REFUERZO EN COLUMNAS
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REFUERZO EN COLUMAS
CONTENIDO I.
INTRODUCCIÓN
II.
OBJETIVOS
............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. .................................. ...................3 ..3
............................... ................................................ ................................. ................................. .................................. .................................. ...........................4 ..........4
III.
................................................. ................................. .................................. .................................. ...........................4 ..........4 MARCO TEORICO.................................
IV.
................................................... ...........................6 ..........6 NORMA 0.30 DISEÑO SISMORRESISTENTE: ..................................
......................................6 .....6 V. TIPOS DE REFUERZO EN COLUMNAS YA CONSTRUIDAS: .................................
VI.
................................11 .11 FALLAS DE COLUMNAS Y ALTERNATIVAS ALTERNATIVAS DE SOLUCION S OLUCION ...............................
VII.
CONCLUSIONES
VIII.
RECOMENDACIONES
IX.
ANEXOS
................................ ................................................. .................................. ................................. ................................. ............................17 ...........17 ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. ....................18 ...18
................................. .................................................. ................................. ................................. .................................. ................................. .........................19 .........19
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I.
REFUERZO EN COLUMAS
INTRODUCCIÓN
La columna es el elemento estructural vertical empleado para sostener la carga de la edificación. Es utilizado ampliamente en arquitectura por la libertad que proporciona para distribuir espacios al tiempo que cumple con la función de soportar el peso de la construcción; es un elemento fundamental en el esquema de una estructura y la adecuada selección de su tamaño, forma, espaciamiento y composición influyen de manera directa en su capacidad de carga. Para la columna se indica las características que la definen así como el comportamiento para definir los aspectos a tomar en cuenta en el diseño de las columnas de madera, acero y concreto armado.
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II.
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OBJETIVOS
objetivo básico de un buen reforzamiento estructural en edificaciones es aumentar la capacidad de respuesta estructural ya sea de manera local (reforzamiento de elementos que integra la estructura) o como respuesta global (desempeño general de toda la estructura).
Aunque existen diferencias entre protección, refacción, reparación, y reforzamiento propiamente dicho, todos estos procesos están orientados principalmente a aumentar la seguridad de las estructuras ante los embates. “Según el tipo de edificación, será el tipo de reforzamiento”
III.
MARCO TEORICO
El reforzamiento de las columnas se realiza para soportar carga, la ductilidad, la resistencia a fuerzas por flexión. Las columnas son elementos que están sometidos principalmente a esfuerzos de flexo-compresión. Los efectos de esbeltez de las columnas, y la consiguiente reducción de su capacidad de carga se evalúan en forma independiente al diseño propiamente dicho, mediante la consideración de los momentos generados por las deformaciones transversales de las columnas (momentos de 2do. orden) o mediante procesos aproximados que comprenden la estimación de factores que corrigen a los momentos del análisis estructural (momentos de 1er orden). Además, adicionalmente se presenta el problema de la flexión biaxial, el cual siempre existe si se consideran momentos de sismo en una dirección y simultáneamente momentos de cargas verticales en la otra. El cual una columna es el soporte vertical para sustentar la estructura horizontal de un edificio o, en determinadas ocasiones, como monumento exento. Las columnas están cargadas de fuerzas de compresión a lo largo de su eje y que pueden ser de planta circular o poligonal y su altura debe superar al menos cuatro veces la anchura mayor de la sección. Una columna corta sujeta a una compresión excesiva va a fallar por ruptura a diferencia de una larga que se doblara lateralmente bajo un peso similar al que causara una ruptura en la columna corta.
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La carga de pandeo de una columna depende de:
Su longitud
La forma
Tipo de conexiones en sus extremos (mientras más larga es la columna más reduce su carga de pandeo).
La longitud efectiva de la columna se puede dividir al proporcionar soporte lateral a la mitad de la altura lo que aumentara la capacidad de soporta de la columna. Forma de columna
Las columnas se pandearan a lo largo de la trayectoria de menor resistencia.
