FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL
MONOGRAFÍA: CONCRETO ARMADO / DISEÑO ESTRUCTURAL
AUTOR: CHU MENDOZA, LUIS MIGUEL
ASESOR: CORONEL DELGADO, ALEXANDER ANTONIO
TARAPOTO - PERÚ 2014
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Dedicatoria
"No hay palabras que puedan describir mi profundo agradecimiento hacia mis Padres, quienes durante todos estos años confiaron en mí; comprendiendo mis ideales y el tiempo que no estuve con ellos”
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ÍNDICE
Dedicatoria
pág. 02
Índice
pág. 03
Introducción
pág. 04
Cuerpo
pág. 05
ESTRUCTURAS DE CONCRETO ARMADO 1. DISEÑO ESTRUCTURAL
pág. 05
2. CODIGOS DE DISEÑO
pág. 07
3. MECANICA Y COMPORTAMIENTO DEL CONCRETO ARMADO
METODO PLASTICO
4. TIPOS DE FALLA DE LOS ELEMENTOS SOMETIDOS A FLEXION
pág. 13 pág. 17
Conclusiones
pág. 19
Referencias bibliográficas
pág. 20
ANEXOS
pág. 21
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INTRODUCCION Existen dos teorías para el diseño de estructuras de concreto reforzado: “La teoría elástica” llamada también “Diseño por esfuerzos de trabajo” y “La teoría plástica” o “Diseño de rotura”.
La teoría elástica es ideal para calcular los esfuerzos y deformaciones que se presentan en una estructura de concreto bajo las cargas de servicio. Sin embargo esta teoría es incapaz de predecir la resistencia última de la estructura con el fin de determinar la intensidad de las cargas que provocan la ruptura y así poder asignar coeficientes de seguridad, ya que la hipótesis de proporcionalidad entre esfuerzos y deformaciones es completamente errónea en la vecindad de la falla de la estructura. La teoría plástica es un método para calcular y diseñar secciones de concreto reforzado fundado en las experiencias y teorías correspondientes al estado de ruptura de las teorías consideradas.
Ventajas del Diseño Plástico
1.
En la proximidad del fenómeno de ruptura, los esfuerzos no son proporcionales a las
deformaciones unitarias, si se aplica la teoría elástica, esto llevaría errores hasta de un 50% al calcular los momentos resistentes últimos de una sección. En cambio, si se aplica la teoría plástica, obtenemos valores muy aproximados a los reales obtenidos en el laboratorio. 2.
La carga muerta en una estructura, generalmente es una cantidad invariable y bien
definida, en cambio la carga viva puede variar más allá del control previsible. En la teoría plástica, se asignan diferentes factores de seguridad a ambas cargas tomando en cuenta sus características principales. 3.
En el cálculo del concreto presforzado se hace necesario la aplicación del diseño plástico,
porque bajo cargas de gran intensidad, los esfuerzos no son proporcionales a las deformaciones.
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ESTRUCTURAS DE CONCRETO ARMADO 1. DISEÑO ESTRUCTURAL
El diseño estructural abarca las diversas actividades que desarrolla el proyectista para determinar la forma, dimensiones y características detalladas de una estructura, o sea de aquella parte de una construcción que tiene como función absorber las solicitaciones que se presentan durante las distintas etapas de su existencia.
Una estructura se puede considerar como un sistema, es decir, como un conjunto de partes o componentes que se combinan en forma ordenada para cumplir una función dada. La función puede salvar un claro o luz, como en los puentes, encerrar un espacio como en el caso de diferentes tipos de edificios o, soportar un empuje como en el caso de muros de contención, tanques o silos, etc. La estructura debe cumplir la función a la que está destinada con un grado razonable de seguridad y de manera que tenga un comportamiento adecuado en condiciones normales de servicio.
Además debe satisfacer otros requisitos, tales como:
El costo. Toda la estructura debe mantenerse dentro de los límites razonables de la economía. Estética. La estructura debe ser agradable a la vista constituyendo un elemento ornamental para las ciudades y mejorar el paisaje de campo. Tipo de Estructuración. Es sin duda uno de los factores que más afecta el costo del proyecto. Idealización. Después de elegir una estructura se la idealiza con el propósito de estudiar el efecto de las solicitaciones o cargas a la que pueda estar sometida durante su vida útil, esta idealización es necesaria porque le problema real es mucho más complejo.
