En edificios de acero de varios-pisos y de gran-altura, con frecuencia se requiere que las columnas resistan demandas de flexión comparables en dos direcciones perpendiculares, particularmente en las esquinas y las ubicaciones del núcleo o dentro de marcos compuestos de acero-hormigón-reforzado (SRC). Una sección H-convencional tiene un eje fuerte y un eje débil, por lo que una sola orientación puede resultar antieconómica o infrautilizada. La columna cruciforme de acero, también conocida como columna en forma de cruz-o en forma de cruz-, es una sección construida soldada-que resuelve este problema al proporcionar rigidez y resistencia casi idénticas en ambos ejes principales.
¿Qué es una columna cruciforme de acero?
Una columna cruciforme es un miembro estructural cuya sección transversal-toma la forma de un signo más. Normalmente se fabrica soldando dos secciones en T-(divididas longitudinalmente a partir de una viga en H-) al alma de una sección en H-principal, de modo que las almas se crucen en el centro y las cuatro alas formen los cuatro brazos de la cruz. La sección terminada se comporta como un miembro bi-simétrico, lo que significa que su radio de giro y rigidez a la flexión están muy cerca en las dos direcciones ortogonales.
Componentes principales
Webs:las placas longitudinales que se cruzan y que forman el núcleo central de la sección y soportan la mayor parte de la carga axial.
Bridas:los cuatro brazos exteriores que resisten principalmente los momentos de flexión y proporcionan la superficie de apoyo para las conexiones de las vigas.
Refuerzos transversales y longitudinales:Se añaden placas a intervalos para controlar el pandeo local de las placas y distribuir las fuerzas concentradas.
Diafragmas internos:placas colocadas en las zonas de conexión de viga-a-columna para transferir fuerzas suavemente a través del núcleo cerrado.
Placas base y vigas de zapata:Conjuntos inferiores pesados que anclan la columna a la base de concreto.
Pernos de corte:Fijaciones soldadas que se utilizan cuando la columna está revestida de hormigón, para desarrollar una acción compuesta entre el acero y el hormigón.
Ventajas clave de ingeniería de las columnas cruciformes
Rigidez biaxial igual
Debido a que la sección es simétrica con respecto a ambos ejes principales, no hay un eje débil pronunciado. Para columnas que deben resistir fuerzas del viento o sísmicas desde cualquier dirección, esto simplifica el diseño y evita la necesidad de orientar la sección con precisión.
Alta resistencia a la torsión
En comparación con las secciones abiertas, la configuración del alma que se cruza le da a la columna cruciforme una mayor rigidez torsional, lo cual es valioso en columnas de esquina y en conexiones donde las vigas se estructuran desde cuatro direcciones.
Buena ductilidad sísmica
La geometría compacta y dúctil permite una disipación de energía estable bajo carga cíclica. Cuando-se rellena o recubre concreto, la sección compuesta combina el confinamiento del concreto circundante con la resistencia del núcleo de acero, que se usa ampliamente en regiones de alta-sísmica-regiones.
Eficiencia espacial
La huella compacta de una columna cruciforme se puede ocultar dentro de las paredes divisorias más fácilmente que una sección de brida ancha-, lo que aumenta el área de piso utilizable en torres residenciales y de oficinas.
Para proyectos con límites estrictos de deflexión o vibración, el diseño siempre debe verificarse con el código vigente, como GB 50017 para proyectos en China, AISC 360 para América del Norte o el código nacional correspondiente en la ubicación del proyecto.
Columna cruciforme de acero frente a columna de sección H-
| Artículo de comparación | H-Columna de sección | Columna cruciforme (en forma de cruz-) |
|---|---|---|
| Sección transversal- | Forma de H, mono-simétrica con respecto a un eje | Forma más, bi-simétrica con respecto a ambos ejes |
| Comportamiento de flexión | Eje fuerte y eje débil; menor capacidad sobre el eje débil | Rigidez y capacidad casi iguales en ambas direcciones |
| Resistencia torsional | relativamente bajo | Más alto, debido al núcleo web que se cruza |
| Fabricación | Secciones laminadas en caliente-estándar o soldadura de placas simple | Construido-: división de vigas en H-, ajuste de secciones en T-y soldadura de múltiples-pasadas |
| Flexibilidad de conexión | Las vigas generalmente se enmarcan en la cara del ala. | Permite que las vigas se enmarquen desde cuatro direcciones con detalles limpios. |
| Posición de costos típica | Menor insumo de fabricación por tonelada | Mayor insumo de fabricación, justificado cuando se necesita capacidad biaxial |
| Aplicaciones típicas | Estructuras de poca- y media- altura, edificios industriales y almacenes | Núcleos-de gran altura, marcos compuestos SRC, edificios públicos de gran-luz, zonas sísmicas-altas |
La elección entre los dos perfiles es una decisión de diseño. Las secciones H-siguen siendo la solución más económica para marcos ordinarios con flexión predominantemente uni-direccional. Las columnas cruciformes se seleccionan cuando se requiere resistencia multidireccional uniforme, alta rigidez torsional u ocultación compacta.
