Zona del panel en nudos de marcos de acero: placas adosadas y de continuidad
En un marco de acero resistente a momento, todo el momento que las vigas llevan al nudo tiene que pasar por un rectángulo pequeño de alma de columna: la zona del panel. Es la parte de la columna entre los patines de la viga, arriba y abajo, y los de la propia columna, a los lados. De su cortante dependen tres decisiones de proyecto: si la columna necesita placas adosadas en el alma, si necesita placas de continuidad frente a los patines de la viga y cómo debe modelarse el nudo para no subestimar las derivas.
Qué pasa dentro del nudo
El momento de una viga llega al nudo como un par de fuerzas en sus patines. Con vigas a ambos lados y sismo en un sentido, los momentos se suman y esas fuerzas entran al alma de la columna en sentidos opuestos arriba y abajo: un cortante muy grande en un alma relativamente delgada, que se deforma como un rombo.
La guía técnica de NIST para marcos especiales de acero (NIST GCR 16-917-41) señala como modos de falla posibles el pandeo del alma por compresión y, si se reforzó con placas adosadas, la fractura de sus soldaduras. AISC 341 los controla con una resistencia mínima a cortante, espesores mínimos y reglas de detallado.
Por qué no conviene un panel ni muy débil ni demasiado fuerte
La fluencia del panel por cortante es un mecanismo muy dúctil. Los ensayos que repasan Shadmanheidari y coautores en su trabajo para la 15.ª Conferencia Mundial de Ingeniería Sísmica mostraron que el panel tiene una reserva de resistencia importante después de fluir, con buena ductilidad, y que los patines de la columna contribuyen a ella. Por eso algunos reglamentos llegaron a reducir la demanda de diseño del panel.
El problema es que un panel muy débil se distorsiona mucho y produce un quiebre local de los patines de la columna justo en las esquinas donde llegan los patines de la viga, que es exactamente donde están las soldaduras más exigidas. El mismo trabajo recuerda que el comportamiento de paneles débiles pudo haber influido en las fallas de conexiones observadas en el sismo de Northridge de 1994, y que el programa SAC (FEMA-355D) cambió el enfoque hacia una fluencia balanceada: que la viga y el panel empiecen a fluir más o menos al mismo tiempo.
La guía NIST resume la idea actual: el mejor comportamiento se obtiene cuando hay una fluencia limitada del panel simultánea con la articulación plástica de la viga, y AISC 341 fomenta ese balance. Un panel mucho más fuerte de lo necesario no es un error de seguridad, pero renuncia a una fuente de disipación de energía.
La demanda: cortante a partir del momento probable de la viga
En marcos especiales la demanda del panel no sale del análisis elástico, sino de la capacidad de las vigas. Se toma el momento probable en la articulación plástica, que considera la sobrerresistencia del material mediante Ry·Fy y el endurecimiento por deformación, y se proyecta a la cara de la columna sumando el efecto del cortante de la viga. Con la suma de esos momentos en las caras, ΣMf, la guía NIST estima la cortante requerida del panel como:
Ru ≈ ΣMf/d − Vcol
donde d es el brazo entre las fuerzas de los patines de la viga y Vcol es la cortante de la columna asociada al mecanismo plástico del marco. La cortante de la columna resta porque actúa en sentido contrario sobre el panel. Si la cortante de la columna cambia arriba y abajo del nudo o las vigas tienen peraltes distintos, hacen falta expresiones más detalladas.
La resistencia: el alma y la aportación de los patines
La resistencia nominal se calcula con la sección J10.6 de AISC 360 y, según la guía NIST, se usa φv = 1.0 en diseño por factores de carga y resistencia. Hay dos familias de ecuaciones. Si en el análisis no se considera el efecto de la deformación del panel en la estabilidad del marco, la resistencia corresponde a la fluencia por cortante del alma, del orden de 0.60·Fy·dc·tw, con una reducción cuando la carga axial de la columna es alta. Si sí se considera, AISC 360 permite una resistencia mayor que incluye la aportación de los patines de la columna:
Rv = 0.60·Fy·dc·tw·[1 + 3·bcf·tcf2/(db·dc·tw)]
válida para cargas axiales moderadas; arriba del 75 % de la resistencia axial de la columna se usa una expresión reducida. Aquí tw es el espesor total del panel (alma más placas adosadas), bcf y tcf el ancho y espesor de los patines de la columna, y dc, db los peraltes de columna y viga. El corchete crece con el cuadrado del espesor del patín: una columna de patines gruesos puede ahorrarse placas adosadas.
