COLUMNAS
CONCRETO ARMADO
BACHILLERES ARVELO JHONNATHANZ HERNANDEZ GIANPIERO
República Bolivariana de Venezuela. Ministerio del Poder Popular para la Defensa. Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada. Núcleo – APURE.
CONCRETO ARMADO
Profesor: Ing. José Lugo
Bachilleres: Arvelo Jhonnathanz Hernández Gianpiero
San Fernando, Febrero de 2014
COLUMNAS Las columnas son elementos estructurales que soportan esfuerzos axiales, de compresión o tracción, generalmente combinados con flexión, por lo que en consecuencia deben además soportar los esfuerzos de corte derivados de la flexión. (Fuente: Ing. CARLOS RICARDO LLOPIZUniversidad Nacional de Cuyo-Argentina. El comportamiento de la columna, y en definitiva su modo de falla depende del grado de esfuerzo axial con respecto a la intensidad de los esfuerzos de flexión. Se dice que una columna no es esbelta cuando su carga última, para una excentricidad dada (y en consecuencia flexión asociada), está controlada por la resistencia de los materiales componentes y de sus dimensiones transversales. En una columna esbelta sin embargo, la esbeltez es causal de momentos adicionales que tienen influencia sobre el valor de la carga última que puede desarrollar la columna. Las columnas de hormigón pueden tener las más diversas formas, algunas de las cuales se muestran en la Fig. 5.1. Están reforzadas con barras de aceros longitudinales y transversales, pudiendo ser estas barras aisladas con cierta separación en la forma de estribos cerrados (circulares, cuadrados, rectangulares, hexagonales,etc.) o bien estribos suplementarios abiertos, o constituir una única pieza en forma de hélice continua (generalmente de pequeño paso) para materializar lo que se llama columna zunchada. Para el caso de puentes se menciona como algunas opciones de columnas sólidas las que se muestran en la Fig. 5.2.a, y como huecas Fig. 5.2.b.
NIVEL DE DISEÑO 3 Un nivel de diseño es un conjunto de requisitos normativos asociados a un determinado factor de reducción de respuesta, que se aplica en el diseño de miembros del sistema resistente a sismos, tipificados en dicha Norma. (Fuente: Norma Covenin 1753-06) En La norma Venezolana Covenin 1753-2006, Capitulo 18 de los requisitos adicionales para el diseño sismorresistente se establece los requisitos adicionales para el diseño y la construcción de estructuras monolíticas de concreto reforzado, cuyas solicitaciones de diseño debidas a las acciones sísmicas han sido determinadas de acuerdo con la Norma Venezolana 1756. Las disposiciones contenidas en este Capítulo se aplicarán conjuntamente con el resto de esta Norma y, en donde sea pertinente, privarán sobre ellas. Los miembros que forman parte del sistema resistente a sismos de las edificaciones de acuerdo con la Norma Venezolana 1756 deben cumplir además del Artículo 18.2, con los siguientes: Nivel de Diseño 1, Nivel de
Diseño 2 y Nivel de Diseño ND3, la cual este último comprende los Artículos 18.3 a 18.6 respectivamente y del cual se estará abordando en este trabajo.
NIVEL DE DISEÑO 3 PARA COLUMNAS. Los requisitos de este Artículo se aplicarán al diseño de todas las columnas pertenecientes al sistema resistente a sismos, según la clasificación de la Norma Venezolana 1756. Requisitos (Art. 18.4.2 ) Se diseñarán según el presente Artículo los miembros solicitados por una fuerza axial mayorada que sea menor que 0,75 Afc′ y, además, satisfagan las siguientes condiciones geométricas: a. La menor dimensión transversal, medida a lo largo de una recta que pase por su centro geométrico, no sea menor que 30 cm. b. La relación entre la menor dimensión de la sección transversal y la correspondiente en una dirección perpendicular, no sea inferior a 0,4. c. Para prevenir la falla por adherencia en concretos con agregado de peso normal, se deberá cumplir la relación h/db según la fórmula que se muestra a continuación, donde db, es el diámetro de la barra longitudinal de mayor diámetro de la viga, cuando esta se extiende a través del nodo viga-columna.
