Diseño y Producción en Acero de Perfiles L, incluyendo Ángulos Armados de Lados Iguales para Vigas en Bogotá, Colombia

Ángulo Armado de Lados Iguales (Perfil L Soldado): Características Técnicas, Proceso de Fabricación Controlado, Diseño Estructural Conforme a la Normativa Colombiana y Aplicaciones Clave dentro de las Vigas Metálicas Armadas.

Dentro del amplio espectro de las estructuras metálicas, las vigas armadas o fabricadas representan una solución versátil y eficiente para una gran variedad de proyectos constructivos. Estas vigas, a diferencia de los perfiles laminados en caliente que se producen en una sola pieza con una forma definida, se construyen mediante la unión de componentes individuales, generalmente platinas o láminas de acero. Esta metodología permite una personalización considerable en términos de dimensiones y propiedades resistentes, adaptándose a requerimientos específicos que podrían no ser cubiertos por los perfiles estándar disponibles en el mercado.

Introducción y Definición: El Ángulo Armado de Lados Iguales

Una subcategoría importante dentro de las vigas armadas son los Ángulos Soldados o Armados, conocidos comúnmente como Perfil L armado. Estos perfiles imitan la geometría básica de un ángulo laminado, pero son fabricados uniendo dos elementos planos. Entre ellos, destaca por su simetría y aplicabilidad el Ángulo Armado de Lados Iguales. Este elemento estructural se define por la unión perpendicular de dos platinas de acero de idéntica anchura (y generalmente, aunque no necesariamente, de idéntico espesor) a lo largo de uno de sus bordes longitudinales. El resultado es un perfil en forma de 'L' con ambas alas presentando la misma dimensión nominal desde el vértice exterior hasta el borde libre.

Configuración Geométrica y Características Principales

La característica definitoria del ángulo armado de lados iguales es su simetría respecto a un eje que pasa por el vértice y forma 45 grados con cada una de las alas. Esta simetría simplifica ciertos aspectos del análisis y diseño estructural en comparación con los ángulos de lados desiguales. Los componentes básicos son dos platinas rectangulares de acero. La unión se realiza típicamente mediante cordones de soldadura continuos o discontinuos a lo largo de la línea de contacto entre las platinas. La calidad y continuidad de esta soldadura son determinantes para asegurar que el perfil armado funcione como una unidad integral, transmitiendo esfuerzos de manera efectiva entre sus componentes.

Las dimensiones clave que definen un ángulo armado de lados iguales son:

• Longitud del Ala (L): Es la dimensión nominal de cada una de las alas, medida desde el vértice teórico exterior hasta el borde libre. Al ser de lados iguales, esta dimensión es la misma para ambas alas.
• Espesor de las Platinas (t): Es el grosor de las platinas de acero utilizadas. Usualmente, ambas platinas tienen el mismo espesor para mantener la simetría y simplificar la fabricación, aunque en casos específicos podrían variar si el diseño lo justifica.
• Longitud del Perfil (H): La longitud total del elemento angular fabricado, según los requerimientos del proyecto.

La selección de las dimensiones L y t dependerá de las cargas actuantes, las condiciones de apoyo, las limitaciones de diseño (como la esbeltez) y los requisitos de rigidez. La fabricación a medida permite ajustar estas dimensiones con gran precisión para optimizar el uso del material y cumplir con las demandas estructurales específicas de proyectos en Bogotá y otras regiones de Colombia.

Proceso de Fabricación: Unión por Soldadura

La fabricación de ángulos armados de lados iguales es un proceso que requiere precisión y control de calidad. Comienza con el corte de las platinas de acero a las dimensiones requeridas (anchura y longitud). El acero utilizado debe cumplir con las normativas colombianas de construcción sismo resistente (NSR-10) y las normas técnicas asociadas (como las NTC para productos de acero). Luego, las dos platinas se posicionan perpendicularmente, asegurando un contacto adecuado a lo largo de la línea de unión. Se utilizan dispositivos de sujeción y plantillas para mantener la geometría correcta durante el proceso de soldadura.

La soldadura es el método de unión predominante. Los procesos de soldadura más comunes en talleres de estructuras metálicas en Colombia incluyen:

• Soldadura por Arco Metálico Protegido (SMAW - "electrodo revestido"): Versátil y común, aunque puede requerir mayor limpieza posterior.
• Soldadura por Arco Metálico con Gas (GMAW - MIG/MAG): Ofrece mayor productividad y cordones de soldadura más limpios.
• Soldadura por Arco Sumergido (SAW): Adecuada para cordones largos y continuos en taller, proporcionando alta calidad y penetración.
• Soldadura por Arco con Núcleo Fundente (FCAW): Similar a GMAW pero con un electrodo tubular que contiene fundente, útil para aplicaciones en exteriores o sobre acero con alguna contaminación superficial.

La selección del proceso y los parámetros de soldadura (tipo de electrodo/alambre, corriente, voltaje, velocidad de avance) dependen del espesor de las platinas, el tipo de acero, las especificaciones del diseño y las capacidades del taller. Es fundamental que la soldadura desarrolle la resistencia necesaria para transferir los esfuerzos cortantes entre las alas y asegurar el comportamiento compuesto del perfil. La inspección de la soldadura (visual, líquidos penetrantes, ultrasonido, etc.) es una parte integral del control de calidad para garantizar la integridad estructural del ángulo armado.

Consideraciones sobre la Soldadura

La aplicación de calor durante la soldadura puede inducir distorsiones y tensiones residuales en el perfil armado. Es necesario implementar técnicas para controlar y minimizar estas distorsiones, como el uso de secuencias de soldadura adecuadas, precalentamiento (si es necesario según el espesor y tipo de acero), y métodos de enderezado posteriores si las deformaciones exceden las tolerancias permitidas. Las tensiones residuales, aunque inevitables, deben ser consideradas en el diseño, especialmente en elementos sometidos a compresión, ya que pueden influir en la capacidad portante y en fenómenos de pandeo.

Propiedades Mecánicas y Geométricas

Las propiedades geométricas de la sección transversal del ángulo armado de lados iguales son necesarias para el análisis y diseño estructural. Estas incluyen:

• Área de la Sección Transversal (A): Suma de las áreas de las dos platinas, ajustada por la superposición o configuración en la esquina si es relevante (aunque usualmente se calcula como 2 * L * t - t^2 si se considera el vértice como la intersección de las líneas medias, o simplemente 2 * L * t si se simplifica ignorando el pequeño cuadrado en la esquina o considerándola como una unión a tope).
• Posición del Centroide (Cx, Cy): Debido a la simetría, el centroide se localiza sobre el eje a 45 grados. Su distancia desde el vértice exterior se puede calcular con precisión.
• Momentos de Inercia (Ix, Iy, Ixy): Calculados respecto a los ejes centroidales o a ejes paralelos a las alas. El momento de inercia es una medida de la rigidez a la flexión. Para un ángulo de lados iguales, Ix = Iy si los ejes x e y están alineados con las alas. Sin embargo, los momentos de inercia principales (Iu, Iv) respecto a los ejes que pasan por el centroide (uno de ellos el eje de simetría a 45 grados) son diferentes y son los que determinan la mayor y menor rigidez a la flexión.
• Radios de Giro (rx, ry, ru, rv): Calculados a partir de los momentos de inercia y el área (r = sqrt(I/A)). Son indicadores de la resistencia al pandeo. El radio de giro mínimo (generalmente rv, asociado al eje perpendicular al de simetría) es particularmente importante para elementos en compresión.
• Módulos de Sección (Sx, Sy, Su, Sv): Calculados como I/c, donde 'c' es la distancia desde el eje neutro a la fibra más alejada. Son utilizados para verificar los esfuerzos por flexión.
• Constante Torsional (J): Mide la rigidez de la sección a la torsión.
• Constante de Alabeo (Cw): Mide la rigidez de la sección a la torsión no uniforme (alabeo). Es relevante en elementos largos sometidos a torsión o flexo-torsión.

