Columnas para caminar (ACI)
Un "pilar móvil" es un tipo de pilar estructural que se desplaza horizontalmente entre plantas, lo que significa que no está alineado verticalmente con los pilares situados debajo (véase la figura 4.1). Este desplazamiento lateral suele deberse a requisitos arquitectónicos o de diseño, lo que permite flexibilidad en la distribución de las plantas sin dejar de transmitir cargas a través de la estructura. A pesar de este desplazamiento lateral, las columnas móviles están diseñadas para garantizar que soportan eficazmente las cargas verticales en los distintos niveles.
Figura 4.1. Columna móvil Columna móvil: a) Columna móvil en un edificio real, y b) mecanismo de transferencia de carga de la columna móvil (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 Strut-and-Tie (STM), tal y como se describe en ACI 318-19 (2019). Se eligió uno de los cuatro ejemplos de columnas andantes como referencia para su posterior análisis mediante el software ABAQUS (2023), en el que se determinaron su capacidad de carga, la distribución de las tensiones principales y los patrones de fisuración, y se compararon con los resultados obtenidos tanto con el Método de campo de tensiones compatibles (CSFM) como con el procedimiento de diseño ACI 318-19.
Columnas andantes en edificios modernos
Para evaluar el comportamiento estructural de los pilares móviles, se evaluaron cuatro pilares móviles de hormigón armado, identificados como Ejemplos 1 a 4. Estos pilares fueron diseñados y presentados por Schmidt y Schmidt. Estas columnas fueron diseñadas y presentadas por Schwinger (2021) en un seminario organizado por la Delaware Valley Association of Structural Engineers, Eastern Chapter of the Structural Engineers Association of Pennsylvania. 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 andantes.
El edificio Leonard 56
El 56 Leonard, situado en Manhattan, Nueva York, se construyó en 2016. Es un ejemplo sorprendente de la aplicación de columnas móviles en la arquitectura moderna (Figura 4.2). Los pisos del edificio de 60 plantas y 821 pies de altura aparecen apilados de forma irregular, recordando a un juego de "Jenga" (Lubell, 2015).
Figura 4.2: Ejemplo de columna móvil: a) edificio Leonard 56, y b) columnas móviles.
Centro de la Bolsa Mercantil de Chicago
El Chicago Mercantile Exchange Center (CME), terminado en 1987, es un excelente ejemplo de cómo pueden integrarse columnas móviles en un diseño estructural para gestionar distribuciones de carga complejas en grandes edificios comerciales (Figura 4.3). El edificio consta de dos torres de 40 pisos conectadas por una estructura base de 10 pisos, diseñada para adaptarse a los requisitos funcionales de una bolsa de comercio, como grandes plantas de negociación abiertas en los niveles inferiores. Para conseguirlo, se empleó un robusto sistema de transferencia de cargas, utilizando columnas móviles para transferir las cargas de los niveles superiores a los cimientos.
Figura 4.3: a) Centro de la Bolsa Mercantil de Chicago, y b) su vista en alzado y el mecanismo de transferencia de cargas.
Torre Beetham
La Torre Beetham de Manchester (Reino Unido), terminada en 2004, es un ejemplo notable de estructura que utiliza columnas móviles para alcanzar objetivos estructurales y estéticos (figura 4.4). Con 168 metros de altura, era uno de los edificios residenciales más altos de Europa en el momento de su finalización.
Figura 4.4: a) Torre Beetham, b) columna móvil y c) esquema de columnas móviles.
Torre Miami
La Torre Miami, de 47 plantas y situada en Miami, Florida, se terminó de construir en 1987 e incluye retranqueos únicos y un perfil escalonado (Figura 4.5). Estas características requirieron una solución de diseño estructural innovadora para gestionar las diferentes trayectorias de carga a lo largo del edificio. Se utilizaron pilares móviles para transferir las cargas de las plantas superiores más pequeñas a la base inferior más grande. La Torre Miami ilustra cómo los pilares móviles pueden utilizarse eficazmente en la construcción de rascacielos para alcanzar objetivos funcionales y visuales (1987).
Figura 4.5: a) Torre Miami, b) disposición estructural de las plantas, y c) disposición de las columnas móviles (Taranath, 2010).
