ESTRUCTURAS DE CONCRETO I

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1 ESTRUCTURAS DE CONCRETO I Naturaleza del Curso: Teórico Créditos: 3 Código: IC-0802 Requisitos: IC-0703 Análisis Estructural I IC-0601 Materiales de Construcción Horas Teóricas: 3 hr semanales Sede: Campus Heredia I. DESCRIPCIÓN DEL CURSO Ciclo Lectivo: VIII Horas de Estudio Independiente: 6 hr semanales Profesor: Modalidad: Cuatrimestral Horas Práctica: 0 hr semanales Este curso desarrollará en el estudiante la habilidad para diseñar elementos de concreto, interactuando las características del concreto y el acero de refuerzo para resistir las diferentes solicitaciones de esfuerzos. Se presentaran los conceptos fundamentales del diseño de elementos sometidos a cargas axiales, flexión simple, cortante y torsión, o bien cualquier combinación de estas. En Costa Rica y el mundo el concreto reforzado es uno de los materiales más utilizados en la construcción, por lo se considera que los ingenieros civiles deben estar familiarizados con la teoría y las técnicas básicas de diseño de elementos donde se emplea este material. II. OBJETIVO GENERAL El curso de Estructuras de concreto I tiene como objetivo general el analizar y diseñar los elementos de concreto reforzado, conociendo el comportamiento del concreto al estar sometido a los esfuerzos básicos de compresión, flexión, tracción, esfuerzo cortante y torsión, y calcular los esfuerzos en un material heterogéneo como es el concreto armado, para finalizar con el diseño de la sección más óptima y sus refuerzos necesarios para resistir en forma segura los esfuerzos provenientes de las cargas externas y su propio peso que actuaran a través de su vida útil. III. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Brindar al estudiante los conocimientos y principios básicos de la composición, características y propiedades mecánicas del concreto. 2. Comprender las características y propiedades mecánicas del acero de refuerzo en el concreto. 3. Entender las características y propiedades mecánicas del concreto reforzado. 4. Definir los fundamentos del diseño del concreto reforzado. 5. Evaluar las cargas actuantes y sus combinaciones en las estructuras y comprender los conceptos de resistencia de diseño y seguridad. 1

2 6. Analizar y diseñar bajo diferentes condiciones de cargas externas los elementos estructurales de concreto capaces de resistir esfuerzos de flexión. 7. Analizar y diseñar elementos sometidos a esfuerzos de cortante y comprender los efectos combinado de los esfuerzos de cortante y flexión en la formación de fisuras. 8. Comprender los conceptos de fuerza de adherencia entre las varillas de refuerzo y el concreto, además conocer las disposiciones de longitud para el desarrollo del refuerzo a tensión y compresión. 9. Definir y aplicar las dimensiones y los radios de doblamiento para el anclaje del refuerzo a tensión, así como conocer los conceptos y los requisitos para el corte de barras y el empalme de varillas. 10. Evaluar las deformaciones instantáneas y a largo plazo y conocer las disposiciones para el control del agrietamiento. 11. Analizar y diseñar los elementos de concreto que están sometidos a esfuerzos de torsión y cortante combinados. 12. Análisis y diseño de elementos sometidos a cargas axiales de compresión; a esfuerzos combinado de compresión y flexión; y a flexión biaxial. 13. Aprender, interpretar y aplicar correctamente el reglamento del ACI y el código sísmico de Costa Rica, pertinentes para adecuar el diseño a los mínimos y máximos recomendables. IV. CONTENIDOS 1. Principios generales del concreto Historia, códigos y reglamentos Ventajas y desventajas del concreto Componentes del concreto: Cemento Agregados Aditivos Dosificación y mezcla del concreto Transporte, colocación y curado Control de calidad 1.4. Propiedades del concreto: Resistencia a la compresión Resistencia a la tracción Resistencia al esfuerzo cortante Resistencia bajo esfuerzos combinados Concretos de alta resistencia Concreto preesforzados Deformaciones en el concreto Relación tensión/deformación Curva esfuerzo versus deformación. 2

