ANÁLISIS DE LA UNIÓN VIGA-COLUMNA Introducción: La mayor parte de las fallas en el concreto reforzado ocurren, no por deficiencias en el análisis de la estructura o en el diseño de los elementos, sino por la atención inadecuada que se le presta al despiece del refuerzo. En muchos casos, el problema está localizado en las conexiones de los elementos estructurales principales. Existe una tendencia desafortunada en la práctica moderna estructural, mediante la cual el ingeniero confía el diseño de las uniones a una persona empleada por el fabricante de las barras
de refuerzo para que se encargue despiece.enon certeza, en muchos casos detalles estándares como los que sedelpresentan el !" peropueden sólo el adoptarse ingeniero Detailing Manual de diseño, con la totalidad de los resultados del análisis estructural, puede tomar esta decisión. En muchos otros casos, los requisitos especiales para lograr una transferencia efecti#a de las fuerzas exigen una especificación completa de los detalles en los planos de ingeniería, que incluyen configuración de los dobleces, puntos de corte para las barras principales y pro#isiones para el refuerzo suplementario. 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 tra#$s de la unión a los elementos de soporte. El sentido práctico en el diseño de la unión no debe pasars e por alto. El refuerzo de la #iga que penetra en una unión #iga%columna debe pasar por el lado de las barras #erticales de la columna y la consideración oportuna de este hecho en la sección de los anchos de los elementos, de los tamaños de las barras y del espaciamiento, puede e#itar atrasos muy costosos en la obra. !simismo, el acero de una #iga secundaria y el acero de una #iga principal que se intersectan en ángulo recto en una típica unión en #igala secundaria%#iga no pueden extrema estar en de el mismo plano horizontal al entrar unión. La figuraprincipal%columna, 10.1 presenta una ilustración la congestión de las barras de refuerzo en una intersección como la anterior. El #aciado del concreto en una región como $sta es difícil en el me&or de los casos. UNIONES VIGA-COLUMNA (NUDOS 'na conexión #iga%columna se define como la parte de la columna que está dentro de la altura de la #iga o #igas que se unen a ella.
La conexión o nudo al igual que las #igas, columnas y la cimentación, conforman el sistema de resistencia sísmica de una estructura. Las conexiones #iga%columna, tiene una incidencia directa sobre la respuesta total y la estabilidad de los edificios aporticados de hormigón armado.(o tiene sentido cuidar la resistencia, rigidez y ductilidad en los elementos estructurales, si estos no se conectan entre sí de manera que estas características se puedan desarrollar plenamente. El diseño de una conexión debe tener como ob&eti#o que su resistencia sea mayor que la de los elementos que se unen y que su rigidez debe ser suficiente para no alterar la rigidez de los elementos conectados. Los aspectos críticos en el comportamiento sísmico de las uniones entre #igas y columnas de concreto reforzado son la adherencia, el cortante y el confinamiento Las condiciones de adherencia para el acero longitudinal de las #igas son desfa#orables debido a que es necesario transferir esfuerzos ele#ados al concreto en longitudes relati#amente pequeñas.
La situación es crítica no sólo en conexiones extremas, donde es necesario anclar el refuerzo longitudinal, sino tambi$n en mantener uniones interiores donde el signo de los esfuerzos debe cambiar de tensión a compresión de una a otra cara de la columna. La adherencia se #e afectada cuando se presentan grietas diagonales por los efectos de fuerza cortante. El diseño por fuerza cortante de una unión #iga%columna requiere la determinación de las fuerzas que se desarrollan cuando en los extremos de las #igas se forman articulaciones plásticas, es decir, cuando las barras longitudinales de las #igas que llegan a la conexión alcanzan la fluencia en tensión en una cara de la columna y en compresión en la otra cara. uando no se cuenta con la suficiente longitud de desarrollo del refuerzo que cruza la conexión o cuando la resistencia en cortante es insuficiente para e#itar agrietamiento diagonal en la conexión, los lazos de hist$resis presentan una zona de rigidez muy ba&a y un deterioro considerable como se aprecia en la figura )e allí que los requisitos de armado de las conexiones exi&an refuerzo horizontal, prolongando los estribos de la columna en esta zona, y fi&en una relación mínima entre el ancho de la conexión y el diámetro de las barras que la cruzan. !"INCI!IOS #ÁSICOS "E$UE"IDOS !A"A EL DISE%O DE LA UNION VIGACOLUMNA • • •
*re#enir un fallo frágil en las conexiones. +antener la integridad de las conexiones educir la degradación de la rigidez de las conexiones
&UE"'AS ACUANES EN LA UNION VIGA-COLUMNA
Las conexiones experimentan fuerzas cortantes horizontales y #erticales, cuya magnitud, generalmente, es mucho mayor que las que se producen en las #igas o en las columnas. Los momentos re#ersibles que sufre el nudo, producen estados sucesi#os de compresión y de tracción en el acero de refuerzo de las #igas, que inducen un gradiente de fuerzas, asociado a grandes esfuerzos de adherencia El nudo debe estar diseñado de tal forma que el hormigón y el acero resistan estos esfuerzos de lo contrario, se pueden producir deslizamientos del refuerzo, fallo por adherencia, que generan una disminución en la capacidad a flexión y un aumento de las distorsiones. C"IE"IOS DE DISE%O DE LA UNIÓN VIGA-COLUMNA
-. La resistencia #igas que llegan adel $l.nudo debe ser mayor que la resistencia máxima de las columnas y que las . La capacidad de la columna no debe #erse comprometida por la posible degradación dentro del nudo. /. )urante sismos moderados, la respuesta de los nudos debe estar preferiblemente dentro del rango elástico. 0. Las deformaciones de los nudos, no deben contribuir al aumento excesi#o de las deri#as entre piso. 1. Los traslapos del refuerzo deben detallarse lo más ale&ados posibles del nudo.
