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LEONEL SUASACA PELINCO DOCTOR EN CIENCIAS E INGENIERIA CIVIL AMBIENTAL MAGISTER EN INGENIERIA CIVIL INGENIERO CIVIL; CIP. 80191
ELEMENTOS ESTRUCTURALES
ELEMENTOS ESTRUCTURALES
Concreto armado Este sistema permite construir muros de concreto armado usando encofrados metálicos o de madera Los encofrados están separados en paneles los cuales se anclan uno con otro alrededor de una malla metálica unida a la platea de cimentación y luego se vierte el concreto esperando que fragüe y así seguir el método de manera repetitiva Se utiliza armadura de acero en su interior para soportar los esfuerzos de tracción
Ventajas y desventajas
ANALISIS ESTRUCTURAL Análisis estructural se refiere al uso de las ecuaciones de la resistencia de materiales para encontrar los esfuerzos internos, deformaciones y tensiones que actúan sobre una estructura resistente, como edificaciones o esqueletos resistentes de maquinaria. Igualmente el análisis dinámico estudiaría el comportamiento dinámico de dichas estructuras y la aparición de posibles vibraciones perniciosas para la estructura.
FACTORES DE MAYORACIÓN DE CARGA (ANALISIS ESTRUCTURAL) La resistencia requerida se obtiene de multiplicar las cargas de servicio por los factores de mayoración, tomando en cuenta: • La incertidumbre acerca de la magnitud de las cargas supuestas en el diseño. • La inseguridad de la exactitud de las hipótesis simplificativas y las ecuaciones del análisis estructural. • Los errores de cálculo. Todas las cargas involucradas en el diseño deben afectarse por los factores de mayoración correspondientes. La carga U (término que se refiere a las combinaciones de cargas de diseño) deben ser producto de varias combinaciones de cargas para establecer la solicitación más crítica de la estructura el cual regirá el análisis estructural. La resistencia requerida para cargas muertas (CM) y cargas vivas (CV) será como mínimo: U = 1,4 CM + 1,7 CV (1.5.5-1) E.060 Si en el diseño se tuvieran que considerar cargas de viento (CVi), además de lo indicado en 1.5.5-1, la resistencia requerida será como mínimo: U = 1,25 ( CM + CV +- CVi ) (1.5.5-2) E.060 U = 0,9 CM +- 1,25 CVi (1.5.5-3) E.060 Si en el diseño se tuvieran que considerar cargas de sismo (CS), además de lo indicado en 1.5.5-2 y 1.5.5-3 la resistencia requerida será como mínimo: U = 1,25 (CM + CV) +- CS (1.5.5-4) E.060 U = 0,9 CM +- CS (1.5.5-5) E.060
FACTORES DE MAYORACIÓN DE CARGA Si fuera necesario incluir en el diseño el efecto del peso y empuje lateral de los suelos (CE), la presión ejercida por el agua contenida en el suelo o la presión y peso ejercidos por otros materiales, además de lo indicado en 1.5.5-1, la resistencia requerida será como mínimo: U = 1,4 CM + 1,7 CV + 1,7 CE (1.5.5-6) E.060 En el caso en que la carga muerta o la carga viva reduzcan el efecto del empuje lateral, se usará: U = 0,9 CM + 1,7 CE (1.5.5-7) E.060 Si fuera necesario incluir en el diseño el efecto de cargas debidas a peso y presión de líquidos (CL) con densidades bien definidas y alturas máximas controladas, además de los indicado en 1.5.5-1, la resistencia requerida será como mínimo: U = 1,4 CM + 1,7 CV + 1,4 CL (1.5.5-8) E.060 Si fuera necesario incluir en el diseño el efecto de cargas de impacto, éstas deberán incluirse en la carga viva (CV). Si fuera necesario incluir en el diseño el efecto de las cargas de nieve o granizo, éstas deberán considerarse como cargas vivas (CV). Los efectos (CT) de los asentamientos diferenciales, flujo plástico del concreto, retracción restringida del concreto, expansión de concretos con retracción compensada o cambios de temperatura, la resistencia requerida, además de lo indicado en 1.5.5-1, deberá será como mínimo: U = 1,05CM+1,25CV+1,05 CT (1.5.5-9) E.060 U = 1,4CM+1,4CT (1.5.5-10) E.060 Las estimaciones de los asentamientos diferenciales, flujo plástico del concreto, retracción restringida, la expansión de concretos de retracción compensada o cambios de temperatura deben basarse en una determinación realista de tales efectos durante la vida útil de la estructura.
