COLUMNAS

CONCRETO ARMADO

BACHILLERES

ARVELO JHONNATHANZ

HERNANDEZ GIANPIERO

República Bolivariana de Venezuela.

Ministerio del Poder Popular para la Defensa.

Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada.

Núcleo – APURE.

Profesor: Bachilleres:

Ing. José Lugo Arvelo Jhonnathanz

Hernández Gianpiero

San Fernando, Febrero de 2014

CONCRETO ARMADO

COLUMNAS

Las columnas son elementos estructurales que soportan esfuerzos

axiales, de compresión o tracción, generalmente combinados con flexión, por

lo que en consecuencia deben además soportar los esfuerzos de corte

derivados de la flexión. (Fuente: Ing. CARLOS RICARDO LLOPIZ-

Universidad Nacional de Cuyo-Argentina.

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.

Se dice que una columna no es esbelta cuando su carga última, para

una excentricidad dada (y en consecuencia flexión asociada), está controlada

por la resistencia de los materiales componentes y de sus dimensiones

transversales. En una columna esbelta sin embargo, la esbeltez es causal de

momentos adicionales que tienen influencia sobre el valor de la carga última

que puede desarrollar la columna.

Las columnas de hormigón pueden tener las más diversas formas,

algunas de las cuales se muestran en la Fig. 5.1. Están reforzadas con

barras de aceros longitudinales y transversales, pudiendo ser estas 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 continua

(generalmente de pequeño paso) para materializar lo que se llama columna

zunchada. Para el caso de puentes se menciona como algunas opciones de

columnas sólidas las que se muestran en la Fig. 5.2.a, y como huecas Fig.

5.2.b.

NIVEL DE DISEÑO 3

Un nivel de diseño es un conjunto de requisitos normativos asociados

a un determinado factor de reducción de respuesta, que se aplica en el

diseño de miembros del sistema resistente a sismos, tipificados en dicha

Norma. (Fuente: Norma Covenin 1753-06)

En La norma Venezolana Covenin 1753-2006, Capitulo 18 de los

requisitos adicionales para el diseño sismorresistente se establece los

requisitos adicionales para el diseño y la construcción de estructuras

monolíticas de concreto reforzado, cuyas solicitaciones de diseño debidas a

las acciones sísmicas han sido determinadas de acuerdo con la Norma

Venezolana 1756. Las disposiciones contenidas en este Capítulo se

aplicarán conjuntamente con el resto de esta Norma y, en donde sea

pertinente, privarán sobre ellas.

Los miembros que forman parte del sistema resistente a sismos de las

edificaciones de acuerdo con la Norma Venezolana 1756 deben cumplir

además del Artículo 18.2, con los siguientes: Nivel de Diseño 1, Nivel de

Diseño 2 y Nivel de Diseño ND3, la cual este último comprende los Artículos

18.3 a 18.6 respectivamente y del cual se estará abordando en este trabajo.

NIVEL DE DISEÑO 3 PARA COLUMNAS.

Los requisitos de este Artículo se aplicarán al diseño de todas las

columnas pertenecientes al sistema resistente a sismos, según la

clasificación de la Norma Venezolana 1756.

Requisitos (Art. 18.4.2 )

Se diseñarán según el presente Artículo los miembros solicitados por

una fuerza axial mayorada que sea menor que 0,75 Afc′ y, además,

satisfagan las siguientes condiciones geométricas:

a. La menor dimensión transversal, medida a lo largo de una recta que pase

por su centro geométrico, no sea menor que 30 cm.

b. La relación entre la menor dimensión de la sección transversal y la

correspondiente en una dirección perpendicular, no sea inferior a 0,4.

c. Para prevenir la falla por adherencia en concretos con agregado de peso

normal, se deberá cumplir la relación h/db según la fórmula que se muestra a

continuación, donde db, es el diámetro de la barra longitudinal de mayor

diámetro de la viga, cuando esta se extiende a través del nodo viga-columna.

Donde αa tomará un valor entre 0,08 y 0,10 de acuerdo a las

consideraciones expuestas en el Anexo H.