Idealmente el objeto del sistema es la optimización del sistema, es decir, la obtención de todas las mejores soluciones posibles. El lograr una solución óptima absoluta es prácticamente imposible, sin embargo, puede ser útil optimizar de acuerdo con
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determinado criterio, tal como el de peso o costo mínimo, teniendo en cuenta siempre que no existan soluciones únicas sino razonables.
La posibilidad de intuir un sistema estructural eficiente e imaginarlo en sus aspectos esenciales, es el fruto solo en la parte de las cualidades innatas, es resultado también de la asimilación de conocimientos teóricos y de la experiencia adquirida en el ejercicio del proceso de diseño y en la observación del comportamiento de las estructuras. Lo que comúnmente se denomina buen criterio estructural no está basado solo en la intuición y en la práctica, sino que también debe estar apoyado en sólidos conocimientos teóricos.
Desgraciadamente resulta difícil enseñar “criterio estructural” en los libros de texto y en
las aulas de clase. Es mucho más fácil enseñar fundamentos teóricos, métodos analíticos y requisitos específicos. El autor de un libro y el profesor de un curso, sólo en el mejor de los casos llega a transmitir al alumno algunos destellos de su experiencia, los cuales llegan a formar parte de su conocimiento asimilado. No debe sin embargo desilusionarse el alumno por sentir, al terminar sus estudios, una gran inseguridad en la aplicación del acervo de conocimientos teóricos que ha adquirido. El ejercicio de la práctica y el contacto prolongado con especialistas más maduros son requisitos necesarios para confirmar su criterio.
La práctica del diseño estructural tiende en forma natural hacia una creciente automatización impulsada aceleradamente por la popularización del empleo de computadoras. Es común el empleo de programas de cómputo en análisis estructural, en el dimensionamiento, hasta llegar a la elaboración de planos estructurales y de las especificaciones. Este proceso es sin duda benéfico y va a redundar en una mayor eficacia y precisión en el diseño, en cuanto se emplee con cordura.
Tanto en lo que se refiere al empleo de manuales y ayudas de diseño, como a de los programas de cómputo, el proyectista debería tener grabados en su mente los siguientes mandamientos:
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Nunca uses una de estas herramientas si n sabes en que teoría se basa, qué hipótesis tiene implícitas y que limitaciones existen para su uso.
Después de asegurarse de que es aplicable en tu caso en particular, cuida que puedas obtener los datos que se requieren para su empleo y pon atención en emplear las unidades correctas.
Una vez obtenido los resultados, examínalas críticamente, ve si hacen sentido, si es posible compruébalos con otros procedimientos aproximados, hasta que estés convencido de que no hay errores gruesos en el proceso.
Analiza que aspectos no han sido tomados en cuenta en ese proceso y asegúrate que no alteren el diseño.
2. CÓDIGOS DE DISEÑO
El diseño de estructuras de concreto armado se lleva a cabo generalmente dentro de un contexto de códigos que dan registros específicos para materiales, para el análisis estructural, para el dimensionamiento de un elemento, etc. En contraste con otros países altamente desarrollados, los Estados Unidos no tienen un código oficial nacional que gobierne el concreto armado. La responsabilidad de producir y mantener sus especificaciones de diseño descansa sobre varios grupos profesionales, asociaciones gremiales e institutos técnicos que han producido los documentos necesarios.
El American Concrete Institute (ACI) ha sido durante mucho tiempo un líder de tales esfuerzos. El código ACI no es un documento oficial por sí mismo, sin embargo, es reconocido ampliamente como documento autorizado para la buena práctica en el campo del concreto reforzado.
Como resultado, éste se ha incorporado por ley en innumerables códigos de construcción municipal y regional que si tienen una connotación legal.
Sus disposiciones alcanzan de esa manera un soporte legal. En los Estados Unidos la mayoría de los edificios en concreto reforzado y construcciones similares se diseñan de
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acuerdo con el código ACI vigente. Este ha servido también como documento modelo para muchos otros países.
