Predimensionamiento de columnas: Consejos para ingenieros estructuristas

Predimensionamiento de columnas: Consejos para ingenieros estructuristas

Predimensionamiento de columnas: Todo lo que necesitas saber

En este artículo te explicamos todo lo que necesitas saber sobre el predimensionamiento, con consejos para principiantes y profesionales.

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Como ya hemos reiterado en otras entradas, la columna es la pieza estructural clave en todo proyecto constructivo, ya que es la base que soportará toda la carga de la edificación. Sin embargo, su diseño, forma, construcción y disposición, etc, requiere algunos conocimientos previos, para un buen predimensionado.

En el cuerpo del presente post encontrarás todos los datos que necesitas saber sobre el predimensionamiento de columnas, así como consejos útiles para ingenieros estructuristas, estudiantes y apasionados de la construcción civil

Un tema muy interesante y ampliamente usado en campo de la arquitectura y la ingeniería por la libertad que ofrece en la distribución de espacios.

Sigue leyendo, conoce la función del predimensionado en columnas, ese elemento fundamental en el esquema de cualquier estructura, aprende la adecuada selección de su tamaño, forma, distribución, composición y su influencia en la capacidad de carga según el material a usar, sea madera, acero o concreto.

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Predimensionamiento de columnas

En la industria de la construcción, arquitectura o ingeniería civil, etc, se conoce como predimensionamiento de columnas al proceso de determinar con precisión aquellas dimensiones capaces de resistir la compresión aplicada sobre dicha columna, así como la flexión que pueda presentarse por la acción de diversos factores. 

El predimensionamiento, representa una etapa clave en el diseño de elementos estructurales tanto en columnas, vigas y losas. Por lo cual es necesario establecer las dimensiones aproximadas antes de hacer los cálculos detallados. Cuyo fin es ofrecer una proyección inicial que permita evaluar la viabilidad y comportamiento general de la estructura del proyecto a construir.

El predimensionamiento en general, se refiere al proceso de estimación de las dimensiones iniciales que debe tener cada elemento estructural que se estimará para la obra, ya que esto permitirá su análisis y verificación posterior.

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Importancia del predimensionamiento de los elementos estructurales en una construcción

Conocer de antemano las dimensiones estándares usadas para un proyecto más eficiente, sea de una losa, viga peraltada o chata, columna, muro de corte o cimentación, es muy importante porque permite reducir las posibilidades de que aparezcan fisuras, pandeos o deflexiones en exceso.

Cabe destacar, que el predimensionamiento de columnas y demás elementos estructurales, se refiere tanto a estructuras en acero como de concreto. 

Tiene su fundamento en criterios ampliamente estudiados sobre la resistencia y estabilidad, evaluando las cargas de diseño estimadas. 

Es por consiguiente, el enfoque inicial donde se obtienen dimensiones aproximadas para guiar el diseño posterior y garantizar una estructura segura y eficiente.

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La viabilidad y el predimensionamiento

El predimensionamiento en columnas y otros sistemas estructurales es fundamental en toda construcción, porque permite determinar la viabilidad de un proyecto así como estimar los materiales requeridos en una construcción. 

Esto significa, que el predimensionamiento y la viabilidad van de la mano, porque facilita el diseño y minimiza los errores que suelen ser costosos en las etapas posteriores de la construcción. 

Es importante aclarar en este sentido, que el predimensionamiento en columnas no sustituye el cálculo estructural detallado, pero sí ofrece una base sólida para iniciar el proyecto.

El predimensionamiento aplica a todo tipo de elemento estructural, sea metálico, concreto o madera; en todos los casos se estiman las cargas y propiedades específicas de los materiales usados, cuyo predimensionamiento provee dimensiones iniciales aproximadas de los elementos estructurales, es decir, de columnas y vigas.

¿Cómo predimensionar columnas en un proyecto de ingeniería?

Para entender mejor el proceso de predimensionamiento en columnas, conviene colocarse en un escenario constructivo real donde usualmente se enfrentan los profesionales de la construcción, como ingenieros, arquitectos, estudiantes y/o albañiles experimentados.

