Vicerrectoría Académica Facultad de Ingeniería
DISEÑO ESTRUCTURAL: VIGAS DE REFUERZO A FLEXION Y ELEMENTOS ESTRUCTURALE S SOMETIDOS SOMETIDOS A COMPRESION
PRESENTADO POR: DIANA LOPEZ RAMIREZ-40101083 JAIME CUESTAS MANZO-40092085
PRESENTADO A: ING. RICHARD MORENO
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA PROGRAMA D E INGENIERIA CIVIL 25 DE MARZO DEL 2015
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Vicerrectoría Académica Facultad de Ingeniería INTRODUCCION
La resistencia del concreto tiene una gran transformación a partir de muchas variables, sin embargo el concreto generalmente tiene buenas características en cuanto a la resistencia a la compresión, al fuego, durabilidad, manejabilidad, haciendo un conjunto ideal con el acero para perfeccionar el comportamiento , ya que el refuerzo garantiza la resistencia a la tensión y ductilidad. Frecuentemente los elementos en concreto reforzado son específicos para trabajar a flexión ( vigas), sin embargo cuando el acero aplicado en la propiamente en el inferior de la viga alcanza su mayor resistencia , es preciso que el concreto presente visibles fisuras, en cuanto a grandes proporciones estas pueden disminuir la duración de los elementos brindando una menor seguridad estructural . Existen diversos aspectos que pronuncian fácilmente la aparición de fisuras o grietas en el concreto como cambios térmicos, perdida prematura de agua, tipo de agregados , humedecimiento y secado etc. De tal manera que se debe tener el debido cuidado en la etapa constructiva con respecto al diseño , como la mezcla , curado , proporción del hacer, entre otros . En el presente trabajo se expondrá diferentes investigaciones con respecto al concreto armado reforzado, concreto con fibras y concreto armado doblemente reforzado para analizar los diferentes comportamientos que se pueden comprobar, promoviendo así una fase investigativa en la materia para la adquisición de nuevos conocimientos o que complementen los mismos.
1. OBJETIVOS 1.1.
Objetivo General
Investigar y analizar diferentes maneras de representar el concreto, ya sea con refuerzo, con fibras o con doble refuerzo. Generar un comparativo de los posibles comportamientos de resistencia entre cada uno, así mismo analizando vigas que trabajan a flexión y elementos estructurales sometidos a compresión..
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Vicerrectoría Académica Facultad de Ingeniería 2. MARCO DE REFERENCIA 2.1.
Concreto Armado con Refuerzo de Acero 2.1.1. Diseño del cortante de FRP vigas de hormigón armado sin reforzamiento transversal
El articulo está dirigido principalmente a el análisis del comportamiento
experimental de
vigas RC con falla al corte y flexión, en donde la falla de corte es resistida en primera instancia por la cabeza a compresión . Se aplica un concreto de
reforzado con polímeros, que garantiza
resistencia unas
características de las propiedades de fatiga y alta relación resistencia – peso . Se tendrá en cuenta que e s una viga con la ausencia de estribos, en donde la única hacia abajo el desplazamiento vertical de la armadura longitudinal en proporcionada por el recubrimiento de hormigón. Sin embargo las grietas aumento su espaciamiento a medida que la carga aumenta, reduciendo la fricción a lo largo de la longitud de la grieta. Este efecto es especialmente relevante en elementos sin estribos, ya que las grietas no son atravesadas por cualquier refuerzo que limita los movimientos relativos entre sus labios, con excepción de las barras de flexión. (1) Principal Hipótesis
La hipótesis principal de la método presentado en este artículo es que, justo antes de la falla, el principal mecanismo que contribuye a la resistencia al corte de la viga llevado por el acorde de compresión de hormigón.
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También se considera un FRP reforzado viga de hormigón sin transversal refuerzo, sometido a una carga de punto de aumento, el cual produce un patrón de fisura inclinada, así como normal y cizalladura vertical subraya en cualquier sección transversal, como se muestra en la figura. (1)
Figura 1.Planteamiento de Hipótesis Profundidad del eje neutro
La profundidad de la cuerda de compresión de hormigón se supone que es igual a la profundidad eje neutro en flexión en el estado agrietada. El comportamiento en compresión, la profundidad eje neutro resultante dependerá de la relación de refuerzo y la relación modular. Se analiza
que cuanto mayor es el momento aplicado y menor es la relación de modular
equivalente, mayor es el neutro factor de corrección eje.
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La profundidad eje neutro se obtiene entonces por análisis estándar de agrietadas reforzadas secciones de hormigón bajo flexión pura, descuidando resistencia a la tracción del hormigón, y multiplicando el valor obtenido por la corrección del factor de Fa.
