Tipos de Columnas y Fundaciones en Construcción: Materiales y Seguridad

Composición Estructural: Columnas de Acero y Hormigón Armado

Columnas de Acero

Las columnas de acero son elementos estructurales con forma tubular, generalmente vacías por dentro. Son más económicas en comparación con otros materiales y se caracterizan por tener una sección regular a lo largo de la pieza debido a su proceso de fabricación. Sin embargo, es crucial controlar el espesor de la pared para evitar el pandeo local de la chapa.

Tipos de Columnas de Acero

1. Perfiles Laminados: Poseen alta resistencia. Debido a su esbeltez, la falla por pandeo es más probable que la falla por rotura. Se busca armar perfiles compuestos para mejorar las prestaciones con respecto al pandeo. Existen muchos perfiles que pueden ser normalizados o no normalizados. Tienen muy buena inercia del material, porque están desplazados del centro (UPN, IPN, WF).
2. Columnas Compuestas: Formadas por la combinación de perfiles laminados. Por ejemplo, al combinar dos UPN se obtiene una mejor inercia.
3. Celosías o Reticulados: Formadas por perfiles laminados vinculados entre sí mediante barras que forman triangulaciones. Estas barras arriostran las piezas, logrando disminuir la esbeltez de las mismas al tener un mayor módulo de inercia. Se busca alivianar y mejorar el comportamiento a la compresión a partir de formar triángulos con el material. El triángulo isósceles es un elemento indeformable.

Columnas de Hormigón Armado

El hormigón es ideal para resistir la compresión, pero en las columnas no siempre las cargas están aplicadas en el centro, ni están perfectamente comprimidas. Por lo tanto, se combina el hormigón con acero para que no sufran flexión ni torsión debido a estas cargas excéntricas. El acero tiene una alta resistencia a la compresión. El hormigón se coloca como recubrimiento, se ubica en el exterior porque se busca que la armadura de acero sirva para resistir las torsiones. Tienen secciones rectangulares o prismáticas que dependen del encofrado y el molde.

• Acero Longitudinal: Colabora con la resistencia del hormigón. Se coloca lo más próximo a la cara para aumentar la inercia de la misma.
• Acero Transversal (Estribos): Genera una confinación de la sección del hormigón. Evita el pandeo al disminuir la longitud de pandeo. Además, mejora la resistencia a la torsión y contiene al hormigón armado. Estas armaduras de acero transversales, colocadas cada 20/30 cm, reducen la longitud de pandeo. Además, la armadura cumple la función de contener al hormigón, logrando una mayor resistencia de la columna. Todas las barras deben tener estribos para evitar que se muevan de lugar y trabajen correctamente a la compresión.

Seguridad Estructural: Incertidumbre y Falla

La seguridad estructural está directamente relacionada con el concepto de incertidumbre y la posibilidad de falla. En cualquier diseño estructural, existen diversos factores que no pueden preverse con exactitud, como variaciones en los materiales, condiciones ambientales, cargas imprevistas o errores en los modelos de cálculo. Estas incertidumbres generan dudas sobre el comportamiento real de la estructura frente a las cargas a las que estará sometida.

Para minimizar el riesgo de falla debido a estas incertidumbres, se introduce un factor de seguridad. Este factor es una medida conservadora que garantiza que la estructura tenga una resistencia superior a la requerida. De esta forma, la relación entre la resistencia real de la estructura y la resistencia demandada por las cargas previstas sigue la fórmula:

Resistencia real (diseño) ≥ Resistencia requerida (cargas aplicadas)

El factor de seguridad, por lo tanto, compensa las incertidumbres, asegurando que la estructura no falle incluso si las condiciones reales difieren de las previstas en el diseño.

Acciones y Seguridad Estructural: Reglamentos CIRSOC e INPRES-CIRSOC

Las acciones son las cargas que va a soportar la estructura en su vida útil. Los reglamentos CIRSOC e INPRES-CIRSOC (Centro de Investigación de los Reglamentos de Seguridad para las Obras Civiles) clasifican los distintos tipos de acciones y proporcionan valores mínimos de las máximas intensidades esperables en la vida útil. También existen acciones particulares valorizadas por el proyectista fuera del reglamento.

Tipos de Acciones

1. Acciones Permanentes: Tienen pequeña variación en la vida útil, con tiempo de aplicación prolongado.

• Peso propio de la estructura o de elementos permanentes.
• Deformaciones impuestas por el proceso constructivo.
• Fuerzas resultantes de procesos de soldadura (uniones).
• Acción de líquidos.
• Asentamiento de apoyos.
• Pesos de maquinarias adheridas o fijas a la estructura de valor definido.