Estas propiedades se calculan utilizando fórmulas estándar de la mecánica de materiales, teniendo en cuenta la geometría compuesta de las dos platinas soldadas. Para ángulos armados, es importante considerar la contribución de los cordones de soldadura al área y rigidez, aunque a menudo se desprecia en cálculos preliminares si los cordones son relativamente pequeños comparados con las dimensiones de las platinas.

Materiales Utilizados: Acero Estructural

Los ángulos armados de lados iguales se fabrican predominantemente con acero estructural al carbono o aceros de baja aleación y alta resistencia (HSLA). En Colombia, los tipos de acero deben cumplir con las especificaciones de la Norma Sismo Resistente NSR-10, Título F, y las normas técnicas colombianas (NTC) o internacionales referenciadas (como ASTM). Los grados de acero comúnmente empleados incluyen:

• ASTM A36 (o equivalente NTC): El acero estructural al carbono más común, con una tensión de fluencia mínima de 250 MPa (36 ksi). Es soldable y dúctil, adecuado para una amplia gama de aplicaciones.
• ASTM A572 Grado 50 (o equivalente NTC): Un acero HSLA con una tensión de fluencia mínima de 345 MPa (50 ksi). Ofrece una mejor relación resistencia-peso que el A36, permitiendo diseños más ligeros o con mayor capacidad de carga. Su soldabilidad es buena, aunque puede requerir precauciones adicionales (como precalentamiento) en espesores mayores.
• ASTM A992 (o equivalente NTC): Principalmente usado para perfiles laminados de ala ancha (tipo W), pero las platinas de este grado también están disponibles. Tiene una tensión de fluencia especificada entre 345 MPa (50 ksi) y 450 MPa (65 ksi) y controles más estrictos sobre la composición química y la relación fluencia/resistencia última, lo cual es favorable para el comportamiento sísmico.
• Otros aceros: Dependiendo de requisitos específicos (resistencia a la corrosión, tenacidad a baja temperatura, etc.), se pueden utilizar otros grados de acero, como los aceros resistentes a la intemperie (ASTM A588) o aceros para aplicaciones criogénicas.

La selección del grado de acero impacta directamente en la resistencia, el peso y el costo del ángulo armado. Aceros de mayor resistencia permiten secciones más esbeltas para la misma capacidad de carga, lo que puede ser ventajoso en términos de peso propio y espacio. Sin embargo, pueden tener costos de material más altos y requerir procedimientos de fabricación y soldadura más cuidadosos. La disponibilidad de los diferentes grados y espesores de platina en el mercado colombiano, particularmente en centros industriales como Bogotá, también influye en la elección.

Comportamiento Estructural y Modos de Falla

Los ángulos armados de lados iguales, como elementos estructurales, pueden estar sometidos a diversas solicitaciones: tracción axial, compresión axial, flexión (alrededor de uno o ambos ejes principales), cortante y torsión, o combinaciones de estas. Su comportamiento y los modos de falla potenciales dependen del tipo de carga, la longitud del miembro, las condiciones de apoyo y las propiedades de la sección transversal.

Tracción Axial

Bajo tracción pura, el comportamiento es relativamente simple. La capacidad está limitada por la fluencia del material en la sección neta (si hay perforaciones) o en la sección bruta, o por la fractura última del material. La resistencia de diseño a tracción (Φt * Pn) se calcula según las especificaciones de la NSR-10 (Título F.3).

Compresión Axial

El comportamiento en compresión es más complejo debido a la posibilidad de pandeo. Los modos de pandeo a considerar incluyen:

• Pandeo por Flexión: Pandeo global del miembro alrededor del eje con menor rigidez (generalmente asociado al radio de giro mínimo, rv). La capacidad depende de la esbeltez del miembro (KL/r).
• Pandeo Torsional: Pandeo por torsión alrededor del eje longitudinal. Es más probable en secciones con baja rigidez torsional y asimetría (aunque el ángulo de lados iguales es simétrico respecto al eje a 45°, no es doblemente simétrico como un perfil W o H).
• Pandeo por Flexo-Torsión: Un modo de pandeo acoplado que implica flexión y torsión simultáneas. Es característico de secciones mono-simétricas o asimétricas cargadas axialmente a través del centroide. Para el ángulo de lados iguales, este modo puede ser crítico, especialmente si el eje de simetría no coincide con un eje principal de la estructura completa.
• Pandeo Local: Abolladura o pandeo de las alas (elementos planos que componen la sección) antes de que se alcance la capacidad global del miembro. Depende de la relación ancho/espesor (L/t) de las alas. Las alas se clasifican como compactas, no compactas o esbeltas según esta relación, lo que afecta la capacidad de alcanzar la fluencia o la resistencia al pandeo local.

La resistencia de diseño a compresión (Φc * Pn) se determina considerando el modo de pandeo que controle (flexión, torsional, flexo-torsional o local) según los procedimientos de la NSR-10 (Título F.4).

Flexión

Cuando un ángulo armado actúa como viga, está sometido a flexión. El comportamiento depende del eje alrededor del cual ocurre la flexión y de la restricción lateral contra el pandeo lateral torsional (PLT).

• Flexión alrededor de un Eje Geométrico (paralelo a un ala): Esto induce flexión biaxial y torsión si la carga no pasa por el centro de cortante. Es una situación de carga compleja.
• Flexión alrededor de un Eje Principal (u o v): Si la carga se aplica de manera que cause flexión solo alrededor de uno de los ejes principales (por ejemplo, el eje de simetría 'u'), el análisis se simplifica. La capacidad puede estar limitada por la fluencia, el pandeo local del ala comprimida o el pandeo lateral torsional (PLT).
• Pandeo Lateral Torsional (PLT): Si el miembro está sometido a flexión alrededor de su eje de mayor rigidez (eje 'u') y no tiene arriostramiento lateral continuo en el ala comprimida, puede pandear lateralmente y torsionar. La capacidad a PLT depende de la longitud no arriostrada, las propiedades de la sección (Iy, J, Cw) y las condiciones de carga y apoyo.

La resistencia de diseño a flexión (Φb * Mn) se calcula según la NSR-10 (Título F.5), considerando los límites de fluencia, pandeo local y PLT.

Cortante

Los esfuerzos cortantes son resistidos principalmente por las áreas de las alas paralelas a la dirección de la fuerza cortante. La capacidad a cortante usualmente está limitada por la fluencia del material en cortante o por el pandeo por cortante del alma (en este caso, las alas actuando como almas). Para ángulos, el pandeo por cortante raramente gobierna. La resistencia de diseño a cortante (Φv * Vn) se calcula según la NSR-10 (Título F.6).

