UNIÓN VIGA-COLUMNA INTRODUCCIÓN Una unión viga-columna se define como la porción de la columna dentro de la altura de las vigas que se unen hasta ella, el diseño de las uniones monolíticas se limitaba a proveer anclaje anclaje adecuado para para el refuerzo de los elementos. El diseño de las conexiones viga- columna es considerado el aspecto más crítico dentro del diseño de un edificio de hormigón armado situado en zonas de alto riesgo sísmico.
UNIÓN VIGA COLUMNA El requisito básico que se debe cumplir en las uniones es que todas las fuerzas existentes en los extremos de los elementos deben transmitirse a través de la unión a los elementos de soporte. En las estructuras aporticadas de concreto reforzado la unión viga-columna debe asegurar la continuidad de la estructura, lo que se traduce fundamentalmente en estar capacitados para resistir tensiones de origen gravitacional, eólico, sísmico y de cualquier otra índole y transmitir tr ansmitir estas mismas tensiones adecuadamente: adecuadamente:
LOSA
VIGAS
COLUMNAS
INFRAESTRUCTURA (Sistema de fundación) GRUPO 1
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UNIÓN VIGA-COLUMNA El diseño de una conexión debe tener como objetivo que su resistencia sea mayor que la de los elementos que se unen y que su rigidez debe ser suficiente para no alterar la rigidez de los elementos conectados.
PUNTAL DIAGONAL La línea de acción de las fuerzas horizontales C1 y T2 interceptan la de las fuerzas verticales C4 y T3 en una zona nodal, donde la fuerza resultante se equilibra mediante un puntal diagonal diagonal a compresión dentro del nudo. En el extremo superior superior izquierdo del puntal, la compresión diagonal di agonal equilibra la resultante de las fuerzas horizontales T1 y C2 y la de las fuerzas verticales C3 y T4
Otra forma de interpretar o visualizar el efecto puntal diagonal dentro del nudo, es imaginando una columna de borde y su unión con las vigas, estas al intentar girar en el apoyo comprimen el nudo en la zona C y lo traccionan en la zona T. La compresión y la GRUPO 1
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UNIÓN VIGA-COLUMNA tracción en el nudo se configura como diagonales produciendo una acción de dislocamiento.
El hormigón en la zona nodal se somete a un estado de fuerza biaxial o en muchos casos, triaxial. Este análisis demuestra la necesidad de un anclaje adecuado de las barras para asegura el buen funcionamiento con el control de agrietamiento. Vemos que la principal función de los estribos de columna requeridos dentro del nudo, además de prevenir el pandeo hacia afuera de las barras verticales en la columna, es producir un confinamiento del hormigón en el puntal de compresión, mejorando así tanto su resistencia como su ductilidad, y controlar el agrietamiento que puede ocurrir por la tracción diagonal perpendicular al eje del puntal de compresión.
IMPORTANCIA DE LOS NUDOS •
Garantizan la estabilidad global de la estructura, ya que su falla genera por lo general el inicio de un mecanismo de colapso progresivo.
•
•
El valor del cortante en la columna es máximo. Es la zona donde el acero de la viga debe desarrollar su máximo esfuerzo para soportar los momentos flectores negativos de los apoyos.
•
En ellos se presentan inversión de momentos durante el sismo.
PRINCIPIOS BÁSICOS PARA EL DISEÑO DE LA UNION VIGA-COLUMNA •
Prevenir un fallo frágil en las conexiones.
•
Mantener la integridad de las conexiones
•
Reducir la degradación de la rigidez de las conexiones
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UNIÓN VIGA-COLUMNA CONDICIONES DE CARGAS Las conexiones estructurales se encuentran clasificadas de la siguiente manera:
SEGÚN LAS CONDICIONES DE CARGA: Tipo 1 Nudos de pórticos que resisten fuerzas gravitacionales.
Tipo 2 Nudos de pórticos que resisten fuerzas gravitacionales y sísmicas.
SEGUN LA POSICIÓN QUE OCUPA DENTRO DE LA ESTRUCTURA INTERIORES
EXTERIORES (De Lindero)
EXTERIORES (Esquineros)
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UNIÓN VIGA-COLUMNA OTROS TIPOS DE CONEXIONES Los nodos con vigas planas son aquellos en los que el ancho de la viga es mayor que el ancho de la columna.
Los nodos excéntricos son aquellos en los que el eje central de la viga esta desplazado con respecto al eje de la columna.