El refuerzo longitudinal de las #igas no debe terminar dentro del nudo sin un ancla&e adecuado. 2. El detalle del nudo debe realizarse de tal manera que facilite el ensambla&e del refuerzo y la colocación del hormigón. 3. El detalle del refuerzo trans#ersal debe realizarse de tal manera que e#ite el pandeo del refuerzo longitudinal de las #igas. 4. El detalle del nudo debe realizarse de tal manera que facilite el ensambla&e del refuerzo y la colocación del hormigón. CLASI&ICACIÓN DE LAS CONE)IONES VIGA-COLUMNA •
•
ondiciones de cargas 5eometría de la conexión Condicion*+ d* c,r,+
Las conexiones estructurales se clasifican en dos categorías6 7ipo - y 7ipo . Esta clasificación se basa en las condiciones de cargas para la conexión y las deformaciones anticipadas de los miembros del pórtico cuando resisten cargas laterales. io 1 8e compone de miembros diseñados para satisfacer los requisitos de resistencia del !" /-4, excepto el capítulo - para miembros sin deformación inelástica significati#a. io /
En este tipo de conexión, los miembros del pórtico están diseñados para tener resistencia sostenida ba&o re#ersiones de deformación en el rango inelástico. En las conexiones de 7ipo los miembros son diseñados para disipar la energía a tra#$s de re#ersiones de deformaciones en el rango inelástico. Las estructuras en el Ecuador deben diseñarse con ese principio, por esta razón, el enfoque de esta tesis, solo será en las conexiones de 7ipo G*o*tr, d* 2, con*3ión
8olo aplica cuando el ancho de la #iga bb es menor que el #alor más pequeño entre /bc y 9bc :-.1hc;. Esta restricción se da, para asegurar la formación completa de rótula plástica en la #iga. En caso de que el ancho de la #iga es mayor que el límite mencionado arriba, recomienda considerar la #iga como si fuera losa, y hacer el diseño de la conexión losa%columna. 9(ilson, /-4;
8eg
Nodo+ int*rior*+6 8e subdi#iden en6
-.-; (odos interiores en pórticos unidireccionales 9denominados por el !" /1%>, nodos interiores sin #iga trans#ersal; y, -.; (odos interiores en pórticos bidireccionales.
. Nodo+ *3t*rior*+6 Estos nodos se subdi#iden en6 .-; (odos exteriores en pórticos unidireccionales 9denominados por el !" /1%> nodos exteriores sin #iga trans#ersal; y, .; (odos exteriores en pórticos bidireccionales.
/. Nodo+ d* *+4uin,6 Estos nodos se subdi#iden de forma análoga a los casos anteriores.
0. Otro+ io+6 (odos con #igas planas, exc$ntricos y discontinuos. Los nodos con #igas planas son aquellos en los que la anchura de las #igas que a ellos concurren es mayor que la anchura de la columna
Los exc$ntricos aquellos en los que el e&e central de la #iga está desplazado con respecto al e&e deson la columna.
