ALGUNOS TRASCÁMARAS DE LA INGENIERÍA SISMORRESISTENTE. PARTE II: LOS PIES DE LA ESTRUCTURA «COLUMNAS» #CONVERSATORIO STEM-ESPANOL #PROMOVIENDO UNA CULTURA SISMORRESISTENTE

in StemSocial8 months ago (edited)

PRESENTACIÓN

En esta oportunidad retomo los temas asociados al fascinante mundo de la Ingeniería Sismorresistente, y que mejor manera de hacerlo en una actividad que la sub-comunidad de StemSocial como lo es STEM-ESPANOL realiza de forma constante como lo representan los CONVERSATORIOS, un espacio donde compartimos diversidad de saberes, reuniendo en este sentido esta publicación aquellos que se disertaron el pasado viernes 31 de julio, donde se abordó el tema de COLUMNAS, centrando la atención principalmente hacia el problema de COLUMNAS CORTAS.

Imagen N°01: presentación del conversatorio


Fuente:@eliaschess333, año.2020. Notas: esquema conceptual elaborado por el autor con ayuda de las herramientas Microsoft Power Point y Paint. La imagen presentada es extraída de pixabay: https://pixabay.com/es/photos/edificio-de-la-f%C3%A1brica-hall-f%C3%A1brica-3337207/

Adicionalmente en el siguiente video podrás disfrutar de todos los detalles de esta interesante experiencia.

Video N°01: conversatorio STEM-ESPANOL

Fuente: @eliaschess333, año: 2020. Nota: video elaborado por el autor con ayuda de las herramientas computacionales Camtasia Studio 8, Adobe Audition 3.0. Los esquemas conceptuales que se presentan fueron elaborados por el autor con las herramientas Microsoft PowerPoint y Paint

Procedamos a plasmar las principales ideas de cada uno de los tópicos disertados, los cuales al mismo tiempo tienen una versión extensa, de forma tal que estudiantes y profesionales afines puedan profundizar en cada una de estas temáticas expuestas. La finalidad de esta publicación al igual que como lo fue la del conversatorio, es que todos mis queridos lectores se lleven este mensaje: las estructuras no se comportan como las proyectamos, sino como las construimos.

COLUMNAS CORTAS ¿UN MAL NECESARIO?

El conversatorio inició haciendo reflexionar a la audiencia sobre el esquema conceptual de la imagen N°02, con la intención de dar respuesta a la interrogante: ¿las columnas cortas son un mal necesario? De las edificaciones resaltadas por los recuadros de color “rojo” específicamente la de la izquierda (una estructura realmente nueva, recién construida), vemos como el problema de columna corta se pone de manifiesto al igual que la estructura de la derecha que tiene años de construida.

Imagen N°02: falla de columna corta ante sismo

Fuente:@eliaschess333, año.2020. Notas: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft Power Point y Paint. Las imágenes resaltadas por el recuadro de color “rojo” fueron capturadas con mi Redmi Note V. 7A. Las imágenes resaltadas por los recuadros de color “negro” son cortesía del prof. Norberto Fernández del postgrado Ingeniería Sismorresistente de la Universidad Central de Venezuela.

Lo anterior expuesto conduce a pensar en la falta de promoción de una cultura sismorresistente, que evidencie lo peligroso que puede resultar este problema de columna corta cuando la estructura es sometida a sismos de elevada magnitud (ver imágenes de la derecha) y así adoptar soluciones prácticas como las resaltadas por el óvalo de color “amarillo” donde el muro se aleja de la interacción de la columna, al mismo tiempo que es confinado para garantizar su estabilidad ante fuerzas opuestas a su plano.

ENFOQUE DIDÁCTICO Y CUALITATIVO DEL PROBLEMA DE COLUMNA CORTA

En esencia una columna corta se produce cuando es restringida la libre deformación de la misma ante cargas laterales que provienen del sismo, es decir, esta acción es la que realzará el problema de columna corta dado que para cargas gravitacionales este problema no sería relevante. Ahora bien, detallemos el esquema conceptual de la siguiente imagen:

Imagen N°03: abordaje cualitativo del problema de columna corta


Fuente: @eliaschess333, año.2020. Notas: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft Power Point y Paint. Las imágenes resaltadas por los recuadros de color “negro” fueron capturadas con mi Redmi Note V. 7A. Las imágenes resaltadas por los recuadros de color “rojo” fueron dibujadas usando el programa AUTOCAD 2010.

