INFORME Fuerza Cortenate en Sistema de FLUENCIA

FUERZAS CORTANTES DE FLUENCIA EN SISTEMAS DE

APORTICADO DE CONCRETO ARMADO

HUANCAYO-PERÚ

OCTUBRE - 2014

TEMA:

CÁTEDRA : CONCRETO ARMADO I

ALUMNO : SIHUINTA HUAMAN JHONNIOR

DOCENTE : ING.JORGE BEJARANO DOLORIER

CICLO : VIII

AÑO DE LA PROMOCION DE LA INDUSTRIA RESPONSABLE Y DEL COMPROMISO CLIMATICO”

http://www.google.com.pe/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=images&cd=&cad=rja&docid=os8c5UQNPprFvM&tbnid=USqEfuJRSoV8gM:&ved=0CAUQjRw&url=http://cosmonautaenlaastropista.blogspot.com/2009/12/la-uap-y-la-ingenieria-ambiental-en.html&ei=stuAUtK2A8nckQffgYHIDQ&bvm=bv.56146854,d.eW0&psig=AFQjCNH81VFahUjv7REuLJLvTuDBv0J_ug&ust=1384262948568075



Introducción

Fuerzas cortantes de fluencia en sistemas de aporticado de concreto armado empleado para obtener modelos elásticos plásticos de una edificación. Es utilizado ampliamente en estructuras para estimar las capacidades últimas de flexión de una estimada sección tanto en columnas o vigas los cuales se toma en cuenta para el diseño de estructuras




TABLA DE CONTENIDO

RESUMENINTRODUCCION.

CAPITULO I.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.1.1. Descripción de la problemática. 1.2. Delimitaciones y Definición del problema.

1.2.1 Delimitaciones.A. Delimitación Espacial.B. Delimitación Temporal.C. Delimitación Social.D. Delimitación Conceptual.

1.2.2 Definición del problema. 1.3. Formulación del problema.

1.3.1 Problema principal.

1.4. Objetivo de la investigación.1.5. Hipótesis de la investigación.

1.6. Viabilidad de la investigación.1.6.1 Viabilidad técnica.1.6.2 Viabilidad operativa.1.6.3 Viabilidad económica.

1.7. Justificación e importancia de la investigación.

1.7. Limitaciones de la investigación.

1.9. Tipo y Nivel de la investigación.1.9.1 Tipo de investigación.1.9.2 Nivel de investigación.

1.10. Método y Diseño de la investigación.1.10.1 Método de investigación.1.10.2 Diseño de investigación.

CAPITULO II.




MARCO TEORICO.

2.1. Marco Histórico.

2.2. Marco Conceptual.

FUERZA CORTANTE DE FLUENCIA EN SISTEMA APORTICADO DE CONCRETO ARMADO.

SECCIONES CRITICAS EN SISTEMAS APORTICADOS. MODELO ELASTICO – PLASTICO Y MODELO ELASTICO CRITERIOS PARA EVALUAR LA DUCTILIDAD. EXPRESIONES PARA ESTIMAR LA CAPACIDAD ULTIMA

EN FLEXION DE SECCIONES DE CONCRETO ARMADO.

MECANISMOS DE ROTULAS PLASTICAS EN NUDOS. TIPOS DE MECANISMOS DE ROTULAS PLASTICAS. MOMENTOS NODALES. ESFUERZOS EN COLUMNAS Y MUROS. METODO DE RESTRIBUCION DE MOMENTOS PARA EL

CALCULO DE LA CAPACIDAD ULTIMA DE SITEMAS APOR

METODO DE TRABAJO VIRTUAL PARA EL CALCULO DE LA CAPACIDAD ULTIMA DE SIST. APORTICADOS.

CASOS PARTICULARES DE DISTRIBUCION DE FZA. LAT.