3 1.5.3 Módulo de elasticidad Contracción de fragua Deformaciones elásticas y plásticas o permanentes Deformaciones por temperatura. 2. Acero de refuerzo Tipos de acero Reglamentos ASTM 615 y ASTM Aceros corrugados Alambres y malla de alambre Dimensiones y características: diámetro, corrugaciones, áreas, perímetros Aceros para concreto preesforzados Deformaciones de los aceros: Relaciones esfuerzo versus deformación, límite elástico y módulo de elasticidad Deformaciones por temperatura Oxidación de armaduras. 3. Fundamentos del diseño del concreto armado Generalidades Suposiciones fundamentales para el comportamiento del concreto reforzado Clases de armaduras, según los esfuerzos Introducción al análisis y diseño: formas estructurales y cargas Disposiciones de seguridad Cargas y factores de participación Combinaciones de cargas según el Código sísmico de Costa Rica y el ACI, envolventes Factores de reducción del código sísmico de Costa Rica Resistencia de diseño. 4. Análisis y diseño de vigas a flexión Comportamiento del concreto armado a la flexión Condiciones de servicio Diseño a la rotura: fundamentos Método simplificado de Whitney Viga rectangular reforzada a tensión Reglamentaciones generales sobre vigas Límites de peraltes Losas armadas en una dirección Losas aligeradas armadas en una dirección Vigas rectangulares con refuerzo a tensión y a comprensión Análisis y diseño de vigas T. 3

4 Ancho efectivo del ala Análisis de resistencia: compresión en el ala y en el alma Consideraciones generales en los reglamentos. 5. Elementos sometidos a esfuerzo cortante y tensión diagonal Comportamiento del concreto armado al esfuerzo cortante Elementos de concreto sin refuerzo a cortante Elementos de concreto con refuerzo a cortante Tipos de refuerzos Refuerzo de barras dobladas en varios grupos Refuerzos de estribos o aros Requisitos del reglamento ACI y el código de Costa Rica para el diseño a cortante Procedimiento para el análisis y diseño a cortante por el ACI Esfuerzo cortante en losas macizas y aligeradas Esfuerzo cortante en elementos sometidos a flexión compuesta Vigas con altura variable Efectos de las fuerzas axiales Comentarios de las prácticas más comunes usadas en Costa Rica para el diseño a Cortante Método de diseño de Cortante a fricción. 6. Adherencia, anclaje y longitud de desarrollo Conceptos de adherencia a flexión Resistencia última de adherencia y longitud de desarrollo Consideraciones del Código de Costa Rica y el reglamento ACI para el desarrollo a tensión Anclajes del refuerzo mediante ganchos: Longitud de anclaje con gancho Requisitos de anclaje para el refuerzo a tracción Longitud de desarrollo de refuerzos a compresión Empalmes o traslapos por adherencia del refuerzo 6.8. Empalmes o traslapos por adherencia en mallas de alambre Otros tipos de empalmes. Soldados y mecánicos. 7. Aspectos prácticos en el diseño de vigas a flexión Colocación de la armadura Barras en paquetes Dobleces Espaciamiento entre barras Protección del refuerzo Tolerancia en la colocación 4

5 7.2. Vigas en voladizos Anclaje en los voladizos Recomendaciones para disminución del peso propio Diseño de vigas en voladizo Comentarios, discusión y errores en la práctica del diseño a flexión profesional en Costa Rica. 8. Condiciones de servicio y control de fisuras Fisuras en elementos sometidos a flexión Disposiciones generales del reglamento ACI Control de deflexiones Deflexiones instantáneas Deflexiones por efectos de cargas a largo plazo Deformaciones por efecto de la retracción del fraguado y los cambios de temperatura. 9. Análisis y diseño del concreto a la torsión Torsión en elementos de concreto simple Torsión en elementos de concreto reforzado 9.3. Tensiones permisibles Cálculo de los esfuerzos Disposiciones de la armadura: Refuerzo transversal y longitudinal Tensiones combinadas de esfuerzo cortante y torsión Tensiones permisibles Cálculo de los refuerzos Anclajes del refuerzo al esfuerzo cortante Comentarios a los requisitos del código ACI y el código sísmico de Costa Rica. 10. Comportamiento del concreto a la compresión Compresión axial Flejes transversales y espirales Esfuerzos de compresión más flexión en columnas Análisis de compatibilidad de deformaciones y diagrama de interacción Falla balanceada Refuerzo distribuido y asimétrico Diseño de columnas circulares Diseño de columnas sometidas a flexión biaxial Método de contorno y de la carga inversa Empalmes de varillas en columnas Requisitos del reglamento ACI y el código sísmico de Costa Rica. 5