Torsión

Los ángulos, al ser perfiles abiertos, tienen baja rigidez torsional (J es pequeño). Son susceptibles a grandes deformaciones y esfuerzos por torsión. La torsión puede ser uniforme (St. Venant) o no uniforme (alabeo). La resistencia a la torsión depende de J y Cw. En muchos casos, se busca minimizar o evitar cargas torsionales significativas en ángulos.

Interacción de Esfuerzos

En la práctica, los miembros estructurales rara vez están sometidos a un solo tipo de esfuerzo. Es común la combinación de carga axial y flexión (flexo-compresión o flexo-tracción), o flexión biaxial. Las ecuaciones de interacción especificadas en la NSR-10 (Título F.7) deben usarse para verificar la seguridad del miembro bajo cargas combinadas.

Ventajas del Ángulo Armado de Lados Iguales

El uso de ángulos armados de lados iguales ofrece varias ventajas en el diseño y construcción de estructuras metálicas:

• Personalización: Permiten crear secciones con dimensiones (L, t) específicas que pueden no estar disponibles como perfiles laminados estándar, optimizando el diseño para requerimientos precisos de resistencia y rigidez. Esto es particularmente útil en proyectos de rehabilitación o refuerzo donde se necesita encajar con elementos existentes.
• Eficiencia del Material: Al poder ajustar las dimensiones, se puede lograr una sección más eficiente en términos de peso de acero para una capacidad de carga dada, en comparación con la selección del siguiente perfil laminado estándar más grande.
• Disponibilidad de Materia Prima: Se fabrican a partir de platinas de acero, que suelen tener una amplia disponibilidad en diferentes espesores y grados en el mercado colombiano.
• Simetría: La simetría simplifica algunos cálculos y puede ser ventajosa en ciertas aplicaciones estructurales, como diagonales en celosías o elementos en torres donde se busca un comportamiento similar en dos direcciones.
• Versatilidad de Conexión: Las caras planas de las alas facilitan las conexiones atornilladas o soldadas a otros miembros estructurales, como placas de nudo (gussets) en celosías.
• Adaptabilidad en Fabricación: Talleres de estructuras metálicas con capacidades básicas de corte y soldadura pueden fabricar estos perfiles, lo que puede ser relevante en regiones con acceso limitado a perfiles laminados especiales.

Desventajas y Limitaciones

A pesar de sus ventajas, también existen algunas desventajas o aspectos a considerar:

• Costo de Fabricación: El proceso de corte, armado y soldadura implica mano de obra y control de calidad adicionales en comparación con el uso de un perfil laminado directamente del proveedor. Esto puede incrementar el costo unitario por kilogramo de acero.
• Tensiones Residuales y Distorsiones: La soldadura introduce tensiones residuales y puede causar distorsiones que deben ser controladas y consideradas en el diseño.
• Menor Rigidez Torsional: Como perfil abierto, su rigidez y resistencia a la torsión son inherentemente bajas comparadas con secciones cerradas (como tubos) o perfiles doblemente simétricos (como perfiles W/H).
• Complejidad en el Diseño a Compresión y Flexión: Requieren una verificación cuidadosa de los modos de pandeo torsional, flexo-torsional y local, lo que puede hacer el diseño más complejo que el de secciones más robustas frente a estos fenómenos.
• Control de Calidad: La integridad del perfil depende críticamente de la calidad de la soldadura, lo que exige un riguroso control y aseguramiento de la calidad durante la fabricación.

La decisión de utilizar un ángulo armado de lados iguales frente a un perfil laminado estándar o a otro tipo de sección armada (como un ángulo de lados desiguales, una T armada o una sección cajón) dependerá de un balance entre los requerimientos estructurales, los costos de material y fabricación, la disponibilidad, las limitaciones geométricas y las preferencias del diseñador y constructor.

Aplicaciones Típicas en Estructuras Metálicas

Los ángulos armados de lados iguales encuentran aplicación en una diversidad de elementos dentro de las estructuras metálicas, aprovechando su geometría y la posibilidad de personalización. Algunas de las aplicaciones más comunes en Colombia, incluyendo proyectos en Bogotá, son:

• Miembros de Celosías: Son ampliamente utilizados como diagonales y montantes en cerchas o armaduras de cubierta y puentes. Su forma permite conexiones sencillas a las placas de nudo (gussets) mediante soldadura o tornillos. La simetría puede ser beneficiosa para equilibrar las conexiones. En estos casos, suelen trabajar principalmente a tracción o compresión axial.
• Arriostramientos (Riostras): Se emplean como elementos de arriostramiento en planos de cubierta, fachadas o entre pórticos para proporcionar estabilidad lateral a la estructura y resistir cargas de viento o sismo. Suelen diseñarse para trabajar en tracción, aunque a menudo se dimensionan para resistir también compresión (evitando la necesidad de sistemas de arriostramiento en X con elementos que solo trabajan a tracción).
• Torres de Transmisión Eléctrica y Telecomunicaciones: La configuración en ángulo es tradicionalmente usada para los montantes y diagonales de torres metálicas autosoportadas o atirantadas. La posibilidad de fabricar ángulos armados permite optimizar el peso de la torre para grandes alturas y cargas de viento específicas de diferentes regiones colombianas.
• Soportes para Equipos: Se utilizan para construir marcos y soportes para maquinaria, tanques, tuberías y otros equipos industriales o de proceso.
• Elementos Secundarios: Pueden servir como correas (costaneras) en cubiertas o fachadas para soportar el revestimiento, aunque en esta aplicación compiten con perfiles Z o C laminados en frío, que suelen ser más eficientes para flexión simple. Sin embargo, en vanos cortos o cargas particulares, el ángulo armado puede ser una opción.
• Refuerzo de Elementos Existentes: Se pueden añadir ángulos armados a vigas o columnas existentes para incrementar su capacidad portante o rigidez, adaptándose a geometrías específicas.
• Dinteles sobre Aberturas Pequeñas: En muros de mampostería o entramados ligeros, pueden usarse como dinteles para soportar cargas sobre vanos de puertas o ventanas, aunque es más común usar perfiles laminados si las cargas son significativas.
• Componentes de Conexiones: A veces, segmentos cortos de ángulos armados se utilizan como parte de conexiones complejas, como ménsulas o rigidizadores.

La elección de un ángulo armado para una aplicación específica dependerá de las cargas actuantes, la longitud del miembro, el tipo de conexión, las consideraciones de pandeo y las restricciones de costo y fabricación.

Diseño Estructural según la Norma Sismo Resistente Colombiana (NSR-10)

El diseño de ángulos armados de lados iguales en Colombia debe realizarse de acuerdo con los requisitos del Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10, específicamente el Título F - Estructuras Metálicas. Este título adopta, con algunas modificaciones y adiciones, las especificaciones del American Institute of Steel Construction (AISC), principalmente la especificación AISC 360. El diseño puede realizarse utilizando el método LRFD (Diseño por Factores de Carga y Resistencia) o el método ASD (Diseño por Esfuerzos Admisibles), siendo LRFD el enfoque más moderno y comúnmente preferido.

