Columnas

Columna
Columna

Las columnas de concreto pueden calificarse en las tres siguientes categorías: pedestales cortos compresión. Si la altura de un miembro a compresión es menor que tres veces su diámetro lateral más pequeña, puede considerarse como pedestal.

Columnas cortas de concreto reforzado. Si una columna de concreto reforzado falla debido a la falla inicial de material, se clasifica como una columna corta. La carga que puede soportar está regida por las dimensiones de su sección transversal y por la resistencia de los materiales de que está hecha. Una columna corta es un miembro robusto con poca flexibilidad.

Columnas largas o esbeltas de concreto reforzado. Conforme crecen la relaciones de esbeltez, las deformaciones por flexión también crecerán, así como los resultantes momentos secundarios. Si esos momentos son de tal magnitud que reducen apreciablemente la capacidad a carga axial de la columna, ésta se denomina larga o esbelta.

Cuando una columna se encuentra sometida a momentos primarios (aquellos causados por las cargas aplicadas, rotaciones de los nudos, etc.), el eje del miembro se deflexiona lateralmente, dando por resultado momentos adicionales iguales a la carga de la columna multiplicada por la deflexión lateral. Estos momentos se le llaman momentos secundarios PΔ.

Tipos de columnas:

Una columna de concreto simple no puede soportar mucha carga, pero su capacidad aumenta si se le agregan barras longitudinales. Pueden lograse considerables incrementos en la resistencia de la columna proporcionando resistencia lateral a las barras longitudinales. Bajo cargas de compresión, las columnas no solo tienden a acortarse longitudinalmente, sino también a dilatarse lateralmente debido al efecto de Poisson. La capacidad de tales miembros puede aumentar considerablemente si se les proporciona restricción lateral, en forma de espirales o estribos cerrados ligeramente separados en torno al refuerzo longitudinal.

El esfuerzo en las columnas de concreto puede ser con estribos o zunchadas (con espirales), dependiendo del método usado para apuntalar lateralmente o mantener en posición las barras longitudinales. Si la columna tiene una serie de estribos cerrados, como se muestra en la figura 8.2 (a), se denomina columna con estribos. Los estribos son muy efectivos para incrementar la resistencia de la columna. Ellos impiden que las barras longitudinales se desplacen durante la construcción y resisten su tendencia a pandearse al estar sometidas a cargas de compresión; el pandeo de las barras causa que el recubrimiento exterior de concreto se quiebre o desconche. Las columnas con estribos son comúnmente cuadradas o rectangulares, pero pueden considerarse también con secciones octagonales, redondas, en L y muchas otras más. las columnas cuadradas rectangulares son las más comúnmente usadas debido a la simplicidad de su cimbra. Sin embargo, cuando se usan en espacios abiertos, las columnas circulares son muy atractivas. La cimbra para las columnas circulares suele hacerse con tubos de cartón o de plástico que se desprenden y desechan una vez que el concreto ha fraguado

Columnas compuestas, ilustradas en las figuras 8.2(2) y 8.2(d), son columnas de concreto reforzadas longitudinalmente por medio de perfiles de acero, que pueden o no estar rodeadas por barras de acero estructural o que pueden consistir en perfiles tubulares de acero estructural rellenos de concreto.

(McCormac 2002)

Las columnas de concreto se presentan, con mayor frecuencia, como miembros reforzados, con el concreto colado in situ y el acero de refuerzo compartiendo las cargas de compresión y de trabajando, como en las vigas para producir la resistencia necesaria a la flexión. Las formas más comunes consisten en secciones transversales redondas, cuadradas o rectangulares de concreto macizo, con varillas de acero colocadas tan cerca como sea posible del perímetro de la columna. Con la altura normal de las columnas, las varillas de acero por si mismas son bastante esbeltas, y para evitar su pandeo a través del delgado revestimiento de concreto, se utilizan alguna forma de restricción para mantenerlas en el núcleo de la columna.

Requisitos generales para el diseño de columnas de concreto reforzado.

Las especificaciones del reglamento y las consideraciones prácticas con respecto a la construcción imponen varias restricciones en las dimensiones de las columnas y en la selección del refuerzo.