6 V. METODOLOGÍA El curso se impartirá por medio de exposiciones, explicaciones de los conceptos teóricos y la discusión de los procedimientos prácticos de ejemplos por parte del profesor, con la participación del estudiante, generando las oportunidades de aprendizaje y orientándolo en el proceso del mismo. El estudiante desarrolla ejemplos prácticos para desarrollar en grupos, bajo la supervisión del profesor y tareas para desarrollar en grupo o individual, con la realización de trabajos de investigación y con un proyecto práctico de carácter grupal, con lo cual se estimula al desarrollo de la creatividad y las habilidades teóricas y prácticas individuales y de grupo. Para la aclaración de dudas durante el proceso de desarrollo de las tareas se establece una comunicación vía electrónica y un horario de asesorías individual o pequeños grupos semanalmente por parte del profesor. VI. ESTRATEGIAS DE APRENDIZAJE Se propone abordar la introducción de los contenidos de la asignatura desde la teoría por parte del profesor, que debe complementarse con la práctica en el desarrollo de problemas, integrando los conocimientos del análisis estructural y diseño en concreto. Se utilizan los criterios de enseñanza y aprendizaje tradicionales de la clase magistral, tanto teóricos como prácticos, que busca promover los conocimientos y la participación de los alumnos de los ejercicios realizados en clase, de forma que la misma resulte interactiva y consultiva. El curso se complementa con tareas adicionales, trabajo extraclase, exámenes cortos y exámenes obligatorios, cuyo propósito es fortalecer los conceptos teóricos del diseño de elementos de concreto. Se promueve el trabajo de los alumnos en grupos con el propósito de incentivar la actividad interdisciplinaria, tal como se presenta en la vida profesional del ingeniero civil. VII. RECURSOS DIDÁCTICOS Para las clases magistrales se prevé el uso del marcador y la pizarra, con la ayuda de medios audiovisuales de proyección. Además los estudiantes pueden contar con las notas de clases, bibliografía, la interacción de la internet, donde encontramos páginas web, weblogs, chats, foros, y cursos on-line de muchos de los contenidos del curso, y por último el uso constante de la calculadora, hoja electrónica, para el desarrollo de los problemas resueltos en clase y los de las tareas y extraclase. Por último el estudiante podrá usar una computadora para la aplicación de un programa para resolver y/o comprobar los resultados de ejercicios resueltos en clases. VIII. EVALUACIÓN 6

