COMPORTAMIENTO DE COLUMNAS SOMETIDAS A CARGA AXIAL

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RESUMEN

Las columnas son elementos estructurales que en general se diseñan para soportar esfuerzos axiales, de compresión o tracción, o bien combinación de los mismos con flexión, por lo que en consecuencia deben además soportar los esfuerzos de corte derivados de la flexión. El comportamiento de la columna, y en definitiva su modo de falla depende del grado de esfuerzo axial con respecto a la intensidad de los esfuerzos de flexión. Las columnas de hormigón armado pueden tener las más diversas formas. Están reforzadas con barras de acero longitudinales y transversales, pudiendo ser éstas barras aisladas con cierta separación en la forma de estribos cerrados (circulares, cuadrados, rectangulares, hexagonales, etc.) o bien estribos suplementarios abiertos, o constituir una única pieza en forma de hélice - espiral continua. Palabras clave: Carga axial, columna, compresión, falla, confinamiento, deformación. .

ABSTRAC

The columns are structural elements that are generally designed to withstand axial forces compressive or tensile, or combination there of to flexion, so consequently must also withstand the shear stresses arising from bending. The behavior of the column, and ultimately its failure mode depends on the degree of axial stress relative to the intensity of the bending stresses. The reinforced concrete columns may have the most diverse forms. Are reinforced with longitudinal and transverse bars of steel, these bars may be isolated with some clearance in the form of closed stirrups (circular, square, rectangular, hexagonal, etc.) or additional stirrups open, or constitute a single piece in the form of continuous helix-spiral.

KEYWORDS: axial load, column, compression, failure, confinement, deformation.

I. INTRODUCCIÓN

Una columna es un miembro que soporta una

carga de compresión axial. Esta carga puede

ser concéntrica (aplicada a lo largo del eje

centroidal) o excéntrica (aplicada paralelamente

al eje del miembro centroidal, pero acierta

distancia del mismo).

Según esta definición, los miembros a

compresión cargados concéntricamente

discutidos son columnas.

A medida que se aumenta la longitud de la

columna se reduce su capacidad de soportar

carga. Esta reducción está basada más en el

tipo de falla que ocurrirá, que en el esfuerzo.

Por lo general las columnas están sometidas a

carga axial a compresión. Una fuerza axial es

fuerza que actúa directamente sobre el centro

axial de un objeto en la dirección del eje

longitudinal.

Figura No1 Aplicación de cargas en columnas

FUERZA AXIAL

Un ejemplo típico de fuerza axial se puede observar en las columnas de un edificio. La columna tiene un eje axial que la atraviesa desde arriba hacia abajo. La columna está sometida constantemente a una fuerza axial de compresión ejercida por los elementos que están en contacto o que estén embebidos a ella. En el ejemplo de la columna, la fuerza axial atraviesa el centro geométrico de la forma, lo que hace que la fuerza sea concéntrica. Si el eje axial que recorre la fuerza axial no pasa por el centro geométrico, la fuerza es excéntrica. Los objetos en los que actúan fuerzas axiales excéntricas no podrán soportar grandes cantidades de energía, mientras que los objetos en los que la fuerza axial es concéntrica pueden hacer frente a cantidades de energía muchos mayores. COLUMNAS Una columna ideal es un elemento homogéneo, de sección recta constante, inicialmente perpendicular al eje, y sometido a compresión. Sin embargo, las columnas suelen tener siempre pequeñas imperfecciones de material y de fabricación, así como una inevitable excentricidad accidental en la aplicación de la

carga. La curvatura inicial de la columna, junto con la posición de la carga, dan lugar a una excentricidad indeterminada, con respecto al centro de gravedad, en una sección cualquiera. El estado de carga en esta sección es similar al de un poste corto cargado excéntricamente, y el esfuerzo resultante está producido por la superposición del esfuerzo directo de compresión y el esfuerzo de flexión. Los esfuerzos normales debidos a la carga axial como son uniformes, resultan iguales en todos los puntos de la sección. Estos esfuerzos están dados por la expresión:

𝜎 = 𝑃

𝐴

Dónde:

𝜎: Esfuerzo Normal P: Carga Axial A: Área de la sección CARGA Y DEFORMACION En la figura No 2 se representan las curvas carga – deformación para tres tipos de elementos para tres tipos de elementos de concreto sujetos a compresión axial. Las curvas son típicas de las que se obtienen de ensayos de columnas relativamente cortas. Si las columnas fueran muy esbeltas, la resistencia estaría afectada en forma importante por los efectos de la deflexión lateral debida a excentricidades accidentales en la aplicación de la carga. La curva A corresponde a un espécimen de concreto simple, representa la curva característica carga – deformación de una columna con relaciones de esbeltez mayor que 2 pero menor que 10 o 12 Si se adiciona refuerzo longitudinal a un espécimen de concreto simple y se utiliza el refuerzo transversal necesario para mantener las barras longitudinales en su posición durante el colocado, la carga máxima se obtiene bajo las mismas condiciones que en elemento de concreto La falla como en el caso anterior se

produce a una deformación de 0,003 o 0,004 si el ensayo es de corta duración. La caracterisitca accion – respuesta de un especimen conrefuerzo longituduinal es una curva como la B de la figura No2. La resistencia adicional sobre la de una seccion de concreto simple es debida a la contribucion del refuerzo longitudinal en compresion. Se puede estimar esta contribucion como el producto del area de acero por el esfuerzo de fluencia fy. Si elemento, además de refuerzo longitudinal, tiene refuerzo helicoidal continuo a todo lo largo, su comportamiento bajo carga queda representado por las curvas C de la figura No 2.

Figura No 2. Curva carga – deformación unitaria de

columnas cortas bajo compresión axial

CONCRETO REFORZADO CON FIBRAS5

1.1 HISTORIA Y EVOLUCION

El Concreto u hormigón como es llamado también en otros países, durante el siglo XX ha experimentado una profunda evolución como material de construcción ya sea en diseño, en cálculo, en tecnología y como material en sí, con la finalidad de buscar un mejor rendimiento y por ende mejoras en sus propiedades y comportamiento. La aparición del concreto armado fue en la segunda mitad del siglo XIX. Su descubrimiento fue atribuido a Lamblot por la presentación en la exposición Universal de París de 1855 un barco de carcasa metálica recubierto por concreto de cal hidráulica. Sin embargo fue Monet, un jardinero de Versalles, quien en 1868 patentó el sistema para la

realización de macetas y macetones, depósitos y losas. Desde entonces, numerosas han sido las investigaciones y estudios llevados a cabo con el objetivo de mejorar el comportamiento del concreto. Durante el siglo XX se han desarrollado tecnologías como la del concreto pretensado y el concreto proyectado o chotcrete, y han aparecido concretos llamados “especiales”: concretos de alta resistencia(1), concretos ligeros, concretos pesados, concretos porosos, concretos autocompactables(2), concretos reciclados(3) y, también, el concreto reforzado con fibras. Las fibras no son un material reciente o nuevo. Remontándose hace 4000 años ya se empleaban fibras como adición a otro material para mejorar sus propiedades. Hay muchos ejemplos a lo largo de la historia del uso de las fibras: en la baja Mesopotamia los adobes de barro cocidos al sol se armaban con paja y hasta hace unos años se utilizaban los pelos de cabra o caballo para armar el yeso. Los FRC(4) se definen como aquellos concretos que incluyen en su composición fibras cortas, discretas y aleatoriamente distribuidas en su masa. El concreto reforzado con fibras, según la definición del ACI- American Concrete Institute, no es más que concreto hecho a partir de cementos hidráulicos, conteniendo agregados finos y gruesos, y fibras discretas discontinuas. Como fines estructurales proporcionan una mayor energía de rotura pudiendo implicar la sustitución parcial o total de armadura en algunas aplicaciones; en el caso en que las fibras no tengan función estructural suponen una mejora ante determinadas propiedades como por ejemplo el control de la fisuración por retracción, incremento de la resistencia al fuego, abrasión, impacto y otros. Las fibras son empleadas en aplicaciones estructurales en busca de beneficios adicionales en cuanto a reducción de mano de obra, incremento de la durabilidad y reducción o eliminación del refuerzo tradicional. El concreto soporta esfuerzos a tracción que son transmitidos por adherencia a las fibras una vez se ha producido micro-fisura, controlan la

