ColumnasLas columnas de concreto pueden ser clasificadas de la siguiente manera:

1. Pedestales2. Columnas Cortas de concreto reforzado3. Columnas Largas o esbeltas

La principal característica de los pedestales es que su altura es menor que tres veces su dimensión lateral más pequeña. Estas pueden ser diseñadas con concreto simple y sin refuerzo.

Las columnas cortas de concreto reforzado se diseñan de acuerdo a la carga que van a soportar y esta última se encuentra en función de la sección transversal y la resistencia de los materiales con los que se pretende construirla.

Las columnas largas o esbeltas están caracterizadas por los momentos secundarios resultantes, los cuales al ser altos llegaran a reducir la capacidad de carga axial de la columna. Estos momentos son iguales a la carga de la columna multiplicada por si deflexión lateral. Si este es el caso, la sección transversal de la columna debe ser dimensionada para la sumatoria de estos momentos primarios y secundarios.

Una columna puede aumentar su capacidad de carga si se le agregan varillas longitudinales, y su a estas últimas se le agregan restricciones laterales como estribos cerrados, se aumentara la resistencia de la misma. Estos estribos cerrados impiden que las varillas pandeen hacia afuera bajo la acción de las cargas lo que produciría un descascaramiento del recubrimiento exterior de concreto.

Las columnas pueden ser cuadradas como también rectangulares, pero en algunos casos estas también pueden ser circulares. Las columnas circulares se forman de las varillas longitudinales envueltas en un alambrón, estas son mucho más efectivas que los estribos ya que aumentan la resistencia de la columna. Estas espirales, así como acrecientan la resistencia de las columnas también aumentan de forma apreciable el costo de las mismas por lo cual son mucho más utilizadas en columnas con grandes excesos de carga o en zonas sísmicas.

Capacidad de la carga axial de la columna

En la práctica no existen columnas cargadas axialmente de forma perfecta, pero un análisis de estos miembros nos puede servir de ayuda para explicar el diseño de las mismas. Así mismo, desde hace tiempo se sabe que no se puede calcular de forma exacta los esfuerzos en el concreto y en las varillas de refuerzo, pero con el pasar del tiempo se ha podido demostrar en cambio que la resistencia última de las columnas si se puede apreciar de manera correcta, por lo que para el diseño solamente se considera esta resistencia, la cual se la puede calcular con precisión mediante la

siguiente expresión en el caso de que se tratase de una columna corta cargada axialmente

Pn=0.85 f'c ( Ag−A st )+ f y A st

Falla en columna con estribos y espirales

Cuando una columna con estribo se la lleva hasta la falla el recubrimiento del concreto se desprenderá, las varillas longitudinales se pandearan en forma inmediata al ya no tener su soporte lateral. Cuando se trata de hacer fallar a una columna zunchada es muy diferente, el recubrimiento se desprenderá pero el nucleo de la columna podrá resistir una carga adicional aparte de la que da lugar al descascaramiento de la misma. Esto no quiere decir que la resistencia útil de la columna aumenta pero al menos conduce a una falla gradual.

Requisitos del código para columnas coladas en obra

1. El porcentaje de refuerzo longitudinal no debe ser menos que el 1% del área transversal de la columna. Si este es menor que 1 ocurrirá una falla no dúctil repentina. Además este valor reduce el flujo plástico y la contracción.

2. El porcentaje máximo de acero no debe ser mayor que el 8% del área transversal de la columna, esto con el objetivo de prevenir el hacinamiento o aglomeración de varillas que pueden llevar a la formación de cavidades alveolares en el concreto y reducir en forma sustancial la capacidad de carga de la columna.

3. El número de varillas longitudinales: 4 para estribos rectangulares o circulares, 3 para varillas dentro de estribos circulares y 6 para varillas rodeadas por espirales.

4. Un área de sección transversal mínima no se encuentra estipulada en los códigos, pero tomando en cuenta recubrimiento y separación necesaria entre varillas se necesitan diámetros y anchos mínimos en 8 a 10 pulg.

