COMPRESIÓN SIMPLE COLUMNAS

 En los diseños de miembros estructurales se realizan a partir de que cumpla con los requerimientos necesarios para resistir los esfuerzos actuantes, partiendo de un criterio que determinara las dimisiones del elemento y el diseño para que este tenga un óptimo comportamiento al costo mínimo necesario.

Los miembros verticales son sometidos a compresión como principal solicitación, pero en ciertos casos cuando el elemento es muy esbelto tiende a sufrir flexión lateral o pandeo, por ello se debe tomar en consideración que causa esta repentina falla.

Podemos empezar definiendo:

 

COLUMNAS: Las columnas son soportes verticales de forma largada que soportan fuerzas de compresión y flexión, permiten sostener el peso y transmiten las cargas de la estructura al cimiento. Las formas, los armados y las especificaciones de las columnas estarán en razón directa del tipo de esfuerzos que están expuesta.

En términos económicos y de pérdidas humanas, la falla estructural de una columna es un evento de principal importancia. Es decir, son uno de los elementos más importantes para el soporte de la estructura, por lo que su construcción requiere especial cuidado.

Según la Norma ACI 318-05 en el capítulo 2 en el punto 2.2 nos dice que “Una columna normalmente se utiliza como elemento vertical principal que soporta cargas axiales combinadas con flexión y esfuerzo cortante; sin embargo, también puede formar una pequeña parte del cerramiento de un espacio o de una separación.”

CLASIFICACIÓN DE LAS COLUMNAS

1. Pedestales o Bloques cortos a compresión: Se considera un pedestal cuando la altura de un miembro vertical a compresión es menor a tres veces su dimensión lateral mas pequeña.

2.Columnas cortas de concreto reforzado: Estas columnas se caracterizan por ser un miembro robusto con poca flexibilidad y que fallan debido a la falla inicial del material, cuya resistencia están controladas por la capacidad de los materiales con la que están construidas y la carga que puede soportar por las dimensiones de su sección transversal.

3.Columnas largas o Esbeltas de concreto reforzado: Se denominan largas o esbeltas si los momentos secundarios resultantes son de tal magnitud que reducen significativamente la capacidad de carga axial de la columna y es que a medida que las columnas se hacen mas esbeltas las deformaciones por flexión también aumentarán, así como los momentos secundarios resultantes.

TIPOS DE COLUMNAS

-Columnas con ligaduras: Este tipo de columnas impiden que las varillas longitudinales se desplacen durante la construcción y resisten la tendencia de las varillas a pandearse hacia afuera bajo la carga, lo que causa que el recubrimiento exterior del concreto se quiebre, y gracias a esta cualidad son muy efectivas para aumentar la resistencia de la columna.

-Columnas Zunchada o con espiral: Se caracterizan porque tienen una espiral continúa hecha con varilla o alambrón grueso que se enrolla alrededor de las varillas longitudinales. Se utilizan generalmente en columnas con exceso de cargas y en columnas con altas zonas símicas debido a que los espirales aumentan muy eficientemente la ductilidad y la tenacidad de las columnas.

-Columnas Compuestas: Son columnas de concreto reforzadas longitudinalmente con perfiles de acero que pueden o no estar rodeadas por varillas de acero estructural o pueden constar con perfiles tubulares de acero estructural rellenas con concreto, se emplean tanto en edificios de varios pisos, así como para aquellos  de poca altura.

REQUISITOS DE LAS NORMAS PARA COLUMNAS VACIADAS EN OBRA

Según la Norma ACI 318-05 en el capítulo 10 en el punto 10.9.1 dice “El área de refuerzo longitudinal, Ast, para elementos no compuestos a compresión no debe ser menor que 0.01Ag ni mayor que 0.08Ag.”

-Esto quiere decir que el porcentaje del refuerzo longitudinal no debe ser menor que el 1% del área transversal total de la columna, ya que se cree que si la cantidad de acero es menor que el 1% habrá una posibilidad de que ocurra una falla no dúctil repentina.

-También la norma menciona que el porcentaje máximo de acero no debe ser mayor que el 8% del área transversal total de la columna, esto es para evitar el hacinamiento de las barras de acero.

Este capítulo hace referencia también a que usualmente, el porcentaje de refuerzo para las columnas no debe exceder del 4% si las barras de éstas van a estar empalmadas por traslapo.

 En la Norma ACI 318-05 en el capítulo 10 en el punto 10.9.2 no dice que “El número mínimo de barras longitudinales en elementos sometidos a compresión debe ser de 4 para barras dentro de estribos circulares o rectangulares, 3 para barras dentro de estribos triangulares y 6 para barras rodeadas por espirales.

-El lado mínimo de las columnas rectangulares es de 20cm con un área mínima de 600cm2, si se habla de una circular el radio mínimo es de 25cm y en columnas cuadradas el lado mínimo es de 25cm.

-Si por razones arquitectónicas se debe construir una columna con una sección transversal mayor a la necesaria, el área de acero se acepta que sea: As 0.01, siempre que resulte As≥0.005Ag.

Según la Norma COVENIN 1753:2005 en el capítulo 7 en el punto 7.5.2 nos dice que “La separación de las ligaduras no deberá exceder el menor de los valores siguientes: (a) La mitad de la menor dimensión de la sección transversal. (b) 16 veces el diámetro de la barra longitudinal más delgada. (c) 48 veces el diámetro de la ligadura.”

 También este punto hace mención a que “Las ligaduras se dispondrán de tal forma que cada barra longitudinal alternada y cada barra esquinera tengan un soporte lateral proporcionado por el doblez de una ligadura que tenga un ángulo interno no menor de 135°. Ninguna barra sin soporte lateral estará separada de la barra soportada lateralmente más de 15 cm libres medidos sobre la ligadura. Cuando las barras longitudinales estén localizadas sobre el perímetro de un círculo, se pueden emplear ligaduras circulares.”

-Para incrementar la ductilidad de las columnas ligadas, la separación de las ligaduras se reduce a la mitad del valor de diseño, en una altura Ho en ambos extremos de la columna.

-Los Espirales no deben tener diámetros menores de 3/8” y la separación libre entre las vueltas de los espirales debe estar entre 3cm y 8cm.

-En la Norma COVENIN 1753-1 del año 2005 en el capítulo 10 en el punto 10.4.3.2 nos dice que la cuantía del acero no será menor que el valor dado por la fórmula:

-En la misma Norma en el capítulo 7 en el punto 7.5.1 nos dice que “La separación libre entre hélices no será menor de 2.5 cm ni mayor de 7.5 cm”.

-Los empalmes permiten una correcta transferencia de los esfuerzos, ya que hacen que las barras de acero de refuerzo se prolonguen.

-Para evitar una falla por empalme la Norma COVENIN 1753-1 del año 2005 establece en el capítulo 7 en el punto 7.2.3 que los mismos deben ser al menor 45 veces el diámetro de las barras.

-No se permiten empalmes por solape dentro de los nodos, en la zona de confinamiento, en zonas críticas que indique el proyecto y en la zona de solape debe estar confinada.

-En toda la longitud del solape se colocará acero refuerzo transversal formados por estribos o ligaduras cerradas, siendo la separación no mayor a d/4 o 10cm.

-Bajo circunstancias normales debe usarse un pequeño porcentaje de acero, en el intervalo de 1.5 a 3%, para que exista suficiente espacio para colocar las barras de acero convenientemente en las columnas.

-Debe usarse el menor número posible de diferentes tamaños de columnas en un edificio. Resulta muy poco económico variar el tamaño de una columna de piso a piso para satisfacer las diferentes cargas que debe soportar.

COMPRESIÓN SIMPLE EN COLUMNAS

Cuando tenemos una columna y se le aplican cargas axiales (P) y un momento (M), la columna se deforma (Δ) que produce un momento secundario (PΔ).

Es importante destacar que bajo cargas de compresión las columnas no solo tienden a acotarse longitudinalmente, sino también a expandirse lateralmente debido al efecto de Poisson, esta capacidad puede aumentar considerablemente si se les provee restricción lateral en forma de ligaduras cerradas estrechamente separadas.

El diseño por compresión simple se basa en el principio que la resistencia a la compresión axial requerida sea menor o igual a la resistencia a la compresión axial del diseño y para que exista compresión simple la carga axial (Pu) debe estar situada en el centro de la columna, de esta manera se produce el momento (Mu).

El término Pu representa la carga axial, es no es mas que la fuerza que va dirigida paralelamente al eje de simetría de un elemento que conforma una estructura, pueden ser de tensión o de compresión.

Si la línea de acción de la fuerza axial coincide con el eje de simetría que pasa por el centroide del elemento considerado entonces se dice que es una carga o fuerza axial concéntrica. Por el contrario, si se trata de una fuerza o carga axial paralela a eje de simetría, pero cuya línea de acción no está sobre el eje mismo, se trata de una fuerza axial excéntrica.

El término Mu representa el Momento de Flexión, que es aquel momento de fuerza que resulta de la distribución de las tensiones sobre un plano perpendicular al eje longitudinal, sobre el cual se genera la flexión o sobre una pieza prismática que se encuentra flexionada.

Las losas, las columnas y las vigas suelen registrar momentos flexores debido a que tienden a deformarse por flexión (dobladura o curvatura). Cuando el momento de flexión genera tensiones en los sectores superiores, se trata de un momento negativo que deriva en una curvatura convexa; en cambio, si el momento de flexión provoca tensiones en las zonas inferiores, se hace referencia a un momento positivo que causa una curvatura cóncava.

El término e representa la distancia a la que la carga axial Pu tendría que estar situada desde el centro de la columna para reducir Mu.

Los zunchos con un tipo de refuerzo transversal, como los estribos, pero su diferencia radica en que los zunchos tienen forma espiral.

Las ligaduras definen la forma en que la estructura puede deformarse en el punto y la dirección donde está aplicada, aparece una fuerza o momento desconocido en la dirección de la ligadura, denominada fuerza o momento de reacción. Esta fuerza de reacción es la fuerza que la sustentación debe hacer para que se satisfaga la condición de ligadura.

En resumen, se puede decir que las ligaduras son el acero de refuerzo transversal dispuesto en las columnas.

 En la Norma COVENIN 1753-1 del año 2005 en el capítulo 10 en el punto 10.4.1 nos dice que la capacidad de carga axial de las columnas no debe ser mayor que los siguientes valores:

-Para columnas zunchadas ꬾ = 0.75

ꬾPu (máx.) = 0.85 ꬾ [0.85 f´c (Ag-As) + fy. As]

-Para columnas ligadas ꬾ= 0.65

ꬾPu (máx.) = 0.80 ꬾ [0.85 f´c (Ag-As) + fy. As]

A continuación, se adjunta un video en donde se realiza un ejercicio poniendo en práctica los visto anteriormente: