CONCRETO ARMADO
INTRODUCCIÓN Para proyectar una estructura de concreto armado se debe tener un claro conocimiento de las formas y métodos de diseño que aseguren un comportamiento satisfactorio del material. Para que una estructura cumpla sus propósitos debe ser segura contra el colaps colapso o y funcio funcional nal en condic condicion iones es de servic servicio. io. La funcio funcional nalidad idad requie requiere re que las defl deflex exio ione ness sean sean pequ pequeñ eñas as,, que que las las fisu fisuras ras,, si exis existe ten, n, se mant manten engan gan en lími límite tess tolerables, que las vibraciones se minimicen, etc. La seguridad requiere que la resistencia de la estructura sea la adecuada para todas las cargas que puedan llegar a actuar sobre ella. Si la resistencia resistencia de la estructura estructura,, construida construida tal como se diseñó, diseñó, pudiera predecirse predecirse en forma precisa, y si las cargas y sus efectos internos momentos, cortantes, fuer!as axiales" se conocieran con precisión, la seguridad podría garanti!arse proporcionando una capaci capacidad dad portan portante te ligera ligeramen mente te superi superior or a la que se requie requiere re para para las cargas conocidas. Sin embargo, existen diversas fuentes de incertidumbre en el an#lisis, diseño y construcci construcción ón de estruct estructuras uras de concreto concreto refor!ada refor!adas. s. Las cuales cuales mencionaremo mencionaremoss los diferentes métodos de diseño en concreto concreto armado considerados en el $.%.& y '.(.).
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CONCRETO ARMADO
OBJETIVOS 1
Objetivo general (onocer los métodos de diseño de concreto
armado considerando el
reglamento nacional de edificaciones $.%.&" y el código '.(.).
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Objetivos espe!"ios
(onocer el comportamiento del material, así como los esfuer!os y deformaciones que se presentan en una estructura de concreto por el método de diseño el#stico ante las cargas de servicio
(onocer mediante los métodos de diseño el#stico y de ruptura dimensiones y cuantías de acero.
#$TODOS DE DISE%O DE CONCRETO &R#&DO 1' CONCRETO &R#&DO 2
las
CONCRETO ARMADO
&s el material de construcción extensamente usado en el mundo por su mo ld ea bi li da d y durabilidad, el concreto aporta una capacidad resistente a la compresión y el refuer!o del acero, su ductibilidad y mayor resistencia a la tracción.
2' #$TODOS DE DISE%O SE()N CÓDI(O &'C'I &xisten b#sicamente *+ métodos de diseño en concreto armado +. -iseño &l#stico o por (argas de Servicio. +.+ -iseño a la $otura o por $esistencia ltima. Se
nota
la
gran distinción de la filosofía de ambos métodos
en
los
gr#ficos
b"
/étodo
&l#stico y c" /étodo Pl#stico.
2'1 DISE%O *OR TEOR+& E,-STIC&'
Parte de la 0ipótesis que es posible predecir la distribución de esfuer!os en el
concreto y el refuer!o, al ser sometidos a cargas de servicio. 'sume un comportamiento sólo el#stico de los materiales. &l ob1etivo es conseguir que los esfuer!os no excedan los esfuer!os admisibles que
son una fracción de la resistencia del concreto y de la fluencia del acero. Pruebas de laboratorio 0an comprobado el comple1o comportamiento del concreto con el paso del tiempo, que conlleva a una constante redistribución de esfuer!os entre
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éste y el acero. &n este diseño se considera sólo una de estas distribuciones y las
condiciones no consideradas puede ocasionar la falla. &l /étodo &l#stico no considera el tipo de falla, d2ctil o fr#gil, es decir, no orienta la falla seg2n sea conveniente. 3ampoco determina la carga que ocasiona la rotura de la
pie!a y por esto no tienen factores de seguridad establecidos. &ste método plantea una linealidad entre las deformaciones m#ximas a compresión y las m#ximas a tensión, y de aquí utili!an leyes de tri#ngulos b#sicas y varios artilugios matem#ticos para obtener las fórmulas de an#lisis y diseño.
2'2 DISE%O *OR ROTUR& O TEOR+& *,-STIC&'
Se plantea que el concreto est# en el estado pl#stico en el punto de rotura. -ebido a esto el concreto no traba1a a tensión y es el acero el que recibe en todos los casos toda la tensión. &sta teoría pauta la deformación unitaria m#xima a la rotura del 0ormigón como *.**4, con una curva de esfuer!o irregular la cual se traduce a un bloque de esfuer!o rectangular con un #rea equivalente.
