Una viga o viga armada de acero puede permanecer generalmente recta a lo largo de la mayor parte de su luz mientras se desarrolla una deformación grave dentro de una región muy pequeña cerca de un apoyo o una carga concentrada. El ala puede girar ligeramente, el alma puede abombarse fuera de su plano o el acero situado directamente debajo de una placa de apoyo puede parecer aplastado, aunque el elemento no haya experimentado un fallo evidente por flexión global.
Estas señales locales de advertencia pueden indicar un fallo por aplastamiento local del alma, un estado límite provocado por fuerzas concentradas que afecta al alma cerca del punto donde una carga de compresión entra en el elemento. El problema es especialmente importante en vigas, vigas armadas, elementos de transferencia, perfiles ligeros y otros componentes de acero en los que reacciones importantes deben atravesar un alma relativamente delgada.
Debido a que el daño está localizado, puede pasar desapercibido cuando la atención se concentra únicamente en la resistencia global de la viga, la deflexión o la capacidad a cortante. Una prevención eficaz exige que los ingenieros examinen cómo entran las fuerzas concentradas en la sección, cuánta longitud de apoyo está disponible, si el alma posee suficiente resistencia local y si son necesarios rigidizadores u otras medidas de distribución de carga.
¿Qué Sucede Durante un Fallo por Aplastamiento Local del Alma?
El aplastamiento local del alma se desarrolla cuando una fuerza concentrada de compresión produce una deformación localizada severa en el alma de un elemento de acero. En lugar de que toda la viga se flexione o que todo el panel del alma pandee por cortante, la deformación se concentra alrededor de la zona de introducción de la carga o de la reacción.
El alma en esta región está sometida a una combinación de compresión localizada, flexión e inestabilidad. Si la fuerza aplicada llega a ser demasiado grande para la geometría y las propiedades del material del alma, esta puede deformarse, pandear, plegarse o desarrollar una deformación permanente junto al ala cargada.
Este comportamiento es diferente de un fallo global del elemento. Una viga puede tener una resistencia a flexión adecuada y, aun así, presentar una resistencia insuficiente en una zona de apoyo concentrado. Por lo tanto, la sección completa puede parecer capaz de soportar la carga mientras una región relativamente pequeña del alma se convierte en el estado límite gobernante.
La resistencia al aplastamiento local del alma está influida por varias variables geométricas, entre ellas:
- Espesor del alma
- Altura total del elemento
- Espesor del ala
- Longitud efectiva de apoyo
- Distancia desde la fuerza concentrada hasta el extremo del elemento
- Límite elástico del material
- Restricción local proporcionada por el ala
- Presencia y configuración de rigidizadores transversales
Las disposiciones actuales de diseño de estructuras de acero consideran el aplastamiento local del alma como uno de los estados límite asociados a fuerzas concentradas que deben verificarse cuando corresponda. El Manual de Construcción en Acero del AISC incluye la especificación vigente para edificios de acero estructural y los requisitos de diseño relacionados con fuerzas concentradas.
Dónde Ocurre Comúnmente el Aplastamiento Local del Alma
Las ubicaciones más vulnerables suelen ser aquellas donde una fuerza relativamente grande debe entrar o salir del elemento a través de una longitud corta del ala y del alma. Comprender estas ubicaciones ayuda a los ingenieros a identificar las regiones críticas antes de la fabricación y ayuda a los inspectores a saber dónde revisar una vez que la estructura entra en servicio.
En los Apoyos de Vigas y Vigas Armadas
Las reacciones en los apoyos son una de las fuentes más comunes de compresión concentrada. En el extremo de una viga, la reacción total puede tener que transferirse a través de una longitud de apoyo relativamente corta hacia un asiento de columna, una placa de apoyo, un muro, una ménsula u otro elemento de soporte.
Si el área de apoyo es pequeña, aumenta la intensidad local de la fuerza. La condición en el extremo también puede ser más crítica porque hay menos material de alma circundante disponible para distribuir la reacción.
Por esta razón, las zonas de apoyo suelen requerir algo más que una simple comprobación del cortante global. El ingeniero debe evaluar cómo pasa la reacción desde el ala hacia el alma y si el alma sin rigidizar puede resistir de manera segura esa fuerza localizada.