La mayor parte de los puentes vehiculares de los Estados Unidos están diseñados de acuerdo con los requisitos de las especificaciones para puentes de la AASHTO, que no sólo contienen las disposiciones relacionadas con las cargas y su distribución, sino que también disposiciones específicas para el diseño y construcción de puentes de concreto reforzado.
Las normas Alemanas (DIN) constituyen un cuerpo cada vez más impresionante de reglas y criterios que abarcan en detalle los aspectos más diversos y especializados de diseño. En México la reglamentación más actualizada y la que sirve de modelo para las de otros estados es el reglamento de construcciones para el Distrito Federal (RDF). En los países europeos existen códigos multinacionales para los países de la comunidad económica europea, para los países socialistas y para los escandinavos.
Ningún código o especificación de diseño puede utilizarse como sustituto de un criterio de Ingeniería sólido en el diseño de estructuras de concreto reforzado. En la práctica estructural a menudo se encuentran circunstancias especiales donde las disposiciones del código sirven únicamente como guías y el ingeniero debe confiar en un firme entendimiento de los principios básicos de la mecánica estructural aplicada al concreto reforzado o pre-esforzado, y en un conocimiento profundo de la naturaleza de los materiales.
CARGAS Las cargas que actúan sobre las estructuras pueden dividirse en tres grandes categorías: Cargas muertas, cargas vivas y cargas ambientales.
CARGAS MUERTAS (D) Son aquellos que se mantienen constantes en magnitud y fijas en posición durante la vida de la estructura, generalmente la mayor parte de la carga muerta es el peso propio de la estructura. Este puede calcularse con buena aproximación a partir de la configuración de diseño, de las dimensiones de la estructura y de la densidad del material. Dentro de estos
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tenemos, sistemas de pisos, pisos terminados, cielo raso, tabiquería fija, y todos aquellos elementos que conservan una posición fija en la construcción, de manera que gravitan en forma constante sobre la estructura.
CARGAS VIVAS (L) Son cargas gravitacionales de carácter movible. Estas pueden estar total o parcialmente en un sitio o no estar presentes, y pueden cambiar de ubicación. Su magnitud y distribución son inciertas en un momento dado, y sus máximas intensidades a lo largo de la vida de la estructura no se conocen con precisión. Las cargas vivas mínimas para los cuales deben diseñarse los entrepisos y cubiertas de un edificio se especifican usualmente en el código de construcción que se aplica en el lugar de construcción. Dentro de estas tenemos: El peso de los ocupantes, muebles, tabiquería móvil, agua y equipo removibles, y todos aquellos elementos con el carácter, de no estacionarios.
CARGAS AMBIENTALES. Consiste generalmente en cargas sísmicas (fuerzas inerciales causadas por movimientos sísmicos), viento, vibraciones causadas por maquinaria, cargas de nieve, presiones de suelo en las porciones subterráneas de estructuras, cargas de posibles emposamientos de aguas de lluvia sobre superficies planas y fuerzas causadas por cambios de temperatura. Al igual que las cargas vivas, las cargas ambientales son inciertas tanto en magnitud como en distribución. En años recientes se ha progresado en el desarrollo de métodos racionales para predicción de fuerzas horizontales sobre estructuras debidas i viento y de sismos. Cabe también mencionar que en nuestro país las predominan sobre las causadas por el viento, salvo que la estructura sea muy liviana (por ejemplo, con techo metálico y cobertura con planchas de asbesto-cemento, calaminas, etc.) o que el edificio esté ubicado en una zona de baja sismicidad pero con fuertes vientos (por ejemplo, en la selva). A continuación se muestra algunas de las sobrecargas especificadas en la norma peruana E-020; así mismo algunos pesos unitarios y cargas de uso común:
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TIPO DE EDIFICACIÓN
CARGA VIVA (Kg/m2)
VIVIENDAS (incluye corredor y escaleras)
200
OFICINAS: Ambientes comunes. Sala de archivo. Sala de computación. Corredores y escaleras.
250 500 350 400
CENTROS EDUCATIVOS: Aulas. Talleres. Auditorios, gimnasios. Laboratorios. Corredores y escaleras.
