CAPITULO I Concreto Armado Principios

Concreto Armado

Ing. Francisco Serrano CAPITULO I

PRINCIPIOS GENERALES DEL CONCRETO ARMADO INTRODUCCIÓN El concreto armado llamado también concreto reforzado u hormigón, es un material estructural de considerable resistencia, adecuada versatilidad y relativo bajo costo. El concreto armado esta formado por materiales de fácil adquisición y que producto de la adecuada combinación de los elementos que lo conforman (concreto y acero), resiste de manera adecuada, prácticamente todo tipo de solicitaciones. En el presente texto se analizaran las propiedades físicas como son la resistencia a la compresión, módulo de elasticidad, trazado de curvas esfuerzo-deformación y otras, tanto para el concreto como para el acero; para visualizar luego en primer término como se usan estos parámetros en el análisis y diseño de los diferentes elementos estructurales y en segundo término para entender las ventajas en el uso de este material para el diseño de edificaciones, puentes, estructuras contenedoras y otras. A. PROPIEDADES FÍSICAS DEL CONCRETO Para determinar las propiedades físicas del concreto es conveniente trazar la curva esfuerzo-deformación del material y a partir de dicho diagrama se pueden analizar diversas propiedades. En el gráfico siguiente se muestra la curva esfuerzodeformación de los tipos de concreto más utilizados en nuestro medio.

f ’c (K g /c m 2 ) 350

300

280 210

200

1 4 0 -17 5

100

0 .0 0 1

0 .0 0 2

0 .0 0 3

0 .0 0 4

Del gráfico anterior se pueden deducir algunos conceptos, como son los siguientes: 1.

La resistencia a la compresión del concreto dependiendo de la dosificación de sus materiales componentes, puede ser muy variable, desde resistencias bastante bajas de 100 kg/cm 2 hasta resistencias considerables de 700 kg/cm 2, sin embargo las resistencias más usuales son las que se muestran en el gráfico anterior y su uso es tal como se muestra en el cuadro siguiente: f’c ( kg/cm2) 140 - 175 210 – 280 350 - 420

2.

Denominación Concreto Ciclópeo Concreto Armado Concreto Pre-esforzado

Uso Elementos de arriostre o confinamiento Elementos de mediana resistencia Elementos de alta resistencia

La curvas de esfuerzo-deformación para los diferentes tipos de concreto son aproximadamente rectas, por lo tanto con un comportamiento elástico entre un tercio y un medio de su resistencia a la compresión (F’c) y es por lo tanto un rango en el que se calcula el módulo de elasticidad del material aplicando los principios básicos de la resistencia de los materiales.

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Independientemente de la resistencia a compresión del concreto, todos ellos alcanzan su máxima resistencia a una deformación unitaria aproximada de 2%. Como el concreto tiene un rango de fluencia, aunque limitado, la deformación unitaria a considerar para el diseño y la que acepta la norma es de 3% como se aprecia en el gráfico anterior. Este valor será el que consiguientemente utilicemos en los cálculos de los capítulos siguientes: Se aprecia también de las curvas, que cuanto mayor es la resistencia a la compresión del concreto, es menor su

εc

5.

=0.003

capacidad de deformación, aspecto que es importante tener en cuenta para el diseño correspondiente de acuerdo a la s estructuras a calcular. Finalmente es de destacar que a nivel de pruebas de laboratorio existe similitud entre las curvas esfuerzodeformación de briquetas sometidas a compresión simple y las de una viga de concreto armado sujeta a flexión.

