Columna Corta

INTRODUCCIÓN.

La propuesta de diseño sismo resistente de columnas cortas en edificaciones de concreto reforzado viene relacionada con la necesidad de implementar un método de análisis para lograr identificar edificaciones que presenten efectos de columna corta con la finalidad de posteriormente dar una solución para contrarrestar el efecto de columna corta, pensando anticipadamente en los posibles desastres que podría ocasionar un sismo de gran magnitud a edificaciones que presentan esta geometría, edificaciones que a la vez albergan cantidades importantes de vidas humanas como son centros educativos y también centros hospitalarios las cuales en su mayoría se encuentran y se siguen construyendo en zona de alto riesgo sísmico.

De esto nace que es indispensable diseñar y construir las edificaciones para que resistan eventos sísmicos grandes, sin colapsar y eventos sísmicos recurrentes, sin daños en la estructura y daños mínimos o nulos en los elementos no estructurales.

Uno de los fenómenos que afectan a las estructuras y que con frecuencia han sido observados durante los terremotos ocurridos en las últimas décadas, es el llamado efecto de columna corta. Su presencia ha originado inclusive, el colapso de pisos completos. Dicho efecto se produce cuando las columnas están lateralmente confinadas hasta cierta altura por elementos no estructurales como paredes de mampostería, las cuales disminuyen su longitud efectiva y como consecuencia, la razón de fuerza cortante a momento aplicado aumenta significativamente.

Es por eso que es importante investigar todo lo relacionado con el efecto de “Columna Corta”.

OBJETIVOS

Otorgar al lector una fuente de información en relación al tema de “Columna Corta en Edificaciones de Concreto Armado”.

Dar a conocer las principales características con las que podamos distinguir claramente a una “Columna Corta”.

Otorgar de posibles soluciones planteadas para hacerle un frente al problema de “Columna Corta en Edificaciones de Concreto Armado”.

Con un ejemplo claro y conciso demostrar matemáticamente el porqué de una falla por “Columna Corta”.

COLUMNA CORTA

Efecto de Columna corta

Durante terremotos pasados se ha observado que edificios aporticados de hormigón armado, con columnas de diferentes alturas libres dentro de un mismo piso, sufrieron más daño en las columnas más cortas comparadas con las columnas más largas.

Por lo tanto para que las estructuras no colapsen durante un terremoto las columnas deben ser capaces de absorber o consumir la energía entrante mediante los desplazamientos que experimentan. Como los desplazamientos de las columnas son proporcionales a sus longitudes, la capacidad de consumir energía en las columnas cortas es muy baja. Por esta razón, las columnas cortas son los elementos que más daño infligen a la construcción.

El sencillo comportamiento de las columnas cortas se debe al hecho que en un terremoto, columnas de diferentes alturas libres tendrán la misma influencia de desplazamiento lateral, como se muestra en el esquema. Sin embargo, al ser las columnas cortas más rígidas que las columnas más largas, éstas atraen mucho más fuerza horizontal.

Mayor rigidez de una columna implica mayor resistencia a la deformación, por tanto mientras mayor es la rigidez, mayor será la fuerza necesaria para deformarla. Si una columna corta no está diseñada adecuadamente para resistir esta fuerza, va a sufrir daño durante el evento telúrico.

A este comportamiento se le ha llamado “Efecto de Columna Corta”. El daño en este tipo de elemento se presenta a menudo en una grieta en forma de X.

La longitud de una columna juega un papel muy importante en términos de la fuerza cortante que estas enfrentan bajo cargas sísmicas. Previamente se mencionó que las columnas cortas atraen mucho más fuerza horizontal que una columna larga, pero la gran interrogante viene a ser: ¿Qué tan grande puede ser esta fuerza?

Por lo cual para tener una idea, se calcula la rigidez de una columna frente a la cortante, haciendo variar su altura desde h, hasta una altura de 0.2 h, presumiendo que la rigidez está dada por:

Q = 12*E*I/h3,

Dónde:

E : es el módulo de elasticidad.

I : es el momento de inercia de la sección transversal.

Como se mencionó anteriormente, a mayor rigidez, mayor será la fuerza que atraerá el elemento de columna para desplazar la columna una cantidad unitaria. Si se calcula la rigidez Q para cada caso y luego se divide cada Q entre el Q1, o sea para el caso en que la longitud de la columna es h, se obtiene el Cuadro:

Caso N° Altura Columna Fuerza cortante Razón (Qi/Q1)

1 H Q_1=12EI/h^3 1

2 0.8h Q_1=23.44EI/h^3 1.95

3 0.6h Q_1=55.56EI/h^3 4.63

4 0.4h Q_1=187.50EI/h^3 15.63

5 0.2h Q_1=1500EI/h^3 125.00

Si se grafica la altura de la columna contra la razón de Qi/Q1, se obtiene la Figura:

Aquí se puede apreciar cómo va aumentando la fuerza horizontal en una columna a medida que se va disminuyendo su altura libre, esto es, la fuerza cortante que una columna soportará bajo cargas laterales es proporcional al cubo de su longitud. Por tanto, si esta fuerza no se toma en cuenta a la hora de diseñar, probablemente el miembro no soportará dicha fuerza y fallará en cortante

Formación del efecto de columna corta

El efecto de columna corta se presenta a menudo de forma accidental, en muchas edificaciones. Por ejemplo, éste es el caso de un edificio cimentado en un terreno con inclinación.

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