DOCUMENTO PREPARADO POR EL PROFESOR JUAN CARLOS RINCÓN

 

LA FLEXOCOMPRESION EN LOS ELEMENTOS DE HORMIGON ARMADO

 

11.1    INTRODUCCION

La mayor parte de los elementos estructurales sometidos a compresión también están solicitados por momentos flectores, por lo que en su diseño debe tomarse en consideración la presencia simultánea de los dos tipos de acciones.

En zonas sísmicas, como las existentes en nuestro país, el efecto flexionante usualmente domina el diseño con relación a las solicitaciones axiales por lo que, a pesar de que los momentos por cargas gravitacionales sean importantes, se suelen escoger columnas con armadura simétrica, dada la reversibilidad de los sismos.

 

11.2 DIAGRAMAS DE INTERACCION CON FLEXION UNIDIRECCIONAL:

El comportamiento de secciones específicas de columnas de hormigón armado es descrito más claramente mediante gráficos denominados curvas o diagramas de interacción. Sobre el eje vertical se dibujan las cargas axiales resistentes y sobre el eje horizontal se representan los correspondientes momentos flectores resistentes, medidos con relación a un eje principal centroidal de la sección transversal de la columna.

A continuación se presenta una curva de interacción unidireccional de una columna tipo, en la que no se han incluido ni el factor f de reducción de capacidad (solamente se manejan cargas axiales y momentos flectores nominales), ni la reducción de carga axial última por excentricidad mínima de las cargas axiales, para que su interpretación sea más sencilla.

Cualquier combinación de carga axial y de momento flector nominales, que defina un punto que caiga dentro de la curva de interacción (o sobre la curva de interacción), indicará que la sección escogida es capaz de resistir las solicitaciones propuestas. Cualquier punto que quede por fuera de la curva determinará que la sección transversal es incapaz de resistir las solicitaciones especificadas.

Es importante observar que la presencia de pequeñas cargas axiales de compresión (parte inferior de la curva de interacción), teóricamente puede tener un efecto beneficioso sobre el momento flector resistente de la columna (falta aún cuantificar el efecto del factor de reducción de capacidad f para tener la visión completa). Este comportamiento poco usual se debe a que el hormigón, sometido a esfuerzos de tracción por la flexión, se fisura en gran medida, y la presencia de cargas axiales de compresión pequeñas permite disminuir la sección transversal fisurada y aumentar la sección efectiva de trabajo del material.

La presencia de grandes cargas axiales (parte superior de la curva de interacción), por otro lado, disminuye considerablemente la capacidad resistente a la flexión de las columnas.

Para la elaboración de las curvas de interacción nominales, para una sección dada, se utiliza el siguiente procedimiento:

Se definen diferentes posiciones del eje neutro

Para cada posición del eje neutro se calculan las deformaciones unitarias en cada fibra de la pieza, tomando como base una deformación máxima en el hormigón e u = 0.003

En función de las deformaciones en el acero y en el hormigón se determinan los diagramas de esfuerzos en el hormigón y la magnitud de los esfuerzos en el acero, y

Se calculan los momentos flectores centroidales y cargas axiales internos que, por equilibrio, deben ser iguales a los momentos flectores y cargas axiales externos solicitantes

 

EJEMPLO 11.1:

Dibujar la curva de interacción de cargas nominales y momentos flectores nominales respecto al eje centroidal x de la columna de la figura, tomando ejes neutros paralelos a dicho eje, si la resistencia a la rotura del hormigón es f’c = 210 Kgf/cm2 y el esfuerzo de fluencia del acero es Fy = 4200 Kgf/cm2.

As1 = 3 x 2.54 = 7.62 cm2

As2 = 2 x 2.54 = 5.08 cm2

As3 = 3 x 2.54 = 7.62 cm2

La deformación unitaria que provoca fluencia en el acero es:

Cualquier deformación unitaria en el acero que esté por debajo de la deformación de fluencia (e s < e y) define esfuerzos en el acero que se pueden calcular con la siguiente expresión:

fs = Es e s

Cualquier deformación unitaria en el acero que supere la deformación de fluencia (e s > e y) determinará un esfuerzo en el acero igual al esfuerzo de fluencia:

fs = Fy

Punto # 1 del Diagrama de Interacción: Se supone que todas las fibras tienen una deformación unitaria igual a la máxima deformación permitida en el hormigón e u = 0.003, lo que es equivalente a que el eje neutro se encuentre en el infinito.