Bajo Cargas Concentradas
Una carga concentrada puede crear el mismo tipo de problema lejos de un apoyo. Algunos ejemplos incluyen reacciones procedentes de estructuras secundarias, equipos pesados, vigas de transferencia, sistemas instalados sobre la cubierta o cargas localizadas del piso.
Cuando una carga se aplica mediante una placa de apoyo pequeña o una conexión estrecha, la fuerza no se distribuye inmediatamente por toda la altura y longitud del elemento. Primero se desarrolla una región altamente solicitada cerca del ala cargada.
Si esa fuerza supera la resistencia local del alma, puede producirse deformación incluso cuando el resto del elemento permanece dentro de sus límites de resistencia global.
Cerca de Rigidizadores y Zonas de Conexión
Un rigidizador está destinado a mejorar la transferencia de cargas, pero colocar simplemente una placa junto al alma no elimina automáticamente el problema. Su posición, espesor, ajuste, conexión y contacto con el ala correspondiente influyen en su desempeño.
Un rigidizador que termina antes de alcanzar la trayectoria de carga, que presenta un contacto de apoyo deficiente o que está situado lejos de la reacción real puede no transferir la fuerza según lo previsto. El alma junto al rigidizador puede continuar soportando una compresión localizada excesiva.
Las zonas de conexión merecen una atención similar. Asientos, ménsulas, conexiones de extremo, vigas secundarias y conexiones de transferencia pueden introducir fuerzas concentradas y excentricidades locales que no resultan evidentes a partir de la disposición general de la estructura.
En Elementos Armados de Alma Delgada
Las vigas armadas de gran canto pueden utilizar almas relativamente esbeltas para reducir el peso del acero. Esto es eficiente para muchos estados límite globales, pero hace que el comportamiento local frente a fuerzas concentradas sea especialmente importante.
Un alma de gran altura puede tener suficiente capacidad a cortante y, aun así, necesitar rigidización transversal en reacciones importantes o cargas concentradas. Por ello, las vigas de alma llena utilizadas en edificios industriales, estructuras de grandes luces, sistemas de transferencia e infraestructuras pesadas requieren comprobaciones coordinadas tanto del comportamiento global como del local.
Los elementos delgados conformados en frío o los perfiles ligeros también pueden ser sensibles porque sus almas tienen un espesor limitado y las cargas concentradas pueden producir una deformación local severa a lo largo de una distancia corta.
Señales Visibles del Fallo por Aplastamiento Local del Alma
La apariencia exacta del daño depende de la geometría de la sección, la carga, las condiciones de restricción y la gravedad del problema. Sin embargo, varias observaciones en obra deberían motivar una revisión estructural más detallada.
Pandeo Local del Alma
Una de las señales más claras es un abombamiento o pandeo fuera del plano del alma inmediatamente por debajo o por encima de una carga concentrada.
La deformación puede aparecer como una onda corta, un pliegue diagonal o un desplazamiento localizado, en lugar de un pandeo que se extienda por todo el panel del alma. En casos graves, la superficie originalmente plana del alma puede quedar visiblemente distorsionada alrededor de la zona de apoyo.
Este tipo de deformación no debería considerarse automáticamente como un problema meramente estético. Una vez que cambia la geometría del alma, también pueden cambiar la trayectoria de carga prevista y la rigidez local.
Aplastamiento y Deformación Permanente del Alma
El alma puede quedar indentada o plegada permanentemente cerca del ala cargada. Esto puede ocurrir cuando la demanda local de compresión se vuelve demasiado alta y el alma ya no puede mantener su geometría original.
La deformación permanente que permanece después de retirar la carga es especialmente importante porque indica que el elemento ha experimentado un comportamiento más allá del movimiento elástico ordinario.
La magnitud de la distorsión visible por sí sola no determina la capacidad estructural restante. También deben examinarse el ala circundante, las soldaduras, los rigidizadores y las conexiones.
