Concreto_04

Concreto Armado IFundamentos de Diseño en Concreto Reforzado

FUNDAMENTOS DE DISEÑO EN CONCRETO REFORZADO

EL DISEÑO ESTRUCTURAL.-La estructura debe considerarse como un sistema o conjunto de partes y componentes que se combinan ordenadamente para cumplir una función dada. El proceso de diseño de un sistema, comienza con la formulación de los objetivos que pretenden alcanzar y de las restricciones que deben tenerse en cuenta.El proceso es cíclico, se parten de consideraciones generales, que se afinan en aproximaciones sucesivas, a medida que se acumula información sobre el problema.Idealmente el objeto de diseño de un 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 determinado criterio, tal como el peso o costo mínimo; teniendo en cuenta siempre que no existen soluciones únicas sino razonables.

Cargas Estructurales.-El término carga se refiere a la acción directa de una fuerza concentrada o distribuida actuando sobre el elemento estructural. Los principales tipos de cargas incluyen: ▫ Cargas muertas. ▫ Cargas vivas. ▫ Cargas debidas a la influencia del medio ambiente, como:

o Cargas de viento o Cargas de sismo

▫ Cargas hidrostáticas o de presión de tierra. ▫ Cargas por temperatura.▫ Cargas accidentales.

Ver RNE. E.020 – CARGAS

Cargas Muertas.-Incluye el peso de todos los elementos estructurales basados en las dimensiones de diseño (peso propio) y el peso permanente de materiales o artículos, tales como: paredes y muros, cielos rasos, pisos, cubiertas, escaleras, equipos fijos y todas las cargas que no son causadas por la ocupación del edificio. Son cargas que tendrán invariablemente el mismo peso y localización durante el tiempo de vida útil de la estructura.

Ver RNE. E.020 – CARGASCapítulo 2 .- Carga MuertaAnexo 1.- Pesos Unitarios

Cargas Vivas.-Las cargas vivas son cargas no permanentes producidas por materiales o artículo, e inclusive gente en permanente movimiento. Cabinas, particiones y personas que entran y salen de una edificación pueden ser consideradas como carga vivas. Para simplificar los cálculos las cargas vivas son expresadas como cargas uniformes aplicadas sobre el área de la edificación. Las cargas vivas que se utilicen en el diseño de la estructura deben ser las máximas cargas que se espera ocurran en la edificación debido al uso que ésta va a tener y están determinadas con base a una parte variable y a una porción sostenida por el uso diario. Las cargas vivas dadas en los códigos tienen la intención de representar la suma máxima de todas las cargas que pueden ocurrir en un área pequeña durante la vida útil del edificio.

Ver RNE. E.020 – CARGASCapítulo 3 .- Carga VivaTabla 3.1.3.- Cargas Vivas Mínimas Repartidas

DOCENTE: ING. OVIDIO SERRANO ZELADA PÁGINA 1 DE 5


Cargas de Viento.-Son cargas dinámicas pero son aproximadas usando cargas estáticas equivalentes. La mayor parte de los edificios y puentes pueden utilizar este procedimiento cuasi-estático y solo en casos especiales se requiere un análisis modal o dinámico. La presión ocasionada por el viento es proporcional al cuadrado de la velocidad y debe ser calculada, principalmente, en las superficies expuestas de una estructura. Debido a la rugosidad de la tierra, la velocidad del viento es variable y presenta turbulencias. Sin embargo, se asume que la edificación asume una posición deformada debido a una velocidad constante y que vibra a partir de esta posición debido a la turbulencia. El procedimiento analítico para evaluar los efectos producidos por la fuerza del viento involucra el análisis simple, si los efectos producidos por la fuerza del viento no son fundamentales en el diseño, o el análisis completo, si por el contrario, las fuerzas de viento en algún sentido resultan determinantes en el diseño.

Ver RNE. E.020 – CARGASCapítulo 3 .- Carga VivaTabla 3.7.- Cargas Debidas al Viento

Cargas de Sismo.-Son cargas dinámicas que también pueden ser aproximadas a cargas estáticas equivalentes. Los edificios pueden utilizar este procedimiento cuasi-estático, pero también se puede utilizar un análisis modal o dinámico.