MATERIALES
EL CONCRETO
DOSIFICACION DEL CONCRETO El diseñador y el ingeniero deben poseer habilidades para una selección eficiente de los insumos para obtener un concreto que satisfaga los requisitos de resistencia y condiciones de servicio proyectadas por diseñador. Para caracterizar los componentes del concreto simple se ha tomado una caracterización del concreto para una resistencia a compresión de 250 kg/cm2. El propósito es dar a conocer la cantidad de cada uno de los insumos presentes en la mezcla de concreto para la calidad antes indicada. INSUMOS PESO Kg/m3 % PESO VOL. (m3) % VOL. CEMENTO 307 13% 0.098 10% AGUA 178 8% 0.178 18% AIRE ATRAPADO 0.020 2% AGREGADO GRUESO 1,040 44% 0.385 39% AGREGADO FINO 825 35% 0.0319 32% TOTAL 2,350 100% 1.00 100% Relación agua cemento W/C 0.58 1.82 Contenido de la pasta 0.296 29.6%
CONCRETO ARMADO
RESISTENCIA A COMPRESION DEL CONCRETO (f´C)
RESISTENCIA A COMPRESION DEL CONCRETO (f´C)
CONFECCIÓN Y ENSAYO DE PROBETAS Están reguladas por las normas (ASTM) y especifica lo siguiente
PRINCIPALES FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN DEL CONCRETO
RESISTENCIA A TRACCION DEL CONCRETO
PRUEBA BRASILEÑA
PRUEBA BRASILEÑA
TIPOS DE CORRUGACIONES EN EL ACERO
CALIDADADES DEL ACERO DE REFUERZO Los aceros de refuerzo que se producen en el Perú (SiderPerú, Aceros Arequipa) deben cumplir con alguna de las siguientes Normas: • Norma Peruana Itintec 341.031-A-42. Acero Grado 60. • Norma ASTM A615. Acero Grado 60. • Norma ASTM A706. Acero de baja aleación, soldable. Grado 60. La Norma A615 cubre los aceros de refuerzo que se utilizan con mayor frecuencia, en nuestro medio son prácticamente los únicos que utilizamos. La citada Norma, no limita la composición química de los aceros, salvo el contenido de fósforo. La Norma A706 cubre los aceros para aplicaciones especiales en las cuales la soldabilidad, la facilidad de doblado y la ductilidad, sean consideraciones importantes para la elección del acero. Limita la composición química del acero de tal modo que el carbono equivalente sea menor que el 0.55%. El carbono equivalente se calcula en función del contenido de Carbono, Manganeso, Cobre, Níquel, Cromo, Molibdeno y Vanadio.
Cabe resaltar que en el Perú, tanto Acero Arequipa S.A. como SiderPerú, los únicos productores de acero corrugado, solo fabrican acero de refuerzo Grado 60. La mayoría del acero disponible en nuestro medio, se ajusta a la Norma ASTM A615. Aceros Arequipa, bajo pedido, fabrica acero A706 solo en los diámetros de 5/8”, 3/4” y 1”. Este acero es soldable, desgraciadamente es más caro que el A615 y su uso no se ha difundido.
NORMAS DE DISEÑO EN CONCRETO ARMADO
NORMA DE DISEÑO EN CONCRETO ARMADO • La norma de diseño más importante en el Perú para el diseño de concreto armado está dada por la Norma Técnica de Edificaciones E.060 Concreto Armado Perú, que forma parte del Reglamento Nacional de Edificaciones "RNE", fue publicado el 08 de Mayo del 2009, la norma ha sido modificada después de 20 años (Norma anterior E.060 1989). • La norma E.060 es un documento exigible legalmente. Donde se expone una serie de principios sobre la buena práctica del diseño de concreto armado. Conforme se adquieren nuevos conocimientos sobre el comportamiento del concreto armado la norma peruana es revisada periódicamente. Siendo el objetivo efectuar cambios cada cierto periodo de tiempo. www.sencico.gob.pe/ica/descargar.php?idFile=190
NORMA DE DISEÑO EN CONCRETO ARMADO
• El reglamento ACI 31814, “Requisitos para el diseño de edificios de hormigón” . • El ACI decidió encarar este gigantesco cambio, la filosofía básica del mismo y la estructura prevista en el nuevo reglamento.
