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El diseño de cilindros cargados axialmente está determinado principalmente por la sección transversal de la columna y sus propiedades materiales. Esto se debe a que la carga actúa sobre el centro de la columna y comprime toda el área de la sección transversal de la columna.
Lograr una alineación vertical perfecta de las columnas es difícil, por lo que la compresión pura de toda la columna rara vez se da en la práctica. Como resultado, la excentricidad de la carga con respecto al centro de la columna es inevitable.
De acuerdo con ACI 318-19, una columna se considera cargada axialmente si la excentricidad no excede el 1% del canto total de la columna. La capacidad nominal de dichas columnas es igual a la fuerza interna de compresión del concreto y la fuerza interna del acero.
ACI 318-19 proporciona varias especificaciones y consideraciones prácticas para ayudar a los diseñadores a desarrollar diseños de columnas adecuados, seguros y prácticos.
Tabla de contenido
Capacidad de carga nominal de columna corta circular RC
La capacidad de carga nominal de una columna de hormigón armado se puede expresar como:
dóndeC es el área total de la sección transversal de la columna, Acalle es el área de acero a la tracción.
Por lo tanto, expresión-1 se puede cambiar a:
La resistencia de diseño de una columna cargada axialmente puede calcularse multiplicando la Ecuación 2 por el factor de reducción de la resistencia específica proporcionado por ACI 318-19. El factor de reducción de la resistencia para las columnas espirales de hormigón armado es de 0,75.
El Código ACI permite un límite superior en la resistencia de la columna para permitir excentricidades de carga accidentales que no se tienen en cuenta en el análisis. Este límite superior será 0,85 veces la resistencia de diseño. Por lo tanto, la Ecuación-2 se puede reescribir para una columna espiral de concreto reforzado como
dónde:
PAG.tú: carga última de la columna, KN
Ø: factor de reducción de la fuerza, 0,75
fc’: resistencia a la compresión del hormigón, MPa
agramo: área total de la sección transversal de la columna, mm2
acalle: área reforzada, mm2
fy: límite elástico del acero, MPa
refuerzo longitudinal
- La barra de refuerzo longitudinal es la barra principal de las columnas de hormigón armado.
- El recubrimiento mínimo de hormigón sobre las barras longitudinales de la columna es de 40 mm.
- Según ACI 318-19, Sección 10.7.3, el número mínimo de barras verticales debe ser 6 para el refuerzo en espiral.
- La relación entre el área de la sección transversal longitudinal del acero y el área de la sección transversal del concreto varía de 0,01 a 0,08.
refuerzo en espiral
- Los refuerzos en espiral son espirales densas y continuas que sujetan las barras verticales en el encofrado mientras se coloca el hormigón.
- El refuerzo en espiral evita el aplastamiento repentino del hormigón y el pandeo de las barras de acero verticales. Esto tiene la ventaja de producir columnas fuertes que se vuelven menos dúctiles con el tiempo.
- De acuerdo con el Código ACI 7.10.4, el diámetro mínimo de las espirales es de 10 mm y su espacio libre no debe exceder los 75 mm ni ser inferior a 25 mm.
- Se proporcionarán 1,5 vueltas adicionales de la barra en espiral como fijación para el refuerzo en espiral.
- La relación de volumen mínimo de la barra de refuerzo en espiral se define como la relación entre el volumen de acero en espiral y el volumen del núcleo de hormigón y se calcula de acuerdo con la Ecuación-4.
- La relación de espiral mínima exigida por el Código ACI tiene por objeto proporcionar una capacidad de compresión adicional para compensar la fragmentación de la cubierta de la columna.
dónde:
agramo: área total de la sección
aCanal: el área del núcleo de la columna reforzada helicoidalmente, medida al diámetro exterior de la hélice
ρs: Límite elástico del refuerzo en espiral
Las espirales se pueden seleccionar mediante la fórmula donde (ρs) es el volumen de acero en un bucle.
dónde:
D.Canal: diámetro del núcleo de afuera hacia afuera de la hélice
as: Área de la sección transversal de la barra espiral
ds: Diámetro de la barra espiral
Consulte la Figura-1 para obtener detalles de los parámetros en la Ecuación-5.
Procedimiento de diseño para columna RC circular bajo carga axial
- Suponga una relación de refuerzo entre un valor mínimo de (0,01) y un valor máximo de 0,08, preferentemente no superior a 0,04.
- Usando la fórmula, exprese el área de acero multiplicando el área transversal total de la columna por la relación de refuerzo (ρgramo=As/As).
- Calcular la carga final o carga aplicada sobre la columna. Utilice combinaciones de carga adecuadas.