Figura 2.Profundidad del eje Neutro
Ensayo
Un número considerable de pruebas se han llevado a cabo para estudiar la resistencia al cizallamiento de FRP sin reforzamiento trasversal . Se tiene en cuenta efecto de la cantidad de refuerzo y la rigidez en la resistencia al cizallamiento de FRP . Para estudiar el comportamiento de las formulaciones de cizallamiento existentes para Vigas FRP RC, los autores han montado una base de datos experimental de 144 ensayos sobre vigas o forjados unidireccionales. (1)
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Figura 3.Viga modelo
Análisis de resultados
Se observa considerablemente que con respecto la profundidad de la viga ,
el ancho de
la grieta tiende a aumentar , provocando una reducción del efecto de agregado enclavamiento y que conduce a una disminución de la resistencia al cizallamiento.
Figura 4. Viga agrietada
Conclusiones
Según la falla de corte de un es considerado a tener lugar cuando la tensión principal de tracción en cualquier punto de la cuerda de compresión, alcanza el hormigón a la tracción fuerza. Para vigas simplemente apoyadas sometidos a cargas puntuales, dicho fallo se produce a una sección crítica colocado en la punta de la inclinación de las grietas de cizallamiento .
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Los resultados obtenidos por el método propuesto son muy buenas, en términos de valor medio y el coeficiente de variación de la relación entre el experimental y los valores predichos.
2.2.
Concreto Reforzado con fibras 2.2.1. Comportamiento en la compresión en hormigón reforzado de peso ligero confinado con refuerzo de acero trasversal
Se lleva a cabo el análisis del comportamiento en el concreto reforzado de peso ligero, con refuerzo trasversal en forma de espiral para muestras cilíndricas y cuadrada para muestras prismáticas . El material del agregado es la Piedra pómez y arcilla expandida, los cuales son fundamentales para disminuir el peso del material compuesto, Además de esto se le agregaron fibras de acero en forma de ganchos. El hormigón ligero no es muy común en funciones
estructurales
sin embargo
esto se
quiere
analizar
para
empleado en elementos
estructurales, básicamente para hormigón prefabricado. Este es muy óptimo para la reducción de la dimensiones de los cimientos de los edificios con el apoyo de que tiene baja capacidad portante del suelo. De igual manera la resistencia de este tipo de concreto variara con respecto a los áridos que lo conformen y esencialmente de la densidad , teniendo en cuenta que una alta densidad mejorara la resistencia del concreto y si mismo su peso propio . Sin embargo gran parte
se
puede
mejorar
con el aumento del acero de refuerzo transversal de
confinamiento. (2)
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Muestras
Se utilizara fibras de acero enganchado aplicado en diferentes porcentajes. Las fibras con longitud de 30 mm, y el diámetro 0, 5 mm se distribuyeron al azar en el mezcla de hormigón fresco. Los porcentajes en volumen de fibras eran 0,5%, 1% y 2% en volumen de hormigón, que corresponde a cantidades de fibra de 40, 80 y 160 kg / m3 La piedra pómez agregado de piedra con un tamaño desde 3 a 7 mm (tamaño medio) y de 7 a 10 mm. La porción fina (<3 mm) de la piedra pómez fue retirado y sustituido por medio arena con el fin de mejorar las propiedades mecánicas del hormigón. Los agregados de arcilla expandida, casi ronda, pero de forma irregular con un diámetro máximo de 17 mm, tenía una densidad aparente de 650 kg de peso / m 3. Cemento Portland producido en Italia y que tiene similares características al tipo de cemento ASTM. (2)
Especímenes
Para estudiar el comportamiento en compresión del peso ligero concreto, las muestras que tienen diferentes formas (cilíndrica y dimensiones prismáticos), y diferentes eran preparado. Especímenes cilíndricos 100x 200 mm se emitieron utilizando hormigón ligero con piedra pómez o arcilla expandida. Probetas prismáticas con transversal sección transversal 100x100 mm y variaciones de altura , 100, 200 o 340 mm
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Figura 5. Especimenes a ensayar El confinamiento refuerzo con barras de refuerzo de 4 mm de diámetro y barras en forma de espirales circulares para especímenes
cilíndricos
prismáticas.
