ESTRSCTSRAS DE CONCRETO II

Transcripción

1 ESTRSCTSRAS DE CONCRETO II IC-0901 SEMANA I Profesor: Ing. Ronald Jiménez Castro Correo electrónico: rojica@costarricense.cr rojica06@gmail.com Página de Internet: Semana 1 II Cuatrimestre, -017 Discusión del programa del curso I. Descripción del curso: El curso de Estructuras de concreto II desarrollará las habilidades al estudiante para diseñar diferentes elementos de concreto reforzado, complementando la materia de Estructuras de Concreto I, como son las columnas esbeltas, cimentaciones superficiales, losas de entrepiso, diseño del refuerzo en los nudos, muros de contención, así como se presentarán los conceptos básicos para el diseño de edificios sujeto a la combinación de las acciones permanentes, temporales y sísmicas. Por último el curso pretende introducir al estudiante en el desarrollo de un proyecto aplicando las normas de diseño como el Reglamento ACI-318 y el Código sísmico de Costa Rica. II. Objetivo general: El curso de Estructuras de concreto II tiene como objetivo general el analizar y diseñar los elementos de concreto reforzado 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, de elementos como columnas, placas de cimentaciones, losas, muros de contención y diseño de los núcleos de unión viga-columna. III. Objetivos específicos Analizar y diseñar columnas esbeltas, utilizando los conceptos estructurales más innovadores y los procedimientos de diseño racional y confiable, para obtener la sección más adecuada en términos de seguridad y economía. Diseñar el refuerzo en las uniones de vigas y columnas de las estructuras de concreto, empleando los requisitos especiales para lograr una transferencia efectiva de las fuerzas en la conexión, especificando los detalles de refuerzo en los planos de ingeniería en forma adecuada para resistir las tensiones resultantes Definir los diferentes tipos de losas o entrepisos usados más frecuentemente y estudiar su comportamiento estructural. Analizar y diseñar losas en una dirección mediante una franja unitaria. Analizar y diseñar losas en dos direcciones, utilizando el método de los coeficientes del reglamento del ACI, así como estudiar los controles más usados en reducir las deflexiones. Evaluar las deformaciones instantáneas y a largo plazo y conocer las disposiciones para el control del agrietamiento. Analizar y diseñar losas en dos direcciones apoyadas sobre columnas utilizando los métodos de diseño directo, del pórtico equivalente y de las franjas del reglamento del ACI. Estudiar el comportamiento de la subestructura o cimentaciones y definir los tipos y funciones de las cimentaciones superficiales y profundas. Analizar y diseñar una placa corrida para muros. Analizar y diseñar placas para columnas y placas combinadas para dos o más columnas. Clasificar, analizar y diseñar los diferentes tipos de muros de contención. Analizar y diseñar cada uno de los elementos de una estructural de un edificio de concreto reforzado. IV. Contenidos 1. Diseño de columnas esbeltas i. Columnas cargadas concéntricamente. ii. Compresión más flexión. iii. Criterios del Código ACI para no tener en cuenta los efectos de esbeltez. iv. Criterios del Código ACI para definición de pórticos arriostrados versus no arriostrados. v. Método de amplificación de momento del Código ACI para pórticos no arriostrados. vi. Método de amplificación de momento del Código ACI para pórticos arriostrados. vii. Análisis de segundo orden para efectos de esbeltez. -. Diseño de núcleos de unión de viga-columna.(nudos). i. Modelo puntal-tensor (Strut-and-Tie) para el comportamiento de las uniones. ii. Sniones viga secundaria-viga principal. iii. Vigas de apoyo. iv. Sniones de esquina y en T. v. Ménsulas y cornisas. vi. Requisitos generales del ACI y el Código Sísmico de Costa Rica SEMANA 1_11 May 1