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DEL CONCRETO (f’c) Para calcular la resistencia a la compresión del concreto, la Norma ASTM indica trabajar con especimenes de concreto de forma cilíndrica de 6” de diámetro por 12” de altura. La resistencia a la compresión del concreto vendrá dada por la resistencia que se obtenga a los 28 días de elaborar la muestra, tal como lo indica la Norma ASTM C-39. Es de destacar que cuando se busca una determinada resistencia del concreto, la Norma que debe realizarse el promedio de todas las tandas de ensayos con un mínimo de 3 especímenes por tanda, debiendo el concreto acceder en promedio la resistencia buscada y además en ningún caso el valor del espécimen será menor que 35 kg/cm 2 a la resistencia solicitada. También se tiene que decir que para estandarizar los concretos las Normas tanto peruanas cono americanas indican que los concretos varían cada 70 kg/cm 2 y es así que los concretos más utilizados son de 210 kg/cm 2, 280 kg/cm2, 350 kg/cm2, 420 kg/cm2. Finalmente hay que decir que en nuestro medio normalmente se considera la resistencia a la compresión del concreto, así como otros parámetros en el sistema sexagesimal vale decir en kg/cm 2, sin embargo la bibliografía moderna indica la necesidad de trabajar estos parámetros en el Sistema Internacional, que para el caso de la resistencia del concreto sería en MPa. Así mismo la Norma Americana en que esta basada nuestro código utiliza el Sistema Inglés, por lo tanto será conveniente conocer la relación entre estos 3 sistemas tal como se muestra en el gráfico siguiente: Kg/cm2 * 0.07 210

PSI 3000

MPa * 0.0981 20.601

MODULO DE ELASTICIDAD DEL CONCRETO Para calcular el módulo de elasticidad del concreto se puede calcular éste utilizando fórmulas de la resistencia de materiales o en base a ensayos de laboratorio. En el caso de que utilizaremos ensayos de laboratorio, es conveniente recordar la Ley de Hooke.

σ = E.ε σ = Tan θ ε E = Tan θ

R a n g o e lá s tic o d e l m a te r ia l θ

Las fórmulas anteriores funcionarían perfectamente si la curva esfuerzo deformación fuera exactamente una línea recta, sin embargo como esta curva es sólo aproximadamente recta en su inicio para garantizar valores más cercanos a lo real la Norma da tres alternativas que se muestran en los gráficos siguientes:

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E c . (3 ) E c . (2 ) 5 0 % f ’c a 3 0 % f ’c

50%

E c . (1 ) M o d u lo In ic ia l (a)

M o d u lo T a n g e n c ia l (b )

M o d u lo S e c a n te ( c )

Referente a cual de los 3 modelos utilizar, esto depende de la forma en que se realizó el ensayo y de la mayor o menor confiabilidad de los resultados obtenidos de las diferentes etapas del ensayo. En el caso de no ser factible realizar ensayos de laboratorio, la Norma da los siguientes valores aproximados para el módulo de elasticidad. NORMA

15000 f ' c (k g /cm 2 ) ( 9.4.2 )

E - 60

ACI-95

15000 f ' c (k g /cm 2 )  57000 f ' c ( `p.s.i)  ( S .I .)  4730 f ' c (MPa )

La Norma americana incluso considera la calidad del agregado para el módulo de elasticidad del concreto tal como se muestra en las fórmulas siguientes

EC = 33(WC )1.5 EC = 0.14(WC )1.5

f' c f' c

90 < W < 155

lb/ft 3

14440 < W < 2480

k g /m 3

Donde: Wc = Peso volumétrico del agregado MODULODE POISSON (µ ) El módulo de Poisson relaciona las deformaciones longitudinales de un elemento de concreto que son sumamente importantes para el diseño con las deformaciones transversales que si bien no son de tanta importancia, con su uso a través de programas de cálculo se pueden lograr valores más exactos para el diseño. El módulo de Poisson en el concreto varía desde valores de 0.11 en concretos de alta resistencia, hasta valores de 0.21 en concretos de baja resistencia, siendo un valor promedio aceptable de 0.16. MODULO DE RUPTURA DEL CONCRETO (Fr)

= µεL µc = 0.16

.ε T

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En realidad el parámetro que más nos interesa conocer es la resistencia a tracción del concreto, sin embargo su cálculo es dificultoso en laboratorio y resulta más fácil hallar el módulo de ruptura a la flexión del concreto que nos da valore similares a la resistencia a tracción con un cierto factor de seguridad. La resistencia a tracción del concreto, si bien no se considera para el diseño de elementos de concreto armado en flexión o corte, es importante para algunos problemas en vigas y losas como es el cálculo de agrietamientos y deflexiones. La Norma da los siguientes valores para el cálculo del módulo de ruptura:

E - 60 ACI-95

fr = 2 f'c (k g /cm2 ) ( 10.4.2.3 )  7.5 f ' c < fr < 2 f ' c  1.17 f ' c

(psi)

Para calcular el módulo de ruptura del concreto en laboratorio se utiliza la prueba ASTM C-78, que consiste en utilizar una viga simplemente apoyada de sección cuadrada de 6” de lado, sometida a la acción de cargas puntuales en su tercio central, tal como se muestra en el gráfico siguiente:

P

P

a L /3 P

L /3

L /3

y a

P

M M PL / 3 = = 4 a / 12 S I /Y a/2 2 PL fr = 3 a fr =

V P

P

M

RESISTENCIA A LA TRACCION DEL CONCRETO (ft) La resistencia a la tensión del concreto es bastante baja en comparación con la resistencia a tracción del acero y es por eso que en la practica y en los cálculos no se considera el aporte de concreto en tensión, de todas maneras es bueno cuantificar este valor pues nos da el margen de seguridad que tiene el refuerzo en tensión y además nos permite cuantificar valores de diseño, en los chequeos de deflexiones y agrietamientos para los diferentes elementos del concreto armado. La norma de los siguientes valores tentativos para la resistencia del concreto a tensión. E – 60

f t =0.85 f ´c

ACI

f t = 7.4

f ´c

( kg / cm 2 ) ( P.S.I.)

En caso de querer obtener los valores en laboratorio, la prueba a utilizar es mas compleja que la utilizada para calcular el módulo de ruptura del concreto. Esta prueba es la ASTM – C-496 y es denominada ensayo brasilero ya que fue

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elaborada en Brasil por Lobo – Carneiro también en 1948, aún sigue siendo la mas usada en la actualidad, sus características se muestran en el gráfico siguiente:

P

P ft =

d

2P

( πd ) L

ftb

ftb

L P

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RESISTENCIA AL CORTE DEL CONCRETO La resistencia al corte del concreto es difícil cuantificar, en primer termino porque los esfuerzos de corte no actúan aisladamente, sino asociadas a otro tipo de solicitaciones, tal es el caso del corte debido a la flexión o el corte debido al punzonamiento, etc. Además por que sus valores son muy variables, pudiendo fluctuar entre 30 al 80% de la resistencia a la compresión del mismo material. Es por esta razón que el valor de la resistencia al corte en el concreto se analizara independientemente de acuerdo al tipo de elemento estructural. B. PROPIEDADES DEL ACERO DE REFUERZO Previamente a analizar las diferentes propiedades mecánicas del acero de refuerzo y trazar la curva de esfuerzo deformación correspondiente, indicaremos las diferentes características Del acero grado 60 con un límite de fluencia fy = 4200 kg/cm2, que básicamente se fabrica en el Perú tanto por aceros Arequipa como Sider-Perú. Las características se muestran en el cuadro siguiente: Barra Nro

Φ pulg

Φ mm

Peso ( kg / m )

2 3 4 5 6 8 10 11 12

1/4 3/8 ½ 5/8 ¾ 1 1¼ 1 3/8 1½

6.4 9.5 12.7 15.9 19.0 25.4 31.8 34.9 38.1

0.248 0.559 0.993 1.552 2.235 3.973 6.207 7.511 8.938

(

Area cm 2 0.32 0.71 1.27 1.98 2.85 5.07 7.92 9.58 11.40

)

Perímetro(cm) 1.99 2.98 3.99 5.00 6.00 7.98 9.99 10.96 11.97

TRAZADO DE LA CURVA ESFUERZO DEFORMACION DEL ACERO La curva esfuerzo – deformación típica del acero estructural es como se muestra en el gráfico siguiente:

Zona de E n d u r e c im ie n to

Zona de F lu e n c ia Zona E la s tic a

El acero tiene un comportamiento en su zona inicial perfectamente elástico, lo que en la curva esfuerzo deformación está representada por el tramo AB, en esta zona por tanto se cumplen las hipótesis de la resistencia de materiales y es también en esta zona que se calcula el módulo de elasticidad del acero posteriormente a la zona elástica viene una zona de fluencia que en la curva anterior esta representada por el tramo BC en esta zona sin que se incrementen los esfuerzos, el material puede continuar absorbiendo deformaciones, lo cual se traduce en que es el acero el que brinda ductilidad a las estructuras de CºAº, en esta zona se calcula la resistencia a la tracción para el diseño del acero, en lo que denomina límite de fluencia y que para el caso del acero grado 60 es Fsy = fy = 4200 kg/cm2

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Posteriormente a la fluencia del material hay una recuperación en la resistencia del material en lo que se denomina zona de endurecimiento y que en la curva se representa por el tramo CD, en esta zona se calcula la resistencia del material en el método de diseño al límite, método que no es materia de estudio en el presente caso. En esta zona se calcula también la deformación admisible del acero que para el material grado 60 o utilizado en nuestro medio es: Esu = 0.002 Finalmente pasa la zona de endurecimiento se presenta la zona de falla del material hasta que se llega al colapso. Para calcular el módulo de elasticidad del acero, como el material es perfecto elástico no se requiere de ensayos de laboratorio pues los valores son estándar, teniéndose tan solo las siguientes fórmulas que dan las normas E – 60  Es = 2 x 106 (kg/cm2) ACI – 95 

Es = 2.1 x 106 (kg/cm2) Es = 2’039.000 (kg/cm2)

RESISTENCIA A LA TRACCION DEL ACERO La resistencia en los aceros varía de acuerdo al tipo de acero y su forma de fabricación . Es de destacar que el acero grado 40 se utilizó en todos los medios hasta la década de los 60’ con la ventaja de ser un acero muy dúctil, sin embargo tener menos resistencia los diseños con este tipo de acero resultaban costosos y actualmente esta en desuso. Las características del acero grado 40 son las siguientes: R diseño  fr = 2800 kg/cm2 (40000 psi) R último  fsu = 4900 kg/cm2 (7000 psi) => grado 40

Eu = 0.0033

En la actualidad se utiliza el acero grado 60 que tiene las siguientes características: R diseño  fr = 4200 kg/cm2 (60000 psi) R último  fsa = 5600 kg/cm2 (80000 psi)  grado 60

Eu 0.02

Salvo se indique lo contrario durante el desarrollo del curso se utilizarán estos valores también problemas de análisis y diseño de elementos de CºAº, debiendo destacarse que el esfuerzo a destacar en el acero es de fluencia, vale decir fr = 4200 kg/cm2. Del gráfico anterior también se aprecia que hay aceros laminados en caliente con resistencias mayores con fr=6300 kg/cm2, una gran capacidad de absorber deformaciones, así mismo mediante el proceso ç de torcido en frío se logran resistencias mayores con fr = 10000 kg/cm 2, sin embargo la capacidad de deformación de estos aceros se reduce considerablemente. COMPATIBLIDAD ENTRE EL CONCRETO Y EL ACERO Una de las grandes ventajas del Concreto Armado como material estructural es la compatibilidad existente entre sus materiales componentes, vale decir, que el concreto y acero, lo cual hace que trabajando conjuntamente resulte un material resistente, ante casi todo tipo de solicitaciones con gran versatilidad y bajo costo. Entre los principales factores de compatibilidad entre concreto y acero tenemos: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

La baja resistencia del concreto a la tensión es superado con la gran resistencia que tiene el acero ante este tipo de solicitaciones. La dificultad del acero a resistir comprensión por pandeo, es superado por la alta resistencia a la comprensión del concreto circundante a las varillas de refuerzo. Es una adherencia físico-química entre ambos materiales bastante alta, lo cual puede ser mejorada mecánicamente con el corrugado de varillas de acero. Los posibles fenómenos de corrosión y/o intemperismo que puede sufrir el acero de refuerzo son superados con recubrimientos adecuados de concreto. El concreto actúa como aislante térmico, protegiendo el acero de refuerzo de altas temperatura e incluso del fuego mediante el uso de recubrimiento adecuado. Finalmente ambos materiales tienen coeficientes de dilatación similares, lo cual hace que ante esfuerzos de dilatación o contracción ambos materiales trabajen monolíticamente.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL CONCRETO ARMADO

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El concreto armado es en nuestros días un material estructural sumamente utilizado, especialmente en Latinoamérica, también realizan edificaciones de pequeña a mediana altura, sino prácticamente todo tipo de estructuras como es el caso de puentes, pavimentos, cimentaciones, estructuras contenedoras de líquidos, muros de contención, etc. este uso tan versátil del concreto armado es debido a que ofrece una serie de ventajas, tales como: 1. 2. 3. 4. 5.

