¿Qué es una columna de caja de acero?
Una columna cajón de acero es un elemento vertical-de sección cerrada con un perfil hueco cuadrado o rectangular, que normalmente se fabrica soldando cuatro placas de acero a lo largo de sus bordes longitudinales. La forma cerrada y doblemente simétrica le da a la columna una rigidez a la flexión casi igual alrededor de ambos ejes principales, lo cual es una ventaja decisiva para los miembros que reciben cargas desde varias direcciones en un marco de gran altura.
Las columnas cajón resisten cargas de gravedad axial, fuerzas sísmicas y de viento lateral, y los momentos de flexión transferidos desde vigas y tirantes. Aparecen en núcleos de edificios, pórticos perimetrales, estructuras de transferencia y soportes de techos de luces largas-. El núcleo hueco puede permanecer vacío o llenarse con hormigón estructural para crear una columna de tubo de acero relleno de hormigón (CFST), que combina la resistencia a la tracción del acero con la masa de compresión y la rigidez del hormigón.
Por qué las columnas tipo cuadro funcionan bien en marcos-de gran altura
En comparación con las secciones abiertas como las columnas H-, la sección de caja cerrada cambia el comportamiento estructural del miembro de maneras que son directamente relevantes para los edificios altos.
Rigidez torsional de sección cerrada-
Debido a que las cuatro placas forman un tubo cerrado, una columna cajón resiste la torsión mucho más eficazmente que una sección abierta I- o H-de peso similar. Esto es importante allí donde actúan sobre la estructura cargas de fachada asimétricas, acciones de grúa o momentos de torsión sísmicos. El beneficio proviene de la propia geometría cerrada y se aplica independientemente del grado del acero.
Rigidez biaxial equilibrada y comportamiento de pandeo
Con momentos de inercia casi iguales alrededor de ambos ejes principales, la columna de caja no tiene un eje débil pronunciado. Por lo tanto, la resistencia a la flexión y al pandeo es estable bajo cargas provenientes de cualquier dirección, lo que simplifica el diseño de la conexión y reduce el riesgo de falla del eje débil-durante eventos sísmicos. Las reglas de diseño para secciones cerradas siguen las mismas disposiciones nacionales que otros miembros de acero, como GB 50017, AISC 360 y EN 1993-1-1.
Opción rellena de hormigón-(CFST)
Rellenar el núcleo con hormigón estructural aumenta la capacidad axial y la rigidez a la flexión y mejora el comportamiento frente al fuego, porque la masa de hormigón absorbe calor mientras la carcasa de acero confina el núcleo. El comportamiento compuesto de los miembros CFST está cubierto por GB 50017, EN 1994-1-1 y AISC 360 Capítulo I, y esta opción se elige con frecuencia para columnas de pisos inferiores muy cargadas.
Columna de caja frente a columna de sección H-frente a columna de hormigón armado
| Propiedad | Columna de caja de acero | H-Columna de sección | Columna de hormigón armado |
|---|---|---|---|
| Sección transversal- | Hueco cuadrado o rectangular cerrado | Abrir forma de I- | Sección de fundición sólida |
| rigidez biaxial | Casi igual en ambos ejes | Eje fuerte dominante, eje débil limitado | Casi igual |
| Resistencia torsional | Acción de tubo alta y cerrada. | Bajo | Moderado |
| Relación fuerza-a-peso | Alto | Alto | Bajo |
| Relleno de hormigón | Posible opción CFST | No típico | No aplicable |
| Velocidad de erección | Rápido, prefabricado | Rápido, prefabricado | Lento, encofrado y curado. |
| Resistencia al fuego | Requiere protección | Requiere protección | inherentemente mejor |
Consideraciones de diseño y fabricación
Selección de materiales
El material de la placa se elige para que coincida con el código de diseño vigente y las especificaciones del proyecto. Los grados de construcción soldada-comunes incluyen ASTM A572 Grado 50 o Grado 60, EN 10025-2 S355JR/J0/J2 y GB/T 1591 Q355B/C/D/E; Se puede utilizar ASTM A36 o EN 10025-2 S235JR cuando sea aceptable una resistencia más baja. Para miembros con mucha restricción en las conexiones, se pueden especificar propiedades de espesor pasante para proteger contra el desgarro laminar.