CAPITULO I

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA




1.1 Descripción de la realidad problemática.

Igual que la práctica, es fundamental para la formación del ingeniero, adquirir unos prácticos, seguros y confiables procedimientos para el diseño estructural a cortante. Lo anterior porque a diferencia del punto de vista académico, donde se pueden aislar cada una de las tensiones para su tratamiento y estudio, en la practica el problema es de mayor complejidad al encontrar siempre un campo de tensiones donde interactúan simultáneamente la flexión ( M ), la cortante ( V ), la torsión ( T ) y la fuerza axial ( N ).

Históricamente el problema de diseño se ha entendido perfectamente hasta el punto de que los modelos teóricos de comportamiento, al comprobarlos con pruebas reales en estructuras, presentan excelentes ajustes estadísticos generando el reconocimiento que le otorgan la colocación directa de estos resultados en normas y códigos de diseño y construcción.

En contraste la cortante igual que la torsión ha tropezado con toda serie de obstáculos teóricos y experimentales que han impedido un correcto entendimiento del problema. A pesar de lo anterior en las tres últimas décadas se ha realizado un gran esfuerzo por encontrar modelos matemáticos que se ajusten al comportamiento real de las estructuras hasta el punto de llegar a reconocer en los últimos reglamentos de diseño, estas nuevas teorías que explican mejor el problema y se ajustan a las pruebas experimentales.

Norma E.020 Cargas Norma E.030 Diseño Sismo resistente Norma E.050 Diseño de Suelos y Cimentaciones Norma E.060 Diseño en Concreto Armado Norma E.070 Diseño en Albañilería




1.2 Delimitación y definición del problema.

El modo repentino de una falla por cortante, comparada con una falla dúctil por flexión, hace más conveniente el diseño de los elementos de manera que su resistencia al cortante sea igual o mayor que la resistencia a la flexión.

Para poder determinar la cantidad de refuerzo por cortante se establece que, el refuerzo por cortante reside la totalidad del cortante transversal.

Se debe suponer que la resistencia ala cortante proporcionada por el concreto es igual al cortante que produce agrietamiento inclinado, por lo tanto, es posible diseñar el refuerzo por cortante en forma de que solo soporte el exceso de cortante.

1.2.1 Delimitaciones.

A. Delimitación Espacial.

Los primeros estudios sobre la cortante se realizaron a finales del siglo XIX propiamente para el año de 1899 cuando el profesor Wilhem Ritter del Politécnico de Zurich publico en su libro “ Die Bauweise Hennebique” el modelo de la analogía de la cercha como metodología adecuada para tratar el diseño a cortante.

Numerosos ensayos continuaron a principios del siglo XX para tratar de explicar y dar pautas claras al trabajo de Ritter y en este sentido Emil Mörsh en Alemania y Richart Talbot en Estados Unidos logran los primeros avances al respecto. En esta época se presenta la gran discusión de si la falla es a cortante horizontal, tensiones inclinadas o tracción diagonal.

En 1904 la comisión alemana del hormigón armado presenta las primeras especificaciones sobre el diseño a cortante basadas en el trabajo de Mörsh y su fórmula general para evaluar la cortante por tracción diagonal. Esta expresión por su sencillez fue utilizada ampliamente por más de 50 años.




B. Delimitación Temporal.

Quedaron archivadas por más de medio siglo por el amplio uso adquirido por la teoría del diseño elástico del hormigón.

En el año de 1954 varios ensayos de laboratorio concluyeron que la falla típica de los elementos de hormigón armado diseñados por teoría elástica, los cuales se suponían fallaban por flexión, era la falla por tracción diagonal inclusive para cargas inferiores a las del rango elástico.

Lo anterior quedo completamente comprobado con el sismo de 1954 cuando por su efecto colapsaron varios hangares de la fuerza aérea de los Estados Unidos. En los estudios de las ruinas se detecto que la falla en vigas y columnas era por tracción diagonal.

