Curso Diseño en Hormigón Armado según ACI 318-14 SANTIAGO 27 y 29 Octubre 2015 Contenido Introducción Vigas Columnas Nudos Diseño sísmico de marcos Clase: Diseño de Marcos (vigas, pilares y nudos) Relator: Hernán Santa María, Universidad Católica Nuevos capítulos de diseño de miembros 318-14_CrossReference_2014to2011 318-14_CrossReference_2011to2014 Capítulos dedicados al tipo de miembro Aseguran el cumplimiento total del Reglamento Siguen el orden normal de diseño de la estructura 1
Secciones comunes vigas y columnas X.1 Alcance X.2 Generalidades X.3 Límites de diseño X.4 Resistencia requerida X.5 Resistencia de diseño X.6 Límites del refuerzo X.7 Detallado del refuerzo Capítulo 9 Vigas 9.1 Alcances Incluye no preesforzado y preesforzado Vigas compuestas Viguetas en una dirección Vigas de gran altura Materiales 9.2 Generalidades Concreto Capítulo 19 Acero de refuerzo Capítulo 20 Conexiones Nudos viga-columna construidos en si3o Capítulo 15 Prefabricadas 16.2 2
9.3 Límites de diseño 9.4 Resistencia requerida Altura mínima Límites a la deformación unitaria mín 0,004 Capítulo 24 Requisitos de funcionamiento Deflexiones calculadas límites 24.2.2 Esfuerzos límites en concreto preesforzado Cargas combinaciones de cargas Capítulo 5 Análisis Capítulo 6 M u, V u,t u Sección crítica Por ejemplo, V u a distancia d del apoyo 9.5 Resistencia de diseño φm n M u, φv n V u, φt n T u, φp n P u φ 21.2 Capítulo 22 Resistencia de las secciones de los miembros M n 22.3 Para P u > 0.10f c A g, M n 22.4 V n 22.5 T n 22.7 Torsión Puede despreciarse Si T u< φt th T th= umbral de torsión 22.7 Puede limitarse a T u = φt cr Si es posible una redistribución T cr= torsión fisuración 22.7.5 T cr= 4 T th T n 22.7 Verificar los límites de la sección 22.7.7 3
9.6 Límites del refuerzo Refuerzo mínimo a flexión Refuerzo mínimo a cortante Refuerzo mínimo a torsión 9.6 Límites del refuerzo Refuerzo mínimo a flexión A s,min = mayor de 0.25 f c b w d/f y y 1.4b w d/f y Usar b w = menor de (b f ó 2b w ) para determinar si el ala está en tracción Previene falla frágil O colocar A s = (4/3) A s,req. 9.6 Límites del refuerzo 9.7 Detallado del refuerzo Refuerzo mínimo a torsión Colocar donde T u > φt th (A v +2A t ) min /s = mayor de 0.062 f c b w /f yt y 0.35b w /f yt Igual al mínimo para cortante A l,min = menor de: 0.42 f c A cp /f y (A t /s)p h f yt /f y y 0.42 f c A cp /f y (0.175b w /f yt )p h f yt /f y Recubrimiento de concreto 20.6.1 Longitudes de desarrollo 25.4 Empalmes por traslapo 25.5 Barras en paquete 25.6 S mín 25.2 S máx 24.3 (control de fisuración) 4
9.7 Detallado del refuerzo Refuerzo superficial Desarrollo de la barra/puntos de terminación Refuerzo longitudinal para torsión Refuerzo transversal Refuerzo para integridad estructural 9.7 Detallado del refuerzo 9.7.2.3 Refuerzo superficial h > 900 mm Distribuir en los h/2 desde la cara en tracción s max 24.3 (control de fisuración) 9.7 Detallado del refuerzo 9.7.5 Refuerzo longitudinal para torsión s < 300 mm d b de la barra para torsión > 0.042 x espaciamiento del refuerzo transversal Extender (b t + d) más allá de donde se necesita Debe desarrollarse en la cara del apoyo 9.7 Detallado del refuerzo 9.7.6 Refuerzo transversal Requisitos generales 25.7 (p. ej. anclaje) Para cortante: estribos, estribos cerrados de confinamiento, o barras dobladas s max menor de (d/2, 600 mm) para V s 0.33 f c b w d, en los otros casos, s max se reduce a la mitad Para torsión: Estribos cerrados o estribos cerrados de confinamiento Extender b t + d más allá de donde ya no se necesita s max menor de (p h /8, 300 mm) 5