Clasificación de la Sección

Un paso inicial en el diseño, especialmente para elementos sometidos a compresión o flexión, es clasificar las alas del ángulo como elementos rigidizados o no rigidizados y determinar si son compactos, no compactos o esbeltos. Las alas de un ángulo se consideran elementos no rigidizados, ya que solo están apoyadas a lo largo de un borde (la línea de soldadura). La clasificación se basa en la relación ancho/espesor (b/t), donde 'b' es la longitud del ala (L) y 't' es su espesor. Los límites para λ (b/t) que definen si un elemento es compacto, no compacto o esbelto (λp y λr) se encuentran en la Tabla F.3.1.1 de la NSR-10 (referenciando la Tabla B4.1a del AISC 360).

• Compacto: Si b/t ≤ λp. El ala puede desarrollar y mantener la fluencia antes de pandear localmente.
• No compacto: Si λp < b/t ≤ λr. El ala pandeará localmente de forma inelástica después de alcanzar la fluencia, pero antes de desarrollar la capacidad de rotación requerida para el análisis plástico.
• Esbelto: Si b/t > λr. El ala pandeará localmente en el rango elástico antes de alcanzar la fluencia.

Esta clasificación afecta directamente la capacidad de diseño del miembro en compresión (factor Qs para elementos esbeltos) y en flexión (capacidad de alcanzar el momento plástico Mp, o limitación por pandeo local elástico o inelástico).

Diseño a Compresión

Como se mencionó, la resistencia a compresión (Pn) está determinada por el estado límite de pandeo por flexión, torsional o flexo-torsional, o por pandeo local si las alas son esbeltas. La NSR-10 (Título F.4) proporciona las ecuaciones para calcular la carga crítica de pandeo elástico (Fe) considerando estos modos. Para secciones mono-simétricas como los ángulos, el pandeo por flexo-torsión a menudo gobierna para ciertas longitudes. Se debe calcular la resistencia nominal Pn basada en la tensión crítica de pandeo (Fcr) y el área bruta (Ag). Si las alas son esbeltas (b/t > λr), la resistencia se reduce adicionalmente por el factor Qs para tener en cuenta el pandeo local. La resistencia de diseño es Φc * Pn, donde Φc = 0.90 (LRFD).

Diseño a Flexión

El diseño a flexión (Título F.5 de la NSR-10) requiere considerar los estados límite de:

• Fluencia: Mn = Mp = Fy * Zx (o Zu/Zv para ejes principales), si la sección es compacta y está adecuadamente arriostrada lateralmente.
• Pandeo Lateral Torsional (PLT): Si la longitud no arriostrada (Lb) es significativa, la capacidad Mn se reduce debido al PLT. La NSR-10 proporciona ecuaciones para calcular Mn basadas en Lb, Lp y Lr (longitudes límites para comportamiento plástico, pandeo inelástico y pandeo elástico). El cálculo de la resistencia a PLT para ángulos puede ser complejo e involucra propiedades como Iy, J, Cw y el coeficiente Cb (que considera la variación del momento a lo largo de Lb).
• Pandeo Local del Ala Comprimida: Si el ala comprimida es no compacta o esbelta, la capacidad Mn se reduce para tener en cuenta el pandeo local. Las reducciones se aplican según las ecuaciones proporcionadas en la especificación, basadas en las relaciones b/t, λp y λr.
• Pandeo Local del Ala en Tracción: Generalmente no es un problema, pero se considera indirectamente en la clasificación.

La resistencia de diseño a flexión es Φb * Mn, donde Φb = 0.90 (LRFD).

Un aspecto particular de la flexión en ángulos es que, a menos que la carga se aplique a través del centro de cortante (que no coincide con el centroide en un ángulo), la flexión inducirá torsión (especialmente torsión de alabeo). Además, si la flexión no ocurre sobre un eje principal, se trata de flexión biaxial. La NSR-10 (Título F.7) trata la flexión biaxial. Para simplificar, a menudo se intenta cargar los ángulos de manera que la flexión ocurra principalmente sobre un eje principal o se diseñan para las componentes de momento sobre los ejes principales.

Diseño a Cortante

La resistencia nominal a cortante (Vn) se calcula generalmente como Vn = 0.6 * Fy * Aw * Cv, donde Aw es el área del alma (en un ángulo, se puede considerar el área de una de las alas o una combinación) y Cv es un coeficiente que considera el pandeo por cortante (usualmente Cv=1.0 para ángulos). La resistencia de diseño es Φv * Vn, donde Φv = 0.90 o 1.00 dependiendo de si se considera pandeo del alma (LRFD).

Diseño a Torsión

El diseño para torsión en ángulos (Título F.8) debe considerar tanto los esfuerzos por torsión uniforme (St. Venant) como los esfuerzos por torsión no uniforme (alabeo). Los esfuerzos normales por alabeo pueden ser significativos y deben combinarse con los esfuerzos axiales y de flexión. Los esfuerzos cortantes por torsión (uniforme y no uniforme) deben combinarse con los esfuerzos cortantes por flexión. Debido a la complejidad y la baja eficiencia de los ángulos en torsión, generalmente se prefiere evitar o minimizar las cargas torsionales en estos miembros mediante un detallado adecuado.

Diseño de Conexiones

Las conexiones (Título F.10) son una parte fundamental del diseño. Para ángulos armados, las conexiones pueden ser soldadas o atornilladas. Se debe verificar la resistencia de los elementos de conexión (tornillos, soldaduras) y la resistencia de los elementos conectados (ángulo) en la zona de la conexión, considerando modos de falla como:

• En tornillos: Cortante, aplastamiento, desgarramiento.
• En soldaduras: Resistencia del metal de soldadura, resistencia del metal base.
• En el ángulo: Fluencia de la sección bruta, fractura de la sección neta, bloque de cortante, aplastamiento (en agujeros de tornillos).

En conexiones a placas de nudo (gussets), la excentricidad en la conexión puede inducir momentos secundarios en el ángulo, lo cual debe ser considerado si es significativo.

Consideraciones Específicas para Bogotá y Colombia

Al diseñar y fabricar ángulos armados de lados iguales en Colombia, y particularmente en Bogotá, se deben tener en cuenta ciertos factores locales:

• Normativa NSR-10: Es mandatorio el cumplimiento estricto de la Norma Sismo Resistente Colombiana, incluyendo sus requisitos específicos para diseño y detallado en las diferentes zonas de amenaza sísmica del país (Bogotá se encuentra en una zona de amenaza sísmica intermedia).
• Disponibilidad de Materiales: Verificar la disponibilidad local de platinas de acero en los grados (A36, A572 Gr50, etc.) y espesores requeridos. La logística y costos de transporte pueden variar.
• Capacidades de Fabricación: Asegurarse de que el taller metalmecánico seleccionado cuente con el equipo adecuado (corte preciso, máquinas de soldar calibradas, sistemas de control de distorsión) y personal calificado (soldadores certificados según normas como AWS D1.1).
• Control de Calidad: Implementar un plan de aseguramiento y control de calidad que incluya inspección de materiales, verificación dimensional durante el armado, inspección visual y/o ensayos no destructivos (END) de las soldaduras, y control de tolerancias finales.
• Condiciones Ambientales: Considerar la exposición ambiental del proyecto (humedad, agentes corrosivos) para seleccionar el sistema de protección contra la corrosión adecuado (pintura, galvanizado en caliente). En Bogotá, la humedad relativa y la contaminación atmosférica pueden influir en la durabilidad.
• Mano de Obra Local: Aprovechar la experiencia de la mano de obra local en fabricación y montaje de estructuras metálicas, asegurando la capacitación y cumplimiento de normas de seguridad industrial.