Los valores de la fórmula se incrementarán en un 30% cuando se trate

de concretos con agregado liviano.

d. Los efectos de esbeltez no exceden los límites establecidos en el Artículo

10.6 de la Norma 1753-2006.

DISEÑO A FLEXION PARA COLUMNAS CON NIVEL DE DISEÑO 3 (ND3)

La resistencia a flexión de las columnas dimensionadas para resistir

carga axial mayorada, en cada nivel, dirección de análisis, dirección de

aplicación de la carga lateral y combinación de solicitaciones, podrá ser

obtenida por los procedimientos indicados en las Subsecciones 18.4.3.1 ó

18.4.3.2.

La verificación de la fórmulas:

,

podrá obviarse cuando se demuestre analítica o experimentalmente que no

se formará un mecanismo tal que comprometa la estabilidad del entrepiso en

consideración. En el caso de reubicación de articulaciones plásticas en las

vigas, se deberá justificar analítica

PROCEDIMIENTO 1. VERIFICACIÓN POR NODO. (Art. 18.4.3.1)

En cada nodo se verificará que se satisfaga la fórmula:

Σ Mc = Suma de momentos correspondientes a la resistencia teórica a

flexión de las columnas que se conectan en las caras del nodo, de tal

manera que se opongan a los momentos de las vigas concurrentes. La

resistencia a la flexión de las columnas debe calcularse para la carga axial

mayorada, que sea consistente con la dirección de la fuerza lateral

considerada, y que resulte en la menor resistencia a flexión.

ΣMv = Suma de momentos correspondientes a la resistencia teórica a flexión

de las vigas que se conectan en las caras del nodo, de tal manera que se

opongan a los momentos de las columnas concurrentes. En sistemas

estructurales con vigas T o L, donde la losa maciza esté en tracción por los

momentos actuantes en las caras del nodo, el acero de refuerzo de la losa

colocada en la anchura efectiva de ésta, según el Artículo 8.9, se supondrá

que contribuye a la resistencia a flexión si tal refuerzo está debidamente

anclado en una sección adyacente a la sección crítica. En los pisos

constituidos por losas nervadas no se considerará el acero de refuerzo para

efectos de resistencia a flexión.

Cuando en algún nodo no se cumpla con la fórmula para las

condiciones establecidas (en el Artículo 18.4.3), la columna que se conecta

por debajo del mismo deberá reforzarse en toda su altura, manteniendo la

separación del acero de refuerzo transversal especificado en la Sección

18.4.5. Adicionalmente, deberá ignorarse la contribución positiva en la rigidez

y resistencia lateral de dicha columna en la estructura.

La condición establecida por la fórmula descrita podrá obviarse

cuando se trate de columnas que soportan directamente el techo. En estos

casos, dichas columnas deben reforzarse en toda su altura, manteniendo la

separación del acero de refuerzo transversal especificada en la Sección

18.4.5.

PROCEDIMIENTO 2. VERIFICACIÓN POR NIVEL. (Art. 18.4.3.2)

Las resistencias a flexión de las columnas en cada nivel, para las

condiciones establecidas en el Artículo 18.4.3, deberán satisfacer la

condición:

Σ Mcn = Suma de los momentos correspondientes a las resistencias teóricas

a flexión de todas las columnas que se conectan por debajo del nivel en

consideración.

Σ Mvn = Suma de los momentos correspondientes al menos a las

resistencias teóricas a flexión en los extremos de cada una de las vigas del

nivel en la dirección bajo consideración. Para el caso de vigas T o L, donde

la sección de losa esté en tracción por los momentos actuantes en las caras

de la junta, el acero de refuerzo de dicha sección de losa colocada en la

anchura efectiva de ésta, según el Artículo 8.9, se considerará que

contribuye a la resistencia a flexión si tal refuerzo puede desarrollarse en la

sección crítica. Los momentos de las columnas se deben sumar de tal

manera que se opongan a los momentos de las vigas según sea la dirección

de análisis.

ACERO DE REFUERZO LONGITUDINAL (ART. 18.4.4)

El acero de refuerzo longitudinal se determinará para la combinación

más desfavorable de carga axial y momentos mayorados, considerando

adicionalmente la del Art.18.4.3. La cuantía geométrica ρ no será menor que

0,01 ni mayor que 0,06.