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y de estribos cuadrados para probetas
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Análisis de resultados
En los especímenes cilíndricos de hormigón ligero con arcilla que s e probaron con y sin fibras, teniendo un refuerzo trasversal en forma de espiral, s e logra determinar que ausencia de fibras en
estas muestras
la
muestran gran fragilidad y una baja resistencia,
mostrando grietas inclinadas longitudinales básicamente
a través de toda la muestras
Debido al acero de refuerzo en espiral se tiene algunas apreciaciones como observar la escasa capacidad de resistencia del agregado liviano y la frágil naturaleza de agregado liviano hace que sea imposible movilizar altos valores de fuerzas impliquen significativa resistencia residual. (2)
Figura 6. Concreo con fibras de acero
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Figura 7. Concreto con refuerzo en espiral El refuerzo utilizado garantiza una gran resistencia en las muestras. En la manera que para los dos tipos de muestras tanto para cilíndrica y para
probetas prostática, se
obtiene una
capacidad de resistencia y deformación muy similar , debido a que la sección trasversal cuadrada confinada se r educe con respecto a la cilíndrica. También se observa que la presencia de fibras, junto con los refuerzos de acero transversales produce un mejor rendimiento tanto para probetas prismáticas y cilíndricas, pero la forma de la sección transversal produce diferentes efectos porque el núcleo confinado efectivamente es mayor en probetas cilíndricas con respecto a la de probetas prismáticas con estribos.
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Figura 8. Viga de concreto con variaicones en alturas
Figura 9. Viga de concreto con variaicones en alturas
De acuerdo a las probetas prismáticas es claro que se observa una gran diferencia en cuanto a las que tiene el acero más separado que el que se encuentra más unido, es decir que el área entre las barras de acero es pequeña en comparación del área bruta de hormigón, en
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cuanto a una parte de la carga axial externa fue apoyada por la barras longitudinales de acero por adherencia. Y por el contrario en el caso de una pequeña cantidad de acero trasversal Por otra parte, en el caso de una pequeña cantidad de acero transversal, se produce el efecto de pandeo en barras longitudinales junto con la reducción de la contribución a la resistencia debido a la fluencia de las barras longitudinales
Conclusiones
Indiscutiblemente
la resistencia del hormigón reforzado puede variar con respecto a la
adición de fibras, ya que estas aumentan la resistencia residual y la capacidad de absorción de energía, sin embargo con la arcilla hay un aumento significativo en la capacidad de carga mientras que con la piedra pómez no muestra gran variación
De acuerdo al cambio en la forma, las propiedades de confinamiento conectados a la presencia de refuerzos de acero transversales en prismas es reducida con respecto al caso de los cilindros. En el presencia de fibras y
refuerzos de acero transversales se
analizan buenos
comportamientos para las dos formas
En cuanto al aumento de longitud en la muestra llevada a cabo , genera una reducción a la resistencia máxima y residual, aun teniendo fibras y acero trasversal.
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Vicerrectoría Académica Facultad de Ingeniería 2.2.2. El desempeño del concreto con ceniza de cáscara de arroz, ceniza concha de mar y Además de fibra de bambú
Principalmente el concreto posee una buena compresión pero baja resistencia a la tracción. Para ello s e analiza un nuevo de sistema de la aplicación de fibras naturales al concreto armado , con el fin de aumentar la ductilidad de la matriz de hormigón. La investigación hace énfasis a la resistencia a la tracción del hormigón con 0,50% de adición de fibra de bambú en función del peso del cemento. Para aumentar la resistencia del hormigón, se utilizó la mezcla de ceniza de cáscara de arroz (RHA) y cenizas de concha de mar (SSA) como reemplazo parcial del agregado fino. La sustitución se divide en cuatro porcentajes diferentes, a saber 10%, 20%, 30% y 40% basado en el peso del agregado fino. El trabajo experimental consistió en fundición 13 diferentes tipos de hormigón que se compara en términos de resistencia a la tracción indirecta a la edad de 28 y 90 días. En general, la resistencia a la tracción del hormigón reforzado con fibra de bambú es comparable a la del hormigón normal. Se promueve una aplicación sustentable con respecto a una nueva modalidad de concreto, de modo
que se encuentre beneficiando
de
cierto modo a la protección del medio
ambiente(3)
Muestras
Los materiales utilizados en el ensayo fueron cascara de arroz y ceniza de concha de mar , estos contienen propiedades importantes para
la construcción. El contenido de alto sílice
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de estos materiales tienen un gran comportamiento puzolánico que influyen en la resistencia del hormigón. También se aplicó fibras de bambú, con un buen comportamiento ya que tiene módulo de elasticidad que es muy similar a la del hormigón, susceptibles a los cambios de volumen en agua y aumenta la resistencia a la tracción. (3)
Figura 10. Ceniza de arroz-Ceniza de concha de mar- Fibra de bambú
Análisis de resultados
La prueba de resistencia a la tracción del hormigón s e realizo debidamente en el laboratorio de hormigón, Universidad Bengkulu. En donde se
hizo una comparación de la resistencia a la
tracción del hormigón normal con 12 tipos de hormigón.La fuerza aplicada fue a la velocidad constante hasta que se alcanza la fuerza máxima. La Figura separación que se produce
en el momento que falla
hormigón se observa la fibra de bambú dispersa
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muestra evidentemente la
el cilindro, en donde el interior del
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Figura 11.Prueba de tracción. Concreto fisurado
Conclusiones
Se demostró que la resistencia a la tracción del hormigón reforzado con fibras de bambú , produce un comportamiento similar al de un hormigón normal. Se observa que la adición de ceniza de cáscara de arroz, cáscara del mar de cenizas y fibra de bambú, aumenta la resistencia a la tracción del hormigón. Es necesario
tener en cuenta .valores de la resistencia a la compresión y resistencia a la
tracción en edades posteriores.