Desarrollo y análisis del modelo ABAQUS
La columna móvil del Ejemplo 1 se modeló utilizando el software ABAQUS (2023) para el análisis de elementos finitos (EF). El Ejemplo 1 también se modeló utilizando IDEA StatiCa y se analizó en la Sección 4.5.1. Los resultados del análisis ABAQUS se comparan con los obtenidos con IDEA StatiCa en la Sección 4.7 del estudio completo.
Figura 4.10: Configuración del modelo en ABAQUS mostrando: a) las ubicaciones y detalles de la carga aplicada, b) detalles de las barras de refuerzo, y c) condiciones de contorno.
Las direcciones calculadas y predichas de las tensiones principales de IDEA StatiCa (ver Sección 4.5.1) y ABAQUS, respectivamente, se presentan en la Figura 4.15. Ambos modelos ofrecen resultados comparables. Ambos modelos ofrecen resultados comparables, pareciendo puntales en forma de botella. Esto sugiere que la respuesta global de la probeta 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 (como se hace en la Sección 4.6).
Figura 4.15: Comparación de la dirección de las tensiones principales calculadas utilizando los modelos IDEA StatiCa y ABAQUS.
Análisis IDEA StatiCa
El comportamiento de las columnas de hormigón armado (Ejemplos 1 a 4, como se describe en la Sección 4.5) fue analizado utilizando 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 la compresión especificada del hormigón y las resistencias a la fluencia y a la rotura de las barras de acero de refuerzo, siguiendo los parámetros establecidos por Schwinger (2021).
En el análisis 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 factorizar la seguridad de diseño. Para determinar las capacidades de diseño y real de la columna móvil, se aplicaron diferentes factores de material: para el hormigón(ϕc), se utilizaron valores de 0,65 para la capacidad de diseño y 1,0 para la capacidad real; de forma similar, para el acero de refuerzo(ϕs), 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 apoyo axial, en lugar de factores uniformes para todos los casos. Sin embargo, en este estudio, se emplearon factores de reducción de resistencia del material uniforme dentro de IDEA StatiCa para estimar la capacidad de diseño debido a la falta de datos experimentales para la columna andante. Actualmente, el software IDEA StatiCa (versión 24.0.6.1216) tampoco proporciona la opción de asignar diferentes factores de reducción de resistencia, ϕ para diferentes condiciones de fallo.
Figura 4.20: Resultados de CSFM para la columna andante 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 utilizando el modelo de puntales y tirantes
La capacidad de los ejemplos de pilares móviles se determinó utilizando la metodología del Modelo de Puntal y Tirante (STM), tal y como se describe en el código ACI 318-19. El enfoque STM se aplicó para evaluar la capacidad de los pilares móviles. 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 de compresión y tirantes de 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 transitable, se calculó la capacidad de diseño utilizando el marco STM, incorporando los factores de reducción de resistencia adecuados, ϕ tal y como se especifica en ACI 318-19. Se evaluaron las capacidades de los elementos estructurales clave dentro de las columnas peatonales, incluyendo:
- Capacidad de la columna superior: La capacidad de carga de la columna superior se calculó de acuerdo con los requisitos para columnas atadas en ACI 318-19, teniendo en cuenta tanto la resistencia del hormigón como el refuerzo proporcionado.
- Capacidad del pilar inferior: De forma similar, la capacidad de la columna inferior se calculó siguiendo las disposiciones para columnas atadas de la norma ACI 318-19.
- Capacidad portante de las losas: La capacidad portante de las losas, situadas en la parte superior e inferior de los pilares, se evaluó para garantizar una resistencia suficiente del hormigón frente a las fuerzas verticales aplicadas.
- Cortante vertical en la columna/pared central: Se evaluó la capacidad de corte vertical de la columna o muro intermedio entre las losas para garantizar que no se produzca un fallo por corte antes de que la estructura alcance su capacidad última.
