Leonardo López Carvajal Cód. 1110277 Raúl Carrascal Quintero Cód. 1110294 Roger Tabón Galvis Cód. 1110298 Laura Díaz Caselles Cód. 1110303
CONTENIDO
• ¿Qué es columna?
• Comportamiento estructural • Columnas de concreto
Columnas aporticadas Mampostería confinada • Columnas metálicas
• Columnas de madera • Costos generales
¿QUÉ ES COLUMNA?
Son elementos estructurales sometidos principalmente a carga axial de compresión o a compresión y flexión, incluyendo o no torsión o esfuerzos contantes y con una relación de longitud a la menor dimensión de la sección de tres o mas.
TIPOS:
Distinguimos los siguientes tipos de columnas.
1. Columnas reforzadas longitudinalmente con barras redondas y transversalmente con estribos o espirales.
2. Columnas compuestas rodeados o no por concreto, reforzadas longitudinalmente con perfiles de acero estructural o concreto llenando dichos perfiles en ocasiones con barras redondas longitudinales y algún tipo de refuerzo transversal.
COMPORTAMIENTO
ESTRUCTURAL
Dentro de los requisitos fundamentales de una estructura o elemento estructural están: equilibrio, resistencia, funcionalidad y estabilidad.
La inestabilidad en la columnas se refiere al pandeo lateral, el cual es una deflexión que ocurre en la columna cuando aparece incrementa el momento flector aplicado sobre el elemento, creciendo así la curvatura de la columna hasta la falla.
La deformación de la columna varia según ciertas magnitudes de cargas, para valores de P bajos se acorta la columna, al aumentar la magnitud cesa el acortamiento y aparece la deflexión lateral.
• Según el uso actual de la columna como elemento de un
pórtico, no necesariamente es un elemento recto vertical, sino es el elemento donde la compresión es el principal factor que determina el comportamiento del elemento.
• Es por ello que el pre dimensionado de columnas consiste
en determinar las dimensiones que sean capaces de resistir la compresión que se aplica sobre el elemento así como una flexión que aparece en el diseño debido a diversos factores. Es importante tener claro que una columna siempre debe ser continua para que sea estable y resistente.
• Cabe destacar que la resistencia de la columna disminuye
debido a efectos de geometría, lo cuales influyen en el tipo de falla.
• El efecto geométrico de la columna se denomina esbeltez y es un
factor importante, ya que la forma de fallar depende de la esbeltez, para la columna poco esbelta la falla es por aplastamiento y este tipo se denomina columna corta.
• Los elemento más esbeltos se denominan columna larga y la falla es
por pandeo.
• La columna intermedia es donde la falla es por una combinación de
aplastamiento y pandeo. Además, los momentos flectores que forman parte del diseño de columna disminuyen la resistencia del elemento tipo columna.
• Los factores que influyen en la magnitud de la carga crítica son la
longitud de la columna, las condiciones de los extremos y la sección transversal de la columna.
• Efecto de columna corta, falla por cortante (Popayán, 1983)
• Terremoto de 1971 en San Fernando, California.
• Estas columnas soportaban un puente, el daño que se presento se debió a torsión (rotación horizontal ) en las columnas. La torsión se traduce en fuerzas cortantes que actúan sobre el refuerzo lateral en espiral. Era varilla #4 (13 mm de diámetro), las vueltas del espiral estaban 30.5 cm de separadas, es una distancia muy grande por lo que la fuerza cortante supero la resistencia del espiral y no fue capaz de confinar el concreto de la columna. Espirales con un espaciamiento menor proporcionan una capacidad mayor a fuerza cortante.
• Problema de transición de
columna, la columna inferior es de sección circular y la superior de sección rectangular. Las varillas longitudinales de la columna superior están por fuera de la columna inferior, esto origina una articulación en el nudo. Los momentos de la columna superior no se pueden transmitir a la columna inferior. El comportamiento de esta estructura es como si estuviera apoyada en la columnas circulares en lugar de hacerlo hasta el suelo. Es una estructura inestable ante cargas laterales (sismos). También se puede apreciar una falla por cortante en la columna superior.