Tamaño de la columna. El reglamento vigente no contiene límites en cuanto a las dimensiones de una columna. Por razones prácticas, se recomiendan los límites siguientes. Las columnas rectangulares zunchadas se deben limitar a un área mínima de 100pulg2 y una dimensión por lado de 10pulg si son cuadradas y de 8pulg si son oblongas. Las columnas con refuerzo en espiral deben limitarse a un tamaño mínimo de 12pulg, ya sean redondas o cuadradas.

Refuerzo. El tamaño mínimo de varillas es el No. 5. El número mínimo de varillas es cuatro para columnas zunchadas y cinco para columnas con refuerzo en espiral. El área mínima de acero es de 1% del área total de la columna. Se permite una área máxima de acero de 8% del área total, pero la limitaciones en cuanto a la separación entre las varillas hace que lo anterior sea difícil de lograr; 4% es un límite más práctico. El ACI Code de1989 especifica que para que un miembro sometido a compresión, con una sección transversal más grande que la requerida por las consideraciones de carga, se una un área efectiva reducida no menor que la mitad del área total para determinar el esfuerzo mínimo y la resistencia de diseño.

Zunchos. Los zunchos serán, por lo menos, del. No. 3 con varillas del No. 10 y más pequeñas. Se debe de usar zunchos de del No. 4 con varillas del No. 11 y más diámetro de la varilla, 48 veces el diámetro del zuncho, o la menor dimensión de la columna. Los zunchos se colocaran de modo que toda esquina y varilla longitudinal alterna queda sujeta por la esquina de un zuncho, con un ángulo inclinado no mayor que 135°, y ninguna varilla quedara separada mas de 6pulg de dicha varilla soportada. Se usan zunchos circulares completos para varillas colocadas en un patrón circular.

Revestimiento de concreto. Se requiere un mínimo de 1.5pulg cuando la superficie de la columna no queda expuesta a la intemperie o en contacto con el suelo; se deben usar 2pulg para superficies que permanecen en la cimbra expuestas a la intemperie o en contacto con el suelo; se necesitan 3pulg si el concreto se cuela directamente sobre el terreno natural.

Separación entre las varillas. La distancia libre entre varillas no será menor que 1.5 veces el diámetro de la varilla, 1.33 veces el tamaño máximo especificado para el agregado grueso, o bien, 1.5pulg.

(Parker 2008)

Recomendaciones para el dimensionamiento de columnas

ACERO MINIMO

Los porcentajes mínimos de refuerzo recomendados para columnas son, por lo general, mayores que los recomendados para vigas. En los reglamentos de construcción suelen especificarse porcentajes mínimos del orden de uno por ciento. Las NTC-O4 indican que la relación entre el área del refuerzo vertical y el área total de la sección no sea menor que 20/fy estando fy expresado en kg/cm2. También se recomienda usar por lo menos una barra en cada esquina de columnas no circulares y un mínimo de seis barras en columnas circulares.

 

SEPARACIÓN   ENTRE BARRAS

Suele especificarse que la separación libre entre las barras longitudinales no sea inferior a 1.5 veces el diámetro de la barra, 1.5 veces el tamaño máximo del agregado, ni que 4 cm.

HACES DE BARRAS

Debido a que los porcentajes de refuerzo usados en columnas son altos, a veces es necesario recurrir al empleo de haces o paquetes de barras, lo cual simplifica el armado, como se muestra en la figura 15.1. En general, se permite utilizar hasta cuatro barras por haz. Las barras deben ligarse firmemente entre sí. Se considera que el área del haz es la suma de las áreas de las barras. La longitud de desarrollo del haz es igual a la de una barra individual incrementada en ciertos factores que dependen del número de barras por haz. Según el Reglamento ACI 318-02, el factor es 1.20 para haces de tres barras y de 1.33 para haces de cuatro barras Se recomienda no cortar todas las barras de un haz en la misma sección. Los haces evitan el congestionamiento del refuerzo, pero obligan a poner especial cuidado en los detalles de empalmes y dobleces. El recubrimiento de un haz debe ser el de una barra hipotética de tal diámetro que su área sea el área del haz. Para las separaciones entre haces se hacen recomendaciones semejantes.

 

Detalles en los cambios de sección.