Los discontinuos o nodos de techo son aquellos en los que la columna no continua (puede ser por ejemplo, el caso de un nodo ubicado en el último piso de un edificio)
CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO SISMICO DE NUDOS El comportamiento del nudo se rige bajo las siguientes consideraciones: •
La conexión viga – columna debe ser capaz de resistir todas las fuerzas que le sean transmitidas por los miembros adyacentes a éstas, por lo que su diseño será de acuerdo a la combinación crítica resultado de la interacción de las fuerzas transmitidas engloba carga axial, flexión, torsión y cortante.
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UNIÓN VIGA-COLUMNA •
La resistencia del nodo debe ser mayor que la resistencia máxima de las columnas y de las vigas que llegan a el.
•
La capacidad de la columna no debe verse comprometida por la posible degradación dentro del nudo.
•
Las fuerzas de las deformaciones producidas por efectos del tiempo y de variación de la temperatura deben ser tenidas en cuenta.
•
Durante sismos moderados, la respuesta de los nudos debe estar preferiblemente dentro del rango elástico.
•
Las deformaciones de los nudos no deben contribuir al aumento excesivo de las derivas de piso.
•
•
Los traslapes del refuerzo deben detallarse lo mas alejado posible de el nudo. El refuerzo longitudinal de la viga no debe terminar dentro del nudo sin un anclaje adecuado.
•
El detalle del nudo debe realizarse de tal manera que facilite el ensamble del refuerzo y la colocación del hormigón.
COMPORTAMIENTO ESPERADO DE LAS CONEXIONES VIGA-COLUMNA Factores más importantes a considerar en el diseño de los nudos son: •
Cortante.
•
Anclaje del refuerzo.
•
Adherencia.
•
Confinamiento del hormigón.
CORTANTE La unión se deforma en cortante por las fuerzas en estas. Produciendo tracción a lo largo de una diagonal y compresión a lo largo de la otra
Las cargas sísmicas generan grietas cuando las tensiones de tracción exceden a la resistencia a la tracción del hormigón. GRUPO 1
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UNIÓN VIGA-COLUMNA Dichas grietas diagonales se propagan por el núcleo del nudo provocando perdida de resistencia y rigidez en este.
Un pórtico disipa energía sísmica mediante la formación de rotulas plásticas en vigas. Cuando estas desarrollan sus resistencias máximas, los nudos estarán sujetos a fuerzas cortantes altas.
Rotula Plástica: se usa para describir la deformación de una sección en una viga donde se produce la flexión plástica.
ANCLAJE DEL REFUERZO Anclaje del refuerzo longitudinal: El anclaje de las varillas es un aspecto importante. Para evitar fallas de adherencia que, afecta la rigidez y capacidad de disipación de energía de la unión.
Barras que terminan en el nudo.- Toda barra de refuerzo longitudinal de vigas que termine en un nudo debe prolongarse hasta la cara lejana del núcleo de la columna y rematarse con un doblez a 90 grados seguido de un tramo recto. GRUPO 1
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ADHERENCIA El deterioro de la adherencia comienza apenas el acero fluye, por lo tanto, en nudos que permanezcan elásticos la adherencia se mantiene. El deterioro de la adherencia debido a deformaciones plásticas en barras en el interior de un nudo puede contribuir más de un 50% de en la deformación del nudo.
Factores que afectan la adherencia ➢
Confinamiento.
➢
Diámetro de las barras.
➢
Resistencia a la compresión del hormigón.
➢
Distancia entre barras.
➢
Características de los resaltes.
DETERIORO DE ADHERENCIA: ➢
Disminución en la capacidad a cortante del nudo
➢
Perdida de resistencia a flexión de las vigas
➢
Degradación de rigidez lateral
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UNIÓN VIGA-COLUMNA ➢
Disminución de capacidad de disipación de energía
CONFINAMIENTO DEL HORMIGÓN El comportamiento exitoso de una unión viga-columna depende principalmente del confinamiento lateral del nudo. Este confinamiento tiene dos beneficios: (a) Aumenta la resistencia del núcleo de concreto y mejora su capacidad de deformación. (b) Evita el pandeo hacia afuera de las barras verticales de la columna. Este puede proporcionarse bien sea mediante las vigas que llegan hasta el nudo o por refuerzo transversal (estribos).
Confinamiento proporcionado por las vigas ➢
El confinamiento mediante vigas, si llegan vigas a las cuatro caras del nudo , el confinamiento se considera adecuado si el ancho de cada viga es por lo menos 75% del ancho de la cara de la columna.
