Capacidad Por Carga Axial de Las Columnas

CAPACIDAD POR CARGA AXIAL DE LAS COLUMNAS En la práctica no existen las columnas cargadas en forma axial perfecta, pero un análisis de tales miembros proporciona un punto de partida excelente para explicar la teoría del diseño de columnas reales con cargas excéntricas. Varias ideas básicas pueden explicarse para las columnas con carga axial pura y las resistencias obtenidas señalan límites teóricos superiores que pueden verificarse claramente con pruebas reales. Desde hace ya varias décadas se sabe que los esfuerzos en el concreto y en las varillas de refuerzo de una columna que soporta una carga a largo plazo no pueden calcularse con exactitud. Podría pensarse que tales esfuerzos se pueden determinar multiplicando las deformaciones unitarias por los módulos de elasticidad apropiados. Pero esta idea no es factible en la práctica porque el módulo de elasticidad del concreto varía con la carga, debido al flujo plástico y a la contracción. Así es que puede verse que las partes de la carga tomada por el concreto y por el acero varían con la magnitud y la duración de las cargas. Por ejemplo, cuanto mayor sea el porcentaje de cargas muertas y mayor sea el tiempo que están aplicadas, tanto mayor es el flujo plástico en el concreto y mayor es el porcentaje de carga tomada por el refuerzo. Aunque los esfuerzos en columnas no pueden predecirse en el intervalo elástico con ningún grado de exactitud, varias décadas de pruebas han mostrado que la resistencia última de las columnas sí se puede estimar muy bien. Además, se ha demostrado que las proporciones de las cargas vivas y muertas, la duración de la carga y otros aspectos, tienen poca influencia en la resistencia última. Ni siquiera importa si es el concreto o acero el que primero alcanza tal resistencia. Si uno de los dos materiales se acerca a su resistencia última, sus grandes deformaciones causarán que los esfuerzos en el otro aumenten más rápido. Por estas razones, sólo consideraremos aquí la resistencia última de las columnas. En la falla, la última resistencia teórica o resistencia nominal de una columna corta cargada axialmente puede determinarse con bastante precisión mediante la expresión siguiente, en la que Ag es el área total del concreto y Ast es el área total de la sección transversal del refuerzo longitudinal, incluyendo varillas y perfiles de acero:

Pn = 0.85f’c (Ag - Ast) + fyAst FALLAS DE COLUMNAS CON ESTRIBOS Y ESPIRALES Si una columna corta con estribos se carga hasta que falle, parte del recubrimiento de concreto se desprenderá y, a menos que los estribos estén poco separados entre sí, las varillas longitudinales se pandearán casi inmediatamente al desaparecer su soporte lateral (el recubrimiento de concreto). Tales fallas a menudo pueden ser muy repentinas y han ocurrido con frecuencia en estructuras sometidas a cargas sísmicas. Cuando las columnas zunchadas se cargan hasta fallar, la situación es muy diferente. El recubrimiento de concreto se desconchará pero el núcleo permanecerá firme y si el zunchado es de paso pequeño, el núcleo será capaz de resistir una cantidad apreciable de carga adicional más allá de la carga que da lugar al desconchamiento. El zunchado con paso reducido conjuntamente con las varillas longitudinales forman una jaula que confina en forma muy efectiva al concreto. Como consecuencia, el desconchado del recubrimiento de una columna zunchada

provee una advertencia de que ocurrirá una falla si la carga se incrementa más. La práctica estadounidense no toma en cuenta ningún exceso de capacidad que pueda darse después del desconchamiento ya que considera que una vez que éste ocurre, la columna perderá su utilidad, por lo menos desde el punto de vista de los ocupantes del edificio. Por esta razón, el zunchado se diseña con un poco más de resistencia que el recubrimiento que se supone que va a resquebrajarse. El desconchamiento da aviso de una falla inminente y luego la columna tomará un poco más de carga antes de fallar. Diseñar el zunchado con un poco más de resistencia que el recubrimiento no aumenta mucho la resistencia útil de la columna, pero conduce a una falla gradual o dúctil. La resistencia del recubrimiento está dada por la siguiente expresión, en donde Ac es el área del núcleo cuyo diámetro se considera igual a la distancia entre los bordes exteriores de la espiral:

Resistencia del recubrimiento = 0.85f’c (Ag - Ast) Considerando que la tensión de aro estimada que se produce en las espirales es debido a la presión lateral del núcleo y por pruebas, puede demostrarse que el acero del zunchado es por lo menos el doble de efectivo para aumentar la capacidad última de la columna como el acero longitudinal. Por consiguiente, la resistencia de la espiral puede calcularse aproximadamente por la siguiente expresión, en donde ρs es el porcentaje de acero espiral:

Igualando estas expresiones y despejando el porcentaje requerido de acero de espiral, obtenemos

Para que la espiral sea un poco más resistente que el concreto desconchado, el código (10.9.3) especifica el porcentaje mínimo de espiral con la expresión que sigue en donde fy es la resistencia de fluencia especificada del refuerzo espiral hasta 100 000 lb/plg2.

Una vez que se ha determinado el porcentaje requerido de acero de espiral, ésta puede seleccionarse con la expresión que sigue, en donde ρs está dada en términos del volumen de acero en una vuelta:

En esta expresión, Dc es el diámetro del núcleo de extremo a extremo de la espiral, as es el área de la sección transversal de la varilla espiral y db es el diámetro de dicha varilla. Aquí se hace referencia a la figura 9.3. El proyectista puede suponer un diámetro para la varilla espiral y despejar el paso requerido. Si los resultados no parecen razonables, puede tratar con otro diámetro. El paso usado debe estar dentro de los límites indicados en la siguiente sección de este capítulo. De hecho, la tabla A.14 (véase el apéndice), que se basa en esta expresión, permite al proyectista seleccionar directamente las espirales.

PRECAUCIONES DE SEGURIDAD PARA COLUMNAS Los valores de f especificados en la sección 9.3.2 del código para usarse en columnas son bastante menores que los estipulados para la flexión y el cortante (0.90 y 0.75, respectivamente). Se especifica un valor de 0.65 para columnas con estribos y 0.75 para las columnas zunchadas. Para las columnas zunchadas se especifica un valor ligeramente mayor de f por su mayor tenacidad. La falla de una columna es generalmente un asunto más delicado que la falla de una viga, porque una columna generalmente soporta una mayor parte de una estructura que una viga. En otras palabras, si una columna en un edificio falla, una mayor parte del

edificio se derrumbará que si una viga falla. Esto es particularmente verdadero para una columna del piso inferior en un edificio de varios pisos. Como consecuencia, son convenientes valores menores de f para las columnas. Hay otras razones para usar valores menores de f en columnas. Por ejemplo, es más difícil colar el concreto en una columna que en una viga. El lector puede imaginar fácilmente la dificultad de hacer pasar el concreto entre las estrechas paredes de la cimbra y a lo largo del refuerzo longitudinal y lateral de una columna. Como consecuencia, es probable que la calidad resultante del concreto en las columnas no sea tan buena como la del concreto en vigas y losas. La resistencia a la falla de una viga depende normalmente del esfuerzo de fluencia del acero de tensión, que es una propiedad que se controla con mucha precisión en los talleres de laminado. Por otra parte, la resistencia a la falla de una columna está estrechamente relacionada con la resistencia última del concreto, un valor que es muy variable. Los factores de longitud también afectan drásticamente la resistencia de las columnas, por lo que se hace necesario el uso de factores f pequeños. Es imposible que una columna quede cargada perfectamente en forma axial. Aun si las cargas pudiesen en un momento dado centrarse perfectamente, no se quedarían en su lugar. Además, las columnas pueden estar inicialmente desalineadas o tener otros defectos, con el resultado de que se generen flexiones laterales. El viento y otras cargas laterales ocasionan que las columnas se flexionen y las columnas en los edificios con marcos rígidos están sometidas a momentos, aun cuando el marco soporte sólo cargas de gravedad.