UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO DE ESTRUCTURAS

MANUAL DE DETALLES DE DISEÑO DE MIEMBROS DE PÓRTICOS RESISTENTES A MOMENTO (ESTRUCTURAS TIPO I, SEGÚN COVENIN

1756-98) DE LAS EDIFICACIONES DE CONCRETO ARMADO.

TRABAJO DE ASCENSO PRESENTADO ANTE LA UNIVERSIDAD DE CARABOBO PARA OPTAR AL CARGO DE PROFESOR TITULAR.

AUTOR:

Prof. Ing. Pedro Estrada Ghersi MSc.

Diciembre 2010

AGRADECIMIENTOS

Quiero expresar mi agradecimiento a Dios, a mi familia que

me apoya y soporta, a mis amigos y a la Universidad de Carabobo,

que me ha permitido desarrollarme como docente.

Un agradecimiento especial para mi hija Ana María Estrada,

Ingeniero Civil egresada de la Universidad de Carabobo, quien

colaboró en la elaboración del presente trabajo.

DEDICATORIA

Dedicado a los estudiantes de Ingeniería Civil de la

Universidad de Carabobo, esperando contribuir en algo con su

formación como profesionales capaces de la República de

Venezuela.

UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO DE ESTRUCTURAS

MANUAL DE DETALLES DE DISEÑO DE MIEMBROS DE PÓRTICOS RESISTENTES A MOMENTO (ESTRUCTURAS TIPO I, SEGÚN COVENIN 1756-98) DE LAS EDIFICACIONES DE CONCRETO ARMADO.

Autor: Ing. Pedro Estrada Ghersi. MSc.

RESUMEN

En nuestro país, se tiene conocimiento de gran actividad sísmica registrada a lo largo de nuestra historia. En sismos recientes de importantes magnitudes como el de Caracas (1967) y el de Cariaco (1997) se produjo el colapso de edificaciones y pérdidas humanas y materiales importantes. Fue a raíz del sismo de 1967 y en ese mismo año que se publicó la primera norma sísmica venezolana para el diseño de edificaciones, que tuvo carácter provisional, pero cuya vigencia duró hasta el año 1982, cuando se publicó la primera norma sísmica moderna, COVENIN 1756-82: Edificaciones Sismorrestistentes, con conceptos y consideraciones avanzadas de análisis y diseño de edificaciones. Actualmente, rige la norma COVENIN 1756-98 Edificaciones Sismorresistentes (1ª. Revisión 2001), que se aplica en conjunto con las otras normas COVENIN vigentes, privando sobre las demás en todos los aspectos concernientes a las acciones sísmicas y al diseño sismorresistente. Por otra parte, se tiene la Noma COVENIN 1753-06: PROYECTO Y CONSTRUCCION EN CONCRETO ESTRUCTURAL, que rige el diseño de las estructuras de concreto armado y cuyo capítulo 18 está dedicado al diseño sismorresistente, con disposiciones para los miembros clasificados como ND2 y ND3 sometidos a flexión y flexión y carga axial, así como otros miembros de edificaciones de concreto armado. Es de suma importancia para el ingeniero civil que diseña o construye edificaciones conocer y aplicar correctamente las disposiciones incluidas en este capítulo en los proyectos para garantizar el buen comportamiento y seguridad de las edificaciones durante y después de ocurrir un sismo. Ante este hecho, este trabajo pretende presentar las disposiciones incluidas en el Capítulo 18, con detalles de diseño, para ser utilizados por los estudiantes de los últimos semestres de Ingeniería Civil, principalmente los cursantes de las materias Concreto Armado II y Proyectos Estructurales Avanzados, para ilustrar y facilitar la comprensión y el manejo de las exigencias de diseño y construcción de las estructuras de edificaciones de concreto armado.

INDICE GENERAL

Contenido Agradecimientos…………………………………………..……………………………. Dedicatoria………………………………………………………………………………. Resumen………………………………………………………………………………… Introducción……………………………………………………………………………...

CAPITULO 1: EL PROBLEMA………………………………………………………...

1.1 Planteamiento del Problema………………………………………………

1.2 Objetivos……………………………………………………………………..

1.2.1. Objetivo General…………………………………………………

1.2.2. Objetivos Específicos……………………………………........... 1.3

Justificación…………………………………………………………........... 1.4

Alcance……………………………………………………………………… 1.5

Limitaciones…………………………………………………………........... CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO…………………………………………………….

2.1 Pórticos bajo la acción de fuerzas laterales……………………………..

2.2 Requisitos para el dimensionamiento y detallado de las estructuras …………………………………………………………………..

2.2.1 Requisitos para Vigas……………………………………...........

2.2.1.1 Refuerzo Longitudinal en Vigas………………………

2.2.1.2 Refuerzo Transversal en Vigas……..………………..

2.2.1.3 Solapes de Refuerzo en Vigas………………………. 2.2.2 Requisitos para

Columnas……………………………………… 2.2.2.1 Refuerzo Principal en

Columnas…………….............

i ii iii 6 8 8 9 9 9 10 10 10 11 11 12 14 15 17 18 19 21 24 27

Página

2.2.2.2 Refuerzo Transversal en Columnas………………… 2.2.3 Uniones Viga-

Columna…………………………………………

CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO………………………………………….

3.1 Tipo de Investigación……………………………………………...............

3.2 Población…………………………………………………………………….

3.3 Instrumentos de recolección de información…………………………….

3.4 Técnicas de procesamiento y análisis de información………………….

3.5.Fases de la investigación………………………………………………… CAPÍTULO IV: PROPUESTA………………………………………………………….

Figura Nº 01 Requerimientos dimensionales para vigas…………………… Figura Nº 02 Requerimientos por flexión para vigas……………………….. Figura Nº 03 Requerimientos para solapes…………………………………..

Figura Nº 04 Requerimientos para refuerzo transversal……………………

Figura Nº 05 Requerimientos para estribos………………………………….

Figura Nº 06 Requerimientos generales y dimensionales para Columnas (Flexión y

Compresión)……………………………. Figura Nº 07 Requerimientos del refuerzo

longitudinal……………………. Figura Nº 08 Requerimientos para el refuerzo transversal

espiral……….. Figura Nº 09 Columnas que soportan elementos rígidos (muros)

discontinuos……………………………………………………… Figura Nº 10 Requerimientos generales y requerimientos de refuerzo transversal para juntas no confinadas por miembros

estructurales………………………………………… Figura Nº 11 Requerimientos de refuerzo transversal para juntas confinadas por miembros

estructurales………………………. Figura Nº 12 Requerimientos transversales para refuerzo longitu-

31 31 31 31 32 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42

42 43 44 45 46 47 48 49 49 50 51

dinal de viga ubicada afuera del núcleo central de la columna…………………………………………………….

……. Figura Nº 13 Anclaje recto de refuerzo longitudinal de

vigas……………… Figura Nº 14 Requerimientos para vigas

ND2…………………………........ Figura Nº 15 Requerimientos para columnas Nivel de Diseño

2………….. CAPÍTULO V: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES……………………….

5.1 Conclusiones………………………………………………………………..

5.2 Recomendaciones………………………………………………………….

5.3 Bibliografía…………………………………………………………………..

5.4. Anexos………………………………………………………………………

INTRODUCCIÓN

Los sismos; temblores o terremotos, son vibraciones de la corteza

terrestre, que tienen su origen en diferentes fenómenos. En la mayoría de

los casos el origen es tectónico, causado por la liberación de energía

provocada por el deslizamiento brusco de dos placas tectónicas, al

volverse insoportable el nivel de las presiones acumuladas entre sus

bordes, debido a la tendencia de movimiento relativos entre las placas.

Otro Otros sismos tienen su origen en fenómenos volcánicos. Se conoce

también de casos causados por explosiones subterráneas.

Sea cual fuera el origen, la característica de la liberación de

energía es que se manifiesta en forma de ondas vibratorias que se

propagan a través de los estratos de la corteza. Estas ondas,

principalmente, ondas P de compresión, y ondas S de corte, son las que

al alcanzar la superficie terrestre ponen en peligro las edificaciones que

se encuentran sobre ella. La acción de las ondas se introduce a través de

las fundaciones y se generan fuerzas de inercia importantes en los

elementos de la estructura.