Se tiene entonces que el comportamiento dúctil es el caso ideal, en el que la columna una vez alcance la cedencia comience a disipar energía en el rango de comportamiento inelástico, materializado en una acumulación de daño controlado alejado del colapso repentino de la misma. Es la condición para la cual la columna fue diseñada, el problema entonces surge cuando a los alrededores de la misma se colocan elementos no estructurales (paredes) reduciendo la altura libre de deformación, lo cual se aleja de las concepciones del diseño inicial, es decir, la nueva columna corta será exigida a una demanda mayor de cortante dúctil por la concentración de rigidez que originan las paredes, pero evidentemente esa columna no ha sido preparada para tal condición, por lo que para el evento sísmico para el cual fue diseñada su conducta tenderá a un comportamiento frágil, como las mostradas en la imagen N°02 para un sismo ocurrido en Taiwán. Te invito a la lectura de la referencia N°03 para que profundices en este interesante abordaje didáctico y cualitativo del problema de columnas cortas.

Adicionalmente conviene acotar que en los ejemplos cualitativos y cuantitativos que vamos a estar abordando, el sistema estructural se caracteriza por poseer un grado de libertad estático y un grado de libertad dinámico, es decir, partimos de cosas sencillas en cuyo cálculo podemos omitir al computador, para posteriormente adentrarnos en aplicaciones más complicadas.

DIAGRAMAS DE INTERACCIÓN: UN IMPRESCINDIBLE MEDIO DE COMUNICACIÓN CON LAS COLUMNAS

Los diagramas de interacción constituyen un medio gráfico de elevada practicidad para estudiar las combinaciones de esfuerzos de compresión y flexión que pueden originar un comportamiento dúctil o frágil en la columna que se estudia.En la referencia N°06 explico los pasos para construir estos diagramas de forma manual, y así afines el sentido crítico al analizar aquellos que arrojan las herramientas computacionales.

Imagen N°04: importancia de los diagramas de interacción

Fuente: @eliaschess333, año.2020. Notas: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft Power Point y Paint. La imagen presentada fue capturada con mi Redmi Note V. 7A. Los gráficos fueron desarrollados con la herramienta computacional Microsoft Excel.

Tal como se señaló al inicio del post, centraremos la atención en las COLUMNAS CORTAS, en ese sentido es interesante el uso de los diagramas de interacción alternativos en los cuales la coordenada relativa al momento es calculada en base al aporte a la resistencia al corte tanto del concreto como del acero para los distintos estados de falla, es decir: compresión pura, falla balanceada, flexión pura y tracción pura. En la referencia N°08 puedes aprender a construir este tipo de diagramas, los cuales al interceptar al diagrama de interacción original reducen su área útil, hecho que se materializa en menores posibilidades de combinaciones de carga axial y momento flector que garanticen un comportamiento dúctil en la columna, de allí la carita de preocupación en el diagrama de la parte izquierda, representativo del caso de una columna corta, cuya combinación de esfuerzos resaltada por el óvalo de color “rojo” produciría una falla por corte; hecho que no ocurre en el diagrama de la derecha donde a esa misma columna se le respeta su altura libre de deformación.

EL PROTAGONISMO DEL ACERO DE REFUERZO TRANSVERSAL EN LAS COLUMNAS

En el desarrollo del conversatorio utilizamos la metáfora de la faja para abordar la importancia del acero transversal en las columnas, ya que una de sus funciones viene a ser más o menos similar, y está asociada al confinamiento del núcleo de concreto, evitando su ensanchamiento ante los esfuerzos de compresión a los que la columna en cuestión es sometida.

Imagen N°05: acero de refuerzo transversal en columnas

Fuente:@eliaschess333, año.2020. Notas: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft Power Point y Paint. Las imágenes presentadas fueron capturadas con mi Redmi Note V. 7A. El gráfico fue desarrollado con la herramienta computacional Microsoft Excel.

Otra función es la de servir de soporte a las barras longitudinales (las cuales puedes apreciar en la sección transversal de la anterior imagen donde están ejemplificadas con monedas), ya que precisamente allí estas se amarran. Finalmente una función de gran trascendencia es que el acero responsable de aportar la resistencia al corte, es precisamente el acero transversal, y cuando este es calculado para garantizar un comportamiento sismorresistente de la columna, entran en juego una serie de criterios que se enfocan en visualizar a la columna en un estado último de falla, con la consecuente formación de rótulas plásticas (comportamiento dúctil), y con los momentos responsables de originar ese estado lo cuales además se amplifican, se obtiene un cortante “Ve” que en teoría va a ocurrir después de la falla a flexión, de allí a que el acero transversal diseñado a partir de este parámetro parte de la filosofía de la prevención de los mecanismos de falla frágil (corte) y favorecer los mecanismos de falla dúctil (flexión). Te recomiendo la lectura de la referencia N°04 para que profundices en las labores de diseño que orientan la obtención de la cantidad de acero de refuerzo transversal.

