¿Cómo se diseñan las columnas compuestas según las normas actuales?

En el diseño de columnas compuestas, el cálculo de la esbeltez relativa es crucial para determinar la resistencia frente a la pandeo. La esbeltez relevante, denotada como λ, es una de las variables más importantes, y su valor dependerá de la geometría de la sección transversal y del tipo de material utilizado. La resistencia de estas columnas compuestas puede verse afectada por diferentes factores, como el refuerzo del concreto y las propiedades de los materiales de acero. Según la norma EC3, los diagramas de pandeo correspondientes a secciones transversales de columnas compuestas están proporcionados en la tabla 7.5, donde ρs se refiere a la relación de refuerzo (As/Ac).

En términos generales, el factor de reducción de resistencia, ϕ, se toma como 0.75, y la fórmula que rige el cálculo de la carga axial nominal es:

cuando $\frac{P_{no}}{P_e} \leq 2.25$. Si el cociente excede este valor, la fórmula se ajusta a:

Donde $P_e$ es la carga crítica de pandeo elástico determinada de acuerdo con las normas del capítulo C o el apéndice 7. Esta fórmula permite conocer la carga máxima que puede soportar la columna sin comprometer su estabilidad.

La resistencia nominal de una columna compuesta también se determina por la fórmula:

En cuanto a las columnas compuestas rellenas, se especifican ciertas limitaciones, como la necesidad de que el área de la sección de acero estructural sea al menos el 1% del área total de la sección compuesta. Aunque el refuerzo longitudinal no es obligatorio, si se proporciona, el refuerzo transversal interno no será necesario para la resistencia, aunque sí debe cumplirse con un mínimo de refuerzo transversal. Este refuerzo puede incluir barras de acero de diferentes diámetros, que deben estar distribuidas a intervalos regulares.

Para los miembros compuestos llenos, la fórmula de compresión para secciones compactas se expresa como:

En columnas delgadas, se utilizan ecuaciones adicionales para determinar la carga crítica de pandeo y ajustar los cálculos en consecuencia. Estas ecuaciones consideran la interacción entre los materiales de la columna, el refuerzo y el concreto, y permiten calcular la resistencia axial crítica.

El diseño de las columnas compuestas de acero y concreto también involucra el análisis de fuerzas combinadas. En estructuras de vigas-columnas, como se describió previamente, el análisis de la resistencia a compresión y flexión debe considerar la interacción entre estos dos efectos. La influencia de las fuerzas de corte transversales en la resistencia combinada de flexión y compresión debe ser tomada en cuenta, especialmente cuando las fuerzas de corte exceden el 50% de la resistencia de diseño de la sección de acero.

El factor de reducción de resistencia para el miembro de tensión es diferente y se establece en ϕ = 0.9. Para estos casos, la capacidad axial de tensión es calculada a partir de:

Es importante destacar que, en general, las secciones compuestas ofrecen ventajas significativas en términos de capacidad de carga y resistencia al pandeo, debido a la combinación de las propiedades del concreto y el acero. Estas ventajas son más evidentes cuando se trata de columnas o miembros estructurales de grandes dimensiones, en los cuales el comportamiento combinado de estos materiales resulta más eficiente que si se utilizaran de forma aislada.

La interacción entre las fuerzas de compresión y flexión, especialmente en el caso de secciones delgadas o no compactas, es uno de los aspectos más complejos en el diseño de columnas compuestas. El cumplimiento de las normativas de diseño, como las definidas en el EC3 o las recomendaciones de la AISC, es fundamental para garantizar la seguridad y la eficiencia de la estructura. El uso adecuado de las fórmulas de interacción y la consideración de las condiciones de carga específicas para cada caso son esenciales para un diseño estructural efectivo y seguro.

¿Cómo se diseña una conexión de acero con elementos de compresión, cortante y tensión en estructuras metálicas?

El diseño de conexiones en estructuras de acero es uno de los aspectos más críticos cuando se construye una edificación metálica, debido a que estos puntos son donde se transmiten las fuerzas entre los elementos estructurales. Para garantizar que las conexiones soporten las cargas y no fallen durante su uso, se deben tener en cuenta varios factores, entre los cuales destacan las características del material, las dimensiones de los elementos, y el tipo de esfuerzo que experimentan, tales como compresión, cortante o tensión.

En el caso de una columna, la parte de la web que está expuesta a fuerzas cortantes se debe calcular para determinar su capacidad máxima de carga sin que ocurra una falla. La fórmula para la capacidad de carga cortante de la web de una columna es:

Por otro lado, la web de la columna también puede estar sometida a compresión. Para este tipo de esfuerzo, se utiliza la siguiente ecuación para determinar la resistencia de compresión de la web:

El factor de reducción $\omega$ se utiliza para ajustar la resistencia de compresión de la columna según la interacción con los esfuerzos cortantes. Este factor varía dependiendo de la relación de momento flexionante de la columna, y se calcula con base en una tabla proporcionada por las normas internacionales, que incluyen diversos valores para diferentes condiciones de carga.

Una consideración importante es el cálculo de la capacidad de compresión por pandeo de la web. Esto se calcula con la fórmula:

Donde $\lambda_p$ es la delgadez de la placa calculada a partir de las dimensiones geométricas de la web. Este factor de reducción, $\rho$, se aplica cuando la delgadez de la placa supera un umbral crítico, lo que podría llevar a que la placa se pandee bajo cargas de compresión.

Cuando se diseña una base para una columna, la resistencia de la placa base es de particular importancia. El diseño de la placa base se basa en la compresión y el esfuerzo cortante transmitido a través de los pernos de anclaje. En este caso, se emplean fórmulas específicas para calcular la resistencia de la placa base bajo las fuerzas concentradas:

Donde $f_{jd}$ es la resistencia de la junta calculada en función de las propiedades del material del cemento o mortero, y $b_{eff}$ y $l_{eff}$ son las dimensiones efectivas de la placa base. Asegurarse de que la presión en la placa base no supere la resistencia de diseño es fundamental para garantizar la estabilidad de la columna.

La interacción de las fuerzas de corte y compresión dentro de las conexiones de acero debe tenerse en cuenta cuidadosamente. La interacción entre el esfuerzo cortante, las cargas axiales y los momentos flexionantes puede reducir significativamente la capacidad de carga de una conexión si no se evalúan correctamente. Además, los factores de seguridad y los coeficientes de reducción son esenciales para asegurar que las estructuras de acero sean resistentes y seguras bajo condiciones de carga variable.