METODOS DE DISEÑO CONCRETO ARMADO

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INTRODUCCION

Para proyectar una estructura de concreto armado se debe tener un claro conocimiento de las formas de diseño que aseguren un comportamiento satisfactorio del material. Para que una estructura cumpla sus propósitos debe ser segura contra el colapso y funcional en condiciones de servicio. La funcionalidad requiere que las deflexiones sean pequeñas, que las fisuras, si existen, se mantengan en límites tolerables, que las vibraciones se minimicen, etc. La seguridad requiere requiere que la resistencia de la estructura sea la adecuada para todas las cargas que puedan llegar a actuar sobre ella. Si la resistencia de la estructura, construida tal como se diseñó, pudiera predecirse en forma precisa, y si las cargas y sus efectos internos (momentos, cortantes, fuerzas axiales) se conocieran con precisión, la seguridad podría garantizarse proporcionando una capacidad portante ligeramente superior a la que se requiere para las cargas conocidas. Sin embargo, existen diversas fuentes de incertidumbre en el análisis, diseño y construcción de estructuras de concreto reforzadas. Estas fuentes de incertidumbre, que requieren un margen de seguridad definido, pueden enumerarse como sigue: 1. Las cargas reales pueden diferir de las supuestas. 2. Las cargas reales pueden estar distribuidas de manera diferente a la supuesta. 3. Las suposiciones y simplificaciones inherentes a cualquier análisis

pueden resultar en

efectos calculados, momentos, cortantes, etc., diferentes de aquellos que de hecho actúan sobre la estructur estructura. a. 4. El comportamiento estructural real puede diferir del supuesto, debido a las limitaciones del conocimiento. 5.

Las dimensiones reales de los elementos pueden diferir de aquellas especificadas.

6.

El refuerzo puede no estar en la posición definida.

7. Las resistencias reales de los materiales pueden diferir de aquellas especificadas. Debe darse atención a la naturaleza de la falla en caso de que ocurra. Una falla gradual, que dé aviso suficiente y que permita tomar medidas remediales es preferible a un colapso súbito e inesperado. Es evidente que la selección de un margen de seguridad apropiado no es un asunto simple. Sin embargo, se han hecho progresos hacia disposiciones de seguridad más racionales en los códigos de diseño de manera que se ha evolucionado de un método que considera sólo comportamientoo elástico al método de resistencia última considerando el rango inelástico comportamient y la ductilidad del material. Bach. Christian Oscar Castillo Lapa

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1. METODOS DE DISEÑO

Existen básicamente 02 métodos de diseño en concreto armado 1. Diseño Elástico o por Cargas de Servicio. 2. Diseño a la Rotura o por Resistencia Última.

Se nota la gran distinción de la  filosofía de ambos métodos en los gráficos (b) Método Elástico  y (c) Método Plástico.

1.1.

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DISEÑO POR TEORIA ELASTICA.

Parte de la hipótesis que es posible predecir la distribución de esfuerzos en el concreto y el refuerzo, al ser sometidos a cargas de servicio.

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Asume un comportamiento sólo elástico de los materiales.

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El objetivo es conseguir que los esfuerzos no excedan los esfuerzos admisibles que son una fracción de la resistencia del concreto y de la fluencia del acero.

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Pruebas de laboratorio han comprobado el complejo comportamiento del concreto con el paso del tiempo, que conlleva a una constante redistribución de esfuerzos entre éste y el acero. En este diseño se considera sólo una de estas distribuciones y las condiciones no consideradas puede ocasionar la falla.

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El Método Elástico no considera el tipo de falla, dúctil o frágil, es decir, no orienta la falla según sea conveniente. Tampoco determina la carga que ocasiona la rotura de la pieza y por esto no tienen factores de seguridad establecidos.

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Este método plantea una linealidad entre las deformaciones máximas a compresión y las máximas a tensión, y de aquí utilizan leyes de triángulos básicas y varios artilugios matemáticos para obtener las fórmulas de análisis y diseño.

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DISEÑO POR ROTURA O TEORIA PLASTICA.

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Se plantea que el concreto está en el estado plástico en el punto de rotura.

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Debido a esto el concreto no trabaja a tensión y es el acero el que recibe en todos los casos toda la tensión. Esta teoría pauta la deformación unitaria máxima a la rotura del hormigón como 0.003, con una curva de esfuerzo irregular la cual se traduce a un bloque de esfuerzo rectangular con un área equivalente.

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Se basa en el cálculo de la carga que ocasiona la falla del elemento y analiza el modo de colapso del mismo.

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Se ha comprobado que es posible predecir esas cargas con precisión suficiente.