Además de las vibraciones mencionadas, se pueden producir otros

efectos, tales como la licuefacción de suelos, deslizamiento de laderas y

abertura de grietas en el suelo, que constituyen amenaza para las

edificaciones y otras estructuras existentes en la zona afectada.

En nuestro país, se tiene conocimiento de gran actividad sísmica

registrada a lo largo de nuestra historia. En sismos recientes de

importantes magnitudes como el de Caracas (1967) y el de Cariaco

(1997) se produjo el colapso de edificaciones y pérdidas humanas y

materiales importantes. Fue a raíz del sismo de 1967 y en ese mismo año

que se publicó la primera norma sísmica venezolana para el diseño de

edificaciones, que tuvo carácter provisional, pero cuya vigencia duró hasta

el año 1982, cuando se publicó la primera norma sísmica moderna,

COVENIN 1756-82: Edificaciones Sismorrestistentes, con conceptos y

consideraciones avanzadas de análisis y diseño de edificaciones.

Posteriormente fue editada en el año 1988 con el número 1756-87 y

declarada de carácter obligatoria en la Gaceta Oficial No. 33982 de ese

año. Actualmente, rige la norma COVENIN 1756-98 Edificaciones

Sismorresistentes (1ª. Revisión 2001), que se aplica en conjunto con

las otras normas COVENIN vigentes, privando sobre las demás en todos

los aspectos concernientes a las acciones sísmicas y al diseño

sismorresistente.

Por otra parte, se tiene la Noma COVENIN 1753-06: PROYECTO

Y CONSTRUCCION EN CONCRETO ESTRUCTURAL, que rige el diseño

de las estructuras de concreto armado y cuyo capítulo 18 está dedicado al

diseño sismorresistente, con disposiciones para los miembros clasificados

como ND2 y ND3 sometidos a flexión y flexión y carga axial, así como

otros miembros de edificaciones de concreto armado. Es de suma

importancia para el ingeniero civil que diseña o construye edificaciones

conocer y aplicar correctamente las disposiciones incluidas en este

capítulo en los proyectos para garantizar el buen comportamiento y

seguridad de las edificaciones durante y después de ocurrir un sismo.

Ante este hecho, este trabajo pretende presentar las disposiciones

incluidas en el Capítulo 18, con ejemplos y detalles de diseño, para ser

utilizados por los estudiantes de los últimos semestres de Ingeniería Civil,

principalmente los cursantes de las materias Concreto Armado II y

Proyectos Estructurales Avanzados, para ilustrar y facilitar la comprensión

y el manejo de los procedimientos y exigencias de diseño y construcción

de las estructuras de edificaciones de concreto armado.

CAPITULO I

EL PROBLEMA

El movimiento sísmico del terreno se transmite a los edificios a

través de sus fundaciones, induciéndolas a seguir el mismo movimiento.

Por inercia, la gran masa del edificio se opone a ser desplazada

dinámicamente y a seguir el movimiento de sus bases. Se generan

fuerzas inerciales que producen solicitaciones en los miembros de la

estructura que pueden poner en peligro la integridad y seguridad de la

edificación. Por la irregularidad del movimiento del terreno y la

complejidad de los sistemas estructurales de las edificaciones, el

problema requiere de grandes simplificaciones para poder ser analizado y

poder definir soluciones prácticas a los diseños de las estructuras.

El movimiento del terreno consta de vibraciones en forma de

ondas. Las características propias de las edificaciones hacen que estas

vibren de manera distinta al terreno. En efecto, las fuerzas inducidas en

una estructura son función de la intensidad del movimiento del terreno y

también de las propiedades de la estructura misma. Son proporcionales a

la masa de la edificación y función de las propiedades dinámicas que

definen su forma de vibrar.

Las fuerzas inerciales que se generan se transmiten a través de los

elementos de la estructura por trayectorias que dependen de la propia

configuración estructural. Estas fuerzas generan esfuerzos y

deformaciones que pueden afectar la estabilidad de la edificación. Pueden

resultar críticas las fuerzas en las uniones entre vigas y columnas, las

fuerzas cortantes en las columnas y la transmisión de las fuerzas a las

fundaciones.

Para resistir y absorber con seguridad estos esfuerzos y

deformaciones, los elementos de una estructura de concreto armado

deben diseñarse para que cumplan con estrictos requerimientos

dimensionales y de refuerzo de acero, que estipulan las Normas, que han

sido establecidos como producto de investigaciones y experiencias

obtenidas del comportamiento de estructuras ante sismos en todo el

mundo. El cumplimiento de estas disposiciones normativas ofrece una

garantía de un comportamiento favorable de la estructura en el evento de

que pueda ocurrir un sismo.

Es, por lo tanto, de primera importancia poner al alcance de todos

los ingenieros la información necesaria sobre las disposiciones

normativas que se refieren al diseño sismo resistente, de una manera

clara y comprensible, para que pueda ser correctamente aplicada en

todos los proyectos. Es en la Universidad, específicamente en la

formación de las nuevas promociones de ingenieros civiles, que debe

darse el primer esfuerzo importante para que estos conocimientos

actualizados sean parte del nivel estándar de información que maneje el

egresado y que así lo aplique de forma rutinaria en los diseños que realice

en su ejercicio profesional.

Eso lleva a la inquietud de preguntar; ¿Puede la Escuela de

Ingeniería Civil aportar publicaciones con contenidos actualizados para

los estudiantes, en el área de diseño de estructuras sismo resistentes,

para suplir las deficiencias del mercado local?

Objetivos. Objetivo General: Elaborar un Manual de Detalles de Diseño de Miembros de Pórticos Resistentes a Momentos (Estructuras Tipo I, según COVENIN 1756-98) de las Edificaciones de Concreto Armado. Objetivos Específicos: 1. Detallar los requerimientos de diseño de Miembros sometidos a Flexión Pura, tanto de Nivel de Diseño 2 (ND2) como Nivel de Diseño 3 (ND3). 2. Detallar los requerimientos y presentar Detalles de Diseño de Miembros sometidos a Flexión y Carga Axial, tanto de Nivel de Diseño 2 (ND2) como Nivel de Diseño 3 (ND3). Justificación. Debido al deterioro económico del país, cada vez es más difícil

obtener en las librerías locales publicaciones actualizadas sobre el tema.

Efectivamente, el control de cambio existente hace más complicada y

costosa la importación de libros de texto de edición reciente, con

información actualizada sobre el diseño de estructuras sismo resistentes.

Por otro lado, el alto precio de los pocos textos que se encuentran en el

mercado local los hace poco accesibles a la mayoría de los estudiantes

de ingeniería civil.

El presente trabajo pretende ser utilizado como publicación para el

uso de los estudiantes, con toda la información más actualizada para el

detallado de estructuras, expuestas de manera comprensible y aplicable a

los diseños y accesible a través de la Universidad, a un precio moderado,

comparado con textos importados.

Alcance. El presente trabajo pretende presentar lo concerniente al diseño y

detallado de miembros pertenecientes a Pórticos Resistentes a

Momentos, Especiales e Intermedios, como los define el Código ACI-

318 en su capítulo 21, o Estructuras Tipo I, según la clasificación

establecida en el Capítulo 6 de la Norma COVENIN 1756-01.

Limitaciones. En el presente trabajo se expondrá el detallado y los chequeos

requeridos para los miembros indicados en el alcance, con ejemplos

ilustrativos. Las deducciones de las expresiones utilizadas, así como las

teorías subyacentes no son parte del contenido.

Así mismo, los detalles se basan en las disposiciones contenidas

en las Normas COVENIN 1753 y 1756 y el Código ACI-318, Capítulo 21.