ESPACIAMIENTO DEL ACERO DE REFUERZO TRANSVERSAL EN LAS COLUMNAS

No sólo se trata de determinar la cantidad de acero de refuerzo transversal que requiere una columna visualizada desde el enfoque de la Ingeniería Sismorresistente, es necesario distribuir ese acero de la mejor forma a lo largo del miembro, donde entran en juego conceptos de un adecuado espaciamiento, y zonas de la columna donde este será menor (aquellas ubicadas en la cercanía de los nodos). En la imagen que sigue se ilustran gráficamente estas ideas:

Imagen N°06: importancia del espaciamiento del acero transversal

Fuente:@eliaschess333, año.2020. Notas: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft Power Point y Paint. La imagen presentada fue capturada con mi Redmi Note V. 7A. Los gráficos fueron desarrollados con la herramienta computacional Microsoft Excel. Los dibujos resaltados por los recuadros de color “negro” se realizaron en el programa AUTOCAD 2010.

Sin embargo, indistintamente de un adecuado diseño y disposición del acero transversal, si al momento de construir no se considera la presencia de paredes alrededor de las columnas, el problema de columnas cortas surgirá, y por ende ya no será efectivo el diagrama de interacción en toda su área (ver gráfico de la derecha y la respectiva carita de preocupación), de allí la principal moraleja de este conversatorio: las estructuras no se comportan como las proyectamos, sino como las construimos. Si deseas descubrir más detalles en torno al espaciamiento del acero de refuerzo transversal, la lectura de la referencia N°05 te puede encaminar hacia ese cometido.

LOS PROGRAMAS NO TIENEN POR QUÉ SER UNA CAJA NEGRA

El conversatorio decidí cerrarlo con este tópico, representativo de mi postura ante los programas de cómputo que se utilizan en el cálculo estructural. Postura que me fue transmitida por mi profesor Oscar López del postgrado de Ingeniería Sismorresistente de la Universidad Central de Venezuela, y que queda plasmada en la siguiente idea: LOS PROGRAMAS NO TIENEN POR QUÉ SER UNA CAJA NEGRA.

@eliaschess333 ¿a qué te refieres con Caja Negra?

Primero que todo te invito a que analicemos el esquema conceptual de la siguiente imagen:

Imagen N°07: uso de programas de cómputo vs. Cálculo manual

Fuente: @eliaschess333, año.2020. Notas: esquema conceptual elaborado por el autor, con ayuda de las herramientas Microsoft Power Point y Paint. Los gráficos fueron desarrollados con la herramienta computacional Microsoft Excel. Las imágenes resaltadas por los recuadros de color “rojo” son una captura de pantalla del programa SAP-2000.

Cuando utilizo el término “CAJA NEGRA” me refiero al hecho de que muchas veces se ignora lo que los programas hacen internamente, de allí la interesante idea de desarrollar ejemplos a mano, de una complejidad mínima, por ejemplo, pórticos de un grado de libertad dinámico y un grado de libertad estático, y después contrastar resultados con los obtenidos a través del uso de la herramienta computacional, lo cual despierta un gran sentido crítico en la interpretación de los resultados que esta arroja, incluso para ejemplos más complejos. Además, del ejemplo en estudio (pórtico de un grado de libertad dinámico y un grado de libertad estático) es importante la cantidad de expresiones prácticas que se derivan al analizar como viajan las fuerzas a lo largo de la estructura. Me llama mucho la atención que los principios que rigen esta ecuación:

Están presentes en el diseño por corte abordado brevemente en el tópico concerniente a “EL PROTAGONISMO DEL ACERO DE REFUERZO TRANSVERSAL EN LAS COLUMNAS”. Si eres estudiante de ingeniería sismorresistente o profesional en el área, estoy convencido de que el desarrollo de estos ejemplo van a agudizar tu sentido crítico, y puedes comenzar este entrenamiento profundizando en la referencia N°07 .

