Nociones sobre los nodos viga-columna de las estructuras de concreto estructural

Una junta viga – columna se define como el volumen de concreto común a dos o mas miembros que se intersectan. Es equivalente al nodo estructural.

Las juntas viga-columna son muy importantes en el desempeño global de la estructura. Su resistencia debe ser mayor que la resistencia de los miembros que se vinculan a ella, pues un prematuro agotamiento del núcleo de la junta puede impedir que se desarrollen mecanismos de disipación de energía que se proponen en el diseño moderno, las fallas en las juntas son difíciles de reparar y podrían conducir al colapso de la estructura.

Hasta hace algunos años, las juntas no eran tomadas en cuenta en el diseño sismorresistente. Sin embargo, de la observación de los efectos en las estructuras de los sismos ocurridos recientemente, se ha determinado que algunos han sido producto de fallas las juntas viga-columna en sistemas estructurales de pórticos, unos casos por problemas constructivos y otros por deficiencias en el detallamiento.

Las juntas viga-columna debe ser bien diseñadas y detalladas, de tal manera que los miembros conectados puedan desempeñarse apropiadamente. El deterioro de la rigidez en las juntas puede conducir a grandes desplazamientos y la posibilidad de colapso debido a los efectos P-Delta.

El diseño de las juntas viga-columna tiene como principales objetivos:

1. Preservar la integridad de la junta de tal manera que las capacidades de deformación y resistencia de las vigas y columnas vinculadas puedan ser desarrolladas durante un evento sísmico.
2. Prevenir la degradación excesiva de la rigidez de la junta bajo cargas sísmica minimizando el agrietamiento del concreto en la junta y la perdida de adherencia entre el concreto y las barras longitudinales de la viga y la columna, y
3. Prevenir la falla frágil por corte en la junta.

El primer requisito puede cumplirse con un adecuado confinamiento del concreto de la junta. El segundo puede ser tratado con un adecuado anclaje o con suficiente longitud de transferencia de tensiones del refuerzo longitudinal de viga y columna. El tercer requisito exige que la junta tenga suficiente resistencia al corte para resistir la demanda de fuerzas cortantes impuestas por los miembros conectados.

El ACI 318 limita la resistencia teórica al corte horizontal en el núcleo de la junta está limitado por valores máximos que toman en cuenta la resistencia del concreto y el refuerzo transversal se determina por requisitos de confinamiento.

CLASIFICACIÓN DE LAS JUNTAS VIGA – COLUMNA

Las juntas pueden clasificarse según: a) el Nivel de Diseño, b) el grado de confinamiento, y c) por su configuración o ubicación en la estructura.

Clasificación por Nivel de Diseño Es una clasificación en atención a los requisitos de disipación de energía durante la historia cíclica de carga inelástica durante un sismo. El Nivel de Diseño condiciona los requisitos de diseño por corte y el detallado de los aceros longitudinales que llegan al nodo así como el acero transversal de confinamiento dentro del nodo. Según el ACI 318-14 [Ver al final del presente texto los requisitos de los nodos viga-columna según el Nivel de Diseño]

• Juntas con ND1, deben cumplir con las Subsecciones 15.4.2.1 y 15.4.2.2
• Juntas con ND2 , deben cumplir con la Sección 18.4.4.el Artículo 18.9
• Juntas con ND3, deben cumplir con el Artículo 18.8

Clasificación por el grado de confinamiento

En nodos confinados y no confinados. Un nodo se considera confinado cuando en todas sus caras llegan miembros confinantes. Un miembro se considera confinante cuando cubre al menos 3/4 de la cara del nodo

Clasificación por configuración

Otra forma de clasificación comúnmente utilizada depende de la forma que se disponen las vigas que llegan a la junta, clasificando las juntas de la siguiente manera:

1. Junta de esquina en pórticos unidireccionales.
2. Junta de esquinas en pórticos bidireccionales.
3. Juntas internas en pórticos unidireccionales.
4. Juntas externas en pórticos bidireccionales.
5. Juntas internas en pórticos bidireccionales.