2 3. Diseño de losas de entrepiso. i. Tipos de losas. ii. Diseño de losas en una dirección. iii. Refuerzo para temperatura y retracción de fraguado. iv. Diseño de losas en dos direcciones apoyadas en los bordes. v. Análisis mediante el método de los coeficientes vi. Refuerzo para losas en dos direcciones. vii. Control de deflexiones. 4. Diseño de losas en dos direcciones apoyadas sobre columnas. i. Método de diseño directo ii. Refuerzo a flexión iii. Límites de espesor del Código ACI iv. Método del pórtico equivalente v. Diseño a cortante en placas y losas planas vi. Transferencia de momentos a las columnas vii. Aberturas en losas viii. Cálculo de deflexiones ix. Análisis para cargas horizontales. x. Método de las franjas para losas. 5. Diseño de placas de cimentaciones i. Tipos de cimentaciones y sus aplicaciones. ii. Placas superficiales iii. Factores de diseño iv. Cargas, presiones de contacto y dimensiones de las zapatas v. Placas corridas para muros vi. Placas para columnas vii. Placas combinadas viii. Placas para dos columnas ix. Cimentaciones continuas, reticulares y losas de cimentación. x. Consideraciones del Código Sísmico y de Cimentaciones de Costa Rica. 6. Muros de contención. i. Función y tipos de muros de contención ii. Refuerzo mínimo, drenaje y otros detalles iii. Presión de tierra, presión de tierra para condiciones usuales de carga, presiones de suelo sobre las placas de cimentación. iv. Estabilidad externa v. Bases del diseño estructural vi. Diseño de un muro de contención de gravedad vii. Diseño de un muro de contención en voladizo viii. Diseño de muros de contención con contrafuertes 7. Análisis y diseño estructural de edificios de concreto reforzado. i. Sistemas de entrepiso y de cubierta. ii. Clasificación de los sistemas estructurales según el código sísmico de Costa Rica. iii. Muros de cerramiento, muros cortina y muros portantes iv. Muros estructurales o de cortante v. Introducción al diseño sísmico de edificios de concreto a. Respuesta estructural b. Criterios para cargas sísmicas c. Disposiciones especiales del código sísmico de Costa Rica para el diseño sísmico d. Disposiciones del Código ACI y código sísmico de Costa Rica para muros estructurales, diafragmas y cerchas. e. Disposiciones del Código sísmico de Costa Rica para estructuras con ductilidad óptima y moderada. f. Planos detallados para construcción de edificios. 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 el desarrollo de problemas prácticos de análisis y diseño. 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, exámenes obligatorios y un proyecto final, 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. VIII. Evaluación Tareas y quices (10%) Proyecto grupal (-5%): Semana 15 (17 agosto) Primer parcial (30%): Semana 7 (-- junio) Segundo parcial (35%): Semana 15 (17 agosto) 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. SEMANA 1_11 May 2

3 IX. Bibliografía X. Cronograma Libro de Texto: MacCormac, Jack. Diseño de Concreto Reforzado. Editorial Alfaomega. 8va edición American Concrete Institute. Building Code Requirements for Reinforced Concrete and Comentary. ACI Detroit, Michigan, S.S.A., Comisión Permanente de Estudio y Revisión del Código Sísmico de Costa Rica. Código Sísmico de Costa Rica Colegio Federado de Ingenieros y de Arquitectos de Costa Rica. Sesión Contenido Evaluaciones Sesión 1 Sesiones - y 3 Sesión 4 Sesión 5 Sesión 6 Introducción. Tema 1: Diseño de columnas Tema 1: Diseño de columnas esbeltas Tema -: Diseño de núcleos de unión viga-columna Tema 3: Diseño de losas de entrepiso Tema 4: Diseño de losas en dos direcciones apoyadas sobre columnas Sesión 7 - Primer Parcial Sesión 8 Sesión 9 Sesión 10 Sesión 10 Tema 5: Diseño de placas de cimentaciones Tema 5: Diseño de placas de cimentaciones Tema 6: Muros de contención Tema 6: Muros de contención Sesiones 11, 1-, 13 y 14 Tema 7: Análisis y diseño estructuras de edificios de concreto reforzado Sesión 15 - Segundo Parcial/Trabajo Grupal Introducción Columnas Sna columna es un elemento usualmente vertical que soporta cargas axiales de compresión pero que debido a su ubicación en el sistema estructural deberá ser capaz de resistir también fuerzas de flexión (momentos), cortante y torsión. Las dimensiones de la sección transversal de una columna son por lo general considerablemente más pequeñas que su altura. La cargas verticales que soporta una columna provienen tanto de los entrepisos superiores como del techo y son transmitidas finalmente a las fundaciones. Secciones transversales más usuales de columnas de concreto Al igual que una viga, el refuerzo de una columna consiste en varillas paralelas al eje principal del elemento (refuerzo longitudinal) y en aros y ganchos (refuerzo transversal). Debido al tipo de fuerzas que debe ser capaz de resistir, una columna puede alcanzar la falla debido a tres razones: 1. Fluencia del acero en la cara en tensión -. Aplastamiento del concreto en la cara en compresión 3. Pandeo (columnas esbeltas) Sección transversal Refuerzo longitudinal Elevación Refuerzo transversal (aros y ganchos) SEMANA 1_11 May 3