CONCLUSIONES

Antes que todo me siento muy agradecido por la oportunidad que me brinda el proyecto STEM-ESPANOL de liderar esta importante actividad como lo son los conversatorios, siendo el sexto a mi cargo a lo largo de mi trayectoria dentro de la comunidad, hacia la cual espero haber podido transmitir este mensaje: las estructuras no se comportan como las proyectamos, sino como las construimos. Derivándose de acá las siguientes conclusiones enfocadas a los pies de la estructura, es decir, las COLUMNAS:

01.-Las columnas en conjunto con las vigas, son los elementos representativos de un pórtico, y metafóricamente pasan a constituir como los pies del mismo, por lo que debemos garantizar su comportamiento dúctil ante la ocurrencia de sismos severos.

02.-Las columnas no actúan de forma independiente, no debemos olvidar que la estructura es un cúmulo de elementos que actúan en equipo, y por ende se apoyan entre sí. Así que en el sistema estructural que nos ocupa, al estar en las labores de diseño sismorresistente, se definen ordenes de fallas, donde se deja de último a las columnas.

03.-Una adecuada disposición del acero de refuerzo transversal, será trascendental para evitar mecanismos de falla frágil (por corte) y por ende favorecer mecanismos de falla dúctil (formación de rótulas plásticas).

04.-Las columnas cortas son un problema que podemos evitar en el proceso constructivo, y por ende favorecer mecanismos de falla dúctil, tanto del elemento en cuestión como de la estructura en general.

05.- Es importante desarrollar un sentido crítico reflexivo hacia el manejo de los programas de cómputo, realizando ejemplos sencillos como los presentados; así podemos contrastar resultados obtenidos de forma manual con los arrojados por la herramienta computacional.

Espero hayas disfrutado de la lectura de esta publicación y despertado tu inquietud para seguir avanzando en el estudio de estos temas, por lo que en lecturas recomendadas se encuentra la versión extensa de gran parte de los tópicos disertados, lo cual es una muestra de mi trabajo realizado hacia promover una cultura sismorresistente bajo el lema de “EDUCAR MÁS ALLÁ DE LOS MUROS DEL AULA”. Nos leemos en una próxima oportunidad.

@eliaschess333


FUENTES DE INFORMACIÓN CONSULTADAS

01.- NORMA VENEZOLANA. PROYECTO Y CONSTRUCCIÓN DE OBRAS EN CONCRETO ESTRUCTURAL. FONDONORMA 1753:2006

02.-NILSON ARTHUR. DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO. DUODÉCIMA EDICIÓN. MCGRAW-HILL INTERAMERICANA, S.A.1999

LECTURAS RECOMEDADAS


03.- @eliaschess333 (2019). ABORDAJE DIDÁCTICO DE LOS MECANISMOS DE FALLA FRÁGIL EN UNA COLUMNA DE CONCRETO ARMADO DESDE EL ENFOQUE DE LA INGENIERÍA SISMORRESISTENTE. PARTE I. Disponible en:https://hive.blog/steemstem/@eliaschess333/abordaje-did-ctico-d-1550429801

04.- @eliaschess333 (2019). ABORDAJE DIDÁCTICO DE LOS MECANISMOS DE FALLA FRÁGIL EN UNA COLUMNA DE CONCRETO ARMADO DESDE EL ENFOQUE DE LA INGENIERÍA SISMORRESISTENTE. PARTE II. Disponible en:https://hive.blog/steemstem/@eliaschess333/abordaje-didactico-de-los-mecanismos-de-falla-fragil-en-una-columna-de-concreto-armado-desde-el-enfoque-de-la-ingenieria

05.- @eliaschess333 (2019). ABORDAJE DIDÁCTICO DE LOS MECANISMOS DE FALLA FRÁGIL EN UNA COLUMNA DE CONCRETO ARMADO DESDE EL ENFOQUE DE LA INGENIERÍA SISMORRESISTENTE. PARTE III. Disponible en https://hive.blog/steemstem/@eliaschess333/abordaje-did-ctico-d-1552842954

06.- @eliaschess333 (2018). APRENDIENDO A CONSTRUIR EL DIAGRAMA DE INTERACCIÓN DE UNA COLUMNA DE CONCRETO ARMADO. APLICACIONES EN LA INGENIERÍA SISMORESISTENTE. Disponible en: https://hive.blog/stem-espanol/@eliaschess333/aprendiendo-a-construir-el-diagrama-de-interaccion-de-una-columna-de-concreto-armado-aplicaciones-en-la-ingenieria

07.- @eliaschess333 (2018). ANÁLISIS DE EDIFICACIONES DESDE EL ENFOQUE DE LA INGENIERÍA SISMORESISTENTE A TRAVÉS DE ESPECTROS DE DISEÑO VENEZOLANOS, SEGÚN COVENIN 1756-1:2001. Disponible en: https://hive.blog/stem-espanol/@eliaschess333/analisis-de-edificaciones-desde-el-enfoque-de-la-ingenieria-sismoresistente-a-traves-de-espectros-de-diseno-venezolanos-segun

