ORIENTACION DE LAS PATAS DEL REFUERZO EN UNA COLUMNA EN EL FONDO DE LA CIMENTACION

En este articulo se decribe cual es la manera correcta de orientar el refuerzo de la columna en el fondo de la zapata, se describe los beneficios que tiene el orientarlos hacia dentro o fuera del nucleo de la cimentación; asi mismo se detalla un ejemplo numérico para evidenciar el incremento del momento de inercia que aporta las patas (barras de refuerzo).

construccion de zapatas aisladas

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¿En qué dirección se debe orientar las patas del refuerzo en la columna en el fondo de la zapata?


En los planos estructurales de una zapata aislada es común encontrar en el detalle típico, que las patas del refuerzo de la columna en el fondo de la cimentación están orientadas hacia afuera, pero ¿porque se posición así, es correcto?, ¿y qué pasaría si oriento las patas dentro del núcleo de la columna?; en esta guía se abordará el tema desde el aspecto estructural.

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El buen diseño de la pata (gancho) de la barra de refuerzo


El adecuado diseño del acero de refuerzo de la zapata y la orientación correcta de las patas del refuerzo de la columna ayudan a mejorar la durabilidad y la vida útil de la estructura, por ello es importante diseñar correctamente los ganchos para que aporten a distribuir las cargas de manera más uniforme a lo largo del refuerzo, reduciendo posibles fallas por fatiga.
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Las patas se refieren a la parte doblada de la barra corrugada que se extiende horizontalmente hacia afuera o hacia adentro del núcleo de la zapata, las patas se usan para anclar y proporcionar una conexión eficiente y resistente entre la columna y la zapata (en el fondo de la cimentación), mejorando de esta manera la capacidad para resistir cargas laterales y cargas de arrancamiento y/o levantamiento y de volteo de la columna.
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Las patas se forman mediante el doblado manual o mecánico del extremo de la barra de refuerzo en forma de gancho, la doblez para una cimentación a base de zapatas es de 90°; la doblez proporciona una mayor longitud efectiva de refuerzo, esta condición aumenta el momento de inercia y la resistencia a la tracción del refuerzo.

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¿Porque orientar las patas hacia afuera del núcleo de la zapata?


En el fondo de la cimentación, las patas de las barras de la columna se extienden horizontalmente y pueden estar orientados fuera del núcleo de la zapata, considerando un caso de una zapata totalmente rígida (la deformación y los desplazamientos resultantes de las cargas aplicadas son pequeñas e insignificantes y no afectan el comportamiento de la estructura), esta configuración permite que las patas se anclen de manera más efectiva en el concreto circundante al nucleo (fuera del perimetro de la columna). Otro aspecto importante de la orientación de las patas está relacionado con la resistencia al arrancamiento, es decir resistir al levantamiento de la columna ante fuerzas laterales o eventos sísmicos; por lo tanto, mejora la estabilidad y la seguridad de la estructura.
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Un ejemplo típico de una estructura con tendencia al levantamiento son los edificios con sistemas estructurales en base a pórticos de concreto, los elementos resistentes son las vigas y columnas; las columnas soportan las cargas verticales y transmiten las fuerzas horizontales generadas en un evento sísmico hacia la cimentación, estas fuerzas horizontales pueden generar que la parte superior del edificio se desplace lateralmente en relación a su base, creando una fuerza de tracción en la base de las columnas, de esta manera aumenta la tendencia al levantamiento. Otros ejemplos son columnas de postes, letreros, semáforos, zapatas combinadas, etc.

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¿Tiene alguna beneficio orientar las patas hacia fuera del núcleo de la zapata?


El beneficio principal de la orientación de las patas hacia afuera, en el supuesto de una zapata infinitamente rígida, es la mejora de la capacidad de la zapata para resistir fuerzas de levantamiento y/o arrancamiento de la columna durante un evento sísmico o cargas laterales; al tener una conexión con el área circundante del concreto el momento de inercia del refuerzo se maximiza, aumentando la capacidad de la zapata para resistir cargas provenientes de la columna, aumenta el factor de seguridad entre la conexión columna-zapata y de la estructura en general. A pesar de ello orientas el refuerzo de las patas hacia afuera no es una buena práctica constructiva.
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¿Qué ocurre si las patas están orientadas dentro del núcleo de la columna?

Según la normatica ACI 318-19 (American Concrete Institute), las patas del refuerzo de la columna en el fondo de la cimentacion se deben orientar dentro del núcleo de la zapata, esta orientación proporciona un anclaje adecuado y resistencia adicional a las fuerzas de tracción y flexión.
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El artículo 18.13.2.2 precisa que el refuerzo longitudinal debe extenderse dentro del núcleo de la zapata.


En el artículo 18.8.5.1 se precisa tambien que el requisito del gancho se debe proyectar dentro del núcleo del nodo.


