Empalme y Atiesadores

Capítulo 6 Diseño de miembros cargados axialmente a compresión

EMPALMES DE COLUMNAS

Los empalmes de columnas de edificios de múltiples niveles conviene colocarlos 4 pies arriba de los pisos terminados para permitir la unión de cables de seguridad a las columnas, según se requiera en bordes o aberturas de pisos. Este desfasamiento también nos permite impedir que los empalmes interfieran con las conexiones de vigas y columnas. En la Figura 6.2 se muestran empalmes típicos de columnas. Se muestran muchos ejemplos más en la Tabla 14-3 del Manual AISC. Los extremos de las columnas son usualmente maquinados de manera que pueden colocarse firmemente en contacto entre sí  para fines de transmisión de la carga. Cuando las superficies de contacto han sido maquinadas, una gran parte de la compresión axial (si no es que toda) puede transferirse a través de las áreas de contacto. Sin embargo, es obvio que las placas de empalme son necesarias, aun cuando se tenga contacto pleno entre las columnas y que sólo cargas axiales estén implicadas. Por ejemplo, es necesario mantener juntas las dos secciones de la columna durante el montaje y después. Lo que se necesita para mantenerlas unidas se  basa principalmente en la experiencia y buen juicio del ingeniero estructurista. Las placas de empalme son aún más necesarias cuando se consideran las fuerzas cortantes y momentos que existen en las columnas reales sometidas a cargas excéntricas, a fuerzas laterales, a momentos, etcétera.

Es obvio que existe una gran diferencia entre los empalmes a tensión y los empalmes a compresión. En los empalmes a tensión, toda la carga tiene que transferirse a través del empalme, en tanto que, para los miembros a compresión, gran parte de la carga puede transferirse directamente por apoyo de una columna sobre otra. En este caso, el material del empalme es necesario para transmitir solamente el resto de la carga que no se transmite por contacto.

 Figura 6.2

 Figura 6.2

Empalmes de columnas. a) Columnas de la misma serie W con peraltes totales  próximos entre sí (dinf < 2 plg mayor que el dsup). b) Columnas de series W diferentes.

La magnitud de la carga que deben soportar las placas de empalmes es difícil de estimar. Si los extremos de las columnas no se maquinan, las placas deberán diseñarse para soportar el 100% de la carga. Cuando las superficies se maquinan y sólo trabajan bajo la acción de cargas axiales, la magnitud de la carga que soportan las placas puede estimarse entre un 25 y un 50% de la carga total. Si se trata de flexión, quizá del 50 al 75% de la carga total será absorbida por el material de empalme. Las especificaciones para puentes estipulan muy detalladamente los requisit os que deben cumplir los empalmes para miembros sujetos a compresión, pero la Especificación del AISC no procede así. En la Sección J 1.4 de la Especificación del AISC se dan unos cuantos requisitos generales. La Figura 6.2(a) muestra un empalme que puede usars e para columnas con prácticamente los mismos peraltes nominales. El estudiante notará en el Manual del AISC que los  perfiles W de un tamaño nominal dado pueden dividirse en grupos que son rolados con el mismo conjunto de rodillos. Debido a las dimensiones fijas de cada conjunto de rodillos, las distancias libres entre patines son constantes para cada perfil en ese grupo, aunque sus peraltes totales pueden variar considerablemente. Por ejemplo, la distancia interior para cada una de las 28 formas (de la W14 X 61 a la W14 >< 730) es de 12.60  plg aproximadamente, aunque sus peraltes totales varían de 13.9 plg a 22.4 plg. (Observe que los valores T, que son las distancias ente las puntas del alma de los filetes, son todos de 10 plg para la W14 X 90 hasta la W14 x 730.) Es muy económico usar los empalmes simples de la Figura 6.2(a). Esto puede lograrse fácilmente cuando se usa una serie de perfiles en tantos pisos de un edificio como sea  posible. Por ejemplo, podemos seleccionar una sección W14 de columna específica para el piso superior o los dos pisos superiores de un edificio y luego seleccionar secciones W14 cada vez más pesadas conforme descendemos por el edificio. Podemos también cambiar a columnas de acero de mayor resistencia al descender por el edificio, lo que nos  permite permanecer

Empalmes de columnas soldadas para el Edificio del Estado de Colorado, Denver, CO. (Cortesía del Lincoln Electric Company.)