MECANISMO DE FALLA

Hemos señalado anteriormente, que la junta es difícil de repara y además puede conducir a la ruina o falla catastrófica de la estructura, por ello debemos conocer los diferentes modos de fallas que son posibles en el renglón de la conexión viga-columna, y que se expresan a continuación:

1. Falla dúctil por flexión en las vigas adyacentes a la junta, es decir formación de rotulas plásticas en las vigas. Es el modo de falla más deseable, la formación de rótulas plásticas en la viga permite la disipación de energía a través de grandes deformaciones inelásticas sin pérdida de resistencia aparente de la estructura.
2. Falla dúctil por flexión en las columnas adyacentes a la junta, es decir formación de rotulas plásticas en las columnas. Es menos deseable que el anterior, aún cuando el mecanismo es el mismo. La formación de las rótulas en las columnas puede generar una inclinación permanente difícil de reparar y además puede comprometer la estabilidad de las columnas y por lo tanto la estructura.
3. La pérdida del concreto que cubre los refuerzos longitudinales de la viga y columna en el núcleo de la junta.
4. La pérdida de anclaje del refuerzo, especialmente en las juntas donde es extremadamente inconvenientes, porque impide que la estructura siga transmitiendo el corte lateral. Durante el evento sísmico las barras longitudinales de las vigas son traccionadas por una cara de la junta y empujadas por la cara opuesta de la misma junta. De manera que puede resultar excesivamente fisurado el concreto, siendo incapaz de transferir las tensiones de adherencia que se le exige al acero de refuerzo que sobrepasa las tensiones de cedencia.
5. La falla del corte. Los modos de falla 3 a 5 son indeseables, no solo por la perdida en la capacidad de absorber y disipar energía de la estructura sino también por acelerar la falla catastrófica o ruina, producto de la gran fragilidad que generan estás formas de fallas. Existen suficientes razones para garantizar que un adecuado confinamiento (refuerzo transversal y/o elementos perpendiculares a la junta) permite retardar el debilitamiento de la conexión evitando el prematuro agrietamiento diagonal, dando más vida a la banda compresora de concreto diagonal, impidiendo el pandeo del refuerzo a compresión y prolongando la resistencia del núcleo confinado de la junta.

Finalmente, cualquier tipo de falla que evite que se generen los mecanismos de defensa apropiados en pórticos dúctiles de concreto armado será en contra de la seguridad de la estructura. En otras palabras, las fallas frágiles en las juntas impedirán la formación de las tan aceptadas articulaciones plásticas y por lo tanto la reducción en la capacidad de disipar energía inelástica.

Nota sobre los requisitos de los nodos viga-columna según el Nivel de Diseño La norma venezolana Fondonorma 1753-2006, basada en el ACI 318-05 y 318-08 es más explícita en el caso de los Niveles ND1 y ND2.

Para el ND1 rige el Artículo 11.10 que establece que el acero de refuerzo no será menor del calculado con (Vu-Vc) / Fy  0.79 (Fc) 0.5 bw d , en una altura no menor de la de los miembros horizontales que se conectan al nodo. Se exceptúan de este requisito los nodos restringidos por las cuatro caras por vigas o losas de altura aproximadamente iguales.

En el Articulo 18.9 se establece que para el ND2 rigen los mismos requisitos del ND3 según el Artículo 18.5, Excepto que los momentos teóricos se calcularán con 1.1 Fy y que el corte de las columnas no será menor al determinado por el análisis. La tensión en los acero de refuerzo a tracción de las vigas se calculará con 1.1 Fy y el de las columnas con Fs = Fy.

RECOMENDACIONES DE DISEÑO DE JUNTAS VIGA _ COLUMNA

La clave para diseñar pórticos es que las conexiones vigas columnas. o juntas, permanezcan esencialmente elásticas a través de la historia de carga para asegurar la estabilidad lateral de la estructura. Si las juntas exiben deterioración de resistencia y rigidez a causa de las cargas sísmicas, el colapso debido a los efectos P- Delta, o a la formación de mecanismos cinemáticos pueden ser inevitables.

A continuación se enumeran algunas recomendaciones conceptuales a fin de diseñar y detallar las juntas vigacolumna.

