Tecnológico de Monterrey Ingeniería Civil Diseño de estructuras de concreto reforzado M en C Saúl S aúl Enrique Crespo Sánchez
Intención del curso Es un curso de nivel intermedio orientado a proporcionar las herramientas necesarias para diseñar elementos de concreto reforzado de acuerdo a normas vigentes, y presentar los resultados en formato gráfico (planos estructurales).
Requisitos Requ Requier ieree cono conoci cimie mient ntos os prev previo ioss de ecua ecuaci cion ones es de equi equilib libri rio; o; prop propie ieda dade dess de la sección: centroide, área, inercia; análisis de estructuras isostáticas e hiperestáticas; diagramas de corte y momento; deformada del elemento, y círculo de Mohr. Mohr.
Resultados esperados Como resultado de aprendizaje se espera que el alumno diseñe los elementos de un marco plano de concreto reforzado sujeto a cargas gravitacionales.
Objetivo general del curso Al final inaliz izar ar el curs cursoo el alu alumno mno será erá capa capazz de gravitacionales, y e integre los conocimientos de los cursos previos de estructuras.
Instituto Tecnológico de Monterrey Diseño de elementos de concreto reforzado Unidad I: Materiales, Cargas y Especificaciones 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6.
El concreto concreto simple y el acero acero de de refuerzo refuerzo.. El concreto concreto reforzado reforzado.. Cargas Cargas sobre sobre estructuras estructuras.. Cargas Cargas gravitacion gravitacionales. ales. Teorías Teorías de Diseño. Diseño. Códigos, Códigos, especificaci especificaciones ones y estándar estándares. es.
2.Diseño por flexión 2.1. Elementos sujetos a flexión. 2.2. Resistencia de elementos a flexión 2.3. Ductilidad de elementos a flexión. 2.4. Distribución parabólica de esfuerzos de compresión del concreto. 2.5. Relaciones Momento – Curvatura 2.6. Método del ACI para evaluar la resistencia última. 2.7. Métodos de prediseño 2.8. Ejemplos de prediseño, revisión y diseño de elementos a flexión. 2.9. Algoritmos para el diseño de elementos en flexión 3. Diseño por cortante 3.1. Tipos de corte en elementos estructurales. 3.2. Corte por flexión 3.3. Formación de grietas 3.4. Secciones críticas para cortante. 3.5. Resistencia a cortante proporcionada por el concreto. 3.6. Relación del cortante actuante y la separación de estribos. 3.7. Criterios generales de diseño de acuerdo al ACI - 318.
4. Diseño de columnas cortas sujetas a compresión y flexión uniaxial 4.1. Acciones a las que está sujeta una columna. 4.2. Conceptos de esbeltez y flexión biaxial en columnas. 4.3. Resistencia última de columnas cortas (diagramas de interacción). 4.4. Uso de diagramas de interacción adimensionales. 4.5. Refuerzo transversal 4.6. Detallado de columnas cortas de acuerdo a normas. 4.7. Ejemplos de revisión y diseño de columnas. 5. Detallado del refuerzo 5.1. Modelo experimental de extracción de varilla. 5.2. Longitud de desarrollo de varillas rectas y en paquetes sujetas a tensión y compresión. 5.3. Longitud de desarrollo de gancho estándar. 5.4. Distribución longitudinal del refuerzo de acuerdo a reglamento ACI-318. 5.5. Ejemplo de detallado en vigas