Si la sección transversal no tiene el mismo ancho en ambas direcciones, el pandeo ocurrirá en los ejes de dimensiones más delgadas. Para la misma cantidad de material, las columnas con más material colocado lejos del centro de la sección transversal tendrán grandes cargas de pandeo. El momento de inercia es la medida de distribución del material alrededor del centro de un objeto. El momento de inercia es menor cuando todo el material esta concentrado en el centro. Es mayor cuando todo el material esta distribuido más lejos del centro.La carga de pandeo es directamente proporcional al momento de inercia.
Apoyos de extremos La superficie de apoyo en el movimiento lateral y de rotación de los extremos de una columna esbelta. Las condiciones posibles de los extremos de la columna son:
Apoyado -libre para rotar pero sin permitir la rotación
Anclada a la base -evitando la rotación y traslación lateral
Libre- libre de rotar y trasladarse
FUERZAS EN LA COLUMNAS:
CARGAS VERTICALES
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IV.
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NORMA 0.30 DISEÑO SISMORRESISTENTE:
CAPÍTULO 7 EVALUACIÓN, REPARACIÓN Y REFORZAMIENTO DE ESTRUCTURAS Artículo 24 Generalidades Las estructuras dañadas por efectos del sismo deben ser evaluadas y reparadas de tal manera que se corrijan los posibles defectos estructurales que provocaron la falla y recuperen la capacidad de resistir un nuevo evento sísmico, acorde con los objetivos del diseño sismo resistente anotado en el Capítulo 1. Ocurrido el evento sísmico la estructura deberá ser evaluada por un ingeniero civil, quien deberá determinar si el estado de la edificación hace necesario el reforzamiento, reparación o demolición de la misma. El estudio deberá necesariamente considerar las características geotécnicas del sitio. La reparación deberá ser capaz de dotar a la estructura de una combinación adecuada de rigidez, resistencia y ductilidad que garantice su buen comportamiento en eventos futuros. El proyecto de reparación o reforzamiento incluirá los detalles, procedimientos y sistemas constructivos a seguirse. Para la reparación y el reforzamiento sísmico de edificaciones existentes se podrá emplear otros criterios y procedimientos diferentes a los indicados en esta Norma, con la debida justificación y aprobación de la autoridad competente
V.
TIPOS DE REFUERZO EN COLUMNAS YA CONSTRUIDAS: 1) APLICACIÓN DE REFORZAMEINTO CON FIBRA DE CARBONO a) Motivos de reforzamiento:
Cambio de uso de edificación
Errores de diseño y construcción
Problemas de degradación y deterioro de elementos (oxidación)
Cambios de códigos y reglamentos
Otros
b) Beneficios estructurales:
Muy alta resistencia a la tensión
Ligero
c) Beneficios de ciclo de vida 6
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Resistencia a corrosión
Bajo espesor
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d) Beneficios económicos
Bajo costo de instalación
Rápida puesta en servicio
e) Propiedades del material
Módulo de elasticidad: E=(700 a 2300 kg/cm2)
Tensión: 15 a 40 kg/cm2
Deformación unitaria: 0.016 mm
2) COMPORTAMIENTO RESPECTO A OTROS MATERIALES:
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APLICACIÓN DE REFORZAMEINTO CON MORTERO ESTRUCTURAL En primer lugar se realiza un apuntalamiento y acodalamiento previo de la zona de influencia del pilar con la finalidad de descargar el peso que recae sobre el. Seguidamente se procede mediante picado de la solera a llegar hasta la cara superior de la cimentación.
Seguidamente se comienza con el picado manual de las zonas donde el hormigón se encuentre suelto o deteriorado hasta alcanzar las armaduras cuya corrosión esté provocando el deterioro. Se debe de picar hasta que no se aprecie síntomas de corrosión y la armadura aparezca sana. Una vez hecho esto se procede a la limpieza de las ar maduras para la eliminación del óxido superficial hasta dejarlas completamente limpias, mediante raspado con cepillo metálico Una vez saneadas las armaduras procedemos aplicar un producto pasivante y que a la vez tenga las propiedades de un puente de unión a base de cemento y resinas epoxi modificadas, este producto protegerá a las armaduras y actuará como capa de adherencia, siempre aplicado en dos capas. También puede espolvorearse árido de sílice para aumentar más la adherencia con el mortero.
