Definición y papel estructural
Una columna cajón de acero es un elemento de sección-cerrada con un perfil hueco cuadrado o rectangular, normalmente fabricado soldando cuatro placas de acero a lo largo de sus bordes. La forma cerrada y doblemente simétrica le da a la columna una rigidez a la flexión casi igual en ambos ejes principales y un alto radio de giro para su peso, lo que la convierte en un miembro eficiente para columnas, pilares de puentes y soportes industriales pesados.
El miembro transfiere compresión axial, flexión y torsión a través de la estructura hasta los cimientos. Debido a que la sección está cerrada, se pueden instalar diafragmas internos en los puntos de introducción de carga-y la cavidad puede servir como canal oculto para servicios o llenarse con concreto para formar un miembro de tubo de acero relleno de concreto-(CFST).
Tipos comunes de columnas de caja de acero
Las columnas de caja se clasifican principalmente según la geometría de la sección-transversal. Las tres familias comunes son columnas rectangulares, cuadradas y cónicas.
| Tipo | Forma y comportamiento | Uso típico |
|---|---|---|
| Columna de caja rectangular | Dos dimensiones laterales desiguales; mayor rigidez en la dirección del lado más largo | Estructuras de edificios, pilares de puentes y estructuras de plantas donde se requiere rigidez principalmente en una dirección |
| Columna de cuadro cuadrado | Dimensiones laterales iguales; rigidez idéntica en todas las direcciones horizontales | Soportes, núcleos y miembros arquitectónicos expuestos en un espacio de planta restringido |
| Columna de caja cónica | La sección transversal-se reduce con la altura, siguiendo la envolvente del momento flector | Marquesinas, mástiles y pórticos donde la carga disminuye hacia la parte superior |
Ventajas estructurales de la sección cerrada
Rigidez biaxial equilibrada
Como los momentos de inercia alrededor de los dos ejes principales son casi iguales, la columna no tiene un eje débil. Las cargas que llegan desde cualquier dirección horizontal producen un comportamiento similar de flexión y pandeo, lo que simplifica el diseño de conexiones en pórticos de momento y mejora la respuesta bajo cargas sísmicas multi-direccionales.
Rigidez torsional del tubo cerrado.
Las cuatro placas forman un tubo cerrado que resiste la torsión mucho mejor que una sección abierta I- o H-del mismo peso. Esto es importante siempre que sobre la barra actúen cargas excéntricas, acciones de grúa o momentos de torsión sísmicos.
Uso eficiente del material y bajo peso propio-
El material se coloca en el perímetro de la sección, lejos del centroide, lo que maximiza el radio de giro para una cantidad determinada de acero. El resultado es una columna más liviana para la misma capacidad, lo que reduce las cargas de cimentación y simplifica el manejo y el montaje.
Espacio para servicios y relleno de hormigón.
La cavidad interna se puede utilizar como ruta oculta para cables, tuberías y conductos, o rellenarse con hormigón estructural para formar una columna CFST con mayor capacidad axial, mayor rigidez y resistencia al fuego mejorada, según lo dispuesto en GB 50017, EN 1994-1-1 y AISC 360.
Métodos de fabricación
Fabricación reconstruida-soldada
La ruta estándar para columnas de cajón estructurales es cortar cuatro placas, preparar los bordes, ensamblar el cajón en una plantilla y soldar las cuatro costuras longitudinales mediante soldadura automática por arco sumergido (SAW). Los diafragmas internos y los refuerzos se instalan en las zonas de paneles, empalmes y puntos de introducción de carga-, a menudo mediante soldadura por electroescoria (ESW) donde el acceso está restringido. La ejecución sigue AWS D1.1 o EN 1090-2 con soldadores calificados y procedimientos aprobados.
Conformación en frío y conformación en caliente.