CONCLUSIONES

Los detalles que se muestran en el presente trabajo son de aplicación obligatoria en los diseños y son independientes de los resultados numéricos de los cálculos, sobre los cuales generalmente prevalecen. El refuerzo transversal en vigas y columnas se coloca con según los criterios de confinamiento, soporte lateral para el refuerzo longitudinal y aportar resistencia al Corte. Los dos primeros criterios, en la mayoría de los casos de diseño, son los que gobiernan los diseños. Las restricciones de las zonas de solape y los requerimientos de estribos cerrados a lo largo de los mismos, produce un gran incremento en la cantidad de refuerzo transversal y, como consecuencia, del promedio de refuerzo por metro cúbico de construcción de vigas y columnas. Las estructuras diseñadas con la aplicación de los detalles presentados tendrán una probabilidad mayor de presentar un comportamiento adecuado y seguro ante el sismo. Obviamente, depende también de la cantidad adecuada de refuerzo longitudinal colocado en vigas y columnas. Es de vital importancia resguardar la integridad de los nodos, que son los elementos críticos de los marcos, por los cual es de suma importancia su correcto diseño, incluyendo los aspectos dimensionales y de refuerzo. Debe tenerse mucho cuidado con la reducción de la sección de las columnas en los edificios altos. Los requerimientos de columna fuerte/viga débil obligan a que la sección de la columna se mantenga con poca variación hacia los pisos más elevados. Es de suma importancia también la aplicación de criterios adecuados en la estructuración de las edificaciones, para así evitar distorsiones y concentraciones de esfuerzos que requieran cantidades excesivas de refuerzo. A través de aplicación de la Norma COVENIN 1753:2006 se garantiza el diseño de estructuras seguras y eficientes, con excelentes probabilidades de presentar un comportamiento eficaz ante la acción del sismo.

RECOMENDACIONES

Deben aplicarse siempre los criterios correctos y adecuados de estructuración en el proyecto de las edificaciones de concreto armado. Esto reducirá la aparición de distorsiones y concentraciones de esfuerzos excesivos en zonas críticas de los miembros estructurales. El diseño de las secciones de vigas y columnas debe realizarse utilizando combinaciones de barras, como refuerzo longitudinal, que reduzcan la necesidad de cantidades excesivas de refuerzo transversal para su soporte lateral. Esto servirá para racionalizar el uso de refuerzo transversal, de alguna manera compensando el requerimiento obligatorio de confinamiento en zonas extremas de los miembros y a lo largo de los solapes. El diseño de columnas debe ser realizado con el criterio de que la carga mayorada se mantenga por debajo de un valor recomendado de 0,45AgF´c, y que el porcentaje de área del refuerzo longitudinal este alrededor del 2% de la sección transversal de la columna. Esto proporcionará una buena rigidez y requerirá menor cantidad de refuerzo transversal de confinamiento. En edificaciones altas, mayores de 10 pisos, se recomienda la utilización de concretos de resistencias más elevadas, con valores nominales superiores a los 300 kg/cm2. Deben utilizarse los programas o software adecuados para el cálculo y diseño de las estructuras de concreto armado. Deben favorecerse aquellos programas que realicen los diseños y chequeos exigidos por la Norma COVENIN, tales como chequeos de juntas, de derivas, etc. Los diseños deben apegarse estrictamente a los requerimientos de la Norma COVENIN 1753:2006, para maximizar las probabilidades de presentar un comportamiento seguro y eficaz ante la acción del sismo.

CAPITULO II

MARCO TEÓRICO

2.1 Pórticos bajo la acción de fuerzas laterales.

En el diseño sísmico es importante el análisis estructural de

marcos o pórticos de edificios bajo la acción de fuerzas laterales, así

como el cálculo de sus rigideces. Existen muchos métodos, aproximados

y exactos, para lograr este objetivo, cuyo estudio no es tema de este

trabajo. Sin embargo, en la actualidad existen varios paquetes de

software que permiten al ingeniero realizar simulaciones, análisis y

diseños estructurales tanto en el plano, como espaciales, de gran

precisión. Esto ha simplificado el proceso de diseño, que actualmente se

hace de forma automática. Pero este hecho no exime al ingeniero de su

responsabilidad como autor del diseño adoptado, por lo que se hace

necesaria la revisión detallada de los datos de salida de las corridas

realizadas con los programas de diseño, para lo cual es indispensable

que el profesional posea el dominio de los procedimientos y de los

requisitos de diseño.

El análisis estructural debe ser realizado considerando por

separado los distintos casos de carga, a saber: cargas por gravedad,

tanto permanentes como variables, y fuerzas laterales por sismo. El

análisis sísmico puede ser por el método dinámico o el estático

equivalente y como resultado se obtienen las solicitaciones respectivas;

flexión, corte, carga axial, torsión, etc.

El efecto de las fuerzas laterales sobre un pórtico genera esfuerzos

en los miembros y también desplazamientos laterales, con distorsiones

angulares en los miembros que flexionan, tanto vigas como columnas. Se

generan altos esfuerzos en las uniones de las vigas y columnas. Las

uniones o “nodos” deben mantener su integridad para evitar el

“desmembramiento” y consecuente colapso parcial o total de la

estructura.

Para el diseño de los miembros, vigas y columnas, así como sus

uniones, considerando la acción sísmica, se combinan las solicitaciones

obtenidas por separado de los análisis realizados, aplicando factores de

mayoración, utilizando las combinaciones de mayoración que se indican

en la Tabla 9.3 del Capítulo 9 de la norma COVENIN 1753 y que se

transcriben a continuación:

9.1 U = 1,4 (CP + CF)

9.2 U = 1,2 (CP + CF + CT) + 1,6 (CV + CE) + 0,5 CVt

9.5 U = 1,2 CP + γCV ± S

9.7 U = 0,9 CP ± S

Como resultado de considerar el cambio de signo de la solicitación

producida por la acción del sismo, que refleja el cambio de sentido de la

fuerza sísmica debido a la naturaleza vibratoria del movimiento, la

envolvente de diseño que resulta, a flexión y corte, presenta valores

duales en todas las secciones a lo largo de los miembros. En el diseño a

flexión, esta inversión de momentos hace obligatoria la colocación de

acero de refuerzo en ambas caras de las vigas, en toda su longitud.

En el diseño por corte, la colocación de refuerzo, formado por

ligaduras o estribos cerrados, se hace considerando tanto la necesidad de

resistir las solicitaciones mayoradas como también la necesidad de

proporcionar confinamiento lateral en ciertas zonas de las vigas, para que

su comportamiento sea lo más favorable.

2.2 Requisitos para el dimensionamiento y detallado de las

estructuras.

Ya se ha mencionado que uno de los aspectos fundamentales del

diseño de estructuras resistentes a sismos es lo relativo al

dimensionamiento y detallado de los miembros estructurales y de sus

conexiones, de manera de lograr un comportamiento adecuado, similar al

supuesto en el análisis.

Los criterios modernos de diseño consideran que, en lugar de

diseñar estructuras muy rígidas, capaces de resistir las solicitaciones

generadas por un sismo de gran intensidad manteniéndose dentro del

rango de comportamiento elástico, es preferible una estructura de menor

rigidez, capaz de resistir sismos de mediana intensidad dentro del rango

elástico, pero con capacidad de desarrollar mecanismos de deformación

inelástica, para disipar o aliviar la energía del sismo, sin llegar al colapso.

Esto significa, de hecho, que los diseños se hacen reconociendo la

necesidad de que algunas secciones deben fallar bajo la acción de un

sismo severo, para actuar como válvulas de escape de energía, que de lo

contrario se acumularía poniendo en alto riesgo la integridad de toda la

estructura.

Por esta razón, es de gran importancia que las secciones

individuales puedan desarrollar la ductilidad necesaria y que la estructura

en su conjunto pueda, en caso de un sismo de gran intensidad,

deformarse de forma inelástica, permitiendo la disipación de energía del

sismo, sin llegar al colapso.

La norma sísmica venezolana indica valores de Factor de

Reducción de Respuesta R, que es el factor que divide las ordenadas del

espectro de respuesta elástico para obtener el espectro de diseño. Este

factor es un índice de la cantidad de energía que la estructura debe ser

capaz de disipar en el rango inelástico. En la tabla 6.4 de la Norma

COVENIN 1756-98 se indican los valores de R para estructuras Tipo I: 6

para ND3 y 4 para ND2. Esto significa que se permite que una estructura

cuyos miembros sean diseñados como ND3, que es el diseño más

detallado y exigente, pueda incursionar en el rango inelástico más que

una estructura cuyos miembros sean diseñados como ND2.

La capacidad de disipación de energía de una estructura dependerá del

número de secciones que realmente entren en el rango inelástico y por la

capacidad de deformación inelástica, o ductilidad, de las mismas.

