INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD TECAMACHALCO
INVESTIGACIÓN COLUMNAS Y EJERCICIO ESTRUCTURAS DE CONCRETO REFORZADO (TEORÍA PLASTICA) Alumna: Villegas Esparza Beatriz Ebblin Grupo: 6AM7 Profesor: Ing. Arq. Victor Villar Laguna
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COLUMNAS DE CONCRETO Las columnas de concreto se presentan, con mayor frecuencia, como miembros reforzados, con el concreto colado en sitio y el acero de refuerzo compartiendo las cargas de compresión y trabajando, cono en las vigas, para producir la resistencia necesaria a la flexión. Las formas comunes consienten en secciones transversales redondeas, cuadradas o rectangulares de concreto macizo, con varillas de acero colocadas tan cerca como sea posible del perímetro de la columna. Con la altura normal de las columnas, las varillas de acero por sí mismas son bastante esbeltas, y para evitar su pandeo a través del delgado revestimiento de concreto, se utiliza alguna forma de restricción para mantenerlas en el núcleo de la columna.
TIPOS DE COLUMNAS Las columnas de concreto se presentan, con mayor frecuencia, como elementos verticales de apoyo en una estructura hecha generalmente de concreto colado en sitio. Las columnas también se presentan como elementos precoladas; las consideraciones generales sobre la estructura precolada se analizan en la sección 3.10. Las columnas muy cortas, llamadas pedestales, se utilizan en ocasiones en el sistema de apoyo para columnas u otras estructuras. El pedestal común se analiza como un dispositivo de cimentación de transición. Los muros que sirven como apoyos verticales sometidos a compresión, muros de carga. La columna de concreto colada en sitio se encuentra por lo común dentro de una de las siguientes categorías: 1. Columnas cuadradas con refuerzo zunchado. 2. Columnas oblongas con refuerzo zunchado. 3. Columnas redondas con refuerzo zunchado. 4. Columnas redondas con refuerzo en espiral. 5. Columnas cuadradas con refuerzo en espiral. 6. Columnas con otras formas geométricas (perfil L o T, octagonales, etc.) con refuerzo zunchado o en espiral. Obviamente, la selección de la forma de la sección transversal de la columna es una decisión arquitectónica, lo mismo que estructural. Sin embargo, también habrá que considerar los métodos y los costos de la cimbra, la disposición y la
instalación del refuerzo y las relaciones de la forma y las dimensiones de la columna con otros componentes del sistema estructural. En las columnas zunchadas, el refuerzo longitudinal se mantiene en su lugar mediante zunchos cerrados hechos con varillas de refuerzo de diámetro pequeño, comúnmente del No. 3 o No. 4. Esta columna está representada por la sección cuadrada que se muestra en la figura 8.1 a. Este tipo de refuerzos se puede adaptar con facilidad a otras formas geométricas, lo mismo que a la cuadrada.
Las columnas con refuerzos en espiral son aquellas en las que el refuerzo longitudinal se coloca dentro de un círculo con todas las varillas encerradas por una espiral cilíndrica continua hecha con varilla de acero o alambre de acero de diámetro grande. Aunque este sistema de refuerzos trabajo mejor, de hecho, una columna de sección redonda, también se puede utilizar con otras formas geométricas. La experiencia ha demostrado que la columna con refuerzos en espiral, es ligeramente, más resistente que una columna zunchada equivalente con la misma cantidad de concreto y refuerzo. Por esta razón, el reglamento permite una carga
un poco mayor sobre las columnas con refuerzo en espiral. Sin embargo, el refuerzo es espiral tiende a ser caro, y el patrón redondo de las varillas no siempre se lleva bien con otros detalles de de la construcción en edificios. Por lo tanto se prefiere, a menudo, con las columnas zunchadas cuando las restricciones en las dimensiones externas de las secciones no son severas. REQUISITOS GENERALES PARA EL DISEÑO DE COLUMNAS DE CONCRETO REFORZASO Las especificaciones del reglamento y las consideraciones prácticas con respecto a la construcción imponen varias restricciones en las dimensiones de las columnas y en las selecciones del refuerzo. •