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Seguidamente procedemos a colocar las armaduras de espera ancladas en la cimentación y la zona de encuentro con el forjado superior siendo a estas armaduras a las que unamos el armado suplementario del refuerzo. Es entonces cuando procedemos a encofrar y realizar el vertido del mortero de reparación estructural, en el caso de espesores superiores a 5 cm debería de añadirse árido a la mezcla. Suele darse el caso generalmente que el hormigonado en la zona del encuentro con el forjado no queda homogéneo por lo que se suele aplicar un retacado con un mortero de cemento sin retracción.
APLICACIÓN DE REFORZAMEINTO CON EMPRESILLADO El refuerzo de pilares de hormigón mediante empresillado con perfiles y pletinas metálicas es un tipo de refuerzo muy utilizado, ya que se puede ejecutar con relativa rapidez al disminuir los tiempos de ejecución, sin embargo, a la larga, es un tipo de refuerzo que requiere el mantenimiento de los perfiles metálicos y su posterior protección frente a incendios. En primer lugar se realiza en apuntalamiento y acodalamiento previo para la descarga del pilar, una vez asegurada la transmisión de cargas se comienza el picado de la solera hasta llegar a la cara superior de la cimentación del pilar
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En segundo lugar, disponemos los anclajes en la base y capitel del pilar, mediante perfiles fijados con anclaje químico y esperas roscadas
En tercer lugar, procedemos a la aplicación de resina epoxi en las esquinas para el posterior acople de los perfiles metálicos en cada una de las mismas, soldados a los anclajes de base y capitel previamente dispuestos
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Estas dos operaciones pueden realizarse en el orden aquí descrito o de forma inversa, colocando previamente los perfiles en esquinas y posteriormente los anclajes de base y capitel,
superpuestos,
en
ese
caso,
a
dichos
perfiles
de
esquina.
Por último, disponemos las presillas soldadas a los perfiles metálicos de las esquinas.
VI.
FALLAS DE COLUMNAS Y ALTERNATIVAS DE SOLUCION
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 sismicas.muchas estructuras se han colapsado como resultado de un inadecuado confinamiento del núcleo de concreto de 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 producidas por fuerzas cortantes, este tipo de fallas está caracterizado por la formación de grietas inclinadas.
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FALLAS POR COLUMNA CORTA Se presenta cuando las columnas de un entrepiso están restringidas parcialmente al desplazamiento lateral por muros u otros elementos que no permiten la libre deformación de la columna ante fuerzas horizontales. El caso más común es cuando se levantan muros bajos (pretiles) para dejar aberturas para ventanas sobre ellos, pero tales muros restringen la parte baja de las columnas. Esta es una estructuración que se repite mucho en edificaciones escolares, lo que ocasiona problemas de concentración de esfuerzos en la parte libre de las columnas al no permitir el libre movimiento de estas durante un sismo
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Este problema implica una mala concepción del sistema estructural, ya que se ligan elementos no estru
cturales (como lo son, en este caso, los muros incompletos de
mampostería) con los elementos estructurales, que son las columnas
PÉRDIDA DE RECUBRIMIENTO EN COLUMNAS Ya sea por compresión pura o por compresión y flexión, cuando el elemento llega a su capacidad de compresión lo primero que ocurre es el desconchamiento del recubrimiento que se desprende y deja expuesto el acero y el núcleo de concreto de la columna; así se reduce el área de concreto de esta y, por lo mismo, también se ve reducida su capacidad de resistencia Este es un aviso del daño severo de la columna, tras el cual puede suceder el colapso incluso con una réplica menor de un sismo. Sin embargo, si las columnas están bien diseñadas y reforzadas, con poca separación de estribos y acero distribuido uniformemente, pueden tener todavía capacidad de carga a pesar del daño.