Proceso de fabricación y control de calidad.
La ruta de compra típica para una columna-en forma de cruz es:
Preparación de materiales:Corte de placas mediante llama CNC o plasma, seguido de preparación del bisel del borde para soldaduras de penetración total.
Conjunto de sección H-:Las placas de alma y brida se sueldan en una sección H-y se enderezan para eliminar la distorsión de la soldadura.
División longitudinal:la sección H-se corta a lo largo de la línea central del alma para producir dos secciones T-con geometría coincidente.
Montaje cruciforme y soldadura:Las dos secciones T-se colocan en el alma de la sección H-principal y se sueldan, normalmente con soldadura por arco sumergido (SAW) en secuencias controladas para limitar la distorsión.
Montaje e inspección:Se colocan refuerzos, ménsulas y placas base, seguido de comprobaciones dimensionales y pruebas no-destructivas (NDT).
Las calificaciones de los procedimientos de soldadura deben cumplir con AWS D1.1 y la ejecución de fabricación con EN 1090 cuando se aplique el marco europeo. Las soldaduras críticas generalmente se examinan mediante pruebas ultrasónicas (UT) o de partículas magnéticas (MT), y la trazabilidad del material se documenta mediante certificados de fábrica emitidos de acuerdo con EN 10204. Se recomienda el pre-ensamblaje en taller de nodos complejos para confirmar la alineación de los orificios antes de la entrega.
La protección contra la corrosión debe seguir la norma ISO 12944: para exposición exterior o marina, comúnmente se especifica una imprimación rica en zinc-con una capa intermedia de epoxi y una capa superior de poliuretano, o galvanización por inmersión en caliente-; el sistema exacto depende de la categoría de corrosividad del sitio del proyecto.
Aplicaciones típicas de las columnas cruciformes de acero
Edificios-de gran-raza y super{1}altos:columnas centrales y perimetrales en marcos compuestos de acero-hormigón, donde la resistencia biaxial y el rendimiento sísmico son fundamentales.
Estructuras compuestas SRC:columnas de hormigón-reforzado-de acero que combinan un núcleo de acero cruciforme con un revestimiento de hormigón armado y montantes de corte.
Edificios públicos-de luces largas:estadios, terminales de aeropuertos y salas de exposiciones donde las columnas sostienen pesadas vigas espaciales y sistemas de techo.
Plantas industriales:carga primaria-columnas portadoras sujetas a cargas dinámicas o de impacto.
Plataformas de acero de varios-niveles:bastidores de carga-independientes para equipos de proceso y estructuras de entrepiso.
Puede revisar la gama completa de columnas y vigas soldadas en la categoría de productos columnas y vigas.
Preguntas frecuentes
¿Cómo se fabrica una columna cruciforme de acero?La ruta convencional es ensamblar una sección H-, dividirla longitudinalmente en dos secciones T-y soldar las secciones T-al alma de otra sección H-para formar la cruz. El proceso es maduro y adecuado para secciones transversales grandes-y altas capacidades de carga axial.
¿Cuándo debo elegir una columna cruciforme en lugar de una sección H-?Elija una columna cruciforme cuando la columna deba resistir una flexión significativa en dos direcciones, cuando se requieran conexiones de vigas de cuatro-vías, cuando la rigidez torsional sea importante o cuando la huella de la columna deba ocultarse dentro de las paredes. Para marcos unidireccionales-simples, una sección H- suele ser más económica.
¿Qué tipos de conexión se utilizan habitualmente para las columnas cruciformes?Las conexiones de placa base, empalmes de columnas, conexiones de viga-a-columna y conexiones de arriostramiento son todas estándar. En estructuras espaciales o sistemas de armadura, los miembros a menudo están conectados a placas de refuerzo con pernos o soldadura de alta-resistencia, detallados de acuerdo con el código de diseño vigente.
¿Qué protección contra la corrosión se recomienda?Para ambientes interiores secos, suele ser suficiente una imprimación alquídica anticorrosiva con una capa superior. Para ambientes expuestos o marinos, se debe especificar-galvanización por inmersión en caliente o un sistema multi-capa de imprimación rica en zinc-, capa intermedia de óxido de hierro micáceo epoxi y capa superior de poliuretano, y el sistema se selecciona de acuerdo con la categoría de corrosividad ISO 12944.
¿Cómo se verifica la calidad de la soldadura en columnas cruciformes?Las soldaduras de campo y de taller en los nodos que se cruzan son críticas. La soldadura debe ser realizada por soldadores calificados de acuerdo con AWS D1.1 o el código aplicable, y las soldaduras críticas generalmente están sujetas a pruebas 100 % ultrasónicas (UT) con seguimiento de partículas magnéticas (MT)-cuando sea necesario.
¿Se pueden utilizar columnas cruciformes en estructuras compuestas (SRC)?Sí. El núcleo cruciforme de acero se puede encerrar en hormigón armado con pernos de corte soldados a las alas y al alma, creando una columna de hormigón-armado-de acero que combina una alta capacidad axial con un excelente rendimiento sísmico.