UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y MECÁNICA.
MÓDULO: HORMIGON III COLUMNA. TEMA: UNIÓN VIGA – COLUMNA.
INTEGRANTES: ANDAGANA BYRON CHARCO EDWIN HERRERA FELIX MEDINA BAYRON YUGCHA EDWIN
2013
UNIÓN VIGA – COLUMNA COLUMNA 1. OBJETIVOS. OBJETIVO GENERAL
Dar a conocer el sistema unión viga – columna columna
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Conocer lo que puede producir una mala unión viga columna
Analizar aspectos y factores de diseño.
Conocer los tipos de fallas.
2. DESARROLLO DEL TEMA. ANÁLISIS DE CONEXIONES VIGA- COLUMNA DE ACUERDO AL CÓDIGO ACI 318SR-05 RESUMEN. Se presenta las recomendaciones del Comité ACI 318SR-05, considerando lo que sucede internamente en un nudo y sus problemas potenciales relacionados con el cortante tanto horizontal como vertical, refuerzo de confinamiento, deterioro de adherencia y longitud de anclaje, para mejorar la resistencia de un nudo sometido a cargas durante un evento sísmico.
INTRODUCCIÓN 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, sobre todo en aquellas estructuras que carecen de diafragmas u elementos similares capaces de disipar la fuerza sísmica.
En las estructuras aporticadas de concreto reforzado los nodos viga – columna deben garantizar el cabal desempeño global ante las solicitaciones a las que sean sometidas. Deben 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 estas mismas tensiones adecuadamente de la losa a las vigas, de vigas a columnas, y de columnas hasta la infraestructura o sistema de fundación. La ocurrencia de sismos recientes evidenció que muchas de las estructuras que colapsaron durante estos eventos lo hicieron por problemas constructivos o por deficiencias en el detallado de los nodos viga-columna. El deterioro de la rigidez en los nodos viga – columna conducen a grandes desplazamientos en la estructura impiden que se desarrollen mecanismos de disipación de energía, poniendo en peligro la integridad de la misma. En estructuras no colapsadas pero que presentaban fallas en los nodos, éstas son muy difíciles de reparar, lo que en la práctica podría considerarse equivalente al colapso, en las siguientes imágenes se presentan algunos ejemplos reales de fallas en los nodos . F igu ra 1. Terremoto y tsun ami, 26 de dici embre de 2004 Sur Este de Asia Columna débil - viga fuerte, fracaso de las articulaciones viga - columna Centro Comercial “Panta Pirak” en Banda Aceh
F igu ra 2. Terremoto y tsun ami, 26 de dici embr e de 2004 Sur Este de Asia Falla de la conexión viga- columna debido a la falta de refuerzo transversal Cuatro edificios de oficinas en Banda Aceh
F igur a 3. Terremoto, 17 de agosto de 1999, Kocaeli Tu rquía Falla de las conexiones viga- columna
Figura 4. Terremoto, 17 de agosto de 1999, Kocaeli Turquía Falla de las conexiones viga- columna
F igu ra. 5. Terremoto, 17 de agosto de 1999, Kocaeli Tu rquía Falla de las conexiones viga- columna
1) TIPOS DE CONEXIONES Existe una gran variedad de tipos de nudos, interiores, exteriores, esquineros, exteriores con voladizo, interiores con solo dos vigas que llegan al nudo, los que tengan losa monolíticamente construida, nudos de cubierta, de entrepiso. Para el desarrollo de este artículo y por las investigaciones del ACI se considerará únicamente nudos interiores, exteriores y esquineros de entrepiso, de concreto de peso normal
. Figura 6. Principales tipos de nudos
2) FUERZAS EN EL NUDO
F igura 7. Fuerzas externas en el nudo En la Figura. 7 se presenta las fuerzas externas que actúan en el nudo, principio de diseño del puntal establecido por el ACI.
Para conexiones donde lleguen vigas en dos direcciones perpendiculares, el cortante horizontal en el nudo debe ser verificado independientemente en cada dirección. La fuerza cortante de diseño debe ser calculada sobre un plano horizontal a la mitad de la altura del nudo considerando las fuerzas cortantes sobre los bordes del cuerpo libre del nudo Figuras. 8 y 9 así como también las fuerzas normales de tracción y compresión en los miembros
estructurales que llegan al nudo.
F igur a 8. Fu erza cortante hori zontal
F igu ra 9. F uerza cortante vertical
Se observa que la armadura superior e inferior de las vigas originan fuerzas cortantes horizontales en el nudo, y que simultáneamente, las armaduras de las columnas originan fuerzas cortantes verticales en el nudo. Representadas como T las fuerzas de tracción, C fuerzas de compresión, Vcol cortante generado por la columna, Vj cortante horizontal aplicado al nudo, Vviga cortante generado por la viga y Vjv cortante vertical aplicado. Las fuerzas de compresión se analizan con el acero inferior del nudo y las de tracción con el acero superior del nudo.
