EL EFECTO DE COLUMNA CORTA ESTUDIO DE CASOS José Luis Beauperthuy U. y Alfredo José Urich B. B.R.S. Ingenieros, C.A. RESUMEN Una de las causas más comunes de daños catastróficos en edificaciones ante acciones sísmicas es el “Efecto de Columna Corta”. Se presenta cuando se restringe parcialmente el desplazamiento lateral de la columna, generalmente mediante paredes de mampostería con ventanas, lo cual concentra en la porción libre tensiones cortantes sustancialmente más altas que las correspondientes la misma columna si estuviese libre en toda su altura. El efecto de columna corta es nocivo, no sólo ante solicitaciones de origen sísmico, sino ante cualquier acción que implique desplazamiento horizontal relativo entre la base y el tope de la columna, tal como en el caso de dilataciones térmicas o movimiento de fundaciones. Para algunas configuraciones estructurales, se puede presentar inclusive ante dilataciones muy pequeñas relacionadas a variaciones en la temperatura ambiente. El verdadero problema no es que la columna sea corta, sino que no haya sido considerada así en el análisis y diseño de la estructura, al menospreciar la influencia de los componentes no estructurales. Para evitar que se presente el Efecto de Columna Corta, o se separan convenientemente los componentes no estructurales que puedan inducirlo, o se incorporan dichos componentes en el análisis y diseño como parte del sistema estructural. Palabras clave: efecto de columna corta, falla frágil, daños por sismo, deformaciones. INTRODUCCIÓN En los edificios de concreto armado la tabiquería puede estar presente en una gran gama de configuraciones, formando parte del cerramiento exterior o divisiones en el espacio interior. A menos que se tomen previsiones especiales, todas las paredes enmarcadas por la estructura, influirán de alguna forma en los mecanismos resistentes a acciones laterales. En algunos casos, la presencia de tabiquería puede alterar notablemente la distribución de deformaciones y tensiones en los miembros del marco; si ésta no es considerada adecuadamente, la respuesta de la estructura distará significativamente de lo previsto en el modelo. Es particularmente importante el caso en que la tabiquería no abarca toda la altura de las columnas sino que deja una porción libre, lo cual es muy común ante la presencia de ventanas. En estos casos, el desplazamiento horizontal relativo entre la base y el tope de la columna (deriva) se concentra sólo en su porción libre, lo que genera tensiones sustancialmente más altas que las correspondientes a la misma columna, pero libre en toda su altura. Esta situación, conocida como el “efecto de columna corta" es una de las causas más comunes de ruina en caso de sismos, pero también puede presentarse ante cualquier otra acción que induzca deriva en la columna. Se presentan varios casos donde se ilustra este fenómeno y la repercusión que puede tener, no sólo en el miembro donde ocurre, sino en la globalidad de la estructura. Igualmente se presentan opciones de solución. EL EFECTO DE COLUMNA CORTA El Efecto de Columna Corta consiste en una restricción parcial del desplazamiento lateral del cuerpo de una columna, que obliga a concentrar toda la demanda de deformaciones y tensiones en su porción libre. El caso más común se presenta cuando hay paredes que no abarcan toda la altura, sino que dejan un espacio vacío para la ventana. También es conocido como Efecto Ventana o Columna Cautiva (Figura ). Figura - Efecto de Columna Corta Es una de las causas más comunes de daños catastróficos en edificaciones afectadas por sismos. Sin embargo, también puede presentarse ante cualquier acción que induzca una deriva en la columna, tales como dilataciones térmicas o movimiento de fundaciones, entre otros. Para algunas configuraciones estructurales, se puede presentar inclusive ante dilataciones muy pequeñas, relacionadas a variaciones en la temperatura ambiente. Las consecuencias sobre el sistema estructural se pueden clasificar en efectos locales, que ocurren directamente en el miembro afectado y efectos globales, que involucran a la estructura como un sistema. Entre los efectos locales está el incremento de la rigidez lateral y de las tensiones por cortante, así como la disminución de la ductilidad. Los efectos globales se derivan de la incompatibilidad de deformaciones entre las Columnas Cortas y el resto de los miembros estructurales resistentes a acciones laterales, las primeras fallan prematuramente y se genera una reacción en cadena. CONSECUENCIAS SOBRE EL SISTEMA ESTRUCTURAL Efectos Locales El Efecto de Columna Corta trae como consecuencia una modificación local de la distribución de tensiones y deformaciones del miembro estructural afectado. A continuación se discuten los aspectos más importantes (ver también