6. 7. 8. 9. 10.

Debido a la consistencia inicial del concreto en forma pastosa o coloidal es factible dependiendo de las formas y encofrados, logros una deficiente gama de formas, como es el caso de voladizos, vigas, curvas, etc. El concreto armado es un material altamente resistente, por lo tanto el concreto soporta básicamente las compresiones y el acero las tracciones. El concreto es relativamente de bajo costo para estructuras de mediana a gran importancia donde comparando las ventajas estructurales del material vs. costos realizados, resulta una solución normalmente económica. El concreto armado con cubrimientos adecuados soporta casi todo tipo de solicitaciones exteriores (intemperismo, humedad, calor excesivo, fuego de mediana intensidad). Así mismo con aditivos resulta impermeable (hidráulico). El concreto es un material muy duradero y bajo condiciones apropiadas de cargas las estructuras de concreto pueden ser usadas por tiempos indefinidos. Hay que destacar que por el fenómeno de flujo plástico del concreto o CREEP, el concreto puede aumentar su resistencia a través del tiempo en un periodo de meses, incluso años, lo cual hace que se diferencie de otras estructuras, la resistencia del concreto mejora con el tiempo. Como consecuencia de la durabilidad del concreto, vista en el acápite anterior se puede concluir que las estructuras de concreto son de bajo costo de mantenimiento. Las estructuras de concreto armado son prácticamente la única solución de bajo costo para resolver problemas de cimentaciones, es así que estructuras de madera, acero, albañilería, etc., siempre usan concreto armado. Los materiales que conforman el concreto salvo el cemento son de fácil adquisición y pueden encontrarse hasta en lugares apartados. En la realización de edificaciones de obras convencionales de concreto armado, no se requiere mayormente mano de obra calificada. Otra gran ventaja de las estructuras de concreto armado es la continuidad en las uniones de elementos estructurales, continuidad que no ocurre en otros elementos estructurales como el acero y la madera.

Como se puede apreciar el concreto armado tiene una serie de ventajas como material estructural, tanto en resistencia como durabilidad, versatilidad y bajo costo, sin embargo el concreto también tiene serias limitaciones en cuanto a su uso, entre las principales tenemos las siguientes: 1.

2. 3. 4. 5.

Condición inicial pastosa o coloidal del concreto que definimos como una ventaja también lograr estructuras de diferentes formas, resulta una desventaja en cuanto a que el concreto demora en alcanzar su máxima resistencia y no puede ser sometida a la acción de cargas durante ese periodo, lo cual conlleva a mayor tiempo en la ejecución de obras y consecuentemente mayores costos. El hecho de que el concreto armado esté compuesto por una diversidad de materiales hace que el comportamiento del conjunto no sea del todo homogéneo y si no se realiza un vaciado y vibrado adecuado, en un mismo elemento estructural pueden presentarse diferentes propiedades mecánicas del material. El concreto tiene poca resistencia por unidad de peso, lo cual hace que para luces considerables se logran estructuras muy pesadas que llegan a ser críticos incluso por peso propio. E concreto tiene poca resistencia por unidad de volumen lo cual hace que para edificar con alturas considerables se logren secciones excesivas que sean problemas especialmente de tipo arquitectónico. Finalmente el concreto tiene 2 limitaciones ligadas a sus propiedades físico químicas como: contracción del concreto y el flujo plástico o crítico. El fenómeno de contracción del concreto es que al perder volumen de agua al fraguar el concreto este se contrae y consecuentemente produce el fisuramiento de la estructura, esto se evita en obra con adecuado curado de la mezcla, en cuanto al fenómeno de flujo plástico se refiere a deformaciones adicionales en el concreto ante la acción de cargas sostenidas.