COLUMNAS DE CONCRETO
DIMENSIONAMIENTO
ESTRUCTURAS DE CAPACIDAD DE DISIPACION DE
ENERGIA MINIMA (DMI)
Para columnas que pertenezcan a la estructura principal
el diámetro mínimo de la sección para columna circular
será de 0.25m y para columnas rectangulares, la
dimensión mínima de la sección será de 0.20m con un
área de 0.06m2.
Recomendación diámetro mínimo de barra de refuerzo:
#4
ESTRUCTUAS DE CAPACIDAD DE DISIPACION DE
ENERGIA MODERADA (DMO)
La dimensión menor de la sección para columnas que
sostengan mas de dos pisos, medida en una línea recta
que pase a través del centroide la sección, no será menor
que 0.25m. Las columnas en forma de T, C o
I,
pueden
tener una dimensión mínima de 0.20m, pero su área no
puede ser menor de 0.0625m2. a manera de sugerencia la
relación entre la dimensión del elemento y la dimensión
perpendicular a ella no debe ser menor que 0.3.
Recomendación diámetro mínimo de barra de refuerzo:
#4
ESTRUCTUAS DE CAPACIDAD DE DISIPACION DE
ENERGIA ESPECIAL (DES)
Las columnas deben tener una dimensión mínima en su
sección, medida sobre una línea recta que pase a través del
centroide la sección de 0.30m. La relación entre la
dimensión menor de la sección y la dimensión perpendicular
a ella no debe ser menor de 0.4. las columnas en forma de T,
C o
I,
pueden tener una dimensión mínima de 0.25m, pero
su área no puede ser menor de 0.09m2.
En todas las estructuras la fuerza axial mayor en el elemento
debe ser mayor que 0.10f’cAg.
REFUERZO
•
REFUERZO LONGITUDINAL:
El área de refuerzo longitudinal de la columna, sin tener
en cuenta la capacidad de disipación de energía de la
estructura, a la cual pertenece, no debe ser menor de
0.01 ni mayor de 0.06 veces el área total Ag de la
sección. Para casos normales, se sugiere no pasar de
0.04.
Numero mínimo de barras Sección
4 Rectangular o circular 3 Triangular
6 Espirales que cumplan los requisitos de la NSR-98
•
REFUERZO TRANSVERSAL
Constituido por estribos y refuerzo en espiral.
ESTRIBOS
Estribos de barra
Barras longitudinales < #10
(32mm) #3 (10mm)
Barras en paquete o Barras
longitudinales >= #11 (35mm) #4 (12mm)
Estructuras DMI o columnas
El espaciamiento vertical entre estribos
será el menor entre 16 diámetros de la
barra longitudinal, 48 diámetros de la
barra del estribo o la menor dimensión
de la columnas.
ESPIRALES
Consiste en barras continuas igualmente
espaciadas alineadas y firmemente fijadas
en su lugar por medio de espaciadores
verticales.
Barras
longitudinales con flejes transversales
Barras
longitudinales con aros en
COLUMNAS APORTICADAS
•
Aquellas que junto con las vigas forman un pórtico de
nudos empotrados y se encargan de transmitir las cargas
sin afectar los muros.
Columnas
continuas en el centro comercia Ventura Plaza, Cúcuta
MAMPOSTERIA CONFINADA
• El método de construcción de mampostería de muros
confinados se basa en la colocación de unidades de mampostería conformando un muro que luego se confina con vigas y columnas de concreto reforzado vaciado en el sitio.
• Los muros estructurales de las viviendas de uno o dos pisos
tienen que estar bien pegados, deben ser continuos en altura y confinados a través de vigas y columnas o columnetas a su alrededor.
• Los muros confinados son cuando el refuerzo se concentra en
del perímetro en vigas y columnas de confinamiento en concreto reforzado.
•
Se debe reforzar los vanos de un muro, con
columnetas alrededor de los mismos.
•
No se deben dejar espacio en la parte superior
del muro,
cerca
de la
columna
de
confinamiento. Un sismo puede hacer fallar
fácilmente la columna si el muro no esta
completo en toda la altura. Esta situación se le
conoce como “efecto de columna corta” dado
que la fuerza sísmica se concentra en el tramo
de la columna que no tiene muro.