- Calcule el área transversal total de la columna usando la Ecuación-3. Luego estima el diámetro del cilindro y redondea.
- Calcula el área transversal total de la columna a partir de las dimensiones redondeadas de la columna.
- Estime la relación de refuerzo longitudinal usando la Ecuación-3.
- Dado el tamaño de las barras, divida el área estimada del marco de acero por el área total de la columna para determinar el número de barras.
- Calcule la relación de refuerzo de la columna y verifique si está dentro de la relación de refuerzo mínima y máxima.
Refuerzo espiral de diseño
- Suponga el tamaño de la barra espiral.
- Calcule la relación volumétrica mínima de refuerzo en espiral usando la Ecuación 4.
- Introduzca el factor de refuerzo volumétrico del paso 4 y utilice la Ecuación 5 para calcular el espacio en espiral.
- Revise los requisitos del código ACI, incluido el espacio libre entre las barras longitudinales, la cantidad mínima de barras, el diámetro mínimo de la espiral y el espacio libre para un bucle.
ejemplo
Diseñe una columna espiral redondeada corta cargada axialmente para soportar una carga muerta de 850 KN y una carga viva de 1600 KN. Resistencia del material: fc’= 35 MPa, fy= 420 MPa.
Resolución:
Estimación de las dimensiones de la columna y el área de acero requerida
paso 1: Tasa de refuerzo supuesta:
ρgramo=0.02
Paso 2: Exprese el área de la barra de refuerzo en términos de la relación de barra de refuerzo supuesta (paso 1) y el área transversal total:
acalle= 0,02*Agramo
Paso 3: Calcule la carga final usando las combinaciones de carga más significativas.
PAG.tú =1.2DL+1.6LL= 1.2*850+1.6*1600= 3580KN
Etapa 4: Seleccione las dimensiones de la columna usando la Ecuación 3.
3580*103= 0,85*0,75[0.85*35(Ag-0.02Ag )+(0.02Ag*420]=149532.31mm2
agramo=π/4D2 → D =√((4*149532.31)/π) =436mm≒450mm
Paso-5: Cálculo Agramo D=450mm desde nuevo
agramo=π/4*4502= 159043,12 mm2
Paso-6: Estime el área y el número de barras de refuerzo:
3580*103= 0,85*0,75[0.85*28(159043.12-Ast )+Ast*420]= 2265,61 mm2
Paso-7: Número estimado de barras verticales, asumiendo ∅22:
Número de barras = 2265,61/(π/4(22)2)= 5,96 ≒ 6
aproporcionó = pi/4(22)2*6 = 2280,79 mm2
Paso-8: Estime y verifique la relación de refuerzo de la columna:
ρgramo=Acalle/Agramo =(2280.79)/159043.12 = 0.0201, ya que 0.01<ρgramo= 0,01434<0,08, está bien
Diseño de refuerzo en espiral
paso 1: Sea ∅10.
Paso 2: Calcular el refuerzo en espiral de volumen mínimo.
D.Canal= D-2*cubierta de hormigón = 450-2*40=370 mm
aCanal= pi/4(370)2 = 107521.008mm2
ρs= 0,45(159043,12/107521,008-1)*(35/420) = 0,017969
Paso 3: Calcule el espaciado s de un bucle a otro.
as= pi/4*102 = 78,5398 mm2
0,017969 = (4*78,5398*(370-10))/(segundos*3702 ) → s = 45,97 ≒ 40 mm
Etapa 4: Revise los requisitos del código ACI.
- diámetro del círculo centroide de la barra = 450-2*40-10*2-22 = 328 mm,
- Espacio libre =(π*328-6*22)/6 =149,74 mm
- número de barras, 6 = 6 para columnas rodeadas de espirales, ok
- El diámetro mínimo de la hélice es ∅10, OK
- Intervalo de borrado de 1 bucle = sds =40-10 =30 mm, 25 mm <30 mm <40 mm, correcto
Preguntas más frecuentes
Las columnas de hormigón armado se consideran cargadas axialmente cuando el punto de aplicación de la carga coincide con el centro de la sección de la columna. Se dice que una columna está cargada axialmente si la excentricidad de la carga desde el centro de la sección transversal de la columna no excede 0,1 veces la profundidad máxima de la columna.
La excentricidad es la distancia entre el centro de la sección transversal de la columna y el punto de aplicación de la carga aplicada.
Una columna de hormigón armado en espiral es una columna con armadura longitudinal dispuesta en un círculo y sostenida por una densa espiral circular.
El refuerzo en espiral mantiene las barras verticales en el encofrado durante el vertido del hormigón, lo que evita el agrietamiento repentino del hormigón y el pandeo de las barras de acero verticales.
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