El conformado en frío mediante prensa plegadora se limita a secciones pequeñas y de paredes delgadas-que se utilizan para miembros arquitectónicos livianos. El conformado en caliente, en el que las placas se calientan antes de doblarse, es adecuado para secciones grandes o gruesas donde el conformado en frío no es factible. La mayoría de las columnas-de cajas de carga para edificios y puentes son miembros armados-soldados en lugar de secciones conformadas.
Control de calidad durante la fabricación.
El control de calidad incluye la verificación del espesor de la placa y los certificados de materiales, comprobaciones dimensionales de-sección transversal y rectitud, y pruebas no-destructivas de soldaduras, generalmente pruebas 100% ultrasónicas (UT) en soldaduras críticas de penetración total-con pruebas de partículas magnéticas (MT) cuando sea necesario. La preparación de la superficie sigue la norma ISO 8501-1, normalmente hasta Sa 2,5, antes del recubrimiento según ISO 12944 o la galvanización en caliente según ISO 1461.
Lista de verificación de selección y especificaciones
Defina las combinaciones de carga que rigen y la altura de la columna según GB 50017, AISC 360 o EN 1993-1-1.
Seleccione el tamaño de la sección y el espesor de la placa para satisfacer los límites de resistencia, estabilidad y deflexión.
Elija el grado de acero que coincida con el código vigente: ASTM A572 Grado 50 o 60, EN 10025-2 S355JR/J0/J2 o GB/T 1591 Q355B/C/D/E
Especificar la disposición del diafragma y del refuerzo en las zonas de paneles, empalmes y puntos de introducción de carga-
Indique el estándar de soldadura (AWS D1.1 o EN 1090-2) y los requisitos de END, por ejemplo, 100 % UT en soldaduras críticas.
Defina la preparación de la superficie según ISO 8501-1 Sa 2,5 y el recubrimiento según ISO 12944, o galvanizado en caliente según ISO 1461.
Confirme el tipo de empalme, el método de montaje y si la cavidad se llenará con concreto.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre una columna de caja y una columna sólida?La columna tipo cajón es hueca y el material se concentra en el perímetro. Para el mismo peso, proporciona una mejor resistencia a la flexión y torsión y un mayor radio de giro que una sección sólida, mientras utiliza menos material.
¿Las columnas cajón son adecuadas para zonas sísmicas?Sí. La rigidez biaxial equilibrada y la distribución uniforme de la tensión hacen que las columnas tipo cajón sean muy adecuadas para sistemas estructurales-resistentes a los sismos, diseñados según las disposiciones aplicables de códigos como GB 50017, AISC 341 y EN 1998-1.
¿Se pueden personalizar las columnas del cuadro?Sí. El tamaño de la sección, el espesor de la placa, la calidad del acero, el espaciado del diafragma y el tratamiento de la superficie se pueden ajustar a los requisitos del proyecto, que es una de las razones por las que las columnas tipo cajón soldadas son comunes en las estructuras hechas a medida.
¿Las columnas tipo cajón son resistentes a la corrosión?El acero en sí no es resistente a la corrosión-, pero las columnas tipo cajón brindan una larga vida útil cuando se fabrican con grados apropiados y se protegen con sistemas de revestimiento adecuados según ISO 12944 o galvanizado en caliente-según ISO 1461.
¿Se puede rellenar con hormigón una columna cajón?Sí. Las columnas-de tubos de acero rellenos de hormigón (CFST) combinan la carcasa de acero con un núcleo de hormigón para lograr una mayor capacidad axial, una mayor rigidez y un mejor comportamiento frente al fuego, y están diseñadas según GB 50017, EN 1994-1-1 o AISC 360 Capítulo I.
¿Cuándo es preferible una columna de caja cónica?Las secciones cónicas siguen la envolvente del momento de flexión y ahorran material donde las cargas disminuyen con la altura, como mástiles, marquesinas y marcos de pórticos. Añaden complejidad a la fabricación, por lo que el ahorro debe evaluarse frente al costo adicional.