CONSTRUCCION I ELEMENTOS DE CONCRETO ARMADO. SECCIONES DE COLUMNAS Y EMPALMES DE REFUERZO
Docente: Ricardo A. Sosa Sandoval
GENERALIDADES: Concreto armado: es el concreto simple + acero de refuerzo. Básicamente cuando tenemos un elemento estructural que trabajará a compresión y tensión; ningún esfuerzo de tensión será soportado por el concreto simple, es por ello que se debe incluir un área de acero que soporte la tensión generada reflejada en un número de varillas según su diámetro, así como su colocación.
Tipos de Carga 1. CARGAS ESTÁTICAS. Son aquellas que se aplican lentamente sobre la estructura, lo cual hace que se originen esfuerzos y deformaciones que alcanzan sus valores máximos en conjunto con la carga máxima. Prácticamente, estas solicitaciones no producen vibraciones en la estructura, y a su vez clasifican en: Cargas Permanentes o Muertas. Son cargas gravitacionales que actúan durante Ia vida útil de la estructura, como por ejemplo: el peso propio de la estructura y el peso de los elementos añadidos a la estructura (acabados, tabiques, maquinarias para ascensores y cualquier otro dispositivo de servicio que quede fijo en la estructura). Carga Viva o Sobrecarga. Son cargas gravitacionales de carácter movible, que podrían actuar en forma esporádica sobre los ambientes del edificio. Entre estas solicitaciones se tiene: al peso de los ocupantes, muebles, nieve, agua, equipo removibles, puente grúa, etc. Las magnitudes de estas cargas dependen del uso al cual se destinen los ambientes.
2. CARGAS DINÁMICAS. Son aquellas cuya magnitud, dirección y sentido varían rápidamente con el tiempo, por lo que los esfuerzos y desplazamientos que originan sobre la estructura, también cambian con el tiempo; cabe indicar que el instante en que ocurre la máxima respuesta estructural, no necesariamente coincide con el de Ia máxima solicitación. Estas cargas clasifican en: Vibraciones Causadas por Maquinarias. Cuando las máquinas vibratorias no han sido aisladas de la estructura principal, sus vibraciones pueden afectar tanto a la estructura que las soporta como a las estructuras vecinas. Viento. El viento es un fluido en movimiento; sin embargo, para simplificar el diseño se supone que actúa como una carga estática sobre las estructuras convencionales, pero para estructuras muy flexibles (puentes colgantes, chimeneas, etc.) es necesario verificar que su período natural de vibrar no coincida con el de las ráfagas de viento, de lo contrario, podría ocurrir la resonancia de la estructura.
Sismos. Las ondas sísmicas generan aceleraciones en las masas de la estructura y por lo tanto, fuerzas de inercia que varían a lo largo del tiempo; sin embargo las estructuras convencionales pueden ser analizadas empleando cargas estáticas equivalentes a las producidas por el sismo. Cargas Impulsivas o de Impacto. Son aquellas que tienen corta duración, por ejemplo las explosiones, choques, etc. Después que esta solicitación culmina se produce el movimiento de vibración de la estructura.
3. OTRAS SOLICITACIONES. Aparte de las cargas descritas existen otras solicitaciones que pueden comprometer a la estructura y que, por lo tanto, deben contemplan en el diseño. Ejemplo de estas solicitaciones son: el asentamiento de los apoyos, cambio uniforme o diferencial de temperatura, los empujes de tierra, el deslizamiento del suelo, las tensiones residuales, los preesfuerzos, el fuego, las subpresión de agua, las contracciones por secado del concreto, etc.
A continuación se muestra algunas de las sobrecargas especificadas por la Norma E-020. SOBRECARGAS PARA DIFERENTES EDIFICACIONES
TIPO DE EDIFICACION
Azoteas Vivienda Aulas de Centros Educativos Oficinas Salas de Lectura de Bibliotecas Sala de Operación de Hospitales Auditorios y Gimnasios Laboratorios Salas de Computo Corredores y Escaleras Salas de Archivo Talleres de Centros Educativos Almacenes de Bibliotecas
SOBRECARGA (Kg/ m2) 100 200 300 250 300 300 300 300 350 400 500 350 750
FACTORES DE CARGA:
Factor de carga es el número por el cual hay que multiplicar el valor de la carga real o de servicio para determinar la carga última que puede resistir un miembro en la ruptura. Generalmente la carga muerta en una estructura, puede determinarse con bastante exactitud pero no así la carga viva cuyos valores el proyectista solo los puede suponer ya que es imprevisible la variación de la misma durante la vida de las estructuras; es por ello, que el coeficiente de seguridad o factor de carga para la carga viva es mayor que el de la carga muerta. Los factores que en el reglamento del ACI se denominan U, son los siguientes: A) Para combinaciones de carga muerta y carga viva: U = 1.4D + 1.7L Donde: D = Carga muerta y L = Carga viva B) Para combinaciones de carga muerta, carga viva y carga accidental: U = 0.75 (1.4D + 1.7L + 1.7W) o U = 0.75 (1.4D + 1.7L + 1.87E) Donde: W = Carga de viento y E = Carga de sismo Cuando la carga viva sea favorable se deberá revisar la combinación de carga muerta y carga accidental con los siguientes factores de carga:
FACTORES DE REDUCCION:
Es un número menor que 1, por el cual hay que multiplicar la resistencia nominal calculada para obtener la resistencia de diseño. Al factor de reducción de resistencia se denomina con la letra Ø: los factores de reducción son los siguientes: Para: Flexión .....................................................0.90 Cortante y Torsión ..................................0.75 Adherencia .............................................0.85
Compresión con o sin flexión
Columnas con refuerzo helicoidal ......0.75 Columnas con Estribos ..........................0.70 El factor de reducción de resistencia toma en cuenta las incertidumbres en los cálculos de diseño y la importancia relativa de diversos tipos de elementos; proporciona disposiciones para la posibilidad de que las pequeñas variaciones adversas en la resistencia de los materiales, la mano de obra y las dimensiones las cuales, aunque pueden estar individualmente dentro de las tolerancias y los límites pueden al continuarse, tener como resultado una reducción de la resistencia.