•
El confinamiento de los muros mediante
columnas de amarre es fundamental para que los
muros soportes las fuerzas inducidas por el sismo.
•
Las columnetas o columnas se construyen
después de haber levantado en su totalidad el
muro que van a confinar.
•
Deben construirse en lo posible amarres y
elementos de confinamiento alrededor de todos
los muros y vanos de la estructura.
•
Se
deben
construir
columnetas
de
confinamiento
en
los
extremos de los muros, en
la intersección de muros
estructuras y en puntos
intermedio a distancias no
mayores a 35 veces el
espesor del muro, o a 1.5
veces la distancia entre los
amarres
verticales,
o
COLUMNAS DE
CONFINAMIENTO
• La sección mínima de las columnas de confinamiento debe ser de 200cm2. su ancho mínimo debe ser igual al ancho del muro.
• El acero no debe doblarse excesivamente en los cambios de espesor de las columnas o al entrar en la cimentación.
• No se deben doblar las varillas que se encuentran embebidas en el concreto recién endurecido. Todas las varillas deben doblar
• El acero debe tener una
resistencia mínima de 2400kg/cm2
• Se debe lograr continuidad
de elementos de confinamiento.
• Dobles de los estribos
mínimo de 8cm en ambos extremos. Debe utilizarse alambre No. 18 para el amarre.
•
El concreto de las
columnas
debe
mantenerse húmedo
y protegido del sol y
el viento al menos
durante los primeros
7 días después de
vaciado.
El curado del concreto es fundamental
para garantizar una buena calidad y
resistencia del material a largo plazo.
VULNERABILIDAD SISMICA
VULNERABILIDAD BAJA:
• Las columnas que tienen mas de 20 cm de espesor o mas de 400
cm2 de área transversal.
• Las columnas que tienen al menos 4 barras No. 3 longitudinales y
estribos espaciados a no mas de 10 a 15 cm.
• Existe un bueno contacto entre el muro de mampostería y los
elementos confinamiento.
• El refuerzo longitudinal de las columnas debe estar
adecuadamente anclado en sus extremos y a los elementos de cimentación.
Vulnerabilidad baja
Vulnerabilidad media
• Colapso de muros de mampostería estructural (Popayán, 1983).
COLUMNAS METALICAS
Sección de la columna
•
La resistencia correspondiente a cualquier
modo de pandeo no puede desarrollarse si los
elementos de la sección transversal son tan
delgados que se presenta un pandeo local. Por
lo tanto existe una clasificación de las secciones
transversales según los valores límite de las
razones ancho-espesor y se clasifican como
compactas, no compactas o esbeltas.
COLUMNAS METALICAS
TIPOS DE SECCIONES PARA COLUMNAS
Teóricamente se puede seleccionar un sin numero de
perfiles para resistir con seguridad una carga de
compresión en una columna dada.
Desde un punto de vista practico, no obstante, el
numero de soluciones posibles queda limitado
estrictamente por consideraciones tales como:
secciones disponibles, problemas de conexión y tipos
de estructura en los que se utilizara la sección.
Las siguientes secciones han probado ser
satisfactorias para ciertas condiciones.
PERFILES
• Perfil W: El mas utilizado en edificios altos, costos de fabricación
bajos, fáciles de conectar a otros miembros.
• Perfil T: Adecuados como miembros de cuerdas en compresión de
armaduras de techo soldadas, ya que los miembros del alma se pueden soldar directo al alma de la te.
• Angulo sencillo: Son ventajosos para puntales y montantes en
armaduras ligeras. Las ángulos sencillos de lados iguales son mas económicos q los de lados desiguales.
• Canal: Se utilizan como miembros a compresión en torres, así como
•
Las secciones
hss cuadradas
,
hss
rectangulares
y
tubulares
circulares
tienen una distribución de material
mas favorable en su sección
trasversal que los perfiles
[
y con
frecuencia
resultan
ser
mas
SECCIONES COMPUESTAS
•
Una sección compuesta consiste en la unión
de varios elementos atornillados o soldados
entre si. Los elementos de una sección armada
se pueden soldar de manera continua y
mantener unidos e interconectados, de forma
muy estrecha, mediante placas de costura a
intervalos, o separadas con amplitud y
conectado mediante un sistema continuo de
celosías.
• Angulo doble: es una sección compuesta por dos ángulos
conectados espalda con espalda, utilizados como cuerdas o miembros del alma de las armaduras de techo.
• Par de canales: se utilizan como alma para grandes
armaduras en techos y puentes.
• Cuatro ángulos en cajón: este tipo de sección compuesta se
encuentra en plumas de grúas o en pequeños mástiles y en grúas torre.
• Sección cajón: se usa en algunas veces como columna de
edificio o como miembro de alma en una gran armadura de alma abierta o calada.
•
Otro tipo de sección
compuesta es la que es
construida
con
soldadura, este tipo de
sección resulta ser mas
satisfactoria que las
unidas por celosías y
además
son
mas
económicas.
COLUMNAS DE CELOSIA
•
Son un tipo de columnas que usan miembros
compuestos o armados de alma llena que
usan placas de costura o celosías atornilladas
o soldadas, que unen los elementos de una
sección transversal y los mantienen en
posición apropiada para que actúen en
conjunto como una sola unidad.
CONEXIONES
• Miembros fabricados: en los extremos de miembros
fabricados sometidos a compresión, con apoyos sobre platinas de base o superficies cepilladas, todos los componentes que se hallen en mutuo contacto deben conectarse mediante pernos o remaches, distanciados longitudinalmente menos de 4 diámetros, en una distancia igual a 1 ½ veces del ancho máximo del miembro, o mediante soldaduras continuas de longitud no inferior a dicho ancho.
La separación máxima longitudinal de pernos, remaches o soldaduras intermitentes que conecten entre si dos perfiles de acería no debe exceder de 610 mm .
•
Colocación de soldaduras y pernos:
los grupos
de soldaduras o pernos en los extremos de
cualquier miembro que transmitan fuerzas
axiales a tal miembro se colocaran en tal forma
que el centro de gravedad del grupo coincida
con el centro de gravedad del miembro, a
menos que se tenga en cuenta los esfuerzos
producidos por la excentricidad.
LIMITACIONES EN CONEXIONES SOLDADAS Y
EMPERNADAS
Debe utilizarse soldaduras o pernos de alta
resistencia totalmente tensos, en las siguientes
conexiones:
•
Empalmes de columnas en todas las estructuras de
varios pisos de 60metros o mas de altura.
•
Empalmes de columnas en estructuras de varios
pisos de 30 a 60 metros de altura, si la dimensión
mínima horizontal es inferir al 40% de la altura.
•
Empalmes de columnas en estructuras de varios
pisos de menos de 3º metros de altura, si la
dimensión mínima horizontal es inferior al 25%
de altura.
•
En todas las estructuras que soportan grúas de
más de 5 toneladas de capacidad en los
siguientes sitios: empalmes de cerchas de
cubierta y conexiones de cerchas a columnas,
empalmes de columnas, arriostramientos de
columnas, pies de amigos y apoyos de la grúa.
COLUMNAS DE MADERA
•
Las columnas de madera pueden ser
de varios tipos: maciza, ensamblada,
compuesta y laminadas unidas con
pegamento. De este tipo de
columnas la maciza es la más
empleada, las demás son formadas
por varios elementos.
REQUISITOS DE CALIDAD PARA MADERA ESTRUCTURAL
Estas maderas tendrán un uso básicamente resistente ya que constituyen el armazón estructural de las construcciones. Es decir, forman la parte resistente de muros, paredes, pisos, cubiertas, etc., las condiciones de calidad que debe cumplir este material son las siguientes:
• Debe ser madera de especies forestales consideradas como adecuadas para construir, es decir, que maderas aun no agrupadas estructuralmente deberán estudiarse de acuerdo con la metodología del capitulo1 del manual de diseño del pacto andino.
• Deben ser, en lo posible, piezas de madera dimensionadas de acuerdo con las escuadrías o secciones preferenciales indicadas en la tabla.