En consecuencia se conformaron varios comités técnicos liderados por los profesores McGregor y Bresler los cuales posteriormente redactaron el documento base del estudio de la cortante por teoría de resistencia conocido como el ACI-ASCE-426. Recientemente los trabajos de Mitchell y Collins, Lampert y Thurliman han propuesto nuevas tendencias al diseño unificado ( hormigón armado y pretensado) a cortante con la actualizada teoría de la cercha espacial inicialmente propuesta por Ritter, el modelo matemático del campo modificado de tensiones a compresión y la poderosa herramienta de análisis conocida como el modelo del puntal y el tirante ( strut and tie). Los últimos documentos versión año 2000 indican una amplia experimentación en este sentido.

C. Delimitación Social.

Los elementos de hormigón armado afectados por fuerzas cortantes usualmente también están sometidos a la acción de momentos flectores.

Es posible que también estén presentes solicitaciones axiales y torsionales que pueden volver aún más compleja la predicción del comportamiento de las estructuras.

La teoría de cortante en vigas, desarrollada para materiales homogéneos, isotrópicos y elásticos, puede ser utilizada como punto de partida, pero debe ser modificada para tomar en consideración los restantes factores involucrados.




D. Delimitación Conceptual.

El esfuerzo de flexión provoca tensiones de tracción y compresión, produciéndose las máximas en el cordón inferior y en el cordón superior respectivamente, las cuales se calculan relacionando el momento flector y el segundo momento de inercia.

En las zonas cercanas a los apoyos se producen esfuerzos cortantes o punzo amiento.

También pueden producirse tensiones por torsión, sobre todo en las vigas que forman el perímetro exterior de un forjado.

Estructuralmente el comportamiento de una viga se estudia mediante un modelo de prisma mecánico.

1.2.2 Definición del Problema.

El desarrollo sostenible y su aplicación a la construcción de Vigas de Concreto Armado con Refuerzo por Cortante son fundamentales hoy en día en el sector de la ingeniería civil.

Dentro de la variedad de vigas, los métodos de diseño sismo resistentes de estas son de gran importancia para mejorar la seguridad de la construcción y brindar mayor protección al cliente solicitante. En tal sentido surgió el método de diseño de Vigas de Concreto Armado con Refuerzo por Cortante.

Con lo que se lograra obtener unas vigas que soporten sismos de mediana intensidad, diferenciándose en la forma, dimensiones y dispositivos de transparencia de carga, cuya ventaja técnico económica se manifiesta. En nuestro país la utilización de las Vigas con Refuerzo por Cortante son muy pocas, se observó que la utilización de estas Vigas en la ciudad de Huancayo son escasas a consecuencia de que no existen construcciones de gran envergadura.

Ante tal situación, como un aporte al desarrollo en nuestra región Junín, se presenta este trabajo, apoyados en la literatura existente y disponible lo que refleja, consideraciones y parámetros con respecto al diseño y utilización de Vigas.

La parte fundamental de nuestro análisis, es la realización de métodos para el diseño de Vigas con Refuerzo por Cortante.




1.3 Formulación del problema.

¿Cómo diseñar una Viga de Concreto Armado con Refuerzo por Cortante?

1.3.1 Problema Principal.

El proceso de diseño que se plantea y el método de análisis que se va a utilizar son de total vigencia tanto en nuestro país como en otros países, que padecen este problema.

La idea es como se ha dicho: “Diseño de Vigas de Concreto Armado con Refuerzo por Cortante”. Frente al colapso de una infraestructura frente a la ocurrencia de un sismo que puede suceder en Junín, como por ejemplo Huancayo.

1.4 Objetivo de la Investigación.

Objetivo General.

“Diseño de una Viga de Concreto Armado con Refuerzo por Cortante, para las edificaciones en la ciudad de Huancayo”.

Objetivo Específico.

1. Desarrollar el procedimiento metodológico para el diseño de Vigas por nuestra

normativa nacional.