4 Predimensionamiento de columnas El primer paso en el diseño de una columna consiste en estimar el tamaño de la misma. No existe una regla simple para esto debido a que la capacidad de carga axial φp n de una sección dada varía con el momento actuante como se observa en un diagrama de interacción. El porcentaje de acero longitudinal ρ g en una columna se define como la razón del acero longitudinal total al área bruta de la sección transversal: Para valores muy pequeños de M u, el tamaño de la columna se puede aproximar como: De acuerdo con el CSCR-10 (Sección 8.3.3), este parámetroρ g debe estar comprendido entre los siguientes valores límites: A g : área bruta de la sección transversal [cm - ] ρ g : porcentaje de acero longitudinal (conservadoramente se toma como 0.01) P u : carga axial última en compresión [kg o Ton] Interpretación y uso de diagramas de interacción Sn diagrama de interacción es un gráfico en el cual se muestra cómo varía la capacidad de carga axial φp n de una columna debido a la presencia simultánea de momento flexionante. En otras palabras, para una columna con una geometría dada (b, h), una distribución de acero (A st ) definida y flexión en un cierto sentido (x o y), existe una única curva (correspondiente a un valor ρ) mediante la cual se determina si la columna es adecuada para resistir la fuerzas últimas P u y M u. < < Los puntos A y B representan combinaciones adecuadas e inadecuadas respectivamente. Flexo-compresión (falla balanceada) Para comprender mejor el diagrama de interacción de una columna, es conveniente describir sus puntos más representativos en términos de su interpretación física. Compresión pura Tramo Se presenta flexo-compresión. El punto 1 representa la capacidad máxima de carga axial (en compresión) de la columna y se obtiene con la siguiente fórmula: Tensión pura Flexión pura φ c : 0.65 (para compresión) A g : Área bruta de la sección [cm - ] A st : Área total de acero longitudinal [cm - ] f g : Esfuerzo de fluencia (grado) del acero [kg/cm - ] SEMANA 1_11 May 4

5 Dada la ausencia de flexión, el punto 1 corresponde al caso teórico de compresión pura (carga axial concéntrica sin flexión). La falla que experimentaría la columna en este caso sería por aplastamiento del concreto, es decir, se excede la capacidad a compresión del mismo f c. A medida que se incrementa el momento M, se va generando la curva hasta llegar al punto - que representa el caso de falla balanceada. Esta condición se produce cuando de manera simultánea el concreto y el acero alcanzan sus valores máximos de f c y f g respectivamente. El punto 3 corresponde a la condición teórica de flexión pura, o sea momento aplicado con carga axial nula. Tramo 3-4 Se presenta flexo-tensión. Esta es una situación indeseable desde el punto de vista práctico dada la baja capacidad a tensión del concreto. El punto inferior de la curva 4 refleja la capacidad máxima de carga axial en tensión y se obtiene se calcula con la expresión: Donde: φ c : 0.90 (para tensión) A st : Área total de acero longitudinal [cm - ] f g : Esfuerzo de fluencia (grado) del acero [kg/cm - ] Cada uno de los puntos analizados anteriormente, y de hecho cualquier punto de la curva, corresponde a una posición específica del eje neutro (valor de c) que define a su vez un estado de deformaciones y esfuerzos. Es decir, en esencia la construcción de un diagrama de interacción consiste en ir variando el parámetro c y calcular para esa posición los correspondientes valores de fuerza en el concreto y en cada capa de acero. Sna vez se tengan todas las fuerzas, se calculan los momentos de éstas respecto a un punto arbitrario (usualmente el centroide de la sección, h/2) para obtener el momento nominal así como la suma de las fuerzas para hallar la carga axial nominal a compresión. Suposiciones para la generación de un diagrama de interacción En el proceso de generación de un diagrama de interacción de una columna de concreto, se asumen las mismas hipótesis empleadas en el cálculo de la resistencia nominal a flexión de una viga. Estas son: El concreto no podrá desarrollar un esfuerzo a compresión mayor a su resistencia f c. Se omite en los cálculos el aporte de resistencia a la tensión del concreto, toda la fuerza en tensión la toma el acero. Prevalece la hipótesis de Bernoulli en la que las secciones planas antes de la flexión permanecen planas y perpendiculares al eje neutro después de la flexión. En otras palabras, hay una variación lineal de la deformación unitaria ε con respecto a la altura (peralte) de la sección. La deformación unitaria última del concreto esε cu =0.003 (valor fijo) : Profundidad del eje neutro De acuerdo con la figura anterior, por Semejanza de triángulos se pueden hallar las deformaciones unitarias ε s1, ε s2 y ε s3 en las capas de acero 1, - y 3 respectivamente. Modelo bilineal para la relación esfuerzo deformación del acero (válida para tensión g compresión) Posteriormente, con estos valores se determinan los esfuerzos y fuerzas correspondientes en cada para lo cual se supone un modelo diagrama esfuerzo-deformación bilineal para el acero. SEMANA 1_11 May 5