ANTECEDENTES HISTORICOS EN EL USO DEL CONCRETO ARMADO El concreto fue utilizado en forma empírica desde tiempos muy antiguo y es así que los romanos utilizaron una especie de cemento llamado puzolana, tiempos antes de la era cristiana, para cuyo efecto utilizaban material de suelo limoso y roca volcánica del monte Vesubio, sin embargo la utilización del cemento y posteriormente el concreto datan de fines del siglo XVIII y principios del siglo XIX, es así que en 1796 se descubre roca natural de cemento en Inglaterra en lo que denominaron cemento romano, simultáneamente e hace una serie de descubrimientos de depósitos naturales de roca cemento tanto en América como en Europa.

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En 1801 Carguet pública una separata con respecto al material concreto (cemento y agregados), reconociendo la debilidad de este material a esfuerzos de tensión. En 1824 Joseph Apdsin experimenta y patenta el cemento Portland cuyo nombre se deriva de su color similar al de las piedras existentes en la isla de Portland – Inglaterra, el cemento por el patentado fue utilizado primeramente en estucos. En 1850 Joseph Lambot hizo la primera estructura de concreto que resultó siendo un bote. El cemento no es patentado en U.S.A hasta 1870. En 186 el Francés Joseph Monies, analiza la ventaja del concreto como material estructural y utiliza este material en tubos y reservorios. Hasta esta etapa el concreto es empleado más como una curiosidad estructural y no hay un desarrollo industrializado del concreto ni tratados sobre su aplicación como elemento estructural. Es a partir de 1870 en que empieza a trabajarse en forma más detallada e industrial el concreto y es así que en 875 William Wasd, de origen americano construye el primer edificio de concreto armado en New York y presenta su trabajo curiosamente ante la ASME. En 1886 Koening publica el primer manuscrito sobre teoría y diseño de estructuras de concreto armado y paralelamente también impulsa su uso en la realización de edificaciones de concreto armado. En 1887 otro americano, Thaddeus Hijatt introduce la idea de corrugar el acero para lograr una mejor adherencia entre el concreto y el acero, esta idea es mejorada, superada y patentada por E. Ransome quien en 1888 obtiene la patente del empleo de barras corrugadas retorcidas en frío (una vuelta por c/12 de longitud). En 1910 aparecen los primeros reglamentos para diseño de estructuras de concreto armado, siendo los primeros reglamentos el alemán, austriaco, británico y americano. Es a partir también de principios del siglo XX que se empieza una construcción masiva de edificios en concreto armado y se introduce nuevos conceptos. Al desarrollarse una serie de edificaciones en concreto armado, empieza el problema de grandes luces y alturas considerables, lo que hace que en 1920 aparezca el concepto de concreto pre-esforzado, así como el primer texto sobre concreto armado publicado por Thompson y Smulky. En la década de los 50’ al 50’, se utiliza en USA y Europa el concreto armado como el principal material estructural para edificaciones, es en esta etapa que se construye el auditorio de Boston, las torres de New York, el Empire State, etc. En estos días los mayores avances que se realizan en la aplicación del concreto armado como material estructural son el logro resistencias más altas tanto en el concreto como en el acero y es así que para el concreto se han logrado resistencias de hasta 140 MPa = 1427 kg/cm 2 y aceros con resistencias de hasta 700 MPa y el procesos especiales de postergado hasta 2000 MPa. Finalmente hay que destacar que en la actualidad el concreto armado sigue siendo el material estructural más utilizado para edificaciones de mediana importancia sobre todo en Latinoamérica donde el concreto armado por su alta resistencia y relativo bajo costo resulta la solución de mayor aplicación en edificaciones, puentes pavimentos, estructuras contenedoras, etc. ANALISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS Análisis de estructuras es el problema en que conocidas las dimensiones y el refuerzo de un determinado elemento estructural se desea conocer las solicitaciones que puede soportar dicho elemento. Este problema llamado algo de recálculo o verificación es el que más se presenta pero es aplicable si se desean de ampliaciones y/o refacciones o determinar el estado de una estructura resistente. En cuanto al problema de diseño de estructuras es aquel en que conocidas las solicitaciones (momentos, cortes y cargas axiales), que soportan la estructura se desea calcular las dimensiones y/o refuerzo del elemento estructural. Este problema llamado tambien de dimensionamiento se refiere a edificaciones nuevas y es el problema que más se presenta en la práctica y es también el que daremos más énfasis en el presente curso y es el que desarrollaremos en el trabajo práctico a realizarse en el curso. FILOSOFIA DEL DISEÑO La filosofía del diseño es el reconocimiento de los objetivos que buscamos en la ejecución de una determinada obra y su compatibilizad de los recursos que disponemos tanto en el aspecto técnico como económico. Este problema, es bastante complejo y nos lleva a la conclusión de que no hay una solución estructural única o perfecta, sino que hay soluciones más adecuadas que otras. El objetivo del diseño de edificaciones en el presente caso es lograr que la estructura ante