Figura ). Para hacer más simple el análisis y los ejemplos que se presentan a continuación, se ha considerado que las vigas son infinitamente rígidas y resistentes, sin embargo, el análisis y las conclusiones son extrapolables a la condición más general, considerando la flexibilidad y capacidad de las vigas. Aumento del cortante: Para lograr el equilibrio mecánico en una columna, la tensión por cortante (V) es igual a la suma de los momentos (M) en sus extremos dividida entre la altura libre (L), lo cual se puede expresar mediante la ecuación V=M/L. Si partimos de la base de un comportamiento dúctil, se alcanzarán los momentos máximos por cedencia (My) del acero en los extremos de la columna, limitando consecuentemente el cortante máximo (VMy) que puede desarrollarse. Al reducir la luz libre, el cortante máximo de la columna aumentará en la misma proporción hasta alcanzar el estado límite de agotamiento por cortante, es decir: VMy,2=L1/L2VMy,1, donde los subíndices 1 y 2 corresponden a la columna original y modificada, respectivamente. El incremento del cortante se ve agravado debido al desplazamiento de las máximas tensiones hacia la zona central de la columna, donde el acero de refuerzo transversal está generalmente más espaciado y por tanto, la columna es menos resistente. Disminución de la ductilidad: Se entiende por ductilidad (D) la capacidad de deformación inelástica de forma alternada y estable que posee un miembro o un sistema estructural. Una forma de cuantificarla es mediante el cociente entre la deriva última (u) y la deriva cedente (y), es decir: D=u/y. Al trasladarse las máximas tensiones de flexocompresión y cortante hacia la zona central de la columna, menos confinada, también se reduce significativamente su ductilidad. Aún si todo el cuerpo de la columna está bien confinado, el incremento de las tensiones reducirá la ductilidad, desde el valor nominal hasta el caso extremo en que se presente la falla frágil por cortante antes de desarrollarse la cedencia por flexo-compresión, en el cual la ductilidad será inexistente. Por ejemplo, en una columna típica de concreto armado concebida para una demanda de ductilidad superior a 6 (D1>6), si ocurre la falla frágil por cortante, la ductilidad se reducirá a una valor cercano a 1 (D2≈1), seis veces menor. Aumento de la rigidez: La rigidez es la propiedad que relaciona las deformaciones con las tensiones que se generan en un material o un sistema estructural. Si se considera la deriva de la columna y la tensión cortante, entonces la rigidez cortante (K) será: K=V/, cuyo valor es una función directamente proporcional al módulo de elasticidad (E) y la inercia (I) de la sección e inversamente proporcional al cubo de la luz libre, es decir: K=V/=ƒ(EI/L3), donde la función dependerá de las condiciones de borde de la columna. Por ejemplo, si se consideran las vigas infinitamente rígidas la rigidez será K=12EI/L3. Al reducirse la luz libre de L1 a L2 la rigidez se incrementa según la relación K2≈(L1/L2)3K1, lo cual implica que, para la misma deriva b, el cortante se incrementa en la misma proporción Vb,2≈(L1/L2)3Vb,1. Por ejemplo, si se reduce la luz libre de la columna a la cuarta parte, la rigidez aumentará 64 veces: K2≈(1/0,25)3K1≈64K1, por lo que el cortante se incrementará en la misma proporción, siempre que no se supere el máximo limitado por la resistencia al corte y flexión, antes descrito. El aumento de la rigidez es, a nuestro juicio, la consecuencia más crítica del efecto de columna corta, ya que su influencia, según una proporción cúbica, es tan grande que las máximas tensiones reales se alcanzarán a derivas considerablemente más bajas que en las columnas libres en toda su altura. Situación grave si se considera, no sólo la columna corta, sino la estructura como un sistema, lo cual se discute más adelante. Figura - Modificación del estado de tensiones y deformaciones en la columna Efectos Globales El efecto de Columna Corta es un tema ineludible en la literatura sobre sismorresistencia. No obstante, la mayoría de los autores han centrado su atención en los miembros estructurales donde se presenta (efectos locales) y en ocasiones haciendo énfasis sólo en la relación de tensiones cortantes al alcanzar los momentos máximos en los extremos de la columna. Sin embargo, cuando se considera el carácter sistémico de la edificación, se puede indicar que el efecto de columna corta nunca se presenta aisladamente, ni se limita a los miembros estructurales directamente afectados, sino que va acompañado de una modificación global de la distribución de tensiones y deformaciones de los distintos componentes de la edificación. En general, cualquier restricción de las deformaciones de un estructura, sea parcial o total, modificará la rigidez en el sector afectado y se