 

Es frecuente que se cambien las dimensiones de las columnas al pasar de un piso a otro de una estructura. En estos casos, las barras deben doblarse en forma gradual, para evitar componentes desfavorables de esfuerzos. En la figura 15.2 se muestran las recomendaciones que a este respecto se presentan en la referencia 15.1, que son semejantes a las de Reglamento ACI 318-02. Según este Reglamento, en la zona de cambio debe colocarse refuerzo transversal capaz de resistir una y media veces la componente horizontal de la fuerza que actúe en las porciones inclinadas de las barras de la columna.

Refuerzo máximo

Aunque en algunos reglamentos se permiten porcentajes máximos de refuerzo longitudinal del orden de 8 por ciento, pocas veces puede colocarse esta cantidad de refuerzo por restricciones de orden constructivo. Las NTC-04 especifican un máximo de 6 por ciento.

 

Excentricidad mínima

 

Las NTC-O4 especifican que debe considerarse siempre una excentricidad mínima Igual a 0.05h 2 2 cm, siendo h la dimensión de la columna en la dirección de flexión.

 

REFUERZO TRANSVERSAL

 

EI refuerzo transversal puede consistir en hélices o en estribos. En el caso de hélices, éstas deben anclarse en sus extremos mediante 2.5 vueltas según las NTC-04 y 1.5 vueltas según el Reglamento ACI 3 1 8-02. El esfuerzo de fluencia no debe ser superior a 4200 kg/cm2. El diámetro y la separación de las hélices se calculan de acuerdo con lo indicado en el capítulo 4. Además deben respetarse ciertas limitaciones establecidas en los reglamentos que tienen por objeto asegurar una acción confinante efectiva y, al mismo tiempo, permitir la correcta colocación del concreto. Así, suele especificarse que la separación libre máxima entre vueltas consecutivas no exceda de 7 a 8 cm, mientras que la separación libre mínima se limite a unos 2.5 cm o a 1.5 veces el tamaño máximo del agregado. En el caso de estribos, éstos deben colocarse de manera que restrinjan el pandeo lateral de las barras longitudinales. Tanto el Reglamento ACI 318-02 como las NTC-04, especifican que todas las barras de esquina y cada barra alternada estén restringidas por la esquina de un estribo con ángulo interno máximo de 135". La distancia libre de las barras no restringidas a las barras restringidas se limita a 15 cm. La separación centro a centro entre barras restringidas se suele limitar a unos 35 cm, como se aprecia en la figura 15.3. El significado de estos requisitos junto con detalles típicos de anclaje, se ilustran en la figura 15.3. En la figura 15.4 se muestran algunos arreglos típicos de estribos para columnas rectangulares. Para proporcionar restricción lateral pueden usarse grapas en la forma representada en la figura 15.3b. Cuando las barras están colocadas en la periferia de un círculo, se puede usar un estribo circular. Como en el caso de vigas, los estribos deben estar adecuadamente anclados en sus extremos.

Según el Reglamento ACI 3 1 8-02, la separación de los estribos no debe exceder de 16 veces el diámetro de la barra longitudinal, 48 veces el diámetro de los estribos, ni de la menor dimensión de la columna. En lugar de la primera de estas restricciones, las NTC-04 limitan la separación máxima a 850/* veces el diámetro de la barra (o de la barra de menor diámetro de un paquete), siendo fy el esfuerzo de fluencia de las barras longitudinales en kg/cm2, y en lugar de la tercera, especifican la mitad de la menor dimensión de la columna. Además, las NTC-04 especifican que la separación máxima se reduzca a la mitad en una longitud no menor que la dimensión transversal máxima de la columna, un sexto de su altura, ni que 60 cm, encima y debajo de cada unión de columna con vigas o losas. El ACI 318-02 se limita a indicar que el primer estribo encima o debajo de la losa o viga se coloque a la mitad de la separación máxima a partir de los paños de la unión. En cuanto al diámetro de los estribos, el Reglamento ACI 3 1 8-02 especifica valores según el diámetro de las barras longitudinales. Las NTC exigen que la fuerza de fluencia que puede desarrollar un estribo no sea menor que seis por ciento de la fuerza de fluencia de la mayor barra o el mayor paquete restringido por el estribo. Además de satisfacer los requisitos mínimos arriba reseñados, el refuerzo transversal debe proporcionar suficiente resistencia frente a las fuerzas cortantes o torsiones que pudieran actuar sobre la columna. En caso de estructuras expuestas a sismos, deben tenerse en cuenta las recomendaciones adicionales que se mencionan brevemente en el capítulo 20.