En las estructuras de concreto armado, la resistencia a compresión

del concreto tiene poca influencia en el nivel de ductilidad que pueda

desarrollar la estructura, pero es importante que la resistencia sea

homogénea en las secciones. Se requiere entonces un estricto control de

calidad del concreto, tanto de las propiedades de la mezcla, como

también del proceso constructivo; vaciado, compactación, vibrado y

curado, para evitar variabilidad en las propiedades del concreto que

produzca zonas débiles en la estructura, donde pueda concentrarse la

disipación de energía en forma no controlada y en secciones menos

favorables, como por ejemplo, en zonas no confinadas adecuadamente.

Por otra parte, es importante que el refuerzo posea un punto de

fluencia bien definido, por lo que se excluye el uso de aceros torcidos en

frío, con resistencias superiores a 4.200 Kg/cm2, ya que deben poder

formarse articulaciones plásticas con alta capacidad de rotación.

Igualmente, el acero frágil de alta resistencia puede sufrir daños locales

durante el manejo, que pudieran reducir su capacidad de deformación.

En pórticos resistentes a momentos, o Estructuras Tipo I, como los

define la norma COVENIN 1756, los miembros deben cumplir con ciertos

requisitos dimensionales y de refuerzo muy específicos, así como también

los “nodos” de conexión entre ellos. Deben satisfacerse condiciones y

detalles de diseño especiales que garanticen el comportamiento correcto

de la estructura según el modelaje asumido en el análisis. Estos requisitos

están indicados en el Capítulo 18 de la Norma COVENIN 1753-06 y en el

Capítulo 21 del Código ACI 318. A continuación se hace la exposición de

los mencionados requisitos, tal como se indican en la norma venezolana.

2.2.1 Requisitos para Vigas.

A continuación se presenta, en extracto, los requisitos para vigas

pertenecientes a sistemas resistentes a sismos:

18.3 NIVEL DE DISEÑO ND3. MIEMBROS SOLICITADOS A FLEXIÓN: VIGAS

18.3.1 Alcance

Las disposiciones de este Artículo se aplicarán a todas las vigas pertenecientes al sistema resistente a sismos, según la clasificación establecida en el Capítulo 6 de la Norma Venezolana 1756, dimensionados para resistir las solicitaciones inducidas por las acciones sísmicas. 18.3.2 Requisitos

Los miembros flexionados a ser diseñados de conformidad con el presente Artículo, deben cumplir con los siguientes requisitos:

a. La fuerza de compresión axial, determinada según las combinaciones de carga

previstas en el Artículo 9.3, no excederá de 0,1 A fc.

b. Además, deben satisfacer todas las condiciones geométricas que se enumeran a

continuación:

1. La luz libre Ln, debe ser por lo menos cuatro veces su altura total h.

2. La relación anchura/altura de su sección transversal es mayor o igual que 0,3.

Adicionalmente la altura de la viga será mayor o igual a 15 veces el diámetro de la mayor barra longitudinal de la columna donde se apoya.

3. La anchura mínima es de 25 cm.

4. La anchura máxima no debe exceder la anchura del miembro que le sirve de soporte,

medido en un plano perpendicular al eje longitudinal de la viga, más una distancia, a cada lado, no superior al 75% de la altura total de la viga.

5. Cuando la anchura de la viga sea mayor que la de la columna que le sirve de apoyo,

la profundidad de la columna será al menos 24 veces el diámetro de la mayor barra longitudinal de la viga fuera del núcleo.

6. Cuando la viga no cumple con lo dispuesto en 18.3.2 2. podrá ser usada cuando su

anchura sea menor que la de la columna que le sirve de apoyo y se verifique su estabilidad geométrica.

7. Se aceptará diseñar y detallar las vigas de modo que las rótulas plásticas por flexión

se formen alejadas de las caras de las columnas. Cuando se aplique este criterio se deberán verificar todos aquellos aspectos que garanticen la seguridad estructural de los miembros involucrados.

8. Las vigas acarteladas se analizarán y detallarán tomando en consideración sus

características geométricas y de comportamiento debiendo identificarse las zonas de mayor compromiso alejadas de la columna.

Las limitaciones dimensionales tienen como objetivos, en primer

lugar, evitar que la ductilidad de la viga se vea restringida o limitada por

problemas de pandeo lateral de la sección de la viga o por excesiva

rigidez, en caso del requisito número 1. En segundo lugar, se pretende

asegurar que la transmisión de momentos entre vigas y columnas pueda

realizarse sin que aparezcan esfuerzos importantes de corte o torsión. Por

ello los requisitos de relación ancho y excentricidad viga-columna.

2.2.1.1 Refuerzo Longitudinal en Vigas.

En cuanto a los requisitos del refuerzo principal (longitudinal) de

las vigas, el capítulo 18 contiene los siguientes requisitos para vigas ND3,

extraídos textualmente:

18.3.3 Diseño por flexión

En cualquier sección de un miembro flexionado, el área del acero de refuerzo mínimo en los lechos superior e inferior, se calculará con una de las siguientes ecuaciones:

Para

Para ,

y la cuantía máxima ρmáx no debe exceder de 0,025.

En cada sección del miembro habrá por lo menos una barra continua no menor de No. 4 en cada esquina. El detallado del acero de refuerzo longitudinal debe cumplir con las siguientes disposiciones:

a. En las caras de los apoyos, el acero de refuerzo del lecho inferior de la viga debe ser

tal que la capacidad para resistir momentos positivos sea por lo menos la mitad de la capacidad para resistir momentos negativos.

b. En cualquier sección a lo largo del miembro la capacidad resistente tanto de

momentos positivos como de momentos negativos, será por lo menos igual a la cuarta parte de la mayor capacidad resistente de la sección en la cara de los apoyos.

c. La disposición de las barras longitudinales del miembro cumplirá con los requisitos de

empalme y anclaje de la Sección 18.2.3 y el Artículo 12.4, respectivamente. El valor indicado de cuantía máxima está basado principalmente en

consideraciones constructivas, para evitar la congestión del acero de

refuerzo. Así mismo, el requerimiento de dos barras como mínimo en

cada cara está basado también en consideraciones constructivas más

que de comportamiento.

Para el diseño de las secciones de viga se debe cumplir con el

Artículo 10.2.6, aparte b), Secciones Controladas por Tracción, que se

reproduce abajo, y que tiene por objeto, indirectamente, limitar la cuantía

de acero al 50%, aproximadamente, de la cuantía balanceada, y así

garantizar que la sección pueda desarrollar una buena ductilidad en el

caso de alcanzar el momento de agotamiento.

b) Secciones controladas por tracción: Las secciones están controladas por tracción cuando la deformación neta a tracción en el acero de refuerzo más deformado a tracción

εs ≥ 0,005, al mismo tiempo que el concreto a compresión alcanza su deformación

máxima de εcu = 0,003.

Los requerimientos de los apartes a, b y c se deben a la necesidad

de garantizar resistencia uniforme en ambas caras de la viga en toda su

longitud.

2.2.1.2 Refuerzo Transversal en Vigas.

Por último, la Norma COVENIN también plantea requerimientos

para el refuerzo transversal, que debe cumplir funciones fundamentales

de resistencia y de confinamiento del refuerzo longitudinal. Estos

requerimientos se transcriben a continuación, extraídos textualmente:

18.3.4 Diseño del refuerzo transversal

El acero de refuerzo transversal en forma de estribos cerrados, tal como se definen en la Sección 7.2.2, debe confinar las siguientes zonas:

a. La porción comprendida entre la cara del apoyo y una distancia igual a Lcf, en ambos

extremos del vano.

b. Una distancia igual a Lcf, a cada lado de la sección en donde se considere probable

que ocurra la cedencia por flexión, a consecuencia de los desplazamientos laterales inelásticos en la estructura. Siendo

Lcf = Longitud de confinamiento calculada según las ecuaciones de la Tabla 18.3.4

TABLA 18.3.4 LONGITUD DE CONFINAMIENTO, Lcf

Ln/h Lcf

≤ 4 h

4< Ln/h ≤ 10

> 10 2h

En las zonas confinadas, los estribos deben ser cerrados y su separación s, no debe

exceder el menor de los valores siguientes:

1. d/4.