Cálculo de deformaciones unitarias:

e 1 = 0.003 > 0.002

e 2 = 0.003 > 0.002

e 3 = 0.003 > 0.002

Cálculo de esfuerzos en el acero:

fs1 = Fy = 4200 Kgf/cm2

fs2 = Fy = 4200 Kgf/cm2

fs3 = Fy = 4200 Kgf/cm2

Cálculo de la fuerza de compresión en el hormigón:

Cc = 0.85 f’c . b . d = (0.85 x 210 Kgf/cm2) (40 cm) (40 cm) = 285600 Kgf

Cálculo de las fuerzas de compresión en el acero:

P1 = As1 . fs1 = (7.62 cm2) (4200 Kgf/cm2) = 32004 Kgf

P2 = As2 . fs2 = (5.08 cm2) (4200 Kgf/cm2) = 21336 Kgf

P3 = As3 . fs3 = (7.62 cm2) (4200 Kgf/cm2) = 32004 Kgf

Cálculo de la carga axial nominal:

Pn = Cc + P1 + P2 + P3 = 285600 Kgf + 32004 Kgf + 21336 Kgf + 32004 Kgf

Pn = 370944 Kgf = 370.9 T

Cálculo del momento flector nominal con respecto al eje centroidal x:

Mn = (285600 Kgf) (0 cm) + (32004 Kgf) ( 9 cm) + (21336 Kgf) (0 cm) - (32004 Kgf) (9 cm)

Mn = 0 Kgf-cm = 0.0 T-cm

Punto # 2 del Diagrama de Interacción: El eje neutro es paralelo al eje x, y coincide con el borde inferior de la sección transversal de la columna. La deformación unitaria en el borde superior es la máxima admitida en el hormigón e u = 0.003.

Cálculo de deformaciones unitarias:

Cálculo de esfuerzos en el acero:

fs1 = Fy = 4200 Kgf/cm2

fs2 = Es . e 2 = (2100000 Kgf/cm2) (0.0015) = 3150 Kgf/cm2

fs3 = Es . e 3 = (2100000 Kgf/cm2) (0.00045) = 945 Kgf/cm2

Cálculo de la fuerza de compresión en el hormigón:

Cc = 0.85 f’c . b. a = (0.85 x 210 Kgf/cm2) (40 cm) (34.0 cm) = 242760 Kgf

Cálculo de las fuerzas de compresión en el acero:

P1 = As1 . fs1 = (7.62 cm2) (4200 Kgf/cm2) = 32004 Kgf

P2 = As2 . fs2 = (5.08 cm2) (3150 Kgf/cm2) = 16002 Kgf

P3 = As3 . fs3 = (7.62 cm2) (945 Kgf/ cm2) = 7201 Kgf

Cálculo de la carga axial nominal:

Pn = Cc + P1 + P2 + P3 = 242760 Kgf + 32004 Kgf + 16002 Kgf + 7201 Kgf

Pn = 297967 Kgf = 298.0 T

Cálculo del momento flector nominal con relación al eje centroidal x:

Mn = (242760) (20 - 34.0/2) + (32004) (14) + (16002) (0) - (9601) (14 )

Mn = 1041922 Kgf-cm = 1041.9 T-cm

Punto # 3 del Diagrama de Interacción: El eje neutro es paralelo al eje x, y está 10 cm por encima del borde inferior de la sección transversal de la columna. La deformación unitaria en el borde superior es la máxima admitida en el hormigón e u = 0.003.

Cálculo de deformaciones unitarias:

Cálculo de esfuerzos en el acero:

fs1 = Fy = 4200 Kgf/cm2

fs2 = Es . e 2 = (2100000 Kgf/cm2) (0.0010) = 2100 Kgf/cm2

fs3 = Es . e 3 = (2100000 Kgf/cm2) (0.0004) = 840 Kgf/cm2

Cálculo de la fuerza de compresión en el hormigón:

Cc = 0.85 f’c . b . a = (0.85 x 210 Kgf/cm2) (40 cm) (25.5 cm) = 182070 Kgf

Cálculo de las fuerzas de compresión en el acero:

P1 = As1 . fs1 = (7.62 cm2) (4200 Kgf/cm2) = 32004 Kgf

P2 = As2 . fs2 = (5.08 cm2) (2100 Kgf/cm2) = 10668 Kgf

P3 = As3 . fs3 = (7.62 cm2) (840 Kgf/cm2) = 6401 Kgf

 

 

 

 

Cálculo de la carga axial nominal:

Pn = Cc + P1 + P2 - P3 = 182070 Kgf + 32004 Kgf + 10668 Kgf - 6401 Kgf

Pn = 218341 Kgf = 218.3 T

Cálculo del momento flector nominal con relación al eje centroidal x:

Mn = (182070) (20 - 25.5/2) + (32004) (14) + (10668) (0) + (6401) (14)

Mn = 1857678 Kgf-cm = 1857.7 T-cm

Punto # 4 del Diagrama de Interacción: El eje neutro es paralelo al eje x, y está 20 cm por encima del borde inferior de la sección transversal de la columna. La deformación unitaria en el borde superior es la máxima admitida en el hormigón e u = 0.003.

