Columnas y Tabiques de Hormigón Armado

 

TEMA 1 – COLUMNAS Y TABIQUES – TEORÍA

COLUMNA

Se denomina columna si cumple con la relación “b” ≤ 5d.

Cumple la función de transferir la Carga Total de un edificio al terreno. La armadura resistente está constituida por barras longitudinales y por estribos transversales. Cuando una barra esbelta solicitada a flexo-compresión se encuentra ubicada de forma oblicua se la denomina puntal (también sufren el efecto del pandeo).

SOLICITACIONES DE UNA COLUMNA

Las solicitaciones que puede recibir una columna son flexión y compresión. La compresión debe ser dominante en el caso que aparezca la flexión.

Las tensiones que produce una columna a compresión pura son negativas de compresión y si está centrada la carga es la misma tensión en toda la sección.

Si se somete a solo flexión (como en una viga), las tensiones que aparecen son de tracción y compresión.

Si hay flexión en las columnas (se puede producir en las de borde o esquina), en esa dirección se generaría tracción y compresión, pero su suma da compresión: entonces la columna está sometida a flexo-compresión con compresión dominante (o en un lado es nula la tensión o toda la tensión es de compresión).

Cuanto más rígido es algo, más solicitaciones toma y cuanto más flexible es, deforma y cede solicitación: concepto de hiper estaticidad.

El momento de inercia de la viga es mucho más grande que el momento de la columna.

En las columnas de borde, en el lado de la medianera solo hay compresión, en el otro sentido hay comprensión y el momento: por cuestión de rigidez es recomendable dimensionar el lado más largo en el lado de mayor inercia (lado opuesto a la medianera).

En las columnas de esquina hay momentos en ambas direcciones: conviene que sea cuadrada (si es que los momentos son semejantes).

Se colocan las armaduras en el plano perpendicular al momento para tomarlo.

Las columnas centrales de pórtico se desprecian los momentos porque los momentos de las vigas se toman entre sí gracias a su continuidad. En cambio, las columnas de borde, al no haber continuidad de vigas, el momento de la viga lo toma la columna, debiendo soportar mayores solicitaciones.

¿POR QUÉ SE COLOCAN ESTRIBOS EN LA COLUMNA?

·       Porque cada vez que se comprime algo, en la sección opuesta se produce tensiones de tracción (como el hormigón no toma la tracción hacen falta estribos para tomarla).

·         Si hay tensiones de comprensión en un sentido y tensiones de tracción en el sentido opuesto, a 45° hay tensiones de corte (rotura oblicua por deslizamiento del hormigón). Se colocan estribos para coser las roturas.

·         Hay armadura longitudinal que pueden pandear al aplicar la carga. Para evitar pandeo se colocan estribos (reduce flecha de pandeo), se deben colocar muchos para despreciar la flecha de pandeo. Surge la separación máxima y el diámetro de estribos.

Sep. Máxima de estribos ≤ lado mínimo de la columna

Sep. Máxima de estribos ≤ 12ø

(*la que sea menor de las dos).

El diámetro mínimo del estribo es ø6 si la barra longitudinal es ≤ 20ø

Si la barra longitudinal es > 20ø, el estribo mínimo es ø8

Siempre hay que poner una barra longitudinal en cada esquina. Los estribos van cerrados con ganchos. Si da más armadura se puede colocar en perímetro (respetando recubrimiento mínimo de 2,5cm si el medio no es agresivo) o se concentran en las esquinas

Las barras que están en el medio no siempre están seguras al pandeo y depende de la distancia entre la barra y la esquina. Si una barra tiene una separación de la esquina que sea mayor a 15øest, hay que asegurarla al pandeo porque el estribo no la asegura: se coloca un gancho.

Si hay una columna mayor de 40cm, no se puede colocar solo barras en las esquinas, sino que es necesario colocar barras en el medio y su separación debe ser menor igual a 30cm.

Doble estribaje es recomendable es secciones cuadradas mientras que en secciones rectangulares conviene utilizar ganchos.

En el doble estribaje se pueden colocar ambas armaduras en el mismo nivel, pero conviene desfasarlo para que el hormigón pase mejor.

Los separadores se colocan para evitar que la armaduras se pegue al encofrado y mantiene el recubrimiento.

Cuando hay una continuidad entre la columna de un tramo y otro, se dejan los pelos de la columna para que haya continuidad en la estructura. Si la columna de un tramo cambia de sección en el otro, se produce un embotellado de la armadura, donde ésta se empalma en la columna del nivel superior, dejando una distancia del pelo de 50ø de la barra longitudinal. El embotellado se puede hacer siempre y cuando la distancia entre la posición de la armadura longitudinal inicial y la final sea menor que 15 cm. Si es que supera no se dobla: se termina con una patita de 20cm respetando el recubrimiento mínimo (porque si termina en punta perfora). Como pelo se agrega una barra adicional recta.