9.7 Detallado del refuerzo 9.7.7 Refuerzo de integridad estructural 9.7.7.1 vigas perimetrales 1/4 M + y1/6 M - (mínimo 2 barras) continuas; y estribos cerrados o estribos cerrados de confinamiento 9.7.7.2 otras vigas 1/4 M + (mínimo 2 barras) continuas; o Estribos cerrados o estribos cerrados de confinamiento Deben pasar a través del núcleo de la columna Deben desarrollarse en la cara del apoyo Empalmar las barras inferiores en o cerca del apoyo, las barras superiores en el centro del vano Capítulo 10 Columnas 10.1 Alcance de columnas Cubre concreto no preesforzado y preesforzado Concreto Compuesto y miembros de acero No se incluye en este capítulo concreto simple en columnas Capítulo 14 Materiales 10.2 Generalidades Concreto Capítulo 19 Acero de refuerzo Capítulo 20 Elementos embebidos 20.7 Columnas compuestas Perfiles de acero estructural para columnas compuestas Capítulo 20 6
Conexiones 10.2 Generalidades Nudos construidos en sitio: viga-columna y losa-columna Capítulo 15 Prefabricados 16.2 Cimentaciones 16.3 10.3 Límites de diseño Dimensiones de las columnas No hay tamaños mínimos explícitos Formas irregulares Tratar como circulares Más grandes de los necesario Área efectiva ½ área total Área efectiva mínima = ½ área total No se permite en pórticos a momento Columnas en muros 40 mm fuera de los estribos Espirales entrelazadas Mínimo el recubrimiento requerido fuera de las espirales 10.4 Resistencia requerida Cargas Capítulo 5 Análisis Capítulo 6 Considerar P u y M u simultáneamente V u Esbeltez de la columna (Análisis de 2º orden) 6.2.5 (ignorar efectos) 6.6.4 (magn. de momentos) 10.5 Resistencia de diseño Como en vigas φp n > P u, φm n M u 22.4 φv n > V u 22.5 φt n > T u Capítulo 9 (si es necesario) Factores de reducción, φ 21.2 Fig. R10.4.2.1 7
10.6 Límites del refuerzo Concreto no preesforzado y preesforzado Mínimo A st = 0.01 A g Máximo A st = 0.08 A g Aplica también en regiones de empalmes Crea problemas de congestión de refuerzo Los máximos del refuerzo prevén problemas de congestión y consolidación del concreto 10.6 Límites del refuerzo Refuerzo a cortante mínimo Similar a vigas Requerido donde V u > (0.5) φv c A v,min = mayor de 0.063 1.4 10.7 Detallado del refuerzo 10.7 Refuerzo longitudinal Como en vigas Recubrimiento de concreto 20.6.1 Longitudes de desarrollo 25.4 Barras en paquete 25.6 Espaciamientos mínimos 25.2 Único para columnas Barras longitudinales mínimas Barras dobladas por cambio de sección Empalmes Refuerzo transversal Número mínimo de barras Estribos triangulares Barras en estribos cerrados de confinamiento circulares Estribos rectangulares Estribos circulares BUENA PRÁCTICA Usar 8 barras en disposiciones circulares Espirales o estribos cerrados de confinamiento circulares 8
10.7 Barras dobladas por cambio de sección Empalmes Pendiente: 1 to 6 Paralelas a los lados arriba y abajo 6 1 Tipos permitidos Por traslapo Mecánicos Soldados a tope Apoyo a tope Longitud del empalme 25.5 Empalme por traslapo Empalme mecánico a tope Empalme soldado a tope (similar) Refuerzo transversal Requisitos mínimos de detallado Estribos sección 25.7.2 Espirales sección 25.7.3 Estribos cerrados de confinamiento sección 25.7.4 Refuerzo transversal Estribos Deben conformar un anillo cerrado Espaciamiento libre 4/3 d agg Espaciamiento menor de: 16 d b de barra longitudinal 48 d b del estribo Dimensión menor del miembro Apoyo lateral a: Barras de esquina Barras longitudinales alternas > 150 mm espaciamiento libre Ganchos estándar alrededor de la barra 9