La colaboración temprana entre diseñadores estructurales, fabricantes y constructores es beneficiosa para optimizar el diseño del ángulo armado, asegurar su correcta fabricación y facilitar su montaje en obra, contribuyendo al éxito general del proyecto en el contexto colombiano.

Comparativa con Perfiles Laminados y Otras Secciones Armadas

La elección de un ángulo armado de lados iguales debe hacerse considerando sus características en comparación con otras opciones disponibles para el ingeniero estructural. Las alternativas más comunes son los ángulos laminados en caliente de lados iguales, los ángulos laminados de lados desiguales, y otras secciones armadas como Tés armadas o secciones cajón.

Ángulo Armado vs. Ángulo Laminado de Lados Iguales

La diferencia fundamental radica en el proceso de fabricación. Los ángulos laminados se producen en una sola pieza mediante laminación en caliente, lo que generalmente resulta en:

• Menores Tensiones Residuales: Aunque la laminación y el enfriamiento también inducen tensiones residuales, suelen ser diferentes y a veces menos perjudiciales que las inducidas por soldadura intensiva.
• Esquinas Redondeadas: Los ángulos laminados tienen un redondeo en el vértice interior (filete) y en los bordes exteriores, producto del proceso de laminación. Los ángulos armados tienen una esquina interior más aguda (definida por la soldadura) y esquinas exteriores vivas (las de las platinas).
• Tolerancias Dimensionales: Los perfiles laminados tienen tolerancias estándar de fabricación definidas por normas (ej. ASTM A6). Los ángulos armados dependen de la precisión del taller.
• Disponibilidad: Los ángulos laminados están disponibles en una gama estándar de tamaños. Si se requiere un tamaño intermedio o uno muy grande no disponible, el ángulo armado es la solución.
• Costo: Generalmente, para tamaños estándar, el costo por kilogramo de un ángulo laminado es menor que el de uno armado debido a la eficiencia de la producción en masa versus la fabricación individual. Sin embargo, si el ángulo armado permite una optimización significativa del peso, el costo total del miembro puede ser competitivo.
• Propiedades Geométricas: Las propiedades (I, r, S, Z, J, Cw) de un ángulo laminado están tabuladas en manuales. Para un ángulo armado, deben calcularse específicamente, considerando la geometría exacta de las platinas y la soldadura.

Ángulo Armado de Lados Iguales vs. Ángulo Armado de Lados Desiguales

Dentro de los ángulos armados, la variante de lados desiguales se fabrica uniendo dos platinas de diferente anchura. La elección entre lados iguales y desiguales depende de la aplicación:

• Simetría vs. Asimetría: Lados iguales ofrece simetría, simplificando análisis y conexiones en ciertos casos. Lados desiguales es asimétrico, lo que resulta en propiedades diferentes respecto a los ejes x e y (paralelos a las alas) y puede ser ventajoso si la carga o los requisitos de rigidez son diferentes en esas dos direcciones.
• Rigidez y Resistencia: Un ángulo de lados desiguales puede optimizarse para tener mayor rigidez o resistencia en una dirección específica, colocando el ala más larga orientada adecuadamente.
• Conexiones: La conexión puede ser más fácil a un ala más larga en ciertas configuraciones.
• Aplicaciones: Lados iguales es común en celosías y torres. Lados desiguales puede ser preferido para dinteles o elementos de borde donde una de las alas tiene una función de apoyo o conexión predominante.

La fabricación es similar, pero el posicionamiento de las platinas de diferente ancho requiere cuidado para lograr la perpendicularidad y la línea de soldadura deseada.

Ángulo Armado vs. Tés Armadas (Perfil T)

Una T armada se fabrica soldando una platina (el alma) perpendicularmente al centro de otra platina (el ala). Comparado con un ángulo armado:

• Simetría: La T armada es mono-simétrica respecto al eje que pasa por el alma, mientras que el ángulo de lados iguales es mono-simétrico respecto al eje a 45 grados.
• Centroide y Centro de Cortante: La ubicación de estos puntos difiere significativamente, afectando el comportamiento bajo carga excéntrica o flexión. En la T, el centroide está más cerca del ala.
• Rigidez a Flexión: La T armada suele ser más eficiente para flexión alrededor del eje paralelo al ala, ya que concentra más material lejos del eje neutro (el alma contribuye significativamente a la inercia).
• Estabilidad: El comportamiento al pandeo difiere. La T tiene modos de pandeo distintos (pandeo del ala, pandeo del alma, pandeo flexo-torsional).
• Aplicaciones: Las Tés armadas se usan como vigas secundarias, miembros de cerchas pesadas (a veces como cordones superiores), o elementos sometidos a flexión principal en una dirección. Los ángulos son más comunes como diagonales, montantes o arriostramientos.

Ángulo Armado vs. Secciones Cajón o Tubulares Armadas

Las secciones cajón (rectangulares o cuadradas) se fabrican soldando cuatro platinas, o doblando una platina y soldando la costura. Los tubulares estructurales (circulares, cuadrados, rectangulares - HSS) pueden ser laminados o armados.

• Rigidez Torsional: La mayor ventaja de las secciones cerradas (cajón, tubular) es su altísima rigidez y resistencia torsional comparada con perfiles abiertos como los ángulos. Esto las hace ideales para miembros sometidos a torsión significativa.
• Resistencia a Pandeo: Suelen ser muy eficientes en compresión, ya que tienen radios de giro similares y altos en ambas direcciones principales, lo que reduce la susceptibilidad al pandeo por flexión y elimina el pandeo torsional o flexo-torsional como modo primario.
• Pandeo Local: Las paredes de la sección cerrada están rigidizadas por las otras paredes, mejorando la resistencia al pandeo local en comparación con las alas no rigidizadas de un ángulo.
• Costo de Fabricación: Fabricar una sección cajón armada requiere más soldadura y manejo que un ángulo armado. Los HSS laminados pueden ser competitivos en costo.
• Conexiones: Las conexiones a secciones cerradas pueden ser más complejas y costosas que las conexiones a las alas abiertas de un ángulo.
• Corrosión Interna: Las secciones cerradas pueden ser susceptibles a corrosión interna si no están adecuadamente selladas o protegidas (ej. galvanizado interior y exterior).
• Aplicaciones: Se usan como columnas, vigas principales, cordones de cerchas pesadas, y en cualquier aplicación que requiera alta eficiencia en compresión o torsión.

La selección óptima entre estas alternativas requiere un análisis detallado de las cargas, condiciones de apoyo, requisitos de estabilidad, costos de material y fabricación, y facilidad de montaje y conexión para cada proyecto específico en el contexto colombiano.