con la misma serie W en más pisos. Será necesario usar placas de relleno entre las  placas de empalme y la columna superior si ésta tiene un peralte total considerablemente menor que el de la columna inferior. En la Figura 6.2(b) se muestra un tipo de empalme que puede usarse para columnas de iguales o diferentes peraltes nominales. Para este tipo de empalme, la placa a tope se suelda en el taller a la columna inferior, y los ángulos sujetadores que se usan para el montaje de campo se sueldan en el taller a la columna superior. Los tornillos de montaje mostrados se colocan en el campo, y la columna superior se suelda en el campo en la placa a tope. La soldadura horizontal en esta placa resiste los esfuerzos de corte y los momentos en las columnas. A veces se usan los empalmes sobre los cuatro lados de las columnas. Los empalmes de alma se atornillan y se sueldan en el campo a las almas de las columnas. Los empalmes de patín se sueldan en el taller a la columna inferior y se sueldan en el campo a la columna superior. Las placas de alma se designan como placas de cortante y las placas de patín como placas de momento. Para edificios de niveles múltiples, las columnas se pueden fabricar para uno o más niveles. Teóricamente, los tamaños de columnas se pueden cambiar en cada nivel de piso, de manera que resulte el peso mínimo total de columnas. Sin embargo, los empalmes necesarios en cada piso son costosos, y por ello es usualmente más económico usar los mismos tamaños de columnas en por lo menos dos pisos, aunque el peso total de acero será mayor. Rara vez se usan los mismos tamaños en tres pisos debido a la dificultad de montar

columnas de tal altura. Las columnas de dos pisos de altura pueden montarse sin mayor problema.

Capítulo 15 Conexiones en edificios

ATIESADORES DE ALMAS DE COLUMNAS

Si una columna a la que se conecta una viga se flexiona apreciablemente en la conexión, el momento resistente de ésta se reducirá sin importar qué tan buena sea la conexión. Además, si la placa superior de la conexión, al tratar de separarse de la columna, tiende a flexionar al patín de ésta, como se muestra en la parte (a) de la Figura 15.20, la parte media de la soldadura puede quedar sobreesforzada (parecido a la acción separadora para tornillos que se estudió en el Capítulo 13). Cuando existe el peligro de que el patín de la columna se flexione, como se describe aquí, debemos asegurarnos de que se proporcione el momento resistente calculado en la conexión. Esto puede lograrse usando una columna más pesada con patines más rígidos

o añadiendo placas atiesadoras al alma de la columna, como se muestra en la parte (b) de la Figura 15.20. Casi siempre es más conveniente usar una columna más pesada, porque las placas atiesadoras en el alma de la columna resultan caras y molestas en su uso. 

Los arquitectos objetan el uso de placas atiesadoras en el alma de las columnas  por la dificultad que presentan al libre paso de tuberías y conductos por la parte interior de éstas. Figuras 15.20

sin embargo, esta dificultad puede vencerse fácilmente. Primero, si la conexión es sólo a un patín de la columna, el atiesador no tiene que extenderse más allá de la mitad del  peralte de la columna, como se muestra en la parte (b) de la Figura 15.20. Si la conexión se hace en ambos patines de la columna, las placas atiesadoras de la misma pueden recortarse para permitir el paso de los conductos, las tuberías, etc., como se muestra en la  parte (c) de la figura.

Si las fuerzas LRFD o ASD aplicadas desde el patín de la viga a la columna son mayores que cualquiera de esos valores dados por las ecuaciones del AISC para la flexión local del patín, la fluencia local del alma, el aplastamiento del alma, además del pandeo por compresión del alma, será necesario usar atiesadores de columnas o placas de refuerzo  para el alma de la columna o seleccionar una columna con un patín más grueso. Las ecuaciones de estos elementos se presentaron anteriormente en el Capítulo 10 de este libro.

El Manual del AISC presenta una serie de reglas para el diseño de atiesadores del alma de columnas. Estas se dan en la Especificación JIO del AISC.

1.

El ancho del atiesador más la mitad del espesor del alma de la columna no debe ser menor que un tercio del ancho del patín de la viga o de la mitad de la placa de conexión por momento que transmite la fuerza concentrada.

2.

El espesor del atiesador no debe ser menor que tf/2 0 que la mitad del espesor de la placa de conexión por momento que transmite la carga concentrada y tampoco menor que el ancho dividido por 16.

3.

Si hay una conexión por momento aplicada sólo a un patín de la columna, la longitud de la placa del atiesador no tiene que exceder de la mitad del peralte de la columna.

4.

La placa del atiesador debe soldarse al alma de la columna con una resistencia suficiente para tomar la fuerza causada por el momento desbalanceado s

Bibliografía:  

Diseño de Estructuras de Acero McCormac 5Ed. Especificación ANSI/AISC 360-10 para Construcción de Acero-versión en español

5.

obre los lados opuestos de la columna.