3) CONTROLES EN LA CONEXIÓN VIGA-COLUMNA 4.1) Control de la resistencia al corte 4.1.1) Resistencia al cortante horizontal aplicado al nudo Sea:
Dónde: Vn es el cortante resistido por el nudo Vj es el cortante aplicado al nudo; es el factor de reducción de capacidad.
La resistencia del nudo debe regirse por los factores para estructuras que resisten los efectos sísmicos, E, por medio de pórticos especiales resistentes a momento, para cortante debe ser
0.85.
Se calcula los momentos que se generan el nudo.
( ) ( ) 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 1.25 fy , es decir:
Donde M 1
y M2 , capacidad a flexión positiva y negativa de las vigas en el rango
inelástico, Figura. 7; Fy es resistencia a la fluencia del refuerzo,
;
f’c
es la
; b es el ancho de la viga que llega al nudo, cm; d es la altura efectiva de la losa, cm; es la armadura del refuerzo longitudinal superior de la viga; es la armadura del refuerzo longitudinal inferior de la resistencia a la compresión del concreto,
viga.
F igu ra 10. Sección 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 siguiente consideración.
F igura 11. Direccion es de diseñ o
Se recuerda que para cualquier caso el peralte de la columna
será paralelo al sentido de
análisis. En nudos interiores independientemente de la dirección de análisis, X o Y , se diseña para los momentos M 1 y M 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 M 2 En nudos esquineros se diseña para las dos direcciones X y Y perpendicular al borde, es decir, únicamente existe M1 siendo M2=0.
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
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
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 se cumple para pisos intermedios.
F igura 12. Detall e de la distancia H entr e puntos de in fl exi ón
Se puede definir entonces que la fuerza cortante aplicada al nudo en nudos interiores y nudos exteriores en el sentido de análisis paralelo al borde es igual:
Para nudos exteriores y esquineros, sentido de análisis perpendicular al borde se expresa:
La mayor parte de estas fuerzas son transmitidas al nudo a través de la adherencia de los aceros dentro del nudo. 4.1.2) Resistencia al cortante horizontal resistido por el nudo, Vn
√ √ Para nudos exteriores.............................................................. √ Para nudos esquineros............................................................. √ Para nudos interiores................................................................
; es el área efectiva de la sección transversal dentro del nudo calculada como el producto de la profundidad del nudo por su ancho efectivo .
Donde f’c está expresado en
Se considera que:
El ancho efectivo del nudo
debe ser el ancho total de la columna , 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.
En la Figura. 13 se presenta el detalle del área efectiva
, es la misma considerada tanto
para nudos interiores como para exteriores y esquineros.
F igur a 13. Detalle del área efecti va del nu do
4.1.3) Resistencia al cortante vertical aplicado al nudo, Aplicable para nudos interiores, exteriores y esquineros. Sea:
( )
En donde:
es el cortante horizontal aplicado al nudo y es el cortante vertical
aplicado al nudo.
no se tendrá problema de corte vertical. Se debe comprobar que el peralte de las vigas sea menor al peralte de la columna . Si Si
es menor, la conexión viga columna no tendrá problema de cortante vertical.
4.1.4) Resistencia al cortante vertical resistido por el nudo, Si la condición anterior
se cumple, no es necesario revisar , resistencia
nominal al cortante vertical resistida por el nudo, pues esta también cumplirá. Sin embargo se analiza el cortante vertical resistido
verificando que las columnas
tengan por lo menos un hierro en la parte central, en cada uno de las caras. De tal manera que la armadura longitudinal mínima de una columna debe estar compuesta por 8 varillas, 4 de ellas ubicadas en los extremos y 4 en la parte central.
Figura 14. Armadura mínima en columna 4.2) 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 viga- columna 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: 1.25 fy y la
resistencia del nudo debe regirse por el factor apropiado
.
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.
F igura 15. Nudo interi or
Por esto es importante determinar adecuadamente el diámetro de las varillas para retardar el deterioro de adherencia.
4.3) 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.
F igura 16. Condiciones para el conf in amiento de un nu do
Dentro del nudo deben colocarse estribos cerrados de confinamiento como refuerzo transversal. El área total de la sección transversal del refuerzo de estribos cerrados de confinamiento
se lo calcula independientemente en cada dirección y se lo coloca en dirección perpendicular a la dimensión utilizada, como se indica en la figura: rectangulares,
Consideraciones para el acero de refuerzo:
deberá ser el máximo valor entre: [( )] Donde es la separación del refuerzo transversal dentro del nudo; es la dimensión (a)
transversal del núcleo medida centro a centro de las ramas exteriores del refuerzo
es el área del núcleo de la columna, medida exteriormente al refuerzo trasversal, ; es el área bruta de la sección de la columna, ; es la resistencia a la compresión del concreto, ; es la resistencia a la fluencia del refuerzo transversal, . transversal,
(b) El refuerzo transversal debe disponerse mediante estribos cerrados de confinamiento
sencillo o múltiple. Se pueden usar ganchos suplementarios del mismo diámetro de barra y con el mismo espaciamiento que los estribos cerrados de confinamiento. Cada extremo del gancho suplementario debe enlazar una barra perimetral del refuerzo longitudinal. Los extremos de los ganchos suplementarios consecutivos deben alternarse a lo largo del refuerzo longitudinal. (c) Si el espesor de concreto fuera del refuerzo transversal de confinamiento excede 100
mm, debe colocarse refuerzo transversal adicional con un espaciamiento no superior a 300 mm. El recubrimiento de concreto sobre el refuerzo adicional no debe exceder de 100 mm.