Estribos circulares Refuerzo transversal Distancia entre extremos del traslapo 150 mm Ganchos estándar alrededor de una barra en los extremos Traslapos escalonados Espirales Refuerzo transversal Continuas con espaciamiento uniforme Espaciamiento libre 4/3 d agg y 25 mm espaciamiento libre 75 mm Diámetro de la barra 9.5 mm para concreto construido en sitio Anclada por medio de una vuelta y media adicional Refuerzo transversal Estribos cerrados de confinamiento Estribos cerrados o enrollados continuamente Ganchos sísmicos en los extremos Pueden estar compuestos por varios elementos Estribo cerrado de confinamiento de una pieza Estribo cerrado de confinamiento de varias piezas Refuerzo transversal Soporte lateral de barras longitudinales Estribos o estribos de cerrados de confinamiento ½ espaciamiento por encima de losa ½ espaciamiento por debajo del refuerzo inferior de la losa, ábaco o descolgado de cortante 75 mm por debajo del refuerzo inferior de la viga menos alta Espirales Parte superior de la losa Parte superior de espiral Tabla 10.7.6.3.2 Espaciamiento de estribos cerrados de confinamiento en columnas 10
Refuerzo transversal Refuerzo transversal Barras dobladas por cambio de sección Estribos, estribos cerrados de confinamiento, espirales, o construcción del piso Resistir 150% de la componente horizontal de la barra doblada (~25% of fuerza en la barra) A no más de 150 mm del doblez 150 mm Sección 10.7.6.5 Refuerzo a cortante Estribos, estribos cerrados de confinamiento o espirales 15.1 Alcance Capítulo 15 Nudos Viga-Columna y Losa-Columna Detallado de elementos construidos en sitio: Nudos viga-columna Nudos losa-columna Viga Losa Columna Columna 11
15.2 Generalidades 15.4 Detallado de la conexión Transmisión de la fuerza axial de la columna a través del sistema de piso 15.3 Cortante que se derive de momento de la transmisión de momento entre viga/losa y la columna 15.4 Para sísmico 18.8 Nudos restringidos Apoyados en los 4 lados Para nudos que no están restringidos Área de todas las ramas del refuerzo transversal en cada dirección principal debe ser al menos la mayor de: 0.062 f' c bs/f yt y 0.35bs/f yt Columna Distribuya refuerzo a través de mayor altura de la viga Espacio ½ profundidad de la viga menos alta * 15.4 Detallado de la conexión Si el refuerzo longitudinal de vigas y columnas se empalma o termina en un nudo: Coloque refuerzo transversal cerrado en el nudo 10.7.6 No se requiere este refuerzo en los nudos restringidos Sección 15.4.2.2 El espaciamiento del refuerzo transversal mitad de la viga de altura menor Capítulo 18 Estructuras sismo resistentes Sistemas ordinarios (Min. para CDS B) Vigas Columnas 18.3 Sistemas intermedios (Min. Para CDS C) Vigas Columnas Nudos Viga-columna Losa en dos direcciones Muros estructurales prefabricados 18.4 Sistemas (CDS D, E, F) Vigas Columnas Nudos viga-columna Pórticos a momento usando concreto prefabricado Diafragmas y cerchas Miembros que no son parte del sistema de resistencia ante fuerzas sísmicas Muros estructurales 18.5 12