• El contenido de humedad deba corresponder a la
humedad de equilibrio del lugar. Cuando las maderas de los grupos A y B, ofrecen dificultades al clavado y labrado se pueden trabajar en estado verde, pero adoptando precauciones para garantizar que las piezas al secarse mantengan su forma, los elementos de unión no sufran corrosión y la madera se pueda contraer libremente sin ser afectada por los detalles constructivos
• La madera de uso estructural deberá tener buena
durabilidad natural o estar adecuadamente preservada. Además se deben aplicar todos los recursos para protegerla mediante el diseño constructivo del ataque de hongos, insectos y focos de humedad.
• TABLA G.1-1 secciones preferenciales PADT-REFORT
CLASIFICACIÓN MECANICA:
• Grupo A: maderas con densidad básica superior a 710 kg/m³ • Grupo B: maderas con densidad básica entre 560 y 700 kg/m³ • Grupo C: maderas con densidad básica entre 400 y 550 kg/m³
TABLA G-B-1 maderas colombianas según grupo estructural
LIMPIEZA DEL TERRENO:
• El terreno debe limpiarse de todo material vegetal y debe realizarse los drenajes necesarios para asegurar una mínima incidencia de la humedad.
CIMENTACION:
• Las obras de cimentación deben realizarse de acuerdo con las pautas estructurales y según las características de resistencia de suelo
PROTECCION CONTRA LA HUMEDAD:
• Por ser higroscópica y porosa, la madera absorbe agua en forma líquida o de vapor. Si la humedad se acumula en la madera afecta sus propiedades mecánicas, se convierte en conductora de electricidad y sobre todo, queda propensa a la putrefacción y al ataque de hongos. La madera puede humedecerse por acción capilar, por lluvia o por condensación.
• Toda la madera, estructural o no, expuesta a la acción directa de la lluvia debe protegerse con sustancias hidrófugas o con superficies impermeables.
• Todo elemento estructural expuesto a la intemperie debe apoyarse sobre zócalos o pedestales de cemento o metálicos de tal forma que no permanezcan en contacto con el agua apozada y debe ser protegido lo mismo que los elementos de madera de recubrimiento de muros exteriores, por medio de aleros y deflectores.
• Para prevenir la condensación es necesario evitar los espacios sin
ventilación, especialmente en climas húmedos. En aquellos ambientes que por su uso estén expuesto al vapor, como baños y cocinas, además de suficiente ventilación, deben protegerse las superficies expuestas con recubrimientos impermeables.
PROTECCION CONTRA LOS HONGOS:
• Los hongos que atacan la madera son organismos parásitos de
origen vegetal que se alimentan de las células que la componen desintegrándola. Se producen sobre la madera húmeda bajo ciertas condiciones de temperatura por esporas traídas a través del aire o por el contacto directo con otros hongos. La protección de la madera debe comenzar, por lo tanto desde que se corta.
• Debe especificarse madera que haya sido almacenada en
condiciones de mínima humedad y que haya sido tratada con fumigantes durante el apilado.
•
Debe desecharse la utilización de madera con
muestras de putrefacción y hongos.
•
La degradación de la madera causada por los hongos
podrá evitarse si se utiliza con contenidos de humedad
(CH%) menores a 18%. Se deberán tratar con
sustancias preservantes, especialmente aquellas
maderas con una baja durabilidad natural y la madera
de albura de todas las especies.
•
Debe evitarse el uso de clavos y otros elementos
metálicos que atraviesen la madera en las caras
expuestas a la lluvia, salvo que se sellen las aberturas.
Se recomienda el uso de clavos galvanizados.
PROTECCION CONTRA SISMOS:
•
Para lograr que las construcciones de madera tengan una
adecuada protección contra sismos es preciso que:
•
El diseño arquitectónico cumpla los siguientes requisitos
cumpla los siguientes requisitos de carácter estructural:
– Que todos los elementos de la construcción estén debidamente
unidos entre si y la estructura anclada a la cimentación.
– Que la distribución de los muros en planta sea tal que la longitud
de estos en cada dirección permita resistir los esfuerzos producidos por el sismo.
– Que la cubierta no sea muy pesada con relación al resto de la