Columnas para caminar (ACI)

Una "columna caminante" es un tipo de columna estructural que se desplaza horizontalmente entre plantas, lo que significa que no está alineada verticalmente con las columnas situadas por debajo de ella (véase la Figura 4.1). Este desplazamiento lateral se produce generalmente por requisitos arquitectónicos o de diseño, lo que permite flexibilidad en la distribución de las plantas y, al mismo tiempo, transfiere las cargas a través de la estructura. A pesar de este desplazamiento lateral, las columnas caminantes están diseñadas para garantizar que transporten eficazmente las cargas verticales a través de los diferentes niveles.

Figura 4.1: Columna caminante: a) Columna caminante en un edificio real, y b) mecanismo de transferencia de carga de la columna caminante (SheerForce Engineering, 2021).

Las capacidades de carga vertical de estas columnas se evaluaron mediante el software IDEA StatiCa y posteriormente se compararon con las capacidades de diseño derivadas del Modelo de Puntal y Tirante (STM) según lo establecido en ACI 318-19 (2019). Uno de los cuatro ejemplos de columnas caminantes fue seleccionado como referencia para un análisis más detallado mediante el software ABAQUS (2023), donde se determinaron su capacidad de carga, la distribución de tensiones principales y los patrones de fisuración, y se compararon con los resultados obtenidos tanto del Método de Campo de Tensiones Compatible (CSFM) como del procedimiento de diseño ACI 318-19.

Columnas caminantes en edificios modernos

Para evaluar el comportamiento estructural de las columnas caminantes, se evaluaron cuatro columnas caminantes de hormigón armado, identificadas como Ejemplos 1 al 4. Estas columnas fueron diseñadas y presentadas por Schwinger (2021) en un seminario organizado por la Asociación del Valle de Delaware de Ingenieros Estructurales, Capítulo Oriental de la Asociación de Ingenieros Estructurales de Pensilvania. El objetivo principal de estos ejemplos de diseño era proporcionar directrices de diseño para los ingenieros, debido a la falta de estudios experimentales o datos de diseño centrados específicamente en las columnas caminantes.

El Edificio 56 Leonard

El 56 Leonard, ubicado en Manhattan, Nueva York, fue construido en 2016. Es un ejemplo destacado de la aplicación de columnas caminantes en la arquitectura moderna (Figura 4.2). Las plantas del edificio de 821 pies de altura y 60 pisos parecen apiladas de forma irregular, reminiscencia de un juego de "Jenga" (Lubell, 2015).

Figura 4.2: Ejemplo de columna caminante: a) Edificio 56 Leonard, y b) columnas caminantes. 

Chicago Mercantile Exchange Center

El Chicago Mercantile Exchange Center (CME), completado en 1987, es un ejemplo destacado de cómo las columnas caminantes pueden integrarse en un diseño estructural para gestionar distribuciones de carga complejas en grandes edificios comerciales (Figura 4.3). El edificio cuenta con dos torres de 40 pisos conectadas por una estructurade base de 10 pisos, diseñada para satisfacer los requisitos funcionales de una bolsa de valores, como grandes plantas de negociación abiertas en los niveles inferiores. Para lograrlo, se empleó un robusto sistema de transferencia de cargas, utilizando columnas caminantes para transferir las cargas desde los niveles superiores hasta la cimentación.

Figura 4.3: a) Chicago Mercantile Exchange Center, y b) su vista en alzado y mecanismo de transferencia de carga.

Beetham Tower

La Beetham Tower en Mánchester, Reino Unido, completada en 2004, es un ejemplo notable de una estructura que utiliza columnas caminantes para lograr tanto objetivos estructurales como estéticos (Figura 4.4). Con 168 metros (551 pies) de altura, fue uno de los edificios residenciales más altos de Europa en el momento de su finalización.

Figura 4.4: a) Beetham Tower, b) columna caminante, y c) esquema de columna caminante.

Miami Tower

La Miami Tower de 47 pisos en Miami, Florida, fue completada en 1987 e incluye retranqueos únicos y un perfil escalonado (Figura 4.5). Estas características requirieron una solución de diseño estructural innovadora para gestionar los diferentes recorridos de carga a lo largo del edificio. Se utilizaron columnas caminantes para transferir las cargas desde las plantas superiores más pequeñas hacia la base más grande inferior. La Miami Tower ilustra cómo las columnas caminantes pueden utilizarse eficazmente en la construcción de edificios en altura para lograr tanto objetivos funcionales como visuales , 1987).

Figura 4.5: a) Miami Tower, b) distribución estructural de plantas, y c) distribución de columnas caminantes (Taranath, 2010).

Desarrollo y análisis del modelo ABAQUS

La columna caminante del Ejemplo 1 fue modelada mediante el software ABAQUS (2023) para el análisis por elementos finitos (EF).El Ejemplo 1 también se modela utilizando IDEA StatiCa y se analiza en la Sección 4.5.1. Los resultados del análisis de ABAQUS se comparan con los obtenidos de IDEA StatiCa en la Sección 4.7 del estudio completo. 

