Lac columnas son elementos sometidos a cargas de compresión con o sin momentos.
El requisito básico de resistencia requerido por el código ACI es:
$$ \phi P_n\leq P_u $$
$$ \phi M_n \leq M_u $$
Donde, $M_u$ es el momento producto de las cargas factoradas y $P_u$ es la carga axial factorada. Las fuerzas son obtenidas a partir del analisis estructural utilizado las combinaciones de carga apropiadas.
Para evaluar la capacidad del elemento se debere combinar los valores de $P_u$ y $M_u$ de manera simultanea para cada una de las combinaciones de carga requeridas.
Los estribos en columnas pueden estar configuradas con estribos (circulares o rectangulares) o con espirales (zunchos)
En la figura se indica una porción de una columna con estribos en espiral. Bajo un esfuerzo axial ($f_1$) de compresión el elemento se acorta longitudinalmente. A medida que se aplica la carga el elemento se expande lateralmente de acuerdo al fenómeno conocido como dilatancia (Modulo de Poisson). Cuando el concreto alcanza aproximada 70% de su capacidad axial la dilatancia en el material es mas pronunciada.
Esto resulta en esfuerzos de tension inducidos a los estribos de la columna. Para mantener el equilibrio dentro de la sección los estribos ejercen un esfuerzo $f_2$. El confinamiento pasivo provisto por los estribos inducen un estado de esfuerzos triaxial en el concreto que incrementan su capacidad carga.
La magnitud del confinamiento pasivo de los estribos en una columna es una función de su espaciamiento (longitudinal y transversal) y area de acero dentro de la columna.
Adicionalmente, los estribos restringen lateralmente a la varilla longitudinal reduciendo la magnitud de la carga de pandeo de la varilla.
En la figura se indican los diagramas carga/deformación para columnas con estribos (poco confinada) y una columna espiralada. Se puede ver en las graficas que las partes iniciales del diagrama son similares. Una vez alcanzada la carga maxima el concreto exterior (por afuera del estribado) comienza a aplastarse y a formar grietas verticales.
Cuando este fenómeno ocurre en una columna poco confinada, el area del núcleo es menor a la requerida para resistir la carga, el concreto falla por aplastamientos y las varillas longitudinales pandean, resultando en una falla repentina de la columna (esto puede ser apreciado en el video adjunto).
https://www.youtube.com/watch?v=rWzyf7S7Yv0&ab_channel=vsaouma
En el caso de una columna bien confinada, cuando el recubrimiento exterior se aplasta y se desprende, la columna no falla inmediatamente ya que el confinamiento pasivo de los estribos incrementa la capacidad del concreto. Como resultado la columna tiene un incremento en la capacidad de deformación y la falla es alcanzada cuando los esfuerzos laterales de los estribos inducidos por el fenómeno de dilatancia resultan en la fluencia (o incluso fractura) del acero de refuerzo. En otras palabras, el uso adecuado de los estribos incrementan la capacidad de deformación (ductilidad) del elemento.
De forma general las columnas espiraladas proveen mayor confinamiento que las columnas con estribos rectangulares o circulares, por eso dentro del contexto normativo del ACI tienen son asignadas mayores valores de $\phi$.
Cuando una columna simétrica es sometida a una carga axial, $P$, las deformaciones unitarias, $\epsilon$, se desarrollan de manera uniforme a lo largo de la sección transversal. Ya que se asume que el acero longitudinal y el concreto tienen una adherencia perfecta, las deformaciones unitarias en los dos materiales son iguales; y para cualquier valor de deformación unitaria es posible calcular los esfuerzos utilizando las relaciones constitutivas del material.
La carga maxima del elemento es determinada mediante:
$$ P_o=0.85f'_c(A_g-A_s)+f_yA_s $$
Los diagramas de interacción buscan ser una representación de la resistencia característica de la sección de hormigón armado para diversas combinaciones de carga axial y momentos.