➢
Cuando las vigas llegan a dos caras de la unión únicamente, se puede suponer un confinamiento ideal en la dirección de las vigas si el ancho de cada una es por lo menos igual a 75% del de la columna
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Las vigas no proporcionan un confinamiento adecuado, por lo que es necesario colocar refuerzo transversal.
Confinamiento mediante el uso de refuerzo transversal ➢
Se debe colocar refuerzo transversal mínimo.
➢
El acero lateral estará formado por estribos cerrados de una pieza, sencillos o sobrepuestos.
➢
Los estribos deben rematarse con dobleces de 135 grados.
➢
En el caso del NUDO, la separación entre el acero transversal no debe exceder de 15 cm ni menor de 10cm.
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CONTROLES EN LA CONEXIÓN VIGA-COLUMNA ❖ ❖
Control de la resistencia al corte Resistencia al cortante vertical resistido por el nudo
❖
Control de deterioro de adherencia
❖
Control del refuerzo de confinamiento
❖
Control del refuerzo de confinamiento
Control de la resistencia al corte ➢
Resistencia al cortante horizontal aplicado al nudo
➢
Resistencia al cortante horizontal resistido por el nudo
➢
Resistencia al cortante vertical aplicado al nudo
➢
Resistencia al cortante vertical resistido por el nudo
Resistencia al cortante horizontal aplicado al nudo
ØVn ≥ V Donde: Vn: Cortante resistido por el nudo Vj: Cortante aplicado al nudo Ø: Factor de reducción de capacidad.
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UNIÓN VIGA-COLUMNA Se calcula los momentos que se generan el nudo
DONDE M1, M2: Capacidad a flexión positiva y negativa de las vigas en el rango inelástico. Fy: resistencia al afluencia del refuerzo kg/cm2 F’c:
resistencia a compresión del concreto kg/cm2
B: ancho de la viga que llega al nudo cm d: altura efectiva de la losa cm α:
factor 1,25
DONDE As1: armadura del refuerzo longitudinal superior de la viga GRUPO 1
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UNIÓN VIGA-COLUMNA As2: armadura del refuerzo longitudinal inferior de la viga La determinación de las fuerzas que actúan en el nudo depende de la dirección de análisis que se considere, de esta manera se tiene para los tres diferentes tipos de nudos la siguientes consideraciones. Para cualquier caso el peralte de la columna h c será paralelo al sentido de análisis. 1. En nudos interiores independientemente de la dirección de análisis, X y Y, se diseña para los momentos M1 y M2.
2. En nudos exteriores en el sentido de análisis X perpendicular al borde, únicamente existe M1 siendo M2=0 y en el sentido de análisis Y paralelo al borde existen los dos momentos M1 y M2.
3. En nudos esquineros se diseña para las dos direcciones X y Y perpendicular al borde, es decir, únicamente existe M 1 siendo M2=0.
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Vcol: Cortante en la columna superior, si
no existe carga axial en las vigas, también será
igual al cortante en la columna inferior. Por lo tanto el cortante Vcol para nudos interiores y nudos exteriores en el sentido de análisis paralelo al borde es:
Para nudos exteriores y esquineros, sentido de análisis perpendicular al borde el Vcol se expresa:
Donde:
H: Distancia entre puntos de inflexión de las columnas. El punto de inflexión de una columna puede ser supuesto a media altura, esto cumple para pisos intermedios. La fuerza cortante en nudos exteriores como interiores en el sentido de análisis paralelo al borde se expresa de la siguiente manera:
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= + − Para nudos exteriores y esquineros, sentido de análisis perpendicular al borde el Vcol se expresa:
= − La mayor parte de estas fuerzas T1 y C2 son transmitidas al nudo a través de la adherencia de los aceros As1 y As2 dentro del nudo
= =
C
Resistencia al cortante horizontal resistido por el nudo Vn
Para nudos interiores
Para nudos exteriores
Para nudos esquineros
Para todos los casos:
5.3 √ ′ 4.0 √ ′ 3.2 √ ′ A = × ℎ
Pero se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones:
h = ℎ b = Donde: Aj= Área efectiva de la sección transversal dentro del nudo. bj= Ancho efectivo del nudo hj= Profundidad GRUPO 1
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UNIÓN VIGA-COLUMNA bv=Ancho total de la columna.
Figura 9 .Detalle del área afectiva del nudo.