(Gonzales cuevas 2005)

El refuerzo longitudinal de una columna le provee resistencia a la flexión y reduce los efectos de creep y contracción del concreto bajo cargas sostenidas. Los ensayos han demostrado que estos efectos tienden a transferir la carga del concreto al refuerzo con el consiguiente incremento del esfuerzo en el acero. Esta transferencia se acentúa conforme la cuantía disminuye y cuando ésta es muy pequeña, el acero entra en fluencia bajo cargas de servicio. Por ello, el código recomienda un área de refuerzo longitudinal de, por lo menos, 0.01 veces el área de la sección bruta de la columna.

 

En términos prácticos, la cantidad de acero está limitada por cuestiones constructivas ya que si la columna cuenta con demasiado refuerzo, el vaciado del concreto se vuelve un proceso muy difícil. Las columnas con cuantías altas sugieren que es conveniente reconsiderar las dimensiones de la sección transversal. El código sugiere, como máximo, un área de acero equivalente a 0.08 veces el área de la sección de la columna. Sin embargo, en la práctica, rara vez se excede 0.06 por las dificultades que se presentan durante su armado. Las columnas con estribos rectangulares y circulares requieren, como mínimo, cuatro varillas longitudinales. Si se emplea refuerzo transversal espiral son necesarias, por lo menos, seis barras longitudinales (ACI-10.9.2). Las columnas que tengan secciones diferentes requieren de, por lo menos, una varilla en cada esquina. En la figura 10.8 se muestran algunas distribuciones de acero longitudinal.

 

  

Columnas con estribos

Todas las varillas del refuerzo longitudinal deberán apoyarse en estribos. Si el refuerzo longitudinal está compuesto por varillas menores que la #lo, los estribos serán de denominación #3 o mayor. Por el contrario, si el acero longitudinal es de diámetro mayor, los estribos serán #4 o mayores. También se emplean mallas de alambre electrosoldado de sección equivalente. El espaciamiento vertical de los estribos, S, deberá cumplir:

S ≤ 16d b longitudinal

S ≤ 48d b estribo

 

S ≤ l menor dimensión de la sección transversal de la columna

Los estribos se distribuirán como se muestra en la figura 10.9. En zonas no sísmicas los ganchos de los estribos pueden ser de 90" (ties) y los estribos de zonas sísmicas (hoops) tienen que tener forzosamente ganchos de 135". Las varillas longitudinales deberán contar, alternadamente con estribos que doblen alrededor de ellas. Si la distancia libre entre varillas es mayor de 15 cms., todas las varillas deberán tener estribos que las apoyen. Los estribos intermedios se pueden reemplazar por amarres cruzados (cross-ties) con ganchos de 90" en un extremo y de 135" en el otro. Estos amarres se colocarán alternando sus extremos verticalmente.

 

 

 

Si las varillas longitudinales son distribuidas circularmente son necesarios estribos circulares completos, para lo cual los extremos se empalmarán con empalmes > 48 d, ó > 30cms. Para estribos corrugados ó > 72 d, ó 2 30cms para barras lisas o corrugadas con recubrimiento epóxico o alternativamente para estas últimas empalme N de 48 d, con ganchos en los extremos, que anclan en el núcleo. Los estribos se distribuirán verticalmente sobre la zapata o la losa del nivel inferior, a partir de s12, hasta una distancia similar por debajo del refuerzo horizontal más bajo del elemento superior, viga o losa (ver figura 10.10). Si a la columna llegan vigas o consolas en cuatro direcciones, los estribos terminarán a no menos de 7.5 cm del refuerzo horizontal más bajo del elemento menos peraltado. Cuando se colocan pernos en la parte superior de las columnas o pedestales, se colocarán estribos adicionales que rodeen por lo menos 4 fierros de la columna o pedestal, en los 12.5cm superiores consistentes por lo menos en 2 estribos # 4 ó 3 estribos # 3. Para pedestales, ver 14.3. Pedestales.

(Harmsen 2002)