Los discontinuos o nodos de techo 9?roof &oints@; son aquellos en los que la columna no contin
COM!O"AMIENO ES!E"ADO DE LAS UNIONES
=actores más importantes a considerar en el diseño de los nudos son6 • • • •
ortante !ncla&e del refuerzo !dherencia onfinamiento del hormigón
CO"ANE
Las fuerzas actuantes de tracción a lo largo de una diagonal del nudo y compresión a lo largo de la otra, causa la deformación por cortante Las cargas sísmicas generan grietas cuando las tensiones de tracción exceden a la resistencia a la tracción del hormigón. )ichas y rigidezgrietas en estediagonales se propagan por el n
compresiónqueact
Las cargasde sísmicas sonconfinar cíclicas yel causan agrietamiento flexión en #igas, lo cual disminuye la capacidad estas para nudo, por lo que paraaproporcionar confinamiento se colocan estribos, para mantener la resistencia a corte del hormigón. AD5E"ENCIA
La adherencia es la resistencia al deslizamiento entre el acero y el concreto, causada por la penetración del concreto entre los resaltes de la superficie de las barras. 8e ha supuesto que el deterioro de la adherencia comienza apenas el acero fluye, por lo tanto, en nudos que permanezcan elásticos la adherencia se mantiene. &,ctor*+ 4u* ,6*ct,n , 2, ,d7*r*nci,
-.% onfinamiento, trans#ersal a la dirección de las barras, me&ora la adherencia ba&o solicitaciones sísmicas. .% )iámetro de las barras. (o tienen un efecto significati#o en la adherencia. En ba rras de tamaño normal se puede esperar una #ariación en la adherencia local del orden de un ->A. /.% esistencia a la compresión del hormigón. (o es un parámetro signi ficati#o. En muchos códigos se reconoce que la adherencia local ba&o carga cíclica depende principalmente de la resistencia a la tracción del hormigón, que es función de fcB .
0.% )istancia entre barras. !fecta de manera moderada la resistencia a la adherencia. En distancias menores que 0 se han obser#ados reducciones de no más de un >A. 1.% aracterísticas de los resaltes. Es el principal factor relacionado con la adherencia que afecta la resistencia a la adherencia y el deslizamiento de las barras. CON&INAMIENO
El comportamiento exitoso de una unión #iga%columna depende principalmente del confinamiento lateral del nudo. Este confinamiento tiene dos beneficios6 9a; aumenta la resistencia del n
El confinamiento mediante #igas, si llegan #igas a las cuatro caras del nudo , el confinamiento se considera adecuado si el ancho de cada #iga es por lo menos 31A del ancho de la cara de la columna. uando las #igas llegan a dos caras de la unión
Con6in,i*nto *di,nt* *2 u+o d* r*6u*r9o tr,n+8*r+,2
*ara confinar el concreto del nudo, así como los ganchos de las #arillas en uniones exteriores, se debe colocar refuerzo trans#ersal mínimo como en columnas. !l igual que en columnas, el acero lateral estará formado por estribos cerrados de una pieza, sencillos o sobrepuestos.
Los estribos deben rematarse con dobleces de -/1 grados, seguidos de tramos rectos de no menos de -> diámetros de largo. La separación no debe exceder de la cuarta parte de la menor dimensión trans#ersal del elemento, ni de -> cm, buscando preser#ar la integridad del concreto. ANCLAE Anc2,;* d*2 r*6u*r9o 2onitudin,2.
El #arillas es un aspecto importante. *ara e#itar que,ancla&e afectade la las rigidez y capacidad de disipación de energía de lafallas de adherencia unión. El diámetro de las barras de #igas y columnas que pasen rectas a tra#$s de la &unta deben seleccionarse de manera que la dimensión del elemento en la dirección de la #arilla sea cuando menos > #eces el diámetro de ella. #,rr,+ 4u* t*rin,n *n *2 nudo
7oda barra de refuerzo longitudinal de #igas que termine en un nudo debe prolongarse hasta la cara le&ana del n grados seguido de un tramo recto. CON"OLES EN LA CONE)IÓN VIGA-COLUMNA Contro2 d* 2, r*+i+t*nci, ,2 cort* "*+i+t*nci, ,2 cort,nt* 7ori9ont,2 ,2ic,do ,2 nudo 8ea6
)ónde6 Dn es el cortante resistido por el nudo D& es el cortante aplicado al nudo es el factor de reducción de capacidad. La resistencia del nudo debe regirse por los factores para estructuras que resisten los efectos sísmicos, E< por medio de pórticos especiales resistentes a momento, paracalcula cortante ser 0.=>. 8e losdebe momentos que se generan el nudo.
La determinación de las fuerzas que act
8e recuerda que para cualquier caso el peralte de la columna 7c será paralelo al sentido de análisis. En nudos interiores independientemente de la dirección de análisis, F y G, se diseña para los momentos M1 y M/. En nudos exteriores en el sentido de análisis F perpendicular al borde,
H ortante en la columna superior, si no existe carga axial en las #igas, tambi$n será igual al cortante en la columna inferior.