La normativa E060 concreto armado, también hace precisión sobre la orientación del gancho de los refuerzos en el fondo de la cimentación.
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El artículo 21.12.2.1 indica que el refuerzo longitudinal de las columnas y muros estructurales que resisten las fuerzas inducidas por los efectos sísmicos deben externders dentro de la zapata, losa de cimentación o cabezal de pilote, y debe estar anclado para desarrollar totalmente la tracción en la interfase.
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Además el artículo 21.12.2.2 indica que las columnas que se diseñan suponiendo condiciones de empotramiento en la cimentación, deben cumplir con lo indicado en 21.12.2.1 y, si se requiere de ganchos, el refuerzo longitudinal que resiste la flexión debe tener ganchos a 90° cerca del fondo de la cimentación, con el extremo libre de las barras orientado hacia el centro de la columna.
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En el caso anterior consideramos una zapata infinitamente rígida, pero en la realidad no es así, la zapatas tienden a deformarse y desplazarse ante la aplicación de cargas; en este sentido, la orientación hacia dentro de las patas del refuerzo es necesario para proporcionar un anclaje adecuado y resistir las fuerzas de tracción y flexión generados por las cargas dinámicas, si orientamos las patas del refuerzo hacia afuera, se compromete la capacidad de resistencia de la estructura y se reducirá la capacidad de soportar las solicitaciones para las que fue diseñada

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La orientación de las patas dentro del núcleo también mejora la durabilidad y vida útil de la estructura, el beneficio de durabilidad se debe a que las patas ayudan a distribuir las cargas de manera más uniforme a lo largo del refuerzo, reduciendo la posibilidad de falla por fatiga y aumenta la resistencia a largo plazo de la zapata; fatiga es un tipo de falla mecánica que se produce en los materiales sometidos a esfuerzos cíclicos (una y otra vez), después de un cierto número de ciclos se produce una fractura en la estructura, durante el proceso se producen pequeñas fisuras que se van acumulando hasta que finalmente se propagan generando una fractura total.
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La zona de influencia del ancho de la columna proyectado en la zapata es altamente rígida y el agrietamiento es muy bajo casi nulo, es por ello que la zona es ideal para disponer las patas del refuerzo; a medida que se aleja de esta zona, la zapata es menos rígida y tiene a deformarse generando agrietamiento, por esta condición no es recomendable que las patas estén orientadas en esta zona.
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Así como el ACI 318-19 y otras referencias como el “Design of Concrete Structure” de Arthur H. Nilson indican que la orientación del refuerzo en el fondo de la cimentación es hacia dentro del núcleo de la columna, proporcionando un anclaje adecuado y una distribución uniforme de las cargas, esta condición contribuye a la resistencia y estabilidad de la estructura.

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¿Que efectos negativos podría tener orientar las patas dentro del núcleo de la columna?


La orientacion dentro del nucleo de la columna podria generar que el refuerzo posea menos capacidad para resistir efectos de levantamiento de la columna, debido a que el momento de inercia se puede ver reducida, resultando en una mayor deformación; otra consecuencia negativa podría ser el aumento de riesgo de desprendimiento de la columna de la zapata. Cabe indicar que estos efectos se pueden producir en casos extremos como un evento sismico.

Se muestra un comparativo desde el aspecto del arrancamiento y/o levantamiento

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¿Entonces como debo orientar el refuerzo en el fondo de la zapata?


Teniendo en consideración los beneficios y efectos negativos de los dos tipos de orientación del refuerzo en el fondo de la cimentación, considero (opinión muy personal) una mezcla de los dos casos, los ganchos deben orientarse dentro del núcleo y sobresalir del perímetro de la columna para anclarse en el concreto circundante; esta condición es importante para lograr una estructura con un anclaje adecuado para transferir las cargas desde la columna a la zapata de manera efectiva, asegurar una distribución uniforme, aportar resistencia al levantamiento y arrancamiento producto de las fuerzas laterales causadas por vientos y sismos, mejor estabilidad de la estructura, reducción de concentraciones de esfuerzos y prevenir aparición de puntos vulnerables o fallos localizados en la cimentación.


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Maximización del momento de inercia del refuerzo


El momento de inercia es una medida de la resistencia de un elemento a cambiar su movimiento rotacional, en el caso del refuerzo de la columna en el fondo de la cimentación, el momento de inercia se refiere a la capacidad del refuerzo para resistir el levantamiento de la columna durante un evento sísmico, acciones del viento o cargas laterales.
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Al tener las patas del refuerzo fuera del núcleo de la columna, el momento de inercia se maximiza porque se logra una distribución mas uniforme de la tensión y la carga en la estructura, esto se debe a que las patas en esta posición aportan en el aumento de la sección transversal efectiva del refuerzo, mejorando la capacidad para resistir efectos de levantamiento o arrancamiento en la columna.
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Por describir un ejemplo, una columna que soporta una carga lateral de 50 tn, la orientación de las patas hacia afuera del núcleo permitirá que el momento de inercia sea mayor y su capacidad para resistir la carga será mejorada; también se verá mejorada la capacidad de la zapata para resistir as fuerzas a la flexión y cortante producto de las cargas estática y dinámicas.

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Se calculan los momentos de inercia para la sección de la columna y la sección que forman las patas del refuerzo de la columna en el fondo de la cimentación

Las dimensiones de la columna son de 0.50 x 0.50 m

Las dimensiones del área formada por las patas del refuerzo en el fondo de la cimentación son de 1.10 x 1.10 m

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Información para citar el artículo

Redactado por: Ing. Jorge Condori
Fecha: 18 de mayo del 2023
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