Viga de sección reducida (RBS): cómo funciona el «hueso de perro» en marcos de acero
En un marco dúctil de acero, la energía del sismo se debe disipar en las vigas, cerca de las columnas, mediante articulaciones plásticas. El problema es que justo ahí está la unión soldada de los patines con la columna, el punto más delicado de todo el marco. La viga de sección reducida —RBS, por reduced beam section, o «hueso de perro» por la forma que deja el corte— resuelve ese conflicto de una manera casi contraintuitiva: debilita la viga a propósito, un poco más adentro del claro, para que la articulación se forme lejos de la soldadura.
De dónde viene: la lección de Northridge
Antes del sismo de Northridge de 1994, la conexión de patines soldados con alma atornillada se consideraba dúctil y económica. El sismo mostró lo contrario: la mayor parte del daño en marcos de acero soldados —alrededor del 80 %, según la revisión de Morrison, Schweizer y Hassan (2015)— fueron fracturas que nacían en la soldadura de penetración completa del patín de la viga o muy cerca de ella.
La investigación posterior concluyó que mejorar sólo la soldadura no bastaba: también había que alejar de ella la demanda inelástica. Desde entonces, las disposiciones sísmicas del AISC (AISC 341) exigen que la conexión de un marco especial demuestre con ensayos cíclicos que alcanza al menos 0.04 rad de distorsión de entrepiso sin pérdida excesiva de resistencia. Las conexiones que ya pasaron ese proceso se recogen como precalificadas en la norma AISC 358, y la RBS es una de ellas, de dominio público.
Cómo funciona el «hueso de perro»
Se recortan los dos patines de la viga con un corte curvo, simétrico, a cierta distancia de la columna. En esa zona el módulo plástico baja, de modo que, al crecer el momento, la viga fluye primero en la sección reducida y no en la cara de la columna. La articulación plástica queda «anclada» en un lugar conocido y la soldadura trabaja con una demanda menor.
El corte circular es el más usado porque cambia el ancho del patín de forma gradual, sin esquinas que concentren esfuerzos. Las disposiciones sísmicas prohíben los cambios bruscos de área del patín en la zona donde se espera la articulación; recortarlo sólo se permite cuando los ensayos demuestran que la configuración desarrolla una articulación estable, como es el caso de la RBS precalificada.
En la nomenclatura de la norma: el corte empieza a una distancia a de la cara de la columna, mide b de largo y quita una profundidad c de cada lado de cada patín. La articulación se supone al centro del corte, a Sh = a + b/2 de la cara.
La geometría del corte: a, b y c
Tres dimensiones definen la RBS, y AISC 358 limita cada una en función del ancho del patín bf o del peralte d de la viga:
- a, distancia de la cara de la columna al inicio del corte: entre 0.5·bf y 0.75·bf.
- b, longitud del corte: entre 0.65·d y 0.85·d.
- c, profundidad del corte en cada borde del patín: la norma la acota como fracción de bf. Es el parámetro que más controla cuánto se debilita la viga.
Con esas medidas, el módulo plástico de la sección reducida es:
ZRBS = Zx − 2·c·tbf·(d − tbf)
donde tbf es el espesor del patín. La guía técnica del NEHRP sobre marcos especiales de acero recuerda que, con RBS, la resistencia a flexión de la viga se revisa en dos lugares: en la cara de la columna y en la sección reducida.
El procedimiento de diseño, paso a paso
La RBS es diseño por capacidad puro: todo lo que no es el fusible se diseña para lo que el fusible puede desarrollar.
- Revisar que la viga y la columna estén dentro de los límites de la precalificación: peralte, peso, espesor de patín, relación claro/peralte y compacidad para miembros de alta ductilidad.
- Proponer a, b y c dentro de sus intervalos.
- Calcular el momento probable en el centro del corte: Mpr = Cpr·Ry·Fy·ZRBS. Ry pasa del esfuerzo de fluencia nominal al esperado y Cpr estima el endurecimiento por deformación. Es una estimación conservadora del momento máximo que la viga puede desarrollar bajo carga cíclica.
- Obtener el cortante en la articulación por equilibrio del tramo entre las dos articulaciones: 2·Mpr/Lh más el cortante de las cargas de gravedad que acompañan al sismo, donde Lh es la distancia entre articulaciones.
- Llevar el momento a la cara de la columna: Mf = Mpr + Vu·Sh.
- Comparar Mf con el momento plástico esperado de la viga completa, Ry·Fy·Zx. Si Mf lo excede, el corte es insuficiente: se aumenta c (o se ajusta a) y se repite.
- Diseñar el resto con esas demandas: cortante de la viga y su unión de alma, relación columna–viga proyectando los momentos desde las articulaciones al eje de la columna, zona del panel y placas de continuidad.