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Tamaño de la Columna Por razones prácticas se recomiendan los límites siguientes. Las columnas rectangulares zunchadas se deben limitar a un área mínima de 625 cm² y una dimensión por lado de 25 centímetros si son cuadradas y de 20 centímetros si son oblongas. Las columnas con refuerzo en espiral deben limitarse a un tamaño mínimo de 30 centímetros, ya sean redondas o cuadradas. Refuerzo El tamaño mínimo de varilla es el No. 5. El número mínimo de varillas es 4 para la columna zunchada y 5 para columnas con refuerzo en espiral. El área mínima de acero es de 1% del área total de la columna. Se permite un área máxima de acero de 8% del área total, pero las limitaciones en cuanto a la separación entre las varillas hacen que lo anterior sea difícil de lograr; 4% es un límite más práctico. Zunchos Los zunchos será por lo menos del No. 3 con varillas del No. 10 y más pequeñas. Se deben usar zunchos del No. 4 con varillas del No. 11 y más grandes. La separación vertical de los zunchos no será mayor que 16 veces el diámetro del zuncho, o la menor dimensión de la columna. Los zunchos se colocarán de modo que toda esquina y varilla longitudinal alterna queda sujeta por la esquina de un zuncho. Con un ángulo inclinado no mayor a 135°, y ninguna varilla quedará separada más de 15 centímetros de dicha varilla soportada. Se usan zunchos circulares completos para varillas colocadas en un patrón circular. Revestimiento de Concreto Se requiere un mínimo de 3.75 centímetros cuando la superficie de la columna no queda expuesta a la intemperie o en contacto con el suelo; se
debe usar 5 centímetros para superficies que permanecen en la cimbra expuestas a la intemperie o en contacto con el suelo; se necesitan 7.5 centímetros si el concreto se cuela directamente sobre el terreno natural. •
Separación entre las Varillas La distancia libre entre varillas no será menor que 1.5 veces el diámetro de la varilla, 1.33 veces el tamaño máximo especificado para el agregado grueso, o bien, 3.75 centímetros.
TIPOS DE FALLAS EN COLUMNAS •
Falla frágil de cortante y tensión diagonal en columnas o en vigas Es muy importante que las edificaciones cuenten con una capacidad de deformación suficiente para soportar adecuadamente la solicitación sísmica sin desmeritar, obviamente, su resistencia. Cuando la respuesta sísmica de la edificación es dúctil, se presentan elevadas deformaciones en compresión debidas a efectos combinados de fuerza axial y momento flector.
Con sólo colocar refuerzos transversales estrechamente separado y bien detallado en la región de la rótula plástica potencial, puede evitarse que el concreto se astille seguido del pandeo por inestabilidad del refuerzo a compresión. Esto implica el detallado de las secciones para evitar una falla frágil y proporcionar suficiente ductilidad.
En las figuras 4.22 y 4.23 se ilustran el colapso de columnas de planta baja debido al deficiente confinamiento del núcleo de concreto en su base. Se pude apreciar como el concreto, ante la falta de confinamiento por estribos, se desconcha al abrirse éstos seguidos del pandeo lateral del refuerzo longitudinal. Este tipo de falla se origina debido a la gran concentración de refuerzos que se producen precisamente en los extremos de las columnas por las elevadas acciones internas como son una carga axial, fuerza cortante y momento flector, causadas por las fuerzas sísmicas. Muchas estructuras se han colapsado como resultado de un inadecuado confinamiento del núcleo de concreto en columnas. El mismo tipo de falla puede presentarse también en secciones intermedias y superiores de las columnas. El confinamiento del núcleo de concreto evita también la falla por tensión diagonal producida por fuerza cortante. Este tipo de falla está caracterizado por la formación de grietas inclinadas.
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Falla por adherencia del bloque de unión en las conexiones viga-columna debida al deslizamiento de las varillas ancladas o a falla de cortante. Con frecuencia, las conexiones entre los distintos elementos estructurales se presentan elevadas concentraciones y complejas condiciones de refuerzos, mismos que han conducido a distintos y numerosos casos de falla especialmente en las uniones entre muros y losas de estructuras a base de paneles, entre vigas y columnas en estructuras de marcos, entre columnas y losas planas, y entre columnas y cimentaciones. En la figura 4.31 muestra una falla por desconchamiento del concreto debido a un anclaje defectuoso entre viga y columna.
La falla de una conexión viga-columna debida a la escasez del anclaje del refuerzo de la columna en su unión con el sistema de puso se ilustra en la figura 4.32.
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Falla en columnas de pisos superiores por la amplificación de los desplazamientos en la cúspide de los edificios. Al propagarse las vibraciones inducidas por el sismo desde la base hasta la cúspide de los edificios, se presentan amplificaciones de la vibración a lo largo de su altura, que se acentúan en sus niveles superiores, principalmente en edificios altos, lo que conduce a una elevada concentración de acciones de acciones internas que provocan el colapso de una parte del edificio a partir de determinada altura.
