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COLUMNAS
Leonardo López Carvajal
Raúl Carrascal Quintero
Roger Tabón Galvis
Laura Díaz Caselles
Cód. 1110277
Cód. 1110294
Cód. 1110298
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.
Recomendación diámetro mínimo de barra de refuerzo: #5
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
que soportan uno o dos pisos
#2 (6mm)
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
espiral.
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
máximo 4m.
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.
• Estribos bien amarrados.
• 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
Vulnerabilidad alta
• 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 miembros de contraventeo en armaduras y
estructuras ligeras.
• 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
económicas.
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.
Cubreplacas perforadas
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
estructura.
• Los elementos de las instalaciones de agua y
desagüe se fijen a la construcción con soportes
que eviten la rotura de los mismo durante los
movimientos sísmicos.
• Las uniones de conexión a las redes públicas se
hagan por medio de empalmes que permitan
movimiento sin romperse.
• Las edificaciones de dos o más volúmenes se
comporten independientemente en caso de
sismo.
COSTOS GENERALES
• Cuando las dimensiones de la columnas es
decir, columnetas, se cobra por metro lineal
• Cuando las dimensiones superan a las de una
columneta, se cobra por metro cubico.
IMAGENES
BIBLIOGRAFIA
• Norma colombiana de diseños y
construcción sismo resistente, NSR98.
• Mampostería la red.
• Textos en internet.