Cálculo de deformaciones unitarias:

e 2 = 0

Cálculo de esfuerzos en el acero:

fs1 = Fy = 4200 Kgf/cm2

fs2 = Es . e 2 = (2100000 Kgf/cm2) (0) = 0 Kgf/cm2

fs3 = Fy = 4200 Kgf/cm2

Cálculo de la fuerza de compresión en el hormigón:

Cc = 0.85 f’c . b . a = (0.85 x 210 Kgf/cm2) (40 cm) (17.0 cm) = 121380 Kgf

Cálculo de las fuerzas de compresión en el acero:

P1 = As1 . fs1 = (7.62 cm2) (4200 Kgf/cm2) = 32004 Kgf

P2 = As2 . fs2 = (5.08 cm2) (0 Kgf/cm2) = 0 Kgf

P3 = As3 . fs3 = (7.62 cm2) (4200 Kgf/cm2) = 32004 Kgf

Cálculo de la carga axial nominal:

Pn = Cc + P1 + P2 - P3 = 121380 Kgf + 32004 Kgf + 0 Kgf - 32004 Kgf

Pn = 121380 Kgf = 121.4 T

Cálculo del momento flector nominal con relación al eje centroidal x:

Mn = (121380) (20 - 17.0/2) + (32004) (14) + (0) (0) + (32004) (14)

Mn = 2291982 Kgf-cm = 2292.0 T-cm

Punto # 5 del Diagrama de Interacción: El eje neutro es paralelo al eje x, y está 32.66 cm por encima del borde inferior de la sección transversal de la columna (la posición fue obtenida por tanteo hasta alcanzar flexión pura). La deformación unitaria en el borde superior es la máxima admitida en el hormigón e u = 0.003.

Cálculo de deformaciones unitarias:

Cálculo de esfuerzos en el acero:

fs1 = (2100000 Kgf/cm2) (0.000548) = 1151 Kgf/cm2

fs2 = 4200 Kgf/cm2

fs3 = 4200 Kgf/cm2

Cálculo de la fuerza de compresión en el hormigón:

Cc = (0.85 x 210 Kgf/cm2) (40 cm) (6.24 cm) = 44554 Kgf

Cálculo de las fuerzas de compresión en el acero:

P1 = (7.62 cm2) (1151 Kgf/cm2) = 8771 Kgf

P2 = (5.08 cm2) (4200 Kgf/cm2) = 21336 Kgf

P3 = (7.62 cm2) (4200 Kgf/cm2) = 32004 Kgf

Cálculo de la carga axial nominal:

Pn = Cc + P1 - P2 - P3 = 44554 Kgf + 8771 Kgf - 21336 Kgf - 32004 Kgf

Pn = -15 Kgf = -0.0 T

Cálculo del momento flector nominal con relación al eje centroidal x:

Mn = (44554) (20 - 6.24/2) + (8771) (14) + (21336) (0) + (32004) (14)

Mn = 1322922 Kgf-cm = 1322.9 T-cm

 

 

 

 

 

Se puede preparar una tabla con todos los pares de solicitaciones nominales obtenidos (Mn, Pn):

Punto

Mn

(T-cm)

Pn

(T)

1

0.0

370.9

2

1041.9

298.0

3

1857.7

218.3

4

2292.0

121.4

5

1322.9

0.0

La curva de interacción nominal es la representación gráfica de la tabla anterior:

Empleando una hoja electrónica o un programa de computación resulta más ágil la preparación de la tabla, y el número de puntos obtenidos será mayor, con lo que la calidad de la curva de interacción será mejor.

