Maestría Metálicas 18 - Columnas Compuestas
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Teoría y Diseño Avanzado de Estructuras de Acero – Método LRFD Página No. XVIII - 1 MODULO 18: COLUMNAS COMPUESTAS 18.1 CONSIDERACIONES GENERALES Las columnas compuestas se construyen con: perfiles laminados o armados de acero ahogados en concreto perfiles con concreto dentro de los mismos (tubulares, rectangulares y cuadrados). Los miembros resultantes son capaces de soportar cargas mayores que las columnas de hormigón armado de dimensiones o secciones transversales similares. 18.2 VENTAJAS La construcción con columnas compuestas representa una serie de ventajas, como ser: construcción de edificios de varios niveles a menor costo columnas compuestas ahogadas en hormigón para mejorar su apariencia y estética, lograr protección con el fuego, la corrosión y otros agentes externos edificios altos de columnas compuestas con mejor sección transversal diminuyendo áreas inutilizadas en comparación a construcciones de hormigón armado generación de ahorros considerables su implementación en las esquinas de edificios determinan un aumento en la resistencia a momentos laterales. La combinación de acero y concreto logrando que las ventajas constructivas e ambos sistemas o elementos se reiteran en la construcción compuesta, más aún se complementan (el hormigón permite reducir las flexiones laterales, el acero siendo ligero reduce cimentaciones y cargas muertas sobre el terreno). Las estructuras de gran altura se montan de manera muy eficiente, pudiendo trabajar en varios frentes en forma simultanea 18.3 DESVENTAJAS La construcción con columnas compuestas también cuentas con algunas desventajas, como ser: En estructuras elevadas es difícil controlar la rapidez y magnitud de los acortamientos con respecto a los muros de corte y a las columnas adyacentes de acero.
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Teoría y Diseño Avanzado de Estructuras de Acero – Método LRFD
Página No. XVIII - 1
MODULO 18: COLUMNAS COMPUESTAS
18.1 CONSIDERACIONES GENERALES
Las columnas compuestas se construyen con:
perfiles laminados o armados de acero ahogados en concreto
perfiles con concreto dentro de los mismos (tubulares, rectangulares y cuadrados).
Los miembros resultantes son capaces de soportar cargas mayores que las columnas
de hormigón armado de dimensiones o secciones transversales similares.
18.2 VENTAJAS
La construcción con columnas compuestas representa una serie de ventajas, como ser:
construcción de edificios de varios niveles a menor costo
columnas compuestas ahogadas en hormigón para mejorar su apariencia y
estética, lograr protección con el fuego, la corrosión y otros agentes externos
edificios altos de columnas compuestas con mejor sección transversal
diminuyendo áreas inutilizadas en comparación a construcciones de hormigón
armado
generación de ahorros considerables
su implementación en las esquinas de edificios determinan un aumento en la
resistencia a momentos laterales.
La combinación de acero y concreto logrando que las ventajas constructivas e
ambos sistemas o elementos se reiteran en la construcción compuesta, más aún
se complementan (el hormigón permite reducir las flexiones laterales, el acero
siendo ligero reduce cimentaciones y cargas muertas sobre el terreno).
Las estructuras de gran altura se montan de manera muy eficiente, pudiendo
trabajar en varios frentes en forma simultanea
18.3 DESVENTAJAS
La construcción con columnas compuestas también cuentas con algunas desventajas,
como ser:
En estructuras elevadas es difícil controlar la rapidez y magnitud de los
acortamientos con respecto a los muros de corte y a las columnas adyacentes de
acero.
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Generar un real flujo plástico es dudoso
Falta de conocimiento relativo a la adherencia mecánica entre el acero y el
hormigón, aspecto muy importante para la transmisión de momentos a través de
las juntas de vigas y columnas.
18.4 SOPORTE LATERAL
En estructuras de acero u hormigón, el soporte lateral se proporciona a medida que
avanza la erección de la estructura (edificios). En una estructura también puede
proporcionarse mediante resistencia a momentos a través de una estructura monolítica
de sus miembros, o por medio de muros de corte.
En una construcción compuesta, la resistencia lateral se logra solamente cuando el
hormigón ha sido introducido y se ha logrado un endurecimiento suficiente. Los
marcos de acero empleados en edificios altos en construcción compuesta no tienen tal
tipo de arriostramiento como el que se logra cuado se van avanzado en la erección de
los pisos. En estos casos, la resistencia lateral se logra solamente después que se ha
colocado el hormigón, y este ha sido curado en varios niveles.
