Investigadores de la UAM exponen aquí los resultados de una serie de pruebas en columnas de concreto reforzadas con camisas de acero sujetas a carga axial y carga transversal alternante. El objetivo de las mismas fue determinar si el comportamiento de la columna era adecuado y si su resistencia a fuerza cortante se podía calcular con los procedimientos usuales.
Oscar
M. González Cuevas, José Juan Guerrero Correa, Bernardo Gómez González
y Felix Alberto Flores Díaz.
A partir de 1985, muchos edificios dañados por los sismos ocurridos en
ese año, o edificios que sin haber sufrido daños debieron ser reforzados,
se han reparado y/o reforzado con camisas de acero, consistentes en ángulos
de acero colocados en las aristas verticales de las columnas, unidos mediante
soleras transversales colocadas en toda la altura del elemento.
No se tiene evidencia experimental de que el comportamiento de estas columnas
corresponda a lo que se supone teóricamente, y en especial se tienen dudas
de que los procedimientos constructivos usuales permitan lograr un trabajo
satisfactorio del elemento original y su camisa (Iglesias y otros, 1988).
El Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal de la Ciudad
de México (RCDF-93) no establece una normatividad específica respecto
a este tema, por lo que no se estipulan disposiciones mínimas para llevar
a cabo este tipo de rehabilitación.
En este artículo se presentan los resultados de una segunda serie de ensayes
encaminados a estudiar experimentalmente el comportamiento de columnas
reforzadas de la manera antes descrita, en las cuales las soleras se precalientan
y se procede a soldarlas a los ángulos. Los ensayes se diseñaron de tal
manera que las columnas fallasen por fuerza cortante.
Este trabajo forma parte del proyecto de investigación "Resistencia a
fuerza cortante de columnas de concreto reforzadas con camisas de acero"
(González C. y otros, 1998), el cual, en su primera etapa, consideró como
variables el tamaño de los ángulos y las placas transversales que constituían
la camisa, y cuatro distintos procedimientos constructivos: uso de resina
epóxica para pegar los ángulos al concreto, sujetarlos a presión antes
de soldar las soleras, combinar ambos procedimientos y soldar las soleras
sin pegar ni presionar los ángulos.
Descripción del proyecto
Especímenes de ensaye.
Se elaboraron y ensayaron 20 especímenes de concreto reforzado. La sección
transversal fue de 20 x 25 cm y la altura de 150 cm (figura 1).
El refuerzo longitudinal consistió en cuatro varillas del núm. 6, y los
estribos fueron fabricados con varillas del núm. 3. Ya que se buscaba
que la fuerza cortante fuese resistida por el concreto y las soleras,
los estribos se colocaron principalmente en la zona de empotramiento,
y uno a la mitad de la zona de prueba y otra al final de la misma.
El concreto utilizado tenía una f'´c de 200 kg/cm2 y el acero una fy de
4,200 kg/cm2. El encamisado de acero consistió en ángulos colocados en
las aristas de la columna unidos mediante soleras en toda la altura, ambos
con un fy de 2,530 kg/cm2.
Los ángulos empleados fueron de ángulos cuya área transversal equivalía
a la cuantía mínima de refuerzo longitudinal de la columna especificada
en las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras
de Concreto (NTCC-96) del RCDF-93.
El ángulo utilizado para satisfacer la condición de cuantía mínima especificada
fue uno de lados iguales de 3.2 cm de ancho y 0.3175 cm de espesor, con
área transversal de 1.93 cm2. Las soleras usadas fueron de 2.54 cm de
ancho por 0.3175 cm de espesor.
La soldadura que unía las soleras a los ángulos se diseñó de tal manera
que se desarrollara el esfuerzo de fluencia en aquéllas sin que fallase
la soldadura.
De esta manera se buscaba alcanzar la resistencia a cortante del elemento
encamisado. Las soleras se colocaron espaciadas cada 15 cm, de acuerdo
con los cálculos elaborados. Las columnas se empotraban en sus extremos
inferiores una longitud de 50 cm.