08.- @eliaschess333 (2018). ESTUDIO DEL EFECTO DE COLUMNA CORTA EN EDIFICACIONES DE CONCRETO ARMADO, DESDE EL ENFOQUE DE LA INGENIERÍA SISMORESISTENTE. Disponible en: https://hive.blog/stem-espanol/@eliaschess333/estudio-del-efecto-de-columna-corta-en-edificaciones-de-concreto-armado-desde-el-enfoque-de-la-ingenieria-sismoresistente-con-el

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Excelente trabajo, Elías. Posee un buen nivel técnico y ello es de especial ayuda para los aprendices y profesionales del área.

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Excelente resumen del conversatorio en stem-espanol. Cabe resaltar lo importante del vídeo para los que no pudieron asistir al conversatorio. Saludos.


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Saludos @eliaschess333, excelente conversatorio muy explicito e interesante, a pesar de no ser del área me quedo muy claro los elementos que socializaste ! seguimos en comunicación compañero y muchos éxitos en las labores que desempeña.

Saludos @amestyj que alegría tenerte por acá. Agradecido por la receptividad, y me contenta saber que los conceptos abordados fueron digeridos con éxito. A seguir creciendo y avanzando en la producción de contenido de calidad.

Un tema excepcional que captó la atención de todos los presentes y la interacción fue buenisima. Un tema muy importante debido a que últimamente y sobre todo en los países suramericanos estamos presentando muchos temblores y a la hora de realizar una estructura, los consejos de Elías son excelente! Gracias a nuestro colaborador del area de ingenieria por darnos esta clase magistral

Como bien lo señalas @carloserp-2000 son consejos que representan parte de los trascámaras que involucra el diseño sismorresistente de una estructura, un proceso totalmente laborioso donde buscamos que la estructura tenga la mejor conducta ante el sismo, representada en líneas generales por un comportamiento dúctil. De allí la importancia de que se construya tal como fue proyectada. Agradecido con STEM-ESPANOL por la oportunidad brindada para dirigir este importante encuentro semanal como lo son los CONVERSATORIOS.

Felicidades @eliaschess333 por este conversatorio donde traes a la comunidad aspectos relacionados a la ingeniería sismorresistente y las columnas, tan importantes para darle soporte a la estructura y resistir el sismo.

Respecto a lo que mencionas sobre los programas de cálculo estructural es cierto, uno debe hacerse responsable de los datos que introduce, pero también de verificar lo que el programa hace, y los parámetros que el mismo está utilizando. Aunque también a veces el programa contiene parámetros que no están claros en su definición, y uno debe investigar hasta lo más profundo de la Norma y en internet a ver que significan. Sin embargo, en términos generales, se puede hacer una verificación mediante las ecuaciones y métodos que el programa utiliza.

La imagen N°7 ilustra todo el proceso de cálculo y análisis estructural, desde el espectro donde se halla la fuerza del sismo, el despiece de las fuerzas internas y luego los diagramas y deformadas mediante el programa. Es una imagen muy completa.

Buen trabajo, gracias por compartir esto. Un saludo! Estoy viendo lo que me perdí por falta de conexión en YouTube.

Amigo @acont gracias por el apoyo. Extendiendo el comentario sobre los programas, podemos decir que son una gran ayuda, pero nunca hay que dejar de lado nuestra preparación. Por ejemplo, el programa nos puede decir la cantidad de acero de una columna, pero la distribución del mismo recae en nuestro criterio y nuestra preparación, evidentemente amparados de las especificaciones normativas para tal fin. Me contenta mucho que te haya gustado la imagen N°07, es realmente motivador. Saludos y a seguir inundando la blockchain de HIVE con contenido de calidad!

Eso también es un punto muy importante. El detallado es lo que está en manos de nuestra experiencia y sabiduría. Quizás dentro de algunos años los programas ya sean capaces de realizar por nosotros el detallado, si es que no lo hacen ya.

Pero es responsabilidad del Ingeniero de conocer como fluyen los esfuerzos en la estructura y colocar el acero en el sitio adecuado. El detallado del acero es sin duda un arte.

Así es @acont todo un arte, y la experiencia del calculista es clave. Estoy muy agradecido con la vida de haber recibido clases de excelentes profesores en la UCV durante el desarrollo de mi postgrado de Ingeniería Sismorresistente.