Cuando hay una barra que continua con la otra teóricamente se debería dejar un espacio para que haya transferencia de carga con el hormigón, pero como constructivamente es imposible se pegan entre sí. Separación máxima entre barras longitudinales de 2,5cm y no puede ser menor que 1,5 el tamaño máxima del agregado grueso TMAG (sino agregado no pasa y hay segregación, huecos).

ENCOFRADO DE COLUMNA

Las cruces de San Andrés sirven para rigidizar y evitar que se mueva en conjunto en un sentido.

Abajo se deja una ventana para limpiar la mugre y no habría continuidad en la columna. Luego se tapa y se hormigona.

Se dejan algunos pelos para colocar tirantes y sostener las defensas o pantallas que evitan que se caigan escombros a la calle.

Se hormigona y se tarda 7 días para que tome una resistencia mínima y se pueda hormigonar el siguiente nivel. Dura 20-30 días mantener los puntales, las 2/3 partes de los puntales se pueden ir sacando a los 20 días de haber hormigonado.

CARGA DE CALCULO

Una columna central de pórtico tiene carga vertical de compresión: P (carga de piso superior y vigas) + G (peso propio). La carga P es constante y el peso propio NO. Diagrama de solicitación variable, pero se considera como que arriba tengo el peso propio y la carga para que sea diagrama constante. Es más simple y seguro.

PREDIMENSIONADO

 Ab en cm² = N * 2,1       = Toda la carga la toma solo el hormigón

                          Br

Si hay una columna predimensionada de esta forma y no hay momento ni pandeo (columna central de pórtico), toda la carga la tiene que tomar el hormigón y el acero:

AS min. = cuantía mínima * Ab (sección de columna): cuantas barras poner por cada cara.

Ab en cm² =          N * 2,1          =

                        Br + (u * Bst)

Cuantía geométrica es la relación entre la sección del hormigón y la sección del acero.

La cuantía mínima es de 0,8% (0,4% por cara) y el máximo es de 4,5%.

Si la columna tiene poca carga se agarra 1%, si tiene mucha carga 3%.

MOMENTO DE PRIMER ORDEN

El Momento de Primer Orden son los momentos que se sacan del RAM, de cabeza y de pie. Surgen simplemente por el hecho de haber cargado la columna. Cuando se tiene la carga hace que la sección en la columna gire (si no está empotrada). Aparece una deformación, una flecha (pandeo). Entonces la sección ya no está en el mismo lugar, sino que se deformó.

Si la pieza es muy robusta la F (flecha máxima) es depreciable, si la pieza es muy esbelta el F es muy grande y los momentos aumentan (aumenta solicitación).

Una columna central de pórtico (vigas a ambos lados), no hay momentos: se resuelve como columna de compresión pura. Si está en perímetro o no tiene continuidad de vigas, es una columna flexo-comprimida: las vigas le transmiten un momento a la columna.

La excentricidad es la distancia en la que el momento desplaza a la fuerza. El momento producido por las cargas en las vigas se le llama Momento de Primer Orden.

M1 = N * E

MOMENTO DE SEGUNDO ORDEN

Surge cuando la columna pueda tener pandeo, al aplicar las cargas (fuerza N y el Momento de Primer Orden). La columna se deforma por pandeo y genera flecha máxima.

Como la sección ya no está en el mismo lugar, tiene una segunda posición con un momento distinto: Momento de Segundo Orden. Por el hecho de haberse deformado como consecuencia de haber aplicado las cargas como segunda instancia se aumentan las solicitaciones (aumentan tensiones y lleva la pieza a la rotura).

Ocurre en el tercio medio de la longitud de pandeo (Sk/3): se produce el F máximo.

LONGITUD DE PANDEO (SK)

Se denomina “Sk” a la distancia entre los puntos de inflexión del Diagrama de Pandeo para barras comprimidas, considerándose el posible desplazamiento de los extremos. De acuerdo con el modo de sustentación en los extremos de la columna, varia el coeficiente:

·         Articulado-Articulado: Sk = 1 S (Longitud de pandeo máxima porque es máxima la posibilidad de flecha).

·         Articulado-Empotrado: Sk = 0,7 S (momento reduce flecha)

·         Empotrado-Empotrado: Sk = 0,5 S

·         Ambos Empotrados elásticamente: Sk = 0,7 S

·         Empotrado-Libre: Sk = 2 S

Consideramos el peor de los casos (ambos articulados: 1S) a menos que no tengamos vigas y entonces tomamos el caso Empotrado-Libre (2S). La columna en doble altura tendrá mayor sección no por la carga en sí sino por el riesgo a pandeo (tiene que ser lo suficientemente robusta para que no pandee ya que no tiene una viga en el nivel intermedio).