La carga vertical y horizontal se aplicaba en el extremo superior, de
tal manera que la longitud de ensaye de 100 cm representaba la mitad de
una columna de 200 cm a escala normal, cuyo punto de inflexión se supone
a la mitad de su altura.
Variables estudiadas.
Las variables estudiadas fueron la manera en que influye el precalentado
en las soleras, la cual es posible utilizarla en algunas ocasiones en
la práctica, con el objetivo de estudiar la manera en que influye en el
comportamiento del elemento encamisado.
En total se elaboraron 20 elementos, que presentaban las siguientes características:
a) Soleras con 90º de temperatura al momento de soldarlas
b) Soleras con 70º de temperatura al momento de soldarlas
c) Soleras con 50º de temperatura al momento de soldarlas
d) Soleras a temperatura ambiente al momento de soldarlas Se elaboraron
cinco especímenes con cada una de estas combinaciones.
A continuación se describe el procedimiento constructivo para las distintas
combinaciones de variables.
Elementos con soleras a 90º de temperatura al momento de encamisarse
(ECMIN90).
Las soleras se colocaban en el horno eléctrico y se llevaban a una temperatura
superior a la especificada, ya que se tomó en cuenta que sacarlas del
horno, colocarlas en la posición por soldar y el proceso mismo de soldado
implicaba un tiempo durante el cual disminuía la temperatura.
En este sentido, pasaba alrededor de un minuto y medio entre sacarla del
horno y terminar el proceso de soldadura. Para determinar la temperatura
a la cual debería estar el horno, se tomaron lecturas de la temperatura
en las soleras después de estar minuto y medio fuera de él, de tal manera
que se pudo establecer mediante este mecanismo la temperatura en el horno
para asegurar que, en el momento de soldar, las soleras éstas tuvieran
la temperatura especificada.
Previamente se colocaban los ángulos en cada una de las aristas y, por
medio de un anillo de sujeción de acero, se fijaban a la columna, esto
con el objetivo de colocarlas en su posición final en el encamisado y
recibir las soleras (figuras 2 y 3).
Elementos con soleras a 70º de temperatura en el momento de encamisarse
(ECMIN70) y 50º (ECMIN50)
. El proceso fue similar al anterior, únicamente que se varío la temperatura
de precalentado.
Elementos con soleras a temperatura ambiente en el momento de encamisarse
(ECMIN0).
El proceso consistió en fijar los ángulos sobre las aristas de la columna
de concreto y sujetarlos con el anillo de acero únicamente para mantenerlos
en la posición adecuada mientras se soldaban las soleras.
Cálculos teóricos
Para hacer una comparación entre la resistencia teórica de las columnas
respecto a las resistencias obtenidas experimentalmente, se calcularon
los diagramas momento-curvatura, para el elemento, así como su resistencia
a fuerza cortante
. Al obtener los diagramas momento-curvatura fue posible establecer la
máxima carga que podría aplicarse en el elemento de concreto para asegurar
que su falla fuera por cortante y no por momento. Asimismo, fue posible
calcular la deformación teórica que experimentaría este elemento.
A continuación, se presentan los resultados obtenidos.
Diagramas momento-curvatura.
Estos diagramas fueron calculados utilizando un programa de cómputo elaborado
por los autores.
En dicho programa se considera la zona de compresión discretizada en pequeñas
porciones. En cada una de ellas se calculan las deformaciones unitarias,
y con el Modelo de Kent y Park Modificado (Park, 1975) se calculan los
esfuerzos a los que se encuentran sometidas. Cabe aclarar que este modelo
considera el efecto del confinamiento proporcionado al concreto por los
estribos o por las soleras.
Para cada tipo de espécimen se calcularon dos diagramas distintos que
difieren en el modelo utilizado para describir el comportamiento del acero.