6. Diseño de losas en una y dos direcciones 6.1. 6.2. 6.3. 6.4. 6.5. 6.6. 6.7.
Losas en una y dos direcciones. Cargas muertas, vivas y últimas en losas macizas y aligeradas. Método aproximado de análisis para vigas y losas en una dirección. Método de coeficientes para obtener el análisis de losas en dos direcciones. Diseño por corte y flexión Presentación gráfica de los resultados. Ejemplos de losas en una y dos direcciones
7. Calculo de deflexiones de vigas 7.1. Deflexiones para vigas en condiciones de servicio. 7.2. Normas del reglamento ACI para la determinación de las deflexiones instantáneas así como las deflexiones generadas con el tiempo. 8. Diseño de una estructura de concreto 8.1 Proyecto final: Diseño de un edificio de dos a tres niveles de concreto reforzado
Instituto Tecnológico de Monterrey Evaluación 1 ° Examen parcial …………..….25% 2 ° Examen parcial …………...…25% Desarrollo de programas ……….10% Examen final ……………………20% Proyecto final …………………....15% Semana i …………………………5%
Instituto Tecnológico de Monterrey Bibliografía -Diseño de estructuras de concreto reforzado Arthur Nilson Mc Graw Hill -Aspectos fundamentales del concreto reforzado González Cuevas Oscar Ed. Limusa -Normas Técnicas Complementarias sobre el Diseño de Estructuras de Concreto Reforzado -Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318)
1.1 El concreto simple y el acero de refuerzo El concreto es un material pétreo, artificial, obtenido de la mezcla, en proporciones determinadas, de cemento, agregados y agua. El cemento y el agua forman una pasta que rodea a los agregados, constituyendo un material heterogéneo.
Algunas veces se añaden ciertas sustancias, llamadas aditivos o adicionantes, que mejoran o modifican algunas propiedades del concreto.
1.1 El concreto simple y el acero de refuerzo El cemento es un material cementante es aquel que tiene las propiedades de adhesión y cohesión necesarias para unir agregados inertes y conformar una masa sólida de resistencia y durabilidad adecuadas. Para completar el proceso químico (hidratación) mediante el cual el polvo de cemento fragua y endurece para convertirse en una masa sólida se requiere la adición de agua.
1.1 El concreto simple y el acero de refuerzo La deformaciones por contracción se deben esencialmente a cambios en el contenido de agua del concreto a lo largo del tiempo. El agua de la mezcla se va evaporando e hidrata el cemento. Esto produce cambios volumétricos en la estructura interna del concreto, que a su vez producen deformaciones.
Los factores que más afectan la contracción son la cantidad original de agua en la mezcla y las condiciones ambientales especialmente a edades tempranas. La contracción tiende a producir esfuerzos debidos a las restricciones al libre desplazamiento del elemento que existen en general en la realidad. Si el concreto pudiera encogerse libremente, la contracción no produciría ni esfuerzos ni grietas.
1.2 El concreto reforzado Las grietas se presentan de ordinario en la pasta y muy frecuentemente entre el agregado y la pasta. En algunos casos también se llega a fracturar el agregado. Este microagrietamiento es irreversible y se desarrolla a medida que aumenta la carga, hasta que se produce el colapso.
1.1 El concreto simple y el acero de refuerzo
El Reglamento de Construcciones del Distrito Federal (RCDF), por ejemplo, define dos clases de concreto: a) Clase 1, que tiene un peso volumétrico en estado fresco superior a 2.2 ton/m3, y b) Clase 2, cuyo peso volumétrico está comprendido entre 1.9 y 2.2 ton/m3.
1.1 El concreto simple y el acero de refuerzo ¿Qué hace del concreto un material de construcción universal?
Es fácilmente depositable en moldes de cualquier forma mientras se encuentra en estado plástico. ᢇ
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Es altamente resistente al fuego y a diversos climas.
Los materiales que le constituyen, exceptuando el cemento y aditivos, están disponibles a bajo costo, localmente o muy cerca del sitio de construcción. ᢇ
Su alta resistencia a la compresión lo hace apropiado para elementos sujetos principalmente a compresión, como columnas o arcos. ᢇ
1.1 El concreto simple y el acero de refuerzo Sin embargo, el concreto es un material con una baja resistencia a la tensión. Para contrarrestar esta limitación, en la segunda mitad del siglo XIX se consideró factible utilizar acero debido a su alta resistencia a la tensión para reforzar el concreto simple.