DISEÑO DEL REFUERZO TRANSVERSAL (ART. 18.4.5)

A menos que el diseño por corte según la Sección 18.4.6 de la Norma

1753-06 requiera una cantidad mayor, se dispondrá el acero de refuerzo

transversal por confinamiento.

El acero de refuerzo transversal especificado se dispondrá a lo largo

de la longitud , medida desde cada cara del nodo y a ambos lados de

cualquier sección en donde se considere probable que ocurra la cedencia por

flexión, a consecuencia de los desplazamientos laterales inelásticos en la

estructura. La longitud , será la mayor de:

a. La mayor dimensión de la sección transversal del miembro;

b. 1/6 de la altura libre del miembro;

c. 45 cm.

En la dirección del acero de refuerzo longitudinal, las ligaduras

cerradas quedarán separadas a una distancia no mayor que:

1. Un cuarto de la menor dimensión del miembro;

2. Seis veces el diámetro de la barra longitudinal de menor diámetro;

3. El valor , definido por la fórmula:

En la sección transversal del miembro estructural, las ligaduras

cerradas, simples o múltiples, se espaciarán en cada dirección una distancia

, no mayor de 35 cm. centro a centro. Véase la Figura H-XX.

Cuando el acero de refuerzo transversal por confinamiento no se

requiera en toda la altura de la columna, la longitud de la columna fuera de la

zona confinada quedará reforzada con ligaduras cerradas, cuya separación,

centro a centro, no excederá el menor de los dos valores siguientes:

1. Seis veces el diámetro de la barra longitudinal de menor diámetro;

2. 15 cm.

Cuando se utilicen zunchos o espirales como acero de refuerzo

transversal, su separación máxima será 7,5 cm y la mínima 2,5 cm, además

deben cumplir lo especificado en la Sección 7.5.1 de la Norma 1753-06.

Acero de refuerzo helicoidal (Art. 18.4.5.1)

La cuantía de refuerzo helicoidal, ρs, no será menor que la requerida

por la fórmula (10-5) respetando el límite inferior dado por la fórmula:

Podrá considerarse el efecto simultáneo de fuerza axial y momento,

modificando la fórmula (18-5) según como se indica en el Anexo H 18.4.5.1.

Ligaduras (Art 18.4.5.2)

En cada dirección principal de la sección transversal de la columna, el

área total de las ligaduras cerradas, no será menor que el mayor de los

valores dados por las fórmulas (18-6) y (18-7), donde hc, es la dimensión

transversal del núcleo de la columna o de un miembro de borde de un muro

estructural, medida centro a centro del acero de confinamiento:

Como refuerzo transversal, se deberá utilizar ligaduras cerradas,

simples o múltiples. Como complemento se podrán usar ligaduras de

una rama, con igual diámetro y separación que las anteriores, de

forma tal que cada extremo abrace una barra longitudinal.

Los ganchos de las ligaduras, se doblarán a 135° y tendrán una

longitud de 6 diámetros ó 7,5 cm, la que sea mayor.

Podrá considerarse el efecto simultáneo de fuerza axial y momento,

modificando las fórmulas según como se indica en el Anexo H-

18.4.5.2

18.4.5.3 Núcleo del miembro (Art 18.4.5.3)

Cuando el núcleo del miembro es capaz de resistir las solicitaciones

que resultan de las combinaciones normativas incluidos el efecto del sismo,

se pueden obviar las fórmulas.

Cuando el espesor del concreto medido por fuera del acero de

refuerzo transversal excede 10 cm, se debe colocar acero de refuerzo

transversal adicional con un espaciamiento no mayor a 30 cm. El espesor del

concreto medido por fuera del refuerzo transversal adicional no debe exceder

10 cm.

Miembros discontinuos (Art 18.4.5.4)

En columnas que excepcionalmente reciban reacciones de miembros

rígidos discontinuos, como por ejemplo muros, cuya fuerza axial a

compresión mayorada sea debida a las acciones sísmicas, el acero de

refuerzo transversal por confinamiento será igual al requerido por las

Subsecciones 18.4.5.1 a 18.4.5.3 con la separación especificada en la

Sección 18.4.5, se dispondrá en toda la altura de la columna por debajo del

nivel en el cual ocurra la discontinuidad. Dicho acero de refuerzo se

extenderá dentro del miembro rígido discontinuo, al menos una longitud igual

a la de transferencia de tensiones de la barra longitudinal de mayor diámetro

de acuerdo con la Sección 18.5.4.