La capacidad mínima de estos componentes estructurales se seleccionó como la capacidad de diseño final para cada ejemplo de columna transitable, identificando así el modo de fallo más crítico de acuerdo con el código ACI 318-19. En el análisis, la resistencia efectiva a compresión del hormigón, fce en los puntales y zonas nodales se calculó utilizando las ecuaciones pertinentes de ACI 318-19, como se detalla en la Sección 2.3 del Capítulo 2 de este estudio. El factor de modificación del confinamiento del puntal y del nudo βc, el coeficiente del puntal βs y el coeficiente de la zona nodal βn se determinaron utilizando los valores de las Tablas 2.1 a 2.3 del Capítulo 2, respectivamente. Las resistencias efectivas a compresión del hormigón en las zonas de puntal y nodal se calcularon utilizando las Ecuaciones 2.4 y 2.9, respectivamente.
Durante el análisis, se emplearon técnicas de optimización topológica para identificar las trayectorias 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 del 60%, lo que contribuyó a refinar el diseño del STM optimizando la distribución de la carga a través de los puntales y los tirantes de acero. Este enfoque permitió la creación de un modelo de puntales y tirantes más eficaz, con puntales del tamaño adecuado para garantizar la precisión en la transmisión de fuerzas.
Por último, los modelos STM para cada ejemplo de columna móvil se desarrollaron utilizando diagramas de flujo de tensiones y diagramas 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 bajo las cargas aplicadas, capturando eficazmente el comportamiento tanto de los puntales de compresión como de los tirantes de tracción.
Figura 4.24: Modelo de puntales y tirantes para el ejemplo 1: a) optimización topológica con un 20% de volumen efectivo de IDEA StatiCa, b) optimización topológica con un 60% de volumen efectivo de IDEA StatiCa, y c) modelo de puntales y tirantes con flujo de tensiones.
Resumen
Se evaluó el comportamiento de cuatro ejemplos de columna móvil (Ejemplos 1 a 4) utilizando el STM de acuerdo con ACI 318-19, junto con IDEA StatiCa y ABAQUS. El modelo base, Columna andante Ejemplo 1, sirvió como referencia para el análisis comparativo. Se aplicó una carga vertical a la parte superior de cada columna para representar la carga de diseño, con factores de reducción de resistencia incorporados en el análisis STM basado en ACI 318-19. Además, las capacidades máximas de las columnas andantes se determinaron utilizando el CSFM sin la aplicación de los valores ϕ.
En la tabla 4.3 se comparan las capacidades de los pilares rodantes, evaluadas mediante ACI 318-19, STM y CSFM con y sin factores de reducción de resistencia, ϕ. Los datos revelan varios patrones y distinciones en el comportamiento de las columnas bajo diferentes enfoques analíticos. Una comparación detallada de los resultados demuestra que las capacidades predichas por CSFM sin ϕ son sistemáticamente superiores a las obtenidas utilizando STM y CSFM con ϕ, con variaciones en función del ejemplo específico analizado.
Tabla 4.3: Comparación de las capacidades de las columnas de marcha para diferentes métodos
En la Figura 4.32, que ofrece una comparación gráfica de las capacidades de todos los métodos y ejemplos, se ilustra claramente la relación entre los distintos enfoques analíticos. La figura destaca los notables aumentos 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 CSFM sin valores ϕ son sistemáticamente superiores en todos los ejemplos en comparación tanto con STM como con ACI 318-19.
Figura 4.32: Comparación de la capacidad de los ejemplos de columnas para caminar.
En resumen, el análisis comparativo de las capacidades de las columnas peatonales utilizando ABAQUS, STM y CSFM revela patrones y relaciones notables entre estos métodos. Los resultados indican que ABAQUS proporciona sistemáticamente estimaciones de capacidad superiores a las de STM y CSFM, lo que demuestra su capacidad para captar comportamientos de materiales y condiciones de carga complejos. Las diferencias en las capacidades enfatizan la naturaleza conservadora del STM y CSFM con ϕ, que a menudo conduce a predicciones más bajas en comparación con ABAQUS.
En general, el análisis CSFM ha demostrado ser una herramienta fiable para evaluar las capacidades de los pilares andantes. 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 ajustarse a diversos escenarios de carga y su sensibilidad a los factores de reducción de la resistencia lo convierten en un método beneficioso para los ingenieros estructurales. Por lo tanto, la incorporación de CSFM junto con otros enfoques analíticos puede conducir a una comprensión más completa del comportamiento de las columnas móviles, contribuyendo en última instancia a unas prácticas de ingeniería estructural más sólidas y eficaces.