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A distinción con el Método Elástico, toma en cuenta el comportamiento inelástico del acero y el concreto y por lo tanto se estima mejor la capacidad de carga de la pieza.

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Permite controlar el modo de falla considerando la resistencia última. Algunos elementos se diseñan con menor margen de seguridad que otros para inducir su falla primero.

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Se obtiene un diseño más eficiente, considerando la distribución de esfuerzos dentro del rango inelástico.

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Este método no utiliza el Modulo de Elasticidad del concreto, el cual es variable con la carga. De esta manera ase evita introducir imprecisiones en torno a este parámetro.

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Permite evaluar la ductilidad de la estructura.

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Permite usar coeficientes de seguridad distintos para cada tipo de carga.

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La desventaja es que solo se basa en criterios de resistencia, por eso, es necesario considerar condiciones de servicio óptimas, es decir, controlar las deflexiones y agrietamientos. Por esto es necesario usar este método en combinación con otros procedimientos para verificar el adecuado comportamiento de las piezas bajo cargas de servicio.

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El ACI introduce el factor de seguridad en el diseño a través de la amplificación de las cargas de servicio y la reducción de la resistencia teórica de la pieza.

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El análisis estructural se realiza bajo la hipótesis de un comportamiento elástico de la estructura.

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La carga última de diseño es la suma de las diversas cargas actuantes multiplicadas por un factor de seguridad. La carga permanente es evaluada con mayor precisión que la sobrecarga, por esto su factor de amplificación es menor. La carga de sismo es mucho más incierta, por esto, su factor de amplificación es mayor que el de las dos anteriores.

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El Código propone además la reducción de la resistencia teórica del elemento, como un medio para incrementar el factor de seguridad del diseño. Sobre todo el procedimiento constructivo del concreto genera que la resistencia calculada en papel no sea igual a la verificada en la realidad. Además se incrementan el factor de seguridad en piezas sometidas a determinadas solicitaciones, ya sea por su tipo de falla o por la importancia de estos elementos dentro del conjunto estructural total. Por ejemplo para elementos sometidos a flexo-compresión, el factor de reducción es menor que cuando se analiza flexión pura, propia de vigas. Esto se debe a que el colapso de una viga es mucho menos perjudicial que el colapso de una columna.

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Posteriormente al diseño de la estructura, el código propone una verificación de las condiciones de servicio de los elementos: control de rajaduras y control de las deflexiones. Si es necesario, el diseño original debe replantearse.

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El principio del Método por Rotura es el siguiente:

El cual indica que la reducción de la resistencia nominal debe ser por lo menos igual a la sumatoria de las cargas de servicio amplificadas. Esto debe cumplirse para cada tipo de carga:

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Las combinaciones de carga son por ejemplo:

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Como se puede observar las cargas de sismo son las que tienen mayor factor de amplificación (1.87 o 1.43) debido a la variación de su cálculo. -

Los factores de resistencia son por ejemplo:

Como se puede observar el menor factor de reducción corresponde a Flexo compresión, lo que indica la tendencia a prevenir la falla primero de este elemento en comparación con los otros tipos de elementos.

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2. SUPOSICIONES FUNDAMENTALES PARA EL COMPORTAMIENTO DEL CONCRETO REFORZADO

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Los principales aspectos de interés practico en el comportamiento de una estructura son: a. La resistencia de la estructura, según la magnitud de las cargas con una distribución determinada. b. Las deformaciones traducidas en deflexiones y agrietamientos.

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La mecánica del concreto reforzado se basa en las siguientes premisas: a. Las fuerzas internas están en equilibrio con los efectos de las cargas externas en cualquier sección del elemento. b. La deformación unitaria de una barra de refuerzo embebida es la misma que la del concreto circundante. Es decir, se supone que existe una adherencia perfecta en la interface entre el concreto y el acero de manera que no ocurre deslizamiento entre los 02 materiales. c. Las secciones planas antes de la aplicación de la carga siguen siendo planas para el elemento cargado. Cuando un elemento está cargado cerca a la falla esta suposición no es absolutamente correcta, pero las desviaciones son usualmente menores. d. Se supone que el concreto no es capaz de resistir ningún esfuerzo de tensión. El concreto sometido en alguna parte a tracción estará usualmente fisurado, aunque para elementos bien diseñados estas fisuras son tan delgadas que resultan apenas visibles. e. La teoría se basa en la relación esfuerzo-deformación real y en las propiedades de resistencia de los dos materiales constituyentes, concreto y acero.