Ver RNE. E.030 – DISEÑO SISMO RESISTENTE

EL DISEÑO POR ESTADO LIMITE .-Una estructura o elemento estructural deja de ser útil cuando alcanza su estado límite, en el que deja de realizar la función para la cual fue diseñada.El diseño por estado límite trata de lograr que las características acción-respuesta de un elemento estructural o de una estructura estén dentro de los límites aceptables.Los estados límite de diseño comúnmente utilizados son:▫ Estado límite de servicio: Cuando se interrumpe el servicio de la estructura.

Presenta poca probabilidad de ocurrencia. Son criterios que gobiernan el uso normal y la durabilidad.

▫ Estado límite de resistencia o estado límite último: Incluye el colapso de la estructura. Presenta muy poca probabilidad de que ocurra. Corresponden a la máxima capacidad portante

▫ Estados especiales de carga: Donde el daño y colapso de la estructura se incluyen simultáneamente

Se puede llegar al estado límite de servicio por los siguientes factores: ▫ Deflexiones excesivas para el uso normal de la estructura, que conlleven a fisuras

prematuras y excesivas. Puede ser visualmente inaceptable y puede causar daños en elementos no estructurales.

▫ Desplazamientos excesivos aunque no impliquen pérdida de equilibrio. ▫ Daños locales como corrosión y ataque químico al concreto producido por

ambientes agresivos. ▫ Vibraciones excesivas producidas por elementos móviles o cargas cíclicas. ▫ Daño local evitable con la construcción de juntas de expansión y control o con la

disposición adecuada del refuerzo.

Se puede llegar al estado límite de resistencia o estado límite último debido a: ▫ Las fuerzas mayoradas sean mayores que la resistencia de diseño de la estructura.▫ Perdida de equilibrio en algún sector o toda la estructura debido a la degradación

en la resistencia y rotura de algunos o la gran mayoría de los elementos, lo que puede conducir al colapso de la estructura. En algunos casos un problema local menor puede afectar elementos adyacentes y estos

▫ a su vez afectar sectores de la estructura que determinen el colapso parcial o total.



▫ Transformación de la estructura en un mecanismo y la consiguiente inestabilidad que conlleve a cambios geométricos incompatibles con las hipótesis iniciales de diseño.

▫ Falta de integridad debido a la ausencia de amarres adecuados entre los diferentes elementos que conforman la estructura.

▫ Fatiga en la estructura y fractura en elementos debido a ciclos repetitivos de esfuerzos por cargas de servicio.

Se puede llegar a estados límites especiales cuando hay daños o falla debido a condiciones anormales de carga, tales como: ▫ Daño o colapso en sismos extremos. ▫ Daños estructurales debido al fuego, explosiones o colisiones vehiculares. ▫ Efectos estructurales de la corrosión y deterioro

Para revisar la seguridad de una estructura se de verificar que la resistencia de cada elemento estructural y de la estructura en su conjunto sea mayor que las acciones que actúan sobre los elementos o sobre la estructura.

RECOMENDACIONES DE RESISTENCIA PARA LA SEGURIDAD ESTRUCTURAL DE ACUERDO AL ACI. –

Factores de Carga.-Los factores de carga tienen el propósito de dar seguridad adecuada contra un aumento en las cargas de servicio más allá de las especificaciones en el diseño, para que sea sumamente improbable la falla.Los factores de carga también ayudan a asegurar que las deformaciones bajo cargas de servicio no sena excesivas. El Código ACI recomienda que la resistencia requerida U para resistir cargas sean:a. Para combinaciones de carga muerta y carga viva.

U=1.4D + 1.7L (RNE. E.060)Donde:

D es el valor de la carga muertaL es el valor de la carga viva.

b. Para combinaciones de carga muerta, carga viva y carga accidental.U=1.25D + 1.25L ± 1.0E oU=1.25D + 1.25L ± 1.25W Donde:

W es el valor de la carga de vientoE es de la carga de sismo.