Separación del refuerzo transversal
Será el menor valor de:
(a) la cuarta parte de la dimensión mínima del elemento,
(b) seis veces el diámetro del refuerzo longitudinal
, según lo definido en la ecuación ) ( Siendo el máximo valor de la separación entre ramas (c)
de estribo cerrado de
confinamiento y ganchos suplementarios en todas las caras de la columna, no debe exceder 350 mm medido centro a centro
F igu ra 18. Detall e de la distancia hx
Estas consideraciones mencionadas para el refuerzo transversal deben suministrarse en una longitud
medida desde cada cara del nudo y a ambos lados de cualquier sección donde
pueda ocurrir fluencia por flexión como resultado de desplazamientos laterales inelásticos del pórtico, la longitud
debe ser la mayor de:
Cuando existan elementos que llegan en los cuatro lados del nudo y el ancho de cada elemento mide por lo menos tres cuartas partes del ancho de la columna (elemento
requerido en el
confinado), se puede reducir hasta en un 50% del refuerzo transversal
nudo y se permite que el espaciamiento especificado en se incremente a 150 mm.
[( )]
F igur a 19. I lustración real del corr ecto confi namiento
4.4) Control de longitud de anclaje La longitud de anclaje se aplica para el diseño de los nudos exteriores y esquineros. El refuerzo longitudinal de una viga que termine en una columna, debe prolongarse hasta la cara más distante del núcleo confinado de la columna.
para las varillas de una viga que termina en un nudo debe ser menor que la longitud de anclaje disponible La longitud requerida de anclaje
Se debe tomar muy en cuenta la sección crítica considerada donde la longitud de desarrollo empieza. Para conexiones compuestas por miembros diseñados para que no presenten deformaciones inelásticas significativas
disponible empieza en la cara de la columna sección crítica A,
para el caso analizado de conexiones compuestas por miembros diseñados para que su resistencia se mantenga bajo deformaciones alternantes en el rango inelástico
disponible se considera que empieza en la parte exterior del núcleo de la columna sección crítica B, como se indica en la figura.
F igu ra 20. L ongitu d de anclaje disponi ble
El anclaje para tracción se determina analizando la longitud de desarrollo
, la longitud
requerida para una barra con gancho estándar de 90° en concreto de peso normal es: √ Dónde: es el diámetro del refuerzo de la varilla, y está expresado en
El gancho de 90° debe estar colocado dentro del núcleo confinado de una columna o elemento de borde, si el espaciamiento de estribos,
en un 20%.
, entonces se puede reducir
Durante el sismo está previsto que el recubrimiento se desprende por efecto cuando ya se haya agrietado por exceso de compresión y por progresión de las grietas de flexión de la viga hacia el interior de la columna.
Figura 21. Ilustración real de la colocación de la longitud de anclaje.
Falla por adherencia del bloque de unión en las conexiones viga – columna debida al deslizamiento de las varillas ancladas o a la falla de cortante. Con frecuencia, en 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. Existen tres tipos de fallas en la unión viga - columna que son:
Falla por desconchamiento del concreto.- debido a un anclaje defectuoso entre viga y columna.
Falla en la escasez de anclaje.- debido a la escasez de anclaje de refuerzo de la columna en su unión con el sistema de piso.
Falla por deficiente adherencia.- Falla por deficiente adherencia en conexión viga – columna y croquis de anclaje a 90° para el desarrollo de la fluencia requerida ante solicitaciones cíclicas propias de las acción sísmica.
5) EJERCICIO DE APLICACIÓN A continuación se presenta un ejemplo de la vida real en el que se asume se tiene dimensiones de vigas, columnas y su respectiva armadura ya calculadas. Se presenta los datos para analizar un nudo interior , aplicando las recomendaciones del ACI 2005. Datos:
DISEÑO DEL NUDO INTERIOR
Sentido x-x Chequeo adherencia
RESISTENCIA AL CORTANTE HORIZONTAL
Cortante resistido por el nudo,
Resistencia al cortante vertical
Refuerzo de confinamiento,
3. BIBLIOGRAFIA
http://www.jjcoopsa.com.mx/reglamweb/cconcreto/norteccom74.htm
Recomendaciones del Comité ACI- 318SR-05
Recomendaciones del Comité ACI- 352SR-02 para conexiones viga- columna
http://www.world-housing.net/whereport1view.phpid=100163
ANÁLISIS DE CONEXIONES VIGA- COLUMNA DE ACUERDO AL CÓDIGO ACI 318SR-05, Roberto Aguiar Falconí, Mary Revelo, Willy Tapia, Centro de Investigaciones Científicas, Escuela Politécnica del Ejército, Quito.