Donde
αa
tomará un valor entre 0,08 y 0,10 de acuerdo a las
consideraciones expuestas en el Anexo H.
Los valores de la fórmula se incrementarán en un 30% cuando se trate de concretos con agregado liviano. d. Los efectos de esbeltez no exceden los límites establecidos en el Artículo 10.6 de la Norma 1753-2006.
DISEÑO A FLEXION PARA COLUMNAS CON NIVEL DE DISEÑO 3 (ND3) La resistencia a flexión de las columnas dimensionadas para resistir carga axial mayorada, en cada nivel, dirección de análisis, dirección de aplicación de la carga lateral y combinación de solicitaciones, podrá ser obtenida por los procedimientos indicados en las Subsecciones 18.4.3.1 ó 18.4.3.2. La verificación de la fórmulas:
,
podrá obviarse cuando se demuestre analítica o experimentalmente que no se formará un mecanismo tal que comprometa la estabilidad del entrepiso en consideración. En el caso de reubicación de articulaciones plásticas en las vigas, se deberá justificar analítica
PROCEDIMIENTO 1. VERIFICACIÓN POR NODO. (Art. 18.4.3.1) En cada nodo se verificará que se satisfaga la fórmula:
Σ Mc = Suma de momentos correspondientes a la resistencia teórica a flexión de las columnas que se conectan en las caras del nodo, de tal manera que se opongan a los momentos de las vigas concurrentes. La
resistencia a la flexión de las columnas debe calcularse para la carga axial mayorada, que sea consistente con la dirección de la fuerza lateral considerada, y que resulte en la menor resistencia a flexión. ΣMv = Suma de momentos correspondientes a la resistencia teórica a flexión de las vigas que se conectan en las caras del nodo, de tal manera que se opongan a los momentos de las columnas concurrentes. En sistemas estructurales con vigas T o L, donde la losa maciza esté en tracción por los momentos actuantes en las caras del nodo, el acero de refuerzo de la losa colocada en la anchura efectiva de ésta, según el Artículo 8.9, se supondrá que contribuye a la resistencia a flexión si tal refuerzo está debidamente anclado en una sección adyacente a la sección crítica. En los pisos constituidos por losas nervadas no se considerará el acero de refuerzo para efectos de resistencia a flexión. Cuando en algún nodo no se cumpla con la fórmula para las condiciones establecidas (en el Artículo 18.4.3), la columna que se conecta por debajo del mismo deberá reforzarse en toda su altura, manteniendo la separación del acero de refuerzo transversal especificado en la Sección 18.4.5. Adicionalmente, deberá ignorarse la contribución positiva en la rigidez y resistencia lateral de dicha columna en la estructura. La condición establecida por la fórmula descrita podrá obviarse cuando se trate de columnas que soportan directamente el techo. En estos casos, dichas columnas deben reforzarse en toda su altura, manteniendo la separación del acero de refuerzo transversal especificada en la Sección 18.4.5.
PROCEDIMIENTO 2. VERIFICACIÓN POR NIVEL. (Art. 18.4.3.2) Las resistencias a flexión de las columnas en cada nivel, para las condiciones establecidas en el Artículo 18.4.3, deberán satisfacer la condición:
Σ Mcn = Suma de los momentos correspondientes a las resistencias teóricas a flexión de todas las columnas que se conectan por debajo del nivel en consideración. Σ Mvn = Suma de los momentos correspondientes al menos a las resistencias teóricas a flexión en los extremos de cada una de las vigas del nivel en la dirección bajo consideración. Para el caso de vigas T o L, donde la sección de losa esté en tracción por los momentos actuantes en las caras de la junta, el acero de refuerzo de dicha sección de losa colocada en la anchura efectiva de ésta, según el Artículo 8.9, se considerará que contribuye a la resistencia a flexión si tal refuerzo puede desarrollarse en la sección crítica. Los momentos de las columnas se deben sumar de tal manera que se opongan a los momentos de las vigas según sea la dirección de análisis.