alterarán las propiedades dinámicas que rigen la respuesta ante acciones sísmicas. El problema es mucho más grave si se considera que en la mayoría de los casos no todas las columnas de un entrepiso son “cortas”, en ocasiones sólo se ubican en las fachadas con ventanas. En estos casos, ante la deriva que impone el diafragma, se concentran las tensiones en algunas columnas, las “cortas”, mientras que el resto no trabaja. Entonces, sólo participan pocos miembros simultáneamente en una planta, lo cual induce su falla prematura. Esto inicia mecanismos de reacción en cadena de los miembros estructurales resistentes a acciones laterales. Retomando el ejemplo de la sección anterior (aumento de la rigidez), si ahora se trata de un sistema de dos columnas y se restringe la deformación de sólo una de ellas, con una reducción de su longitud libre a la cuarta parte, en consecuencia la rigidez aumentará 64 veces. Dado que la deriva impuesta por el diafragma es igual para ambas columnas, cuando la “columna corta” alcanza su máxima capacidad y ocurre su falla prematura, las tensiones en la “columna larga” aún no han alcanzado el 2% (1/64) de su capacidad, la cual, para desarrollarse plenamente, requeriría la degradación total de la “columna corta” vecina. Entonces, la capacidad global de la estructura quedará definida sólo por la capacidad de las “columnas cortas”. Figura – Concentración de tensiones y falla prematura en la “columna corta” EJEMPLOS DE CASOS EN VENEZUELA A continuación se presentan varios ejemplos de casos en Venezuela donde se ha presentado el Efecto de Columna Corta. Se muestran diversas configuraciones de la estructura y componentes no estructurales que han originado este efecto, algunos ante la acción de sismos recientes, otros debido a incendios, e inclusive casos inducidos por variaciones de la temperatura ambiente. Acciones sísmicas La Figura (López, Hernández, Del Re, & Puig, 2004) corresponde a una edificación educativa localizada a unos 10 Km del epicentro del Terremoto en Cariaco, de magnitud Mw=6,9, ocurrido el año 1997. Se muestra a la izquierda el colapso del edificio; a la derecha un detalle de la falla de las columnas cortas inducida por las paredes de mampostería, lo cual fue una de las principales causas de la ruina del edificio. Figura - Colapso de una edificación escolar durante el Terremoto de Cariaco de 1997 Se muestra detalle del Efecto de Columna Corta generado por la mampostería En la ciudad de Cumaná, más lejos del epicentro, a unos 70 Km, otra edificación que estuvo muy cercana al colapso, tuvo entre las principales causas de daño al Efecto de Columna Corta generado por unas jardineras muy rígidas de concreto armado adosadas a las columnas perimetrales, como se muestra en la Figura . Figura - Efecto de Columna Corta generado por jardineras de concreto armado en una edificación ubicada en la ciudad de Cumaná durante el Terremoto de Cariaco de 1997 Recientemente, durante un sismo de magnitud Mw=6,2 ocurrido el 12 de septiembre de 2009, fueron severamente dañadas varias edificaciones en la población de Tucacas, ubicada a unos 50 km del epicentro. En esta oportunidad, el Efecto de Columna Corta volvió a ser protagonista. La Figura muestra uno de estos casos, el Efecto de Columna Corta se presentó por la presencia de un muro de concreto reforzado en uno de sus ejes estructurales, lo que provocó la falla de todas las columnas de ese eje. En los pisos superiores, las columnas de ese mismo eje presentaron grietas de orientación horizontal, dejando en evidencia la degradación total de la capacidad de soporte de las “columnas cortas” del nivel inferior y que esa porción de la estructura quedó “colgada” de las columnas superiores generando tracción en ellas. Afortunadamente, la redundancia estructural y la baja intensidad del sismo en la localidad, permitió que las tensiones se redistribuyeran hacia las columnas de los ejes vecinos, evitando el colapso de la estructura. Este edificio fue inhabilitado inmediatamente después de ocurrido el sismo debido a su precaria condición. Figura - Efecto de Columna Corta generado por muros de concreto armado en una edificación de la población de Tucacas durante el Sismo de Septiembre de 2009 La Figura muestra otro ejemplo del Sismo de Tucacas, en el cual una reparación previa de daños por corrosión en el tercio inferior del fuste de la columna, aumentó su sección rigidizándola localmente, a tal punto que indujo la falla en la porción superior, menos rígida. Figura - Efecto de Columna Corta generado por un aumento de la sección en la parte inferior, Sismo de Tucacas 2009. Dilataciones térmicas por fuego No sólo los sismos inducen el Efecto de Columna Corta, también el fuego, en cuyo caso la deriva en las columnas es provocada por la dilatación térmica diferencial