Paginas Desderevista 24 4 Diseno a Compresion de Columnas en Seccion Compuesta Acero Concreto

RESUMEN

A continuacin se describen las posibilidades de diseo, frente a carga axial,de columnas en seccin compuesta, de acuerdo al Eurocdigo 4, teniendocomo principal nfasis, el mtodo simplificado, el cual permite el clculo deeste tipo de elementos, de forma manual, con ciertas limitaciones.

Palabras Clave: Carga axial, Seccin compuesta, eurocdigo.

ABSTRACT

Next are described the possibilities of design, in front of axial charge, ofcomplex sections columns, agree to the Eurocode 4, as principal emphasis,the simplified method, which allows the calculation of this kind of elements,in a manual way, with some limitations.

Key Words: Axial load, complex sections, eurocode.

INTRODUCCIN

En los aos sesenta se comienza un extenso trabajo investigativo, sobrela capacidad de las columnas, de seccin transversal en concreto conun perfil de acero figurado en caliente embebido en su interior.

______________

Recibido para evaluacin: Marzo 7 de 2006. Aprobado para publicacin: Mayo 11 de 2006.

* Ingeniero Civil,Universidad del Cauca. Especialista Estructural, Universidad Nacional de Colombia.Calculista (ColombiaConstrucciones.

Diseo a compresin de columnas en seccincompuesta acero-concreto

Compression Design of Steel-ConcreteComposite Column

Por: Felipe Vera* [email protected]

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Ingeniera Hoy / No. 24 / Junio 2006

Estas columnas empezaban a usarse con frecuenciaen pases europeos y sin normatividad, comenzandoas la necesidad para estandarizar este tipo de ele-mentos, concluyendo, en la publicacin de las reco-mendaciones constructivas y de diseo, para colum-nas en seccin compuesta, sustentadas, por resulta-dos de investigaciones, realizadas a lo largo y ancho detoda Europa, por diferentes universidades, surgiendo elEUROCDIGO 4 (1992), [1] para diseo y anlisis deconstruccin compuesta acero-concreto.

Dado que este tipo de configuracin, presenta com-portamientos no lineales no solo desde el punto devista fsico, si no tambin del geomtrico, este anli-sis se hace posible solo con mtodos numricos, losque generalmente, solo pueden ser llevados a cabo,de forma eficiente, con un software. Para clculo ma-nual el EUROCDIGO 4 (1992), [1] 0recomienda, bajociertas limitaciones, el mtodo simplificado, que es elque se presentar a continuacin.

2. COLUMNAS COMPUESTAS

Existen principalmente tres tipos de columnas en sec-ciones compuesta.

Secciones embebidas totalmente en concreto.(Figura 1 (a,b,c)).

Secciones parcialmente embebidas en concre-to. (Figura 1 (d,e)).

Secciones huecas inyectadas en concreto.(Figura 1 (f,g,h)).

Secciones totalmente embebidas en concreto:estas secciones se pueden reforzar fcilmentecon acero de refuerzo, cumpliendo con los re-quisitos de durabilidad. Tambin, cumplen f-cilmente los requerimientos contra el fuego, don-de existan especificaciones muy estrictas. Sinembargo, se dificulta el detallado de conexionesresistentes a momento con vigas principales.

Este tipo de seccin es muy frecuentemente usa-do en zonas de riesgo ssmico alto, debido a queel concreto con sobre-esfuerzo de flexin, pier-de rigidez debido al agrietamiento, mientras elperfil metlico embebido en su interior suminis-tra ductilidad y capacidad adicional frente al cor-tante, a todo el sistema estructural.

Secciones parcialmente embebidas en concreto:Al exponerse una zona del perfil de acero al exteriorfacilita la configuracin de las conexiones de estetipo de elementos con vigas metlicas. Tambinse presenta un comportamiento adecuado frente alimitaciones de exposicin al fuego.

Secciones huecas inyectadas con concreto:Esta configuracin es frecuentemente usadapara pilares de puentes, bajo cargas de impac-to. Tambin en los ltimos aos se usan como

FIGURA 1. Secciones transversales tpicas de columnas compuestas

Fuente: Composite Construction - Conventional and Innovative. International Conference, Innsbruck. 1997.

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columnas principales y sistemas resistentes asismo, en edificios de gran altura.

2.1 DUCTILIDAD DE ELEMENTOS HUECOSINYECTADO CON CONCRETO.

LIU Y GOEL (1987) estudiaron este tipo de elementoscomo riostras, analizando su grado de disipacinhistertica de energa en el campo inelstico, en esteestudio se encontr que se podan utilizar elementostubulares formados en fro, de lmina delgada, convalores altos de relacin ancho espesor, (Perfiles pro-ducidos en Colombia). Lo anterior porque el concretoinyectado en los tubulares reducen sustancialmentela susceptibilidad de pandeo, manteniendo la resis-tencia del elemento relativamente constante frente acargas cclicas.