Figura 4.10: Configuración del modelo en ABAQUS que muestra: a) las ubicaciones y detalles de la carga aplicada, b) detalles de las barras de armadura, y c) condiciones de contorno.

Las direcciones calculadas y previstas de las tensiones principales obtenidas de IDEA StatiCa (véase la Sección 4.5.1) y ABAQUS, respectivamente, se presentan en la Figura 4.15. Ambos modelos ofrecen resultados comparables, que se asemejan a puntales en forma de botella. Esto sugiere que la respuesta global del espécimen es coherente entre los dos modelos, lo que respalda el uso de la respuesta calculada para desarrollar un modelo de puntal y tirante más realista (tal como se hace en la Sección 4.6).

Figura 4.15: Comparación de la dirección de las tensiones principales calculadas mediante los modelos IDEA StatiCa y ABAQUS.

Análisis con IDEA StatiCa   

El comportamiento de las columnas caminantes de hormigón armado (Ejemplos 1 al 4, tal como se describen en la Sección 4.5) fue analizado mediante el software IDEA StatiCa. Estos diseños fueron seleccionados para examinar el efecto del mecanismo de transferencia de carga vertical en su comportamiento estructural. El enfoque de modelado empleado en IDEA StatiCa incorporó la resistencia a compresión especificada del hormigón y las resistencias de fluencia y última de las barras de acero de armadura, siguiendo los parámetros establecidos por Schwinger (2021).

En el análisis de IDEA StatiCa, se aplicaron factores de carga de 1,0 a ambos patrones de carga —el peso propio y la carga vertical aplicada— reflejando el comportamiento real sin factorización para la seguridad del diseño. Para determinar las capacidades de diseño y real de la columna caminante, se aplicaron diferentes factores de material: para el hormigón (ϕ_c), se utilizaron valores de 0,65 para la capacidad de diseño y 1,0 para la capacidad real; de manera similar, para el acero de armadura (ϕ_s), se emplearon factores de 0,9 para el diseño y 1,0 para el comportamiento real. Es importante aclarar que la norma ACI 318-19 prescribe diferentes factores de reducción de resistencia en función del modo de fallo, como ϕ = 0,9 para flexión, ϕ = 0,75 para cortante y ϕ = 0,65 para compresión axial, en lugar de factores uniformes para todos los casos. Sin embargo, en este estudio se emplearon factores de reducción deresistencia de material uniformes dentro de IDEA StatiCa para estimar la capacidad de diseño debido a la falta de datos experimentales para la columna caminante. Actualmente, el software IDEA StatiCa (versión 24.0.6.1216) tampoco ofrece la opción de asignar diferentes factores de reducción de resistencia, ϕ para diferentes condiciones de fallo. 

Figura 4.20: Resultados del CSFM para la columna caminante del Ejemplo 1: a) vista 3D, b) flujo de tensiones, c) tensiones principales del hormigón (σc), d) tensiones en la armadura (σs), (e) desplazamiento en dirección x (Ux), y (f) desplazamiento en dirección z (Uz).

Cálculo de la capacidad mediante el Modelo de Puntal y Tirante

La capacidad de los ejemplos de columnas caminantes se determinó utilizando la metodología del Modelo de Puntal y Tirante (STM), tal como se establece en la norma ACI 318-19. El enfoque STM se aplicó para evaluar el comportamiento de las regiones discontinuas, garantizando el pleno cumplimiento de los principios de diseño establecidos en el Capítulo 23 de la norma ACI 318-19. Mediante la modelización de la transferencia de fuerzas a través de puntales a compresión y tirantes a tracción, el método STM representa eficazmente la distribución de cargas dentro de la estructura, especialmente en zonas con discontinuidades geométricas. Para cada ejemplo de columna caminante, la capacidad de diseño se calculó utilizando el marco del STM, incorporando los factores de reducción de resistencia apropiados, ϕ según lo especificado en la norma ACI 318-19.Las capacidades de los elementos estructurales clave dentro de las columnas caminantes fueron evaluadas, incluyendo:

• Capacidad de la columna superior: La capacidad de carga de la columna superior se calculó de acuerdo con los requisitos para columnas con estribos de la norma ACI 318-19, teniendo en cuenta tanto la resistencia del hormigón como la armadura proporcionada.
• Capacidad de la columna inferior: De manera similar, la capacidad de la columna inferior se calculó siguiendo las disposiciones para columnas con estribos de la norma ACI 318-19.
• Capacidad portante de las losas: La capacidad portante de las losas, ubicadas en la parte superior e inferior de las columnas, fue evaluada para garantizar una resistencia suficiente del hormigón frente a las fuerzas verticales aplicadas.
• Cortante vertical en la columna/muro intermedio: La capacidad a cortante vertical de la columna o muro intermedio entre las losas fue evaluada para garantizar que no se produzca un fallo por cortante antes de que la estructura alcance su capacidad última.

