Las columnas se definen básicamente como elementos que están sometidos a esfuerzos axiales de compresión, aunque ocasionalmente sometidos a esfuerzos horizontales (viento y sismo) que pueden introducir solicitaciones importantes de tracción, flexión y hasta torsión. En las estructuras de acero, las columnas se pueden formar a partir de las múltiples posibilidades y variedades de perfiles conformados y/o laminados y también a partir de soluciones soldadas y de la combinación de varias de estas alternativas. La geometría y disposición de las columnas dependerá de cada proyecto y del modelo estructural que lo ordene. Sin embargo, todas las columnas, independientes de su diseño, deberán transmitir los esfuerzos al terreno a través de las fundaciones. En ese contexto, la conexión de la columna a la fundación es un elemento crítico en el diseño estructural que tiene gran importancia en el diseño arquitectónico.
Por tratarse de la trasmisión de cargas axiales de compresión en estructuras que en acero son usualmente esbeltas o muy esbeltas (o pueden serlo, dados los atributos comentados del acero), hay dos aspectos que se deben tomar en consideración.
El primero, que no será tratado en profundidad en esta sección, es el pandeo, que puede ser lateral o por flexión. El pandeo lateral, corresponde a la característica que tienen los elementos esbeltos de desplazarse en el sentido transversal a la carga cuando ésta supera un determinado valor. Otra forma de pandeo es el pandeo por flexión (o pandeo de Euler).
Ambas dependen de que se supere la llamada carga crítica, que es dependiente de la sección de la columna, de su longitud o altura y de las conexiones que se produzcan en sus extremos.
Es comprensible que las secciones robustas y los elementos menos largos estén menos expuestos a las deformaciones de pandeo que las secciones muy esbeltas. Existen diversas estrategias para contrarrestar la excesiva esbeltez, aparte de aumentar la sección de la columna. Entre ellas se cuentan las columnas de sección variable y las columnas de sección variable compuestas y las tensadas.
El otro aspecto importante se refiere al punzonamiento que, dada la esbeltez de la columna, ésta puede ejercer en su base sobre el elemento de cimentación que la recibe. Las bases de la columna tienen, pues, la función de hacer la transición entre el acero y el hormigón a fin de que no se sobrepasen las tensiones admisibles y que las cargas verticales se distribuyan de manera uniforme hasta la fundación y, a través de ella, al terreno. Esta conexión será brevemente revisada en este documento.
CONEXIONES RÍGIDAS Y ARTICULADAS
La primera diferenciación que se debe hacer es si esta conexión corresponde a una conexión rígida o a una conexión articulada. Es sabido que las conexiones rígidas en la base son usualmente más costosas, entre otros aspectos, porque demandan una mayor cantidad de material concurrente a la conexión, tanto en el acero como en la fundación.
Las conexiones articuladas en la base han tenido importantes aplicaciones y se han diversificado desde las construcciones de las grandes naves de las ferias internacionales y las grandes estaciones del siglo XIX. La Galería de las Máquinas (Dutert y Contamin, 1889) y la estación de Dresden (Giese y Weidner – 1898) son una buena muestra de ello.
Estación de Dresden – Giese y Weidner – 1898
Esta concepción, sin embargo, ha evolucionado y se la tecnificado y aligerado mucho.
Sin embargo, como se observa en las fotografías adjuntas, aún en las conexiones articuladas la carga puntual de la rótula se distribuye en una base que es significativamente más grande que el apoyo, por lo que permite distribuir la carga puntual en una superficie de contacto con la fundación mayor. La rótula o articulación se produce así en un punto superior al de la placa base, que es la que va conectada rígidamente a los cimientos.
En los casos en que estas conexiones quedan a la vista, el impacto del diseño de las rótulas es muy determinante de la expresión final del edificio. El detalle de esta conexión dependerá en gran medida del cálculo estructural, sin embargo su diseño deberá ser concebido y considerado a partir del proyecto de arquitectura.
Existe, sin embargo, una gran cantidad de edificaciones en las que la conexión de las columnas a las fundaciones no participa en forma tan significativa en la expresión del edificio. En esos casos, la solución más frecuente para conectar la base de una columna a sus apoyos es la instalación de una placa base soldada a la base de la columna. Esta placa, cuya dimensión es mayor a la sección de la columna, es usualmente soldada a la base de ésta en taller. Su función, como está dicho, es distribuir sobre la base del hormigón de la fundación la carga puntual de la columna. Para lograr esto, la placa debe de un espesor tal que permita, efectivamente, lograr este cometido.
La placa base tiene unas perforaciones que permiten la fijación de ella a la fundación mediante pernos de anclaje que atraviesan la placa y se fijan mediante tuercas. La posición de los pernos de anclaje determinará si se trata de una conexión fija o articulada. La disposición de sólo dos pernos en el eje de la columna permitirá una rotación relativa en el sentido perpendicular al eje de los pernos de anclaje.
Por el contrario, 4 o más pernos dispuestos en próximos a las esquinas de la placa base, generarán una conexión más rígida. Para mejorar la rigidez en la base se pueden incluir cartelas en los vértices de la columna.
Otra solución posible es agregar una cartela horizontal puesta en una altura superior a la placa base y conectar la columna mediante pernos que pasan tanto a través de la placa base como de esta segunda cartela.
Presentamos a continuación algunos ejemplos de conexiones de columnas a fundaciones extraídos del libro “Edificio de acero en altura media” publicado por el ICHA en 2006, cuyo proyecto de cálculo estructural fue desarrollado por Luis Leiva y Asociados.
Como se puede apreciar, se trata de columnas de soldadas de una sección muy esbelta que se apoyan en sendas fundaciones de hormigón armado.
Uno de los aspectos interesantes de comentar se refiere al proceso constructivo.
Con frecuencia, las barras de anclaje se instalan en la fundación antes de vaciar el concreto, por lo que su posicionamiento y alineación es un aspecto que se debe cuidar.
Por otra parte, la nivelación de la base de la fundación debe ser perfecta de manera de asegurar una superficie de contacto continua y perfecta entre la placa base y el hormigón. Por ello, se suele dejar un espacio de 50mm (según diseño) que se rellenará con un mortero tipo grout con posterioridad a la colocación de la columna. Este mortero autonivelante y con aditivos ocupa y rellena completamente el espacio entre la placa base un el concreto de la fundación.
Ocasionalmente se instalan tuercas de nivelación en las barras de anclaje por debajo de la placa base. Girándolas éstas permiten la nivelación y apoyo transitorio de la columna antes de la ejecución del mortero grout.