1.1 El concreto simple y el acero de refuerzo El acero para reforzar concreto se utiliza en distintas formas. La más común es la barra o varilla. Los diámetros usuales de las barras producidas en México varían de ¼” a 1 ½” (Algunos productores han fabricado barras corrugadas de 5/16” , de 5/32” y de 3/16”) En otros países se usan diámetros aun mayores.
1.1 El concreto simple y el acero de refuerzo Todas las barras, con excepción del alambrón de ¼”, que generalmente es liso, tienen corrugaciones en la superficie, para mejorar su adherencia al concreto.
1.2 El concreto reforzado La combinación de concreto simple con refuerzo constituye lo que se llama concreto reforzado. ¿Porqué combinarlos?
El concreto simple, sin refuerzo, es resistente a la compresión, pero es débil en tensión, lo que limita su aplicabilidad como material estructural. Para resistir tensiones se emplea refuerzo de acero, generalmente en forma de barras circulares de acero con deformaciones superficiales apropiadas para proporcionar adherencia
1.2 El concreto reforzado El armado de acero se coloca en los moldes (en las zonas donde se prevé que se desarrollarán tensiones bajo las acciones de servicio) antes de vaciar el concreto. Una vez las barras estén completamente rodeadas por la masa de concreto endurecido, comienzan a formar parte integral del elemento.
Además, el acero restringe el desarrollo de las grietas originadas por la poca resistencia a la tensión del concreto.
1.2 El concreto reforzado Es precisamente esta combinación la que permite el casi ilimitado rango de usos y posibilidades del concreto reforzado en la construcción de edificios, puentes, presas, tanques, depósitos y muchas otras estructuras.
1.2 El concreto reforzado Resistencia a la compresión Debido a que el concreto se utiliza principalmente en compresión, resulta de interés fundamental su curva esfuerzo-deformación unitaria a la compresión. Las curvas esfuerzodeformación se obtienen del ensaye de prismas sujetos a carga axial repartida uniformemente en la sección transversal mediante una placa rígida.
1.2 El concreto reforzado Módulo de elasticidad Este módulo se define como la pendiente del tramo recto inicial de la curva esfuerzodeformación unitaria, aumenta con la resistencia a compresión del concreto. Las Normas Técnicas Complementarias para el Diseño de Estructuras de Concreto, define los módulos de elasticidad como:
1.2 El concreto reforzado Resistencia a la tensión
Para concretos fabricados con agregados de Santa Fe (Ciudad de México), la relación entre la resistencia a la compresión de un cilindro y su resistencia a la tensión, obtenida del ensaye brasileño, está dada por las expresiones:
1.3 Cargas sobre estructuras Carga Muerta Acciones Permanentes
Gravitacionales
Empujes de tierras, líquidos y materiales a granel
Carga Viva Acciones Variables
Acciones
Hundimientos diferenciales Cambios por temperatura
Nieve Accidentales
Viento Sismo
1.4 Cargas Gravitacionales Cargas gravitacionales Cargas permanentes Según las Normas Técnicas Complementarias sobre Criterios y Acciones para el Diseño Estructural de las Edificaciones: “Las acciones permanentes son las que obran en forma continua sobre la estructura y cuya
intensidad varía poco con el tiempo. Las principales acciones que pertenecen a esta categoría son: -La carga muerta; -El empuje estático de suelos y de líquidos - Las deformaciones y desplazamientos impuestos a la estructura que varían poco con el tiempo, como los debidos a presfuerzo o a movimientos diferenciales permanentes de los apoyos.”
1.4 Cargas Gravitacionales Cargas permanentes Carga Muerta Se llama carga muerta al conjunto de acciones que se producen por el peso propio de la construcción; incluye el peso propio de la estructura misma y el de los elementos no estructurales, como: - Los muros divisorios, - Los revestimientos de pisos, muros y fachadas, - La ventanería, - Las instalaciones y todos aquellos elementos que conservan una posición fija en la construcción, de manera que gravitan en forma constante sobre la estructura. La carga muerta es, por tanto, la principal acción permanente.
