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:

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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.

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El perfil tubular sirve a la vez de encofrado y de refuerzo para el hormigón. No son necesarios encofrados adicionales para el hormigón. 1

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El relleno con hormigón del perfil tubular no requiere equipos especiales diferentes a los utilizados en los trabajos habituales de hormigonado.

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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. 3

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.

4

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. 6