18.3 Pórticos ordinarios Sección 18.3.2 Requisitos para vigas 2 barras continuas arriba y abajo Barras inferiores: A s A s,max /4 Ancladas en la cara del apoyo Sección 18.3.2 Requisitos para columnas Para l u 5c 1, diseñe para V u = menor de: Cortante basado en M n arriba y abajo Ω o Esubstituye a E 18.4 Pórticos intermedios Sección 18.4.2 Vigas Igual que en 18.3.2 (pórticos ordinarios) 18.4.2.2 Resistencia a momento En el apoyo: M n+ M n- /3 En cualquier sección a lo largo de la viga: M n+ y M n- 1/5 M n en los nudos 18.4 Pórticos intermedios 18.4.2.3 Resistencia a cortante, φv n > menor de: Cortante calculado con la resistencia nominal a momento en cada extremo Combinación que incluya fuerzas sísmicas con un factor 2.0E 18.4 Pórticos intermedios 18.4.2.4 Estribos cerrados de confinamiento Por 2h medidos desde cada extremo Primer estribo cerrado de confinamiento colocado a 50 mm del extremo Espaciamiento igual al menor de d/4, 8 d b, 24 d b, del estribo de confinamiento ó 300 mm 18.4.2.5 Resto de la viga Espaciamiento d/2 18.4.2.6. Si P u A g f c /10, los estribos cerrados de confinamiento deben cumplir los requisitos de estribos de columna de 25.7.2.2 y 25.7.2.3, y los de 25.7.2.4 para tamaño de las barras y barras no soportadas lateralmente 13
18.4 Pórticos intermedios Sección 18.4.3 Columnas Diseñe para V u = menor de: Cortante basado en M n arriba y abajo Ω o E substituido por E 18.4 Pórticos intermedios Refuerzo transversal Espirales No hay requisitos de espaciamiento Estribos cerrados de confinamiento Por una distancia l o, s o = menor de 8 d b longitudinal, 24 d b de estribo cerrado de confinamiento, ½ de la dimensión más pequeña de la sección y 300 mm Longitud l o = mayor de 1/6 luz libre, máxima dimensión de la sección transversal y 450 mm Primer estribo cerrado de confinamiento a s o /2 de la cara del nudo Columnas que soporten elementos rígidos discon3nuos (muros) 18.4.3.6 18.6.2 Límites dimensionales 18.6 Pórticos l n 4d b w menor de 0.3h y 250 mm Ancho de la viga a cada lado de la columna c 2 y 0.75 c 1 18.6 Pórticos 18.6.3 Refuerzo longitudinal 2 barras continuas arriba y abajo A s mayor de 0.25 f c b w d/f y y 1.4b w d/f y tanto arriba como abajo ρ 0.025 Resistencia a momento En los apoyos: M n+ M n- /2 En cualquier sección a lo largo de la viga: M n+ y M n- 1/4 M n en los nudos 14
18.6 Pórticos 18.6.3 Refuerzo longitudinal Empalmes rodeados por estribos cerrados de confinamiento o espirales s d/4, 100 mm en los empalmes de refuerzo Empalmes prohibidos: Dentro de los nudos A 2d del nudo A 2d de las secciones donde pueda haber fluencia a flexión 18.6 Pórticos 18.6.4 Refuerzo transversal Se requieren estribos cerrados de confinamiento: A 2d de la cara del apoyo A 2d a cada lado de las secciones donde pueda haber fluencia a flexión Deben dar apoyo a las barras a flexión como en columnas (25.7.2.4) Los ganchos suplementarios deben alternar sus extremos 18.6 Pórticos 18.6.4 Refuerzo transversal Primer estribo cerrado de confinamiento localizado a 50 mm de la cara de la columna El espaciamiento de los estribos cerrados de confinamiento no puede ser mayor que: d/4, 6 d b, y 150 mm Donde no se requieran estribos cerrados de confinamiento, el espaciamiento de estribos < d/2 Si P u A g f c /10, los estribos cerrados de confinamiento deben cumplir los requisitos de estribos de columna 18.6 Pórticos 18.6.5 Resistencia a cortante Diseñar para V e debido a la carga mayorada gravitacional y M pr en ambos extremos V c = 0 dentro de los 2d de cada extremo y 2d a ambos lados de donde pueda haber fluencia a flexión, cuando: V e 0.5V u,max y P u A g f c /20 15
