Elaboración y Ensayos Aplicados a una Columna Circular

Concreto Fresco. Concreto Endurecido. Columnas Circulares. Esbeltez de la Columna. Práctica de Campo. Análisis de Datos

  • Enviado por: Pacominchez
  • Idioma: castellano
  • País: Guatemala Guatemala
  • 30 páginas
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INDICE

Pagina

Introducción……………………………………………………………………… 2

Objetivos…………………………………………………………………………..3

Marco Teórico…………………………………………………………………4-45

Marco Práctico……………………………………………………………….46-53

Análisis de Datos….……………………………………………………………54

Conclusiones…………………………………………………………………….55

Recomendaciones. ……………………………………………………………56

Bibliografía………………………………………………………………………..57

Apéndice………………………………………………………………………58-63

OBJETIVOS

  • GENERAL: Realizar la debida comparación de las propiedades mecánicas y físicas obtenidas en la práctica con las propiedades requeridas en la teoría, sobre la columna circular de concreto armado.

  • ESPECÍFICOS:

  • Realizar el armado para la columna.

  • Diseñar la mezcla para la columna.

  • Construir la columna.

  • Ensayar testigos a 3, 7, 28 días.

  • Verificar la resistencia del testigo a 28 días, con la resistencia que en teoría debería de dar.

  • Ensayar la columna.

MARCO TEÓRICO

COLUMNAS CIRCULARES

De manera directa, el principio de trabajo al que se expone una columna es la de soportar específicamente cargas axiales generadas por el peso que sostienen estas; en consecuencia una columna no soporta cargas de momento. Por ello, en su diseño a las columnas se les consideran ciertos rangos de excentricidad que pudieran ser provocados debido a cualquier tipo de impacto que reciban los elementos, también en caso de alguna explosión, y en el más probable de los casos, afrontar los momentos que genera un terremoto.

La carga axial provoca en el interior de la columna una expansión transversal del concreto debido a la compresión generada y transmitida por el peso que sostiene; los momentos llevan a la columna a limites de elasticidad que afectan principalmente la ductilidad del concreto la cual es altamente mínima en comparación a la del acero llevando a provocar la ruptura y deformación del elemento. La expansión es controlada mediante el confinamiento adecuado de estribos o en el mejor de los casos, el uso de zuncho en columnas circulares; la ductilidad la proporciona el acero longitudinal.

Las columnas circulares resultan ser las más apropiadas para contrarrestar las fuerzas sísmicas, y principalmente seria un buen elemento estructural para usarlo en el caso de Guatemala debido a la zona geológica en la que se encuentra el país. Quizá las limitaciones principales que evitan su uso sean las de carácter arquitectónico debido a la geometría y el espacio que ocupa además de la estética, y en otro de los casos la de factor económico debido al empleo de más concreto, más acero estructural y el uso de formaletas especiales que en conjunto incrementan el costo del elemento. La más usual aplicación de las columnas circulares es la que se puede observar en el uso de pilotes de cimentación y en columnas de pasos a desnivel y puentes

.

Las ecuaciones para calculo de columnas circulares vienen a ser las mismas que las de un análisis en columna rectangular, con la diferencia de que la forma del área sujeta a esfuerzos de compresión será un segmentó de circulo y, las varillas de refuerzo no se colocan juntas paralelas a los lados a tensión y compresión. Además también puede surgir el uso de una sección equivalente rectangular, que representaría el área de la sección circular. El factor de reducción de resistencia *, se utiliza como factor de seguridad para el cálculo de la resistencia en compresión ó flexión pura que se pueda dar en las columnas. Se utilizara un valor * de 0.70 para columnas con estribos y de * 0.75 en columnas con refuerzo en espiral. Para reducir los cálculos que se requieren en el análisis y diseño usando la excentricidad mínima, el reglamento del ACI especifica una reducción del 15% en la resistencia de la carga axial para columnas con zuncho. Aplicando el factor, la capacidad máxima nominal de carga axial de las columnas no se puede tomar mayor que Pn(max)= 0.8(.85f'c (Ag-Ast) + Astf'y).