Se basa en el c#lculo de la carga que ocasiona la falla del elemento y anali!a el
modo de colapso del mismo. Se 0a comprobado que es posible predecir esas cargas con precisión suficiente. ' distinción con el /étodo &l#stico, toma en cuenta el comportamiento inel#stico
del acero y el concreto y por lo tanto se estima me1or la capacidad de carga de la pie!a.
Permite controlar el modo de falla considerando la resistencia 2ltima. 'lgunos elementos se diseñan con menor margen de seguridad que otros para inducir su
falla primero. Se obtiene un diseño m#s eficiente, considerando la distribución de esfuer!os dentro del rango inel#stico.
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&ste método no utili!a el /odulo de &lasticidad del concreto, el cual es variable con la carga. -e esta manera se evita introducir imprecisiones en torno a este
par#metro. Permite evaluar la ductilidad de la estructura. Permite usar coeficientes de seguridad distintos para cada tipo de carga. La desventa1a es que solo se basa en criterios de resistencia, por eso, es necesario considerar condiciones de servicio óptimas, es decir, controlar las deflexiones y agrietamientos. Por esto es necesario usar este método en combinación con otros procedimientos para verificar el adecuado comportamiento
de las pie!as ba1o cargas de servicio. &l '.(.) introduce el factor de seguridad en el diseño a través de la amplificación
de las cargas de servicio y la reducción de la resistencia teórica de la pie!a. &l an#lisis estructural se reali!a ba1o la 0ipótesis de un comportamiento el#stico de
la estructura. La carga 2ltima de diseño es la suma de las diversas cargas actuantes multiplicadas por un factor de seguridad. La carga permanente es evaluada con mayor precisión que la sobrecarga, por esto su factor de amplificación es menor. La carga de sismo es muc0o m#s incierta, por esto, su factor de amplificación es
mayor que el de las dos anteriores. &l (ódigo propone adem#s la reducción de la resistencia teórica del elemento, como un medio para incrementar el factor de seguridad del diseño. Sobre todo el procedimiento constructivo del concreto genera que la resistencia calculada en papel no sea igual a la verificada en la realidad. 'dem#s se incrementan el factor de seguridad en pie!as sometidas a determinadas solicitaciones, ya sea por su tipo de falla o por la importancia de estos elementos dentro del con1unto estructural total. Por e1emplo para elementos sometidos a flexo5compresión, el factor de reducción es menor que cuando se anali!a flexión pura, propia de vigas. &sto se debe a que el colapso de una viga es muc0o menos per1udicial que el colapso de una columna.
Posteriormente al diseño de la estructura, el código propone una verificación de las condiciones de servicio de los elementos6 control de ra1aduras y control de las
deflexiones. Si es necesario, el diseño original debe replantearse. &l principio del /étodo por $otura es el siguiente6
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&l cual indica que la reducción de la resistencia nominal debe ser por lo menos igual a la sumatoria de las cargas de servicio amplificadas. &sto debe cumplirse para cada tipo de carga6
•
Las combinaciones de carga son
por e1emplo6
(omo se puede observar las cargas de sismo son las que tienen mayor factor de amplificación .78 o .94" debido a la variación de su c#lculo.
Los factores de resistencia son por e1emplo6
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(omo se puede observar el menor factor de reducción corresponde a :lexo compresión, lo que indica la tendencia a prevenir la falla primero de este elemento en comparación con los otros tipos de elementos.
.' SU*OSICIONES /UND&#ENT&,ES *&R& E, CO#*ORT&#IENTO DE, CONCRETO RE/OR0&DO
Los principales aspectos de interés practico en el comportamiento de una estructura son6 a" La resistencia de la estructura, seg2n la magnitud de las cargas con una distribución determinada. b" Las deformaciones traducidas en deflexiones y agrietamientos.
La mec#nica del concreto refor!ado se basa en las siguientes premisas6 a" Las fuer!as internas est#n en equilibrio con los efectos de las cargas externas en cualquier sección del elemento. b" La deformación unitaria de una barra de refuer!o embebida es la misma que la del concreto circundante. &s decir, se supone que existe una ad0erencia perfecta en la interface entre el concreto y el acero de manera que no ocurre desli!amiento entre los *+ materiales. c" Las secciones planas antes de la aplicación de la carga siguen siendo planas para el elemento cargado. (uando un elemento est# cargado cerca a la falla esta suposición no es absolutamente correcta, pero las desviaciones son usualmente menores. d" Se supone que el concreto no es capa! de resistir ning2n esfuer!o de tensión. &l concreto sometido en alguna parte a tracción estar# usualmente fisurado, aunque 7
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para elementos bien diseñados estas fisuras son tan delgadas que resultan apenas visibles. e" La teoría se basa en la relación esfuer!o5deformación real y en las propiedades de resistencia de los dos materiales constituyentes, concreto y acero. f" &stas cinco premisas permiten predecir mediante c#lculos el comportamiento de elementos de concreto refor!ado 2nicamente para algunas situaciones simples. &n realidad, la acción con1unta de dos materiales tan distintos y complicados como el concreto y el acero es tan comple1a que no 0a sido posible llevarla a un tratamiento analítico. Por esta ra!ón, los métodos de diseño y an#lisis, aunque utili!an estas suposiciones, est#n basados ampliamente en los resultados de una intensa investigación experimental. &stos métodos se modifican y me1oran en la medida en que se dispone de nuevas evidencias experimentales.