Las probetas de elementos tipo riostra, ensayados,por Liu desarrollaron rotulas plsticas, en la mitad desu longitud y en sus extremos, luego de presentarse elpandeo global del elemento.

Al compararse el comportamiento de tubulares met-licos huecos inyectados con concreto, se observ unadiferencia sustancial en la configuracin del pandeolocal, mientras que en los elementos huecos, se pre-senta pandeo hacia afuera, en las aletas, y hacia aden-tro en las almas, en elementos inyectados el pandeose presenta hacia afuera, tanto en almas como enaletas; lgicamente por la restriccin del concreto alas paredes del tubular, lo que significa, que en lassecciones huecas, al presentarse el pandeo, se redu-cen sus propiedades geomtricas, a diferencia, delas secciones inyectadas. (Figura 2.)

2.2 VENTAJAS

Existen muchas ventajas asociadas con el uso decolumnas en seccin compuesta, a continuacin seenumerarn solo algunas:

Gran capacidad de carga con secciones trans-versales muy reducidas y uso de materiales eco-nmicos.

Conexiones calificadas de configuracin igual alas de construccin en acero.

Posibilidad de deformaciones plsticas y com-portamiento dctil.

Excelente resistencia al fuego. Alta capacidad frente a solicitaciones de com-

presin. Se reduce el riesgo de pandeo local de la sec-

cin de acero.

Para columnas compuestas, huecas de acero, inyec-tadas con concreto, existen ventajas adicionales.

El acero, puede hacer su mejor aporte, al estar enla zona ms alejada del centroide de la seccin.

El concreto puede trabajar a esfuerzos ms altos porel confinamiento dado por los tubulares de acero.

No se requiere proteccin adicional contra elfuego, porque el ncleo de concreto suministraresistencia suficiente.

La seccin tubular de acero sirve como formale-ta durante la fundicin.

FIGURA 2. Secciones transversales pandeadas deelementos tubulares huecos e inyectados.

Fuente: (BRUNEAU et al, 2002), [4].

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3. MATERIALES, CALIDADES YFACTORES PARCIALES DESEGURIDAD

3.1 MATERIALES

Perfil en I. Para nuestro pas, la perfilera de mayordisponibilidad, es la Europea, de calidad A36(Fy=25.3k/mm)

Perfiles tubulares. Existen fabricantes nacionales deperfiles tubulares formados en fri, a partir de rollosde lminas, con calibres entre 0.9 mm hasta 6.35mmde espesor de su pared, de calidad ASTM A500 Gra-do C correspondiente a la norma ICONTEC NTC 4526grado C (Fy=32k/mm).

Concreto. En nuestro medio la resistencia a compre-sin del concreto a los 28 da que se usa con mayorfrecuencia es un f'c= 2,1k/mm correspondiente a unconcreto de 3000PSI.

Acero de refuerzo. El refuerzo que se usa usualmente, sonbarras corrugadas de resistencia normal (Fy=42k/mm).

3.2 FACTORES PARCIALES DE SEGURIDAD

Para especificar los valores de estas variables, esnecesario llevar a cabo un anlisis probabilstico delas propiedades y distribuciones, de todas las varia-bles que intervienen en el clculo terico de la resis-tencia, y a partir de la definicin de la distribucinprobabilstica, se realiza un anlisis de seguridad yconfiabilidad. (EUROCDIGO 4, 1994), [3].

Los valores recomendados por el Eurocdigo, son:Para concreto: =

F

Para acero de refuerzo: =V

Para perfiles de acero:

FROXPQDVGHUHVWRHO3DUD

SDQGHRGHLGDGVXFHSWLELOFRQFROXPQDV3DUD

=

=

\

\

3.3. RESISTENCIA DE DISEO

De acuerdo a lo anterior, adoptamos valores de dise-o, as:

Resistencia de diseo, a la compresin del con-

creto a los 28 das;

PP

NFI G ==

Si se requiere, considerar la influencia de los efectosde cargas de compresin, a largo plazo es necesariomultiplicar el valor f'cd por = 0.85, pero en seccionestubulares huecas inyectadas con concreto puedeusarse un valor de = 1.0, debido a que el concreto seencuentra protegido, contra el intemperismo y el am-biente, por el perfil de acero.

Esfuerzo de fluencia de diseo, en acero de re-

fuerzo;

PPN)VG == (1)

Esfuerzo de fluencia de diseo, en perfiles deacero.