La capacidad mínima de estos componentes estructurales fue seleccionada como la capacidad de diseño final para cada ejemplo de columna caminante, identificando así el modo de fallo más crítico de acuerdo con la norma ACI 318-19. En el análisis, la resistencia a compresión efectiva del hormigón, f_ce en los puntales y zonas nodales se calculó utilizando las ecuaciones pertinentes de la norma ACI 318-19, tal como se detalla en la Sección 2.3 del Capítulo 2 de este estudio. El factor de modificación por confinamiento de puntales y nodos β_c, el coeficiente de puntal β_s y el coeficiente de zona nodal β_n se determinaron utilizando los valores de las Tablas 2.1 a 2.3 del Capítulo 2, respectivamente. Las resistencias a compresión efectivas del hormigón en los puntales y zonas nodales se calcularon utilizando las Ecuaciones 2.4 y 2.9, respectivamente.

Durante el análisis, se emplearon técnicas de optimización topológica para identificar los caminos de flujo de tensiones más eficientes dentro de la estructura. Este proceso fue llevado a cabo por IDEA StatiCa utilizando volúmenes efectivos del 20% y el 60%, lo que contribuyó a refinar el diseño del STM mediante la optimización de la distribución de cargas a través de los puntales y tirantes de acero. Este enfoque permitió la creación de un modelo de puntal y tirante más eficaz, con puntales correctamente dimensionados para garantizar la precisión en la transmisión de fuerzas.

Por último, los modelos STM para cada ejemplo de columna caminante fueron desarrollados utilizando diagramas de flujo de tensiones y gráficos de optimización topológica generados mediante el software IDEA StatiCa. Estos modelos proporcionaron una representación simplificada pero precisa de los mecanismos de transferencia de carga dentro de las columnas caminantes bajo las cargas aplicadas, capturando eficazmente el comportamiento tanto de los puntales a compresión como de los tirantes a tracción.

Figura 4.24: Modelo de puntal y tirante para el Ejemplo 1: a) optimización topológica con volumen efectivo del 20% de IDEA StatiCa, b) optimización topológica con volumen efectivo del 60% de IDEA StatiCa, y c) modelo de puntal y tirante con flujo de tensiones.

Resumen

El comportamiento de cuatro ejemplos de columnas caminantes (Ejemplos 1 al 4) fue evaluado utilizando el STM de acuerdo con la norma ACI 318-19, junto con IDEA StatiCa y ABAQUS. El modelo de referencia, la Columna Caminante del Ejemplo 1, sirvió como referencia para el análisis comparativo. Se aplicó una carga vertical en la parte superior de cada columna para representar la carga de diseño, con factores de reducción de resistencia incorporados en el análisis STM según la norma ACI 318-19. Adicionalmente, las capacidades máximas de las columnas caminantes se determinaron utilizando el CSFM sin la aplicación de los valores ϕ.

La Tabla 4.3 compara las capacidades de las columnas caminantes, evaluadas mediante la norma ACI 318-19, el STM y el CSFM tanto con como sin factores de reducción de resistencia, ϕ. Los datos revelan varios patrones y diferencias en el comportamiento de las columnas bajo distintos enfoques analíticos. Una comparación detallada de los resultados demuestra que las capacidades predichas por el CSFM sin ϕ son consistentemente superiores a las obtenidas mediante el STM y el CSFM con ϕ, con variaciones en función del ejemplo específico analizado.

Tabla 4.3: Comparación de las capacidades de columnas caminantes para diferentes métodos

En la Figura 4.32, que proporciona una comparación gráfica de las capacidades entre todos los métodos y ejemplos, se ilustra claramente la relación entre los diferentes enfoques analíticos. La figura pone de manifiesto los notables incrementos de capacidad cuando no se aplican factores de reducción de resistencia en el análisis CSFM.La representación visual muestra claramente cómo las capacidades predichas por el CSFM sin valores ϕ son consistentemente superiores en todos los ejemplos en comparación tanto con el STM como con la norma ACI 318-19.

Figura 4.32: Comparación de capacidades para los ejemplos de columnas caminantes.

En resumen, el análisis comparativo de las capacidades de las columnas caminantes mediante ABAQUS, STM y CSFM revela patrones y relaciones notables entre estos métodos. Los resultados indican que ABAQUS proporciona consistentemente estimaciones de capacidad superiores a las del STM y el CSFM, demostrando su capacidad para capturar comportamientos complejos de los materiales y condiciones de carga. Las diferencias en las capacidades ponen de manifiesto el carácter conservador del STM y el CSFM con ϕ, que frecuentemente conduce a predicciones inferiores en comparación con ABAQUS.

En general, el análisis CSFM ha demostrado ser una herramienta fiable para evaluar las capacidades de las columnas caminantes. Su capacidad para ofrecer información sobre los posibles mecanismos de fallo y el comportamiento estructural aumenta su valor en las aplicaciones de diseño. La flexibilidad del CSFM para adaptarse a diversos escenarios de carga y su sensibilidad a los factores de reducción de resistencia lo convierten en un método beneficioso para los ingenieros estructurales. Por lo tanto, incorporar el CSFM junto con otros enfoques analíticos puede conducir a una comprensión más completa del comportamiento de las columnas caminantes, contribuyendo en última instancia a prácticas de ingeniería estructural más robustas y eficaces.