LA COMPRESION AXIAL EN LOS ELEMENTOS DE HORMIGON ARMADO 9.1 INTRODUCCION: En términos generales, la manera más eficiente que tienen los elementos estructurales de resistir las solicitaciones se produce cuando solicitaciones tienen una orientación coincidente con el eje longitudinal de los elementos .
En este caso los elementos resisten a las solicitaciones mediante esfuerzos axiales (paralelos a las acciones) que pueden se tracción o compresión, dependiendo de las acciones externas.
El hormigón es un material particularmente apto para resistir las fuerzas de compresión, pero tiene una limitada resistencia tracción (apenas alrededor del 10% de su resistencia a la compresión). El acero, por otra parte, es un material que se comporta eficientemente resistiendo las solicitaciones de tracción, pues alcanza toda su capacidad. El acero también puede llegar hasta el 100% de su resistencia ante solicitaciones de compresión, siempre qu los elementos tengan dimensiones transversales importantes, lo que los vuelve muy costosos para nuestro medio, por que nuestro país no es productor de acero. En Norteamérica, Europa y Japón, que poseen industrias de acero altamente competitivas, el cost de los perfiles de acero puede ser comparable, y en ocasiones inferior al de otros materiales estructurales.
hormigón armado El aprovecha la gran resistencia a la compresión del hormigón y la capacidad de resistir solicitaciones de tracción del a integrándolas en un nuevo material compuesto. La manera más ineficiente que tienen los elementos, para resistir a las solicitaciones, se produce cuando esas solicitaciones tienen una orientación perpendicular al eje longitudinal de los elementos .
En este caso, los elementos resisten las solicitaciones mediante esfuerzos longitudinales (perpendiculares a las acciones) q generan momentos flexionantes internos, que equilibran a los momentos flexionantes externos.
9.2 COLUMNAS DE HORMIGON ARMADO: Según su sección transversal, existen columnas cuadradas, columnas rectangulares, columnas circulares, columnas en L, columnas en T, columnas en cruz, etc.
Según su comportamiento ante las solicitaciones, existen fundamentalmente dos tipos de columnas de hormigón armado: columnas con estribos y columnas zunchadas.
Los estribos cumplen las siguientes funciones en las columnas:
Definir la geometría de la armadura longitudinal Mantener en su sitio al hierro longitudinal durante la construcción Controlar el pandeo transversal de las varillas cuando están sometidas a compresión Colaborar en la resistencia a las fuerzas cortantes Los zunchos helicoidales cumplen las siguientes funciones: Confinar al hormigón del núcleo de la columna para mejorar su capacidad resistente Definir la geometría de la armadura longitudinal Mantener en su sitio al hierro longitudinal durante la construcción Controlar el pandeo transversal de las varillas cuando están sometidas a compresión Colaborar en la resistencia a las fuerzas cortantes
9.3 LA RESISTENCIA DEL HORMIGON A PROCESOS DE CARGA LENTOS Y A CARGAS DE LARG DURACION: La resistencia del hormigón a incrementos de carga lentos, y a cargas que permanecen durante largo tiempo actuando sob material, es menor que la resistencia del mismo hormigón sometido a procesos rápidos de carga y a cargas de corta duración. La prueba estándar para medir la resistencia del hormigón, definida por ASTM (American Standards for Testing Material conlleva un proceso rápido de carga de cilindros, que usualmente toma menos de tres minutos para llegar a la rotura. Para tener una visión más completa del comportamiento del material se han definido otros ensayos que permiten la carga lenta del hormigón, que pueden tomar varios minutos, varias horas, varios días e inclusive varios años, hasta llegar a la rotu especímenes. También se pueden definir ensayos ultra rápidos que toman segundos hasta alcanzar la rotura del hormigón. Los elementos estructurales reales, sometidos a cargas de compresión, sufren un proceso lento de incremento de carga durante su fase de servicio, además de que mantienen niveles importantes de carga durante largos períodos de tiempo, por lo que, en el cas de columnas, la resistencia del hormigón a procesos de carga lenta es mucho más representativa que la resistencia está especificada por ASTM. En el siguiente gráfico se presentan esquemáticamente las curvas esfuerzo-deformación de hormigones con resistencia a la rotura 2
f’c = 210 Kg/cm según ASTM, sometidos a la prueba de carga de compresión axial estándar ASTM, a pruebas modificadas de carga lenta, apruebas modificadas de carga ultra rápida.
