CONCRETO ESTRUCTURAL APLICANDO
Concreto Armado de la NORMA PERUANA E.060-2006 del decreto supremo 010-2009-vivienda
del 08 08 de de ma ma o de del 20 2009. TOMO I CONCRETO ESTRUCTURAL REFORZADO Y CONCRETO ESTRUCTURAL SIMPLE
BASILIO J. CURBELO ES INGENIERO CIVIL, GRADUADO EN LA UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD DE LA HABANA, CUBA. TIENE T IENE 30 AÑOS DE EXPERIENCIA EN DISEÑO DE PROYECTOS CIVILES DE CENTRALES TERMOELÉCTRICAS, HIDROELÉCTRICAS Y LÍNEAS DE TRANSMISIÓN ELÉCTRICAS EX-VICEPRESIDENTE EX-VICEPRESIDENTE DEL COMITÉ DE NORMALIZACIÓN NORMALIZACIÓN DEL CÁLCULO ESTRUCTURAL DE CUBA (CONCE) Y EX-PRESIDENTE DEL COMITÉ DE CONCRETO ESTRUCTURAL DEL CONCE. MÁSTER EN CIENCIAS CIENCIAS - INGENIERÍA CIVIL CIVIL (AMSTEAD UNIVERSITY) UNIVERSITY) (no acreditada) DOCTOR EN CIENCIAS CIENCIAS - INGENIERÍA CIVIL (ASHWOOD UNIVERSITY) UNIVERSITY) (no acreditada)
A todos todos l os que h an con con tri tr i buido bui do al con con oci oci mi en to de este mar avi avi l l oso oso material
Año 2015
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PREÁMBULO Se considera Concreto Estructural todo tipo de concreto utilizado en elementos estructurales. El Concreto Estructural puede ser: Simple (sin refuerzo) y Reforzado (con acero presforzado y /o refuerzo no presforzado) En el presente libro se desarrolla con suficiente amplitud, la teoría del diseño y comprobación de elementos de Concreto Estructural El fin principal de este libro es ayudar a todos los técnicos peruanos que utilizan Concreto Armado de la Norma Peruana E.060 en el diseño y comprobación de Concreto Estructural. Se han incluido: figuras, comentarios y ejemplos que facilitarán su aplicación LA Norma E.60 está basado en el documento Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318)) del American Concrete Institute La información de la Norma E.060 ha sido tomado del Decreto Supemo 010-2009Vivienda del 8 de mayo de 2009 del Ministerio de Vivienda, Construccion y Saniamiento A lo largo del libro cuando aparezca la Norma, nos estamos refiriendo a Norma E.060 Las formulas e incisos que aparecen entre paréntesis corresponden a la Norma E.060 Se ha tratado seguir la redacción de la Norma Se describe un método de diseño de Flexión Esviada, elaborado por el Autor Al elaborar un proyecto para una obra de Concreto Estructural, es importante, entre otros, tener en cuenta lo siguiente: a) Que cumpla los requisitos para el uso que va ser destinada b) Que sea resistente y tenga la rigidez adecuada c) Que sea duradera d) Que sea económica e) Que se pueda construir f) Que sea estética y agradable Este libro trata en su alcance que se logre todo lo anterior .
El libro está divido en dos partes: Tomo I: Concreto Estructural Reforzado y Concreto Estructural Simple. Tomo II: Concreto Estructural Presforzado.
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El sistema de unidades que se utiliza es el Sistema Internacional (SI) La equivalencia entre el sistema SI, el sistema mks y el sistema Inglés es el siguiente: Sistema SI 1 MPa f’c = 21 MPa f’c = 28 MPa f’c = 35 MPa f ’c ’c = 24 MPa fy = 240 MPa fy = 420 MPa fpu = 1760 MPa fpu = 1900 MPa √f’c en MPa 0.625 √f’c en MPa 0.313 √f’c en MPa √f’c / 6 en MPa √f’c / 12 en MPa 1 MN 10 N 4. 545 N 4545 N 1 kN 1m 0. 30488 m 1 MN / m
Sistema mks 10 kgf / cm^2 f’c = 210 kgf / cm^2 f’c = 280 kgf / cm^2 f’c = 350 kgf / cm^2 f’c = 420 kgf / cm^2 fy = 2400 kgf / cm^2 fy = 4200 kgf / cm^2 fpu = 17600 kgf / cm^2 fpu = 19000 kgf / cm^2 3.18 √f’c en kgf / cm^2
√f’c en kgf / cm^2 0.53 √f’c en kgf / cm^2 0.27 √f’c en kgf / cm^2 0.1 kgf 1 kgf 0.4545 kgf 454. 5 kgf 0.0001 kgf 1m 0. 30488 m 0.1 kgf / m
Sistema Inglés 142. 3 psi f’c = 3000 psi f’c = 4000 psi f’c = 5000 psi f’c = 6000 psi fy = 34000 psi fy = 60000 psi fpu = 250000 psi fpu = 270000 psi 12√f’c en psi 7.5√f’c en psi 3.76 √f’c en psi 2 √f’c en psi √f’c en psi 0. 22 libras 2. 2 libras 1 libra 1 kips 0.00022 libras 3. 28 pies 1 pie 0.7216 kips / pie
EJEMPLOS PROPUESTOS 1. Qué tipo de concreto se considera Concreto Estructural? 2. Como puede ser el Concreto Estructural?
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INTRODUCCION I.1 COMPORTAMIENTO COMPORTAMIENTO DEL CONCRETO SIMPLE, REFORZADO REFORZADO Y PRESFORZADO El concreto resiste bien las fuerzas de compresión, pues éstas, favorecen el proceso de endurecimiento endurecimiento de su masa debido al fraguado del cemento y tienden a unir las partículas que la forman, no así, las fuerzas de tracción que impiden ese endurecimiento y desunen las partículas. Una viga de concreto simple, simplemente apoyada y sometida so metida a una carga P1, sufre tracción en sus fibras inferiores (Fig. IA). Esta viga posee poca resistencia debido a la débil resistencia del concreto a la tracción y cuando las tensiones de tracción superen la resistencia del concreto a este esfuerzo, se agrietará. Esta viga posteriormente fallará. Eje neutro P2 P2 > P1 P1 Refuerzo ordinario A)
grieta
acero ordinario
grieta
B)
P3
B)
zona grieta zona comprimida traccionada
grieta P3 > P2
Fuerza de Presforzado
Fuerza de Presforzado
C) Fig. I Esta misma viga, provista de armadura ordinaria en la zona traccionada ( Fig.IB) cuando esté sometida a la carga P1 no fallará debido a que esta armadura tomará las tracciones en los lugares en que se formen las grietas y fallará a una carga P2 mayor que P1. Si a la misma viga se le introduce una fuerza de compresión (corrientemente tensando el acero), esta viga resistirá mucha más más carga debido a que el concreto está comprimido comprimido y será necesario una fuerza exterior exterior P3 para superar esta muy superior P3 esta compresión y hacer que la viga viga falle ( Fig IC) Cuando se unen ambos materiales ( concreto y armaduras) de propiedades mecánicas tan diferentes, no se crea un elemento todo heterogéneo en cuanto a su forma de trabajo, ya que la unión se efectúa de modo que esas propiedades mecánicas se complementan. El trabajo de conjunto de estos materiales es real cuando la transmisión mutua de los esfuerzos sea perfecta, lo cual se logra por la adherencia que se produce entre la armadura y el concreto. Como el concreto y el acero poseen coeficiente de dilatación térmica relativamente semejante, al variar la temperatura hasta 100 grados centígrados aparecen tensiones iníciales y deslizamiento del refuerzo en la masa del concreto de muy poca importancia. importancia.
I,2 DATOS HISTÓRICOS En la isla de Creta, en siglos antes de la tercera centuria antes de Cristo, el concreto fue empleado como material de construcción, cuyo aglutinante era la cal hidráulica o puzolana, el cual tenía la desventajas que no podía sumergirse en agua, posteriormente en Roma se utilizó como aglutinante una mezcla de cal y ceniza volcánica Las investigaciones, con cales hidráulicas, realizadas por Guyson de Morreau (1756) y de calcinación de tierras apropiadas por Parker Lassage terminan con las investigaciones de Vicat en 1818. En 1824, Apsdin industrializa industrializa el cemento. El concreto de cemento y el concreto reforzado con armadura ordinaria aparecen en el antepasado siglo, por Lombot. En 1860, Monier lo utiliza en cubetas y tanques. En 1904 en Alemania y en 1906 en Francia, se editan las primeras Normas y Especificaciones que regulan el diseño de elementos utilizando estos materiales. En 1938 la URSS editó un código utilizando el método de Resistencia Ultima y en 1955 empezó a utilizar el método de Estados Límites. En 1956, los Estados Unidos e Inglaterra comienzan a utilizar el método de Resistencia Ultima . En la década de 1960, diferentes países comienzan a utilizar el método de Estados Límites
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Entre los principales investigadores del concreto reforzado puede mencionarse a Wayss, Koonen, Bach, Eaperger Graft, Salinger etc. en Alemania; Caignet, Considere, Hennebigue y Freysinet en Francia; Rivera Pena, Torroja en España; Talbot, Witney, Abrans, Hollisten, Lin en los Estados Unidos de América; Belieliubsky, Belieliubsky, Abramov, Loites, Vlasov, Beliaiev y Murashov en Rusia.
I.3 VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL CONCRETO Este material tiene las siguientes ventajas, entre ellas: -Es refractario -Puede adaptar cualquier forma -Puede trasladarse a cualquier lugar -Puede prefabricarse -Su resistencia al intemperismo es notable -Su gasto de mantenimiento es bajo -Tiene acción monolítica -Absorbe las vibraciones y oscilaciones -Tiene una relativa alta resistencia a compresión Entre sus inconvenientes están: -Su gran peso -Su baja resistencia a la tracción -El tiempo que tarda en adquirir su resistencia útil -La dificultad que ofrece al realizarse ampliaciones
I.4 EJEMPLOS PROPUESTOS co mpresión? I.4.1 Por qué el concreto resiste bien las fuerzas de compresión? conjunto del concreto y el refuerzo refuerzo es real? I.4.2 Cuando el trabajo de conjunto importancia tiene en concreto reforzado? I.4.3 Si la temperatura varía hasta 100°C qué importancia I.4.4 Cuál son las ventajas y desventajas del concreto reforzado?
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CAPÍTULO 1 REQUISITOS GENERALES 1.1 ALCANCE 1.1.1 La Norma fija los requisitos y exigencias mínimas para el análisis, el diseño, los materiales, la construcción, el control de calidad y la supervisión de estructuras de concreto ar mado, preesforzado y simple. 1.1.2 Los planos y las especificaciones técnicas del proyecto estructural deberán cumplir con la Norma. 1.1.3 Lo establecido en esta Norma tiene prioridad cuando está en discrepancia con otras normas a las que ella hace referencia. 1.1.4 Para estructuras especiales tales como arcos, tanques, reservorios, depósitos, silos, chimeneas y estructuras resistentes resistentes a explosiones, las disposiciones de la Norma regirán en lo que sean aplicables. 1.1.5 La Norma no controla el diseño e instalación de las porciones de pilotes de concreto, pilas excavadas y cajones de cimentación que quedan enterrados en el suelo, excepto en lo dispuesto en el Capítulo de disposiciones especiales para el diseño sismico. 1.1.6 La Norma no rige el diseño y la construcción de losas apoyadas en el suelo, a menos que la losa transmita cargas verticales verticales o laterales desde otras partes de la estructura al suelo. 1.1.7 El diseño y construcción de losas de d e concreto estructural, vaciadas sobre moldes permanentes de acero consideradas como no compuestas, están regidos por la Norma. 1.1.8 La Norma no rige para el diseño de losas de concreto estructural vaciadas sobre moldes permanentes de acero consideradas como compuestas. El concreto usado en la construcción de tales losas debe estar regido por los Capítulos 1 a 7 de la Norma, en lo que sea aplicable. 1.2 PROYECTO, EJECUCIÓN E INSPECCIÓN DE LA OBRA 1.2.1 Requisitos Generales 1.2.1.1 Todas las etapas del proyecto estructural, construcción, supervisión e inspección de la obra deberán ser realizadas por personal profesional y técnico calificado. 1.2.1.2 Los cálculos, planos, detalles y especificaciones técnicas deberán llevar la firma de un Ingeniero Civil Colegiado, el cual será el único autorizado a aprobar cualquier modificación a los mismos. 1.2.1.3 La construcción deberá ser ejecutada e inspeccionada por ingenieros civiles colegiados, los cuales serán responsables del cumplimiento de lo indicado en los planos y especificaciones técnicas. 1.2.2 Proyecto 1.2.2.1 La concepción estructural deberá hacerse de acuerdo a los criterios de estructuración indicados en la NTE E.030 Diseño Sismorresistente. Sismorresistente. 1.2.2.2 La determinación de las cargas actuantes se hará de acuerdo a lo indicado en la NTE E.020 Cargas y en la NTE E.030 Diseño Sismorresistente. 1.2.2.3 El Ingeniero Proyectista podrá elegir los procedimientos de análisis. El diseño de la estructura deberá cumplir con los requerimientos de esta Norma. 1.2.2.4 Los planos del proyecto estructural deberán contener como mínimo la siguiente información: (a) Relación de las Normas empleadas en el diseño. (b) Carga viva y otras cargas utilizadas en el diseño. De ser el caso, la carga correspondiente a la tabiquería móvil. (c) Resistencia especificada a la compresión del concreto. De ser el caso, se precisarán las resistencias a edades específicas. (d) Resistencia especificada o tipo de acero del refuerzo. (e) Tamaño, localización y refuerzo de todos los elementos estructurales. (f) Detalles de anclajes y empalmes del refuerzo. (g) Ubicación y detallado de todas las juntas de separación con edificaciones vecinas. De ser el caso, se indicarán los detalles y las ubicaciones de las juntas de contracción o expansión. (h) Características de la albañilería, mortero y los detalles de refuerzo de acuerdo a la NTE E.070 Albañilería. De ser el caso, detalles de unión o separación de los muros o tabiques de albañilería. (i) Magnitud y localización de las fuerzas de preesforzado. (j) Resistencia mínima a compresión del concreto en el momento de aplicación del postensado. (k) Secuencia de aplicación de las fuerzas en los tendones de postensado. 1.2.3 Ejecución de la obra
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1.2.3.1 Para la ejecución de la obra, el Constructor designará al Ingeniero Civil Colegiado que actuará como Ingeniero Residente de la Obra y que lo representará en ella. 1.2.3.2 El Constructor ejecutará los trabajos requeridos en la obra de acuerdo a lo indicado en la presente Norma, los planos y las especificaciones especificaciones técnicas. técnicas. 1.2.3.3 Las ocurrencias técnicas de la obra se registrarán en el Cuaderno de Obra, de acuerdo a lo indicado en 1.2.4.4. 1.2.4 Supervisión 1.2.4.1 La Supervisión será seleccionada por el propietario para representarlo ante el Constructor. 1.2.4.2 La Supervisión tendrá el derecho y la obligación de hacer cumplir la Norma, los planos y las especificaciones especificaciones técnicas. 1.2.4.3 El Constructor proporcionará a la supervisión todas las facilidades que requiera en la obra para el cumplimiento cumplimiento de sus obligaciones. 1.2.4.4 La Supervisión llevará el control del Cuaderno de Obra, en el cual registrará las ocurrencias técnicas. En lo correspondiente a los elementos de concreto armado, los registros de supervisión deben incluir como mínimo: (a) Calidad y dosificación de los materiales materiales del concreto y la resistencia del concreto. (b) Colocación y remoción de encofrado y apuntalamientos. apuntalamientos. (c) Colocación del refuerzo y anclajes. (d) Mezclado, ubicación de las tandas de concreto en la estructura y procedimientos de colocación y curado del concreto. (e) Secuencia de montaje y conexión de elementos prefabricados. (f) Tensado de los tendones del preesforzado. (g) Cargas de construcción significativa aplicada sobre pisos, muros u otros elementos terminados. (h) Avance general de la obra. (i) Cuando la temperatura ambiente ambiente sea menor que 5º C o mayor que 35º C, debe llevarse un registro de las temperaturas del concreto y de la protección dada al concreto durante su colocación y curado. 1.3 SISTEMAS NO CONVENCIONALES CONVENCIONALES 1.3.1 Los promotores de cualquier sistema de construcción dentro del alcance de esta Norma, cuya idoneidad ha sido demostrada por el éxito en su empleo o por medio de análisis o ensayos, pero que no cumple con las disposiciones de este Norma o no esté explícitamente tratado en ella, deberán presentar los estudios en los que se basa su diseño a SENCICO, el cual luego de la evaluación pertinente, propondrá al Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento su aprobación. 1.4 NORMAS DE MATERIALES Y PROCEDIMIENTOS CITADOS Ver Anexo 1.
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CAPÍTULO 2 NOTACIÓN Y DEFINICIONES 2.1 NOTACIÓN Los términos en esta lista se utilizan en esta Norma. a = profundidad del bloque rectangular equivalente de esfuerzos, mm, . av = luz de cortante, igual a la distancia del centro de una carga concentrada a la cara del apoyo para elementos continuos o en voladizo, o al centro del apoyo para elementos simplemente apoyados, mm, . Ab = área de una barra o alambre individual, mm2, . Ac = área de la sección de concreto que resiste la transferencia de cortante, mm2. Ach = área de la sección transversal de un elemento estructural, medida entre los bordes exteriores del refuerzo transversal, mm2, exterior de la sección transversal de concreto, mm2, . Acp = área encerrada por el perímetro exterior po r flexión y el Act = área de aquella parte de la sección transversal comprendida entre la cara en tracción por centro de gravedad de la sección bruta, mm2. Acv = área bruta de la sección de concreto limitada por el espesor del alma y la longitud de la sección en la dirección de la fuerza de cortante considerada, mm2. Acw = área de la sección de concreto de un segmento vertical individual de un muro, segmento horizontal de un muro o viga de acople, que resiste cortante, mm2. Af = área del acero de refuerzo en una ménsula o cartela que resiste el momento amplificado, mm2. Ag = área bruta de la sección, mm2. Para una sección con vacíos, es el área del concreto solo y no incluye el área de los vacíos. Ah = área total de refuerzo para cortante paralelo al refuerzo principal de tracción en una ménsula o cartela, mm2. Aj = área efectiva de la sección transversal dentro de un nudo medida en un plano paralelo al plano del refuerzo que genera cortante en el nudo, mm2. longitudinal para resistir torsión, mm2. Al = área total del refuerzo longitudinal Almin = área mínima de refuerzo longitudinal para resistir torsión, mm2. An = área de refuerzo en una ménsula o cartela que resiste la fuerza de tracción Nuc, mm2. Ao = área bruta encerrada por la trayectoria del flujo de cortante, mm2. Aoh = área encerrada por el eje del refuerzo transversal cerrado más externo dispuesto para resistir la torsión, mm2. Aps = área de acero preesforzado en la zona de tracción por flexión, mm2. As = área de refuerzo longitudinal no preesforzado a tra cción, mm2.
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