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cargas normales o pequeños sismos no sufra ningún daño aunque pueda tener faltas leves en los elementos no estructurales y que ante sismos severos no llegue a colapsar la estructura no ponga en peligro la vida de sus ocupantes también lograr estos objetivos el ingeniero estructural además de realizar cálculos adecuados deberá buscar que se cumpla con los siguientes parámetros: 1. 2. 3. 4.

Seguridad Economía Función Estética

ETAPAS DEL DISEÑO 1. Idealización De La Estructura Y Criterios De Estructuración Esta etapa es bastante importante que de su adecuada implementación dependerá de que el diseño estructural resulte adecuado o no. La primera parte de idealización de la estructura consiste en transformar el modelo real en un modelo matemático o físico que en forma bastante simple trate de representar las características de la estructura real sin perder las condiciones reales de diseño. En cuanto a la segunda parte de criterios de estructuración se refiere a una serie de consideraciones de orden práctico como son simetría, ductilidad, esbeltez de elementos, etc. que permitan que el diseño sea adecuadamente seguro y económico, estos criterios de estructuración se detallarán en el desarrollo del trabajo práctico. 2. Predimensionamiento De Los Elementos Estructurales En esta etapa se dan dimensiones preliminares a los diferentes elementos estructurales. Este predimensionamiento se basa en criterios prácticos y simples que nos permiten tener una idea adecuada de la sección a utilizar en concreto elemento estructural. En teoría se puede en la etapa de diseño calcular paralelamente las dimensiones y el refuerzo del elemento, sin embargo, si no hay la experiencia adecuada pueden tomarse dimensiones tales que en la etapa de diseño del refuerzo resulten soluciones antieconómicas y/o riesgosas (falla frágil de los elementos y que podrían al final llevarnos a una corrección total del diseño, en cambio si hay un predimensionamiento previo de elementos estructurales casi nula la posibilidad de tener que rediseñar la estructura. 3. Metrado De Cargas En esta etapa debe clasificarse las cargas que actúan sobre la estructura tanto las de tipos vertical (carga permanente y sobrecarga) así como las cargas horizontales (viento y sismo). Hay que destacar que el metrado de cargas verticales será por pórticos y el de cargas horizontales por pisos para toda la edificación. El detallado de cómo realizar metrados se hará también en el desarrollo del trabajo práctico. 4. Determinación De Las Solicitaciones Interiores Las cargas conocidas tanto horizontales como verticales que actúan sobre la estructura en esta etapa se desea determinar las solicitaciones que se producen al interior de los diferentes elementos estructurales, vale decirla determinación de los momentos. Cortes y cargas axiales, tanto por cargas verticales o por cargas horizontales. Es de destacar que el análisis de las solicitaciones interiores por cargas verticales se hará separadamente uno para la carga permanente y otro para las diferentes posiciones de sobrecarga, en el presente curso el análisis estático por cargas verticales se hará en el programa “pórticos”, en cuanto al análisis por cargas horizontales, se realizará utilizando el programa “edifick” que no es otra cosa que la sistematización del método de muto determinados los momentos cortes, cargas axiales tanto cargas permanentes, sobrecargas y sismo se procede al cálculo de las envolventes finales en cuyo efecto se utilizará los coeficientes que da la norma E-60. 5. Diseño De Los Elementos Estructurales Conocidos las solicitaciones interiores sobre los diferentes elementos estructurales (vigas, columnas, losas, etc.), se procede al diseño de estos elementos, vale decir a la comprobación de las secciones asumidas en la etapa de predimensionamiento y al cálculo de refuerzo de acero. Es de destacar el cálculo de las áreas de acero, tanto a nivel de refuerzo por flexión como el cálculo de los estribos por corte y/o torsión es el punto clave del curso de concreto armado, siendo las etapas anteriores pasos previos que dependen del análisis estructural y sísmico.