Existen dos aspectos adicionales que deben ser considerados para transformar las curvas de interacción nominales en curvas de interacción para diseño de columnas:

a. El factor de reducción de capacidad f para compresión pura en columnas rectangulares es 0.70 y para flexión pura es 0.90, lo que determina la existencia de una transición entre los dos factores para el caso combinado de flexocompresión. De cualquier modo, las solicitaciones de rotura se calcularán con las siguientes expresiones:

Pu = f . Pn

Mu = f . Mn

En flexocompresión de columnas con estribos, en que la dimensión del núcleo (zona entre los ejes de las capas más externas del acero) de hormigón en la dirección de diseño represente al menos el 70% de la dimensión exterior de la columna, el Código Ecuatoriano de la Construcción y el ACI especifican que se debe mantener un factor de reducción de capacidad de 0.70 para todos los valores de carga axial que superen 0.10 f’c.Ag, y se puede realizar una interpolación lineal del factor desde 0.70 hasta 0.90, cuando la carga axial decrece de 0.10 f’c.Ag hasta 0.

En flexocompresión de columnas zunchadas, la variación del factor de reducción de capacidad es similar a las columnas con estribos, pero se produce entre 0.75 y 0.90.

Cuando la dimensión del núcleo de hormigón en columnas con estribos y columnas zunchadas es inferior al 70% de la dimensión exterior de la columna, el cambio en el coeficiente de reducción de capacidad se realizará entre la carga balanceada Pb (en lugar de 0.10 f’c.Ag) y 0.

b. El ACI-95 especifica que en columnas con estribos se debe reducir en un 20% la carga axial última máxima para cubrir el efecto de los momentos flectores causados por pequeñas excentricidades de la carga, cuya existencia no puede ser controlada por el diseñador.

Las versiones anteriores del código ACI, y el Código Ecuatoriano de la Construcción manejan excentricidades mínimas del 10% de la dimensión máxima de la columna con estribos, en la dirección de la excentricidad (0.10 b, 0.10 t en el gráfico anterior).

Así mismo, en el caso de columnas zunchadas, se debe reducir en un 15% la carga axial última máxima para cubrir el efecto de los momentos flectores causados por pequeñas excentricidades de las cargas axiales, cuya existencia no puede ser controlada por el diseñador.

El Código Ecuatoriano de la Construcción y las versiones anteriores del ACI manejan excentricidades mínimas del 5% del diámetro de la columna zunchada en la dirección de la excentricidad (0.05 D en el gráfico anterior).

La excentricidad puede ser calculada con las siguientes expresiones:

e = Mu / Pu

ex = Muy / Pu

ey = Mux / Pu

Donde:

Mu: momento último

Mux: momento último alrededor del eje x

Muy: momento último alrededor del eje y

Pu: carga axial última

e: excentricidad de la carga axial con respecto al centroide de la sección

ex: excentricidad de la carga axial medida en la dirección x

ey: excentricidad de la carga axial medida en la dirección y

En la curva de interacción, estas ecuaciones pueden ser representadas mediante rectas que pasan por el origen.

 

EJEMPLO 11.2:

Modificar la curva de interacción del ejemplo anterior para tomar en consideración los factores de reducción de capacidad apropiados, la excentricidad mínima de la carga axial (CEC), y la reducción de la carga axial última máxima (ACI-95).

Se puede preparar una tabla que incluya valores de carga axial y de momentos flectores que incluyan los factores de reducción 0.70 y 0.90, basada en la tabla del ejemplo anterior.

Punto

Cargas Nominales

Cargas Ultimas

f = 0.90

Cargas Ultimas

f = 0.70

 

Mn

(T-cm)

Pn

(T)

MU,1

(T-cm)

PU,1

(T)

MU,2

(T-cm)

PU,2

(T)

1

0,0

370,9

0,0

333,8

0,0

259,6

2

1041,9

298,0

937,7

268,2

729,3

208,6

3

1857,7

218,3

1671,9

196,5

1300,4

152,8

4

2292,0

121,4

2062,8

109,3

1604,4

85,0

5

1322,9

0,0

1190,6

0,0

926,0

0,0

La carga axial que define una variación en el factor de reducción de capacidad es:

0.10 f’c . Ag = (0.10) (210) (1600) = 33600 Kgf = 33.6 T

La curva de interacción de las cargas últimas, incluyendo el efecto del factor de reducción de capacidad es:

Para tomar en consideración la excentricidad mínima (10% de la dimensión respectiva de la columna = 4 cm, por ser no zunchada) especificada por el CEC, se dibuja sobre la curva de interacción la ecuación

e = Mu / Pu = 4 cm

Para el efecto, se definen dos puntos sobre la recta mencionada, los que permiten su representación gráfica:

Mu = 0 ; Pu = 0

Mu = 400 T-cm ; Pu = 100 T

Desde el punto de cruce de la recta de excentricidad mínima con la curva de interacción anterior se traza una recta horizontal para completar la curva de interacción definitiva.