Acciones Variables: Tienen elevada probabilidad de actuación, variaciones frecuentes y continuas no despreciables en relación con su valor medio.

• Ocupación y uso (cargas útiles y sobrecargas).
• Acciones térmicas climáticas (viento, nieve, hielo).
• Montaje.
• Acciones de líquidos.
• Peso y empuje lateral del suelo y del agua del suelo.
• Acciones térmicas generadas por equipos.
• Cargas útiles en techo.

Acciones Accidentales: Tienen pequeña probabilidad de actuación pero con valor significativo.

• Sismo de ocurrencia excepcional, tornados, explosiones, movimiento de suelos, avalanchas de nieve o piedras.
• Impacto de vehículos aéreos y terrestres.

Composición Estructural: Vigas de Hormigón Armado en Flexión Simple

En una viga de hormigón armado sometida a flexión simple, las compresiones y tracciones se distribuyen en diagramas de igual tensión. La cabeza del hormigón está solicitada a compresión, mientras que el nervio (parte inferior de la viga) que contiene la armadura está solicitado a tracción. El alma, junto con los estribos y el hormigón, toma el corte.

El corte se comporta como si fuera una viga reticulada, por lo que se coloca armadura superior, inferior o principal, y estribos. No es necesario armar toda la viga para el momento máximo; se puede diseñar una sección para este momento y, a partir de ese punto, alivianar la armadura. Cuando las luces son grandes, se incrementa el uso de hormigón y acero.

Fundaciones de Estructuras: Fundaciones Superficiales

Las fundaciones de estructuras, también conocidas como cimentaciones, son los elementos de una construcción encargados de transferir las cargas de la estructura al suelo de manera segura y eficiente. Su función principal es distribuir el peso de la estructura, incluyendo las cargas permanentes, variables y accidentales, de tal manera que el suelo pueda soportarlas sin sufrir fallas o deformaciones excesivas.

Fundaciones Superficiales

Las fundaciones superficiales se encuentran a poca profundidad y se pueden alcanzar con una excavación a cielo abierto, sin necesidad de maquinaria especial. Son adecuadas cuando el suelo puede soportar la estructura y repartir las tensiones sin problemas.

Tipos más Usados de Fundaciones Superficiales

1. Zapatas Aisladas: Son el soporte de las columnas, con una forma geométrica sencilla (generalmente cuadrada). La extensión inferior puede ser ensanchada, con una superficie tal que la tensión de apoyo sea menor o igual a la tensión admisible del terreno. Sus partes son: talón, salud y tronco. Desde el suelo hacia arriba, primero está el terreno, seguido por una capa de hormigón pobre que separa el suelo de la armadura para evitar el contacto directo. Encima, se colocan pedazos de ladrillo como topes para separar la malla del hormigón. Luego, se instala la parrilla de malla y se vierte el hormigón, formando un talud que es la caída natural del material. La parte del hormigón que queda entre la línea punteada del talud y la base solo sirve de relleno, sin contribuir a la resistencia estructural. Lo que está por debajo del nivel del suelo se llama tronco.
2. Zapatas Combinadas o Compuestas: Se combinan elementos geométricos simples para optimizar el uso del suelo. Se emplean cuando las bases aisladas se solapan o cuando se desea vincular una base aislada con carga excéntrica a una base interior para repartir la carga. También se utilizan para evitar asentamientos diferenciales entre dos bases aisladas y por razones de economía constructiva.
3. Zapatas Corridas o Continuas: Tienen las mismas características que las zapatas aisladas, pero su longitud es mayor que su ancho y soportan cargas lineales, como muros. La viga central se extiende a lo largo del muro, ayudando a distribuir las cargas y asentamientos de manera uniforme. Además, se vinculan mediante encadenados que conectan una viga con otra, mejorando la distribución de las deformaciones.
4. Plateas o Placas Corridas: Ocupan toda la superficie y consumen más material, por lo que son menos económicas, pero trabajan en conjunto para controlar asentamientos diferenciales. Tienen un espesor uniforme, aunque puede adaptarse en ciertas zonas según las cargas que soportarán. Se utilizan cuando hay cargas diferentes entre muros y columnas cercanas o en suelos peligrosos que requieren una acción de puente o rigidización. En superficies grandes, es crucial hacer juntas constructivas para evitar fisuras cuando las placas trabajen juntas y proteger la estructura. Además, antes de rellenar con hormigón, se debe planificar la ubicación de las bocas de desagüe, ya que todos los caños quedarán cubiertos.