Soldadura y fabricación
Las columnas tipo cajón normalmente se construyen a partir de cuatro placas con soldaduras longitudinales de total-penetración realizadas mediante soldadura automática por arco sumergido (SAW). Se colocan diafragmas internos y refuerzos en las zonas de los paneles, empalmes y puntos de introducción de carga-, a menudo soldados mediante soldadura por electroescoria (ESW) o procesos de núcleo fundente-. La ejecución sigue AWS D1.1 o EN 1090-2, con soldadores calificados y especificaciones de procedimientos de soldadura aprobadas.
Control de calidad
Las soldaduras críticas se examinan mediante pruebas ultrasónicas (UT) y pruebas de partículas magnéticas (MT). La preparación de la superficie sigue la norma ISO 8501-1, normalmente Sa 2,5, antes de aplicar los sistemas de revestimiento especificados según la norma ISO 12944, o la galvanización por inmersión en caliente- según la norma ISO 1461, donde se requiere protección contra la corrosión. La inspección dimensional cubre-el tamaño de la sección transversal, la rectitud, la cuadratura y la preparación del extremo del empalme.
Para obtener una descripción general de los tipos de columnas disponibles, consulte nuestra gama de columnas de acero estructural en columnas y vigas.
Aplicaciones típicas en construcción-de gran altura
Columnas centrales y perimetrales en pórticos de acero y compuestos momento
Transfiera columnas que soporten grandes-plantas inferiores y estructuras de podios de planta abierta.
Columnas de esquina en los límites de la pared central-donde se necesita una alta resistencia al pandeo local
Columnas arquitectónicas expuestas donde las superficies limpias y al ras son parte de la intención del diseño.
Soportes de podio y techo de gran-luz donde la reducción del peso propio- beneficia el diseño de los cimientos
Preguntas frecuentes
P: ¿Una columna de cuadro es simplemente una columna H-con placas adicionales?
No. Una columna H- es una sección abierta con un eje débil pronunciado, mientras que una columna cajón es una sección cerrada con rigidez biaxial equilibrada y una resistencia a la torsión mucho mayor. Los dos están diseñados y detallados de manera diferente, incluida la ubicación del diafragma y el acceso a la soldadura.
P: ¿Las columnas tipo cajón necesitan protección contra incendios?
Sí. Como todo acero estructural, las columnas cajón requieren protección contra incendios cuando el código aplicable lo exige, normalmente mediante revestimiento intumescente, revestimiento o relleno de hormigón. La opción CFST utiliza el propio núcleo de hormigón como parte de la estrategia contra incendios.
P: ¿Se puede soldar cualquier espesor de placa en una columna de caja?
Los límites prácticos los establecen el acceso a la soldadura, el diseño de las juntas, el control de la distorsión y la capacidad de END más que el concepto en sí. Las placas gruesas requieren una preparación del bisel, un aporte de calor controlado y procedimientos de soldadura adecuados, por lo que la fabricación normalmente la llevan a cabo talleres cualificados de acero estructural.
P: ¿Una columna de cuadro es siempre más cara que una columna H-?
No necesariamente. El costo unitario de fabricación es mayor debido a la preparación de la placa y a las cuatro soldaduras longitudinales, pero la eficiencia del material y el peso estructural reducido pueden compensar esto en miembros delgados o muy cargados. La comparación debe hacerse sobre el costo total de instalación, incluidos cimientos, conexiones y protección contra incendios.
P: ¿Las columnas cajón son adecuadas para el diseño sísmico?
Sí. Con rigidez equilibrada en ambos ejes, las columnas cajón se utilizan ampliamente en pórticos sísmicos y están diseñadas según las mismas disposiciones que otros miembros de acero, por ejemplo GB 50017 junto con las reglas de detalles sísmicos de AISC 341 o EN 1998-1.
P: ¿Se pueden unir las columnas de caja en el sitio?
Sí. Los empalmes pueden ser atornillados con placas de cubierta o soldados, según el diseño. Las soldaduras de taller de penetración total-y los extremos de empalme cuidadosamente preparados, verificados mediante END, son una práctica estándar para la construcción de gran-raza.