FLEXION
RESISTENCIA REQUERIDA Y RESISTENCIA DE DISEÑO
La resistencia exigida para el diseño de los miembros de concreto armado debe responder a las pautas correspondientes al método de rotura. Según lo estipula la Norma Técnica de Edificaciones E.060, requieren que la resistencia sea adecuada para que los miembros soporten las cargas mayoradas en las combinaciones estipuladas, y se aseguren un comportamiento adecuado en régimen de servicio. El cual es normado en el Perú por la Norma Técnica de Edificaciones (NTE).
MÉTODO DE DISEÑO A LA ROTURA O POR RESISTENCIA ULTIMA
En el diseño por capacidad resistente, las solicitaciones que actúan sobre la estructura se amplifican mediante factores apropiados para que las acciones exteriores sean comparables con la capacidad resistente de la estructura, del elemento estructural o de la sección específica de un elemento estructural. En conclusión a este punto se predice la carga que ocasiona la falla y se analiza el modo del colapso.
MÉTODO DE DISEÑO A LA ROTURA O POR RESISTENCIA ULTIMA
En pruebas de laboratorio se ha podido comprobar que es posible predecir estas cargas con precisión suficiente. Este método toma en consideración el comportamiento inelástico del acero y el concreto y por lo tanto, se estima mejor la capacidad de carga del elemento. Algunas de las ventajas con este método son: El diseño por rotura permite controlar el modo de falla de una estructura compleja considerando la resistencia última de las diversas partes del sistema. Algunos elementos se diseñan con menor margen de seguridad que otros para inducir su falla primero.
MÉTODO DE DISEÑO A LA ROTURA O POR RESISTENCIA ULTIMA
Permite obtener un diseño más eficiente, considerando la distribución de esfuerzos que se presenta dentro del rango inelástico. Este método no utiliza el módulo de elasticidad del concreto, el cual es variable con la carga. Esto evita introducir imprecisiones en torno a este parámetro. El método de diseño a la rotura permite evaluar la ductilidad de la estructura. Este procedimiento permite usar coeficientes de seguridad distintos para los diferentes tipos de carga.
MÉTODO DE DISEÑO A LA ROTURA O POR RESISTENCIA ULTIMA Las desventajas de usar este método es que solo se basa en criterios de resistencia. Sin embargo, es necesario garantizar que las condiciones de servicio sean óptimas, es decir, que no se presentan deflexiones excesivas, ni agrietamientos críticos. Con la mejora en la calidad del concreto y la obtención de secciones cada vez menores, se tiende a perder rigidez e incrementar las deflexiones y ancho de las fisuras. Por ello, es conveniente usar este método con su respectivo chequeo para garantizar su servicio. Las estructuras de hormigón armado y de acero laminado en caliente, y los puentes se suelen diseñar bajo este criterio.
MÉTODO DE DISEÑO PROPUESTO POR EL CÓDIGO E.060
La norma Peruana consiste en determinar las cargas de servicio y amplificarlas de acuerdo a las combinaciones de carga. Los elementos estructurales de concreto armado se diseñaran para que la siguiente relación sea verificable. F1C1 + F2C2 + … + FnCn ≤ Rn Dónde: F: Factor de amplificación de carga. C: Solicitación externa o carga. : Factor de reducción de resistencia. Rn: Resistencia nominal o teórica del elemento Posteriormente al diseño de la estructura, el código propone una verificación de las condiciones de servicio de los elementos: control de rajaduras y control de las deflexiones. En caso de ser necesario la norma propone que le diseño original debe replantearse.