1.4 Cargas Gravitacionales Cargas permanentes Carga Muerta Estas son las acciones que presentan menor grado de incertidumbre, sin embargo, las diferencias que suele haber entre los valores de cálculo y los reales no son despreciables. Esto se debe a las diferencias entre las dimensiones especificadas en el proyecto y las que resultan en la construcción, a modificaciones y adiciones en los elementos no estructurales y a las variaciones en los pesos volumétricos de los materiales.
1.4 Cargas Gravitacionales Cargas permanentes Empujes de tierras, líquidos y materiales a granel En algunos casos, como en empuje de tierras o de aguas en muros de contención, estas cargas actúan con su intensidad máxima durante lapsos muy grandes de tiempo y deben considerarse acciones permanentes. En otras ocasiones, como en recipientes y depósitos, estas acciones tienen variaciones importantes en el tiempo y deben tratarse como acciones variables.
1.4 Cargas Gravitacionales Cargas variables
“Las acciones variables son las que obran sobre la estructura con una intensidad que varía
significativamente con el tiempo. Las principales acciones que entran en esta categoría son: -La carga viva; -Los efectos de temperatura; -Las deformaciones impuestas y los hundimientos diferenciales que tengan una intensidad variable con el tiempo, -Las acciones debidas al funcionamiento de maquinaria y equipo, incluyendo los efectos dinámicos que pueden presentarse debido a vibraciones, impacto o frenado”.
1.4 Cargas Gravitacionales Cargas variables Carga viva La carga viva es la que se debe a la operación y uso de la construcción. Incluye, por tanto, todo aquello que no tiene una posición fija y definitiva dentro de la misma y no puede considerarse como carga muerta. Entran así en la carga viva el peso y las cargas debidos a muebles, mercancías, equipos y personas. Podemos distinguir tres grandes grupos de construcciones en cuanto a la carga viva que en ellas debe considerarse: los edificios, las construcciones industriales y los puentes.
1.4 Cargas Gravitacionales Cargas variables Carga viva Dependiendo de la combinación de cargas que se esté revisando, pueden interesar distintos valores de la carga viva con respecto a su variación temporal. Para su superposición con las cargas permanentes, interesa la , o sea la máxima intensidad que ésta puede adquirir a lo largo de la vida esperada de la estructura. Para sus superposición con una acción accidental, interesa la , o sea el valor que pueda adquirir en un instante cualquiera dentro de la vida de la estructura, esto es en el instante en que ocurre la acción accidental. Para fines de estimar efectos a largo plazo interesa la ; así, para calcular deformaciones diferidas en estructuras de concreto y hundimientos en suelos arcillosos saturados que reaccionan lentamente con el tiempo, interesa el valor medio que la carga viva adquiere en un lapso del orden de años.
1.4 Cargas Gravitacionales Cargas variables
Cargas vivas, Según NTC DF
1.4 Cargas Gravitacionales Cargas variables Carga viva La carga viva sobre puentes carreteros se debe esencialmente a las fuerzas transmitidas por los vehículos que sobre ellos transitan. Su determinación depende del peso y de las características de los vehículos que pueden transitar sobre el puente, así como de la distribución más desfavorable que es razonable esperar que se presente.
1.4 Cargas Gravitacionales Cargas variables Efectos por temperatura Los materiales se dilatan al elevarse su temperatura y se contraen cuando ésta se reduce.
Los cambios de temperatura no inducen solicitaciones en la estructura si ésta puede deformarse libremente; es la restricción al libre movimiento de ella la que produce esfuerzos en los elementos.
1.4 Cargas Gravitacionales Cargas variables Efectos por temperatura Los hundimientos provocan fuerzas internas en las estructuras solo si ésta es hiperestática y si sus apoyos tienen movimientos distintos (movimientos diferenciales). .
La magnitud de los hundimientos de los apoyos de una estructura debido a las cargas que en ella actúan, depende de las características del subsuelo y de las rigideces relativas entre estructura, cimentación y suelo.