5. Los estribos cuando se los utilizas en las columnas no deben ser menores que #3 siempre y cuando las varillas longitudinales sean del #10 o menos. Estos deben ser ubicados a más de medio espaciamiento arriba de la parte superior de la zapata o losa ni más de medio espaciamiento debajo de la varilla de refuerzo inferior en una losa o panel de plataforma.

6. Las espirales no deben terner diámetros menores de 3/8 de pulg y que la separación libre entre las vueltas no menor a 1 pulg o mayor a 3 pulg

Precauciones de seguridad para columnas

Los valores de ∅ especificados para columnas con estribos y zunchadas son de 0.65 y 0.75 respectivamente. Por el hecho de que las columnas soporta una mayor parte de una estructura, es conveniente que los valores de este sean menores en ellas. Así mismo, la resistencia a la falla de una columna está relacionada casi directamente con la resistencia ultima del concreto, el cual el muy variable. Los factores de longitud afectan de manera drástica a la resistencia de la columna por lo que en este caso también es necesario un valor de ∅ menores.

Fórmulas para el diseño

La excentricidad e representa la distancia a la que la carga axial Pu tendría que estar situada en el centro de la columna para producir a Mu . Así:

Pu e=M u

e=M u

Pu

Años atrás los proyectistas se suponían valores de e para poder diseñar las columnas con ciertos momentos mínimos, aunque no se hayan calculado ninguno de ellos. Estos valores mínimos fueron de 0.05h para columnas zunchadas y 0.10h para columnas con estribos. En la actualidad los valores de excentricidad no se encuentran especificados, pero se lo puede calcular multiplicando las capacidades teóricas por carga axial por un factor llamado ∝ el cual es 0.85 para columnas zunchadas y 0.8 para estribos.

Comentarios sobre el diseño económico de columnas

Las varillas de refuerzos son caras por lo que debe usarse un pequeño porcentaje de acero entre 1.5 a 3%. Esto puede lograse utilizando concretos de alta resistencia o usando columnas de mayor tamaño.

También deben usarse el menor número posible de diferentes tamaños de columnas en un edificio. Esto es muy poco económico esto por lo que el proyectista deberá seleccionar un tamaño de columna para el piso superior de un edificio con un porcentaje de acero el menor posible e ir bajando verticalmente los pisos que le sean posibles aumentando claro, el porcentaje de acero según lo requiera cada uno.

Las losas de piso en los edificios de poca altura la mayor parte de veces son delgadas, las cuales traen problemas de deflexión, para evitar esto se debe usar claros más cortos y por consiguiente separaciones pequeñas entre columnas. A medida que los pisos son más altos las losas son más gruesas lo que ayuda a proveer la estabilidad lateral.

El espacio en los pisos es algo muy importante que los proyectistas tratan de cuidar, por tal razón la mayoría de ellos tratan de colocar tantas columnas como le sean posible en las periferias del edificio, con el fin de evitar que ocupen espacio interior.

Preguntas

1. ¿Cuál es el porcentaje que ACI recomienda en la reducción de la resistencia de una columna corta si el efecto secundario o P∆ está presente?5%

2. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de una columna zunchada?Las ventajas son que incrementan la resistencia de la columna debido al aumento en la elasticidad, se las puede utilizar en zonas sísmicas con la confianza de que no fallaran, aumentan también la ductilidad y la tenacidad de las columnas. La desventaja mayor sería en lo económico.

3. ¿Qué representa la excentricidad? Esta representa la distancia entre a la que la carga axial Pu tendría que estar situada desde el centro de la columna para producir un Mu

4. ¿Cuál es el porcentaje mínimo de refuerzo longitudinal y máximo de acero aconsejado por el código para columnas y por qué?Para el refuerzo longitudinal el porcentaje mínimo debe ser del 1%, ya que de esta manera se reduce el flujo plástico y la contracción. El porcentaje máximo de acero es del 8% con el objeto de prevenir aglomeración de varillas.

5. ¿Qué se debe tener en cuenta al momento de elegir el valor de ∅?Primeramente la carga que va a soportar la columna, factores de longitud que afectan a la resistencia de columnas, y por último la colación del concreto.