2. Describir la factibilidad técnica de la aplicación de los métodos de diseño de Vigas.

3. Explicar las diversas aplicaciones de un diseño de Vigas por Fuerza Cortante.

1.5 Hipótesis de la Investigación.

La importancia de la investigación radica en que con el uso de este método, se obtiene una viga con mejor comportamiento que el tradicional, frente a un sismo severo.




Ello es posible debido a la aplicación de un cálculo estructural _DISEÑO POR FUERZA CORTANTE_ que nos proporciona el área de refuerzo en cada estructura, que hará que este tipo de diseño tenga mejor comportamiento y que a pesar de que colapse una edificación la vida humana quede a salvo.

Así mismo la importancia de esta investigación, radica en que contribuirá a orientar a las familias y a la sociedad en prevención e implementación de medidas adecuadas; así como llegar a conclusiones valiosas y aportes que podrán ser tomadas en consideración por investigaciones futuras.

1.6. Viabilidad de la investigación.

1.6.1 Viabilidad técnica.

El presente trabajo permitirá complementar los conocimientos respecto a los temas básicos de un diseño de Vigas y aplicarlos en forma directa en los procesos de elaboración de las grandes estructuras en el campo de la construcción, cubriendo así uno de los temas básicos de la ingeniería civil.

1.6.2 Viabilidad operativa.

Es importante para cualquier ingeniero que desarrolle un proyecto de edificación considerar un modelo de diseño sísmico con propiedades sismo resistentes mediante la construcción de Vigas por Fuerza Cortante.




1.6.3 Viabilidad económica.

Los beneficios de obtener estos conocimientos son la optimización de costos y materiales, así como el control de insumos para su elaboración, cosa que no se hace en la práctica.

1.7. Justificación e importancia de la investigación.

Según el énfasis de los datos estudiados se basas a la descripción de las características de una técnica para estimar el diseño de vigas por cortante.

Según el tipo de diseño de la investigación es Experimental, debido a que el trabajo se basa a hechos en pleno acontecimiento, sin alterar en lo mínimo el entorno estudiado.

1.8. Tipo y Nivel de la investigación.

1.8.1 Tipo de investigación.

Descriptivo, ya que el presente trabajo contiene variables que son descritos por y los resultados obtenidos son un aporte al reconocimiento de los elementos que lo integran.

1.8.2 Nivel de investigación.

Básicamente se basa a nivel de investigación bibliográfica, ya que lo presentado constituye la búsqueda de una técnica definida y establecida, por fragmentos de diversos autores.

Con el punto de apoyo más importante se contó con el I.C.G. a partir de la cual se tiene una idea más clara de la aplicabilidad de la información.




MARCO TEORICO.

2.1. Marco Histórico.




En ingeniería y arquitectura se denomina viga a un elemento estructural lineal que trabaja principalmente a flexión. En las vigas, la longitud predomina sobre las otras dos dimensiones y suele ser horizontal.

El esfuerzo de flexión provoca tensiones de tracción y compresión, produciéndose las máximas en el cordón inferior y en el cordón superior respectivamente, las cuales se calculan relacionando el momento flector y el segundo momento de inercia. En las zonas cercanas a los apoyos se producen esfuerzos cortantes o punzonamiento.

También pueden producirse tensiones por torsión, sobre todo en las vigas que forman el perímetro exterior de un forjado. Estructuralmente el comportamiento de una viga se estudia mediante procesos diferentes de diseño.

2.2. Marco Conceptual.

LOS ESFUERZOS CORTANTES

Las fuerzas cortantes transversales externas V, que actúan sobre los elementos estructurales, deben ser resistidas por esfuerzos cortantes internos τ, igualmente transversales, pero que por equilibrio también generan cortantes horizontales como se observa en la siguiente figura.

La Resistencia de Materiales permite definir las ecuaciones que describen la variabilidad del flujo de cortante, y de los esfuerzos cortantes internos τ, en función de la altura a la que se miden tales esfuerzos, para materiales homogéneos, isotrópicos y elásticos.