RECUBRIMIENTOS Es el concreto que separa al acero del medio externo y evita que entre en contacto con el agua, la humedad o el fuego. Es importante porque protege el acero. Se debe tomar en cuenta que este recubrimiento se mide desde la cara exterior del estribo. El refuerzo debe de tener recubrimiento adecuado cuyo fin es el de proteger al acero de dos agentes: La corrosión y el fuego. El recubrimiento se mide desde la superficie del concreto hasta la superficie exterior del acero, o el borde exterior de los estribos si el refuerzo transversal confina las varillas principales. A continuación, se presenta un cuadro resumen con los recubrimientos usados en concreto armado: 1) 2)
3)
CONCRETO VACIADO EN OBRA RECUBRIMIENTO MINIMO (CMS) Concreto vaciado directamente sobre el terreno sin encofrado. 7.50 Concreto en contacto con el terreno o expuesto a la intemperie: varillas N° 6 a > 5.00 varillas N° 5 a < 4.00 Concreto vaciado al interior de edificaciones: Losas muros y aligerados. varillas N° 14 A> 4.00 varillas N° 11 A < 2.00 Vigas y columnas: refuerzo longitudinal o principal estribos cerrados, espirales. 4.00 Bóvedas y elementos laminares, cascarones: varillas N° 6 A> 2.00 varillas N° 5 A< 1.50
ADHERENCIA Y ANCLAJE La capacidad del refuerzo en el concreto para desarrollar la resistencia en tensión de una sección, depende de la compatibilidad de ambos materiales para actuar unidos al resistir las cargas externas. Una varilla, por ejemplo, se debe deformar en la misma medida que el concreto que la rodea, con el objeto de evitar la separación de los dos materiales cuando están sujetos a la acción de las cargas. El acero es un material que posee las característica para desarrollar la adhesión requerida entre el refuerzo y el concreto. La resistencia de adherencia es el resultado de la combinación de varios parámetros, tales como la adhesión mutua entre el concreto y la superficie de contacto del acero y la presión que ejerce el concreto endurecido en la varilla o el alambre de acero, debida a la contracción del concreto al secarse. Además de esto, la trabazón y fricción que ocasionan la presencia de las corrugaciones de la superficie del acero, resulta en un incremento de la resistencia del desplazamiento. El efecto total que producen estos factores se conoce como adherencia.
En resumen, la resistencia de adherencia es controlada principalmente por los siguientes factores: 1.- Adhesión entre el concreto y los elementos de refuerzo. 2.- El efecto de sujeción que resulta al secarse y contraerse el concreto que rodea a la varilla y FUERZAS DE ADHERENCIA QUE ACTUAN EN EL CONCRETO que se forman entre las corrugaciones de la varilla y en el concreto en el que está FUERZAS DE ADHERENCIA QUE SE EJERCEN SOBR EL ACERO embebida. 3.- La fricción que resiste al deslizamiento y la trabazón que se produce cuando el elemento de refuerzo es sujeto a esfuerzos de tensión. 4.- La calidad y resistencia del concreto a la tensión y a la compresión. 5.- El efecto de anclaje mecánico que se obtiene en los extremos de las varillas por medio de la longitud de desarrollo, los empalmes, y los ganchos. 6.- El diámetro, la forma y la separación del refuerzo, debido a que afectan el desarrollo de grietas.
Longitud de empalme en columnas La longitud de empalme* variará de acuerdo con el diámetro de la barra, de la ubicación del empalme, de la resistencia del concreto y del tipo de elemento (columna o viga). aumentar.
A continuación se detallan cada uno de estos casos:
EMPALMES Acero Longitudinal Columna
Estribos Columna Ln
Empalme de la Columna (Longitud de Desarrollo)
Acero Longitudinal Viga
Ejemplo Unión Viga-Columna
Estribos Viga
El estudio del comportamiento y diseño de columnas de concreto reforzado, ha sido un reto y un problema que han resuelto de acuerdo a sus alcances y conocimientos nuestros antepasados. Las columnas son elementos estructurales que sirven para soportar cargas axiales, y donde actúan fuerzas longitudinales (carga axial), produciendo en ellas esfuerzos de compresión, tensión, cortante y momento flexionante, y en algunos casos se presenta esfuerzos combinados como la flexocompresión; para absorber estas fuerzas producidas en la columna debido a las cargas se adiciona acero estructural como refuerzo longitudinal para absorber los esfuerzos de tensión; así como también acero transversal para los esfuerzos cortantes que se producen en dicha columna. El reglamento A.C.I. 318-04, indica: Que para el diseño de las columnas se deben considerar las fuerzas axiales que provienen de las cargas factorizadas de todos los entrepisos o azoteas.
Clasificación de las columnas de acuerdo a su relación de esbeltez. · Columnas cortas. · Columnas largas. *Las columnas largas fallan por esbeltez y las cortas por resistencia Clasificación de las columnas de acuerdo a su forma o geometría. · Columnas rectangulares. · Columnas cuadradas. · Columnas circulares. · Columnas de sección variada. * Las columnas pueden llevar según la fuerza cortante: estribo simple, doble, especial, etc. Clasificación de las columnas de acuerdo a su confinamiento. · Columnas estribadas. · Columnas zunchadas. * Las columnas podrán tener secciones geometricas diversas.
SECCIONES TRANSVERSALES