200 350 300 300 400
HOSPITALES: Sala de operación, laboratorios y áreas de servicio. Cuartos. Corredores y escaleras.
300 200 400
BIBLIOTECAS: Sala de lectura. Sala de almacenaje. Corredores y escaleras.
300 750 400
HOTELES: Cuartos. Almacenaje y servicio. Corredores y escaleras.
200 500 1 00
AZOTEAS PLANAS (no utilizable)
100
BAÑO (emplear s/c promedio de las áreas vecinas) Instituciones penales (cuartos)
200
Cuando la ocupación o uso de un espacio no sea conforme con ninguno de los que figuran en tabla. El proyectista determinará la carga viva justificándola ante las autoridades competentes:
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MATERIAL ALBAÑILERÍA CONCRETO MADERAS ENLUCIDOS LÍQUIDOS METALES
OTROS
Adobe
(kg./m3) 1600
Armado Dura seca Cemento Agua Acero Plomo Mármol Losetas Cemento Tierras Piedra pómez
2400 700 2000 1000 7850 11400 2700 2400 1450 1600 700
Ladrillo solido Ladrillo hueco Simple Dura húmeda Yeso Petróleo Aluminio Mercurio Bloque de vidrio Vidrio Papel Arena seca Hielo
(kg./m3) 1800 1350 2300 1000 1000 870 2750 13600 1000 2500 1000 1600 920
ALIGERADOS Cuando los techos aligerados tienen las medidas tradicionales y cuando se emplean bloques huecos de arcilla (30x30cm.) puede utilizarse las siguientes cargas de peso propio. h (cm.) 17 20 25 30 35 40
w (kg.m2) 280 300 350 420 475 600
En cambio sí se utilizan bloques tubulares de concreto vibrado, o si el espesor de la losa superior, o el nervio de la vigueta cambiasen en relación a los empleados en el aligerado tradicional, el peso propio deberá obtenerse empleando, las cargas unitarias (en Kg. /m3)
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ACABADOS Y C OBERTURA Acabados (con falso piso) = 20 Kg. /m2 por centímetro de espeso r (Usualmente 5 cm.) Cobertura con teja artesanal = 160 Kg. /m2 Pastelero asentado en barro = 100 Kg. /m2 Plancha de asbesto cemento = 2.5 Kg. / m2 por milímetro de espesor.
MUROS DE ALBAÑILERÍA Por muros estructurales y tabiques construidos con ladrillo de arcilla o silico-calcáreas, pueden emplearse las siguientes cargas de peso propio, incluyendo el tarrajeo.
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Cabe descartar que en la norma E – 020, se proporcionan una carga equivalente de peso propio (en kg. /m 2 de área en planta) para los casos en que no se conozca la distribución de los tabiques (Tabiquería móvil) en los ambientes del edificio generalmente, esto ocurre en los edificios destinados a oficinas. Peso del tabique (kg/m) Carga equivalente (kg/m2) 74 o menos 30 75 a 149 60 150 a 249 90 250 a 399 150 400 a 549 210 550 a 699 270 700 a 849 330 850 a 1000 390 Para hacer uso de la tabla que proporciona la norma E – 0.20, debe conocerse el tipo de tabique que se va a emplear y su peso por metro lineal. Por ejemplo para un tabique de albañilería con 15 cm. de espesor (construyendo tarrajeo en ambos lados), construido con ladrillo lo pandereta, con 2.4 m. de altura. Luego ingresando a la tabla de la norma E – 020, se obtiene una capa equivalente igual a 210 Kg. /m 2 de área en la planta, que deberá agregarse al peso propio y acabado de la losa de piso correspondiente.
3. MECÁNICA Y COMPORTAMIENTO DEL CONCRETO ARMADO
MÉTODO PLÁSTICO, DE ROTURA O RESISTENCIA ÚLTIMA
ENUNCIADO GENERAL Está claro que cuando un elemento de concreto armado va a colapsar o está cerca de ella, los refuerzos dejan de ser proporcionales a las deformaciones unitarias. Si la distribución de los esfuerzos de comprensión del concreto en la carga última o cerca de ella tuviera una forma bien definida e invariable parabólica trapezoidal u otra sería posible desarrollar una teoría racional y directa para la resistencia ultima a flexión, al igual que la teoría electica con su forma triangular de distribución de esfuerzos.
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Supongamos que la distribución de los esfuerzos y deformaciones unitarias internas cuando la viga está próximo a la falla, es lo que se muestra en la siguiente figura:
Para calcular el Mur o Mn (momento último nominal), se desea disponer de un método para el cual la viga fallara bien sea por fluencia del acero sometido o tensión o por aplastamiento del concreto en la fibra extrema o compresión. Se puede definir las propiedades del bloque de esfuerzo a comprensión en el concreto,
concreto será: bc Dónde: = esfuerzo promedio, = factor de esfuerzo medio, = coeficiente que le da forma, = factor de profundidad del E.N.
mediante los parámetros ; así tenemos que la fuerza total a comprensión en el c
En realidad no se conoce un criterio exacto para la falla del concreto a compresión, pero se han medido deformaciones unitarias para vigas rectangulares del orden de 0.003 a 0.004 justo antes de la falla.
Si se asume conservadoramente que el concreto está a punto de fallar cuando la fibra
extrema a compresión del concreto alcanza la máxima deformación unitaria
a comparación con una gran cantidad de ensayos sobre vigas y columnas de una variedad considerable de formas y condiciones de carga demuestra que puede realizare una predicción suficiente precisa y segura de la resistencia última.
En realidad no es necesario conocer la forma exacta de la distribución de esfuerzos en el
concreto, lo que si es imprescindible conocer para determinada distancia del eje neutro es:
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1. La fuerza resultante total a comprensión del concreto C. 2. Su localización vertical, es decir su distancia desde la fibra extrema a compresión. Para su viga rectangular el área que está en compresión en bc y la fuerza total que está en compresión en esta área puede expresar como promedio a compresión sobre el área de
, donde es el esfuerzo
. Evidentemente, el esfuerzo promedio a
compresión que puede desarrollarse antes de que ocurra la falla resulta tanto mayor en
del concreto en particular.
cuanto sea mayor la resistencia del cilindro
Sea:
Para distancia dada C al eje neutro, la ubicación de C puede definirse como una fracción de
de esta distancia. Entonces, para una concreto con determinada resistencia es necesario conocer solo a y con el fin de definir completamente el efecto de los esfuerzos de comprensión en el concreto.
Por encima de los Para y disminuye en 0.025 por cada 70 kg. /cm Por encima de los 280 kg. /cm ; para La disminución de a y para concretos de altas resistencia se relaciona con el hecho de 2
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que esto concretos son más frágiles, es decir, presentan un curva esfuerzo deformación unitaria con curvatura más pronunciada y con una menor porción casi horizontal; tal como se aprecia en la figura (II – 4)
Si se acepta esta información experimental, la resistencia última puede calcularse a partir de las leyes de equilibrio y basándose en la hipótesis de que las secciones
Entonces el menor flector, con el par conformado por la fuerzas C y T, puede escribirse como:
() ()
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DIAGRAMA EQUIVALENTE DE ESFUERZOS. La distribución de esfuerzos en compresión del concreto, puede sustituirse por otra ficticia con determinada forma geométrica simple, siempre y cuando esta distribución ficticia produzca la misma fuerza total de compresión C aplicada en la misma ubicación que en el elemento real cuando está próximo a romperse.