6 Refuerzo transversal en columnas El refuerzo transversal en columnas cumple las mismas funciones que en una viga de concreto reforzado. La gran mayoría de las columnas en edificaciones resisten las fueras cortantes V u a través de aros. Ocasionalmente, cuando se requiere una gran resistencia y ductilidad, el refuerzo longitudinal se coloca circularmente y en lugar de aros se emplean varillas dobladas en forma de hélice o espiral. Las columnas con refuerzo en espiral generalmente son circulares aunque también pueden ser secciones rectangulares o incluso poligonales. La espiral restringe la expansión lateral del concreto en el núcleo de la columna dándole a ésta ultima mayor capacidad de carga axial. El refuerzo en espiral es raramente usado en Costa Rica. En su lugar lo que se ha empezado a comercializar en los últimos años son las armaduras prefabricadas que se ofrecen como una alternativa que reduce los costos de mano de obra. Columna con aros Columna con espirales Canastas prefabricadas El cortante último V u para el cual se diseñan los aros en una columna será el mayor valor entre V u,1 y V u,2. Es decir: : valor que se obtiene del análisis Por su parte, en elementos con ductilidad local óptima, la separación de los aros s no debe exceder el valor máximo que define el CSCR-10 como: 0.25 de la dimensión mínima de la sección 6 veces el diámetro de la barra de menor diámetro Donde h x es la distancia máxima horizontal, centro a centro, entre ganchos suplementario o barras que forman aros cerrados de confinamiento de todas las caras de la columna [cm] h x es el valor más grande que pueda tener la dimensión x de la figura adjunta. : altura libre de la columna Cuando una dimensión del elemento sea mayor o igual a 50cm, se deben colocar varillas longitudinales con amarres suplementarios (ganchos) separados no más de 35cm. En columnas se debe dar un confinamiento especial en una longitud L o a partir de la cara de cada nudo tal y como se aprecia en la figura: Máxima dimensión de su sección transversal Elevación En la restante longitud de la columna, la separación máxima s max definida anteriormente puede duplicarse. SEMANA 1_11 May 6

7 El inciso b) de la sección del CSCR-10 establece que en elementos con ductilidad local óptima, el refuerzo transversal dentro de la longitud L o debe tener una área mínima para el caso de aros rectangulares. : Área total de varillas que forman aros y ganchos con separación s y perpendiculares a la dimensión h c [cm - ] : Área bruta de la columna [cm - ] : Área del núcleo interior confinado [cm - ] : dimensión del núcleo de la columna (medida centro a centro del aro) perpendicular a la dirección del cortante [cm] En el caso de columnas circulares, se establece: : razón del volumen de los aros respecto al volumen del núcleo confinado por dicho refuerzo. : Área bruta de la columna [cm - ] : Áreas del núcleo interior confinado de la columna [cm - ] Aspectos prácticos y detalles constructivos de columnas El proceso constructivo de una columna requiere de verificar los siguientes aspectos: Asegurarse que la formaleta o encofrado está debidamente apoyada y arriostrada de manera que durante el vertido de concreto no se abran las caras ni se produzca un desplome (pérdida de verticalidad de la columna). Vaciado del concreto Puntales (arriostres) Durante la colocación de la formaleta garantizar el recubrimiento, mediante helados, en todas las caras de la columna. No es recomendable verter concreto a alturas mayores a -.0m si no se tienen ventanas (aberturas de control) en la formaleta. SEMANA 1_11 May 7

8 El proceso de curado debe iniciarse apenas se quite la formaleta (al día siguiente de la chorrea) y se prolongará por al menos 14 días. Columna Vigas de fundación SEMANA 1_11 May 8