1. Usar en lo posible barras de refuerzo longitudinal de diámetros menores. Esta recomendación implica una mayor resistencia a la adherencia del refuerzo. Sin embargo debe hacerse con moderación, ya que a mayor cantidad de barras existe la posibilidad de producir un congestionamiento indeseable desde un punta de vista constructivo.
2. En los extremos de las vigas, usar aproximadamente la misma cantidad de refuerzo arriba y abajo. Puede hacerse disminuyendo el refuerzo superior y aumento el refuerzo inferior, es decir una redistribución de momento.
3. Debe utilizarse el mayor número de barras de refuerzo longitudinal como sea posible, de manera que no ocurra congestionamiento en la junta. Se recomienda que se coloquen por lo menos tres por caras separadas aproximadamente a 20 cm. En el caso de las junta de las columnas en el nivel techo, se requiere especial atención ara que los aceros de refuerzo longitudinal de vigas y columna terminen y se anclen en ese nodo.
4. Separar las ligaduras al máximo permitido normativamente para evitar en lo posible el congestionamiento del refuerzo.
5. Cuando no se cumplan los requisitospor corte en las juntas viga – columna, se puede optar por:
   • a) Aumentar la sección de la viga disminuyendo así la tensión que actúa en ella.
   • b) Aumentar la sección de la columna, aumentando así el área de la junta y por lo tanto su resistencia al corte.
   • Otra opción válida, cuando con anterioridad sabemos que la junta no puede cumplir con los requisitos antes expuestos, es analizar el pórtico articulando las vigas, de manera que la demanda de flexión sea mínima.
6. Una recomendación de carácter conceptual, es alejar la localización de las rótulas plásticas en la viga de la cara de la junta, con lo cual las tensiones en los refuerzos en la junta no alcanzan la tensión cedente (fs  Fy), disminuyendo así el corte actuante en la junta y permitiéndole que se comporte elásticamente.
   • Entre las maneras de relocalizar las rotulas plásticas en las vigas de la cara de la junta, tenemos:
     • a. Disponiendo cartelas en los extremos de las vigas
     • b. Doblando las barras longitudinales de los lechos superior e inferior de manera a una distancia igual a la altura total de la viga medida desde la cara de la junta, se encuentren formando una diagonal Las evidencias experimentales neozelandesas revelan que la relación entre la máxima fuerza cortante para momentos positivos y la correspondientes a momentos negativos, asociados a la rotulación condiciona la fuerza cortante máxima que puede ser absorbida por los estribos. De modo que cuando Vu/bd > 0.95 2  r* Fc se requieren barras de refuerzo diagonales en una o dos direcciones. 5
     • c. Aumentando las cantidades de refuerzo tanto superior, inferior y de paramento de la siguiente manera, teniendo en cuenta que implica una reducción en la ductilidad de la viga:
       • Incrementar en un 25% el acero de refuerzo superior.
       • El acero de refuerzo inferior debe ser por lo menos el 50% del refuerzo superior.
       • El acero de refuerzo de paramento debe ser por lo menos el 30% a 35% del el refuerzo superior.
7. Una de las fallas de la junta más indeseable señaladas anteriormente, es la pérdida de anclaje de las barras de refuerzo de las vigas que atraviesan a la junta. Esta es la razón por la cual en la propuesta de actualización de la Norma COVENIN 1753 se recomienda una dimensión mínima de la columna de 20 veces el diámetro de la barra de mayor diámetro de la viga que pasa a través de la junta. Está recomendación debe tomarse muy en cuenta en el dimensionamiento de las estructuras, porque se ha comprobado en ensayos de laboratorios el deslizamiento de barras de refuerzo longitudinal que atraviesan las columnas por perdida de adherencia debido al poco ancho de las columnas, lo cual trae como consecuencia una disminución de la capacidad de disipación de energía y resistencia.
8. Entre las lecciones aprendidas de los terremotos recientesestá el reconocimiento de que las columnas exteriores, especialmente las esquineras, son las más vulnerables. De igual manera sucede con las juntas, debido a que sus dimensiones es a veces insuficientes para que las barras longitudinales que la atraviesan puedan desarrollar la adherencia adecuada. Es entonces cuando se recomienda hacer un talón en el lado exterior de la junta a fin de mejorar su comportamiento. La dimensión del talón dependerá de la longitud de anclaje de las barras longitudinales y de la arquitectura.
9. Debido a las incertidumbres que existen en el buen desempeño de juntas atravesadas por vigas planas, cuyo ancho es mayor que el ancho de las juntas, así como también vigas que conectan excéntricamente a las juntas es recomendable evitar estos dos casos en lo posible. El Comité 352 del ACI no contemplan el uso de juntas en los que las vigas tengan un ancho mayor que el de las columnas, ya que por lo general en estas juntas las barras longitudinales de las vigas están ancladas fuera del núcleo de concreto y como se dijo anteriormente se desconoce muy poco del comportamiento bajo estas características.
10. En relación a los anclajes de las barras longitudinales en las juntas, debemos seguir las recomendaciones expresadas en el capítulo de las vigas. Es muy importante, como se ha expresado anteriormente en los modos de fallas de las juntas, la disposición de los anclajes de las barras, por ser este modo de falla indeseable. Una vez diseñadas las vigas y las juntas, se procede al diseño de las columnas, teniendo presente la cantidad de barras de refuerzo que hemos colocado en las vigas a fin de evitar congestionamientos indeseable desde el punto de vista constructivo.

Fuente: construccionenacero.com