ACERO DE REFUERZO LONGITUDINAL (ART. 18.4.4) El acero de refuerzo longitudinal se determinará para la combinación más desfavorable de carga axial y momentos mayorados, considerando adicionalmente la del Art.18.4.3. La cuantía geométrica ρ no será menor que 0,01 ni mayor que 0,06.
DISEÑO DEL REFUERZO TRANSVERSAL (ART. 18.4.5)
A menos que el diseño por corte según la Sección 18.4.6 de la Norma 1753-06 requiera una cantidad mayor, se dispondrá el acero de refuerzo transversal por confinamiento.
El acero de refuerzo transversal especificado se dispondrá a lo largo de la longitud
, medida desde cada cara del nodo y a ambos lados de
cualquier sección en donde se considere probable que ocurra la cedencia por flexión, a consecuencia de los desplazamientos laterales inelásticos en la estructura. La longitud
, será la mayor de:
a. La mayor dimensión de la sección transversal del miembro; b. 1/6 de la altura libre del miembro; c. 45 cm. En la dirección del acero de refuerzo longitudinal, las ligaduras cerradas quedarán separadas a una distancia no mayor que: 1. Un cuarto de la menor dimensión del miembro; 2. Seis veces el diámetro de la barra longitudinal de menor diámetro; 3. El valor
, definido por la fórmula:
En la sección transversal del miembro estructural, las ligaduras cerradas, simples o múltiples, se espaciarán en cada dirección una distancia , no mayor de 35 cm. centro a centro. Véase la Figura H-XX.
Cuando el acero de refuerzo transversal por confinamiento no se requiera en toda la altura de la columna, la longitud de la columna fuera de la zona confinada quedará reforzada con ligaduras cerradas, cuya separación, centro a centro, no excederá el menor de los dos valores siguientes:
1. Seis veces el diámetro de la barra longitudinal de menor diámetro;
2. 15 cm.
Cuando se utilicen zunchos o espirales como acero de refuerzo transversal, su separación máxima será 7,5 cm y la mínima 2,5 cm, además deben cumplir lo especificado en la Sección 7.5.1 de la Norma 1753-06.
Acero de refuerzo helicoidal (Art. 18.4.5.1) La cuantía de refuerzo helicoidal, ρs, no será menor que la requerida por la fórmula (10-5) respetando el límite inferior dado por la fórmula:
Podrá considerarse el efecto simultáneo de fuerza axial y momento, modificando la fórmula (18-5) según como se indica en el Anexo H 18.4.5.1.
Ligaduras (Art 18.4.5.2) En cada dirección principal de la sección transversal de la columna, el área total de las ligaduras cerradas, no será menor que el mayor de los valores dados por las fórmulas (18-6) y (18-7), donde hc, es la dimensión transversal del núcleo de la columna o de un miembro de borde de un muro estructural, medida centro a centro del acero de confinamiento:
Como refuerzo transversal, se deberá utilizar ligaduras cerradas, simples o múltiples. Como complemento se podrán usar ligaduras de una rama, con igual diámetro y separación que las anteriores, de forma tal que cada extremo abrace una barra longitudinal. Los ganchos de las ligaduras, se doblarán a 135° y tendrán una longitud de 6 diámetros ó 7,5 cm, la que sea mayor. Podrá considerarse el efecto simultáneo de fuerza axial y momento, modificando las fórmulas según como se indica en el Anexo H18.4.5.2
18.4.5.3 Núcleo del miembro (Art 18.4.5.3) Cuando el núcleo del miembro es capaz de resistir las solicitaciones que resultan de las combinaciones normativas incluidos el efecto del sismo, se pueden obviar las fórmulas.