Verifica la numeración y las condiciones de cada ecuación en la edición de AISC 360 y AISC 341 que adopte tu proyecto, o en los requisitos equivalentes de las NTC vigentes para estructuras de acero si diseñas en la Ciudad de México.
Placas adosadas: cuándo y cómo
Si Ru supera φv·Rv, hay que aumentar el espesor efectivo del panel. Se puede cambiar a una columna más pesada o soldar placas adosadas al alma. La guía NIST señala que muchas veces lo primero es más económico, porque las placas llevan mucha preparación y soldadura, y da una regla práctica: si subir el peso de la columna menos de unos 150 kg/m evita las placas, el marco sale más barato.
Si decides usarlas, cuida estos puntos:
- Espesor mínimo por estabilidad. AISC 341 pide que el alma y cada placa tengan un espesor de al menos (dz + wz)/90, donde dz es el peralte del panel y wz su ancho entre patines de la columna. Una placa más delgada que ese límite se puede llevar a cumplir uniéndola al alma con soldaduras de tapón; la guía NIST menciona una serie de cuatro, cerca de los cuartos del panel.
- La zona k. La placa adosada pegada al alma obliga a soldar cerca del filete entre alma y patín, la llamada zona k, que el proceso de enderezado de algunas acerías puede fragilizar localmente. Ahí se han observado agrietamientos de fabricación, así que el detalle de soldadura debe seguir AISC 341 y AWS D1.8, no improvisarse en taller.
- Encuentro con las placas de continuidad. Si hay ambas placas, hay que decidir si la adosada se corta en la cara de la placa de continuidad o pasa de largo. Cortarla junta dos soldaduras en el mismo espacio; dibuja el detalle en planos.
Placas de continuidad
Las placas de continuidad son atiesadores horizontales en el alma de la columna, alineados con los patines de la viga. Su primera función es evitar la flexión local del patín de la columna y la fluencia o el aplastamiento del alma bajo las fuerzas concentradas de los patines de la viga. La guía NIST añade otra: rigidizan el patín de la columna. Según los análisis del programa SAC que cita, sin ellas los esfuerzos en la soldadura del patín de la viga se concentran frente al alma de la columna en lugar de repartirse hacia los bordes, y eso contribuyó a las fracturas prematuras de las conexiones soldadas anteriores a Northridge.
Si se necesitan o no depende del tipo de conexión precalificada en AISC 358 y de las revisiones de AISC 341 y del capítulo J de AISC 360, que comparan el espesor del patín de la columna con el del patín de la viga y su resistencia esperada. Cuando se requieren, sus esquinas deben recortarse para no soldar sobre la zona k, y su unión con la columna debe ser capaz de desarrollar la placa, porque puede llegar a deformaciones de fluencia.
No olvides el panel en el modelo
La deformación del panel aporta a la deriva de entrepiso, junto con la flexión de vigas y columnas, y la guía NIST recuerda que ASCE 7 exige incluir esa contribución al revisar las derivas. Un error común es modelar el nudo con brazos rígidos: la guía advierte que no representa bien el panel y suele sobrestimar la rigidez del marco y subestimar la deriva. Lo usual es modelar con ejes que se cruzan en el centro del nudo o, si se justifica, con un elemento específico del panel; sólo entonces procede la resistencia mayor de AISC 360 que considera su deformación.
Lista de revisión
- ¿La demanda del panel sale del momento probable de las vigas, proyectado a la cara de la columna, y descuenta la cortante de la columna?
- ¿Usaste la ecuación de resistencia que corresponde a cómo modelaste el panel y revisaste el efecto de la carga axial?
- ¿Probaste una columna más pesada antes de agregar placas adosadas?
- ¿Cumplen el alma y las placas el espesor mínimo (dz + wz)/90, o llevan soldaduras de tapón?
- ¿Las placas de continuidad se definieron según la conexión precalificada y tienen las esquinas recortadas?
- ¿El modelo incluye la flexibilidad del nudo en lugar de brazos rígidos completos?
Fuentes
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.
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