Perfiles tubulares de acero (fabricacin nacio-

nal);

PPN)\G == (2)

Perfiles en I de acero (fabricacin Europea);

PP

N)\G == (3)

4. PARMETROS DE DISEO

4.1 REQUERIMIENTOS BSICOS

El procedimiento de diseo de las columnas en sec-cin compuesta, corresponde al estado lmite. Losesfuerzos internos y momentos resultantes de la ma-yor solicitacin, con la combinacin de carga msdesfavorable, en cualquier punto del sistema estruc-tural, no debe exceder la capacidad de la seccintransversal de diseo.

Debido a la gran variedad de parmetros, que hayque tener en cuenta, y a las no linealidades tantogeomtricas como fsicas, la resistencia terica de laseccin es solo predecible, con programas de com-putador especializados (CSICol/2003, Computers andStructures, Inc. Berkeley, California, USA), los cualesson capaces de resolver problemas no lineales demanera integral. Para efectos prcticos, haciendociertas simplificaciones y siguiendo ciertas restriccio-nes, se puede llevar a cabo el diseo, con un esfuerzomnimo, utilizando el mtodo simplificado.

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4.2 MTODOS DE DISEO

EUROCDIGO 4 (1992), [1], permite el uso de 2 m-todos para el clculo de la resistencia de columnascompuestas.

Mtodo general, este mtodo tiene en cuentaexplcitamente, los efectos por imperfecciones ylos efectos de segundo orden geomtricos y fsi-cos. Este mtodo tambin puede ser usado ensecciones no simtricas, y secciones con geo-metra variable a lo largo del elemento, pero sedebe usar un software adecuado.

Mtodo simplificado, este mtodo utiliza los es-tudios realizados para el EUROCDIGO 3 (1992),[1], (diseo de estructuras de acero), con lo queimplcitamente se tiene en cuenta las imperfec-ciones de los elementos. Este mtodo se limitaa columnas compuestas con secciones de do-ble simetra, que no varan con su longitud.

4.3 SUPOSICIONES DE DISEO

Los dos mtodos de diseo, anteriormente enuncia-dos, asumen que:

Las secciones planas antes de la carga, perma-necen planas, cuando la columna se deforma.

Existe completa interaccin y adherencia entre elacero y el concreto hasta el momento de la falla.

Imperfecciones geomtricas y esfuerzos residua-les se tienen en cuenta en los clculos.

4.4 DISEO POR EL MTODO SIMPLIFICADO

4.4.1 Limitaciones

Este mtodo se limita a elementos con doble simetra yseccin transversal uniforme en toda su longitud. Estemtodo no es aplicable, si la seccin transversal, no estdebidamente conectada, entre sus componentes. Lassiguientes condiciones tambin deben ser cumplidas.

4.4.1.1. Falla por pandeo Local

Para que sea posible, el diseo plstico de la sec-cin, debe asegurarse que no se presentarn fallas

por inestabilidad global en el elemento, ni por ines-tabilidad local, de las partes delgadas de la seccinde acero.

Esto puede verificarse, cumpliendo los limites de lasrelaciones ancho, espesor. De los elementos de ace-ro, as.

Para secciones tubulares circulares, inyecta-das con concreto. (Figura 3) GW

Para secciones tubulares rectangulares,inyectadas con concreto. (Figura. 3. d)KW

con h= lado ms grande del perfil. Para secciones en I, parcialmente embebidas

(Figura 3, b,c) EWI

Donde; )\

= con Fy en k/mm (4)

Este parmetro de diseo, solo es aplicable para sec-ciones compuestas parcialmente embebidas o sec-ciones tubulares inyectadas con concreto, para sec-ciones totalmente embebidas, no es necesario revi-sar este parmetro.

4.4.1.2 Recubrimiento (ci)

Para secciones en I, completamente embebidas enconcreto se debe garantizar un recubrimiento mni-mo, para evitar el descascaramiento por esfuerzos detensin.

Ci mnimo = 40mm, es decir que tanto los perfiles deacero, como el acero de refuerzo debe tener al me-nos esta dimensin de recubrimiento, para elemen-tos que no estn a la intemperie, ni al contacto directode fuentes de agua o lluvia.

Tambin se debe cumplir que:

PP&]KPP&\E

4.4.1.3 Relacin ancho altura

En secciones totalmente embebidas en concreto,debe cumplirse que:

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4.4.2 Resistencia de diseo a la CompresinAxial

KFEF

4.4.2.1 Resistencia plstica de la seccin trans-versal. (Npl.Rd)

1SO5G $D )\G$F IFG$V )VG (5)

Donde, Aa, Ac, As Son las reas del perfil de ace-ro, del concreto y del acero de refuerzo, respectiva-mente.

Fyd, f'cd, Fsd Son las resistencias de diseo descri-tas anteriormente.

Se adopta igual a 1.0 para secciones huecas inyec-tadas con concreto y como 0.85 para el resto de casos.