DISEÑO DE COLUMNAS CORTAS SOMETIDAS A CARGA AXIAL Y FLEXIÓN

Una columna es un elemento estructural vertical que brinda soporte a las vigas; dicho componente está sometido a cargas axiales y a momentos flexionante, y su proceso de falla se da en función de la magnitud aplicada hacia estos; mientras mayor sea la excentricidad en relación a la fuerza axial aplicada, mayor será la probabilidad de que el elemento falle como una viga.

Para ello se toma en cuenta el CENTROIDE PLÁSTICO, que es el punto en donde la fuerza resultante producida por los elementos de la columna debe pasar para producir una deformación unitaria en el instante en que el elemento falla.

Cuando el elemento es simétrico, este punto coincide con el centróide del elemento, caso contrario, se puede localizar este punto con momentos.

Para poder entender el fenómeno de deformación en una columna, se realizan diagramas de interacción

Cuando una columna está sometida a cargas axiales y momentos flexionantes, el diagrama de deformación unitaria resultante será la combinación de sus diagramas de deformación analizadas independiente, dando como resultado un diagrama lineal, de la cual se puede suponer valores numéricos para determinación de la deformación unitaria de un lado de la columna, para encontrar las demás deformaciones a través de interpolación, esto permite dar a entender, que una columna alcanza su deformación unitaria a compresión, cuando tiene valores cercanos a 0.003.

Diagrama Combinado de Deformaciones Unitarias

El proceso de determinación de estos diagramas resulta demasiado tedioso, ya que se deben de considerar las características de la columna (dimensiones, resistencias, porcentajes de acero), generando un excesivo gasto de tiempo al analizarlas en una estructura, por lo que se ha buscado variadas metodologías que puedan simplificar la estimación de dichas iteracciones, siendo los programas computacionales los más utilizados.

Una deformación balanceada se da cuando la falla por compresión y fluencia del acero a tensión ocurre simultáneamente.

Al realizar este tipo de curvas, usarlas y obtener los valores de diseño, debe pasar por 3 tipos de modificaciones:

Factores Reductores de Resistencia ᶲ deben de multiplicarse por los valores de carga.

Factores Reductores de Resistencia ᶲ debe ser utilizados en función de las magnitudes aplicadas a la columna, mientras más pequeños estos sean, más inviable es el uso de dichos factores.

Las cargas permisibles máximas se enfatizan sin importar que tan pequeños sean estos valores.

Al aplicar este tipo de modificaciones, se obtiene esta gráfica:

FUERZA CORTANTE Y MOMENTO BIAXIAL

La ecuación que establece la fuerza cortante soportada por el concreto al estar sujeto a fuerzas de compresión y cortantes:

Donde:

Nu= Fuerza Axial factorizada. Vc= Fuerza Cortante factorizada. Nu/Ag= Esfuerzo Axial factorizado promedio de la columna.

La ecuación que permite encontrar el momento Biaxial (flexión con respecto a ambos ejes):

Para columnas distintas a las circulares se debe considerar el efecto tridimensional, aunque para todos los casos se debe tratar en lo posible diseñar columnas circulares cuando estas soportan flexión biaxial.

Para el diseño de los mismos, se utilizan diagramas normales de diseño uniaxial.

Preguntas

1. Una columna bajo que magnitudes está sometida?Está sometida a cargas axiales y momentos flexionantes.

2. Bajo que parámetros la columna alcanza su capacidad última?Cuando alcanza una deformación unitaria a compresión de 0.003.

3. Cuando se da una condición balanceada de deformación?Se da cuando para una sección cuya deformación unitaria a compresión es de 0.003 a la vez que el acero de tensión alcanza su deformación unitaria de

fluencia f sEs

4. Como se determina la condición balanceada de deformación?A través del diagrama de interacciones, en el punto donde teóricamente ocurre la falla a compresión y la fluencia del acero de manera simultánea.

5. Cuando se utilizan valores de ᶲ pequeños?Cuando la sección en análisis está controlada por compresión al poseer ductilidades más pequeñas.