En este particular, el proyecto es rectangular y consta de 3 niveles destinados para una vivienda, una edificación muy usual que atienden ingenieros estructuristas, arquitectos y afines, donde el problema central es plantear la estructura.

A continuación, proponemos un ejercicio de un proyecto constructivo expuesto por un  estructurista experto en predimensionamiento en columnas y construcción civil, con el objetivo de ilustrar el proceso:

Predimensionamiento de columnas: Consejos para ingenieros estructuristas

Dimensiones estructurales

El proyecto de la edificación en cuestión plantea de 3 niveles, con unas medidas aproximadas de largo de 16,1 x 12,0mts de ancho

  • Separación de columnas: normalmente es de 5 mts, pudiendo ser menos o más según el tipo de suelo y la propia estructura. Debiendo recordar en este sentido, que construir columnas sistemas menores a los 4mts se incurre en costos adicionales por mano de obra, materiales y lo que conlleva.

Asimismo, si la separación entre columnas supera los 6 mts, es necesario considerar que se requieren sistemas vigas estructurales más altas, por tanto, columnas más grandes. 

  • Planteamiento de la estructura de columnas del primer nivel

Para determinar los espacios idóneos en el primer nivel, lo primero que debe realizarse es dividir el área de 16,1 mts en 3 porciones, lo que se concreta en 16,1/3 a fin de obtener distancias que se aproximen a los 5 mts

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No es conveniente dejar el eje central a la mitad, ya que 8mts de separación entre columnas es muy alta, y esto conlleva a colocar vigas más altas, además de que debe preverse la escalera del segundo nivel y no debe atravesarse o reubicarse.

Quedando la proyección estimada de predimensionamiento de columnas en 5,20 x 5 x 5,4mts de separación entre cada columna, donde los 2 ejes laterales son más largos.

Mientras que en el eje más corto de 12 mts, se sugiere una distancia de separación entre cada columna; aunque pudieran dejarse sólo los 2 ejes, una duda muy frecuente sobre si se pueden dejar así, cuya respuesta es sí.

  • ¿Qué tener en cuenta?

Hay que considerar en en  el predimensionado de columnas, que en una sola longitud de vigas, además de que necesariamente deberá ser más alta, según el principio constructivo, la columna debe ser más fuerte que la viga y no al contrario.

Además de requerir un acero de mayor diámetro, y por ende, mayor longitud de desarrollo en el apoyo. 

Adicionalmente, al tener mayor altura de las vigas, se reduce significativamente la altura libre del piso. De tal modo que usando las tablas ACI y otras, serían 12mts sin restar la longitud de columnas, dividido entre 11, debido al muro sobre la placa.

El resultado es una altura mínima de viga de 1,09mts, siendo esta la altura libre del proyecto. Por todo ello, lo más conveniente es dejar un eje central en la parte media para que la estructura  sea más redundante, segura y económica, dejando 2 separaciones aproximadas de 5mts

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La mejor forma de predimensionar y orientar las columnas 

Una vez expuesto los argumentos y consideraciones anteriores sobre el  predimensionamiento de columnas, surge la pregunta sobre cómo dimensionar y orientar las columnas en cada intersección de los ejes de un proyecto constructivo. 

Conocer las dimensiones mínimas sugeridas por los expertos, establecidas en 25cm de lado en aquellas zonas con amenazas sísmicas media/baja y 30cm para zonas de amenaza alta. Además de disponer de un mínimo aproximado de 10cm por nivel/planta. Por tanto, en la presente estructura en estudio de 3 niveles, se requiere un mínimo por alguno de sus lados de 30cm.

Ahora bien, de tratarse de una estructura de 8 niveles por ejemplo, las columnas deberán tener en uno de sus lados una longitud próxima a los 80cm. Es decir, que en una edificación de 5, 6 ó más niveles no debe tener columnas de 40x40cm como muchos profesionales suelen aplicar.

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¿Qué medidas se necesitan para las áreas de columnas? 

El método más adecuado para determinar la separación de las áreas, lo ideal es enfrentar las columnas y determinar la carga que recibirá esta cimentación. Para ello se toma el área más grande y se aplica la fórmula básica de la ingeniería E = F/A, donde luego de despejar el área, queda A =  F/E.