En el aspecto del refuerzo de acero estructural de las columnas circulares se tienen los siguientes 2 elementos:

  • Para el caso del refuerzo en sentido transversal, el uso del zuncho. El estribo helicoidal, espiral o zuncho brindan más ductilidad a la columna y proporcionan un soporte mas alto para contrarrestar la carga máxima y permitir con ello deformaciones amplias que evitan el colapso total de la estructura antes de que se complete la redistribución total de los momentos debido a los esfuerzos que genera la energía transmitida; este tipo de refuerzo es obligatorio en regiones con alto riesgo sísmico. Las columnas zunchadas ofrecen un confinamiento más efectivo del concreto debido a la tracción y uniformidad de trabajo que ejercen sobre el núcleo. En cualquier caso, el diámetro mínimo del refuerzo debe ser de 3/8”.

El zuncho da una característica de soporte muy importante que en lugar de producirse el colapso de la columna, bajo este nivel de carga se produce el desprendimiento de la capa de hormigón exterior al zuncho. Simultáneamente, debido al efecto de Poisson, el zuncho entra en tensión produciéndose un efecto de compresión triaxial sobre el hormigón del núcleo, lo que permite que la columna resista cargas mayores. En las columnas circulares también puede llegar a usarse estribos circulares, los cuales dependerán del criterio final tanto respecto a factores económicos como de hechura del estribo.

  • Por otra parte el segundo elemento de la columna, el refuerzo longitudinal, ayuda a complementar y extender la ductilidad que carece el concreto por lo que se hace necesario tener un área de acero longitudinal del 1% como mínimo respecto al área total de la sección de la columna. En proporción aceptable se tiene de 1.5% a 3.0%. Para el caso de edificios un 4% de área de acero como máximo es bastante aceptable. En las columnas circulares esta área se debe distribuir como mínimo en 6 varillas longitudinales.

Para el caso de fallas en las columnas circulares, también se puede presentar como resultado de una falla en el material por la fluencia inicial del acero en la cara de tensión o por el aplastamiento inicial del concreto en la acara en compresión (falla por Columna Corta), o por la perdida de la estabilidad lateral estructural (falla por Pandeo).

Esbeltez en Columnas:

Se dice que una columna es esbelta si las dimensiones de su sección transversal son pequeñas en comparación con su longitud. El grado de esbeltez se expresa, generalmente, en términos de la relación de esbeltez L/r, donde L es la longitud y r es el radio de giro de su sección transversal, igual a. Para elementos cuadrados o circulares, el valor de r es el mismo con respecto a cualquiera de los ejes; para otras formas, r es mínimo con respecto al eje principal menor y este valor es por 10 general el que debe utilizarse en la determinación de la relación de esbeltez de una columna libre.

Se sabe que un elemento con gran esbeltez colapsará ante una carga de compresión menor que la correspondiente para un elemento más corto con las mismas dimensiones de la sección transversal. Cuando un elemento relativamente poco esbelto (o robusto), por ejemplo, con l/r = 10 (como una columna cuadrada con longitud igual a aproximadamente tres veces la dimensión h su sección transversal), está cargado en compresión axial, la falla se presenta para la carga neta dada por la ecuación (8.3) puesto que para ésta, tanto el concreto como el acero están sometida: esfuerzos equivalentes a los de su máxima capacidad de carga y fallan, respectivamente, por aplastamiento y por fluencia. Si un elemento con la misma sección transversal tiene una relación de esbeltez llr = 100 (por ejemplo, una columna cuadrada articulada en los dos extremos y con una longitud igual a aproximadamente 30 veces la dimensión de la sección), puede fallar bajo una carga axial igual a la mitad o menos de la carga que determine la ecuación. En este caso, el colapso se produce por pandeo, es decir, por un súbito desplazamiento lateral del elemento entre sus extremos, con el consecuente sobreesfuerzo del acero y del concreto causado por los de flexión que se superponen a los esfuerzos de compresión axial.

En la práctica, la mayoría de las columnas están sometidas a momentos flectores al igual que a cargas axiales. Estos momentos producen deflexión lateral entre los extremos del elemento y también pueden generar desplazamiento lateral relativo entre las uniones.