REDUCCION DE RESISTENCIA Los factores de carga y reducción son utilizados porque proveen un nivel específico de seguridad frente a fenómenos tales como: • Variabilidad en la resistencia de los materiales: Hay diferencias entre la resistencia actual y la calculada para el concreto. Similar comportamiento se presenta para la resistencia de las barras de acero. • Se presenta diferencia entre las dimensiones diseñadas y las reales en el momento de la construcción, para los diferentes elementos estructurales. Se asumen simplificaciones en el momento de análisis y diseño. • Incertidumbre en el cálculo de las cargas y en el análisis estructural de las mismas: Las cargas en general presentan incertidumbre en cuanto a la evaluación y correcto análisis de las mismas. • Las cargas vivas, de viento y de sismo presentan niveles muy variables de precisión. • Por ejemplo, el factor de seguridad de la carga viva es mayor que el factor de seguridad para la carga muerta, debido a la menor certidumbre en la consecución del valor real de la carga viva. • La incertidumbre en el análisis estructural mismo conduce a diferencias entre las fuerzas y momentos actuales con los computados por el diseñador.
FACTORES DE MINORACIÓN DE RESISTENCIA La resistencia nominal de una sección transversal de un miembro estructural de concreto armado es la que se obtiene suponiendo que las dimensiones y las propiedades de los materiales son exactamente las especificadas en el proyecto. Por ello, a la resistencia nominal se le debe afectar de los factores de minoración de resistencia como medida de seguridad adicional. Los factores de minoración de resistencia toman en cuenta lo siguiente: • La ductilidad de la estructura. • La importancia del miembro en la estructura. (Por ejemplo, la falla de una columna es más grave que la falla de una viga). • La variación en la calidad y resistencia de los materiales, o la falla de exactitud en las dimensiones de los miembros, defectos de vaciado, etc.
FACTORES DE MINORACIÓN DE RESISTENCIA
La resistencia de diseño (Rn) de un miembro estructural se calcula multiplicando la resistencia nominal por el correspondiente factor de minoración < 1 según lo mencionado en la norma E.060 que se detalla a continuación Flexión sin carga axial……………………………………0,90 Carga axial y carga axial con flexión: (a) Carga axial de tracción con o sin flexión…………0,90 (b) Carga axial de compresión con o sin flexión: Elementos con refuerzo en espiral…………………….0,75 Otros elementos……………………………………………0,70
FACTORES DE MINORACIÓN DE RESISTENCIA
Para elementos en flexocompresión puede incrementarse linealmente hasta 0,90 en la medida que Pn disminuye desde 0,1 f’c Ag o Pb, el que sea menor, hasta cero. Cortante y torsión…………………………………0,85 Aplastamiento en el concreto…………………..0,70 (excepto para las zonas de anclajes de postensado)
Zonas de anclaje de postensado……………....0,85
El factor de seguridad resulta de: FS=FM/
Desarrollo En Sesiones ….
ADHERENCIA Y ANCLAJE
ADHERENCIA Y ANCLAJE Los elementos de concreto armado para que actúen con resistencia trabajan de la siguiente manera: El concreto absorbe los esfuerzos a la compresión y el acero los esfuerzos a tracción por lo tanto es importante que exista la adherencia entre el concreto y el acero. Existen tres adherencia.
mecanismos
que
permiten
una
buena
•
Adherencia de naturaleza química entre el concreto y el acero.
•
Adherencia mecánica, debido al contacto entre las caras del acero y el concreto.
•
Adherencia por el apoyo directo a las corrugaciones del acero de refuerzo sobre el concreto.
ADHERENCIA Y ANCLAJE En las zonas criticas para la adherencia donde se interrumpen el acero de refuerzo debido a su longitud y para lograr una buena adherencia, será necesario una cierta longitud de refuerzo, capaz de desarrollar una fuerza resistente entre ambos materiales. A esta longitud necesaria para desarrollar una adherencia se le denomina longitud de anclaje. En las normas actuales e-60, ACI 318-05 se realiza de acuerdo al diámetro de las varillas, calidad de los materiales ubicación y zona de empalme. para la longitud de empalme o anclaje. diámetro de la barra calidad de los materiales. Ubicación y zonas de empalme.