Históricamente, investigadores de varios países han propuesto una cantidad simplificada de distribución ficticia de esfuerzos equivalentes. La distribución de esfuerzos ampliamente aceptada en los Estados Unidos, y cada vez más en otros países, fue propuesta inicialmente por C. S. Whitney y después fue desarrollada y revisada de modo experimental por otros investigadores. El investigador Whitney ha propuesto reemplazar la distribución real del bloque de esfuerzos de compresión del concreto que tiene la forma de una parábola creciente, por un bloque rectangular equivalente, como medida de simplificación para obtener la resistencia a la flexión. Este rectángulo tiene una profundidad de "a" y una resistencia
promedio a la compresión de 0.85 f'c, el valor de "a" es función de c, es decir a = ,
Para f'c280 kg. /cm y disminuye en 0.05 por cada 70 kg. /cm2, por encima de los 280 kg. /cm , pero no debe ser menor que 0.65. En términos matemáticos, la relación entre y f'c puede expresarse como: donde tiene el siguiente valor. 2
2
;
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HIPÓTESIS BÁSICAS DE DISEÑO 1. Las deformaciones unitarias en el concreto y en el acero son proporcionales a su distancia al eje neutro de la sección excepto para vigas de gran peralte, para los cuales se asumirá una distribución no lineal de deformaciones. 2. La resistencia a la tensión del concreto es despreciada, excepto cuando se trata de concreto pre o post-tensado. 3. El esfuerzo en el acero antes de alcanzar la fluencia es igual al producto de su módulo de elasticidad por su deformación unitaria. Para deformaciones mayores a la de fluencia, el esfuerzo en el refuerzo será independiente de la deformación e igual a fy. Esta hipótesis refleja el modelo elasto – plástico de la curva esfuerzo – deformación del acero que asume el código ACI. 4. El diagrama real de esfuerzos en compresión del concreto, se le reemplaza por el diagrama equivalente de esfuerzos cíe forma rectangular, propuesto por Whitney. 5. El concreto falla al alcanzar una deformación última de 0.003 6. Cuando el fy especificado, es mayor de 4200 Kg. /cm 2., entonces debe diseñarse para un fy hipotético equivalente al 85% veces el fy especificado o 42.00 Kg. /cm 2.; de ambos escoger el mayor.
Nota: Se considera viga de gran peralte aquella cuya relación peralte/luz libre es mayor que 2/5, para vigas continuas, y que 4/5, para vigas simplemente apoyadas.
4. TIPOS DE FALLA DE LOS ELEMENTOS SOMETIDOS A FLEXIÓN Los elementos sometidos a flexión casi siempre fallan por compresión del concreto, sin embargo el concreto puede fallar antes o después que el acero fluya, la naturaleza de la falla es determinada por la cuantía de refuerzos y es de tres tipos:
1. Falla por tensión: Se conoce como falla dúctil y sucede cuando el acero en tracción a llegado primero a su estado de fluencia antes que el concreto inicie su aplastamiento en el extremo comprimido; o sea cuando en la falla £s >6y. se aprecian glandes deflexiones y fisuras antes del colapso lo cual alerta a los usuarios acerca del peligro inminente. Estas secciones son llamadas también sub - reforzadas o bajo armadas.
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2. Falla por compresión: Se lo conoce como falla FRÁGIL, sucede si primeramente se inicia el aplastamiento del concreto antes que el inicio de la fluencia del acero en tracción, es decir cuando en la falla £s <£}'. estas secciones son llamadas sobre reforzados La resistencia de una sección sobre - reforzada es mayor que la de otra sub.-reforzada de
dimensiones
similares.
Sin
embargo
la
primera
no
tiene
comportamiento dúctil y el tipo de colapso no es conveniente. En el diseño se evita este tipo de falla.
3. Falla balanceada: Se produce cuando el concreto alcanza la deformación unitaria ultima de 0.003 simultáneamente al inicio de la fluencia del acero, o sea cuando en la falla es=ey
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CONCLUSIONES
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
CONCRETO ARMADO I
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA WILBER CUTIMBO CHOQUE http://es.scribd.com/doc/116490308/Concreto-Armado-I-UNI
CONCRETO ARMADO
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTIN SANTIAGO CHAVEZ CACHAY Edición Agosto 2003
NORMA TECNICA DE EDIFICACION E.060 CONCRETO ARMADO
MINISTERIA DE VIVIENDA, CONSTRUCCION Y SANEAMIENTO http://www.vivienda.gob.pe/dnc/archivos/Estudios_Normalizacion/Normalizacion/normas/E0 60_CONCRETO_ARMADO.pdf
EL LADRILLO
http://franklinmenis.blogspot.com/2008/10/el-ladrillo-bloque-de-arcilla-o-cermica.html
DISEÑO DE ELEMENTOS DE CONCRETO REFORZADO
http://html.rincondelvago.com/diseno-de-elementos-de-concreto-reforzado.html
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