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