2. 8 veces el diámetro de la barra longitudinal de menor diámetro.

3. 24 veces el diámetro del estribo.

4. 30 cm.

En las zonas no confinadas, y a menos que el diseño por corte resulte más exigente, se

colocará acero de refuerzo transversal mínimo con una separación no mayor que 0,5d.

Los estribos se dispondrán de tal forma que las barras longitudinales resulten arriostradas, por lo que cumplirán con los mismos requisitos exigidos para las ligaduras en la Sección 7.5.2. Los ganchos arriostrarán las barras longitudinales periféricas y se proyectarán hacia el núcleo del miembro.

La cantidad y disposición de estribos permite asegurar ductilidad en

cualquier sección a lo largo de la viga, en caso de que se produzca un

agrietamiento diagonal. La exigencia de una zona confinada en los

extremos de las vigas es para permitir el desarrollo de grandes

ductilidades. En efecto, justamente en las zonas confinadas de las vigas

es que se permitirá la disipación de energía de la estructura, mediante la

falla de la sección por flexión, al alcanzar el momento de agotamiento, en

sismos severos. En estas zonas confinadas se considera nula la

contribución del concreto a la resistencia a corte.

2.2.1.3 Solapes de Refuerzo en Vigas.

Además de las especificaciones establecidas en el capítulo 12 de

la Norma COVENIN 1753, los empalmes por Solape deberán cumplir con

la sección 18.2.3, que se reproduce a continuación:

18.2.3 Empalmes Los empalmes, sean por solape, por soldadura o mediante conexiones mecánicas, cumplirán con el Artículo 12.3. Adicionalmente, los empalmes cumplirán con las siguientes restricciones:

a. No se permiten empalmes por solapes:

1. Dentro de los nodos.

2. En una distancia igual a Lcf, según las ecuaciones de la Tabla 18.3.4.

3. En ninguna otra zona donde el análisis estructural indique que debido a las posibles

incursiones de la estructura en el dominio no elástico de la respuesta, el acero de refuerzo por flexión alcance su tensión cedente.

b. En toda la longitud de solape se colocará acero de refuerzo transversal formado por

estribos cerrados, que cumplan con los requisitos del acápite b de la Sección 7.2.2,

siendo la separación no mayor que d/4 ó 10 cm.

c. En las columnas, solo se permite solapar dentro del tercio central de la altura libre del

miembro. Estos empalmes se diseñarán como empalmes por tracción y deberán quedar

confinados por ligaduras cerradas separadas a una distancia no mayor que d/4 ó 10 cm.

En caso de utilizarse zunchos, el paso del zuncho no será mayor de 7,5 cm.

Los empalmes por solape del refuerzo están prohibidos en

regiones en las cuales se espera fluencia por flexión, ya que no se

consideran confiables en condiciones de carga cíclica dentro del rango

inelástico. Esto limita la ubicación de los solapes, que deben hacerse con

preferencia en las zonas de menores esfuerzos. Por este motivo los

solapes del refuerzo por momento positivo (As inferior) se diseñan

prácticamente al borde de la zona confinada, mientras que los solapes del

refuerzo por momento negativo (As inferior) se diseñan en la zona central

del tramo, a menos que el análisis indique que en esa zona pueda

formarse una articulación plástica por momento positivo, en efecto, que el

refuerzo por momento positivo pueda alcanzar la tensión cedente. El

refuerzo transversal de confinamiento para los empalmes por solape en

cualquier ubicación es obligatorio por la posibilidad de pérdida del

concreto del recubrimiento.

Según el espíritu de la Norma, los solapes se diseñan como Clase

B, según el Capítulo 12 de la Norma COVENIN, pudiendo ser diseñados

como Clase A en casos de excepción, cuando se cumplen las condiciones

favorables particulares requeridas (Ver Artículo 12.3.1, COVENIN 1753).

Los requisitos para empalmes por solape en tracción fomentan la

localización de los empalmes fuera de las zonas de esfuerzos de tracción

altos, hacia donde el área del acero proporcionado en la localización del

empalme sea por lo menos 2 veces la requerida por el análisis. En todo

caso es siempre preferible diseñar los solapes parciales y desfasados, en

lugar de solapes del 100% del refuerzo.

2.2.2 Requisitos para Columnas.

En un sistema estructural aporticado, las columnas son

fundamentales para el buen comportamiento estructural. Las columnas

deben poseer una resistencia apropiada, para trabajar de manera correcta

baja las acciones de carga y tener la rigidez suficiente para controlar los

desplazamientos. La resistencia a flexión de las columnas con respecto a

las vigas es sumamente importante y es lógico que deba ser mayor para

que las rótulas plásticas se formen en las vigas, permitiendo así la

disipación de energía que requiere el sistema en el caso de un sismo

severo.

De la misma manera que se hizo con las vigas, a continuación se

reproduce un extracto del Capítulo 18 de la Norma COVENIN, con los

requerimientos generales para las columnas de pórticos dúctiles:

18.4 NIVEL DE DISEÑO ND3. MIEMBROS SOLICITADOS A FLEXIÓN Y CARGA AXIAL: COLUMNAS 18.4.1 Alcance Los requisitos de este Artículo se aplicarán al diseño de todas las columnas pertenecientes al sistema resistente a sismos, según la clasificación de la Norma Venezolana 1756. 18.4.2 Requisitos Se diseñarán según el presente Artículo los miembros solicitados por una fuerza axial

mayorada que sea menor que 0,75 Afc′ y, además, satisfagan las siguientes

condiciones geométricas:

a. La menor dimensión transversal, medida a lo largo de una recta que pase por su

centro geométrico, no sea menor que 30 cm.

b. La relación entre la menor dimensión de la sección transversal y la correspondiente en

una dirección perpendicular, no sea inferior a 0,4

c. Para prevenir la falla por adherencia en concretos con agregado de peso normal, se

deberá cumplir la relación h/db según la ecuación (18-2), donde db, es el diámetro de la

barra longitudinal de mayor diámetro de la viga, cuando esta se extiende a través del nodo viga-columna.

(18-2)

Donde αa tomará un valor entre 0,08 y 0,10 de acuerdo a las consideraciones expuestas

en el Anexo H. Los valores de la ecuación 18.2 se incrementarán en un 30% cuando se trate de concretos con agregado liviano.

d. Los efectos de esbeltez no exceden los límites establecidos en el Artículo 10.6.

Los requisitos dimensionales o de geometría tienen como objeto

eliminar problemas de pandeo para deformaciones inelásticas grandes y

de asegurar que las columnas puedan participar eficientemente, junto con

las vigas que las unen, en la acción del pórtico.

2.2.2.1 Refuerzo Principal en Columnas.

En cuanto al refuerzo principal (longitudinal) de las columnas, se tienen

los siguientes requerimientos:

18.4.3 Resistencia mínima a la flexión de las columnas La resistencia a flexión de las columnas dimensionadas para resistir carga axial mayorada, en cada nivel, dirección de análisis, dirección de aplicación de la carga lateral y combinación de solicitaciones, podrá ser obtenida por los procedimientos indicados en las Subsecciones 18.4.3.1 ó 18.4.3.2. La verificación de la ecuación (18-3a) ó (18-3b), podrá obviarse cuando se demuestre analítica o experimentalmente que no se formará un mecanismo tal que comprometa la estabilidad del entrepiso en consideración. En el caso de reubicación de articulaciones plásticas en las vigas, se deberá justificar analítica o experimentalmente las modificaciones a los métodos contemplados en las Subsecciones 18.4.3.1 ó 18.4.3.2. 18.4.3.1 Procedimiento 1. Verificación por nodo. En cada nodo se verificará que se satisfaga la ecuación (18-3a):

Σ Mc ≥ 1,20 Σ Mv (18- 3a)

Σ Mc = Suma de momentos correspondientes a la resistencia teórica a flexión de las

columnas que se conectan en las caras del nodo, de tal manera que se opongan a los momentos de las vigas concurrentes. La resistencia a la flexión de las columnas debe calcularse para la carga axial mayorada, que sea consistente con la dirección de la fuerza lateral considerada, y que resulte en la menor resistencia a flexión.