Distorsión del Ala y del Alma Cerca del Punto de Apoyo
La deformación localizada del alma puede afectar al ala conectada. El ala puede girar, flexionarse localmente o perder un contacto uniforme con la placa de apoyo o la superficie de soporte.
Esto es importante porque el ala ayuda a distribuir la fuerza concentrada hacia el alma. Una vez que la geometría del apoyo deja de ser uniforme, la reacción puede concentrarse aún más.
Por lo tanto, los inspectores deberían examinar toda la región local y no únicamente el centro del alma.
Fisuras Alrededor de Soldaduras o Rigidizadores
Las fisuras alrededor de las soldaduras de rigidizadores, soldaduras de conexiones o metal base adyacente pueden indicar concentración de tensiones o deformación no prevista.
Una fisura por sí sola no demuestra que el aplastamiento local del alma sea el mecanismo principal de fallo. Puede ser consecuencia de defectos de soldadura, fatiga, plastificación local, distorsión u otro mecanismo. Sin embargo, la presencia de fisuras combinada con una deformación visible del alma cerca de una zona de alta reacción justifica una investigación detallada.
La inspección debe identificar si la fisura se encuentra en el pie de una soldadura, en la terminación de un rigidizador, en la región de unión entre ala y alma o en otra concentración de tensiones.
Aumento de la Deflexión o Desalineación
Los daños locales del alma a veces pueden ir acompañados de cambios en la alineación, las condiciones de apoyo o la cota de elementos cercanos.
Estos síntomas secundarios deben interpretarse cuidadosamente. Una deflexión global excesiva puede tener una causa diferente, pero un movimiento inesperado cerca de un apoyo puede indicar que la región local de transferencia de carga ya no se comporta como estaba previsto.
| Señal en Obra | Probable Significado Estructural | Zona a Inspeccionar |
|---|---|---|
| Abombamiento del alma | Posible inestabilidad local | Zona de apoyo o de carga concentrada |
| Indentación del alma | Alta demanda localizada de apoyo | Directamente debajo o encima de la fuerza aplicada |
| Rotación del ala | Alteración de la trayectoria local de carga | Unión ala-alma y región de apoyo |
| Fisuras cerca de soldaduras | Posible concentración de tensiones o daño secundario | Rigidizadores, conexiones y región ala-alma |
| Deformación permanente | Posible plastificación o aplastamiento local | Alma y ala adyacente |
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Principales Causas del Fallo por Aplastamiento Local del Alma
Un fallo por aplastamiento local del alma normalmente se desarrolla porque la fuerza concentrada, la geometría del elemento y los detalles locales de transferencia de carga generan una demanda superior a la resistencia disponible del alma. Varias condiciones pueden contribuir simultáneamente.
Fuerzas de Reacción Concentradas Elevadas
Una reacción de apoyo elevada o una carga puntual impone una demanda de compresión considerable sobre una región pequeña del elemento.
Esta condición es común en vigas de transferencia, vigas armadas sometidas a grandes cargas, apoyos de equipos, reacciones importantes de cubierta, plataformas industriales y ubicaciones donde la estructura secundaria transmite carga a una viga principal.
La magnitud de la reacción total es importante, pero la forma en que se introduce la fuerza es igualmente importante. La misma reacción distribuida a través de una longitud de apoyo mayor puede generar una demanda local diferente de una reacción introducida mediante una placa muy corta.
Longitud de Apoyo Insuficiente
Una longitud de apoyo corta concentra la fuerza en una región más pequeña del ala y del alma.
Aumentar la longitud efectiva de apoyo puede ayudar a distribuir la reacción sobre un área mayor, aunque el diseño final debe seguir cumpliendo todos los estados límite aplicables. La placa de apoyo también debe proporcionar un contacto real. Una placa nominalmente larga ofrece poco beneficio si solamente una pequeña parte de ella trabaja debido a una fabricación o instalación irregular.
Por lo tanto, la longitud de apoyo debe coordinarse desde una fase temprana con la geometría del apoyo, el detallado de las conexiones y las tolerancias de montaje.
Almas Delgadas o Esbeltas
Reducir el espesor del alma puede mejorar la eficiencia del material, especialmente en vigas armadas de gran canto donde un alma gruesa puede no ser necesaria para la resistencia global.