18.5 ESPECIFICACIONES
Las columnas compuestas pueden construirse en secciones transversales del siguiente
tipo de formas:
Cuadrados
Rectangulares
Tubulares
Redondos
Triangulares
Otras formas
El Método LRFD no proporciona requisitos en detalle para la separación entre barras de
refuerzo, empalmes, u otros elementos. En tal sentido, se observa la adhesión a las
normas locales vigentes (ACI, DIN, CBH, etc.), excepto exista una previsión específica
en la Norma LRFD.
La Sección I del LRFD se presenta detalles acerca de las secciones transversales de
perfiles de acero, resistencias de hormigón, separación de estribos y barras de refuerzo,
así como otros datos.
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El resumen de los aspectos fundamentales y más importantes corresponde a:
1. El área del perfil, o del acero total de cualquier sección transversal > 4% del área
total de la columna.
2. Cuando el perfil o núcleo de acero se ahoga en el hormigón, este debe reforzarse
con barras longitudinales continuas y con estribos laterales espaciados < 2/3 de la
dimensión mínima del miembro compuesto.
3. El área de los estribos > 0.007 pul2 por cada pulgada de separación entre las barras
de refuerzo con un recubrimiento mínimo de 1½” para los estribos y/o barras
longitudinales.
4. La resistencia a la compresión del hormigón - fc´ - debe estar dentro del rango 3 ksi
< fc´ < 8 ksi. En caso de concretos de peso ligero, las resistencias deben estar en
un rango entre 4 ksi < fc´ < 8 ksi
5. El Fy de los perfiles de acero y de las arras de refuerzo debe ser < 55 ksi
6. El espesor mínimo para una pared tubular de ser = b * (Fy / 3E)1/2 para cada cara
de ancho b.
7. El espesor mínimo para tubos de diámetro exterior D se determina mediante la
expresión D * (Fy / 8E)1/2 – valores similares a los establecidos por la norma ACI
1983.
8. Cuando en una columna compuesta se emplea más de un perfil de acero, estos
deben estar conectados por medio de placas o barras de unión para evitar el pandeo
de los perfiles en forma individual antes que el hormigón endurezca, debido a que
cuando se alcanza el endurecimiento se asume que la columna compuesta recién
trabaja como un conjunto estructural.
9. Se debe evitar sobrecargar el hormigón o el acero en las conexiones.
10. La Especificación LRFD I 2.4 (Sección I del LRFD), requiere que parte de la
resistencia de diseño de las columnas compuestas cargadas axialmente resistida
por el hormigón debe desarrollarse por apoyo directo en las conexiones. Si el
hormigón de soporte es mas ancho en uno o los dos lados que el área cargada y
está restringido contra la expansión lateral en los lados restantes, la resistencia del
hormigón debe calcularse con la expresión 1.7 c` * Ab, donde Ab es el área cargada.
18.6 RESISTENCIA DE DISEÑO: COLUMNAS COMPUESTAS BAJO CARGA AXIAL
La contribución de cada componente de una columna compuesta a su resistencia
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conjunta total es difícil (quizás imposible) de establecer.
La cantidad de agrietamiento en el concreto varía a lo largo de la columna.
El hormigón no tiene la misma homogeneidad que el acero
El módulo de elasticidad del acero varía con el tiempo, y bajo la acción de cargas
de larga duración.
La contribución del hormigón a la rigidez total de una columna compuesta varía
dependiendo si está localizado dentro de un tubo o si está localizado revistiendo
exteriormente un perfil (W por ejemplo), caso en el cual su contribución
estructural es menor.
En tal sentido, es difícil desarrollar una fórmula teórica directa y útil para el diseño de
columnas compuestas. El LRFD presenta especificaciones mediante un conjunto de
fórmulas empíricas para el diseño de columnas compuestas. La resistencia de
columnas compuestas se determina en forma similar como se realiza en el caso de
columnas de acero.
c * Pn con c = 0.85, por lo que Pn` = Ag * Fcr.
En tal sentido, las expresiones para columnas de la Sección E2 (parte V) del LRFD, son
las siguientes:
LRFD E2-2
LRFD E2-3
donde: LRFD E24
Las modificaciones a apicara las ecuaciones y fórmulas correspondientes para
columnas compuestas, son las siguientes:
Reemplazar Ag por As (área del perfil de acero o elemento tubular), sin incluir
ninguna barra de refuerzo.
Remplazar rmin (rx y/o ry) por rm (radio de giro de los perfiles de acero, tubos,
rectángulos, etc.). para perfiles ahogados en hormigón, aplicar rm > 0.30 * ancho
total de la columna compuesta en el plano del pandeo crítico.
Reemplazar Fy por el esfuerzo de fluencia modificado Fym.
Reemplazar E por el módulo de elasticidad modificado Em. Los valores para esto
datos modificados son los siguientes:
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LRFD I 2.1
LRFD I 2.2.