4.4.3 Restricciones de diseo.

El clculo de la resistencia, frente a fuerza axial, desecciones compuestas acero-concreto, (Figura 4),con el mtodo simplificado, presenta las siguienteslimitaciones.

4.4.3.1 Relacin de contribucin de resistenciadel acero. (G)

La contribucin de acero a la resistencia total de laseccin compuesta debe estar entre

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Ncr = Carga elstica crtica normal del primermodo de pandeo, as.

( )

/E

(,1 HIH

FU

= , Donde; (8)

Lb = Longitud susceptible de pandeo.

(,HIH

(D

,D

(V

,V

(FP

,F

, Donde; Ia, Is, e Ic,son los momentos de inercia para el perfil de aceroestructural, el acero de refuerzo de la seccin y de laseccin de concreto no agrietado.

El coeficiente 0.6 para la rigidez del concreto tiene encuenta el efecto del agrietamiento.

Lgicamente, tambin debe cumplirse que Pu < Ncr

4.4.3.3 Cuantas permisibles de acero de refuer-zo. ( )

Si se tiene en cuenta, el acero longitudinal de refuer-zo, en el diseo, la cuanta de acero, debe estar, entreun 0.3% y un 4% del rea del concreto de la seccincompuesta.

4.4.3.4 Condicin lmite de pandeo global. (bk)

El valor de la relacin de pandeo global (bk) debeconservarse siempre por debajo de 1.0

=5GSO

13X

EN (9)

= Factor de reduccin que tiene en cuenta, el modode pandeo representativo, y el tipo de seccin trans-versal de la columna, as:

+= , Pero ; (10)

( )[ ] ++= , Donde; (11)

es igual a:

0.21 Para perfiles de acero estructural huecos to-talmente inyectados con concreto.

0.34 Para perfiles de acero estructural en forma deI, embebidos parcial o totalmente en concreto,con flexin, respecto al eje fuerte del perfil es-tructural de acero.

0.49 Para perfiles de acero estructural en forma deI, embebidos parcial o totalmente en concreto,con flexin, respecto al eje dbil del perfil es-tructural de acero.

= Esbeltez relativa definida en 3.4.3.2.

5. EJEMPLO

Columna de 4 metros de altura sin arriostrar, sometidaa una carga axial P=18.000 Kilogramos fuerza (18 Ton).

Se decide usar una seccin cuadrada, de 20x20cm,compuesta con perfil metlico, IPE100, embebido ensu interior, luego,

hc=bc= 200mmPerfil de Acero: IPE100 (A36),Importado desde Ucrania.Acero longitudinal de refuerzo: 4#4

FIGURA 4. Distribucin plstica de esfuerzos, adoptada para diseo.

Fuente: (R. BERGMANN, 2002), [5].

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Revisin frente al pandeo Local: No aplica, seccintotalmente embebida en concreto.

Recubrimientos del perfil de acero:cx=50mmcy=72mm

Recubrimientos del acero de refuerzo:

Se dispondrn aceros de refuerzo con 40mm de refuerzo

Relacin Geomtrica de la seccin compuesta.

==

EFKF

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Condicin lmite de pandeo global

( )[ ] =++=

=+

=

Con =0.49

( )( )

==

=5GSO

13X

EN

6. CONCLUSIONES

Las columnas en seccin compuesta, acero-concre-to, logran una seccin bastante esbelta para alturasconsiderables y cargas axiales altas, logrando unamuy buena eficiencia.

Se present el diseo de columnas a compresin axialpura, de elementos tipo columna, encontrando resul-tados muy satisfactorios desde el punto de vista derelacin volumen/resistencia.

Existen otras solicitaciones, como la flexin, el cor-tante y las solicitaciones combinadas, a las que unelemento normalmente en uso debe revisarse, estosmtodos ya estn normalizados y existe literatura parasu revisin y diseo.

7. BIBLIOGRAFA

[1] EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDAR-DIZATION (CEN). EUROCODE 3 (ENV 1993-1-1.) - Design of Steel Structures, Part 1 - Ge-neral Rules and Rules for Buildings, Brussels,Belgium. 1992.

[2] EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDAR-DIZATION (CEN). Eurocode 4 (ENV 1994-1-1). Design of Composite Steel and ConcreteStructures. Part 1- General Rules and Rulesfor Buildings, Brussels, Belgium. 1994.

[3] EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDAR-DIZATION (CEN). Eurocode 4 (ENV 1994-1-2) - Design of Composite Steel and ConcreteStructures. Part 1.2 - General Rules -Structural Fire Design, European Community(EC), Brussels, Belgium. 1994.

[4] M. BRUNEAU, C, UANG,A, Y WHITTAKER.Ductile design of steel design. New York:Mc Graw Hill;2002.

[5] R. BERGMANN. Composite Columns. IABSE ED.2002.

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