' DISE%O DE ESTRUCTUR&S DE CONCRETO CON CRITERIOS DE DUR&BI,ID&D'
'l diseño por cargas mec#nicas se aumenta el diseño por durabilidad. /uc0a investigación 0ace falta para llegar a un nivel de conocimiento suficiente
que pueda incluir al diseño por durabilidad en alguno de los reglamentos de diseño &structural como el americano '() o el europeo (&;. &n ambientes muy agresivos su durabilidad se acorta debido a la corrosión del
acero. &n base a los conocimientos que a la fec0a se presentan en la
literatura
internacional, se da una ecuación empírica para proyectar el periodo de iniciación de la corrosión 3" de una estructura de concreto expuesta a un ambiente marino. 'dem#s se muestra el modelo empírico para determinar la duración del periodo de
propagación de la corrosión 3+". &n un ambiente marino, los iones cloruro del agua de mar se acumulan en la superficie del concreto y lentamente se transportan a través del recubrimiento de concreto 0asta llegar a la armadura. (uando la concentración de los iones cloruro en la superficie del acero de las armaduras alcan!a valores que exceden un nivel crítico denominado (crit", la protección de la armadura corre el peligro de
desaparecer y la corrosión puede desencadenarse. (uando el concepto tiempo entra en 1uego en la evaluación de la funcionalidad de una estructura, varios factores externos o factores de degradación" resultan en un primer plano. (omo la funcionalidad est# íntimamente relacionada con la
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durabilidad de una estructura, ésta se puede definir como la 0abilidad de mantener la funcionalidad requerida.
Se
toma como
base
el
de
durabilidad
modelo
considerado por 3uutti6
Las variables 3 y 3+ son denominados periodos de iniciación y de propagación. Se define al 3 como al lapso de tiempo que tarda el ion cloruro en atravesar el recubrimiento, alcan!ar la armadura y provocar su despasivación. &n tanto 3+ se refiere al periodo entre la pérdida de protección de la película pasiva y la manifestación externa de
los
C
daños
por
corrosión.
(obertura o recubrimiento del concreto.
Cs (oncentración de cloruros en la superficie. De" (oeficiente efectivo de difusión de cloruros del concreto. 9
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Crit (oncentración crítica a la profundidad de la armadura.
= del peso de cemento".
3odas las variables en mm.
3' #$TODOS DE DISE%O *OR RESISTENCI& 4R'N'E5' &l /étodo de -iseño por $esistencia provee un determinado margen de seguridad estructural mediante dos recursos6
5-isminuye la resistencia nominal mediante el uso de un factor de reducción de la resistencia ?. 5'umenta la resistencia requerida usando cargas o solicitaciones mayoradas.
&ste criterio se materiali!a en el $eglamento exigiendo que en todas las secciones se cumpla la siguiente inecuación6 10
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$esistencia de -iseño @ $esistencia $equerida -onde, a su ve!6 $esistencia de -iseño A :actor de $educción de la $esistencia ?" B $esistencia %ominal $esistencia $equerida A C :actores de carga B Solicitaciones provocadas por un estado de cargas de servicio" Siendo6
:actor ?6 :actor menor que la unidad que reduce la resistencia para considerar las incertidumbres en los materiales y en las dimensiones $esistencia %ominal6 $esistencia de un elemento o de una sección transversal antes de aplicar cualquier factor de reducción de la resistencia. :actor de (arga6 :actor que incrementa la carga para considerar las incertidumbres en la variación de las cargas de servicio (arga de Servicio6 (arga especificada por el reglamento de acciones correspondiente no mayorada"
3'1 RESISTENCI& NO#IN&, VS' RESISTENCI& DE DISE%O Las reglas para el c#lculo de la resistencia nominal se basan en los estados límites establecidos para tensión, deformación, fisuración o aplastamiento, y concuerdan con resultados experimentales para cada tipo de acción estructural. La resistencia nominal se eval2a asumiendo que la sección tendr# exactamente las dimensiones y las propiedades de los materiales supuestas en los c#lculos. La resistencia de diseño proporcionada por un elemento estructural, sus uniones con otros elementos y su sección transversal, es igual a la resistencia nominal calculada de acuerdo con las ecuaciones e 0ipótesis estipuladas en el $eglamento, multiplicada por un factor de reducción de la resistencia ?. &sta reducción toma en cuenta6
La variabilidad de la resistencia de los materiales Los efectos de la velocidad de aplicación de cargas La variabilidad de la resistencia in situ vs. la resistencia de una probeta Los efectos de las tensiones residuales de contracción Las tolerancias y errores en las dimensiones de la sección transversal Las tolerancias y errores en la colocación de las armaduras Las tolerancias de fabricación y laminación de las barras de armadura Las 0ipótesis y simplificaciones usadas en las ecuaciones de diseño &l tipo de falla que podría producirse señales que permitan anticipar su ocurrencia, existencia de recorridos de carga alternativos, potenciales pérdidas de vidas 0umanas, costos sociales indirectos, importancia del elemento estructural, costo de reempla!o, etc."