Donde:
Ac área del hormigón
As área del acero
Ar área de las barras de acero de refuerzo
E modulo de elasticidad
Ec módulo de elasticidad del hormigón.
Fy esfuerzo de fluencia del acero
Fyr esfuerzo de fluencia de las barras e acero.
Ci`s coeficientes numéricos para:
perfiles rellenos con hormigón:
c1 = 1.00
c2 = 0.85
c3 = 0.40
perfiles ahogados en hormigón:
c1 = 0.70
c2 = 0.60
c3 = 0.20
EJEMPLOS
18.7 TABLAS DEL MANUAL LRFD
La Parte 5 del Manual LRFD presenta tablas para determinar las resistencias de diseño
por carga axial de perfiles W ahogados en hormigón en secciones rectangulares y
cuadradas. Asimismo, el Manual presenta tablas para tubos y tubos estructurales
rellenos de hormigón.
Estas tablas se emplean de la misma forma que se emplean las tablas para columnas
de acero de la Parte 3 del Manual LRFD.
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Los perfiles están calculados sobre resistencia en el eje menor KyLy.
Las tablas presentan combinaciones de aceros de 36 ksi y 50 ksi ahogados en
hormigones de fc´ de 3,50 ksi, 5.00 ksi y 8.00 ksi. Asimismo, existen tablas para
perfiles tubulares de acero A36 y Acero de 46 ksi rellenos de hormigones de fc´ de 3,50
ksi, y 5.00 ksi.. Las barras de acero de refuerzo usadas en las secciones compuestas
son de Acero Gr 60 – Fy = 60 ksi.
EJEMPLOS
Las tablas y las especificaciones para estos perfiles demuestran que la resistencia con
carga axial de columnas compuestas, usando perfiles W, excede considerablemente la
resistencia por carga axial de las secciones W simples utilizadas como columnas.
Entre más larga es la columna, mayor es la razón de la resistencia de las columnas
compuestas a las columnas simples (no compuestas).
18.8 RESISTENCIA DE DISEÑO POR FLEXION DE COLUMNAS COMPUESTAS
La resistencia nominal por flexión de columnas compuestas se debe calcular
suponiendo una distribución plástica de esfuerzos.
La posición del eje neutro plástico se debe determinar igualando la fuerza de tracción a
la fuerza de compresión sobre los dos lados o partes esforzadas de la sección
transversal.
En el lado de tensión se considera las barras de refuerzo, mientras que en el lado de
compresión, el perfil ahogado estará esforzado a la fluencia.
En el lado de compresión habrá una fuerza de compresión de 0.85 fc´ * área del bloque
equivalente de refuerzo. Este bloque tendrá un ancho igual al de la columna y una
profundidad 1 * distancia al eje neutro plástico. El valor 1 está dado por la norma de
hormigón aplicable en cada región (Ejemplo EE.UU., la norma ACI).
La resistencia nominal a la flexión Mn es igual a la suma de los momentos de las
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fuerzas axiales respecto al eje neutro plástico.
En la parte 5 del Manual LRFD se presentan valores para b Mnx y b Mny para
columnas compuestas.
EJEMPLOS
18.9 RESISTENCIA DE DISEÑO POR FLEXO-COMPRESIÓN DE COLUMNAS
COMPUESTAS
Las fórmulas de la especificación LRFD para miembros sujetos a carga axial y flexión
son las mismas para elementos simples que para vigas-columnas compuestas.
Formula H1-1A
Formula H1-1B
Las modificaciones a aplicar para los elementos compuestos son los siguientes:
Las cargas de pandeo plástico de Euler (Pex y Pey) para obtener los valores B1 y
B2 se deben obtener de la formula:
Nota: Referirse a la Tabla 8, o a las tablas de columnas para determinar
Pe * (KL)2 / 104
El factor de resistencia b debe ser:
0.85 si h/tw < 640 / (Fyf)½ aplicando una distribución plástica de
esfuerzos para obtener Mn.
0.85 si h/tw > 640 / (Fyf)½ para obtener Mn sobreponiendo los
esfuerzos elásticos
El parámetro de esbeltez c se debe modificar de la misma manera que se
realiza para las columnas compuestas bajo carga axial de compresión.
El procedimiento se efectúa en base a tanteos, iniciando con una sección de prueba
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aplicando la interacción correspondiente, o el método de carga axial efectiva hasta
alcanzar la viga-columna satisfactoria. El procedimiento será el siguiente:
Estimar que el efecto axial ( Pu/c Pn) es 50% y el efecto de flexión ( Mu / b Mn)
es el restante 50%.
Determinar c Pn y b Mn
Tantear y estabilizar el resultado
EJEMPLOS
18.10 TRANSMISION DE CARGA A LA CIMENTACIÓN Y OTRAS CONEXIONES
