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• Israel Orozco

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UNION VIGA-COLUMNA Los edificios aporticados de hormigón armado que presentan un buen desempeño sísmico, se caracterizan por tener la capacidad de evitar el desarrollo inesperado de un mecanismo de colapso durante un movimiento sísmico severo y al mismo tiempo por absorber la energía sísmica a través de las deformaciones inelásticas. El comportamiento de las conexiones viga-columna, tiene una incidencia directa sobre la respuesta total y la estabilidad de los edificios aporticados de hormigón armado. Así pues, una pérdida sustancial de rigidez y resistencia en esta conexión, puede generar un mecanismo de colapso local o incluso global. PRINCIPIOS BÁSICOS REQUERIDOS PARA EL DISEÑO DE LA UNION VIGA-COLUMNA   

Prevenir un fallo frágil en las conexiones. Mantener la integridad de las conexiones Reducir la degradación de la rigidez de las conexiones

FUERZAS ACTUANTES EN LA UNION VIGA-COLUMNA Las conexiones experimentan fuerzas cortantes horizontales y verticales, cuya magnitud, generalmente, es mucho mayor que las que se producen en las vigas o en las columnas. Los momentos reversibles que sufre el nudo, producen estados sucesivos de compresión y de tracción en el acero de refuerzo de las vigas, que inducen un gradiente de fuerzas, asociado a grandes esfuerzos de adherencia El nudo debe estar diseñado de tal forma que el hormigón y el acero resistan estos esfuerzos de lo contrario, se pueden producir deslizamientos del refuerzo, fallo por adherencia, que generan una disminución en la capacidad a flexión y un aumento de las distorsiones.

CRITERIOS DE DISEÑO DE LA UNIÓN VIGA-COLUMNA 1. La resistencia del nudo debe ser mayor que la resistencia máxima de las columnas y que las vigas que llegan a él. 2. La capacidad de la columna no debe verse comprometida por la posible degradación dentro del nudo. 3. Durante sismos moderados, la respuesta de los nudos debe estar preferiblemente dentro del rango elástico. 4. Las deformaciones de los nudos, no deben contribuir al aumento excesivo de las derivas entre piso. 5. Los traslapos del refuerzo deben detallarse lo más alejados posibles del nudo. El refuerzo longitudinal de las vigas no debe terminar dentro del nudo sin un anclaje adecuado. 6. El detalle del nudo debe realizarse de tal manera que facilite el ensamblaje del refuerzo y la colocación del hormigón. 7. El detalle del refuerzo transversal debe realizarse de tal manera que evite el pandeo del refuerzo longitudinal de las vigas. 8. El detalle del nudo debe realizarse de tal manera que facilite el ensamblaje del refuerzo y la colocación del hormigón.

COMPORTAMIENTO ESPERADO DE LAS UNIONES Factores más importantes a considerar en el diseño de los nudos son:    

Cortante Anclaje del refuerzo Adherencia Confinamiento del hormigón

CORTANTE Las fuerzas actuantes de tracción a lo largo de una diagonal del nudo y compresión a lo largo de la otra, causa la deformación por cortante Las cargas sísmicas generan grietas cuando las tensiones de tracción exceden a la resistencia a la tracción del hormigón. Dichas grietas diagonales se propagan por el núcleo del nudo provocando perdida de resistencia y rigidez en este La transmisión del cortante en el nudo se realiza por un mecanismo denominado puntal diagonal. Se forma en el largo de la diagonal principal del nudo como resultante de las tensiones verticales y horizontales de compresión que actúan en las secciones de vigas y columnas. Las cargas sísmicas son cíclicas y causan agrietamiento a flexión en vigas, lo cual disminuye la capacidad de estas para confinar el nudo, por lo que para proporcionar confinamiento se colocan estribos, para mantener la resistencia a corte del hormigón.

ADHERENCIA La adherencia es la resistencia al deslizamiento entre el acero y el concreto, causada por la penetración del concreto entre los resaltes de la superficie de las barras. Se ha supuesto que el deterioro de la adherencia comienza apenas el acero fluye, por lo tanto, en nudos que permanezcan elásticos la adherencia se mantiene.

Factores que afectan a la adherencia 1.- Confinamiento, transversal a la dirección de las barras, mejora la adherencia bajo solicitaciones sísmicas. 2.- Diámetro de las barras. No tienen un efecto significativo en la adherencia. En barras de tamaño normal se puede esperar una variación en la adherencia local del orden de un 10%. 3.- Resistencia a la compresión del hormigón. No es un parámetro significativo. En muchos códigos se reconoce que la adherencia local bajo carga cíclica depende principalmente de la resistencia a la tracción del hormigón, que es función de

fc ' .