entre el piso expuesto a las llamas (caliente) y el resto de los pisos que permanecen fríos. La Figura muestra un ejemplo de la falla de una “columna corta”, inducida durante un incendio. Figura - Efecto de Columna Corta generado por fuego Dilataciones térmicas por variaciones de la temperatura ambiente La Figura corresponde a un caso reciente de una edificación ubicada en Caracas, que muestra lo nocivo que puede resultar el efecto de columna corta y como puede presentarse ante acciones y derivas muy pequeñas. Figura – Efecto de Columna Corta inducido por variaciones de la temperatura ambiente Las columnas ubicadas en la fachada del edificio, restringidas parcialmente por un muro, presentaban grietas de orientación diagonal, típicas de corte, que eran más severas en las columnas de los extremos que en las centrales. Las primeras hipótesis planteadas para dar con la génesis de esta patología fueron: efectos sísmicos o de incendios. No obstante, una vez investigado el historial de la edificación, ambas fueron descartadas. Luego, mediante un modelo matemático, se pudo demostrar que una variación de temperatura ambiente de apenas 12ºC, fue capaz de generar en las “columnas cortas”, deformaciones y tensiones cortantes que superaron su capacidad resistente. Este efecto ocurrió de forma cíclica y acumulativa, debilitando paulatinamente las columnas más solicitadas e incrementando el daño con el transcurso del tiempo. Envigados a desnivel Otra configuración que puede inducir el efecto de columna corta es el apoyo de envigados a desnivel, típico de techos cuando se desea permitir ventilación o iluminación. La Figura muestra un caso en el cual ocurrieron daños severos, también ante dilataciones de origen térmico. Figura Efecto de Columna Corta inducido por techos a desnivel Rotura parcial de la tabiquería En los ejemplos ya mostrados, aún antes de que ocurrieran los daños, ya era evidente que la configuración estructural y arquitectónica podía inducir el Efecto de Columna Corta. Pero en los casos que se muestran a continuación no era evidente predecir este efecto antes de ocurrir; sin embargo, como se aprecia, se generó al fallar localmente el cerramiento con bloques en la porción superior de la pared. Figura - Efecto de Columna Corta inducido luego de la rotura parcial de las paredes durante un sismo La Figura anterior, muestra un caso donde la falla de la columna fue originada por acciones sísmicas, mientras la Figura a continuación muestra otro caso originado por la acción del fuego. En ambos casos las paredes abarcaban, de origen, toda la altura de la columna, pero al ser exigidas lateralmente, se fracturaron sólo en la parte superior, ocasionado el Efecto de Columna Corta. Figura - Efecto de Columna Corta inducido luego de la rotura parcial de las paredes durante un incendio ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN Que existan columnas cortas en una estructura no debe ser visto a priori como un problema; si esa condición fue prevista en el análisis y diseño se obtendrá un desempeño adecuado. El verdadero problema es que se menosprecien las restricciones que pueden inducir otros componentes, estructurales o no, sobre la deformación de la columna; si este es el caso y se analiza y diseña la estructura suponiendo las columnas libres en toda su longitud, entonces se presentará el Efecto de Columna Corta. Aún cuando las normas venezolanas son muy tímidas en la regulación de la posible influencia de los componentes no estructurales en el desempeño de la edificación, no dejan de advertir su importancia. A continuación se citan algunas consideraciones: “los elementos no estructurales que puedan restringir las deformaciones de la estructura… deberán ser aprobados… por el ingeniero estructural responsable del proyecto”(Covenin 2002, 1988); “se prestará particular atención a la eventual interacción de la estructura portante con la tabiquería.”(Covenin 1756, 2001); “se deberá considerar el efecto de elementos rígidos, estructurales o no, que puedan afectar la respuesta dinámica”(Covenin 1753, 1987); “La influencia de la tabiquería no estructural en el comportamiento ante fuerzas laterales de la estructura debe ser tomada en cuenta”(Fondonorma 1753, 2006); “El contratista no podrá construir componentes o elementos no estructurales que no estén contemplados en el proyecto,…”(Covenin 1756, 2001); entre otras. Pese a todas las advertencias citadas, es común que en nuestro país se menosprecie la influencia de los componentes no estructurales, lo que en ocasiones propiciará, entre otras consecuencias, el Efecto de Columna Corta. En cualquier caso, dentro de muchas posibles opciones para solucionar el problema, todas ellas se agrupan en sólo dos direcciones: o se separan convenientemente los componentes que puedan inducir