Sin embargo, las almas más delgadas generalmente presentan menor resistencia frente a compresión altamente concentrada e inestabilidad local. Por lo tanto, el diseñador debe equilibrar la eficiencia del material con los estados límite locales.
Optimizar una viga armada únicamente para reducir peso puede generar requisitos adicionales de rigidizadores, placas de refuerzo del alma, detalles de conexiones o trabajos de fabricación. El elemento más ligero no es necesariamente la solución terminada más económica.
Rigidizadores de Apoyo Ausentes o Inadecuados
Los rigidizadores transversales pueden proporcionar una trayectoria de carga adicional cuando un alma sin rigidizar no posee suficiente resistencia local.
Los problemas aparecen cuando los rigidizadores necesarios se omiten, tienen dimensiones insuficientes, están mal conectados, no están alineados con la carga aplicada o no pueden transferir eficazmente la fuerza al ala adyacente.
El detallado de los rigidizadores debe considerar no solo el espesor de la placa, sino también el ajuste, la disposición de las soldaduras, las condiciones de los extremos, las tolerancias de fabricación y la dirección real de transferencia de carga.
Alineación Deficiente de la Carga
Las fuerzas concentradas deben entrar en el elemento a través de la trayectoria estructural de carga prevista. Una carga excéntrica puede introducir flexión local además de compresión.
Esto puede ocurrir cuando una placa de apoyo está desplazada, un elemento secundario conecta con la viga principal lejos de la posición prevista o las tolerancias de instalación desplazan la reacción respecto a su posición de diseño.
Pequeñas discrepancias geométricas pueden ser importantes cuando el alma es delgada y la reacción es elevada. Por lo tanto, los detalles de conexión y apoyo deben mostrar claramente dónde se espera que actúe la fuerza.
Problemas de Detallado de las Conexiones
Las conexiones pueden generar de forma involuntaria una demanda local severa cuando la fuerza se introduce a través de un área limitada o lejos de una ubicación adecuada del alma.
Las conexiones de asiento, ménsulas, conexiones de transferencia, placas de ala y apoyos de equipos deben evaluarse como partes de la trayectoria completa de carga. La excentricidad local, la configuración de soldaduras, el contacto de apoyo, la rigidez de las placas y la geometría de la conexión pueden influir en la respuesta del alma.
Una conexión adecuada para los pernos o las soldaduras no es automáticamente adecuada para el alma de la viga conectada.
Tolerancias de Fabricación e Instalación
El modelo analítico normalmente supone una geometría definida, pero la estructura terminada contiene tolerancias de fabricación y montaje.
Un rigidizador puede presentar una separación, un alma puede contener una distorsión inicial, una placa de apoyo puede no asentarse uniformemente o la soldadura puede desplazar ligeramente la conexión fuera de alineación. Individualmente, estas imperfecciones pueden parecer menores. Sin embargo, bajo una reacción concentrada elevada, pueden modificar la forma en que la fuerza entra en el elemento.
Por lo tanto, el control de calidad debe verificar los detalles críticos de apoyo y rigidización en lugar de centrarse únicamente en las dimensiones generales del elemento.
Aplastamiento Local del Alma vs Otros Fallos Locales del Alma
Los estados límite locales del alma pueden producir daños de apariencia similar, por lo que la terminología no debe basarse únicamente en el aspecto visual. La plastificación local del alma, el aplastamiento local del alma, el pandeo del alma, la inestabilidad relacionada con el cortante y la deformación del ala implican mecanismos diferentes y pueden requerir comprobaciones de diseño distintas.