En uno de ellos, denominado teórico, se considera que el acero fluye indefinidamente
al alcanzar una deformación unitaria de 0.002, mientras que en el segundo,
denominado real, se considera que el acero experimenta endurecimiento
por deformación al alcanzar una deformación unitaria de 0.1171 (Rodríguez
y otros, 1994).
En ambos casos se considera que el elemento falla cuando se aplasta el
concreto. Por lo que respecta a la contribución de los ángulos en las
columnas encamisadas, se consideró un área equivalente debido a la diferencia
entre los esfuerzos de fluencia del acero de refuerzo respecto al acero
estructural.
Los diagramas momento-curvatura obtenidos de la manera antes descrita
para la columna se presentan en la figura 4. A partir del diagrama momento-curvatura
de la columna, se calcularon sus deflexiones teóricas para distintas etapas
de carga.
En la figura 5 se muestran estos resultados.
Resistencia a fuerza cortante. Para el cálculo de la resistencia a
fuerza cortante de la columna se utilizaron las expresiones establecidas
en las NTCC-95. De acuerdo con las normas, la resistencia a fuerza cortante
fue de 9,650 kilogramos.
Dispositivo de cargas.
Para llevar a cabo estas pruebas se utilizó un marco rígido de acero que
se encuentra en el Laboratorio de Estructuras de la Universidad Autónoma
Metropolitana, al cual se le hicieron las adecuaciones necesarias para
colocar el elemento que se iba a ensayar y los gatos que iban a transmitir
las cargas especificadas al elemento (figura 6).
Resultados experimentales
Los resultados obtenidos durante el trabajo experimental para cada uno
de los tipos de elementos estudiados se muestran a continuación.
Elementos con soleras a 90º de temperatura al momento de encamisarse
(ECMIN90).
En estos elementos se presentó una falla a cortante, permaneciendo el
ángulo colocado en las aristas sin ningún desplazamiento respecto a ésta.
Las soleras no presentaron problema alguno, ni la soldadura colocada para
unirlas con los ángulos.
Elementos con soleras a 70º de temperatura al momento de encamisarse (ECMIN70).
En estos elementos también se presentó una falla por cortante; sin embargo,
el ángulo colocado en las aristas se deslizó respecto a las columnas 1
mm en promedio. No obstante esta situación, las soleras no presentaron
daño alguno ni tampoco la soldadura de unión con los ángulos.
Elementos con soleras a temperatura ambiente al momento de encamisarse
(ECMIN0).
En estos elementos también se presentó una falla por cortante; sin embargo,
el ángulo colocado en las aristas se deslizó respecto a las columnas 5
mm en promedio. No obstante esta situación, las soleras no presentaron
daño alguno, ni tampoco la soldadura de unión con los ángulos. En las
figuras 7 a 46 se presentan los esquemas de falla de los elementos ensayados
así como las respectivas gráficas carga-deformación obtenidas. Las columnas
sobrepasaron la resistencia teórica de 9,652.5 kg, sin importar el grado
de precalentamiento en las soleras, deteniéndose la aplicación de la carga
cuando ésta alcanzó un valor de 11,130 kg, carga que correspondía con
el máximo aplicado por el dispositivo de cargas. Es importante hacer notar
que, en general, cuando se llegó a los 11,130 kg de carga lateral, los
elementos presentaban grietas de 3 mm de espesor, que corresponde a daño
grave en este tipo de elementos. En la tabla 1 se presenta información
relativa a los desplazamientos de la camisa de acero durante el ensaye
de cada uno de los elementos.