Detalles Constructivos y de Montaje

La correcta ejecución de los detalles constructivos y un montaje adecuado son esenciales para asegurar el buen desempeño de los ángulos armados de lados iguales en la estructura final.

Preparación de Bordes para Soldadura

Antes de soldar las dos platinas, los bordes a unir deben estar limpios, libres de óxido, escama de laminación suelta, grasa, pintura u otros contaminantes que puedan afectar la calidad de la soldadura. Dependiendo del espesor de las platinas y del proceso de soldadura, puede ser necesario preparar los bordes (por ejemplo, biselarlos) para asegurar una penetración completa de la soldadura, especialmente si se requiere una unión de penetración completa (CJP). Para soldaduras de filete, que son comunes para unir las alas de los ángulos armados, generalmente no se requiere biselado a menos que los espesores sean muy grandes.

Control de Distorsión Durante la Soldadura

Como se mencionó, la soldadura introduce calor de forma localizada, lo que provoca expansión y posterior contracción del metal. Esta contracción no uniforme genera distorsiones (deformaciones angulares, curvaturas longitudinales) y tensiones residuales. Para controlar la distorsión en ángulos armados:

• Secuencia de Soldadura: Aplicar cordones de soldadura de forma alternada o balanceada si se suelda por ambos lados (interior y exterior del vértice), o usar una secuencia que minimice la acumulación de calor (ej. soldadura por retroceso, soldadura salteada).
• Sujeción (Jigs y Fixtures): Utilizar dispositivos de sujeción robustos para mantener las platinas en la posición correcta (90 grados) durante la soldadura y el enfriamiento.
• Pre-deformación (Pre-setting): A veces se puede inducir una deformación inicial opuesta a la esperada por soldadura, de modo que el resultado final sea un miembro recto.
• Limitación del Aporte Térmico: Controlar los parámetros de soldadura (corriente, voltaje, velocidad) para minimizar el calor introducido, sin comprometer la calidad de la unión.
• Enfriamiento Controlado: Evitar enfriamientos demasiado rápidos que puedan fragilizar el material o aumentar las tensiones.

Después de la soldadura, se deben verificar las tolerancias dimensionales (rectitud, perpendicularidad de las alas). Si las distorsiones exceden los límites permitidos por la NSR-10 (Título K) o las especificaciones del proyecto, puede ser necesario aplicar métodos de enderezado mecánico o térmico, realizados cuidadosamente para no dañar el material.

Tolerancias de Fabricación

Los talleres de fabricación deben trabajar dentro de las tolerancias dimensionales especificadas. Para ángulos armados, esto incluye tolerancias en:

• Longitud del miembro.
• Dimensiones de la sección transversal (longitud de alas L, espesor t).
• Perpendicularidad de las alas.
• Rectitud longitudinal (curvatura o flecha).
• Alabeo o torsión.

Estas tolerancias son importantes para asegurar un ajuste adecuado durante el montaje y para que el comportamiento estructural real coincida con el análisis de diseño (que asume una geometría ideal).

Protección Contra la Corrosión

El acero estructural es susceptible a la corrosión. Los ángulos armados deben recibir un sistema de protección adecuado a las condiciones ambientales a las que estarán expuestos durante su vida útil. Las opciones comunes en Colombia incluyen:

• Limpieza de Superficie: Preparación de la superficie según normas internacionales (ej. SSPC o ISO) para eliminar óxido, escama, y contaminantes. Los grados de limpieza comunes son SSPC-SP6 (Limpieza con chorro abrasivo comercial) o SSPC-SP10 (Limpieza con chorro abrasivo cercano al metal blanco).
• Imprimación (Primer): Aplicación de una capa de imprimante rico en zinc o epóxico para proporcionar una barrera y/o protección galvánica inicial.
• Capas Intermedias y de Acabado: Aplicación de capas adicionales de pintura (epóxicas, poliuretanos) para aumentar el espesor de la barrera protectora, proporcionar resistencia a la intemperie, a los rayos UV y dar el color de acabado deseado.
• Galvanizado en Caliente: Inmersión del ángulo armado completo en un baño de zinc fundido después de la fabricación y limpieza. Proporciona una protección muy duradera y robusta, incluyendo las esquinas y bordes. Es una excelente opción para ambientes agresivos, aunque puede tener un costo inicial más alto y requiere consideraciones sobre el tamaño máximo de pieza que puede galvanizar la planta y el control de posibles distorsiones por el calor del proceso.

La selección del sistema de protección debe basarse en la durabilidad requerida, el ambiente de exposición (interior, exterior, industrial, marino), el costo inicial y los costos de mantenimiento a largo plazo.

Transporte y Manipulación

Los ángulos armados, especialmente los de gran longitud o sección, deben ser manipulados, almacenados y transportados cuidadosamente para evitar daños:

• Usar puntos de izaje adecuados para evitar flexiones excesivas.
• Apoyar los miembros sobre bloques de madera (durmientes) para mantenerlos elevados del suelo y evitar acumulación de humedad.
• Proteger el sistema de pintura durante la carga, transporte y descarga.
• Asegurar la carga correctamente en el vehículo de transporte para prevenir movimientos y deformaciones.

Montaje en Obra

Durante el montaje de la estructura:

• Verificar la correcta ubicación y orientación del ángulo armado según los planos de montaje.
• Realizar las conexiones (atornilladas o soldadas en sitio) siguiendo los procedimientos especificados y asegurando la calidad.
• Asegurar la estabilidad temporal del miembro y de la estructura durante las fases de montaje.
• Realizar los ajustes necesarios para cumplir con las tolerancias de montaje (verticalidad, alineación).
• Retocar cualquier daño en el sistema de protección contra la corrosión ocurrido durante el transporte o montaje.

La coordinación entre el fabricante y el montador es clave para un proceso eficiente y seguro.

Innovaciones y Tendencias Futuras

Aunque el concepto del ángulo armado de lados iguales es tradicional, existen áreas de innovación y tendencias que pueden influir en su diseño, fabricación y aplicación en el futuro, incluso en el contexto colombiano.

Optimización Topológica y Diseño Generativo

Con el avance del software de análisis y diseño estructural, es posible utilizar herramientas de optimización topológica y diseño generativo para encontrar formas estructurales más eficientes. Si bien esto se aplica más a sistemas completos, podría influir en la determinación de las dimensiones óptimas (L y t) de los ángulos armados dentro de una estructura mayor, buscando minimizar el peso total de acero para cumplir con los requisitos de resistencia y rigidez. Podrían surgir geometrías no estándar o variables a lo largo de la longitud del miembro si la optimización así lo sugiere y la fabricación lo permite.

Aceros de Ultra-Alta Resistencia

La investigación y desarrollo continúan produciendo aceros con resistencias cada vez mayores (tensiones de fluencia superiores a 690 MPa / 100 ksi). El uso de estos aceros en ángulos armados permitiría secciones transversales aún más pequeñas y ligeras. Sin embargo, esto presenta desafíos:

• Soldabilidad: Requieren procedimientos de soldadura más estrictos, incluyendo precalentamiento, control interpaso y, a menudo, consumibles de soldadura especiales.
• Diseño por Estabilidad: A medida que aumenta la resistencia del material, los fenómenos de pandeo (local, global) tienden a gobernar el diseño con mayor frecuencia, ya que la rigidez (Módulo de Young, E) del acero no aumenta proporcionalmente con la resistencia. Esto exige un análisis de estabilidad más riguroso.
• Ductilidad y Tenacidad: Asegurar suficiente ductilidad y tenacidad a la fractura, especialmente para aplicaciones sísmicas, es fundamental y puede ser más difícil de lograr con aceros de muy alta resistencia.
• Costo y Disponibilidad: Estos aceros suelen ser más costosos y menos disponibles que los grados estándar.