El esfuerzo es el área  calculada hasta la cimentación producto de la carga muerta, cuya carga viva + muerta = F, siendo entonces de 45.357kg ó 45ton. Mientras que la resistencia del concreto está estimada en E = 0,3 x 210 kg/cm2.

Teniendo en cuenta que el límite máximo de compresión que se recomienda para las columnas, es del 30% F´C o resistencia de concreto. 

Luego de estos cálculos, la medida por área ideal será de 45.357Kg/0,3 x 210 x 3000 PSI o 210 kg/cm2. De tal manera que el área mínima necesaria de predimensionamiento de columnas será de 720 cm 2, cuya raíz cuadrada de dicho valor será de 26,83cm o 27cm.

La fórmula final: A = F/E = 45,357kg/0,3*210kg x cm2 = √720cm2 = 26,8 cm de área, misma que se aproxima a 27 cm de lado de las columnas, obligando a trabajar con 30cm. 

Por lo cual el sistema de columnas será de 30 x 30 cm, debiendo comprobar su aplicación para todas las secciones del proyecto.

Predimensionamiento de columnas y estructuras

Inicio del predimensionado de columnas

Visto este proyecto constructivo real, se concluye que el predimensionamiento de columnas debe iniciarse con segmentos de 30cm x 40cm.

La finalidad de este sentido de las columnas a lo largo, es disponer de un sentido corto, y de ser posible, se mantenga dicha medida en todo el perímetro de la obra, aunque resulta casi imposible por las distintas intervenciones en las áreas libres de la estructura.

Aunque lo ideal es disponer las columnas en el sentido largo hacia abajo, evitando la colocación en horizontal. Igual proyección aplica para el eje inferior, con la intención de no invadir el área de estacionamiento y habitaciones del nivel superior de la vivienda.

Predimensionamiento de columnas y estructuras

Disposición de columnas en el eje central del proyecto

Por otra parte, el eje central de los extremos del proyecto pueden disponerse verticalmente como colocación ideal, para lo cual se sigue la línea de ambos muros largos y las centrales se dejan orientadas horizontalmente siguiendo la línea del muro longitudinalmente, que probablemente deba alargarse considerando el espacio que ocupará el salón.

Se puede optar también por una sección circular para evitar accidentes por los filos, y aprovechar el espacio disponible

Ahora bien, seguramente en las columnas laterales se requiera una longitud adicional o colocar un muro, lo que requiere tomar las previsiones de un espacio extra. 

Predimensionamiento de columnas y estructuras (7)

No dejar el predimensionamiento de columnas al azar    

Las adiciones se pueden prever en el proyecto desde su fase inicial, o bien optar por el predimensionamiento de columnas hasta ese punto de la construcción, y plantearse el sistemas de vigas, conforme a la experiencia del profesional que lleva el proyecto.

Sin embargo, lo más conveniente para el predimensionamiento de columnas, es plantearlo desde la fase de planificación del proyecto o anteproyecto de ser posible. Estas previsiones permiten disponer de costos, cantidad de materiales y mano de obra más exactos.

Predimensionado de columnas del 2do. nivel de la construcción

Por otro lado, el predimensionamiento de columnas del segundo nivel del proyecto se observa bastante bien, salvo algunos detalles en espacios afectados por la orientación de las vigas. Igual detalle se evidencia en un eje de columna que toma parte del baño.

Si todavía el proyecto está en la etapa de formulación, se pueden corregir dichos detalles moviendo las columnas a la izquierda, derecha o alineando con los muros según favorezca la construcción para no invadir espacios útiles. Estos ajustes de predimensionamiento de columnas no afectan de manera importante la proyección de la primera planta.

¿Se puede doblar una viga durante el predimensionamiento de columnas?

Una duda frecuente de algunos estudiantes de arquitectura o ingeniería, incluso de profesionales de la construcción, es la posibilidad de doblar las vigas en el proceso de predimensionado o disposición de columnas. 