Cuando el espesor del concreto medido por fuera del acero de refuerzo transversal excede 10 cm, se debe colocar acero de refuerzo transversal adicional con un espaciamiento no mayor a 30 cm. El espesor del
concreto medido por fuera del refuerzo transversal adicional no debe exceder 10 cm. Miembros discontinuos (Art 18.4.5.4) En columnas que excepcionalmente reciban reacciones de miembros rígidos discontinuos, como por ejemplo muros, cuya fuerza axial a compresión mayorada sea debida a las acciones sísmicas, el acero de refuerzo transversal por confinamiento será igual al requerido por las Subsecciones 18.4.5.1 a 18.4.5.3 con la separación especificada en la Sección 18.4.5, se dispondrá en toda la altura de la columna por debajo del nivel en el cual ocurra la discontinuidad. Dicho acero de refuerzo se extenderá dentro del miembro rígido discontinuo, al menos una longitud igual a la de transferencia de tensiones de la barra longitudinal de mayor diámetro de acuerdo con la Sección 18.5.4. Si el extremo inferior de la columna termina en un muro, el acero de refuerzo transversal especificado anteriormente, se extenderá dentro del muro por lo menos la longitud de transferencia de tensiones de la barra longitudinal de mayor diámetro en toda su longitud. Si la columna termina en una fundación o losa de fundación, el acero de refuerzo transversal especificado se extenderá al menos 30 cm en la fundación o en la losa de fundación. DISEÑO DE CORTE PARA COLUMNAS CON NIVEL DE DISEÑO 3 (ND3) Fuerza cortante de diseño (Art. 18.4.6.1 – Norma 1753-06) La resistencia a fuerza cortante de las columnas
, dimensionadas
para resistir carga axial mayorada, en cada nivel, dirección de análisis, dirección de aplicación de la carga lateral y combinación de solicitaciones, podrá ser obtenida de la siguiente manera:
a. Con la carga axial mayorada resistente máximo probable ,
, que conduzca al mayor momento , en los extremos de la columna. El corte
correspondiente a las articulaciones plásticas en cada extremo de la columna. b. El corte de las columnas
, no necesitará exceder al obtenido de las
resistencias a flexión de los nodos, basadas en los momentos máximos probables de los miembros transversales que se conectan a ellos. c. El corte de las columnas análisis,
, no será menor el corte determinado por el
.
Acero de refuerzo transversal por corte. (Art. 18.4.6.2 – Norma 1753-06) El acero de refuerzo transversal dispuesto en la longitud
,
especificada en la Sección 18.4.5, se calculará para resistir el corte
,
obtenido según el procedimiento de la Sección 18.4.6.1 suponiendo
,
cuando a lo largo de las columnas se cumplan simultáneamente las dos condiciones siguientes:
a. La fuerza axial mayorada en el vano, incluyendo las solicitaciones sísmicas es menor que b. Cuando en alguna de las dos secciones extremas se verifique que;
Cuando se tome en cuenta la contribución del concreto, con la fórmula 11-4 de la norma, la cual especifica:
se podrá calcular
CRITERIOS DE COLUMNA FUERTE-VIGA DEVIL CON NIVEL DE DISEÑO 3 (ND3)
El criterio llamado columna fuerte – viga débil es un requisito a cumplir en cualquier proyecto sismo - resistente de estructuras de concreto armado o reforzado con la finalidad de evitar fallas por inestabilidad que junto a las fallas frágiles como las de adherencia y corte son las responsables de la falla catastrófica o ruina de las estructuras. Un método sencillo para evaluar si el criterio sismo - resistente columna fuerte - viga débil es el siguiente: Determinar la relación P basada en las propiedades de las vigas y columnas de un nivel cercano a la mitad de la altura del pórtico.
Donde: EIv y EIc: definen la rigidez a flexión de las vigas y columnas (V viga; C columna) Lv Lc: son las longitudes de las vigas y columnas respectivamente, y las sumatorias incluye todas las vigas y columnas en nivel cercano a la altura del pórtico. Cuando la relación P es mayor de 0.50 es importante verificar la resistencia de las columnas considerando el criterio antes señalado y redimensionar las columnas si es necesario de manera de evitar mecanismos indeseables.
La metodología de diseño de columnas es que siempre se debe diseñar dicho elemento con mayor capacidad resistente y de disipación de energía en comparación al de las vigas, debido que ante una acción sísmica los mecanismos cinemáticos o de falla
(articulaciones plásticas) que se
formen sean los más deseables. Los mecanismos de falla se deben formar en las vigas y no en las columnas. Por tanto cuando las columnas no tienen mayor capacidad de resistencia y de disipación de energía que las vigas, hay una posibilidad de que las roturas plásticas se formen en las columnas, lo que trae consigo daños o colapso de la estructura.
