Leonardo López Carvajal Cód. 1110277Raúl Carrascal Quintero Cód. 1110294

Roger Tabón Galvis Cód. 1110298Laura Díaz Caselles Cód. 1110303

COLUMNAS

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 CONCRETODIMENSIONAMIENTO

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 Sección4 Rectangular o circular

3 Triangular

6 Espirales que cumplan los requisitos de la NSR-98

• REFUERZO TRANSVERSALConstituido por estribos y refuerzo en espiral.

ESTRIBOS

Estribos de barraBarras 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.

ESPIRALESConsiste 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 SISMICAVULNERABILIDAD 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 METALICASSección 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 METALICASTIPOS 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, NSR-98.

• Mampostería la red.• Textos en internet.