Fundaciones de Estructuras: Fundaciones Profundas

Las fundaciones de estructuras, también conocidas como cimentaciones, son los elementos de una construcción encargados de transferir las cargas de la estructura al suelo de manera segura y eficiente. Su función principal es distribuir el peso de la estructura, incluyendo las cargas permanentes, variables y accidentales, de tal manera que el suelo pueda soportarlas sin sufrir fallas o deformaciones excesivas.

Fundaciones Profundas

Las fundaciones profundas trasladan las cargas a estratos profundos a través de capas no aptas para fundar. Debido a su profundidad, se pueden encontrar problemas de estabilidad o de agua, por lo que hacerlas a cielo abierto es complejo o excesivo. Trabajan por compresión debido al apoyo del suelo, por fricción lateral (longitud mayor que la columna) y no pandean debido a que están contenidas por la tierra contra el hormigón.

Tipos más Usados de Fundaciones Profundas

1. Pilotes: Son columnas cilíndricas de hormigón armado, esbeltas porque el suelo circundante les brinda soporte. Se instalan desplazando el suelo y pueden ser aislados o conectados mediante un cabezal rígido que distribuye las cargas. Pueden tener o no ensanche y requieren maquinaria para su construcción.
2. Pilotes Hincados: Son elementos prefabricados que se instalan golpeándolos con un martinete, desplazando completamente el suelo. Se utilizan en terrenos arenosos para comprimir los espacios vacíos entre las partículas del suelo, y se hincan desde el centro hacia los perímetros. Tienen un sombrerete de madera dura que recibe los impactos para proteger el hormigón.
3. Pilotes Pre-excavados y Colocados In-situ: Se instalan sin desplazar el terreno. Se excava un cuenco para colocar el acero, evitando el contacto directo con el suelo mediante pequeños taquitos para prevenir la corrosión, y luego se vierte el hormigón.
4. Pilotes Excavados con Lodos Bentoníticos: Permiten perforar a grandes profundidades y diámetros sin necesidad de revestimiento provisional, utilizando una suspensión de bentonita en agua que impermeabiliza las paredes de la excavación. Este método es ideal para suelos con alta presencia de agua, ya que previene el desmoronamiento del pozo. El lodo se recupera y regenera durante el hormigonado, y puede reutilizarse para otros pilotes.
5. Pozos Romanos: Se hacen a mano o mediante excavación mecánica. Son de hormigón armado, aunque no todos llevan armadura. Tienen diámetros mayores a los pilotes (aproximadamente 1 metro) y se puede hacer uso de lodos bentoníticos.
6. Pilas: Son poco comunes, similares a las zapatas aisladas pero en profundidad. La columna se construye en un pozo entubado. Se usan cuando se busca aislar el cuerpo de la pila de los movimientos del suelo, o como soporte de mantos que se excavarán posteriormente.

Estructuras Metálicas: Importancia de la Fluencia del Acero

La fluencia del acero es una propiedad deseable en las estructuras metálicas porque, si un punto alcanza la tensión de fluencia, fluirá sin aumentar la tensión, impidiendo una falla, ya que los esfuerzos se redistribuyen. En la construcción, el acero se utiliza en la zona plástica con deformaciones permisibles, aprovechando su reserva de deformación plástica. Gracias a sus propiedades de ductilidad y tenacidad, el acero puede absorber más energía y resistir sobrecargas y golpes repentinos sin llegar a la fractura. La fluencia permite al acero redistribuir los esfuerzos en la estructura, evitando fallas catastróficas.

Hormigón Armado: Componentes y Funciones

El hormigón armado es un material compuesto que combina las propiedades del hormigón y el acero para crear elementos estructurales resistentes y duraderos. A continuación, se describen los componentes del hormigón armado y sus roles:

1. Cemento: Es el aglomerante o material de unión que da cohesión a la mezcla.
2. Agua: Necesaria para que el cemento reaccione y fragüe, pero debe usarse en la cantidad justa, ya que el exceso reduce la resistencia.
3. Agregados Pétreos: Son materiales granulares (como piedras) que refuerzan la mezcla. Sus propiedades (como resistencia y porosidad) influyen en la calidad del hormigón.
4. Aditivos (opcionales): Modifican las propiedades del hormigón, como el tiempo de fraguado, para adaptarlo a diferentes condiciones.
5. Acero: Es el refuerzo que convierte al hormigón en hormigón armado. Al ser un material dúctil que resiste bien la tracción, se combina con el hormigón (que resiste mejor la compresión) para mejorar su comportamiento frente a esfuerzos de tracción y compresión.