En la Figura. se presenta el detalle del área efectiva Aj, es la misma considerada tanto para nudos interiores como para exteriores y esquineros. El ancho efectivo del nudo bj debe ser el ancho total de la columna bv , excepto que cuando la viga llega a una columna más ancha, el ancho efectivo del nudo debe ser el menor de: (a) El ancho de la viga más la profundidad del nudo.
= + (b) El ancho de la viga más dos veces la distancia perpendicular más pequeña del eje longitudinal de la viga al lado de la columna.
= + RESISTENCIA AL CORTANTE VERTICAL APLICADO AL NUDO (Vjv) Aplicable para nudos interiores, exteriores y esquineros.
Donde:
Vj = ×(ℎℎ )
Vj =cortante horizontal aplicado al nudo. Vjv =cortante vertical aplicado al nudo. Para que la conexión viga columna no tenga problemas de cortante vertical se deberá comprobar que:
h < ℎ Vj <
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Donde:
= = RESISTENCIA AL CORTANTE VERTICAL RESISTIDO POR EL NUDO (Vnv) Si Vjv
Figura 10 .Armadura mínima en columna.
RESISTENCIA AL CORTANTE VERTICAL RESISTIDO POR EL NUDO (Vnv)
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Control de deterioro de adherencia ➢
Cuando la estructura ingresa en el rango no lineal, la adherencia puede deteriorarse notablemente durante el sismo.
➢
Los esfuerzos de adherencia en las barras que atraviesan la conexión vigacolumna pueden ser muy altos, para reducir el deslizamiento de las barras durante la formación de rótulas plásticas en las vigas adyacentes y el deterioro de adherencia en el nudo el ACI propone el siguiente control:
a) Las fuerzas en el refuerzo longitudinal de vigas en la cara del nudo deben determinarse suponiendo que la resistencia en el refuerzo de tracción por flexión es: 1.25fy y la resistencia del nudo debe regirse por el factor Ø apropiado . Ø=0.85 b) El refuerzo longitudinal de una viga que termine en una columna, debe prolongarse hasta la cara más distante del núcleo confinado de la columna y anclarse, en tracción, como se verá en la longitud de anclaje más adelante, esto es para nudos exteriores y esquineros. c) Donde el refuerzo longitudinal de una viga atraviesa una unión viga-columna (nudo interior), la dimensión de la columna paralela al refuerzo de la viga no debe ser menor que 20 veces el diámetro de la barra longitudinal de viga de mayor diámetro, lo propio para la dimensión de la viga.
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Control del refuerzo de confinamiento Se considera que un elemento proporciona confinamiento al nudo si al menos las tres cuartas partes de la cara del nudo están cubiertas por el elemento que llega al nudo. Un nudo se considera totalmente confinado si tales elementos de confinamiento llegan a todas las caras del nudo, se estaría hablando de un nudo interior tipo.
Dentro del nudo deben colocarse estribos cerrados de confinamiento como refuerzo transversal.
Ash
deberá ser el máximo valor entre:
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Siendo hx el máximo valor de la separación entre ramales de estribos cerrados de confinamiento y ganchos suplemenetarios en todas las caras de la columna, no debe exceder 35cm medido de centro a centro.
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UNIÓN VIGA-COLUMNA CONTROL DE LONGITUD DE ANCLAJE
MODOS DE FALLA EN LA UNIÓN VIGA COLUMNA •
1. Falla ductil por flexión en vigas
•
2. Falla ductil por flexión en columnas
•
3. Falla por perdidad de recubrimiento
•
4. Falla por perdidad de anclaje
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5. Falla por corte
Falla dúctil por flexión en las vigas Es el modo de falla mas deseable puesto que las rótulas plásticas en las vigas fuera de la conexión permite la absorción de la energía a través de grandes deformaciones inelásticas sin pérdida de fuerza
Falla dúctil por flexión en Columnas Cuando la rótula plástica esta en la columna, genera inclinación permanente de la estructura, difícil de reparar. Además al verse comprometida la estabilidad de las columnas por ende la estructura también lo estará
Falla por pérdida de recubrimiento Es una falla indeseable básicamente porque debido a la pérdida de recubrimiento del acero de refuerzo longitudinal en el núcleo del nodo, se reduce la capacidad de carga por compresión de la columna
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Falla por pérdida de Anclaje Un modo de falla extremadamente inconveniente porque impide que la estructura transmita corte lateral.
Falla por Corte Es un tipo de falla frágil puesto que esta impide que se forme cualquier tipo de rótula plástica y reduce la capacidad de la estructura de disipar energía inelástica
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BIBLIOGRAFÍA Y LINKOGRAFÍA
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