Si el extremo inferior de la columna termina en un muro, el acero de

refuerzo transversal especificado anteriormente, se extenderá dentro del

muro por lo menos la longitud de transferencia de tensiones de la barra

longitudinal de mayor diámetro en toda su longitud. Si la columna termina en

una fundación o losa de fundación, el acero de refuerzo transversal

especificado se extenderá al menos 30 cm en la fundación o en la losa de

fundación.

DISEÑO DE CORTE PARA COLUMNAS CON NIVEL DE DISEÑO 3 (ND3)

Fuerza cortante de diseño (Art. 18.4.6.1 – Norma 1753-06)

La resistencia a fuerza cortante de las columnas , dimensionadas

para resistir carga axial mayorada, en cada nivel, dirección de análisis,

dirección de aplicación de la carga lateral y combinación de solicitaciones,

podrá ser obtenida de la siguiente manera:

a. Con la carga axial mayorada , que conduzca al mayor momento

resistente máximo probable , , en los extremos de la columna. El corte

correspondiente a las articulaciones plásticas en cada extremo de la

columna.

b. El corte de las columnas , no necesitará exceder al obtenido de las

resistencias a flexión de los nodos, basadas en los momentos máximos

probables de los miembros transversales que se conectan a ellos.

c. El corte de las columnas , no será menor el corte determinado por el

análisis, .

Acero de refuerzo transversal por corte. (Art. 18.4.6.2 – Norma 1753-06)

El acero de refuerzo transversal dispuesto en la longitud ,

especificada en la Sección 18.4.5, se calculará para resistir el corte ,

obtenido según el procedimiento de la Sección 18.4.6.1 suponiendo ,

cuando a lo largo de las columnas se cumplan simultáneamente las dos

condiciones siguientes:

a. La fuerza axial mayorada en el vano, incluyendo las solicitaciones

sísmicas es menor que

b. Cuando en alguna de las dos secciones extremas se verifique que;

Cuando se tome en cuenta la contribución del concreto, se podrá calcular

con la fórmula 11-4 de la norma, la cual especifica:

CRITERIOS DE COLUMNA FUERTE-VIGA DEVIL CON NIVEL DE DISEÑO

3 (ND3)

El criterio llamado columna fuerte – viga débil es un requisito a cumplir

en cualquier proyecto sismo - resistente de estructuras de concreto armado o

reforzado con la finalidad de evitar fallas por inestabilidad que junto a las

fallas frágiles como las de adherencia y corte son las responsables de la falla

catastrófica o ruina de las estructuras.

Un método sencillo para evaluar si el criterio sismo - resistente

columna fuerte - viga débil es el siguiente:

Determinar la relación P basada en las propiedades de las vigas y

columnas de un nivel cercano a la mitad de la altura del pórtico.

Donde:

EIv y EIc: definen la rigidez a flexión de las vigas y columnas (V viga;

C columna)

Lv Lc: son las longitudes de las vigas y columnas respectivamente, y

las sumatorias incluye todas las vigas y columnas en nivel cercano a la altura

del pórtico.

Cuando la relación P es mayor de 0.50 es importante verificar la

resistencia de las columnas considerando el criterio antes señalado y

redimensionar las columnas si es necesario de manera de evitar mecanismos

indeseables.

La metodología de diseño de columnas es que siempre se debe

diseñar dicho elemento con mayor capacidad resistente y de disipación de

energía en comparación al de las vigas, debido que ante una acción sísmica

los mecanismos cinemáticos o de falla (articulaciones plásticas) que se

formen sean los más deseables.

Los mecanismos de falla se deben formar en las vigas y no en las

columnas. Por tanto cuando las columnas no tienen mayor capacidad de

resistencia y de disipación de energía que las vigas, hay una posibilidad de

que las roturas plásticas se formen en las columnas, lo que trae consigo

daños o colapso de la estructura.