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DAÑOS POR FLEXIÓN Y FLEXO-COMPRESIÓN EN COLUMNAS DE CONCRETO La falla por flexión en trabes o columnas de concreto reforzado se inicia con el agrietamiento del concreto en el lado de las tensiones en donde el acero de refuerzo debe contribuir a soportar dichas fuerzas. Los reglamentos piden que se calcule la cantidad de acero a tensión por flexión de tal forma que este acero pueda fluir y tenga la posibilidad de pre sentar grandes alargamientos sin que se pierda la resistencia de la sección (se mantiene el momento resistente), lo cual constituye una “falla dúctil” o con capacidad de deformación. proceso el ancho (abertura) y cantidad de grietas aumenta considerablemente. Finalmente se acepta la falla cuando se manifiesta el aplastamiento del concreto en la zona de compresión
La flexo-compresión en columnas se presenta como producto de la combinación de momentos flexionantes y carga axial de compresión a lo largo de su vida útil, que se incrementan cuando sucede un sismo. Estrictamente todas las columnas están sometidas a una flexo-compresión; en algunos casos, por la condición de la conexión con otros elementos, trabajan esencialmente a carga axial con muy poca flexión; en otros casos, por el contrario, trabajan más a la flexión y resistiendo muy poca carga vertical. La falla se presenta por el aplastamiento del concreto; a veces también se manifiesta con la fluencia a compresión y eventualmente el pandeo de las barras longitudinales, lo cual constituye una falla relativamente frágil y súbita, similar a la falla por compresión pura. Aunque la falla de la columna se presente por el aplastam iento 14
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del concreto y con fluencia del acero de refuerzo en tensión, se manifestará también deformación axial de la columna, lo que repercute en incremento de esfuerzos en todos los demás elementos de la estructura.
FALLA POR CORTANTE EN COLUMNAS DE CONCRETO En comparación con el modo de falla por flexión (dúctil), el daño por cortante es considerado más peligr oso ya que es denominado como “tipo frágil” y sus consecuencias tienden a resultar aún más destructivas y catastróficas La falla por cortante se presenta cuando las fuerzas cortantes son mayores que la resistencia proporcionada, conjuntamente, por el concreto y por el acero de refuerzo lateral (transversal, generalmente denominado como estribos o anillos). Los procedimientos de diseño promueven un mecanismo de falla del sistema en donde se forme el mecanismo resistente por flexión. Mucho del conocimiento actual acerca del comportamiento de elementos y estructuras de concreto reforzado se han ido dilucidando con el paso del tiempo, como resultado de investigaciones y estudios experimentales notables. Como se podrá comprender, estas prácticas no se tomaban en cuenta para el diseño en reglamentos antiguos, por lo que muchos edificios actuales, construidos con dichas normativas, resultan potencialmente vulnerables ante sismos severos. Así, la edad de la construcción y la detección de separaciones grandes de estribos son factores que permiten determinar la vulnerabilidad de estas construcciones 15
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FALTA DE ESTRIBOS EN COLUMNAS DE CONCRETO, FALLA POR COMPRESIÓN CON PANDEO DE BARRAS Y RUPTURA DE ESTRIBOS Los estribos en estructuras de concreto reforzado son los anillos que refuerzan transversalmente a las vigas y columnas; sirven de soporte y armado a las barras longitudinales. Originalmente la utilidad del estribo se dio para conformar el armado de estos elementos y se permitía colocarlos a mayores separaciones, pero después se reconoció su participación para tomar fuerzas cortantes cuando en el concreto se forman grietas inclinadas causadas por la tensión diagonal de fuerzas cortantes. Sin embargo, actualmente se reconoce que restringen a las barras longitudinales y así controlan su pandeo a compresión; además dan una condición de confinamiento al núcleo de concreto, lo cual aumenta la capacidad de deformación inelástica de la sección a pesar de que esta sufra daño severo con desprendimiento del recubrimiento y fluencia del acero, lo que permite que se forme una articulación plástica. Los estribos, al ser elementos confinantes, tienen que evitar que el concreto que se encuentra en el núcleo de la columna se delezne y, de esta manera, que la columna sea capaz de resistir el embate del sismo; por eso la separación excesiva o el no colocar estribos en las columnas ocasiona colapsos. Con sólo colocar refuerzos transversales estrechamente separados y bien detallados en la regiónde la rótula plástica potencial, puede evitarse que el concreto se astille seguido del pandeo porinestabilidad del refuerzo a compresión. Esto implica el detallado de las secciones para evitar unafalla frágil y pro porcionar suficiente ductilidad
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VII.
