Con los programas de formación de INESA TECH aprenderás los aspectos fundamentales del diseño sismorresistente de estructuras de concreto reforzado y su aplicación práctica. Si te interesa profundizar en la utilización de análisis avanzados para evaluar el desempeño sísmico de estructuras, continúa leyendo la información que hemos preparado en este artículo.
Aspectos generales sobre la presencia de columnas cortas en edificaciones
Desde el punto de vista arquitectónico, es común ver que escuelas, almacenes y edificios industriales se configuran disponiendo ventanas en la parte superior de los muros no estructurales de cerramiento para conseguir iluminación y ventilación de los espacios al interior. Al ser esas alturas de ubicación de las ventanas relativamente reducidas comparadas con la altura libre de entrepiso, una porción importante de la longitud de las columnas que conforman los pórticos queda restringida a las deformaciones laterales impuestas por los movimientos sísmicos de diseño.
Debido a la presencia de aberturas que se generan en la luz entre columnas y de muros no estructurales no separados correctamente de la estructura principal, el segmento libre de las columnas posee una alta vulnerabilidad a fallas de cortante. Esta condición se conoce como columna cautiva, en vista de que hay restricción al libre desplazamiento del elemento y solo una porción -la superior- es responsable de acomodar las deformaciones laterales en el plano del pórtico que se producen por la acción sísmica.
En la literatura, los términos columna cautiva y columna corta se usan a menudo de forma equivalente, a pesar de que en sentido estricto representan condiciones con origen diferente. Sin embargo, para nuestros intereses y con el objetivo de simplificar la semántica en favor del entendimiento del comportamiento y de sus efectos, conservaremos el término columna corta.
Las columnas cortas aparecen en otras configuraciones arquitectónicas y estructurales, esto es, es común encontrar edificios cimentados sobre terrenos con pendiente en los cuales las columnas del primer nivel o de los sótanos tienen variaciones de altura para lograr el encaje de la estructura. De igual forma, por necesidades especiales, sucede que el proyecto incorpora descansos de escaleras soportados por vigas que dividen las columnas del piso particular en dos segmentos de longitud libre considerablemente menor. Por último, se presentan columnas cortas en los segmentos inferiores que se conectan a la cimentación y que reciben lateralmente -a una altura ligeramente mayor- las vigas de amarre.
Comportamiento estructural de pórticos de concreto con columnas cortas
Como se ha mencionado anteriormente, el efecto de columna corta se produce por la restricción al desplazamiento lateral que ofrecen los muros no estructurales adheridos a los elementos verticales. Estos muros, pese a su designación y al hecho de que tienen una resistencia mucho menor que la del pórtico, llegan a tener rigidez suficiente para condicionar de forma nociva el comportamiento de la estructura principal.
En la figura que se presenta a continuación se muestra una configuración típica de columna corta, resaltando el hecho de que para que se pueda obtener una respuesta sísmica adecuada no deberían presentarse fallas por cortante. En los códigos de diseño, esta premisa se garantiza al proveer resistencia para la fuerza Ve que se estima con base en las resistencias probables de la columna en cada uno de sus extremos y en la altura total de la columna (caso usual de análisis). Sin embargo, en la condición de columna corta, la altura h se reduce sustancialmente, dando paso a la generación de fuerzas cortantes que superan ampliamente la capacidad del elemento y que terminan ocasionando una falla frágil.
El comportamiento desfavorable de las columnas cortas se reafirma, tristemente, al revisar los reportes de daños de una gran cantidad de eventos sísmicos ocurridos en el pasado. La lección es recurrente y da cuenta de la gran vulnerabilidad que le impone a las edificaciones el hecho de contar con columnas restringidas parcialmente por muros no estructurales.
Modo de falla y daños asociados a la presencia de columnas cortas
La falla de las columnas cortas se produce por las fuerzas cortantes elevadas que resultan de la reducción significativa de la altura libre por efecto de la restricción que ofrecen los muros de mampostería no separados correctamente del pórtico. Dadas las características de las solicitaciones involucradas, el comportamiento es frágil y condiciona de forma adversa la ductilidad de la edificación.
En las imágenes que se muestran a continuación, tomadas de [1] se evidencian fallas comunes por el efecto mencionado. Las consecuencias derivadas de esas fallas dan cuenta de la necesidad de evitar a toda costa las configuraciones estructurales en las que se puedan presentar situaciones de columna corta. A pesar de que se tomen algunas medidas para mitigar la problemática, no hay garantía completa de que se inhibe el efecto nocivo que causan en la respuesta local y global de la estructura.
Como se menciona en [2], la evidencia experimental recogida con base en estudios de la Universidad de Texas en Austin en la década de 1980 demuestra que el comportamiento cíclico de columnas de concreto reforzado sometidas a fuerzas cortantes presenta degradación de resistencia importante una vez se alcanza la capacidad lateral máxima. Adicionalmente, a partir de esos mismos estudios sobre columnas cortas de concreto reforzado, se concluyó que es prácticamente imposible obtener una respuesta inelástica estable a flexión.