Asociados a estos desplazamientos se producen momentos de segundo orden que se suman a los momentos primarios y que pueden ser bastante grandes para el caso de columnas esbeltas, generando en ciertos casos la falla de la columna. Una columna esbelta, según una definición práctica, es aquélla para la cual existe una reducción significativa de la capacidad a carga axial a causa de estos momentos de segundo orden. Por ejemplo, en el desarrollo de las disposiciones para columnas del Código ACI se considera significativa cualquier reducción mayor que lo cercano al cinco por ciento, requiriéndose en estos casos considerar los efectos de esbeltez.

El Código ACI y su comentario contienen disposiciones detalladas que regulan el diseño de columnas esbeltas. El Código ACI 10.11,10.12 y 10.13 presenta un método aproximado para tener en cuenta la esbeltez mediante la utilización de factores de amplificación de momento. Estas disposiciones son bastante similares a las utilizadas para columnas de acero diseñadas según la especificación del American Institute of Steel Construction (AISC). Como opción, el Código ACI 10.10 considera una aproximación más fundamental en la cual el efecto de los desplazamientos laterales se tiene en cuenta de modo directo en el análisis del pórtico. Como consecuencia de la creciente complejidad del método de amplificación de momentos, con los refinamientos a que ha sido sometido en años recientes, la gran cantidad de requisitos detallados y ante la disponibilidad general de computadores en las oficinas de diseño, existe un interés creciente en los "análisis de segundo orden" como lo sugiere el Código ACI 10.10, en los cuales el efecto de los desplazamientos laterales se calcula directamente.

Como se anotó, en la práctica la mayor parte de las columnas siguen siendo cortas. El Código ACI incluye expresiones simples para determinar si los efectos de esbeltez deben tenerse en cuenta en el diseño.

  • Ejemplo del calculo de la carga, momento y excentricidad de una columna corta:

Una columna circular de 20in de diámetro esta reforzada con seis varillas 8 con una distribución uniforme calcular la carga y excentricidad para la condición de falla balanceada; la carga pn para e = 16in y la carga pn para e = 5; es una columna corta con refuerzo en espiral.

Fc= 4000 psi Fy = 60000 psi

Solución:

Para el caso a se usa el análisis a la columna rectangular equivalente

h = 16in; d= 13in; d´=3 in; b = 19.63 in; As= 2.37 in ^2;

  • Falla balanceada

  • Cb= 13(87000/(87000+60000)) = 7.69 in

    Ab= 0.85 x 7.69 = 6.54 in

    F´s= 0.003 x 29 x 10^6 (7.69-3/7.69) = 53060 psi

    Fy = 60000 psi

    Pnb = 0.85 x 4000 x 19.63 x 6.54 + 2.37 x 53060 - 2.37 x 60000 = 420045 lb

    Eb= mnb/pnb= 3404371/420045 = 8.10

    Para b y c podemos utilizar las formulas de whitney

    Ds = 20-2 x2.5 = 15

    Pg = 2x2.37/314 = 0.015

    M = 60000/(0.85 x4000) = 17.65

    Al hacer el cálculo directo con la ecuación obtenemos el valor de

    Pn= 626577lb

    Concreto Armado

    El concreto armado es un sistema constructivo formado por dos componentes muy importantes, Concreto y Acero de Refuerzo. Dependiendo de las características propias de cada obra, tanto estructurales como de la zona de construcción, así será diseñado el concreto y el armado de acero correspondiente para soportar conjuntamente esfuerzos de tensión y compresión generados entre la interacción de la estructura con el ambiente de entorno. El recubrimiento de concreto en los elementos brinda sobre el acero de refuerzo protección anticorrosivas y contra incendios.

    Las características propias más importantes de cada uno de estos dos componentes son:

    Concreto

    Es un material producto de la mezcla de un aglomerante, agregados y agua; al endurecerse esta mezcla se obtiene Concreto u “Hormigón”.

    Sin embargo, la propiedad más eficaz y por la que se prefiere su uso, es la de soportar fuertes cargas bajo efectos de compresión en las cuales el concreto pareciese aumentar su resistencia mientras más carga se aplica, obviamente según la necesidad de su uso así será entonces la mezcla más adecuada que lograra contrarrestar estas cargas de compresión. A los esfuerzos de tracción y tensión es un material altamente quebradizo, por lo que se utilizan barras de acero para resistir este tipo de cargas.

