CLASE DISEÑO DE COLUMNAS EN CONCRETO ARMADO A COMPRESIÓN

En los diseños de miembros estructurales se realizan a partir de que cumpla con los requerimientos necesarios para resistir los esfuerzos actuantes,   partiendo de un criterio que determinara las dimisiones del elemento y el diseño para que este tenga un óptimo comportamiento al costo mínimo necesario. Los miembros verticales son sometidos a compresión como principal solicitación pero en ciertos casos cuando el elemento es muy esbelto tiende a sufrir flexión lateral o pandeo, por ello se debe tomar en consideración que causa esta repentina falla, esto se debe a la ocupación de esfuerzos comprimidos en el centro del miembro, cuando su capacidad de resistencia es superado el tiende a doblarse en la zona más crítica.

     Cuando un miembro soporta cargas axiales está siendo sometido a una compresión simple aplicada en el centroide de la sección transversal, es muy difícil que un miembro soporte una compresión pura, para diseñar una columna es considerado que la excentricidad mínima  de la carga axial no supere un 10% del lado de la sección. En los elemento de concreto diseñados bajo esfuerzos de compresión el agotamiento resistente para el cual la esbeltez no afecta su capacidad portante, se alcanzan las siguientes fuerzas de corte mayoradas.

Elemento de concreto sin armado, el corte debe ser.

Pu = Φ*Ag*0.85*Fc

En las columnas con acero de refuerzo.

Pu = Φ (Ac*0.85*Fc*+As*Fy)

Los valores de Φ como coeficiente de mayoracion.

• Para concreto sin reforzar Φ=0.6
• Para concreto compuesto por ligaduras Φ=0.7
• Para concreto compuesto por zunchos Φ=0.75

Ag= Es el área de la sección o área gruesa de la sección transversal.

Ac= Area del concreto.

As= Area de las barras de acero de forma longitudinal a la columna.

Ag= Ac+As

Para el diseño de columnas de concreto armado se debe cumplir la condición para el área de acero mínima y máxima.

Área de acero mínima y máxima en la columna.

0.01*Ag < As < 0.08*Ag

En las zonas sísmicas se debe tener en cuanta un área máxima para mantener e comportamiento dúctil del elemento.

As < 0.006*Ag

      

       Las columnas según su esfuerzos transversal se clasifican en dos las columnas ligadas, y las columnas zunchadas con refuerzo en espiral. Para las primeras su forma varia en cuadradas, rectangulares en T o L, las barras de acero longitudinal están colocadas de modo que haya una en cada vértice, por otra parte las zunchadas son de forma circular con un acero transversal en forma de espiral continuo elaboradas con barras de menor diámetro. El número mínimo de barras principales es de 4 en las columnas rectangulares con un lado mínimo de 20 cm, respetando un área de sección minina de 600 cm2, y en las circulares con un mínimo de 6 barras el radio menor de este tipo de elemento es de 25 cm. 

El acero principal o longitudinal en las columnas oscila en las barras de diámetro de ½” a las de 2”, las barras se deben colocar en las esquinas Y deben estar fuertemente amarradas a las ligaduras, estas deben cumplir con la condición de la figura anterior. Todas las columnas tienen ligaduras o zunchos, denominado acero transversal, para el caso de columnas cuadradas o rectangulares las ligaduras de ¼” pueden ser lisas pero las de diámetro mayor obligatoriamente son estriadas.

Separación entre las ligaduras cumplirán  las condiciones siguientes.

• La separación So = 16db del acero longitudinal.
• La separación So = 48db del acero de las ligaduras.

Funciones que cumplen las ligaduras en una columna de concreto armado.

• Confinan el concreto aportándole mayor ductilidad.
• Mantienen el acero longitudinal en su posición a la hora del vaciado.
• Evita el pandeo de las barras de acero principal.
• Ocasiona que el concreto trabaje comprimido en forma de cubo, el lugar de una prisma esbelta. 

         Las ligaduras tiene como trabajo proporcionar que cada barra alternada y las que están en las esquinas tengan un soporte lateral causado por el doblez de la ligadura con un ángulo interno no mayor de 135 grados, ninguna barra sin soporte lateral tendrá una separación máxima de 15 cm, en columnas donde la sección dificulta el amarre de las barras con ligaduras cerradas, se usaran ganchos o ligadura de una rama para el soporte lateral de barras. Las columnas ligadas aumentan su ductilidad, con separación de la misma, por ello reduce a la mitad la separación de diseño a una altura Ho en una área confinada a ambos extremos del miembro.

Los elementos circulares son las que poseen una armadura transversal de forma de espiral conocida como zuncho, de forma que rodea todas las barras principales, este zuncho tiene como propósito aumentar la resistencia a compresión evitando también las dilataciones transversales debidas al efecto de poisson o estiramiento, confinando el concreto del núcleo. Para una columna circular el porcentaje del esfuerzo del zuncho debe cumplir.

Ag = Corresponde al área total de la sección o área gruesa.

An = Es el área del nucleo.

Dn = diámetro de la columna.

Az = área de la sección transversal del acero del zuncho.

Para la separación del espiral debe ser constante de manera uniforme con una diámetro mínimo de 3/8 y cumpliendo con los siguiente.

S < Dn/6 

En la unión para mantener la continuidad del espiral de zuncho debe tener un empalme de solape de 48 db, y no menor a 30 cm si la unión en por medio de soldadura.

CRITERIO DEL DISEÑO DE COLUMNAS A FLEXO COMPRESIÓN NORMAL.

La flexo compresión se produce en un miembro estructural cuando es sometida a una solicitación excéntrica, esto ocasiona una acción de corte que comprime el elemento y un momento interno producido por la excentricidad de la carga aplicada. Estas dos condiciones de cargas son equivalentes por ello se deben emplear indistintamente en el análisis de las columnas.

            La excentricidad de una carga de una carga axial se tomara con respecto al centroide de la sección en estudio, en este punto tiene cuando una carga es aplicada en el causa deformaciones uniformes en toda la sección.

            La flexo-compresion es considera normal cuando una cargar axial Pu, es aplicada sobre la columna y este se halla en el centro de presiones contenido en uno de los ejes de inercia de la seccione transversal, cuando la distancia del centroide provoca la excentricidad. Esto a su vez se considera que actúa una cargar axial y un momento que da lugar a una flexión compuesta produciendo un agotamiento resistente.

            Las combinaciones de las cargar axiales y momentos que se producen el agotamiento resistente se detallan en una gráfica de interacción para la flexo compresión. Este diagrama  define un parámetro de agotamiento, las combinaciones de Pu y Mu, actúan en cualquier eje creando un volumen de interacción en el espacio.

            Pre diseñando las dimensiones de la sección de la columna de concreto armado solicitada a una fuerza axial y un momento, se tiene en cuenta la calidad de los materiales y la distribución del acero de refuerzo, se puede trazar el diagrama de interacción correspondiente.

El punto A del diagrama de interaccion, representa la magnitud de la carga axial que  produce el agotamiento de la sección sometida a compresión, el punto B corresponde a la falla balanceada.

Ɛc = Ɛcu      Ɛsu = Ɛy

Ɛcu, es la deformación máxima permitida por el concreto a compresión, y  Ɛy es la deformación del acero en cedencia. La línea que une los puntos AB es aproximadamente una recta y muestra la falla a compresión de la sección.

Ɛc = Ɛcu      Ɛsu < Ɛy

En este tramo los valores de la carga axial disminuyen y los del momento aumentan.

El punto E representa la flexión pura del elemento donde la carga se anula, es la curva que une a los puntos BC mostrando la falla a tracción para la carga de compresión produciendo una falla ductil en este tramo disminuye la carga y el momento también.

            El punto C indica la falla a tracción pura cualquier que pertenece al perímetro del diagrama de interacción, la combinación de Pu y Mu que ocasionan la falla en la sección. En los puntos contenidos dentro del área delimitada por el perímetro de interacción corresponden a combinaciones de cargas axiales y momentos cuya magnitud no alcanzan a producir el agotamiento de la sección, mientras que los puntos exteriores al diagrama debido son los que han excedido la capacidad límite de la sección e flexo compresión.

Para determinar el valor de los puntos del diagrama de interacción se aplica el siguiente criterio.

Punto A, para e=0, Pu = 0.85*Fc*Ag+As*Fy

Punto B, se obtiene imponiendo las condiciones de la falla balanceada.

Punto E, se obtiene por tanteos hasta logar que la fuerza axial se anule en su sumatoria de fuerzas por encima y por debajo del eje neutro.

Punto C, Pu = As*Fy

Condiciones de la falla balanceada.

         Para el diseño de elementos a compresión se trabaja con los diagramas de interacción adimensionales utilizando en la ordenada cargas específicas.

En el eje de las abscisas se usan momentos específicos.

La carga limite que actua en el miembro solicitado es Pu, y el momento limite Mu.

El lado b es el que está  perpendicularmente al eje principal de inercia donde está el centro de presiones de la acción y t es el lado paralelo, dado a esto t es el lado resistente a la flexión generada por la excentricidad los diagramas de interacción. Los valores del diagrama están tabulados según la calidad de los materiales definido por el tipo de sección, en estos diagramas está incluido el factor de seguridad para columnas ligadas.

Tomando en cuenta los coeficientes adimensionales.

La curva del diagrama de interacciones representa los valores de la cuantía mecánica debido a que se presentan  las fallas balanceadas, por la compresión y tracción que  soporta la columna.

W = Pt*m

            Cumpliendo siempre con la distribución de la misma cantidad de acero por cada cara del elemento y respetando los recubrimientos de concreto, se estudia la relación de recubrimiento con respecto a la altura total. Los valores más usuales g varían 0.7 para espesores grandes y 0.9 para espesores más pequeños de recubrimiento, el más frecuente es 5 centímetros de recubrimiento. 

CRITERIO DEL DISEÑO DE COLUMNAS A FLEXO COMPRESIÓN OBLICUA

Esta flexo compresión es caracterizada por poseer una excentricidad en la carga no lineal, esta no solo está en un eje sino que forma una recta con el centroide y un ángulo con respecto los ejes x y y.

Esto da lugar geometría de las combinaciones de cargas axial y momentos que causan el agotamiento de la sección originan un volumen de interacción convexo. En una  sección la carga Pu es constante la excentricidad se mantiene fija.

La flexo compresión de este tipo es conocida como desviada o biaxial para la resolución se aplica de forma general, para evitar los complejos métodos de resolución exacta, para ello se aplica el método del momento específico equivalente. En la aplicación de este método se adopta los coeficientes adimensionales para la carga específica. 

Para el momento específico se debe tomar ahora en los dos ejes.

En el diseño de columnas en flexo compresión biaxial es primordial pre dimensionar las secciones del miembro y luego verificar si el diseño de acero cumple con todas las exigencias, respecto a la relación de recubrimientos se elige el menor de los valores.