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Concreto Armado doblemente reforzado 2.3.1. Efectos de la armadura de compresión pandeo sobre la ductilidad de las vigas RC en la flexión
Se llevaron a prueba vigas
con longitud de 3 m y sección trasversal de 0,20x 0,30 m 2,
aplicando una carga a un tercio de la viga
hasta su momento de falla, en estos
especímenes se analizó la relación carga-desplazamiento, momento, factor de ductilidad, directamente estuvo
muy relacionado el análisis por la distribución de los estribos y la
colocación del acero
Generalmente es necesario
la ductilidad de las estructuras de RC no es precisamente
indispensable sin embargo se deben tener ciertas consideraciones , como en la forma de los elementos ya que deben considerar no sólo la fuerza sino también la capacidad de soportar deformaciones plásticas .
También es necesario la relación que existe entre el refuerzo en el concreto en el momento de ser fallado a la tracción , ya que su mayor debilidad se fundamenta cuando experimenta este tipo de carga, mientras que generalmente el concreto es evidentemente funcional de la mejor manera a la
compresión sin embargo también afecta su comportamiento como en
vigas a flexión, por tal modo este será el tema principal a evaluar.
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El pandeo de la estructura armadura sometida a compresiones se encuentra
influenciada
principalmente por la separación de la armadura transversal es decir de los estribos y así mismo por el diámetro de las barras . El efecto de confinamiento en hormigón proporcionado por el refuerzo transversal, para garantizar parte de la resistencia del hormigón pero también su capacidad de deformación. (4)
Ensayo
Este estudio se llevó a cabo en 15 vigas hasta el fallo era alcanzado. Todas las vigas eran 3 m de largo, tenía una envergadura de 2,75 m y eran sometido a un sistema de carga simétrica que consiste en dos concentrado fuerzas aplicadas 0,90 m de los soportes
La acción fue aplicada por un actuador electromecánico con una capacidad máxima de 1.000 kN. La fuerza de un electromecánico actuador se aplicó a la viga de metal y se transmite entonces a la viga probado a través de los soportes. La acción fue aumentado gradualmente mediante el control de la deformación a una velocidad de 0.02 mm / s (desplazamiento del pistón). Alrededor de 10 pausas en específico cargas se prevé para cada prueba. (4)
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Figura 12. Ensayo
Muestras
En las vigas se utilizaron concretos de diferentes resistencias de 24 ,30 MPa, y 39 MPa en donde la resistencia a la compresión se determinó utilizando especímenes cúbicos con 150 mm. 19
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En total, 30 cubos eran probados durante el curso del estudio. El refuerzo longitudinal y transversal utilizado estaba caliente acero laminado
Figura 13.Diferentes vigas doblemente reforzadas con variacion en el acero de refuerzo.
Análisis de los resultados
La muestra de la figura 3. El espécimen S1B0, en el momento de experimentar una carga máxima a lo previsto , presenta debidamente el pandeo, en donde s e habría la posibilidad de aplicar una carga mayor si el pandeo no se hubiese provocado .
Las vigas en
la figura fueron diseñadas para fallar por flexión, pero las vigas S3B1 y S3B2
tenían una falla de corte debido a una estimación incorrecta de la máxima resistencia cizallamiento.