REFUERZO EN COLUMAS
CONCLUSIONES
El presente informe tiene por conclusión que cuando nosotros reforzamos las columnas estamos mejorando la capacidad para soportar carga, la ductilidad, la resistencia a fuerzas por flexión y así de esa manera evitar el pandeo de columnas y algunas maneras para poder reforzar es adicionando fibras de carbono en las caras laterales de la columna, también se podría aumentar la sección de las columnas adicionando varillas de acero longitudinalme nte .Sabemos que las columnas de concreto tienen como tarea fundamental transmitir las cargas de las losas hacia los cimientos, la principal carga que recibe es la de compresión, pero en conjunto estructural la columna soporta esfuerzos flexionantes. Las columnas 17
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largas re rompen por pandeo o flexión lateral; las intermedias, por combinación de esfuerzas, aplastamiento y pandeo, y los postes cortos, por aplastamiento.
VIII.
RECOMENDACIONES Recomendaciones para el refuerzo longitudinal (refuerzo vertical):
Se debe cumplir siempre con lo indicado en los planos estructurales, respecto al diámetro y cantidad de fierros corrugados que se deben colocar en cada una de las columnas.
El refuerzo vertical debe ingresar totalmente a la cimentación, respetando un recubrimiento mínimo de 7.5 cm.
Si la columna va a continuar en los pisos superiores, se debe dejar las "mechas" con la longitud de empalme apropiado.
Evitar los empalmes en las zonas de cambio de sección.
Durante la habilitación de las barras, se debe tomar en cuenta las longitudes mínimas de los traslapes.
Antes de vaciar el concreto, se debe preparar y colocar los dados de mortero para proveer el necesario recubrimiento al refuerzo de la columna.
Recomendaciones para el refuerzo transversal (estribos)
Respetar las indicaciones de los planos estructurales referentes al diámetro del fierro que debe usarse para los estribos y el espacio que debe haber entre ellos en cada una de las columnas.
Es recomendable no usar alambrón liso para elaborar los estribos; lo mejor es utilizar fierro corrugado de 6mm.
Es necesario controlar la longitud del gancho
Los ganchos en el estribo convencional deben estar inclinados formando ángulos de 45º
En los extremos de la columna, los estribos deben estar más concentrados que en el centro
En la preparación de los estribos, en especial durante el doblado, hay que tomar en cuenta las recomendaciones de la Norma Técnica sobre el diámetro para el doblez
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IX.
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ANEXOS
S E L A S R E V S N A R T S O Z R E U F E R E D N O I C U B I R T S I D
A R A P S O B I R T S A E N E M D U A L T O N C A L P N E A T S I V
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S E L A N I D U T I G N O L S S A O N Z M R U E L U O F C E R N E E D N O I C U B I R T S I D
A N M U L O C Y A G I V E D O R T N E U C N E N E O Z R E U F E R 20
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DETALLE DE REFUERZOS DE COLUMNA EN PLANOS DE ESTRUCTURAS
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DETALLE DE REFUERZOS DE COLUMNA EN ESTRUCTURAS REALES
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FALLA EN COLUMNA PERALTADA SIN REFUERZO
COLUMNA CON REFUERZO EN BUEN ESTADO 23