ΣMv = Suma de momentos correspondientes a la resistencia teórica a flexión de las

vigas que se conectan en las caras del nodo, de tal manera que se opongan a los momentos de las columnas concurrentes. En sistemas estructurales con vigas T o L, donde la losa maciza esté en tracción por los momentos actuantes en las caras del nodo, el acero de refuerzo de la losa colocada en la anchura efectiva de ésta, según el Artículo 8.9, se supondrá que contribuye a la resistencia a flexión si tal refuerzo está debidamente anclado en una sección adyacente a la sección crítica. En los pisos constituidos por losas nervadas no se considerará el acero de refuerzo para efectos de resistencia a flexión. Cuando en algún nodo no se cumpla con la ecuación (18-3a) para las condiciones establecidas en el Artículo 18.4.3, la columna que se conecta por debajo del mismo deberá reforzarse en toda su altura, manteniendo la separación del acero de refuerzo transversal especificado en la Sección 18.4.5. Adicionalmente, deberá ignorarse la contribución positiva en la rigidez y resistencia lateral de dicha columna en la estructura. La condición establecida por la ecuación (18-3a) podrá obviarse cuando se trate de columnas que soportan directamente el techo. En estos casos, dichas columnas deben reforzarse en toda su altura, manteniendo la separación del acero de refuerzo transversal especificada en la Sección 18.4.5. 18.4.3.2 Procedimiento 2. Verificación por nivel. Las resistencias a flexión de las columnas en cada nivel, para las condiciones establecidas en el Artículo 18.4.3, deberán satisfacer la condición:

Σ Mcn ≥ 1.20 Σ Mvn (18-3b)

Σ Mcn = Suma de los momentos correspondientes a las resistencias teóricas a flexión de

todas las columnas que se conectan por debajo del nivel en consideración.

Σ Mvn = Suma de los momentos correspondientes al menos a las resistencias teóricas a

flexión en los extremos de cada una de las vigas del nivel en la dirección bajo consideración. Para el caso de vigas T o L, donde la sección de losa esté en tracción por los momentos actuantes en las caras de la junta, el acero de refuerzo de dicha sección de losa colocada en la anchura efectiva de ésta, según el Artículo 8.9, se considerará que contribuye a la resistencia a flexión si tal refuerzo puede desarrollarse en la sección crítica. Los momentos de las columnas se deben sumar de tal manera que se opongan a los momentos de las vigas según sea la dirección de análisis. 18.4.4 Acero de refuerzo longitudinal El acero de refuerzo longitudinal se determinará para la combinación más desfavorable de carga axial y momentos mayorados, considerando adicionalmente la Sección 18.4.3.

La cuantía geométrica ρ no será menor que 0,01 ni mayor que 0,06.

El límite inferior del área de refuerzo longitudinal es para controlar

las deformaciones dependientes del tiempo y para que el momento de

fluencia exceda al momento de fisuración. El límite superior obliga a que

las secciones de las columnas tengan dimensiones geométricas

importantes y se debe a la preocupación por la congestión del acero, por

la transferencia de carga desde los elementos del piso a las columnas,

especialmente en las construcciones de baja altura, y por el desarrollo de

grandes esfuerzos cortantes. El desprendimiento del concreto de

recubrimiento, que es posible que ocurra cerca de los extremos de la

columna en los pórticos de configuración normal hace vulnerables los

empalmes por traslapo de esas ubicaciones. Cuando se hace necesario

emplear empalmes por solape, estos deben estar ubicados cerca de la

mitad de la altura, donde las inversiones de esfuerzos probablemente

estén limitadas a un rango menor de esfuerzos que en los lugares

cercanos a los nudos. Se requiere de refuerzo transversal especial a lo

largo de los empalmes debido a la incertidumbre respecto a la distribución

de momentos a lo largo de la altura y la necesidad de confinar los

empalmes sometidos a inversiones de esfuerzos.

Como se puede notar la norma obliga a que la capacidad de

resistencia a flexión de las columnas calculada para la fuerza axial más

desfavorable sea un 20% mayor que la capacidad de resistencia a flexión

de las vigas, es decir cuando en la vida útil de la estructura ocurran

solicitaciones críticas, la columna será la sección más resistente por lo

que si se forman rótulas plástica estás serán en la viga.

Esta condición podrá obviarse cuando se trate de columnas que

soportan directamente el techo, o columnas de estructuras de hasta 2

pisos. En estos casos las columnas concurrentes al nodo deben

reforzarse en toda su altura, manteniendo la separación del acero de

refuerzo transversal especificada en las secciones 18.4.5.1 y 18.4.5.4.

Figura 2.11: Representación gráfica de la formación de rótulas plásticas en vigas y columnas. Fuente: Barros & Parra (2005)

El refuerzo longitudinal en las columnas debe proporcionar la

resistencia a flexocompresión necesaria para que las secciones en los

extremos de las columnas permanezcan en su intervalo de

comportamiento lineal, mientras que se forman articulaciones plásticas en

los extremos de las vigas. Se puede observar en la figura la importancia

que se presente este tipo de comportamiento.

2.2.2.2 Refuerzo Transversal en Columnas.

Los requisitos de refuerzo transversal en columnas tienen como

objetivo fundamental, además de la función básica de resistir el cortante,

proporcionar un alto grado de confinamiento en los extremos de las

columnas, donde pueden ser requeridos rotaciones importantes en

sismos severos.

La mejor y más efectiva forma de lograr este confinamiento es

mediante la utilización de refuerzo helicoidal. Sin embargo, este tipo de

refuerzo solo puede ser utilizado en columnas de sección circular y

MUCHA CAPACIDAD PARA DISIPAR ENERGÍA

SIN LLEGAR AL COLAPSO COLAPSO RÁPIDO

POCA CAPACIDAD PARA DISIPAR ENERGÍA

ROTULA PLÁSTICA EN VIGAS ROTULA PLÁSTICA EN COLUMNAS

eventualmente en secciones cuadradas. En las demás secciones el

confinamiento debe proporcionarse mediante la colocación de estribos de

varias ramas o combinaciones de estribos y grapas, colocadas de forma

de proporcionar soporte lateral adecuado al refuerzo principal, con

espaciamiento s que evite el pandeo lateral del refuerzo. A continuación

se reproduce como extracto los requerimientos del Capítulo 18 de la

Norma COVENIN:

18.4.5 Diseño del refuerzo transversal A menos que el diseño por corte según la Sección 18.4.6 requiera una cantidad mayor, se dispondrá el acero de refuerzo transversal por confinamiento especificado en las Subsecciones 18.4.5.1 a 18.4.5.4. El acero de refuerzo transversal especificado en las

Subsecciones 18.4.5.1 a 18.4.5.3, se dispondrá a lo largo de la longitud Lo, medida

desde cada cara del nodo y a ambos lados de cualquier sección en donde se considere probable que ocurra la cedencia por flexión, a consecuencia de los desplazamientos

laterales inelásticos en la estructura. La longitud Lo, será la mayor de:

a. La mayor dimensión de la sección transversal del miembro;

b. 1/6 de la altura libre del miembro;

c. 45 cm.

En la dirección del acero de refuerzo longitudinal, las ligaduras cerradas quedarán separadas a una distancia no mayor que:

1. Un cuarto de la menor dimensión del miembro;

2. Seis veces el diámetro de la barra longitudinal de menor diámetro;

3. El valor sx, definido por la ecuación (18-4):

(18-4)

Donde 10 ≤ sx ≤ 15 cm.

En la sección transversal del miembro estructural, las ligaduras cerradas, simples o

múltiples, se espaciarán en cada dirección una distancia hx, no mayor de 35 cm. centro a

centro. Véase la Figura H-XX. Cuando el acero de refuerzo transversal por confinamiento especificado en la Subsecciones 18.4.5.1 a 18.4.5.3 no se requiera en toda la altura de la columna, la longitud de la columna fuera de la zona confinada quedará reforzada con ligaduras cerradas, cuya separación, centro a centro, no excederá el menor de los dos valores siguientes:

1. Seis veces el diámetro de la barra longitudinal de menor diámetro;

2. 15 cm.