En el caso del concreto armado, el ACI 2006 y el Código Nacional de la Construcción 2001 se optaron por manejar un esfuerzo cortante referencial o característico promedio v, lo que facilita la inclusión de los diferentes parámetros que influyen en la resistencia al cortante.




Para el caso de secciones rectangulares, secciones T, secciones L, y secciones I, el ACI y el CEC establecen como esfuerzo cortante característico, antes de afectarse con otros factores, al obtenido mediante la siguiente expresión:

Dónde:v: esfuerzo cortante referencial promedioV: fuerza cortantebw: ancho del alma resistente al cortanted: distancia desde el centroide del acero de refuerzo hasta la fibra extrema en compresión

Secciones rectangular, Fuerzas cortantes y esfuerzos de corte.

En geometrías rectangulares el esfuerzo característico es el esfuerzo promedio de la sección efectiva, mientras que en secciones T, L e I, es el esfuerzo promedio en el alma.

LA RESISTENCIA A CORTANTE EN VIGAS.

La combinación de la flexión y el cortante sobre los elementos estructurales plano genera un estado biaxial de esfuerzos.




Líneas de esfuerzos principales en vigas con cargas uniformemente distribuidas.

Si se toma como referencia a la viga de la figura anterior, se produce un estado tensional con flujo de compresiones desde el un apoyo hacia el otro apoyo, a modo de arco.

Flujo de compresiones.

En la dirección perpendicular al flujo de esfuerzos de compresión se produce un flujo de tracciones, que es crítico en el caso del hormigón.

Flujo de tracciones.




En la estructura analizada, la fisuración de tracción por flexión domina en la zona central, mientras que la fisuración de tracción por cortante domina la zona cercana a los apoyos.

Mapa de figuraciones.

El esfuerzo mínimo resistente a corte del hormigón simple se calcula mediante la siguiente expresión básica [ACI 11.3.2], que por su forma de expresión guarda una relación directa con la resistencia a la tracción del hormigón:




Dónde:

f´c: resistencia característica del hormigón a compresión en Kg/cm2Vc: esfuerzo máximo resistente a cortante del hormigón en Kg/cm2

A continuación se presenta una tabla con los valores de resistencia mínima al cortante para los hormigones más usuales en el medio.

Resistencia al cortante de los hormigones según ACI.

DISEÑO A CORTANTE DE VIGAS.

Las vigas de hormigón armado presentan 2 mecanismos para resistir a las fuerzas cortantes:

Resistencia pura del hormigón

Resistencia del acero transversal o diagonal




Como consecuencia, la capacidad resistente nominal viene dada por la siguiente expresión [ACI 11.1.1]:

Dónde:

Vn: capacidad resistente nominal a corte de la viga de hormigón armado

Vc: capacidad resistente a corte del hormigón simple

Vs: capacidad resistente a corte del acero de refuerzo




Estribos transversales que cruzan las fisuras de cortante.

ANEXOS










FUERZA CORTANTE DE FLUENCIA EN SISTEMA APORTICADO DE CONCRETO

ARMADO.

Fuerzas cortantes

Las fuerzas cortantes transversales externas V, que actúan sobre los elementos estructurales, deben ser resistidas por esfuerzos cortantes internos t, igualmente transversales, pero que por equilibrio también generan cortantes horizontales como se observa en la siguiente figura. En una estructura, la fisuración de tracción por flexión domina en la zona Central, mientras que la figuración de tracción por cortante domina la zona cercana a los apoyos.




Fluencia

Se presenta al colocar caga en elemento de concreto, existen tres tipos de deformaciones por fluencia ᵟ1 deformacion elastica ᵟ2r deformacion plastica; ᵟ3r deformacion permanente. Estanen funcion de la permanencia de cargas.