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Falla frágil de cortante en columnas acortadas por el efecto restrictivo al desplazamiento acusado por elementos no estructurales La intersección entre elementos no estructurales, tales como muros divisorios de mampostería, y las columnas de marcos de concreto, provoca concentraciones de fuerza cortante en los extremos libres de las columnas, mismas que tienden a fallar frágilmente por cortante. La figura 4.10.1 ilustra la forma en que los muros divisorios adosados a la columna restringen a ésta hasta donde llega la altura de ellos. Esto conduce a que la porción libre de la columna a ésta donde llega la altura de ellos. Esto conduce a que la porción libre de la columna adquiera mucha mayor rigidez en comparación de las demás columnas del mismo piso, que no están confinadas ni restringidas, en ninguno de sus lados, por elementos no estructurales, generándose así elevados esfuerzos de corte en la columna corta dando lugar a consecuencias desastrosas.
Ante la insuficiente ductilidad de la columna acortada, la falla se genera por tensión diagonal producida por elevados esfuerzos cortantes y es más frágil respecto a la de las columnas no restringidas parcialmente debido a que se longitud deformable es mucho menor. Esta situación puede evitarse si se deja suficiente separación entre la columna y el muro de relleno para que así ésta se deforme libremente durante la solicitación sísmica.
CRITERIOS PARA DETERMINAR ESTRIBOS El refuerzo transversal de toda columna no será menor que el necesario por resistencia a fuerza cortante y torsión, en su caso, y debe cumplir con los requisitos mínimos de los párrafos siguientes. Todas las barras o paquetes de barras longitudinales deben restringirse contra el pandeo con estribos o zunchos con separación no mayor que: a) 269/ f y veces el diámetro de la barra o de la barra más delgada del paquete (fy, en MPa, es el esfuerzo de fluencia de las barras longitudinales, o 850 / f y , con fy en kg/cm²); b) 48 diámetros de la barra del estribo; ni que c) La mitad de la menor dimensión de la columna. La separación máxima de estribos se reducirá a la mitad de la antes indicada en una longitud no menor que: a) la dimensión transversal máxima de la columna; b) un sexto de su altura libre; ni que
c) 600 mm arriba y abajo de cada unión de columna con trabes o losas, medida a partir del respectivo plano de intersección.
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Estribos y zunchos
Los estribos se dispondrán de manera que cada barra longitudinal de esquina y una de cada dos consecutivas de la periferia tenga un soporte lateral suministrado por el doblez de un estribo con un ángulo interno no mayor de 135 grados. Además, ninguna barra que no tenga soporte lateral debe distar más de 150 mm (libres) de una barra soportada lateralmente. Cuando seis o más varillas estén repartidas uniformemente sobre una circunferencia se pueden usar anillos circulares rematados como se especifica en la sección 5.1.7; también pueden usarse zunchos cuyos traslapes y anclajes cumplan con los requisitos de la sección 6.2.4. La fuerza de fluencia que pueda desarrollar la barra de un estribo o anillo no será menor que seis centésimas de la fuerza de fluencia de la mayor barra o el mayor paquete longitudinal que restringe. En ningún caso se usarán estribos o anillos de diámetro menores de 7.9 mm (número 2.5). Los estribos rectangulares se rematarán de acuerdo con lo prescrito en la sección 5.1.7. •
Grapas
Para dar restricción lateral a barras que no sean de esquina, pueden usarse grapas formadas por barras rectas, cuyos extremos terminen en un doblez a 135 grados alrededor de la barra o paquete restringido, seguido de un tramo recto con longitud no menor que seis diámetros de la barra de la grapa ni menor que 80 mm. Las grapas se colocarán perpendiculares a las barras o paquetes que restringen y a la cara más próxima del miembro en cuestión. La separación máxima de las grapas se determinará con el criterio prescrito antes para estribos. •
Columnas zunchadas
El refuerzo transversal de una columna zunchada debe ser una hélice continua de paso constante o estribos circulares cuya separación sea igual al paso de la hélice. La cuantía volumétrica del refuerzo transversal, ps, no será menor que
El esfuerzo especificado de fluencia del acero de la hélice o estribo no debe ser mayor que 412 MPa (4 200 kg/cm²). La distancia libre entre dos vueltas consecutivas o entre dos estribos no será menor que una vez y media el tamaño máximo del agregado, ni mayor que 70 mm. Los traslapes tendrán una vuelta y media. Las hélices se anclarán en los extremos de la columna mediante dos vueltas y media. Los estribos se anclarán