La resistencia a la rotura de los cilindros de hormigón, sometidos a carga lenta, llega a ser aproximadamente el 85% de la resistencia del mismo tipo de cilindros sometidos a carga estándar rápida ASTM , lo que es común para todas las resistencias de hormigones. Por su parte, cuando se realizan ensayos de carga ultra rápida, la resistencia del hormigón sobrepasa a la obtenida a los ensayos ASTM.
Al diseñar elementos de hormigón armado, bajo fuerzas de compresión, es necesario tomar en consideración esta reducción d 15% en capacidad del material, por lo que la capacidad última del hormigón se deberá tomar como 0.85 f’c, y la capacidad general del material llegaría a ser solamente del 85% de la capacidad teórica fijada por los ensayos estándares. Un criterio similar podría fijarse para los elementos sometidos a flexión, pues también estos elementos se cargan lentamente, pero la diferencia entre la capacidad última de las piezas al emplear una resistencia a la rotura f’c y 0.85 f’c no es trascendente (no suele sobrepasar del 3%) por lo que, tanto el Código Ecuatoriano de la Construcción (CEC) como el ACI (American Concrete Institute) utilizan para diseño a flexión una resistencia f’c, lo que facilita considerablemente la unificación de procedimientos y factores, en flexión y en compresión axial.
EJEMPLO 9.1: Determinar el porcentaje de disminución de capacidad resistente de la viga de la figura cuyo acero tiene un esfuerzo de fluencia fy = 4200 Kg/cm2, si se utiliza como capacidad máxima del hormigón fc = f’c = 210 Kg/cm 2 y fc = 0.85 f’c = 178.5 Kg/cm 2.
b = 30 cm d = 55 cm 2
As = 15.20 cm (4 f 22 mm) Fy = 4200 Kg/cm2
a. PRIMER CASO: Resistencia del hormigón a carga rápida (fc = f’c = 210 Kg/cm 2) Cálculo de la cuantía de armado:
Cálculo de la cuantía balanceada:
La cuantía de armado es inferior al 50% de la cuantía balanceada por lo que se satisfacen los criterios de diseño para zonas sísmicas, especificados en el Código Ecuatoriano de la Construcción.
Cálculo de la fuerza de tracción del acero: Dado que la cuantía de armado es inferior a la cuantía balanceada, el esfuerzo del acero es igual al esfuerzo de fluencia, por lo que:
T = As . Fy = (15.20 cm2) (4200 Kg/cm2) = 63840 Kg
Cálculo de la fuerza de compresión en el hormigón: Por equilibrio de fuerzas horizontales se tiene:
C = T = 63840 Kg
Cálculo de la altura del bloque de compresión en el hormigón:
Cálculo del momento nominal resistente:
Mn = T ( d - a / 2 ) = (63840 Kg) ( 55 - 11.92 / 2 ) cm Mn = 3130700 Kg - cm
Cálculo del momento último resistente: Mu = f . Mn Mu = 0.90 (3130700 Kg - cm) = 2817600 Kg-cm
MU,1 = 2817600 Kg - cm
b. SEGUNDO CASO: Resistencia del hormigón a carga lenta (fc = 0.85 f’c = 178.5 Kg/cm 2) Cálculo de la cuantía de armado:
Cálculo de la cuantía balanceada:
La cuantía de armado es el 50% de la cuantía balanceada por lo que se satisfacen los criterios de diseño para zonas sísmicas.
Cálculo de la fuerza de tracción del acero: 2
2
T = As . Fy = (15.20 cm ) (4200 Kg/cm ) = 63840 Kg
Cálculo de la fuerza de compresión en el hormigón: C = T = 63840 Kg
Cálculo de la altura del bloque de compresión en el hormigón:
Cálculo del momento nominal resistente: Mn = T (d - a/2) = 63840 Kg (55 - 14.03/2) cm Mn = 3063400 Kg-cm
Cálculo del momento último resistente:
Mu = f . Mn = 0.90 Mn = (0.90) (3063400 Kg-cm)
MU,2 = 2757000 Kg-cm Porcentaje de disminución de capacidad resistente:
% disminución de capacidad = 2.15 %
La influencia de la disminución de las resistencia del hormigón bajo cargas de incremento lento o cargas que actúan largo plazo, que ocurre en la mayor parte de las estructuras, es mínima cuando los elementos están som fundamentalmente a solicitaciones flexionantes. Continuar