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6. Fraccionamiento De Los Planos, Memorias Descriptivas Y Especificaciones Técnicas. En esta etapa lo que es busca es que todos los cálculos realizados se plasmen en documentos que permitan que la persona que ejecute la obra tenga una idea precisa de cómo realizar los diseños planteados. Estos documentos son básicamente los planos de todas las estructuras realizadas complementados con las memorias descriptivas y especificaciones técnicas que detallan los aspectos no contemplados en los planos. En la actualidad debe analizarse además la hoja de cálculos que detallen la metodología y operaciones realizadas, así como la norma y fórmulas aplicadas. METODOS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL Existe básicamente 3 métodos para el diseño de estructuras de concreto armado y son los siguientes: 1. METODO DE CARGAS DE TRABAJO Este método acepta un comportamiento totalmente elástico del concreto y su metodología consiste en determinar los esfuerzos correspondientes a acciones interiores obtenidas de un análisis elástico bajo supuesta cargas de servicio luego esto esfuerzos se comportan que esfuerzos permisibles específicos como un porcentaje de las resistencias tanto del concreto como del acero. Los porcentajes usados en este método son: fc = 0.45 f’c fs = 0.60 fy Este método es bastante conservador pues sólo utiliza un F.S. no todo tipo de elementos estructurales y paso todo tipo de solicitaciones. Este método fue empleado hasta los 60’, y es el método que utilizaba la anterior norma peruana de diseño en concreto armado así como los reglamentos americanos hasta 1963. 2. METODO DE RESISTENCIA ULTIMA En este método se asume también un comportamiento elástico del concreto con ciertas hipótesis de diseño se trata de analizar el comportamiento inelástico del concreto en la zona cercana a la falla, se introduce además factores de reducción de acuerdo al tipo de solicitaciones inferiores que soporta el material y factores de amplificación de acuerdo al tipo de cargas exteriores sobre la estructura, con lo que se supera el concepto de seguridad único que utilizaba el método de cargas de trabajo. Con esto se logran estructuras más económicas e un orden del 4 – 5% con respecto al método de cargas de trabajo. Este método es usado en la actualidad y es el único método que plantea la Norma Peruana E-60. Mientras en el Reglamento Americano es un método alternativo, considerándose también en esta norma el método del diseño al límite. 3. METODO DEL DISEÑO AL LIMITE. En este método se considera el comportamiento inelástico del concreto lo cual implica que es un problema de 2do orden y conlleva la aplicación de derivadas policiales en 2do grado su solución, este método al plantear un diseño con los valores límites de resistencia del concreto y del acceso en teoría resultaría más exacto y económicos sin embargo estructuras diseñadas por este método sufriesen serio daño estructural en los terremotos de 1986 (México) y 1992 (Los Angeles) lo cual ha hecho que el referido método este en revisión a nivel de modelos experimentales. La Norma Americana si bien da más énfasis al método de resistencia última, acepta como método alternativo el del diseño al límite. NORMAS Y REGLAMENTOS Para el desarrollo del presente curso en el diseño de los diferentes elementos estructurales, utilizaremos la Norma Peruana de diseño en concreto armado E-60 aprobada por el “ININVE”, también en marzo de 1989 y en actual vigencia, así mismo utilizaremos como referencia el Código Americano ACI-83 en que está basado todo reglamento. En algunos casos se hará el análisis de las modificaciones y/o avances realizados en la última Norma Americana, vale decir el ACI – 95.

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