7 Durante el Desarrollo del cuatrimestre se realizaran tareas, trabajos extraclase, exámenes cortos y exámenes parciales y un examen final, y la nota final se obtendrá promediando las notas con su respectivo peso. Las tareas y trabajos extraclase se darán como práctica para que el estudiante las desarrolle por su cuenta y después de cada uno se realizará un examen corto, si el profesor lo considera necesario, con el fin de evaluar la capacidad del estudiante de resolver un problema numérico o conceptual. La duración de los mismos no excederá los 15 minutos. Los exámenes parciales se realizarán una evaluación de conceptos claves en los temas evaluados, además de resolución de varios problemas representativos de la materia vista en clase, de acuerdo al cronograma propuesto. Para el examen final se evalúa la materia vista durante todo el curso, de igual manera se evaluará una sección conceptual y otra en resolución Tareas 15% Quices 5% Primer examen parcial 25% Segundo examen parcial 25% Examen final 30% Total 100% RÚBRICA DE EVALUACIÓN. Nota asignada al ejercicio (Base de 100%) Desarrollo realizado en el ejercicio Problema perfecto. Contiene un esquema o un desarrollo claro y bien elaborado. Proceso matemático bien desarrollado, sin errores. Respuesta correcta. Problema con error numérico A. Contiene esquema o desarrollo claro y bien elaborado. Proceso matemático bien desarrollado, sin errores conceptuales. Presenta un único error de signo o de cálculo, afectando la solución final. Problema con error numérico B. Contiene esquema o desarrollo claro y bien elaborado. Proceso matemático con varios errores numéricos, no así conceptuales, afectando la solución final. Problema con error numérico C. Contiene esquema o desarrollo entendible. Proceso matemático con acumulación de errores numéricos, no así conceptuales, afectando la solución final. Problema con error conceptual A. Contiene esquema o desarrollo confuso o mal elaborado. Proceso matemático con acumulación de errores numéricos, pero conceptualmente bien resuelto. Solución final incorrecta. 7

8 Problema con error conceptual B. No tiene esquema o 20 desarrollo. Proceso matemático en general incorrecto o sin ninguna coherencia. Solución final incorrecta. 0 No resolvió nada del ejercicio IX. BIBLIOGRAFÍA A.H., Nilson. (1999). Diseño de estructuras de concreto. Duodécima Edición, Santafé de Bogotá, Colombia McGraw Hill S.A.S.A. J.C., MacCorman. (2005) Diseño de Concreto Reforzado. Ciudad de México, México: Alfaomega Grupo Editor. R., Park; T., Paulay Estructuras de Concreto Reforzado. Ciudad de México, México: Editorial Limusa. A.C.I.(American Concrete Institute). (2008). Requisitos de reglamento para el concreto estructural (ACI 318S-08) y comentarios. Farmington Hills, USA, American Concrete Institute. Colegio Federado de Ingenieros y de Arquitectos de Costa Rica. (2010). Código Sísmico de Costa Rica San José, Costa Rica, Editorial Tecnológica de Costa Rica. X. CRONOGRAMA Semana Tema Actividades 1 2 Principios generales del concreto: Historia, códigos y reglamentos; ventajas y desventajas del concreto; componentes del concreto; dosificación y mezcla del concreto; transporte, colocación y curado. control de calidad Propiedades del concreto: Resistencia a la compresión; resistencia a la tracción; resistencia al esfuerzo cortante; resistencia bajo esfuerzos combinados; concretos de alta resistencia; concreto preesforzados. Deformaciones en el concreto: Relación tensión deformación; curva esfuerzo versus deformación; módulo de elasticidad; contracción de fragua; deformaciones elásticas y plásticas o permanentes; deformaciones por temperatura Acero de refuerzo: Tipos de acero; reglamentos ASTM 615 y ASTM 706.; aceros corrugados; alambres y malla de alambre; dimensiones y características; aceros para concreto preesforzados; relaciones esfuerzo versus deformación, límite elástico y módulo de de problemas Quiz 1: Prueba Diagnóstico 8