Debido a este comportamiento ante tales esfuerzos de concreto se emplea dentro de las estructuras

Para resistir esfuerzo de comprensión y a la parte de los esfuerzo tensión o tracción es absorbida por el acero de refuerzo con que van armadas las estructuras, las principales propiedades del acero son:

a) Módulo de Young es, que es razón del esfuerzo a la deformación unitaria.b) Esfuerzo de fluencia fy, límite en el cual las deformaciones del acero dejan de ser

elásticas para ser permanentes y el acero empieza a fluir.c) Esfuerzo ultimo f w, es el punto en la deformación del acero en que falla por

completo.

1.-

Secciones criticas en sistemas aporticados :




Secciones críticas para cargas sísmicas

Envolvente usando fuerzas sísmicas reducidas

Envolvente usando fuerzas sísmicas sin reducir

2.- Modelo elástico – plástico y modelo elástico

Es el requerimiento de ductilidad

U r=δUδY

Factor de reducción por ductilidad

RD=RrDRu

Coeficiente sísmico ultimo de piso

C rU=QrU

∑I=r

N

Wj

Dónde:

QrU= fuerza cortante ultima de entrepiso

Wj = peso concentrado del piso j




3.-Criterios Para Evaluar La Ductilidad De Entrepiso

Igualdad de desplazamiento (δU=δ e)Se considera que el desplazamiento máximo considerado comportamiento elástico es igual al desplazamiento máximo bajo comportamiento inelástico.

Igualdad de energía




4.-Expresiones para estimar la capacidad ultima en flexión de secciones de concreto armado




5.-Mecanismo De Rotulas Plásticas En Nudos

6.-Tipos De Mecanismos De Rotulas Plásticas




7.-Momentos Nodales

8.-Esfuerzo En Columnas Y Muros

Una formula aproximada para hallar el momento último de una columna

MU=0.8a t f Y+0.5ND (1− NbDf ¨ c )

Donde

Mu : momento ultimo

N : carga axial

At : aria de refuerzo< axial en el lado de tensión

fy : esfuerzo de fluencia del refuerzo

D : profundidad total de la sección

f´c : resistencia del concreto

esto es asumido en todas las columnas del primer piso, las cuales colapsan en su parte superior e inferior. El esfuerzo de flexion es calculado como sigue

Qf=2M u

h0




Dónde :

Qf: esfuerzo de flexión en columnas

Mu: momento ultimo

H0: altura libre

Fórmula para hallar el esfuerzo de corte en una columna

Qu=0.05P t0.23¿¿

Donde , si M7(QD) es menor que 1, esto es igual a 1 si M/(QD) es mayor que 3, esto es igual a 3.

Qu : esfuerzo ultimo de corte

D: profundidad de la columna

b : ancho de la columna

j : 0.8D

Pt: proporción del refuerzo a tensión

Pw : proporción del refuerzo de corte

σwy : esfuerzo de fluencia del refuerzo por corte

σ0: esfuerzo axial en la columna

M/(QD): proporción de la luz de corte

9.-Método De Redistribución De Momentos Para El Cálculo De La Capacidad Ultima De Sistemas De A Porticado

1) Momento último en secciones críticas de vigas y columnas 2) Momentos nodales 3) Mecanismo de rotulas plásticas

4) Redistribución de momentos nodales




5) Fuerza cortante ultima de columnas

6) Fuerza cortante ultima de entrepiso y coeficiente sísmico ultimo de piso

10.-Método Del Trabajo Virtual Para El Cálculo De La Capacidad Ultima De Sistemas Aporticados

1),2),3) igual al método de redistribución de momentos

4) asumir distribución de fuerzas sísmicas laterales

Los valores de α1 son sumidos, por lo tanto son conocidos




5) capacidad última considerando igualdad de trabajo exterior del sistema




6) Fuerzas laterales ultimas, fuerzas cortantes ultimas y coeficiente sísmico ultimo de piso Pi = αiP

C iu=Qiu

∑j=r

n

Wj

Q

IU

=∑j=1

n

Pi

11.-Casos Particulares De Distribución De Fuerzas Laterales

i) Distribución “triangular inversa” (Pi=iP)

ii) Distribución “uniforme” (Pi = Pi)


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