Análisis de resultados
De acuerdo con los resultados obtenidos en esta serie de pruebas, se pueden
hacer los siguientes comentarios:
a) El método de refuerzo de columnas con camisas de acero basado en ángulos
longitudinales y soleras transversales incrementa tanto su resistencia
a fuerza cortante como su ductilidad, por lo que se puede considerar un
método satisfactorio.
b) Los elementos encamisados con ángulos correspondientes a la cuantía
mínima de acero alcanzaron la resistencia a cortante calculada, presentándose
una falla por cortante en el elemento de concreto, sin importar el precalentamiento
en las soleras. Asimismo, los desplazamientos correspondientes a la carga
de falla fueron superiores a los teóricos.
c) La camisa de acero en los elementos con soleras soldadas a una temperatura
de 90º trabajó adecuadamente, ya que no se presentó desplazamiento relativo
alguno, o sea, no deslizó el ángulo sobre el concreto. Sin embargo, esta
situación no se reflejó cuantitativamente en los resultados obtenidos,
ya que las resistencias experimentales fueron similares a las de columnas
con una preparación diferente en las soleras.
d) La camisa de acero en los elementos con soleras soldadas a una temperatura
de 70º, 50º, y a temperatura ambiente, experimentaron un corrimiento promedio
de 1, 2 y 5 mm respectivamente. No obstante este comportamiento, sobrepasaron
la resistencia esperada.
e) Las expresiones de las NTCC-95 utilizadas para determinar la resistencia
a cortante de vigas se pueden aplicar también a columnas encamisadas como
las ensayadas en este proyecto.
f) Los resultados obtenidos hasta este momento indican que puede ser conveniente
utilizar el precalentado en las soleras para lograr un mejor trabajo en
conjunto de la camisa de acero. Sin embargo, su efecto consistió en evitar
el deslizamiento de los ángulos sobre el concreto más que en incrementar
la resistencia a fuerza cortante.
Agradecimientos
Los trabajos llevados a cabo no hubieran sido posibles sin el apoyo otorgado
por las autoridades de la Universidad Autónoma Metropolitana y por las
autoridades de la Secretaría de Obras y Servicios del Gobierno del Distrito
Federal, quienes financiaron este proyecto. Asimismo, se hace un reconocimiento
a los técnicos académicos Leopoldo Quiroz Soto y Antonio Piña Reyes, quienes
tuvieron a su cargo la instrumentación y preparación de los diferentes
equipos requeridos; y al alumno de la Universidad José Daniel Miranda
Cid, quién realizó su tesis de licenciatura de la carrera de ingeniería
civil en este proyecto de investigación.
Referencias
González Cuevas, O., J.J. Guerrero Correa, B. Gómez González, y F.A. Flores
Díaz (1998), "Resistencia a fuerza cortante de columnas de concreto reforzadas
con camisas de acero" / Primera etapa, XI Congreso Nacional de Ingeniería
Estructural, Monterrey, Nuevo león. vol. II, pp. 812-821.
González Cuevas, O. y F. Robles (1995). Aspectos fundamentales del concreto
reforzado, Limusa, México, p. 165.
González Cuevas, O. y J. Iglesias (1995), Lessons and research in repairing
concrete structures damaged by earthquakes, Proceedings of the Conference
"Repair and Rehabilitation of the Infrastructure of the Americas", Editor:
H. A. Toutanji, University of Puerto Rico, Mayaguez, pp. 57-71.
Iglesias, J., F. Robles, J. de la Cera y O. González Cuevas (1985), Reparación
de estructuras de concreto y mampostería, Universidad Autónoma Metropolitana
/ Unidad Azcapotzalco, México, pp. 102-103.
Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras
de Concreto (1996), Departamento del Distrito Federal, México.
Park, R. Y T. Paulay (1975), Reinforced concrete structures, Wiley and
Sons, New Zealand. Rodríguez, M.y J.C. Botero (1994), "Aspectos del comportamiento
sísmico de estructuras considerando las propiedades mecánicas de aceros
de refuerzo producidos en México", IX Congreso Nacional de Ingeniería
Estructural, Zacatecas, pp. 302-311
Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C.
Revista Construcción y Tecnología
Enero 2001
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