fisuración y reducen la intensidad de la misma a la vez que mejoran la tenacidad. Esencialmente, la naturaleza y el tipo de fibras determinan la efectividad de la acción reforzante y la eficacia de la transmisión. En la actualidad se utilizan diversos tipos de fibras. Las fibras no son más que elementos de corta longitud y pequeña sección que se incorporan a la masa de concreto a fin de conferirle ciertas propiedades específicas, ya sea en estado fresco, en primeras edades o en estado endurecido. De una manera general se pueden clasificar como:

Fibras estructurales: aquéllas que proporcionan una mayor energía de rotura al concreto en masa (en el caso de las fibras estructurales, la contribución de las mismas puede ser considerada en el cálculo de la respuesta de la sección de concreto). Las fibras utilizadas en el concreto reforzado son de corta longitud y pequeña sección. Se pueden clasificar según su naturaleza en los siguientes tipos: - Fibras de acero (en sus variantes en contenido de carbono y inoxidables) - Fibras poliméricas (como polipropileno, polietileno) - Fibras inorgánicas La efectividad de la acción reforzante y la eficacia de la transmisión de tensiones por parte de las fibras dependen de muchos factores, pero especialmente, de la naturaleza, tipo y características geométricas de las fibras empleadas.

PROCEDIMIENTO

Para esta investigación se sometieron 10

columnas dispuestas a carga axial a

compresión con secciones de 15cm por 15 cm

con una longitud de 50 cm con refuerzo

longitudinal No 3 (diámetro 9.5 cm) 4 por cada

sección y con espaciamientos S a 0

Tabla No 1. Componente en peso para 1m3

(concreto con f”c de 28Mpa)

cm (Con solo estribo) S a 3cm y S a 12 cm.

Para el refuerzo trasversal se utilizaron estribos

No 2 (diámetro de 6,4 cm); el concreto a utilizar

fue de un f”c de 28 Mpa pero se diseñó a 35

MPa como si no se tuviese experiencia. El

recubrimiento de la sección se estimó de 1cm,

la dosificación de este se muestra en la tabla

No1. Para el montaje se dispuso de la maquina

universal y de deformimetros de los cuales se

tomaron lecturas a cada 2000 N de carga

impresa por la maquina universal.

Imagen No1 Montaje elaborado para realizar la

investigación

COMPENENTES DEL CONCRETO(PESO) CEMENTO 296,552 Kg/m3

A.GRUESO 890,94 Kg/m3

A.FINO 493,628 Kg/m3

AGUA 142 Kg/m3

AIRE 0 Kg/m3

RESULTADOS

Se presentan los resultados de la investigación

comparando cada espaciamiento s con

estribos y porcentajes de fibras.

Sección con estribos a S = 0 cm

Imagen No 2 Falla longitudinal en sección con estribos s

= 0 cm

“La sección sin estribos intermedios presento graves fallas longitudinales y desprendimiento del concreto, además del pandeo de las barras longitudinales por lo que se puede evidenciar la falta de confinamiento sobre la sección”

Imagen N° 2.1 S = 0 cm

Figura

No 2

Grafic

o

carga

vs

defor

mació

n

estrib

os s =

0 cm

“En esta sección como hubo una ausencia de espiral ( NOOOOOO )en conjunto que confinara el acero longitudinal, este trato de expandirse o moverse hacia los lados produciendo este tipo de falla típica. “

Sección con estribos a s = 3 cm

Imagen No 3 Falla con pérdida de recubrimiento en sección con estribos s = 3 cm

“La sección con estribos a cada 3 cm perdió parte del recubrimiento y presento fallas longitudinales, pero debido al confinamiento del acero transversal el núcleo no presento ningún tipo de falla ni comprometió la verticalidad de las barras longitudinales”

Imagen N° 3.1 longitudinal s = 3 cm

Figura No. 3 Grafico carga vs deformación s = 3 cm

“En esta sección como el acero longitudinal estaba muy bien confinado este no muy seguramente se pandeo, no se produjeron fisuras de gran tamaño a lo largo del elemento; el elemento trato de perder el recubrimiento en la parte inferior, la falla muy seguramente no

Sección con estribos a s = 12 cm y

0.1% fibras de acero

Imagen No 4 Falla en sección con estribos s = 12 cm y fibras de 0.1%

“La sección con estribos cada 12 cm y fibras de

0.1% presento en la parte superior de la

sección desprendimiento del recubrimiento,

aunque se pudo evidenciar que gracias a las

fibras de acero grandes partes de concreto

quedaron unidas a la sección colgando

únicamente de las fibras, además que a

diferencia de la sección sin fibras el núcleo no

presentó ninguna falla”

Imagen N° 4.1 S= 12 Cm y 0.1% Fibra de acero.

Figura No.4 Grafico carga vs deformación s =

12 cm Y 0,1% Fibras de acero.

“En esta sección la fisura o la grita trato de

expandirse de forma longitudinal pero en un

punto una parte de la espiral detuvo el

alargamiento de la grieta o fisura en cuestión y

la grieta no fue tan severa gracias al mayor

confinamiento que tiene la espiral con respecto

a los estribos”.

sección con estribos a s = 12 cm y

2.0% Fibras de acero.

Imagen No 5 Falla en sección con estribos a s = 12 cm y fibras 2.0%

“La sección con estribos cada 12cm y fibras 2.0% presento fallas longitudinales de menor severidad que otras secciones, es mínimo el desprendimiento de recubrimiento y no permite ver el acero de refuerzo”

Imagen N° 5.1 a s = 12 cm y 2.0% fibra de acero.

Figura No. 5 Grafico carga vs deformación s=

12 cm y 2.0% fibras de acero

Se presenta la misma situación se la sección con espirales con s = 12 cm pero comparándolas esta se botó el recubrimiento y el núcleo quedo intacto”

sección con estribos a s = 12 cm

Imagen No 6 Falla en sección con estribos a s =12 cm

“La sección con estribos cada 12 cm presento

una grave deformación tanto en el acero

longitudinal como el acero transversal,

evidenciando falta de confinamiento con el

desprendimiento de concreto no solo en el

recubrimiento sino también en el núcleo de la

sección, además se puede observar la

deformación del gancho estándar en varios

estribos”

Imagen N° 6.1 a s = 12 cm

Figura No. 66Grafico carga vs deformación s = 12 cm

Se presenta la misma situación se la sección

con espirales con s = 12 cm pero

comparándolas esta se botó el recubrimiento y

el núcleo quedo intacto”

CONCLUSIONES

Las fibras de acero le generan un mayor efecto de confinamiento al concreto, ya que al incrementar el contenido de fibras se presentó menor desprendimiento en las secciones.

La manejabilidad del concreto al momento de fundir las secciones disminuyó significativamente a medida que incrementó el número de estribos, lo que dificulto el vibrado del concreto en las secciones con mayor cantidad de estribos.

El peso específico de la sección no varía significativamente al aumentar el contenido de fibras, pero si al aumentar la cantidad de estribos, esto se debe tener en cuenta al momento del diseño de las secciones con gran cantidad de estribos.

No importa si el acero falla primero o el

concreto, si alguno de los dos alcanza la

resistencia ultima, las deformaciones que el

que alcanzo la resistencia ultima genere

ocasionan que los esfuerzos en el otro

incrementen rápidamente.

En las columnas con estribos se comprobó que

estos impiden que las barras longitudinales

tiendan a pandearse al estar sometidos a carga

de compresión, pero lo que si genera ese

pandeo es desmoronamiento en el

recubrimiento de la columna.

Una de las principales características del acero

es su alta capacidad de deformación

manteniendo el nivel de carga después de la

resistencia de fluencia fy. Esta propiedad del

acero se conoce como ductilidad. De hecho la

capacidad dúctil en el concreto reforzado

resulta de la ductilidad disponible en su

interior.1

Las columnas se clasifican de acuerdo con el

refuerzo transversal ya que este determina la

forma en que el refuerzo longitudinal esta

soportado. Los tipos de columnas y su

respectivo factor de reducción de resistencia

son:

Columnas con estribos Φ 0 .65

Columnas con espirales Φ 0 .752

Se usa un factor Φ más bajo para las secciones

controladas por compresión que para las

secciones controladas por tracción porque las

secciones controladas por compresión tienen

menor ductilidad, son más sensibles a las

variaciones en la resistencia del concreto y, en

general, se presentan en elementos que

soportan mayores áreas cargadas que los

elementos con secciones controladas por

tracción. A los elementos con espirales se les

asigna un Φ más alto que para las columnas

con estribos ya que poseen mayor ductilidad o

tenacidad.2

Ensayos han mostrado que hasta la fluencia del

acero, ambas columnas (con estribos y

espirales) trabajan igual pero una vez

alcanzada esta, la columna con estribos falla en

una forma inmediata y frágil tal cual si fuera un

cilindro de ensayo de resistencia a compresión,

como si no tuviera refuerzo. Esta falla se

produce por el pandeo de las barras

longitudinales entre estribos, mientras que en la

de espirales, en el punto de fluencia, se bota el

recubrimiento y se empieza a deformar antes

de fallar2

Si una muestra estándar de concreto se

introduce en una cámara tri-axial con presión

de cámara variable, el comportamiento de la

relación esfuerzo deformación del concreto

será tanto más diferente. Cuanto mayor sea la

presión de confinamiento de la cámara. El

confinamiento lateral desempeña trascendente

en la teoría de la rotura de los materiales, por

ende en la vida real o en la construcción este

confinamiento de logra gracias al refuerzo

transversal de la sección, y asi de esta forma

permitiendo una mayor capacidad de

deformación.3

La contribución a la resistencia aportada por el

concreto, tanto del núcleo como el del

recubrimiento pues evaluarse como el 85% de

la resistencia de un cilindro de control por el

área correspondiente y la contribución del

acero longitudinal como el producto del acero

de fluencia por el área de acero.4

Las espirales son más efectivas en cuanto a

que evitan menos la deformación esto debido a

que la carga de compresión tiende a moverse

más lento alrededor del concreto y la carga se

tiende a acumular en los aros que la conforman

en lo que la columna no fallara hasta que la

espiral tenga una falla mínima en sus aros.

Como las columnas que se trabajaron son de

una corta longitud y no tenían una gran

esbeltez se pudo determinar que en los estribos

que estén más separados habrá un pequeño

grado de pandeo en las barras longitudinales.

No se descarta que la orientación de las barras

pudo alterar la resistencia de momentos en las

columnas.

En las columnas con espirales se pudo

determinar que pese al desmembramiento del

recubrimiento, el núcleo de la misma quedo

intacto, con lo que se confirma que este puede

resistir aún mucho más carga que la aplicada

BIBLIOGRAFÍA

1Sarria/Gallego (2010), el concreto y los

terremotos.

2http://estructuras.eia.edu.co/hormigoni/column

as/columnas%20cortas/cortas.htm

3 Mander y Priestley, 1988

4http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/document

os/lic/carrillo_c_mm/capitulo2.pdf

Diseño de concreto reforzado 5a Edicion

Mccormac, Jack C, Alfaomega Mexico 2005

5http://cip.org.pe/imagenes/temp/tesis/4062503

1.pdf