Con INESA TECH aprenderás cómo aplicar los aspectos fundamentales del diseño de columnas de concreto reforzado para atender demandas sísmicas. Si te interesa saber cómo implementar criterios que conduzcan a diseños eficientes, continúa leyendo la información que te presentamos en este artículo.
Importancia de las columnas en la configuración estructural
Las columnas de concreto reforzado son elementos estructurales de vital importancia dentro de la configuración de una edificación particular. Ya sea como componentes de sistemas de pórticos resistentes a momento o de sistemas duales y combinados, su participación en la resistencia ante cargas laterales es decisiva. Su comportamiento deberá ser correctamente entendido si se busca asegurar que el diseño de la estructura de la que forman parte sea correcto y confiable.
Dimensionamiento preliminar de columnas
Para iniciar el dimensionamiento de las columnas de concreto es necesario tener en cuenta los requisitos mínimos establecidos en cada código de diseño; de esta manera, se empieza con un criterio que se irá refinando en función de la experiencia adquirida por el ingeniero estructural en diseños sucesivos. Por ejemplo, para el caso de pórticos especiales -sistema del que se espera una ductilidad significativa- el código ACI 318-19 prescribe que la menor dimensión de la sección sea de 300 mm y que la relación entre la menor dimensión y la dimensión perpendicular sea de por lo menos 0.4.
Existen muchas recomendaciones de dimensionamiento de columnas de concreto reforzado; no obstante, la selección de su geometría depende de factores que se relacionan con los elementos que se conectan a ellas: vigas y losas, así como de las solicitaciones actuantes en los nudos viga-columna. Para empezar, es fundamental que las dimensiones de estos nudos sean satisfactorias para resistir la fuerza cortante que se desarrolla como resultado del mecanismo de disipación de energía objetivo.
Establecidas las relaciones demanda/capacidad, se procede con la revisión de los requisitos de anclaje y desarrollo del refuerzo longitudinal de las vigas, empleando para ello una cuantía máxima inicial fijada con criterios de ductilidad (una cuantía entre tres y cuatro veces el mínimo del código particular es recomendable).
Aspectos del diseño de columnas relacionados con el mecanismo resistente global
Las columnas de concreto reforzado deben diseñarse para satisfacer el requisito normativo que indica que las articulaciones plásticas, de formarse, deben hacerlo en las vigas que conforman el sistema estructural de resistencia sísmica (SRS) de la edificación. Este criterio de viga débil/columna fuerte se especifica en el código ACI 318-19 bajo la condición indicada en la ecuación (1):
Las rótulas en la base de las columnas del primer piso son a menudo inevitables; sin embargo, estas se esperan para demandas de desplazamiento lateral considerables y no representan una condición nociva para la estructura (siempre que su rotación sea compatible con el objetivo de desempeño establecido para el sismo bajo estudio).
Conoce cómo realizar un análisis no lineal estático (pushover) que permita establecer la distribución de rótulas plásticas en la Especialización en Análisis No Lineal y Diseño por Desempeño Sísmico de Estructuras.
Control de cuantía por ductilidad en las columnas
Como primera aproximación, la cuantía de refuerzo longitudinal de las columnas debe mantenerse entre el 1% y el 2% del área de la sección transversal. A pesar de que los códigos permiten el uso de cuantías máximas superiores, la congestión de refuerzo que se obtiene al suministrar tales cantidades de refuerzo limita no solamente la construcción de los elementos sino su comportamiento estructural. Una recomendación general consiste en establecer como objetivo de diseño que las cargas axiales mayoradas estén por debajo del punto de falla balanceada o, aproximadamente, por debajo del límite 0,3f’cAg [1].
Detallado de refuerzo
En el diseño de las columnas de concreto debe ponerse especial atención al detallado del refuerzo transversal de confinamiento, de manera que se pueda garantizar un comportamiento dúctil ante las demandas que imponen los movimientos sísmicos. Un confinamiento adecuado del núcleo de la sección transversal ayuda considerablemente a mejorar el comportamiento sísmico del elemento y a alcanzar los mecanismos de resistencia más favorables cuando la estructura se vea sometida a cargas laterales.
Comentarios finales
Con el objetivo de garantizar un comportamiento dúctil de las columnas de concreto reforzado es esencial realizar un dimensionamiento adecuado de la sección; esto es, debe tenerse como objetivo de diseño que el refuerzo pueda desarrollarse adecuadamente, que se cumplan los requisitos de resistencia mínima que aseguren que las rótulas plásticas se presenten en las vigas del sistema de resistencia sísmica (SRS) y que el elemento pueda construirse sin problemas. Además, procurar que las cargas axiales mayoradas actuantes estén por debajo del punto de falla balanceada -en la rama controlada por tracción del diagrama de interacción- será crucial para proveer un adecuado comportamiento ante cargas sísmicas.
Eventos sísmicos recientes, como el ocurrido el 6 de febrero de 2023 en Turquía (secuencia sísmica de Kahramanmaras) son un duro golpe de realidad que da cuenta de la importancia de diseñar y detallar correctamente las columnas de concreto reforzado. Las fallas por cortante de este tipo de elementos conducen, en algunos casos, a la generación de mecanismos indeseables de piso flexible y piso débil. A esos mecanismos se les atribuye una gran cantidad de fallas de edificaciones y, por tanto, deben evitarse.
Referencias
[1] Moehle, J. P. (2014). Seismic design of reinforced concrete buildings, McGraw-Hill Education, New York, NY, pp. 760.
[2] How concrete buildings fail in earthquakes (tomado de: https://graphics.latimes.com/towergraphic-concrete-risks/).
[3] 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
[4] Joint Reconnaissance EUCENTRE-ReLUis, Turkey-Syria Earthquake 2023 – Final report (tomado de: https://www.eucentre.it/joint-reconnaissance-eucentre-reluis-turkey-syria-earthquake-2023-final-report/?lang=en).
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