PARA DETERMINAR SI HAY PANDEO:

1.                 Coeficiente de Esbeltez λ. La esbeltez es la relación entre la Longitud de Pandeo “Sk” y el Radio de Giro “i” correspondiente a la sección transversal de la columna. λ = 3.47Sk / d (lado de columna opuesto a la armadura que se quiere dimensionar). Habrá dos esbelteces si la columna es rectangular. En el sentido más delgado habrá mayor esbeltez.

a)      Si es ≤ 20: pieza robusta (no hay pandeo).

b)     Entre 20-70: Esbeltez moderada.

c)      > 70: Redimensionar (aumentar sección de columna). Aparece fenómeno de fluencia lenta en el hormigón, depende de la humedad del ambiente (ante la escasez de las tablas es mejor redimensionar y no calcular con columnas de gran esbeltez).

Si la sección es cuadrada, la esbeltez es igual en ambas situaciones, pero si es rectangular (y más en un tabique), hay más riesgo de pandeo en el sentido del lado más corto (hay mucha inercia en el sentido más largo, longitudinal al tabique).

En columna de borde, en el sentido donde no hay viga hay momento, en el otro es central de pórtico y no tiene momentos.

M2 = mayor valor de momento

M1 = menor valor de momento

2.                 Esbeltez Límite. Define si el dimensionado de la sección de la columna se puede realizar sin considerar el Momento de Segundo Orden. El cálculo se efectúa en función de los Momentos Flectores “M1” y “M2” actuantes en los extremos superior e inferior de la barra flexo-comprimida.

λ lim: 45 – 25 * (M1 / M2). M1 y M2 entran con su signo.

a)      Si la esbeltez es ≤ que λ lim: no hay pandeo.

b)      Si la esbeltez es mayor que λ lim: hay posibilidad de pandeo.

La mejor situación es que los momentos sean cruzados (porque el límite da muy alto). Si los momentos son de igual signo y magnitud es la peor situación (limite bajo).

3.                 Magnitud de Momento de Primer Orden frente a la posibilidad de pandeo.

La flecha de pandeo se puede despreciar cuando la columna es muy robusta y no es tan esbelta.

Momento máximo en el tercio medio de la columna: M_o= 0,65M₂ + 0,35M₁ (los momentos entran con su signo).

Excentricidad “e_o” = M_o / N

Excentricidad Relativa “e_r” = e_o / d (lado de la columna opuesto al lado analizado).

Si er ≥ 3,5 No hay pandeo porque el Momento de Primer Orden da una excentricidad muy superior a la flecha de deformación.

Si no hay pandeo y no hay momento: se resuelve con cuantía mínima.

Si no hay pandeo, pero hay momento: con el mayor momento (M2) y N se dimensiona con los ábacos.

Si er es menor que 3,5 se calcula la flecha.

 

CALCULO DE LA FLECHA (DEPENDE DE LA EXCENTRICIDAD RELATIVA)

Calculando la flecha se saca el Momento de Segundo Orden: M^II = N * (e_o + f)

ABACOS DE INTERACCIÓN

Con ese Momento y N se va a los ábacos de interacción: d1 (recubrimiento) / d (lado opuesto de columna al analizado).

Si no hay pandeo y hay Momento se entra con el M2 y el N.

Si hay pandeo se utiliza el Momento de Segundo Orden.

Columna central de pórtico sin momento, pero esbelta, puede aparecer Momento de Segundo Orden. Eo es 0 pero hay una Flecha entonces hay Momento de Segundo Orden.

Se entra con:

el momento reducido: m= M / b*d² *Br

la normal reducida: N / b*d*Br

 

ARMADURA

Con el ábaco se obtiene el omega y se calcula la armadura:

As1 = w1 * b * d / Bs / Br

As2 = w2 * b * d / Bs / Br

Diámetro mínimo de columna de ø12 y diámetro máximo de ø25.

Columna mínima: 20*20cm, con 4 barras longitudinales ø12, estribos ø6 c/14cm

 

Agrupamiento de barras: en cada esquina de una sección pueden agruparse hasta 5 barras. La distancia máxima entre la barra más alejada y la barra de esquina no puede ser mayor que 15 veces el diámetro del estribo.

En columna de borde hay momentos en dos direcciones

En tabiques de hormigón, el lado mínimo (d) es de 12 cm y el largo tiene que ser ≥ 5d

TABIQUES DE HORMIGÓN ARMADO

Toda placa vertical de hormigón armado solicitada a esfuerzos de compresión o flexo-compresión se denomina tabique si cumple con la relación b > 5d.

Los tabiques cumplen con la funcion de transferir las cargas de un edificio hasta las fundaciones. Son elementos estructurales aptos para tomar solicitaciones horizontales como las del viento y de la accion sismica. Se diferencian de las columnas por sus proporciones geometricas y por su distinta disposicion de armadura.