4.- Distancia entre barras. Afecta de manera moderada la resistencia a la adherencia. En distancias menores que 4 db se han observados reducciones de no más de un 20%.

5.- Características de los resaltes. Es el principal factor relacionado con la adherencia que afecta la resistencia a la adherencia y el deslizamiento de las barras. CONFINAMIENTO El comportamiento exitoso de una unión viga-columna depende principalmente del confinamiento lateral del nudo. Este confinamiento tiene dos beneficios: (a) aumenta la resistencia del núcleo de concreto y mejora su capacidad de deformación, y (b) evita el pandeo hacia afuera de las barras verticales en la columna. Este puede proporcionarse bien sea mediante las vigas que llegan hasta el nudo o por flejes especiales en la columna colocados dentro de la zona de nudo. Confinamiento proporcionado por vigas El confinamiento mediante vigas, si llegan vigas a las cuatro caras del nudo, el confinamiento se considera adecuado si el ancho de cada viga es por lo menos 75% del ancho de la cara de la columna. Cuando las vigas llegan a dos caras de la unión únicamente, se puede suponer un confinamiento ideal en la dirección de las vigas si el ancho de cada una es por lo menos igual a 75% del de la columna

Confinamiento mediante el uso de refuerzo transversal Para confinar el concreto del nudo, así como los ganchos de las varillas en uniones exteriores, se debe colocar refuerzo transversal mínimo como en columnas. Al igual que en columnas, el acero lateral estará formado por estribos cerrados de una pieza, sencillos o sobrepuestos. Los estribos deben rematarse con dobleces de 135 grados, seguidos de tramos rectos de no menos de 10 diámetros de largo. La separación no debe exceder de la cuarta parte de la menor dimensión transversal del elemento, ni de 10 cm, buscando preservar la integridad del concreto.

ANCLAJE Anclaje del refuerzo longitudinal. El anclaje de las varillas es un aspecto importante. Para evitar fallas de adherencia que, afecta la rigidez y capacidad de disipación de energía de la unión. El diámetro de las barras de vigas y columnas que pasen rectas a través de la junta deben seleccionarse de manera que la dimensión del elemento en la dirección de la varilla sea cuando menos 20 veces el diámetro de ella. Barras que terminan en el nudo Toda barra de refuerzo longitudinal de vigas que termine en un nudo debe prolongarse hasta la cara lejana del núcleo de la columna y rematarse con un doblez a 90 grados seguido de un tramo recto.

MODOS DE FALLA a)

Falla dúctil por flexión en las vigas adyacentes al nodo, es decir, formación de rótulas plásticas en éstas. La rotula plástica es un dispositivo de amortiguamiento de energía, que permite la rotación de la deformación plástica de la conexión de una columna, de manera rígida. Es el modo de falla más deseable, puesto que la formación de articulaciones (rótulas) plásticas en las vigas permite la disipación de energía a través de grandes deformaciones sin pérdida de resistencia aparente de la estructura.

b) Falla dúctil por flexión en las columnas adyacentes al nodo, es decir, formación de rótulas plásticas en las columnas. Es menos deseable que el anterior, aun cuando el mecanismo es similar. La formación de rótulas en las columnas puede generar una inclinación permanente en la estructura, difícil de reparar. Además, puede verse comprometida la estabilidad de las columnas y por lo tanto la de la estructura.

c)

La pérdida del recubrimiento del acero de refuerzo longitudinal de las columnas en el núcleo del nodo. Esta falla es indeseable, básicamente porque debido a la pérdida de recubrimiento se reduce la capacidad de carga por compresión de la columna. Anclaje defectuoso entre viga y columna

d) La pérdida del anclaje del refuerzo. Este modo de falla es extremadamente inconveniente, porque impide que la estructura transmita el corte lateral.

e)

La falla por corte. Es una falla frágil indeseable. Esta falla impide la formación de las rótulas plásticas y reduce la capacidad de la estructura de disipar energía inelástica.

REFERENCIAS J. TEIXEIRA, Trabajo Especial de Grado, Diseño de nodos viga-columna en pórticos de concreto estructural, Universidad Católica Andrés Bello, pp. 8-24 R.Rochel, “Uniones viga-columna”, Analisis y diseño sisimico de edificios, segunda edición. Medellin: Fondo Editorial Universidad, 2012, pp 305-319 Capitulo IV, Descripción de fallas más comunes en estructuras de concreto reforzado y de mampostería, pp 56-58