18.7 Columnas de pórticos Límites dimensionales Resistencia mínima a flexión Refuerzo longitudinal Refuerzo transversal Resistencia a cortante 18.7 Columnas de pórticos Límites dimensionales Menor dimensión 300 mm Relación lado corto/lado largo 0.4 Resistencia mínima a flexión M nc (6/5) M nb, 18.7 Columnas de pórticos Refuerzo longitudinal Máximo A st = 0.06 A g Empalmes a tracción por traslapo solo en el ½ central de la columna y confinados por refuerzo transversal de acuerdo con 18.7.5.2 y 18.7.5.3 18.7 Columnas de pórticos Refuerzo transversal En l o l o = mínimo (dimensión de la columna, luz libre/6, 450 mm) Espirales o estribos cerrados de confinamiento Dobleces deben abrazar barras longitudinales Los extremos de los ganchos suplementarios deben alternarse Abrazar barras longitudinales de esquina y barras alternas Espaciamiento entre barras soportadas lateralmente 350 mm Si P u 0.3 A g f c ó f c > 700 MPa, abrazar todas las barras y el espaciamiento 200 mm 16
18.7 Columnas de pórticos refuerzo transversal Espaciamiento en l o = menor de: ¼ dimensión mínima de la columna 6 d b de la barra longitudinal s o = 100 mm + (350-h x )/3, (100 mm s o 150 mm) Refuerzo transversal mínimo según Tabla 18.7.5.4 para prevenir pérdida de resistencia cuando el recubrimiento se descascare Espaciamiento fuera de l o s no debe exceder 6 d b de la barra longitudinal ó 150 mm 18.7 Columnas de pórticos Tabla 18.7.5.4 refuerzo transversal de confinamiento A sh /sb c, si P u > 0,3A g f c ó si f c > 70 MPa, debe ser mayor que (c) 0,2k f k n P u / (f yt A ch ) k f = efecto alta resistencia del hormigón k n = efecto alto numero de barras longitudinales 18.7 Columnas de pórticos Sección 18.7.6 Resistencia a cortante Calcule V u usando M pr en cada extremo de la columna (125% f y ) Refuerzo transversal en l o calculado suponiendo V c = 0 cuando ocurran ambos: Cortante sísmico ½ V u y P u A g f c /20 18.8 Nudos de pórticos Los requisitos se aplican solamente a : Pórticos Nudos en los sistemas resistentes a cargas laterales 17
18.8 Nudos de pórticos Generales Las barras longitudinales de una viga: Supongaqueel refuerzo de tracciónporflexión= 1.25 f y Prolongue las barras de terminación hasta la cara del núcleo confinado de la columna más distante Ancle las barras de terminación, en tracción, de acuerdo con 18.8.5 y, en compresión, de acuerdocon 25.4.9 18.8.5 para tensión o 25.4.9 para compresión Extienda a la cara lejos del núcleo de columna Columna Viga 18.8 Nudos de pórticos Generales Donde las barras longitudinales de una viga atraviesen el nudo viga-columna, la dimensión mínima de la columna paralela al refuerzo de la viga 20 d b para concreto de peso normal 26 d b para concreto liviano La altura del nudo h ½ de cualquier viga que llegue al nudo Viga 20 d b o 26 d b ½ altura de viga h d b Columna 18.8 Nudos de pórticos Refuerzo transversal Debe satisfacer los requisitos para columnas en pórticos Excepción cuando existan vigas que lleguen a los cuatro lados del nudo y el ancho de cada viga mida por ¾ el ancho de la columna Reduzca A tr a la mitad, de acuerdocon 18.7.5.4 Aumente el espaciamiento a 150 mm, de acuerdo con 18.7.5.3 Aplicable sobre dentro de la altura de la viga menos alta 18.8 Nudos de pórticos Refuerzo transversal Donde barras de refuerzo longitudinal de viga pasan fuera del núcleo de la columna: Encierre con refuerzo transversal que pasa aunque columna Cumpla con los requisitos de espaciamiento de 18.6.4.4 (menos de d/4, 6d b longitudinal, o de 150 mm) También cumpla con 18.6.4.2 y 18.6.4.3 si no es encerrado por las vigas d Cumplacon 18.6.4.2 y 18.6.4.3 Refuerzode confinamiento 18
18.8 Nudos de pórticos 18.8 Nudos de pórticos Cortanteenel nudo V col = (M pr1 + M pr2 )/l V u = C b + T s V col V col Punto de inflexión supuesto en la columna (media altura) Resistencia al cortante Tabla18.8.4.1 A j = (profundidad del nudo) veces (ancho del nudo) l M pr1 M pr2 V col C b T s Punto de inflexión supuesto en la columna (media altura) V u V col 19