RECUBRIMIENTO
RECUBRIMIENTOS
Recubrimiento de concreto para el refuerzo :
Protección del refuerzo contra agentes externos, depende de las condiciones externas.
Protección del refuerzo contra fuego.
Adherencia entre el acero y el concreto.
Facilidad de colocación del concreto.
RECUBRIMIENTOS
Muros de contención o muros de sótano :
RECUBRIMIENTOS
Zapatas aisladas :
RECUBRIMIENTOS
Losa Aligerada y Losa Maciza :
RECUBRIMIENTOS
Viga Peraltada y Vigas chatas :
RECUBRIMIENTOS
Columnas :
RECUBRIMIENTOS
Columnas y/o vigas de confinamiento:
ESPACIAMIENTOS
ESPACIAMIENTOS
Armadura en vigas :
ESPACIAMIENTOS
Armadura en vigas :
ESPACIAMIENTOS
Armadura en losas macizas y muros :
ESPACIAMIENTOS
Paquete de Barras :
GANCHOS
GANCHOS
Los diámetros mínimos de doblado de las barras de refuerzo tienen que ver con :
Capacidad (ductilidad) del acero doblarse sin romperse o rajarse.
a
Prevenir el aplastamiento del concreto dentro del doblez.
GANCHOS
En barras longitudinales
En estribos y amarras
Diámetros mínimos de doblez
GANCHOS
GANCHOS
Ganchos en estribos :
PERALTE EN FLEXION
PERALTE EFECTIVO “d”
El peralte efectivo (d) se define como la distancia desde la fibra extrema en compresión de la sección hasta el centroide de la armadura en tracción. El peralte efectivo (d) se usa en muchas formulas para el análisis y diseño.
PERALTE EFECTIVO “d” En vigas con acero en una capa :
d =h-6 (cm) d’ =6 cm
PERALTE EFECTIVO “d”
En vigas con acero en dos capas :
d = h-9 (cm) d’ = 6 cm
PERALTE EFECTIVO “d”
En losa aligerada :
d =h-3 (cm) d’ =3 cm
PERALTE EFECTIVO “d”
En losa maciza :
d =h-3 (cm)
ESTRIBOS
ESTRIBOS
Los estribos en concreto armado, cumplen doble función, sirven para confinar el concreto (función de confinamiento) y para controlar el agrietamiento por cortante .
ESTRIBOS
Olive View 1971
ESTRIBOS
Estribos abiertos :
…solo se permiten únicamente en elementos sin responsabilidad sísmica ya que no sirven para confinar
ESTRIBOS
Estribos cerrados :
…son obligatorios para elementos sometidos a torsión o que tengan responsabilidad sísmica.
ESTRIBOS
Estribos múltiples :
ESTRIBOS
Estribo mal colocado :
COLUMNAS
COLUMNAS
Cada barra de esquina debe tener apoyo lateral proporcionado por el doblez de un estribo con un ángulo comprendido menor o igual a 135°.
COLUMNAS
Refuerzo mínimo para diferentes secciones :
COLUMNAS
Disposición del refuerzo longitudinal :
Disposiciones de la Norma relacionadas colocación del refuerzo en columnas
con
la
COLUMNAS
En cuantías elevadas :
…..suele ser conveniente paquetes de barras
agrupar
el
refuerzo
en
COLUMNAS
Estribos en columnas :
…..restringen el pandeo de las barras verticales en compresión
COLUMNAS
Estribos en columnas :
EMPALMES
EMPALMES
Existen diferentes tipos de empalmes y dentro de ellos la Norma reconoce los empalmes por traslape, soldadura y a tope con fijador mecánico.
EMPALMES
Empalmes en vigas :
EMPALMES
Empalmes en columnas :
EMPALMES
Empalmes en muros y placas :
DETALLES VARIOS
DETALLE DE REFUERZO-VARIOS
Detalle de refuerzo en zapatas
DETALLE DE REFUERZO-VARIOS
Detalle de refuerzo en zapatas
DETALLE DE REFUERZO-VARIOS
Cambio de sección en columnas
DETALLE DE REFUERZO-VARIOS
Anclaje de refuerzos
Dr. Leonel Suasaca Pelinco