UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁ
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
HORMIGÓN II
Dr. David Wong Diaz
Las losas son elementos estructurales a los cuales se les aplicará directamente las cargas de servicio transmitiendo éstas a los soportes vigas y columnas. Éstas se pueden clasificar en diferentes categorías dependiendo de la forma en que transmitan la carga a sus apoyos. Las losas pueden estar apoyadas sobre vigas, muros de mampostería, muros de concreto, columnas, elementos de acero estructural o apoyadas directamente sobre el terreno. Cuando diseñamos un elemento debemos pensar en el cuándo deja de ser útil ese elemento. Se puede decir que deja de ser útil cuando falle por resistencia, (se quiebre, se rompa, etc.) o cuando se deforme demasiado, tanto que afecte psicológicamente a los usuarios y no les de la sensación de seguridad.
Cuando la falla es por deflexiones excesivas se dice que falló para condiciones de servicio, aunque no presenta una rotura visual ya no se puede usar y cuando la falla es por fractura real del elemento se dice que es para condiciones de resistencia.
Hay que tener en cuenta para evitar fallas en las estructuras el refuerzo necesario a cortante y la forma en que se realizan las conexiones entre la losa y la columna. Ya que puede ocurrir una falla por punzonamiento en la estructura, la sección crítica a cortante se toma en dirección perpendicular al plano de la losa y a una distancia d/2 desde la periferia del apoyo.
QUÉ ES UNA LOSA? Son sistemas estructurales en la que una de sus dimensiones es mucho menor que sus otras dos y reciben cargas predominantemente en la dirección perpendicular a su plano. Las losas planas son las más comunes en edificios. Por la forma de trabajo de sus elementos, esto es, la forma en que llevan la carga a sus apoyos, podemos clasificar las losas en: cáscaras o membranas y en losas planas. Las losas planas llevan la carga a sus apoyos por trabajo a flexión y cortante de sus elementos constitutivos, en ellas es importante la rigidez a flexión que depende directamente de la altura de la losa. En las losas cáscaras la rigidez a flexión es pequeña debido a su poco espesor y el trabajo de ella se realiza por medio esfuerzos axiales de tracción y de compresión combinada o no con esfuerzas de flexión o corte. Las losas planas pueden estar apoyadas sobre vigas, muros de mampostería, muros de concreto, columnas, elementos de acero estructural o apoyadas directamente sobre el terreno.
TIPOS DE LOSAS De acuerdo con su tipo de apoyo se pueden dar los siguientes tipos de losas: • • • • • • • •
Losa apoyada sobre vigas en dos de sus lados opuestos. Losa apoyada sobre muros en dos lados opuestos. Losa apoyada sobre cuatro vigas en sus bordes. Losa apoyada sobre cuatro muros en sus bordes. Losas apoyadas sobre columnas directamente (placa plana). Losa reticular apoyada sobre columnas directamente. Losa apoyada sobre el terreno. Losas presforzadas.
FALLAS EN LAS LOSAS Dos tipos de cortantes pueden ser críticos en el diseño de losas planas. El primero es el ya conocido cortante por acción de viga, que lleva a fallas por tensión diagonal. Este análisis considera que la losa actúa como una viga ancha, extendiéndose entre los apoyos suministrados por las franjas perpendiculares de columna y es aplicable en particular a losas largas y delgadas. Una grieta diagonal potencial se extiende en un plano a través del ancho total de la losa; la sección crítica se toma a una distancia d de la cara de la columna o capitel. Al igual que para vigas, la resistencia a cortante de diseño Vc debe ser al menos igual a la resistencia requerida Vu para las cargas mayoradas.
FALLAS EN LAS LOSAS Como alternativa, puede ocurrir una falla a cortante por punzonamiento con la grieta diagonal potencial formando una superficie de cono o pirámide truncadas alrededor de la columna, del capitel o del ábaco. La superficie de falla se extiende desde la parte inferior de la losa, en el apoyo, hacia arriba en la dirección diagonal hasta la superficie superior. El ángulo de inclinación con la horizontal depende de la naturaleza y de la cantidad de refuerzo en la losa. Éste puede variar entre 20° y 45° aproximadamente. La sección crítica a cortante se toma en dirección perpendicular al plano de la losa y a una distancia d/2 desde la periferia del apoyo.
La transferencia de cargas verticales o de gravedad y momentos entre la losa y la columna en estructuras de losa plana causan grandes esfuerzos cercanos a las caras de las columnas los cuales pueden producir agrietamiento o fallas por punzonamiento. Este tipo de falla es el resultado de una combinación de los esfuerzos normales y cortantes. Además de los esfuerzos cortantes y de los esfuerzos horizontales de compresión ocasionados por el momento flector negativo, se hace presente un esfuerzo de compresión vertical un poco inclinado debido a la reacción de la columna. La presencia simultánea de compresiones en direcciones vertical y horizontal aumenta la resistencia a cortante del concreto.
Falla en losas
Ejemplos de secciones críticas en losas
Refuerzos a cortantes especiales en los apoyos
para evitar el punzonamiento
DISEÑO DEL REFUERZO CON BARRAS DOBLADAS Si se utiliza el refuerzo a cortante conformado por barras, el límite para la resistencia nominal a cortante Vn, calculada en la sección crítica a d/2 de la cara del apoyo, puede incrementarse hasta 6 f’c bo d de acuerdo con el código ACI 11.12.3. como consecuencia del agrietamiento diagonal, la resistencia a cortante del concreto, Vc, se reduce a 2 f’c bo d, y se debe proporcionar refuerzo para que resista el cortante en exceso por encima de Vc.
el área requerida de refuerzo a cortante será: Av =( Vu - Vc )/( fy*sen)
Únicamente las tres cuartas partes centrales de la porción inclinada de las barras dobladas pueden considerarse efectivas para resistir el cortante; además, debe suministrarse la longitud completa de desarrollo, más allá de la ubicación del refuerzo máximo en el acero, que se supone ocurre a una distancia igual a la mitad del espesor de la losa, o sea d/2.
Ejemplo del refuerzo con barras dobladas
DISEÑO DEL REFUERZO MEDIANTE CONECTORES DE CORTANTE Cuando se utilizan perfiles embebidos de acero estructural, el valor límite de Vn puede incrementarse hasta 7*f’c bo d . este tipo de conector de cortante, siempre y cuando sea suficientemente rígido y fuerte, tiene el efecto de desplazar la sección crítica alejándola de la columna como aparece en la figura. De acuerdo con el código ACI 11.12.4, la sección crítica atraviesa cada brazo del conector de cortante en un punto distante a tres cuartos de su proyección más allá de la cara del apoyo y se define de modo que el perímetro sea mínimo. Ésta no necesita acercarse a menos de d/2 de la cara del apoyo.
Una cantidad limitada de información de ensayos relacionados con conectores de cortante en los bordes de losas indica que el comportamiento puede ser sustancialmente diferente por los efectos de torsión, entre otros. Si se van a utilizar conectores de cortante en una columna de borde o esquina, debe darse atención especial al anclaje del acero embebido dentro de la columna. Puede ser preferible la utilización de vigas de borde o de un borde de losa en voladizo.
Ejemplo de refuerzo mediante conectores de cortante
DISEÑO DE VIGAS INTEGRALES CON ESTRIBOS VERTICALES Los conectores de cortante en acero no han sido utilizados ampliamente, en especial por su costo, pero también por la dificultad en la colocación del refuerzo a flexión de la losa para lograr su paso por las secciones de acero estructural y por la interferencia con el acero de la columna. El refuerzo a cortante conformado por barras dobladas es menos costoso, pero lleva una congestión complicada del refuerzo en la zona de la unión la columna y la losa. El refuerzo a cortante que consta de estribos verticales para conformar vigas integrales, evita muchas de estas dificultades.
Ejemplo de refuerzo a cortante mediante estribos verticales
DISEÑO DEL REFUERZO MEDIANTE ESPIGOS DE CORTANTE El refuerzo a cortante en losas, que consta de vigas integrales con estribos, es posiblemente el tipo de refuerzo más utilizado en la actualidad. Sin embargo, el armazón conformado por los estribos y por las barras de anclajes longitudinales puede ser difícil de instalar. También, la zona de unión entre la losa y columna queda un poco congestionada con el acero de la losa (superior e inferior), dirigido en dos direcciones perpendiculares, con barras verticales en la columna y con estribos. La congestión puede convertirse en un aspecto crítico cuando la losa tiene aberturas, las cuales se requieren a menudo en o cerca de las caras de las columnas.
Estos dispositivos se componen de barras verticales con cabezas de anclaje en la parte superior, soldadas a una banda de acero en la parte inferior. Bandas múltiples se distribuyen en dos direcciones perpendiculares para columnas cuadradas y rectangulares y usualmente en direcciones radiales para columnas circulantes; se fijan en su posición dentro de las formaletas antes de la colocación del acero a flexión superior e inferior. La banda de acero descansa sobre apoyos en varillas para mantener el recubrimiento de concreto necesario por debajo del acero y se mantiene en su posición mediante puntillas que pasan por huecos en la banda. Para efectos de diseño, un espigo individual se considera equivalente a una rama vertical de un estribo. El diseño puede llevarse a cabo siguiendo el procedimiento general para refuerzo a cortante consistente en estribos.
Espigos para cortante
RECOMENDACIONES PARA LAS CONEXIONES DE LA LOSA-COLUMNA EN ESTRUCTURAS DE CONCRETO REFORZADO Los sistemas de losas planas de concreto reforzado son un sistema estructural ampliamente usado. La forma en que éstas trabajan es muy simple, ya que no se utilizan vigas. Sin embargo, la catastrófica naturaleza de las fallas exhibidas en las conexiones entre la losa y la columna es concerniente a los ingenieros. La carga de falla debe ser considerada menor que la capacidad a flexión libre de la losa. El uso de concretos de alta resistencia mejora la resistencia al punzonamiento por cortante permitiendo que mayores fuerzas puedan ser transferidas a través de la conexión de la losa y la columna.
El diseño de las conexiones entre una losa y su soporte requiere la consideración de ambas, la junta y la porción de losa, o losa y viga inmediatamente adyacente a la junta.
De cualquier modo, han sido reportadas muchas fallas en las conexiones asociadas con el desarrollo inadecuado de la losa adyacente a la junta. Muchas de estas ocurren durante la construcción, cuando el concreto joven recibe cargas de uno o más pisos como consecuencia del apuntalamiento y reapuntalamiento. Las desastrosas consecuencias de algunas fallas, incluyendo el total colapso de la estructura, enfatizan la importancia del diseño de las conexiones.
Las conexiones deben ser proporcionadas para serviciabilidad, resistencia y ductilidad para resistir las acciones de fuerzas axiales, cortantes y momentos torsionantes y torsión aplicada a la conexión como consecuencia de cargas externas, reducción, deslizamientos, temperatura y movimientos de las fundaciones. Las cargas que ocurrirán durante la construcción y durante la vida de servicio de la estructura deben ser consideradas. Los momentos de transferencia en la conexión pueden reducir la fuerza cortante de la conexión losa-columna. De cualquier modo, la reducción de esfuerzo por excentricidad menor que 0.2d es dentro del dispersamiento experimental para conexiones idénticas nominales a transferencia de cortante solamente.
LAS DESASTROSAS CONSECUENCIAS DE ALGUNAS FALLAS, INCLUYENDO EL TOTAL COLAPSO DE LA ESTRUCTURA, ENFATIZAN LA IMPORTANCIA DE DISEÑAR CORRECTAMENTE LAS CONEXIONES Y LOS REFUERZOS EN LOS APOYOS DE LAS LOSAS.
ES DE SUMA IMPORTANCIA QUE EL DISEÑADOR TENGA PRESENTE ESTOS ASPECTOS DE COMPORTAMIENTO Y SEAN CONSIDERADOS EN EL DISEÑO PARA PREVENIR FALLAS.
FALLA DE LA LOSA DEBIDO A UN INCENDIO EN LA ESTRUCTURA
FALLA POR PUNZONAMIENTO EN LA LOSA
PRUEBA DE RESISTENCIA AL PUNZONAMIENTO EN LA LOSA
Falla por punzonamiento
Falla por punzonamiento
a.) Agrietamiento inicial en la conexión exterior
b.) Descascaramiento en la conexión exterior
c.) Daño en la conexión exterior
d.) Daño en la conexión exterior
e.) Falla por punzonamiento en la conexión exterior
f.) Falla por punzonamiento en la conexión exterior
g.) Falla por punzonamiento en la conexión exterior
h.) Falla por punzonamiento en la conexión exterior