    Los materiales que se emplean para fabricar concreto, son:

    • Cemento: Este material se obtiene de la pulverización y calcinación de piedra caliza, arcilla y rocas metálicas. Es la parte más importante del concreto ya que sirve como aglomerante de todas las partículas de cada uno de los elementos que le conforman además de proporcionar una resistencia extra que fortalece la mezcla.

    • Agregados: Los agregados son la parte de material rocoso en el concreto que a su vez se dividen en Agregado Fino y Agregado Grueso.

    Los agregados finos comúnmente consisten en arena natural o piedra triturada. Los agregados gruesos consisten en una grava o una combinación de grava o agregado triturado cuyas partículas sean predominantemente mayores que 5mm y generalmente entre 9.5mm y 38mm.

      • Agua: Es el elemento final con el cual se activa el cemento y provoca entonces que se inicie una fase de hidratación para con ello unir por completo todas las partículas que formaran el concreto; el endurecimiento de la mezcla es inevitable. Se puede utilizar casi cualquier agua natural que sea potable y que no tenga sabor u olor pronunciado.

    En la fabricación del concreto es muy importante mantener un control de calidad adecuado de cada uno de los materiales que le conforman para conseguir entonces, un producto eficiente y confiable que será colocado finalmente en la estructura. Para conseguir este control puede exigirse a las fabricas, canteras, etc., a dar la garantía respectiva de que los materiales que se compran ya tienen un test de calidad para confiar el uso de estos, ó de ser necesario, pueden emplearse las normas conocidas para realizar las pruebas diseñadas con el objeto de verificar la calidad que viene a ser un factor muy importante.

    Pruebas al Concreto Fresco: Al concreto recién mezclado se le deben de realizar ciertas pruebas que son muy sencillas pero que nos ayudan a conocer el comportamiento futuro de las propiedades del mismo así como la resistencia que este puede llegar a alcanzar y el tiempo en que la alcanzara ya como elemento estructural, las pruebas son siete las cuales deben hacerse al concreto en estado fresco.

    Las pruebas que se realizan son las siguientes:

  • Obtención de muestras de concreto para ser ensayadas.

  • Medición de la temperatura del concreto fresco

  • Revenimiento en el concreto fresco elaborado con cemento hidráulico.

  • Determinación de la masa unitaria (peso Unitario)

  • Determinación del contenido de aire del concreto fresco por el método de presión

  • Determinación del contenido de aire del concreto fresco por el método volumétrico

  • Practica normalizada para la elaboración y curado en campo de especímenes de pruebas para concreto.

  • Cabe resaltar que en la actualidad un 90 % de las fallas que ocurren en el concreto se deben a la forma de colocación en la construcción ya que muchas veces cumple con estas siete pruebas básicas de diseño de concreto fresco, pero el constructor lo coloca de mala manera y por eso causan fallas en los elementos. E incluso muchas veces se debe a una mala supervisión de la obra por parte del ingeniero supervisor.

    Fraguado del Concreto: El concreto luego de ser vaciado en el encofrado correspondiente para dar forma al elemento estructural comienza un proceso denominado Fraguado, el cual corresponde al momento en que el concreto deja su estado fluido y pasa a endurecer mediante la continua hidratación y reacción de los componentes químicos del cemento. Es necesario controlar esta evaporación para evitar fisuras internas en el concreto.

    Según el tipo de cemento así varia el lapso de fraguado, que en el caso del cemento Portland normal, comienza de entre 45 minutos de colocado y culmina alrededor de 12 horas después.

    Curado del Concreto: Debido a las reacciones provocadas durante el fraguado donde se pierden las partículas de agua que ocupaban un espacio inicial de la mezcla, se necesita aún mantener un nivel de humedad que servirá para terminar el secado respectivo ayudando a que se continué la hidratación de las partículas de cemento que lo necesiten.

    A este proceso se le conoce como Curado, donde se trata que disminuyan los poros capilares en el concreto por medio de la hidratación en un tiempo definido para que se contenga la humedad necesaria sobre la superficie a curar, así como el control de la temperatura en todo el elemento. Existen diferentes métodos que se usan según la necesidad de la obra así como del presupuesto disponible para ello.

    Aproximadamente el concreto alcanza las siguientes proporciones de resistencia desde el primer día de realizada la mezcla y curado: