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COLUMNAS DE PERFILES TUBULARES DE ACERO
RELLENAS DE HORMIGÓN
Las columnas mixtas de acero y hormigón, especialmente las de perfiles tubulares de acero
rellenos de hormigón, presentan una importante serie de ventajas en el campo de la
arquitectura, estructural y económico, las cuales son muy valoradas por los diseñadores
actuales y por los ingenieros de la construcción. Aunque últimamente su uso se ha
incrementado de forma sustancial en Europa y que ya hace unas cuantas décadas que se
utilizan en las estructuras de los edificios, su empleo en España no pasa de ser esporádico y
sujeto a la intuición en lo referente a su forma de ejecución y su diseño. Algunos de los
aspectos cualitativos, que marcan las preferencias de los arquitectos y de los profesionales del
mundo de la construcción, aparecen detallados a continuación:
-
El relleno de hormigón proporciona a
los perfiles tubulares mayor rigidez y
mayor capacidad de soportar carga,
por
tanto
con
estéticas
columnas
esbeltas se pueden soportar mayores
cargas sin incrementar las dimensiones
externas.
Edificio comercial con columnas de perfil tubular
rellenas de hormigón de 200 x 200 x 5, con
exigencia de R30.
intensificar
Este
resultado
mediante
el
se
puede
uso
de
armaduras de refuerzo.
-
La superficie útil resultante por planta es
mayor, gracias a las reducidas dimensiones de
las columnas.
-
La estructura de acero es visible y transparente. El acero visible permite un diseño
arquitectónico con colorido diverso. Tanto los
costes del pintado como los de protección
frente a la corrosión, como por ejemplo pulverizaciones, pinturas, etc. son bajos debido a
la reducida superficie externa de las columnas.
-
El perfil tubular sirve a la vez de encofrado y de refuerzo para el hormigón. No son
necesarios encofrados adicionales para el hormigón.
1
-
El relleno con hormigón del perfil tubular no
requiere equipos especiales diferentes a los
utilizados en los trabajos habituales de
hormigonado.
-
La ganancia de resistencias del hormigón no
condiciona el desarrollo de la construcción.
El tiempo necesario para el ensamble y
montaje es reducido y sin esperas.
-
El
Perfil relleno de hormigón preparado para ensayo de
fuego.
núcleo
de hormigón incrementa el tiempo de resistencia
frente al fuego de las columnas de perfiles
tubulares. Usando la correspondiente cuantía de armaduras, las columnas de perfiles tubulares pueden
resistir frente al fuego durante más de 90 minutos.
En esta situación no se necesita protección externa
frente al fuego para dicho perfil.
-
Rara vez surgen problemas con los nudos debido a
las avanzadas técnicas de ensamble que se emplean
en la ingeniería estructural en la actualidad. Esto
Ensayo de columna
sometida a fuego natural.
exterior
permite la prefabricación en taller y el ensamble
seco en obra.
DISEÑO
DE
COLUMNAS
DE
PERFILES
TUBULARES
RELLENAS
DE
HORMIGÓN.
Las columnas mixtas son una combinación de las columnas de hormigón y de las de acero
reuniendo las ventajas de ambos tipos de columnas. Las columnas mixtas tienen una mayor
ductilidad que las de hormigón y se pueden construir uniones siguiendo las técnicas de la
construcción con acero. El relleno de hormigón no sólo proporciona una capacidad de
soportar cargas mayor que la de las columnas de acero sino que también potencia la
resistencia frente al fuego.
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En lo referente a la ductilidad y a la capacidad de
rotación, las columnas de perfiles tubulares rellenos de
hormigón ofrecen un funcionamiento óptimo al
compararlas con otros tipos de columnas mixtas. El
hormigón queda sujeto por el perfil de acero y no se
puede desagregar aunque se alcance el límite
resistente del hormigón.
Método de cálculo según el Eurocódigo 4.
El cálculo de las columnas mixtas se debe hacer para
los estados límites últimos. Bajo las más desfavorables
combinaciones de acciones, el cálculo tiene que
demostrar que la resistencia de la sección no supera su
Comparación de esbeltez de columnas
en construcción en la que se cambia de
perfil a mitad de obra.
límite y que la estabilidad global queda asegurada.
El método simplificado se basa en las curvas europeas
de pandeo respecto a la influencia de la inestabilidad y
en las curvas de interacción de esfuerzos de la sección transversal en lo que respecta a la
determinación de la resistencia de la sección. También se tienen en cuenta el cambio en la
rigidez de un elemento debido a la plastificación del acero estructural y las fisuras que se
forman en el hormigón traccionado. El campo de aplicación de este método de cálculo está
limitado a valores de la esbeltez relativa de λ ≤ 2,0.
En el estado límite último se supone que la sección ha alcanzado toda su capacidad resistente.
Para asegurar que esto es posible sin que se
produzca ningún fallo previo por causa de una
inestabilidad local de las zonas delgadas de la
sección transversal, se limita la relación límite
entre el canto y el espesor en la sección. Estos
límites tienen en cuenta que el pandeo de las
paredes de las secciones rellenas de hormigón
sólo es posible hacia el exterior, lo que permite
utilizar perfiles más esbeltos que si fuesen sólo
de acero. Los límites se han tomado basándose
Perfiles tubulares
rellenados en obra.
preparados
para
en clasificar los perfiles rellenos de hormigón en la clase 2.
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ser
La relación entre el área de las armaduras
y el área de la sección transversal de
hormigón se limita al valor ρ = 4%. Puede
que sea necesaria una mayor cuantía de
armaduras para el cálculo resistente frente
al fuego, pero no se tiene en cuenta para el
cálculo cuando se utilice el método
Elementos temporales para posicionamiento, soporte
del forjado prefabricado, rellenado de hormigón y
fabricación de la viga.
simplificado del Eurocódigo 4. Si la
armadura debe participar en la capacidad
resistente frente a cargas, la cuantía
mínima de la armadura debe de ser ρ = 0,3%.
El efecto de confinamiento para los perfiles tubulares circulares se puede tener en cuenta
incrementando el sumando referido a la resistencia del hormigón y minorando el de la
resistencia del acero. Existen limitaciones con respecto a la esbeltez relativa y a la
excentricidad para poder considerar este efecto.
FABRICACIÓN DE COLUMNAS DE PERFIL TUBULAR RELLENAS DE
HORMIGÓN.
Relleno con hormigón de los perfiles tubulares.
El relleno con hormigón de columnas de
perfil
tubular
circular,
cuadrado
o
rectangular se puede llevar a cabo en el
taller o a pie de obra, dependiendo de las
condiciones existentes.
Se dan las siguientes recomendaciones
con respecto a la preparación del perfil
Detalle de conexión al forjado antes de realizar el
forjado.
tubular de acero, las armaduras y el
hormigón para la operación de rellenado
con hormigón.
Columnas de perfil tubular.
1.
Las columnas de perfil tubular relleno de hormigón deben tener pequeños agujeros de
ventilación en las paredes con el fin de evitar que la columna estalle bajo la presión de
vapor originada por la evaporación durante un incendio.
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2.
La transferencia de carga en las columnas
rellenas de hormigón de un edificio de varias
plantas se puede producir, de forma sencilla, a
través de placas de testa, las cuales actúan
como un pasador que lleva a cabo la
transmisión de la carga.
3.
La superficie interior de los perfiles tubulares
debe estar libre de agua y otras impurezas antes
del rellenado con hormigón. Sin embargo, no
Edificio de oficinas en Toulouse, columnas de 250 x
250, y resistencia de 90 minutos
necesita ninguna preparación especial.
Armaduras.
1.
Por razones prácticas (instalación y colocación del hormigón), no se recomienda usar
armaduras en secciones inferiores a 200 mm (de diámetro o ancho) para rellenado a pie
de obra, ni en inferiores a 160 mm para rellenado en taller.
2.
Las armaduras deben tener un recubrimiento de hormigón que depende del tamaño
máximo de la grava “D” medido con tamiz. La separación entre la armadura y la
superficie interna de la pared del perfil tubular debe estar entre 1,5 D y 2,0 D con un
recubrimiento de hormigón máximo de entre 2,5 y 5 cm. Puede que para el cálculo frente
al fuego la armadura necesite de recubrimientos especiales.
Hormigón.
1.
La mezcla de hormigón se prepara de forma que tenga suficiente colabilidad. Se
recomienda utilizar mayores contenidos de arena y cemento (junto con relaciones agua cemento bajas) y reducir el tamaño máximo de la grava.
2.
El diámetro máximo de la grava “D” está restringido en función de las dimensiones del
perfil, el radio ficticio de la armadura, la distancia entre barras longitudinales y la
distancia entre éstas y la pared del perfil.
3.
El cemento que se suele utilizar es cemento Pórtland. Son habituales los tipos resistentes
de hormigón C35, C45 y C55 (resistencia a los 28 días ≥ 35 ó 45 ó 55 MPa).
4.
Los aditivos que pueden producir corrosión en el acero deben estar excluidos, como por
ejemplo cloruro de calcio. Sin embargo, se recomienda el empleo de plastificantes y
fluidificantes.
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Uniones viga a columna de perfil tubular relleno de hormigón.
Las uniones de columnas de perfil tubular relleno de
hormigón con vigas suelen ser parecidas a las de las
columnas de perfiles tubulares corrientes. Las
uniones que llevan la carga por el acero en las
columnas de perfil tubular relleno de hormigón
únicamente se pueden emplear para cargas pequeñas.
Para cargas mayores se aplica una disposición mixta.
Se suelda una espiga a la placa frontal de la columna,
ésta se inserta en el perfil tubular por un orificio
Detalle de unión a vigas prefabricadas. Los
soportes se protegerán contra el fuego
taladrado y, por último, se rellena la columna de perfil tubular con hormigón.
DISEÑO A FUEGO DE COLUMNAS DE PERFIL TUBULAR RELLENAS DE
HORMIGÓN.
Durante un incendio, la distribución de
temperaturas resultante en una columna
de SHS vacía, ya sea con o sin
protección externa, es más o menos
uniforme.
Por
el
contrario,
el
comportamiento al calentamiento de una
columna de SHS rellena de hormigón es
significativamente diferente: al combinar
Edificio de oficinas en Neuilly, cerca de París, en
hormigón y columnas de perfil tubular relleno de
hormigón (150 x 150 y 60 minutos).
materiales con conductividades térmicas
muy
diferentes,
se
produce
un
comportamiento con transitorios de calentamiento acusados y fuertes diferencias de
temperatura a través de la sección transversal.
A causa de estos diferenciales las columnas de SHS rellenas de hormigón pueden calcularse
para que tengan una resistencia al fuego de hasta 120 minutos o más sin protección externa.
Sin embargo, no pueden utilizarse los modelos simples de cálculo para el diseño a fuego
basados en el factor de forma (masividad) Am/V. Es necesario un método especial de cálculo a
fuego que tenga en cuenta las diferentes características térmicas de los diferentes materiales y
el calentamiento transitorio resultante.
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