Cuando la carga viva sea favorable, se deberá revisar las combinaciones de carga muerta y carga accidental con los siguientes factores de carga.U=0.9D ± 1.00E oU=0.9D ± 1.25W Ver RNE. –E.060 CONCRETO ARMADOCapítulo 10 .- Requisitos Generales de Resistencia y de ServicioTabla 10.2.- Resistencia Requerida

Factores de Reducción de Capacidad.-Los factores de reducción de capacidad Φ, toman en cuenta las inexactitudes en los cálculos y fluctuaciones en la resistencia del material, en la mano de obra y en las dimensiones. En las vigas se considera el más alto valor de Φ debido a que están diseñadas para fallar por flexión de manera dúctil con fluencia del acero en tracción. En las columnas tienen el valor más bajo de Φ, puesto que pueden fallar en modo frágil cuando la resistencia del concreto es el factor crítico; adicionalmente la falla de una columna puede significar el desplome de toda la estructura y es difícil realizar la reparación.



Para flexión : Φ=0.90Para tensión axial : Φ=0.90Para cortante : Φ=0.85Para flexo-compresión : Φ=0.75 (columnas zunchadas)

Φ=0.70 (columnas estribadas)Para presión de contacto : Φ=0.70o aplastamiento

Razones para el uso de Factores.-Los factores de carga y reducción son utilizados porque proveen un nivel específico de seguridad frente a fenómenos tales como:

Variabilidad en la resistencia de los materiales (Rn). ▫ Hay diferencias entre la resistencia actual y la calculada para el concreto. Similar

comportamiento se presenta para la resistencia de las barras de acero. ▫ Se presenta diferencia entre las dimensiones diseñadas y las reales en el

momento de la construcción, para los diferentes elementos estructurales. ▫ Se asumen simplificaciones en el momento de análisis y diseño.

Incertidumbre en el cálculo de las cargas y en el análisis estructural de las mismas. ▫ Las cargas en general presentan incertidumbre en cuanto a la evaluación y

correcto análisis de las mismas. ▫ Las cargas vivas, de viento y de sismo presentan niveles muy variables de

precisión. ▫ Por ejemplo, el factor de seguridad de la carga viva es mayor que el factor de

seguridad para la carga muerta, debido a la menor certidumbre en la consecución del valor real de la carga viva.

▫ La incertidumbre en el análisis estructural mismo conduce a diferencias entre las fuerzas y momentos actuales con los computados por el diseñador.

Las consecuencias negativas que deja la falla. ▫ El costo de limpieza de escombros y reemplazo de la estructura y su contenido es

bastante alto. ▫ Las potenciales pérdidas de vidas humanas. ▫ Costos a la sociedad por pérdida de tiempo, propiedad y vida. ▫ De acuerdo al tipo de falla (colapso sin aviso o con excesiva deflexión antes de la

falla), determina el nivel de seguridad y calidad de diseño que se ha asumido para la estructura.

TIPOS DE FALLA.-Falla Dúctil: La falla se presenta con excesiva deformación debido a la deformación

por fluencia del acero, especialmente en vigas (Φ = 0.9). Falla Frágil. No se presenta aviso previo antes de la falla. Se presenta colapso por

falla instantánea a compresión en el concreto (Φ = 0.7).

CONSIDERACIONES SOBRE EL COMPORTAMIENTO PARA CARGAS DE SERVICIO Y CARGAS FACTORADAS.-Se debe verificar que las deflexiones bajo las cargas de servicio estén dentro de los límites aceptables. El control del agrietamiento también es muy importante para fines de apariencia y durabilidad. El Código ACI proporciona recomendaciones para ambos.Es importante asegurar en el caso cargas extremas que una estructura se comporte en forma dúctil. Esto significa asegurar que la estructura no falle en forma frágil sin advertencia, sino que sea capaza de sufrir grandes deformaciones bajo cargas cercanas a la máxima. El comportamiento deseable para estructuras sometidas a cargas sísmicas solo se puede obtener si la estructura tiene suficiente ductilidad para absorber y disipar energía mediante deformaciones inelásticas. Para asegurar el comportamiento dúctil, los diseñadores deben dar especial atención a los detalles tales como cuantía de refuerzo longitudinal, anclaje de refuerzo y confinamiento del concreto comprimido, evitando así los tipos frágiles de falla.




Documents

Concreto_04