el Efecto de Columna Corta, o se incorporan dichos componentes en el análisis y diseño como parte del sistema estructural, a fin de prever las solicitaciones que estos impondrán. A continuación se presenta un par de ejemplos de posibles soluciones: la Figura muestra un esquema de la configuración correcta al separar las paredes, en la cual se prevén machones y viga de corona para garantizar su estabilidad; la Figura corresponde a la reparación y refuerzo de una estructura mediante la incorporación de muros aleros a ambos lados de las “columnas cortas”. En ambos casos se muestra la configuración original a la izquierda y a la derecha, la configuración final de la estructura reparada o reforzada. Figura – Separación de las paredes Figura – Integración del muro a la estructura Es importante hacer énfasis en que cualquier intervención de la estructura con miras a solucionar el Efecto de Columna Corta, tanto independizar las columnas como reforzarlas, modificará, no sólo a los miembros intervenidos, sino también la distribución de tensiones y deformaciones en el resto del sistema estructural, por tanto siempre hay que hacer un análisis global de la estructura a fin de verificar que no se induzcan indirectamente otras deficiencias. Por ejemplo, al independizar las columnas de las paredes, ambas serán más flexibles y podría comprometerse su estabilidad ante acciones laterales; si por el contrario, se refuerzan las columnas o se cierran los vacíos, éstas zonas, ahora más rígidas, absorberán mayores tensiones que podrían, entre otros, generar efectos torsionales o hacer fallar otros miembros a los cuales están vinculados. CONCLUSIONES El Efecto de Columna Corta: Consiste en la restricción parcial del desplazamiento lateral del fuste de una columna, que obliga a concentrar toda la demanda de deformaciones y tensiones en su porción libre. Es una de las causas más comunes de daños catastróficos en caso de sismos. Puede también presentarse ante cualquier acción que induzca una deriva en la columna. Se puede generar con derivas muy bajas, tal como dilataciones térmicas diferenciales durante incendios o inclusive las originadas por cambios en la temperatura ambiente. Modifica localmente las propiedades mecánico-resistentes y las tensiones en la columna afectada: aumenta el cortante; traslada la máxima flexión hacia la zona central de la columna, generalmente menos confinada; disminuye su ductilidad y lo más crítico, incrementa sustancialmente su rigidez, por lo que alcanza su máxima capacidad a derivas mucho más bajas que si estuviese libre en toda su altura. Su severidad radica, no sólo en la repercusión sobre el miembro afectado, sino más bien en los efectos globales sobre el sistema estructural. Al ser las “columnas cortas” mucho más rígidas, éstas absorben prácticamente todo el cortante que impone el diafragma mientras que el resto de las columnas prácticamente no reacciona hasta que las primeras fallan prematuramente y degradan su resistencia y rigidez, lo que inicia mecanismos de reacción en cadena. Puede estar condicionado de origen, debido a la configuración arquitectónica o estructural, en cuyo caso es generalmente evidente. Pero también, menos evidente, puede ser inducido luego de la rotura parcial de paredes u otros componentes no estructurales. La mejor solución es evitarlo, separando convenientemente la columna de otros componentes que puedan restringir su libre deformación. La otra vía de solución es incorporar los componentes no estructurales en el análisis y diseño, ya que el verdadero problema no radica en que las columnas sean “cortas”, sino que dicha condición no haya sido prevista en el proyecto. Finalmente, sólo si se consideran condiciones realistas en los modelos, se podrán diseñar adecuadamente los distintos componentes de la edificación. En este sentido, las normas nacionales e internacionales advierten la importancia de considerar la influencia de los componentes no estructurales y verificar la compatibilidad de deformaciones, no sólo para el caso de la “columna corta”, sino para el desempeño general del sistema estructural y el resto de los componentes de la edificación. REFERENCIAS Covenin 1753. (1987). Estructuras de Concreto Armado Para Edificaciones. Análisis y Diseño. Caracas, Venezuela: Covenin-Mindur. Covenin 1756. (2001). Norma Venezolana: Edificaciones Sismorresistentes. Caracas, Venezuela: Fondonorma. Covenin 2002. (1988). Criterios y Acciones Mínimas para el Proyecto de Edificaciones. Caracas, Venezuela: Covenin-Mindur. Fondonorma 1753. (2006). Proyecto y Construcción de Obras en Concreto Estructural. Caracas, Venezuela: Fondonorma. López, O. A., Hernández, J. J., Del Re, G., & Puig, J. (2004). Reducción del Riesgo Sísmico en Escuelas de Venezuela. Boletín Técnico IMME , 42 (3), 33-56.