Estas cinco premisas permiten predecir mediante cálculos el comportamiento de elementos de concreto reforzado únicamente para algunas situaciones simples. En realidad, la acción conjunta de dos materiales tan distintos y complicados como el concreto y el acero es tan compleja que no ha sido posible llevarla a un tratamiento analítico. Por esta razón, los métodos de diseño y análisis, aunque utilizan estas suposiciones, están basados ampliamente en los resultados de una intensa investigación experimental. Estos métodos se modifican y mejoran en la medida en que se dispone de nuevas evidencias experimentales. Bach. Christian Oscar Castillo Lapa

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3. DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO CON CRITERIOS DE DURABILIDAD.

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Al diseño por cargas mecánicas se aumenta el diseño por durabilidad.

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Mucha investigación hace falta para llegar a un nivel de conocimiento suficiente que pueda incluir al diseño por durabilidad en alguno de los reglamentos de diseño Estructural como el americano ACI o el europeo CEB.

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En ambientes muy agresivos su durabilidad se acorta debido a la corrosión del acero.

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En base a los conocimientos que a la fecha se presentan en la literatura internacional, se da una ecuación empírica para proyectar el periodo de iniciación de la corrosión (T1) de una estructura de concreto expuesta a un ambiente marino.

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Además se muestra el modelo empírico para determinar la duración del periodo de propagación de la corrosión (T2).

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En un ambiente marino, los iones cloruro del agua de mar se acumulan en la superficie del concreto y lentamente se transportan a través del recubrimiento de concreto hasta llegar a la armadura. Cuando la concentración de los iones cloruro en la superficie del acero de las armaduras alcanza valores que exceden un nivel crítico (denominado Ccrit), la protección de la armadura corre el peligro de desaparecer y la corrosión puede desencadenarse.

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Cuando el concepto tiempo entra en juego en la evaluación de la funcionalidad de una estructura, varios factores externos (o factores de degradación) resultan en un primer plano. Como la funcionalidad está íntimamente relacionada con la durabilidad de una estructura, ésta se puede definir como la habilidad de mantener la funcionalidad requerida.

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Se toma como base el modelo de durabilidad considerado por Tuutti:

Las variables T1 y T2 son denominados periodos de iniciación y de propagación. Se define al T1 como al lapso de tiempo que tarda el ion cloruro en atravesar el recubrimiento, alcanzar la armadura y provocar su despasivación. En tanto T2 se refiere al periodo entre la pérdida de protección de la película pasiva y la manifestación externa de los daños por corrosión.

C:

Cobertura o recubrimiento del concreto.

Cs:

Concentración de cloruros en la superficie.

Def:

Coeficiente efectivo de difusión de cloruros del concreto.

Ccrit:

Concentración crítica a la profundidad de la armadura. (Varía entre 0.17%

a 2.5% del peso de cemento).

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Todas las variables en mm.

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4. CONCLUSIONES

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Se aplican mundialmente 02 tipos de diseño a la hora de proyectar estructuras de concreto armado, el Método Elástico, en el cual se considera únicamente un comportamiento lineal del material y el Método Plástico en el que se pretende trabajar al concreto en el rango inelástico hasta llegar a su etapa de rotura. A la hora diseñar un mismo elemento con ambas teorías, con el diseño a la rotura obtendremos dimensiones y cuantía de acero menores que al hacerlo con un diseño elástico, esto debido a que en este último método se necesitará mayor dimensión y cuantía de acero para mantener el material en el rango elástico ante un mismo esfuerzo. A la hora de hacer diseños de alta seguridad, para instalaciones del tipo nuclear, militar o de investigaciones de alto riesgo no se puede permitir agrietamientos, debido a que escaparían partículas de alto peligro para los humano. Es por esto que para este tipo de instalaciones se utiliza el diseño según teoría elástica.

Un nuevo giro que se le ha dado a la teoría por seguridad estructural es la incorporación del factor tiempo dentro del diseño, permitiendo la posibilidad de incluir la degradación del concreto como una parte esencial en el diseño de la estructura. La seguridad en contra de la falla será considerada una función del tiempo, diseñando la estructura por serviciabilidad incluyendo el requerimiento de vida útil que deberá de cumplirse.

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Tanto la carga externa S, como la resistencia R, pueden ser cantidades que varían con el tiempo. Por lo tanto la probabilidad de falla también varía con el tiempo.

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Al día de hoy se utiliza la teoría plástica para la gran mayoría de los diseños, mientras que el diseño elástico se utiliza parcialmente para caso especiales como fundaciones o edificaciones especiales, realmente resulta sencillo elegir nuestra teoría de diseño debido a que todo está bien estandarizado.

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5. BIBLIOGRAFIA.

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