Cuando se utilicen zunchos o espirales como acero de refuerzo transversal, su separación máxima será 7,5 cm y la mínima 2,5 cm, además deben cumplir lo especificado en la Sección 7.5.1. 18.4.5.1 Acero de refuerzo helicoidal

La cuantía de refuerzo helicoidal, ρs, no será menor que la requerida por la ecuación

(10-5) respetando el límite inferior dado por la ecuación:

ρs ≥ 0,12 f´ c/fyt (18-5)

Podrá considerarse el efecto simultáneo de fuerza axial y momento, modificando la ecuación (18-5) según como se indica en el Anexo H 18.4.5.1. 18.4.5.2 Ligaduras En cada dirección principal de la sección transversal de la columna, el área total de las ligaduras cerradas, no será menor que el mayor de los valores dados por las ecuaciones

(18-6) y (18-7), donde hc, es la dimensión transversal del núcleo de la columna o de un

miembro de borde de un muro estructural, medida centro a centro del acero de confinamiento:

(18-6)

(18-7)

Como refuerzo transversal, se deberá utilizar ligaduras cerradas, simples o múltiples. Como complemento se podrán usar ligaduras de una rama, con igual diámetro y separación que las anteriores, de forma tal que cada extremo abrace una barra longitudinal. Los ganchos de las ligaduras, se doblarán a 135° y tendrán una longitud de 6 diámetros ó 7,5 cm, la que sea mayor. Podrá considerarse el efecto simultáneo de fuerza axial y momento, modificando las ecuaciones (18-6) y (18-7) según como se indica en el Anexo H-18.4.5.2 18.4.5.3 Núcleo del miembro Cuando el núcleo del miembro es capaz de resistir las solicitaciones que resultan de las combinaciones normativas incluidos el efecto del sismo, se pueden obviar las ecuaciones (10-5) y (18-6). Cuando el espesor del concreto medido por fuera del acero de refuerzo transversal excede 10 cm, se debe colocar acero de refuerzo transversal adicional con un espaciamiento no mayor a 30 cm. El espesor del concreto medido por fuera del refuerzo transversal adicional no debe exceder 10 cm.

El arreglo de estribos debe también reducir al mínimo la longitud de

las ramas de cada estribo, para evitar que estas se flexionen hacia afuera

por la presión del concreto del núcleo de la columna al tratar de

expandirse bajo carga axial. Por este motivo el arreglo debe cumplir con

requisitos dimensionales que se indican en el capítulo 10 de la Norma:

7.5.2 Ligaduras Las ligaduras para miembros comprimidos se ajustarán a las siguientes disposiciones:

a. Todas las barras longitudinales deben cercarse con ligaduras transversales de por lo

menos No. 3 (10M) para barras longitudinales No. 10 (32M) o menos, por lo menos No. 4 (12M) para barras mayores del No. 11 (36M) inclusive y para los grupos de barras longitudinales. En estructuras con Nivel de Diseño ND1 de hasta dos pisos, se permite usar para ligaduras el alambre corrugado y la malla de alambres electro soldados que tengan un área equivalente.

b. La separación vertical de las ligaduras no excederá el menor de los siguientes valores:

16 diámetros de la barra longitudinal, 48 diámetros de la ligadura, o la menor dimensión de la columna. Las estructuras con Nivel de Diseño ND1, ND2 o ND3 deben cumplir con los requisitos adicionales de la Sección 11.4.3, y las Secciones 18.3.4 y 18.7.4, respectivamente.

c. Las ligaduras se dispondrán de tal forma que cada barra longitudinal alternada y cada

barra esquinera tengan un soporte lateral proporcionado por el doblez de una ligadura que tenga un ángulo interno no mayor de 135. Ninguna barra sin soporte lateral estará separada de la barra soportada lateralmente más de 15 cm libres medidos sobre la ligadura. Cuando las barras longitudinales estén localizadas sobre el perímetro de un círculo, se pueden emplear ligaduras circulares.

d. Las ligaduras en las columnas se debe prolongarse dentro del nodo, según el Artículo

11.10.

e. Los pernos de anclajes dispuestos en las columnas o pedestales, deben estar

rodeados de acero de refuerzo transversal que al menos contenga cuatro de las barras longitudinales de la columna o pedestal. Este acero de refuerzo transversal consistirá de al menos dos barras N° 4 (12M) o tres barras N° 3 (10M), distribuidos dentro de los 15 cm. medidos desde el tope de la columna o pedestal.

El objetivo fundamental es evitar que las barras del refuerzo

longitudinal pandeen hacia afuera en el caso de desprenderse el

recubrimiento. Es necesario también que los extremos de los ganchos de

los estribos tengan la extensión requerida y que su doblez sea de 135º

hacia el interior de la columna, para evitar que el estribo pueda abrirse,

también al desprenderse el recubrimiento.

2.2.3 Uniones Viga-Columna.

Las conexiones o nodos de unión entre los elementos estructurales

que forman parte de los pórticos son zonas críticas para la estabilidad de

la edificación. Bajo la acción de un sismo, se presentan en los nodos

elevadas y complejas concentraciones de esfuerzos, que han dado lugar

a numerosos casos de fallas. Las fallas en los nodos son generalmente

del tipo frágil, por lo que se debe tener especial cuidado en su diseño, de

forma de que estén bien protegidos.

Es importante también la configuración estructural, evitando en lo

posible excentricidades que generen concentraciones desfavorables de

esfuerzos, que puedan causar fallas locales. También, la asimetría en

planta causa torsiones que producen fuerzas elevadas en algunos

elementos de la periferia de la edificación. Esto ha sido causa de

numerosas fallas en edificaciones.

La Norma COVENIN tiene los requerimientos que se transcriben a

continuación, para estructuras ND3:

18.5 NIVEL DE DISEÑO ND3. NODOS 18.5.1 Requisitos Los nodos viga-columna deben ser capaces de resistir en ambas direcciones principales,

las fuerzas cortantes debidas a los momentos máximos probables Mpr de las vigas y

columnas concurrentes a ellos, siempre que no sean menores que los cortes mayorados

Vu obtenidos del análisis con las combinaciones de solicitaciones. Para efectos de

cálculo, la tensión en los aceros de refuerzo a tracción de las vigas, se tomará mayor o

igual que 1,25 fy.

La resistencia de diseño del nodo, según la Tabla 9.4, se calculará con el factor de

minoración de resistencia φ = 0,85.

Un nodo se considera confinado, cuando en todas sus caras llegan miembros confinantes. Un miembro se considera confinante cuando cubre al menos ¾ partes de la cara del nodo. 18.5.2 Resistencia al corte Para concretos con agregado normal la resistencia teórica al corte del nodo, no excederá los siguientes valores:

Para nodos confinados, Vc = 5,3 fc′ Aj

Para nodos conectados por dos o tres miembros confinantes, Vc = 4,0 fc′ Aj

Para otros casos, Vc = 3,2 fc′ Aj.

Donde:

Aj = Área horizontal efectiva de la sección transversal del nodo en un plano paralelo al

acero de refuerzo que genera el corte en el nodo, igual al producto bj hj, en cm2.

bj = Anchura efectiva del nodo.

En vigas de menor anchura que la columna, la anchura efectiva del nodo es igual al menor valor entre: a) la anchura menor de la viga más la profundidad del nodo o; b) la anchura menor de las viga más dos veces la menor distancia perpendicular al eje de la viga, desde el borde de esta al borde la columna, sin exceder la anchura de la columna.

hj = Profundidad del nodo igual a la dimensión de la columna paralela a la dirección de

las vigas. Cuando se trate de concretos elaborados con agregados livianos, la resistencia teórica al corte del nodo, no debe exceder el 75% de las resistencias para concretos de agregado normal. 18.5.3 Acero de refuerzo transversal por confinamiento en los nodos

El acero de refuerzo transversal especificado en la Sección 18.4.5 se colocará dentro del nodo, a menos que el mismo esté confinado. En este caso, se permite reducir la cantidad del acero de refuerzo transversal al 50% de lo exigido por las Subsecciones 18.4.5.1 y 18.4.5.2, el cual será detallado según la Sección 18.4.5 en una altura igual a la menor altura de las vigas concurrentes y con una separación no mayor de 15 cm. Cuando en una dirección el nodo no está confinado por vigas, el acero de refuerzo transversal exigido por las Subsecciones 18.4.5.1 y 18.4.5.2 y detallado según la Sección 18.4.5, será dispuesto a través del nodo para suministrar confinamiento al acero de refuerzo longitudinal de la viga cuando este quede fuera del núcleo de la columna. 18.5.4 Longitudes de anclaje del acero de refuerzo longitudinal