De igual manera, si utilizamos el criterio del ACI-95, el recorte horizontal de la curva de interacción debe producirse al nivel de la carga axial última máxima (una reducción del 20% con relación a la carga última teórica).

Pu,máx = 0.80 f (0.85 f’c . Ac + As . Fy)

Pu,máx = (0.80) (259.6 T) = 207.68

El diagrama que se obtiene es muy similar al que se dedujo anteriormente.

 

 

 

11.3 DIAGRAMAS DE INTERACCION ADIMENSIONALES PARA FLEXION UNIDIRECCIONAL:

Existe una gran variedad de curvas de interacción adimensionales que evitan la preparación de curvas de interacción específicas para cada columna, cuya utilización facilita enormemente el diseño a flexocompresión. El propio ACI ha publicado curvas que contienen algunos de los criterios detallados en el numeral anterior, dejando los restantes criterios para la aplicación por parte del diseñador.

La presentación típica de estos diagramas es la de una familia de curvas para determinados valores de: esfuerzo de rotura del hormigón (f’c), esfuerzo de fluencia del acero (Fy), relación entre la dimensión del núcleo de hormigón y la dimensión exterior de la columna (g), y distribución de la armadura en la sección de hormigón.

Como anexo al presente documento se ha incluido un conjunto de familias de Diagramas de Interacción para Columnas Rectangulares con Armadura Simétrica Respecto a los Ejes Principales, sometidas a flexión en una dirección principal; Diagramas de Interacción para Columnas Circulares con Armadura Simétrica; Diagramas de Interacción para Columnas Zunchadas Circulares con Armadura Transversal Mínima Simétrica; y Diagramas de Interacción para Columnas Cuadradas con Flexión a 45° Respecto a los Ejes Principales con Armadura Simétrica, elaboradas por el autor, en las que, además de los criterios expuestos en el párrafo anterior, se han incluido: la excentricidad mínima establecida en el Código Ecuatoriano de la Construcción, y el cambio del valor del factor de reducción de capacidad. Estos factores usualmente no son incluidos explícitamente en otras curvas de interacción disponibles, por lo que para el uso de otras curvas de interacción siempre es recomendable revisar la metodología propia de uso de sus diagramas.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11.4 UTILIZACION DE LOS DIAGRAMAS AUXILIARES DE INTERACCION ADIMENSIONALES PARA COLUMNAS RECTANGULARES CON FLEXION UNIDIRECCIONAL:

Para utilizar los diagramas de interacción adimensionales para columnas rectangulares, se definen en primer lugar las solicitaciones mayoradas que actúan sobre la columna (carga axial última Pu y momento flector último Mu), se especifican las dimensiones de la columna (b, t) que fueron utilizadas en el análisis estructural, y se escoge una distribución tentativa del acero de refuerzo longitudinal, respetando los recubrimientos mínimos y la separación mínima entre varillas.

Se define, en primer lugar, la resistencia última del hormigón (f’c) y el esfuerzo de fluencia del acero (Fy), que en nuestro medio son usualmente 210 Kgf/cm2 y 4200 Kgfr/cm2 respectivamente. Ocasionalmente se utilizan hormigones de 280 Kgf/cm2 y 350 Kgf/cm2, y aceros importados en varilla con esfuerzo de fluencia de 2800 Kgf/cm2.

Se proceden a calcular dos parámetros que definen la abscisa (x) y la ordenada (y) de un punto dentro del diagrama de interacción, mediante las siguientes expresiones:

Se escoge el diagrama adimensional que mejor se ajuste a las condiciones del diseño real, y en él se identifica el punto de abscisa y ordenada anteriormente señalados.

El punto así obtenido puede coincidir sobre una de las curvas de interacción o puede ubicarse entre dos curvas de interacción, definidas para diferentes cuantías de armado (0.00, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07 y 0.08).

En el primer caso se lee directamente la cuantía de armado total r t de la curva de interacción de la columna adimensional, y en el segundo caso se interpola la cuantía de armado mediante apreciación visual o medición de longitudes.

La cuantía de armado así obtenida será la mínima requerida por la columna real para resistir la carga axial última y el momento flector último, siempre que se encuentre entre las cuantías mínima y máxima permitidas por los códigos.

En caso de ser necesario se interpolará linealmente entre los resultados de la lectura en varios diagramas de interacción.

La cantidad de acero total de la columna se obtiene mediante la siguiente expresión:

As = r t . b . t