Su adopción dependerá del balance entre beneficios (reducción de peso) y desafíos (fabricación, diseño, costo).

Fabricación Aditiva (Impresión 3D de Metales)

Aunque todavía está en etapas tempranas para componentes estructurales de gran tamaño, la fabricación aditiva (como Wire Arc Additive Manufacturing - WAAM) ofrece la posibilidad teórica de "imprimir" secciones metálicas complejas, potencialmente optimizadas. En el futuro, podría ser posible fabricar ángulos o perfiles similares con geometrías internas o refuerzos localizados que no son factibles con los métodos actuales de soldadura de platinas. Sin embargo, los desafíos actuales incluyen la velocidad de producción, el costo, la certificación de propiedades del material y el control de calidad a gran escala.

Integración con Sistemas Inteligentes (Sensores)

La tendencia hacia estructuras inteligentes implica la incorporación de sensores (fibra óptica, MEMS) para monitorear la salud estructural (Structural Health Monitoring - SHM). Los ángulos armados, como componentes de la estructura, podrían diseñarse para facilitar la integración de estos sensores durante la fabricación o el montaje. Esto permitiría monitorear en tiempo real parámetros como deformaciones, tensiones, vibraciones o corrosión, optimizando las estrategias de inspección y mantenimiento a lo largo de la vida útil de la estructura.

Sostenibilidad y Economía Circular

La industria de la construcción está cada vez más enfocada en la sostenibilidad. Para los ángulos armados, esto implica:

• Uso de Acero Reciclado: El acero es altamente reciclable. Fomentar el uso de acero con alto contenido reciclado en la fabricación de las platinas.
• Optimización del Diseño: Diseñar ángulos armados con las dimensiones estrictamente necesarias para minimizar el consumo de material (y la energía embebida).
• Durabilidad y Extensión de Vida Útil: Utilizar sistemas de protección contra la corrosión duraderos y diseñar para facilitar el mantenimiento y posibles refuerzos futuros.
• Diseño para el Desmontaje: Considerar conexiones (preferiblemente atornilladas) que faciliten el desmontaje de los ángulos al final de la vida útil de la estructura, permitiendo su reutilización o reciclaje.
• Análisis de Ciclo de Vida (ACV): Realizar ACV para comparar el impacto ambiental de usar ángulos armados versus otras alternativas, considerando la extracción de materias primas, fabricación, transporte, uso, mantenimiento y fin de vida.

En Colombia, la adopción de prácticas sostenibles en la construcción metálica es un área en crecimiento, impulsada por políticas ambientales y la demanda del mercado.

Consideraciones Finales sobre el Ángulo Armado de Lados Iguales

El ángulo armado de lados iguales se consolida como un elemento estructural valioso dentro del repertorio disponible para los ingenieros y constructores que trabajan con acero en Colombia. Su principal fortaleza reside en la flexibilidad que ofrece para adaptar las dimensiones de la sección transversal (L y t) a los requerimientos específicos de un proyecto, superando las limitaciones de los catálogos de perfiles laminados estándar. Esta personalización puede conducir a diseños estructurales optimizados en términos de peso y, potencialmente, de costo total, a pesar de que el costo unitario de fabricación pueda ser superior al de un perfil laminado equivalente.

La fabricación mediante soldadura de platinas exige un control de calidad riguroso, particularmente en la ejecución y la inspección de las uniones soldadas, ya que la integridad del perfil armado depende directamente de ellas. La gestión de las distorsiones y tensiones residuales inducidas por la soldadura es también un aspecto importante a considerar tanto en la fabricación como en el diseño, especialmente para elementos sometidos a compresión o cargas que puedan inducir pandeo.

Desde la perspectiva del diseño estructural, regido en Colombia por la NSR-10, los ángulos armados de lados iguales requieren una atención cuidadosa a los diversos modos de falla potenciales. Si bien su simetría simplifica algunos aspectos, su naturaleza de perfil abierto mono-simétrico los hace susceptibles al pandeo por flexo-torsión en compresión y al pandeo lateral torsional en flexión. La clasificación correcta de las alas como elementos no rigidizados (compactos, no compactos o esbeltos) es fundamental para determinar la capacidad portante real. El diseño debe abordar de manera integral todos los estados límite aplicables: fluencia, fractura, pandeo global (flexión, torsión, flexo-torsión) y pandeo local.

Sus aplicaciones son variadas, destacando su uso en celosías, arriostramientos y torres, donde su facilidad de conexión a placas de nudo y su comportamiento simétrico pueden ser ventajosos. Sin embargo, su baja rigidez torsional limita su uso en situaciones con cargas de torsión significativas, donde secciones cerradas como tubulares o cajones armados serían más apropiadas.

La elección de utilizar un ángulo armado de lados iguales frente a otras alternativas como ángulos laminados, ángulos de lados desiguales, Tés armadas o secciones cerradas, debe basarse en un análisis comparativo que considere no solo la capacidad estructural requerida, sino también factores como la disponibilidad de perfiles estándar, los costos relativos de material y fabricación, la complejidad de las conexiones, los requisitos de estabilidad y rigidez, y las capacidades del taller de fabricación.

En el contexto específico de Colombia y ciudades como Bogotá, el cumplimiento de la NSR-10, la consideración de las condiciones ambientales para la protección contra la corrosión, la disponibilidad de aceros y la capacidad técnica de los fabricantes locales son factores determinantes. Las tendencias hacia la optimización del diseño, el uso de nuevos materiales, las técnicas de fabricación avanzadas y un enfoque creciente en la sostenibilidad seguirán influyendo en la forma en que se diseñan, fabrican y utilizan los ángulos armados de lados iguales en el futuro de la construcción metálica en el país.

Este elemento, aunque conceptualmente simple, requiere un conocimiento profundo de su comportamiento estructural, de los procesos de fabricación y de las normativas aplicables para ser utilizado de manera segura y eficiente. Su versatilidad asegura que seguirá siendo una opción relevante para los ingenieros estructurales que buscan soluciones a medida en el diseño de vigas metálicas y otros componentes de estructuras de acero.

Aspectos Detallados del Comportamiento y Diseño Avanzado

Profundizando en el comportamiento estructural y los métodos de diseño, existen aspectos más detallados que son relevantes para un uso preciso y eficiente de los ángulos armados de lados iguales, especialmente en aplicaciones exigentes o cuando se busca una alta optimización.