La respuesta a esta duda razonable, es sí, ya que el acero reforzado se puede doblar, aunque lo ideal es que no se haga, o no se realice de manera tan pronunciada. En algunos casos incluso, se puede colocar una viga pequeña al lado con apoyo en  la viga vertical principal, con el fin de controlar la torsión realizada.

Otra opción aceptable, es alinear las columnas del eje central y plantear un elemento de viga recta, aunque conlleva a ciertas complicaciones del primer nivel, es posible proponer algunos cambios en los espacios según corresponda y sin alterar el proyecto constructivo en todo su conjunto.

Comportamiento de las columnas y el predimensionamiento 

Para tener un acercamiento lo más preciso y acorde al tipo de proyecto arquitectónico a construir, lo más recomendable es recurrir a las normas de diseño determinadas para el predimensionado de columnas en las estructuras, edificaciones o elementos de los mismos. Pues, cada proyecto es único.

Sin embargo, en términos generales hay que recordar que parte de los requerimientos más importantes, que son claves en una estructura o elemento estructural, deben cuidarse durante el proceso de predimensionamiento de columnas, dentro de los cuales se pueden mencionar las siguientes propiedades genéricas que debe tener toda edificación:

  • Equilibrio.
  • Resistencia.
  • Funcionalidad.
  • Estabilidad.

Una columna puede alcanzar un estado de inestabilidad antes de que se deforme totalmente o presente un esfuerzo máximo

Es un fenómeno estructural que se evidencia con la inestabilidad que lleva al pandeo lateral, producto de una deflexión de la columna.

La resistencia de una columna comprimida tiene 2 límites, uno de resistencia para columnas cortas y otra de estabilidad para las largas. De tal manera, que la estabilidad representa un nuevo parámetro que define la resistencia y rigidez, así como las dimensiones de este importante elemento estructural.

Predimensionado de columna de acero

En cuanto al diseño de columnas de acero, el predimensionamiento se  basa en la desigualdad de la ecuación del diseño por estados límites, la cual se representa mediante la suma los efectos de las cargas divididas entre la resistencia minorada, que debe ser menor o igual a la unidad = yiQi / φRn≤1.

  • ∑γiQi = suma de los efectos de las cargas.
  • φRn = resistencia disminuida de la columna.

  • Método para predimensionar columnas de acero

Para aquellos perfiles que no estén en las tablas de cargas para columnas el procedimiento que aplica es de tanteo. Por lo cual debe suponerse un perfil para luego calcular la resistencia del diseño. En caso de que la resistencia sea muy pequeña (insegura) o grande (costosa), hay que realizar otro tanteo. El enfoque sistemático que suele efectuarse para la selección de tanteo requiere:

  1. Seleccionar un perfil de tanteo.
  2. Calcular el Fcr y øcPn para el perfil de tanteo.
  3. Verificar con la fórmula de interacción, si la resistencia de diseño se aproxima mucho al valor requerido, se puede probar el siguiente tamaño tabulado:
  • Si Pu/φcPn ≥ 0,2 ⇒ Pu/φcPn + 8/9 Mu/φbMn ≤1.
  • Si Pu/φcPn < 0,2 ⇒ Pu/2φcPn + Mu/φbMn ≤ 1
  • Pu = carga axial de compresión mayorada.
  • Pn = carga axial de pandeo, φcPn = φcFcrA.
  • Mu = momento flector mayorado.
  • Mn = momento flector resistente, φbMn = φbFyZ.
  • Fy = esfuerzo de cedencia del acero.
  • Fcr = esfuerzo crítico de pandeo.
  • φ = factores de minoración, φc = 0,85;φb = 0,90.

Predimensionado de columna de concreto 

Por su parte, las columnas de concreto armado se distinguen por sus tipos de elementos: 

  • Reforzadas con barras longitudinales y zunchos.
  • Reforzadas con barras longitudinales y estribos.
  • Reforzadas con perfiles de acero estructural, con o sin barras longitudinales, adicional a los distintos refuerzos transversales.  

Para este tipo de columnas de concreto, la cantidad de acero equivale a 1 u 8% con  un mínimo de 4 barras longitudinales.