*or lo tanto el cortante para nudos interiores y nudos exteriores en el sentido de análisis paralelo al borde es6
*ara nudos exteriores y esquineros, sentido de análisis perpendicular al borde el se expresa6
)onde6 6 )istancia 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.
8e puede definir entonces que la fuerza cortan te aplicada al nudo < en nudos interiores y nudos exteriores en el sentido de análisis paralelo al borde es igual6 H : I
*ara nudos exteriores y esquineros, sentido de análisis perpendicular al borde se expresa6 H I
La mayor parte de estas fuerzas y son transmitidas al nudo a tra#$s de la adherencia de los aceros y dentro del nudo. H H
"*+i+t*nci, ,2 cort,nt* 7ori9ont,2 r*+i+tido or *2 nudo< Vn H JK
*ara nudos interiores
. JK
*ara nudos exteriores
. JK
*ara nudos esquineros
. JK
)onde6 K: Está expresado en . :
es el área efecti#a de la sección trans#ersal dentro del nudo calculada como el producto de la profundidad del nudo por su ancho efecti#o . H ∗
8e considera que6 H
El ancho efecti#o del nudo debe ser el ancho total de la columna , excepto que cuando la #iga llega a una columna más ancha, el ancho efecti#o del nudo debe ser el menor de6 a; El ancho de la #iga más profunda del nudo. H :
b; El ancho de la #iga más dos #eces la distancia perpendicular más pequeña del e&e
longitudinal de la #iga al lado de la columna. H : La figura presenta el área efecti#a !, es la misma considerada tanto para nudos interiores como para exteriores y esquineros.
Contro2 d* d*t*rioro d* ,d7*r*nci,
uando la estructura ingresa en el rango no lineal, la adherencia puede deteriorarse notablemente durante el sismo. Los esfuerzos de adherencia en las barras que atra#iesan la conexión #iga% columna pueden ser muy altos, para reducir el deslizamiento de las barras durante la formación de rótulas plásticas en las #igas adyacentes y el deterioro de adherencia en el nudo el !" propone el siguiente control6
*or esto es importante determinar adecuadamente el diámetro de las #arillas para retardar el deterioro de adherencia.
Contro2 d*2 r*6u*r9o d* con6in,i*nto
8e 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. 'n 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.
Contro2 d* 2onitud d* ,nc2,;* La longitud de ancla&e se aplica para el diseño de los nudos exteriores y esquineros. El refuerzo longitudinal de una #iga que termine en una columna, debe prolongarse hasta la cara más distante del n
MODOS DE &ALLA
a; &,22, d@cti2 or 62*3ión *n 2,+ 8i,+ ,d,c*nt*+ ,2 nodo, es decir, formación de rótulas plásticas en $stas. La rotula plástica es un dispositi#o de amortiguamiento de energía, que permite la rotación de la deformación plástica de la conexión de una columna, de manera rígida. Es el modo de falla más deseable, puesto que la formación de articulaciones 9rótulas; plásticas en las #igas permite la disipación de energía a tra#$s de grandes deformaciones sin p$rdida de resistencia aparente de la estructura.
b; &,22, d@cti2 or 62*3ión *n 2,+ co2un,+ ,d,c*nt*+ ,2 nodo, es decir, formación de rótulas plásticas en las columnas. Es menos deseable que el anterior, aun cuando el mecanismo es similar. La formación de rótulas en las columnas puede generar una inclinación permanente en la estructura, difícil de reparar. !demás, puede #erse comprometida la estabilidad de las columnas y por lo tanto la de la estructura. c; L, Brdid, d*2 r*curii*nto del acero de refuerzo longitudinal de las columnas en el n
d; L, B rdid, d*2 ,n c2,;* d*2 r*6 u*r9o. Este modo de falla es extremadamente incon#eniente, porque impide que la estructura transmita el corte lateral.
e; L, 6,22, or cort*. Es una falla frágil indeseable. Esta falla impide la formación de las rótulas plásticas y reduce la capacidad de la estructura de disipar energía inelástica.
#I#LIOG"A&A LINFOG"A&A
-. http6MMM.arqhys.comarquitecturauniones%#iga%olumna.html . . LLN*"O, *órticos d, ecomendaciones para el )iseño de o nexiones Diga%olumna en Estructuras +onolíticas de oncreto eforzado, !merican oncrete "nstitute. 0. !. ("L8P(, )iseño de Estructuras de oncreto, apítulo ->%)"8EQP )E E='EOP )E L!8 '("P(E8, Editorial +c 5raM Rill.