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Figura 14. S1B0 Y S1B3
Figura 15. S2B1 Y S2B2
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Figura 16 . S3B1 Y S3B3 A partir de los resultados , es preciso
confirmar que en el caso de las vigas S1B2 y
S1B3,con altas esferas de acero a la tracción, hay una mayor probabilidad en cuanto a la inestabilidad
lateral que ocurre en las barras de compresión antes de la se alcanza momento
máximo . Debido el equilibrio de las fuerzas internas, un área más grande de acero a la tracción corresponde a un área superior del hormigón a la compresión y por lo que la deformación en el nivel del acero a la compresión será mayor. De manera que es más acertado que las vigas tiendan a sufrir pandeo, sin embargo es necesario tener arrostramiento de la viga , usando espacios
una
buena distribución en el
bajos entre estribos. También el cambio en el
refuerzo trasversal influye al comportamiento de la muestra ya que a mayor area trasversal será mayores las deformaciones plásticas . (4)
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Conclusiones
Debido al comportamiento de una viga cuando hay una gran zona de acero a la tracción y cuando el área de la tracción es de acero más pequeño , se determina que en la primera presentara una facilidad a que las barras a compresión sufran pandeo
También se probó que el acero de alta ductilidad no cambia el tipo de falla, y de otro modo el acero de alta ductilidad para hacer los estribos no es relevante a la sección ductilidad para vigas con estas características.
3. CONCLUSIONES GENERALES
Debido a la
falta de confinamiento
aberturas representativas pandeo
lateral
por estribos, se logra considerar ciertas
directamente en la resistencia del concreto, formando un
del re refuerzo longitudinal, provocado por la concentración de los
esfuerzos en los extremos . Es posible garantizar que el concreto falle
por tensión
debido a las fuerzas cortantes , para ello se requiere de un óptimo confinamiento que logre prevenir las representativas grietas inclinadas que se observaron debido a un tipo de falla por tensión.
En lo absoluto, la fibra de acero proporciona un efecto de confinamiento al concreto en compresión y por tanto, la fibra de acero
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genera que en concreto tenga
menos
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resistencia pero sea más dúctil cuanto este se llegue a someter a fuerzas axiales de compresión
El concreto la fisuracion
puede ser modificado por medio de fibras , que permiten aprevenir en estado endurecido ,
disminuir el ancho de la fisura y darle un
debido comportamiento en la fisura. En realidad las macrofibras se incluyen en el concreto para aumentar la tenacidad del material, es decir para hacer que las estructuras, incluso después del agrietamiento de la matriz, puedan seguir siendo cargadas.
La principal hipótesis del modelo es considerar que, justo antes de la falla, la fuerza cortante es resistida principalmente por el agrietado generado por la compresión del hormigón. Según este, su contribución de los restos de resistir mecanismos para la resistencia al corte se descuidan, de manera que se proporciona el valor del límite inferior de la resistencia al corte por el modelo. A continuación, la falla de corte del haz es considerado a tener lugar cuando la tensión principal de tracción en cualquier punto del cuerpo a compresión, supera la fuerza de tracción del hormigón. Para vigas simplemente apoyadas sometidos a cargas puntuales, dicho fallo se produce en una sección crítica colocado en la punta de la grieta de donde se genera el corte siendo asi el punto crítico más cercano al soporte.
La adición de fibras de acero aumentó significativamente la resistencia al impacto. Además de los valores aumentados del IPL, esto se mostró también en los valores de los parámetros de daños inferiores (cráteres delantero, trasero y pérdida de peso total). 24
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Barras con capas superficiales mas gruesas y agregados de mayor tamaño exhiben una mayor resistencia a la perforación, con independencia de la utilización de las fibras. La adición de fibras, sin embargo, aumenta el rendimiento general, que considera también los daños sufridos en el límite de la perforación.
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Vicerrectoría Académica Facultad de Ingeniería 4. FUENTES DE INFORMACION (1)
Antonio Marí , Antoni Cladera , Eva Oller, Jesús Bairán. Shear design of FRP reinforced concrete beams without transverse reinforcement. Composites. Part B (57) .228 – 241. http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesb.2013.10.005 (2)
Giuseppe Campione *, Lidia La Mendola. Behavior in compression of lightweight fiber reinforced concrete confined with transverse steel reinforcement. Cement & Concrete Composites 26 (2004) 645 – 656. doi:10.1016/S0958-9465(03)00047-7 (3)
Ade Sri Wahyuni, Fepy Supriani, Elhusna, Agustin Gunawan. The performance of concrete with rice husk ash, sea shell ash and bamboo fibre addition. Procedia Engineering 95 ( 2014 ) 473 – 478. doi: 10.1016/j.proeng.2014.12.207 (4)
Adelino V. Lopes , Sergio M.R. Lopes , Ricardo N.F. do Carmo. Effects of the compressive reinforcement buckling on the ductility of RC beams in bending. Engineering Structures 37 (2012) 14 – 23.doi: 10.1016/j.engstruct.2011.12.038
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