga es pesada: vigas armadas altas, vigas de puente grúa bajo carga de rueda, vigas de transferencia recibiendo una columna, y los apoyos de cualquiera de ellas. Si tu h/tw anda por los 90 y la carga es de cientos de kN sobre un apoyo corto, cuenta con un rigidizador.

Y no confundas esto con los rigidizadores intermedios espaciados a lo largo del alma: esos responden al pandeo por cortante (Capítulo G), no a una fuerza concentrada. Misma palabra, verificación distinta. Una viga alta puede llevar los dos: rigidizadores de apoyo en las cargas y reacciones, intermedios entre ellos para el cortante.

Creer que la fluencia gobierna solo porque su número es mayor

La fluencia del alma tiene phi = 1,00 y a menudo parece mayor, pero la abolladura con phi = 0,75 y tw al cuadrado suele gobernar en almas delgadas. Revisa siempre las dos y quédate con la menor.

Usar la fórmula interior en un apoyo

Los extremos tienen la mitad de la resistencia: 2,5k y no 5k, y 0,40 y no 0,80. Usar 5k+lb o la constante 0,80 en un extremo sobrestima la capacidad, que es el lado peligroso.

Olvidar ajustar el rigidizador para apoyar

Un rigidizador con hueco en el ala cargada no entrega apoyo, y el alma falla primero. El ajuste para apoyar no es opcional en un rigidizador de apoyo.

Confundir rigidizador de apoyo con de cortante

Los rigidizadores de apoyo van bajo cargas concentradas (J10). Los rigidizadores intermedios se espacian para el cortante (Capítulo G). Se dimensionan por verificaciones completamente distintas.

Ignorar el caso de dos alas

Una fuerza entregada en ambas alas a la vez, como una viga llegando a cada lado de una columna, dispara el pandeo por compresión del alma (J10.5). Una carga solo en el ala superior no, así que no lleves esa verificación donde no aplica.

Una fuerza concentrada es un problema local con una cura local. Revisa la fluencia local y la abolladura local del alma, quédate con la menor, y recuerda que la abolladura suele ganar en un alma delgada. Trata un extremo como la mitad de la resistencia de un punto interior. Cuando la fuerza vence al alma, dimensiona un rigidizador de apoyo como columna corta, y espera que el aplastamiento en el ala, y no el pandeo, fije su tamaño. Mantén los rigidizadores de apoyo (cargas concentradas) separados de los intermedios (cortante), y detalla el rigidizador para apoyar o no carga nada. CalcSteel corre las verificaciones J10 en cada miembro mientras modelas, y marca el alma antes de que se vuelva un problema en obra.