Recomendaciones para evitar el comportamiento sísmico desfavorable por columnas cortas
El trabajo multidisciplinario de los profesionales reunidos en un proyecto específico es esencial para obtener una estructura que cumpla los requisitos de funcionalidad formulados por la arquitectura, manteniendo a su vez un adecuado comportamiento ante las cargas laterales del sismo de diseño.
Como medidas de solución para evitar la presencia de columnas cortas se puede separar la mampostería no estructural del sistema principal de resistencia a cargas laterales mediante una junta debidamente diseñada y ejecutada, asegurando consistentemente la estabilidad del muro en su plano perpendicular. También, en algunos casos, la solución de generar segmentos de muros cortos adyacentes al tramo superior de columna puede contribuir a mejorar de alguna manera el comportamiento ante cargas laterales. En la siguiente figura se presentan gráficamente las estrategias de intervención mencionadas:
Revisión de comportamiento con análisis no lineal tipo pushover
Dado el impacto desfavorable que tiene la presencia de columnas cortas en las edificaciones, es importante poder evaluar de manera directa su comportamiento para establecer acciones correctivas. De esta manera, el análisis no lineal estático pushover se convierte en una herramienta de gran utilidad para evaluar el desempeño sísmico de estructuras existentes que no cuentan con una separación adecuada entre los elementos del pórtico (sistema de resistencia sísmica) y los muros no estructurales.
Este tipo de análisis, orientado a conocer el comportamiento inelástico de la estructura, facilita la toma de decisiones de adecuación sísmica. Su correcto desarrollo y aplicación permite la evaluación de la alternativa óptima de intervención para cada caso y los efectos derivados de su implementación en varios escenarios de fuerzas sísmicas.
A continuación, se muestra un ejemplo general de la implementación del análisis pushover a un pórtico plano de concreto de tres niveles cuya configuración incorpora muros no estructurales que no cubren la totalidad de la altura de entrepiso (modelados como puntales diagonales equivalentes). Para este caso, la curva de capacidad de la derecha muestra una caída significativa en la resistencia lateral que coincide con la pérdida de resistencia a cortante de las columnas del primer nivel.
En el ejemplo mostrado, el comportamiento sísmico de la estructura no es favorable, esto es, se tiene un comportamiento esencialmente elástico sin desarrollo de ductilidad. Por esta razón, el estudio de estructuras con condiciones como la que hemos tratado en este artículo queda mejor enfocado al considerar el análisis inelástico.
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Comentarios finales
Los efectos de la configuración estructural en el comportamiento sismorresistente de una edificación particular deben ser entendidos y aplicados correctamente por el equipo de profesionales encargados de la formulación del proyecto y de su diseño. En ese sentido, tanto arquitectos como ingenieros están llamados a evitar disposiciones nocivas de elementos estructurales y no estructurales que conduzcan a respuestas sísmicas inapropiadas. Las columnas cortas, tanto en su versión asociada a restricción ofrecida por muros no estructurales, como en su aparición en la distribución de niveles intermedios, son disposiciones que deben evitarse siempre que sea posible.
Ahora bien, para el caso de edificaciones existentes, cuya naturaleza de diseño arquitectónico e incluso estructural condujo a la presencia de columnas cortas, es esencial formular intervenciones de reforzamiento y adecuación sísmica que permitan eliminar la vulnerabilidad a fallas de carácter significativo.
En el caso de estructuras existentes, los efectos de la pérdida de resistencia de los elementos vulnerables quedan más racionalmente evaluados mediante el uso de análisis no lineales (pushover, por ejemplo). Con este enfoque se logra determinar el desempeño ante un objetivo e intensidad sísmica específicos, asegurando que los involucrados en el proyecto tengan claro lo que se espera de la estructura y el grado de comportamiento que se estima pueda alcanzar al verse sometida a movimientos del terreno.
Referencias
[1] Penelis, G., & Penelis, G. (2018). Concrete Buildings in Seismic Regions (2nd ed). CRC Press. https://doi.org/10.1201/b22364
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[4] Işık E, Ulutaş H, Harirchian E, Avcil F, Aksoylu C, Arslan MH. Performance-Based Assessment of RC Building with Short Columns Due to the Different Design Principles. Buildings. 2023; 13(3):750. https://doi.org/10.3390/buildings13030750
[5] Charleson, A. (2008). Seismic Design for Architects (1st ed.). Routledge. https://doi.org/10.4324/9780080888255
[6] Why are short columns more damaged during earthquakes? Murthy, C.V.R, IITK – BMTPC Earthquake Tip 22, India, pp. 43-44.
[7] Beauperthuy, J. L., Urich, A. J. (2011). El efecto de columna corta – Estudio de casos, IV CONPAT Nacional. Barquisimeto, Venezuela.
[8] Vuran, E., Serhatoğlu, C., Timurağaoğlu, M. et al. Damage observations of RC buildings from 2023 Kahramanmaraş earthquake sequence and discussion on the seismic code regulations. Bull Earthquake Eng (2024). https://doi.org/10.1007/s10518-023-01843-3
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