  • Forma de predimensionado 

El proceso de predimensionar las columnas de concreto se realiza de 2 formas, uno con el método de aproximación, basado sólo en la carga axial, dado que esta carga es fácil de obtenerse por aproximados para preliminares de pórticos. El otro método más preciso se fundamenta en la carga axial y momento flector conocido, valores estos necesarios para diseñar una columna.

Cabe destacar que para el predimensionamiento de columnas de concreto existen numerosas fórmulas para predimensionar, y se conocen como Pu, y se presenta en 2 tipos:

  • El sugerido por Nilson y Winter: relación existente entre el área de acero (As) y el de concreto (Ag) definido como ρ.

En este caso, las dimensiones de las columnas se controlan básicamente por las cargas axiales, aunque el momento aumenta el área necesaria. Mientras que para columnas interiores, el incremento de momento no se aprecia, un aumento del 10% resulta suficiente; para columnas exteriores un incremento del 50% del área es el más apropiado.

  • Método de Arnal y Epelboim: estima que el área de concreto armado puede estimarse a través de: Ac = Pu/αφf´c, donde:
  • Ac = área de columna.
  • α = factor según la posición de la columna.

Predimensionado de columna de madera

En madera se pueden construir diversos tipos de columnas predimensionadas, cuyo material puede ser de macizo, ensamblado, compuesto y laminado. De este tipo de columnas de madera, la maciza es la más común cuyo método para predimensionar se realiza con una ecuación de análisis que se expresa conforme a los esfuerzos usando la siguiente fórmula: fa/Ff + fb/Fb = ≤1:

  • fa = esfuerzo de trabajo axial, fa = P/A.
  • Fa = esfuerzo admisible a compresión, Fa = fc*Cp.
  • fb = esfuerzo de trabajo a flexión, fb = M/S.
  • Fb = esfuerzo admisible a flexión.
  • F*c = esfuerzo admisible para compresión paralela a la veta.
  • Cp = factor de estabilidad de la columna.

Otros aspectos importantes en el predimensionamiento de vigas y columnas  

Para obtener las dimensiones de los distintos elementos que se manejan en una edificación, es necesario conocer algunos elementos básicos, siendo uno de los más importantes las cargas (peso) de la edificación

Esa primera fase se conoce como predimensionamiento de columnas, y es un proceso donde intervienen algunas fórmulas matemáticas que debe manejar todo arquitecto, ingeniero o profesional de la construcción civil. De tal manera, que en las siguientes líneas encontrarás algunos datos y simbología de utilidad:

De vigas

Algunos aspectos a considerar en el predimensionamiento de vigas de hormigón, se encuentra la luz de la viga (la longitud entre columna y columna, un término técnico en el campo de la ingeniería civil).

Por otra parte, las columnas cuentan con base (b) y altura (h), y se determina el predimensionado se usa una ecuación o regla que muchos profesionales sugieren para estimar la altura de la viga como: h = L/10, donde:

  • h = altura de la viga.
  • L = luz de la viga (distancia entre un apoyo a otro).

Ahora bien, como se indicó en líneas anteriores, la base mínima de una viga se estipula por las normas internacionales de la construcción como sigue:

Predimensionado de vigas de concreto
AlturaL10
Base.20cm zonas no sísmicas.30cm para zonas sísmicas.

Cabe aclarar, que estos valores aplican sólo para vigas rectangulares, ya que para viguetas de concreto, el procedimiento es distinto

De columnas 

Para el predimensionado de pilares o columnas, se refiere a la dimensión menor de la sección transversal, cuya medida es en línea  recta que pasa por medio del centroide geométrico, y no de ser inferior a  30cm. En este caso, distinto de las vigas, aplica tanto para columnas rectangulares como circulares.

Predimensionado de columnas de concreto

Lado (L).

30cm (mínimo).

Lado (L).

30cm (mínimo).

De estructuras

A través del predimensionamiento estructural, se pretende hallar las dimensiones de cada elemento que realizará un esfuerzo específico en toda la estructura del proyecto constructivo.

El proceso predimensionado debe ajustarse a los criterios de ejecución establecidos en las normas generales de construcción e ingeniería civil, considerando además las limitaciones de la arquitectura. 