| Modo de Fallo | Mecanismo Principal | Ubicación Típica | Señal Visual Común |
|---|---|---|---|
| Aplastamiento local del alma | Compresión localizada combinada con inestabilidad y deformación | Región de apoyo o carga concentrada | Alma pandeada, plegada o distorsionada |
| Plastificación local del alma | Plastificación localizada por compresión del material del alma | Zona de apoyo o de introducción de carga | Deformación local permanente |
| Pandeo del alma | Inestabilidad de una región esbelta del alma | Panel del alma comprimido o región localmente restringida | Pandeo fuera del plano |
| Fallo por cortante del alma | Demanda excesiva de cortante o inestabilidad por cortante | Panel del alma entre apoyos o rigidizadores | Distorsión diagonal o patrón de pandeo |
| Flexión local del ala | Flexión localizada del ala | Conexión sometida a fuerza concentrada | Deformación visible del ala |
Estos mecanismos también pueden interactuar. Una carga concentrada puede producir plastificación local del alma antes de que se desarrolle una inestabilidad significativa, mientras que la deformación del ala o un contacto de apoyo deficiente pueden modificar la distribución de carga hacia el alma. Por esta razón, una deformación observada debe evaluarse utilizando la sección real, la posición de la carga, la condición de apoyo, la geometría de la conexión y las disposiciones de diseño aplicables, en lugar de clasificarse únicamente a partir de fotografías.
Cómo Evalúan los Ingenieros el Riesgo de Aplastamiento Local del Alma
La inspección visual puede identificar posibles daños, pero evaluar el riesgo de fallo por aplastamiento local del alma requiere una revisión basada en cálculos del elemento y de sus fuerzas concentradas.
Determinar la Fuerza Concentrada Aplicada
El ingeniero identifica primero la reacción o carga puntual que entra en el elemento y las combinaciones de carga gobernantes. Las posibles fuentes incluyen reacciones de apoyo, cargas de equipos, reacciones de vigas secundarias, fuerzas de transferencia, sistemas de cubierta, plataformas y otras acciones concentradas. La fuerza de diseño debe corresponder al método de diseño estructural pertinente y a los requisitos normativos aplicables. Utilizar una reacción subestimada puede hacer que todas las comprobaciones locales posteriores resulten no conservadoras.
Identificar la Longitud Efectiva de Apoyo
La longitud sobre la que la fuerza apoya sobre el ala influye en el grado de concentración de la carga. El ingeniero debe distinguir entre el tamaño físico de un componente de apoyo y la parte que realmente transfiere carga. La geometría de la placa, la condición de contacto, la disposición del apoyo y la ubicación respecto al extremo del elemento son factores importantes. Una región efectiva de apoyo más larga puede distribuir la fuerza de forma más favorable, pero la longitud de apoyo nunca debe asumirse sin confirmar el detalle real.
Comprobar la Geometría del Alma
Las propiedades importantes del elemento incluyen el espesor del alma, la altura del elemento, el espesor del ala, la resistencia del material y la geometría correspondiente de la unión entre ala y alma. La distancia desde la fuerza concentrada hasta el extremo del elemento también es importante porque las reacciones de extremo no disponen de la misma cantidad de material de alma circundante para distribuir la carga que las fuerzas concentradas interiores. Estas dimensiones deben obtenerse de la sección real que se está diseñando o inspeccionando, en lugar de utilizarse a partir de una categoría genérica de elemento.
Evaluar las Condiciones de los Rigidizadores
Si existen rigidizadores transversales, el ingeniero debe confirmar sus dimensiones, posición, conexión y capacidad para participar en la trayectoria de carga prevista. En una estructura existente, la revisión también debe comprobar si los rigidizadores instalados coinciden con los planos y si separaciones, corrosión, distorsión, soldaduras dañadas o modificaciones posteriores afectan a su comportamiento. No debe suponerse que un rigidizador es eficaz simplemente porque se observa una placa junto al alma.
Considerar las Cargas en Extremos y en Zonas Interiores
La ubicación de una fuerza concentrada de compresión respecto al extremo del elemento afecta al comportamiento local y a la resistencia disponible. Una carga interior dispone de material de alma extendiéndose a ambos lados de la región cargada, mientras que una reacción de extremo tiene menos material circundante disponible para participar en la distribución de la carga. Por ello, las disposiciones de diseño distinguen entre condiciones de carga de acuerdo con la ubicación de la fuerza y la geometría del elemento. Para una explicación centrada en los cálculos de los parámetros necesarios y la secuencia de diseño, consulte nuestras comprobaciones de diseño del aplastamiento local del alma.