1.5 Teorías de diseño Cargas variables Diseño por el método de esfuerzos permisibles (ASD) En este método, un miembro se selecciona de manera que tenga propiedades transversales como área y momento de inercia suficientemente grandes para poder prevenir que el esfuerzo máximo exceda un esfuerzo permisible. Este esfuerzo permisible estará en el estará en el rango elástico del material y será menor que el esfuerzo de fluencia Fy. Así, un miembro adecuadamente diseñado bajo este criterio, quedará sometido a esfuerzos no mayores que el esfuerzo permisible bajo cargas de trabajo.
1.5 Teorías de diseño Cargas variables Diseño por el método de factores de carga y resistencia (LRFD) El diseño con factores de carga y resistencia se basa en los conceptos de estados limite. El término estado límite se usa para describir una condición en la que una estructura o parte de ella deja de cumplir su pretendida función. Existen dos tipos de estados límite: -Los se basan en la seguridad o capacidad de carga de las estructuras e incluyen resistencias plásticas, de pandeo, de fractura, de fatiga, de volteo, etc. -Los se refieren al comportamiento de las estructuras bajo cargas normales de servicio y tienen que ver con aspectos asociados con el uso y ocupación, tales como deflexiones excesivas, deslizamientos, vibraciones y agrietamientos.
1.5 Teorías de diseño Cargas variables Diseño por el método de factores de carga y resistencia (LRFD)
En el método LRFD las cargas de trabajo o servicio (Qi) se multiplican por ciertos factores de carga o seguridad (λ i) que son casi siempre mayores que 1.0 y se obtienen las “cargas factorizadas” usadas para el diseño estructural. La estructura se proporciona para que tenga una resistencia última de diseño suficiente para resistir las cargas factorizadas. Esta resistencia se considera igual a la resistencia teórica o nominal (Rn) del miembro estructural, multiplicada por un factor de resistencia φ que es normalmente menor que 1.0; con este factor, el proyectista intenta tomar en cuenta las incertidumbres relativas a resistencia de los materiales, dimensiones y mano de obra.
1.5 Teorías de diseño Cargas variables Diseño por el método de factores de carga y resistencia (LRFD) La información precedente puede resumirse para un miembro particular de la manera siguiente: (La suma de los productos de los efectos de las cargas y factores de carga)
≤
(factor de resistencia)(resistencia nominal)
El miembro izquierdo de esta expresión se refiere a los efectos de las cargas en la estructura, y el derecho a la resistencia o capacidad del elemento estructural.
1.5 Teorías de diseño Cargas variables Diseño por el método de factores de carga y resistencia (LRFD) Las combinaciones usuales de cargas consideradas en el LRFD son las siguientes: U=1.4 D U=1.2 D + 1.6 L + 0.5 (Lr o S o R) U=1.2 D + 1.6 (Lr o S o R) + (0.5 L o 0.8 W) U=1.2 D + 1.3 W + 0.5 L + 0.5 (Lr o S o R) Donde: U = Carga Última, D = Cargas Muertas, L = Cargas vivas, Lr= Cargas Vivas en techos, S = Cargas de nieve, R = Cargas de agua de lluvia, W= Fuerzas de viento y E = Fue rzas de sismo.
1.6. Códigos, especificaciones y estándares. Cargas variables El diseño de la mayoría de las estructuras está regido por especificaciones o normas. Aun si éstas no rigen el diseño, el proyectista debe tomarlas como una guía. Las especificaciones de ingeniería son desarrolladas por varias organizaciones y contienen las opiniones más valiosas de esas instituciones sobre la buena práctica de la ingeniería.
1.6. Códigos, especificaciones y estándares. Cargas variablesestatales y nacionales, preocupadas por la seguridad pública, han establecido Las autoridades códigos de control de la construcción de las estructuras bajo su jurisdicción. Estos códigos que en realidad son reglamentos, especifican las cargas de diseño, esfuerzos de diseño, tipos de construcción, calidad de los materiales y otros factores.