3'2 /&CTORES DE REDUCCIÓN ESTRUCTUR&, SI#*,E
DE
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RESISTENCI&
*&R&
6OR#I(ÓN
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&l $eglamento especifica que para la flexión, compresión, corte y aplastamiento del 0ormigón simple se debe utili!ar el factor de reducción de la resistencia ? A *,D> Se considera que tanto la resistencia a la tracción por flexión, como la resistencia al corte del 0ormigón simple, dependen de la resistencia a la tracción del 0ormigón, que no posee reservas de resistencia ni de ductilidad.
3'. ,ON(ITUDES DE &NC,&JE 7 ,ON(ITUDES DE E#*&,#E DE ,& &R#&DUR& &n el c#lculo de las longitudes de ancla1e de las armaduras, no se requiere la aplicación de un factor de reducción de la resistencia. (onsecuentemente, tampoco se requieren factores ? para las longitudes de empalme, ya que éstas se expresan como m2ltiplos de las longitudes de ancla1e. REQUISITOS GENERALES DE RESISTENCIA RESISTENCIA REQUERIDA
La resistencia requerida para cargas muertas (/" y cargas vivas (<" ser# como mínimo6 E A ,9 (/ F ,8 (<
Si en el diseño se tuvieran que considerar cargas de viento ( (/ F (< ± ( (
Si en el diseño se tuvieran que considerar cargas de sismo (S", la resistencia requerida ser# como mínimo6 E A ,+> (/ F (<" ± (S E A *,G (/ ± (S
Si fuera necesario incluir en el diseño el efecto del peso y empu1e lateral de los suelos (&", la presión e1ercida por el agua contenida en el suelo o la presión y peso e1ercidos por otros materiales, , la resistencia requerida ser# como mínimo6 E A ,9 (/ F ,8 (< F ,8 (&,
&n el caso en que la carga muerta o la carga viva redu!can el efecto del empu1e lateral, se usar#6 E A *,G (/ F ,8 (&
Si fuera necesario incluir en el diseño el efecto de cargas debidas a peso y presión de líquidos (L" con densidades bien definidas y alturas m#ximas controladas, la resistencia requerida ser# como mínimo E A ,9 (/ F ,8 (< F ,9 (L
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CONC,USIONES •
(on el método pl#stico obtendremos cuantías de acero menores que al 0acerlo con un diseño el#stico, esto debido a que en este 2ltimo método se necesitar# mayor dimensión y cuantía de acero para mantener el material en el rango el#stico ante un mismo esfuer!o.
•
&l método pl#stico se considera 2nicamente un comportamiento lineal del material y el /étodo Pl#stico en el que se pretende traba1ar al concreto en el rango inel#stico 0asta llegar a su etapa de rotura.
•
Hoy en día la teoría pl#stica es utili!ado en la mayoría de los diseños
•
&l diseño el#stico es utili!ado parcialmente para casos especiales como fundaciones o edificaciones especiales, realmente resulta sencillo elegir nuestra teoría de diseño debido a que todo est# bien estandari!ado.
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BIB,IO(R&/+&
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$eglamento nacional de edificaciones 'merican (oncrete )nstitute '()" 0ttp6IIes.slides0are.netIagemilerIdiseo5en5concreto5armado5ing5roberto5morales5 morales 0ttp6IIcivilgeeJs.comI+*9I*I8Imanual5de5diseno5de5vigas5de5concreto5armadoI 0ttp6IIKKK.construccion.org.peInormasIrne+*+Irne+**DIfilesItitulo4I*+&I$%&+** G&*D*.pdf
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