Efecto del Radio de Giro Mínimo (rv)

Como se mencionó, el radio de giro mínimo (rv) para un ángulo de lados iguales corresponde al eje principal 'v', que es perpendicular al eje de simetría 'u' (el que pasa por el vértice a 45 grados). Este radio de giro es significativamente menor que el radio de giro alrededor del eje de simetría (ru) y también menor que los radios de giro alrededor de los ejes geométricos x e y (paralelos a las alas, rx = ry). Consecuentemente, el pandeo por flexión alrededor de este eje 'v' es a menudo el modo de pandeo crítico para miembros en compresión, a menos que el pandeo torsional o flexo-torsional gobierne a longitudes efectivas intermedias o largas.

La NSR-10 (Título F.4) requiere explícitamente considerar el pandeo flexo-torsional para secciones mono-simétricas y asimétricas. Para un ángulo de lados iguales cargado axialmente a través de su centroide, la carga crítica elástica de pandeo flexo-torsional (Fe) se calcula usando una fórmula que involucra las cargas críticas de pandeo por flexión alrededor de los ejes principales (Fey, Fez en la nomenclatura AISC/NSR-10, que corresponderían a Feu y Fev) y la carga crítica de pandeo torsional (Fet). Aunque el ángulo de lados iguales es simétrico respecto al eje 'u', no lo es respecto al eje 'v', y por tanto, el pandeo flexo-torsional puede ocurrir y debe verificarse.

Importancia del Centro de Cortante

El centro de cortante (shear center) de un ángulo de lados iguales se localiza en el vértice donde se unen las dos alas. Si las cargas transversales (que causan flexión y cortante) no pasan por este punto, inducirán torsión en el miembro además de la flexión. Dado que los ángulos tienen baja rigidez torsional, estas torsiones inducidas por carga excéntrica pueden ser significativas y deben incluirse en el análisis y diseño. En muchas aplicaciones prácticas (como en celosías conectadas a placas de nudo), las cargas se aplican excéntricamente respecto al centroide y/o al centro de cortante, lo que complica el comportamiento real.

Flexión Biaxial

Si un ángulo armado de lados iguales está sometido a flexión que no ocurre puramente alrededor de uno de sus ejes principales (u o v), entonces experimentará flexión biaxial. Esto es común si la carga se aplica paralela a una de las alas (ejes x o y). En este caso, el momento aplicado (Mx o My) debe descomponerse en componentes de momento alrededor de los ejes principales (Mu y Mv). Luego, se debe verificar la resistencia del miembro utilizando las ecuaciones de interacción para flexión biaxial proporcionadas en la NSR-10 (Título F.7), considerando la capacidad a flexión alrededor de cada eje principal (teniendo en cuenta fluencia, PLT y pandeo local para cada caso).

Diseño Sísmico

Si los ángulos armados forman parte del Sistema de Resistencia a Fuerza Sísmica (SRFS) de una edificación ubicada en zona de amenaza sísmica intermedia o alta (como Bogotá), deben cumplirse requisitos adicionales del Título F.9 de la NSR-10 (y referencias a AISC 341). Estos requisitos dependen del tipo de SRFS (pórticos resistentes a momento, pórticos arriostrados concéntrica o excéntricamente) y de la capacidad de disipación de energía del sistema (DMO, DMI).

Para ángulos usados como diagonales en Pórticos con Arriostramientos Concéntricos (PAC), por ejemplo:

• Pueden existir limitaciones a la relación de esbeltez (KL/r) para asegurar un comportamiento dúctil en ciclos de carga y descarga (pandeo y post-pandeo).
• Se requiere que las conexiones (a las placas de nudo) sean capaces de desarrollar la resistencia esperada del miembro en tracción y/o compresión.
• Puede ser necesario considerar la sobrerresistencia del material (Ry * Fy) en el diseño de las conexiones y otros elementos que deben permanecer elásticos.
• La relación ancho/espesor (L/t) puede tener límites más estrictos (requerimientos sísmicamente compactos) para asegurar la ductilidad local antes del pandeo.

El uso de ángulos armados en sistemas sísmicos requiere una comprensión detallada de estas disposiciones adicionales para garantizar la seguridad y el desempeño esperado durante un evento sísmico.

Fatiga

En estructuras sometidas a cargas cíclicas (puentes, soportes de maquinaria vibratoria, estructuras expuestas a viento con vibraciones inducidas), el diseño por fatiga puede ser un factor a considerar. Las soldaduras, especialmente las de filete usadas para unir las alas del ángulo armado, pueden ser puntos de concentración de esfuerzos donde pueden iniciarse fisuras por fatiga. El diseño por fatiga (NSR-10, Título F, Apéndice 3) implica determinar el rango de tensiones esperado en los detalles críticos (como el inicio o fin de los cordones de soldadura) y compararlo con la resistencia a la fatiga admisible para esa categoría de detalle y el número de ciclos esperado durante la vida útil de la estructura. Es importante asegurar una buena calidad de soldadura y evitar detalles que generen altas concentraciones de esfuerzo si la fatiga es una preocupación.

Modelado en Software de Análisis Estructural

Al modelar ángulos armados en software de elementos finitos (FEA) o programas de análisis estructural:

• Es importante definir correctamente las propiedades de la sección transversal (A, Ix, Iy, Ixy, J, Cw) o, idealmente, utilizar elementos que capturen la geometría exacta (elementos tipo 'shell' para análisis muy detallados, aunque más comúnmente se usan elementos tipo 'beam').
• Asegurarse de que el software pueda manejar adecuadamente el análisis de estabilidad (pandeo por flexión, torsional y flexo-torsional) para secciones mono-simétricas. Esto a menudo requiere un análisis de pandeo lineal (eigenvalue) o, preferiblemente, un análisis no lineal de segundo orden que incluya imperfecciones geométricas iniciales.
• Modelar correctamente las condiciones de apoyo y las conexiones, incluyendo posibles excentricidades que puedan inducir momentos o torsiones no intencionadas.
• Para análisis sísmicos no lineales, el modelo debe ser capaz de representar el comportamiento inelástico del material y la degradación de rigidez y resistencia bajo cargas cíclicas, lo cual es complejo para elementos susceptibles a pandeo como los ángulos.

Consideraciones de Fabricación Avanzada: Soldadura Láser Híbrida

Aunque no es común para ángulos armados estructurales estándar, tecnologías como la soldadura láser híbrida (que combina un láser con un arco GMAW) podrían ofrecer ventajas en el futuro. Este proceso puede lograr altas velocidades de soldadura con baja distorsión y buena penetración, lo que podría mejorar la eficiencia y la calidad de la fabricación de secciones armadas. Sin embargo, el costo del equipo y la necesidad de una preparación y ajuste muy precisos son barreras actuales para su adopción generalizada en talleres estructurales.

En definitiva, el ángulo armado de lados iguales, aunque parece un perfil simple, encierra una serie de complejidades en su comportamiento estructural que requieren un análisis cuidadoso y un diseño basado en las disposiciones normativas vigentes. La capacidad de personalizar sus dimensiones lo mantiene como una herramienta relevante para la ingeniería estructural en acero, pero su uso eficiente y seguro demanda una comprensión profunda de la mecánica de materiales, la estabilidad estructural, los procesos de fabricación y las normativas aplicables, como la NSR-10 en el caso colombiano. La continua evolución de materiales, técnicas de análisis y fabricación seguirá perfilando el rol y las capacidades de este versátil elemento estructural.