El paso 6 es el corazón del método: si el corte es tímido, la fluencia vuelve a la soldadura.
El precio: rigidez, pandeo y arriostramiento
Quitar patín tiene consecuencias que conviene llevar al modelo:
- Rigidez lateral. El corte está donde la curvatura es mayor bajo carga lateral, así que el marco se vuelve más flexible. Morrison et al. citan estudios de Kim y Engelhardt en los que reducciones del 40 al 50 % del patín aumentaron las distorsiones de entrepiso entre 4.5 y 8 %. La guía del NEHRP indica que, si el programa no modela la reducción explícitamente, usar el 90 % de las propiedades de la viga es una aproximación razonable para reducciones del 50 % del ancho del patín y conservadora para reducciones menores. Por eso suelen hacer falta vigas algo mayores para cumplir derivas.
- Pandeo. Un patín más angosto puede retrasar el pandeo local del patín, pero reduce la resistencia al pandeo local del alma y al pandeo lateral-torsional. La degradación de resistencia asociada se ha visto retrasada en ensayos con losa de concreto y en conexiones con arriostramiento lateral en la zona reducida.
- Arriostramiento lateral. AISC 341 pide arriostrar ambos patines cerca de las articulaciones plásticas, y AISC 358 coloca ese arriostramiento justo fuera de la zona protegida. La guía del NEHRP señala que, si la riostra está junto a la articulación, debe resistir al menos el 6 % de la capacidad esperada del patín en ese punto, y que una losa unida con conectores de cortante fuera de las zonas protegidas puede, según las excepciones de cada conexión, eliminar el arriostramiento adicional.
Zona protegida y obra: donde se pierde una buena RBS
La región del corte y su entorno es una zona protegida: ahí no se sueldan ménsulas, soportes de instalaciones ni conectores de cortante, no se perforan agujeros y no se hacen reparaciones improvisadas. Cualquier muesca o soldadura de campo en esa zona puede iniciar una fractura justo donde se concentra la fluencia. La guía del NEHRP recomienda repetir esta restricción en planos y especificaciones, porque no todos los contratistas la conocen, y menciona que las reparaciones de daños en los cortes de la RBS requieren inspección con partículas magnéticas.
En los planos conviene acotar a, b, c y el radio del corte, y marcar la extensión de las zonas protegidas en planta y en elevación.
Errores frecuentes
| Error | Consecuencia |
|---|---|
| Corte poco profundo para «no debilitar tanto» | Mf supera la capacidad en la cara y la fluencia regresa a la soldadura |
| Modelar la viga con su sección completa | Derivas subestimadas; el marco real es más flexible |
| Diseñar el cortante con el análisis y no con Mpr | Unión de alma y zona del panel insuficientes |
| Revisar columna fuerte–viga débil con el momento en la cara | Se pierde la proyección desde la articulación al eje de la columna |
| Soldar soportes o conectores dentro del corte | Inicio de fractura en la zona de mayor deformación |
Cómo lo resuelve Alpha Estructural
En Alpha Estructural, la RBS es una de las conexiones sísmicas viga–columna que se diseñan desde el módulo de Acero o al seleccionar una viga W en la vista 3D, junto con WUF-W, placa de extremo y placas de patín atornilladas. Si no das las medidas del corte, el cálculo propone a, b y c dentro de sus intervalos, buscando el corte que logra que Mf no exceda el momento plástico esperado de la viga; si ninguno lo logra, lo avisa. Con ese corte calcula ZRBS, Mpr, Sh, el cortante y el momento en la cara, y revisa el cortante de la viga, la relación columna–viga, la zona del panel y la separación de arriostramientos laterales. Cada paso muestra la fórmula, los datos y la referencia de AISC 358 que lo sustenta; las citas que aún no se han cotejado con el texto oficial aparecen marcadas para verificar antes de emitir planos.
La RBS no hace más fuerte la conexión: hace predecible dónde va a fluir la viga. Ese es todo su valor, y por eso cada medida del corte cuenta.
Fuentes
- Hamburger y Malley (2016), Seismic Design of Steel Special Moment Frames: A Guide for Practicing Engineers, 2.ª ed., NEHRP Seismic Design Technical Brief No. 2, NIST GCR 16-917-41
- Morrison, Schweizer y Hassan (2015), An innovative seismic performance enhancement technique for steel building moment resisting connections, Journal of Constructional Steel Research 109, 34–46
Artículo de divulgación técnica. No sustituye el proyecto ni la revisión de un ingeniero estructural responsable; verifique cada requisito contra el texto vigente de la norma que aplique a su proyecto.
Calcula tu estructura con Alpha Estructural
Análisis 3D, diseño de concreto y acero y memoria de cálculo con las NTC 2023, desde el navegador.
Probar Alpha Estructural