Al igual que los casos anteriores, las dimensiones deben verificarse en la primera fase del diseño del proyecto arquitectónico, y opcionalmente se puede modificar de ser necesario durante la ejecución. El objetivo es ofrecer la mejor solución aplicable. Veamos un cuadro de predimensionamiento general mínimas de estructuras de concreto, en este caso:

Predimensionamiento de estructuras

 

Vigas.

Altura.L10.

 

Base.

20cm (áreas no sísmicas).30cm. (áreas sísmicas).
Columnas.Lado 1.

 

30cm.

Lado 2. 

 

30cm.

Losas.Condición de apoyo.Apoyo simple.L20.
Un extremo contínuo.L24.
Ambos extremos contínuos.L28.
En voladizo.L10.

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Predimensionado según el tipo de estructura y longitud de los elementos 

Como se ha evidenciado, en el predimensionamiento de columnas se usan diversos valores en términos de la longitud de los elementos que se ejecutarán en cada proyecto constructivo. Por lo tanto, conviene diferenciar este proceso según el tipo de vigas estructurales:

  • Vigas principales

Uno de los métodos que se usa para calcular las dimensiones de las vigas principales en un proyecto, es la regla h = L/9, h = L/12, donde h es la altura o canto total de la sección, y L es la la luz o longitud libre entre apoyos de la viga. 

Este valor de L/9 se aplica si hay certeza de que el armado de la viga es el indicado, y L/12 en caso haber seguridad del correcto armado de la viga; también se propone promediar ambos valores. Para la base B de la viga se considerará B = h/2.

  • Vigas secundarias

Para este caso de vigas secundarias se puede aplicar un criterio similar al anterior donde se inicia considerando h = L/14 y B = h/2; siendo h la altura de la sección transversal de viga, L longitud de la viga y B la base de la sección transversal de la misma.

  • Columnas

De manera análoga se puede emplear el método japonés, en el cual  se usa la fórmula de aproximación, es decir, para las dimensiones de un conjunto de pilares iguales de sección rectangular b x d. bd ≥ P/φfck.

Siendo b = dimensión menor de la sección transversal del pilar; d = dimensión mayor del mismo. Mientras que P = peso de la edificación, ∅ = factor es proporcional al tipo de columna, fck = resistencia en compresión del hormigón.

 

Predimensionamiento de columnas: conclusiones

Como se pudo evidenciar en este post sobre el predimensionamiento de columnas, se trata de un procedimiento de mucha importancia en cualquier proyecto arquitectónico, puesto que de su correcta ejecución dependerá la solidez y seguridad de toda la estructura.

De tal manera, que una vez concebido el diseño arquitectónico, el predimensionamiento de columnas permite verificar la correcta posición de las columnas sugeridas por el arquitecto o profesional a cargo de la obra sean las más apropiadas. 

La razón de aplicar el predimensionado de columnas por parte del ingeniero o profesional responsable, es comprobar que el arquitecto haya dispuesto las columnas en las posiciones tentativas que favorezca una construcción más eficiente y segura.

Algunas directrices aplicables en el  predimensionado

Se observó también en el predimensionado de columnas que existen algunas directrices que ayudan a determinar la correcta posición de las columnas en la construcción de una vivienda convencional, donde se consideró:  

  • Distancias más o menos equidistantes entre cada columna del proyecto.
  • Distancia entre columnas que no superan los 5mts y no son menores a los 1,5mts.
  • Columnas en posiciones tentativas con posibilidad de cambios al menos en una de las caras o dirección.
  • Que de acuerdo a la superficie del piso de la primera planta, las columnas deben tener dimensiones proporcionales a la carga que recibirán
  • Si el proyecto lo permite, las columnas se deben alinear por lo menos en una dirección.

Tales consideraciones no son normas rígidas que deben cumplirse, pero sí apuntan a situaciones ideales que se desean en el diseño de cualquier estructura. Aunque la estructura debe adaptarse a la arquitectura y no al contrario, eventualmente puede ajustarse; pues la solución estructural puede conllevar a ciertos conflictos que no armonizan con la arquitectura.

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Predimensionamiento de columnas: Todo lo que necesitas saber
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