9 elasticidad; deformaciones por temperatura; oxidación de armaduras. Fundamentos del diseño del concreto armado: Generalidades; Suposiciones fundamentales para el comportamiento del concreto reforzado; clases de armaduras, según los esfuerzos. Introducción al análisis y diseño: formas estructurales y cargas; Disposiciones de seguridad; Cargas y factores de participación, Combinaciones de cargas según el Código sísmico de Costa Rica y el ACI, envolventes; Factores de reducción del código sísmico de Costa Rica. Resistencia de diseño Análisis y diseño de vigas a flexión: Comportamiento del concreto armado a la flexión; Condiciones de servicio; Diseño a la rotura: fundamentos; Método simplificado de Whitney; Viga rectangular reforzada a tensión; Reglamentaciones generales sobre vigas; Límites de peraltes; Losas armadas en una dirección; Losas aligeradas armadas en una dirección Vigas rectangulares con refuerzo a tensión y a comprensión. Consideraciones generales en los reglamentos. Análisis y diseño de vigas T: Ancho efectivo del ala. Análisis de resistencia: compresión en el ala y en el alma. Consideraciones generales en los reglamentos. Tarea 1 Quiez 2 Tarea 2 Quiez 3 6 Primer Examen Parcial (Temas 1 al 4) 7 Elementos sometidos a esfuerzo cortante y tensión diagonal: Comportamiento del concreto armado al esfuerzo cortante; Elementos de concreto sin refuerzo a cortante; Elementos de concreto con refuerzo a cortante; Tipos de refuerzos; Refuerzo de barras dobladas en varios grupos; Refuerzos de estribos o aros. Requisitos del reglamento ACI y el código de Costa Rica para el diseño a cortante; Procedimiento para el análisis y diseño a cortante por el ACI; Esfuerzo cortante en losas macizas y aligeradas; Esfuerzo cortante en elementos sometidos a flexión compuesta; Vigas con altura variable; Efectos de las fuerzas axiales; Comentarios de las prácticas más comunes usadas en Costa Rica para el diseño Tarea 3 9

10 a Cortante;Método de diseño de Cortante a fricción Elementos sometidos a esfuerzo cortante y tensión diagonal: Resolución Adherencia, anclaje y longitud de desarrollo: Conceptos de adherencia a flexión; resistencia última de adherencia y longitud de desarrollo; consideraciones del código de costa rica y el reglamento aci para el desarrollo a tensión; anclajes del refuerzo mediante ganchos: longitud de anclaje con gancho; requisitos de anclaje para el refuerzo a tracción; longitud de desarrollo de refuerzos a compresión; empalmes o traslapos por adherencia del refuerzo; empalmes o traslapos por adherencia en mallas de alambre; otros tipos de empalmes; soldados y mecánicos. Aspectos prácticos en el diseño de vigas a flexión; Colocación de la armadura; barras en paquetes; dobleces; espaciamiento entre barras; protección del refuerzo; tolerancia en la colocación Vigas en voladizos: Anclaje en los voladizos; recomendaciones para disminución del peso propio; diseño de vigas en voladizo; comentarios, discusión y errores en la práctica del diseño a flexión profesional en Costa Rica. Quiez 4 Tarea 4 Quiez 5 11 Segundo Examen Parcial (Temas 5 al 7) Condiciones de servicio y control de fisuras: Fisuras en elementos sometidos a flexión; disposiciones generales del reglamento ACI; control de deflexiones; deflexiones instantáneas; deflexiones por efectos de cargas a largo plazo; deformaciones por efecto de la retracción del fraguado y los cambios de temperatura. Análisis y diseño del concreto a la torsión: Torsión en elementos de concreto simple; torsión en elementos de concreto reforzado; tensiones permisibles; cálculo de los esfuerzos; disposiciones de la armadura; tensiones combinadas de esfuerzo cortante y torsión; tensiones permisibles; cálculo de los refuerzos; anclajes del refuerzo al esfuerzo cortante; comentarios a los requisitos del código ACI y el código sísmico de Costa Rica. Comportamiento del concreto a la compresión: Compresión axial; Flejes transversales y espirales; Esfuerzos de compresión más flexión en Quiez 5 Tarea 5 10

11 columnas; Análisis de compatibilidad de deformaciones y diagrama de interacción; Falla balanceada; Refuerzo distribuido y asimétrico; Diseño de columnas circulares; Diseño de columnas sometidas a flexión biaxial; Método de contorno y de la carga inversa; Empalmes de varillas en columnas; Requisitos del reglamento ACI y el código sísmico de Costa Rica. Quiez 6 Tarea 6 15 Examen Final (Todos los temas) XI. DISPOSICIONES GENERALES El estudiante debe cumplir con las disposiciones del Reglamento de Régimen Estudiantil de la Universidad Latina de Costa Rica. Este curso tiene las siguientes características: Convalidación Examen por suficiencia Examen de ampliación Sí No Sí No Sí No x x x 11