El acero de refuerzo longitudinal de la viga que termine en una columna, se extenderá a la cara más lejana del núcleo confinado de la columna y se anclará en tracción de acuerdo con la Subsección 18.5.4.1 y en compresión según el Capítulo 12. 18.5.4.1 Barras con ganchos En concretos con agregados normales y cuando se trate de barras No. 3 a No. 11, la

longitud de transferencia de tensiones por anclaje Ldh para una barra con un gancho

estándar de 90°, no será menor que 8db, 15 cm o la longitud requerida por la ecuación

(18-9):

(18-9)

Para concretos con agregados livianos, los valores de la longitud de anclaje anteriormente mencionado, deben incrementarse en un 25%. En todo caso, el gancho de 90° de la barra, debe estar situado dentro del núcleo confinado de una columna o de un miembro de borde. 18.5.4.2 Barras rectas Para barras sin ganchos, cuyos diámetros no excedan al de la barra No. 11, la longitud de anclaje será: a) por lo menos igual a 2.5 veces la longitud exigida en la Subsección 18.5.4.1 cuando el espesor de concreto vaciado por debajo de la barra es igual o menor que 30 cm; y b) 3,25 veces la longitud establecida en la Subsección citada, cuando el espesor de concreto vaciado por debajo de la barra excede 30 cm. La longitud de anclaje a través del núcleo confinado de una columna o un miembro de borde, será igual al valor siguiente:

Ldm = 1,6 Ld – 0,6 Ldc (18-10)

Donde:

Ldm = Longitud de transferencia de tensiones requerida cuando la barra no está

totalmente contenida en el núcleo confinado.

Ld = Longitud de transferencia de tensiones por anclaje requerida en la presente

Subsección.

Ldc = Longitud de transferencia de tensiones de la barra, contenida en el núcleo

confinado.

Tres aspectos deben ser objeto de cuidado en el diseño de las

juntas:

1. El confinamiento del concreto en la zona de la unión.

2. La resistencia a fuerza cortante de la conexión.

3. El anclaje y la adherencia del refuerzo que termina en o atraviesa

la junta.

En cuanto al primer aspecto, es necesario prolongar el refuerzo

transversal de los extremos de la columna a través de los nodos, para

confinar también el núcleo de concreto de la junta viga columna. Cuando

la junta esta confinada por los cuatro lados por vigas, puede aumentarse

el espaciamiento del refuerzo transversal, sin que este espaciamiento

sobrepase los 15 cm., medido centro a centro.

Con respecto al corte en la junta, la capacidad por cortante de la

junta debe ser suficiente para que se desarrollen articulaciones plásticas

en los extremos de las vigas que llegan al nodo. Las fuerzas que

intervienen en el equilibrio del nodo se ilustran en la figura siguiente:

Figura 2.2. Fuerzas que intervienen en el equilibrio del nodo. (Fuente: Bazán-Meli).

Para evitar la formación de grietas diagonales, deben colocarse

estribos uniformemente distribuidos en la porción de la columna que

atraviesa el nodo. La resistencia por cortante se ve favorecida si el nodo

está confinado por vigas en sus cuatro lados, por lo cual la norma permite

un valor mayor de resistencia.

En cuanto al aspecto de la adherencia y anclajes, se presentan

características diferentes en las juntas extremas y las interiores. En el

primer caso, las barras deben anclarse mediante ganchos estándar, para

resistir las tracciones generados por los momentos flectores. Debe

proporcionarse una longitud Ldh dentro del núcleo de la junta, suficiente

para garantizar el anclaje y esta longitud es función del diámetro de la

barra que se ancla. Este requerimiento requiere de secciones de columna

con dimensiones suficientes para poder anclar las barras de refuerzo de

las vigas y a la vez condiciona el diámetro de barra que puede ser

anclado en el nodo.

En el caso de juntas interiores, en los que el refuerzo pasa a

través, en forma continua, se debe garantizar que no se produzca

deslizamiento del refuerzo en el nodo, y así evitar rotaciones inelásticas

excesivas durante un sismo. Para esto, la norma limita la dimensión

mínima de la columna en función del diámetro de la barra que se ancla a

través del nodo. Esta limitación es de 20 veces el diámetro de la menor

barra que pasa por la junta.

CAPÍTULO III

MARCO METODOLÓGICO

3.1 Tipo de Investigación.

El presente trabajo es una investigación de tipo factible, ya que se

encuentra orientada a proporcionar respuestas o soluciones; mediante la

elaboración y desarrollo de una propuesta, a problemas, requerimientos y

necesidades planteados en una determinada realidad, partiendo de

estudios y teorías ya establecidas.

A través de este trabajo se busca solucionar y mejorar el proceso

de diseño de estructuras de concreto armado sometidas a sismos,

proponiendo la utilización de un manual que ilustre los detalles y

requerimientos de diseño más recomendables para garantizar su

integridad y un comportamiento correcto.

3.2.- Población.

El manual que se plantea como solución en este trabajo podrá ser

utilizado por ingenieros civiles y estudiantes de ingeniería civil cursantes

de las materias Concreto Armado II y Proyectos Estructurales Avanzados.

3.3.- Instrumentos de recolección de información.

La investigación se basará en la recopilación de información de

diferentes textos bibliográficos, acerca de los requerimientos y detalles de

diseño que promuevan la integridad estructural de las edificaciones de

concreto armado ante las acciones sísmicas, así como también de las

diferentes normas y especificaciones que se deben tomar en cuenta para

el diseño que se encuentran en los códigos y normas de la construcción

civil.

3.4.- Técnicas de procesamiento y análisis de información.

Durante el proceso de investigación se analizarán diferentes

fuentes bibliográficas especializadas y recientes, así como las últimas

versiones tanto de la Norma Covenin (1753-2006 y 1756-2001), como del

código ACI (318-05).

Una vez realizada esta investigación documental, se elaborará un

manual de diseño con la información más relevante.

3.5.- Fases de la investigación.

Selección de Material Bibliográfico y Normas.

Esta selección se realizara a través de la identificación, revisión y

análisis de los diferentes textos de edición reciente, Normas vigentes y

trabajos antecedentes disponibles.

Elaboración del Manual.

Se plantea elaborar un Manual con un contenido teórico resumido

motivando los requerimientos de los diseños y posteriormente un capítulo

que contenga las especificaciones particulares y figuras detalladas.

CAPÍTULO IV

PROPUESTA

En el presente capítulo se desarrolla el conjunto de detalles y especificaciones de diseño que deben ser incorporados en los proyectos de edificaciones de concreto armado, compuestos por pórticos resistentes a momentos, tal como lo define la Norma COVENIN 1753:2006. Se presentan los detalles agrupados en dos (2) partes, a saber, con Nivel de Diseño 3 (ND3) y con Nivel de Diseño 2 (ND2). A su vez, los detalles ND3 se presentan clasificados en 3 Partes, que son, Vigas ND3, Columnas ND3 y Juntas ND3. Cada detalle se acompaña con un extracto del Articulado de la Norma COVENIN, con los artículos que le corresponden. Así, se da cumplimiento a los Objetivos del presente Trabajo, que se reproducen a continuación: Objetivo General: Elaborar un Manual de Detalles de Diseño de Miembros de Pórticos Resistentes a Momentos (Estructuras Tipo I, según COVENIN 1756-98) de las Edificaciones de Concreto Armado. Objetivos Específicos: 1. Detallar los requerimientos de diseño de Miembros sometidos a Flexión Pura, tanto de Nivel de Diseño 2 (ND2) como Nivel de Diseño 3 (ND3). 2. Detallar los requerimientos y presentar Detalles de Diseño de Miembros sometidos a Flexión y Carga Axial, tanto de Nivel de Diseño 2 (ND2) como Nivel de Diseño 3 (ND3).

Este compendio de detalles servirá de referencia rápida de consulta para estudiantes y profesionales en sus proyectos y trabajos. Es de hacer notar que cualquier consulta de mayor profundidad puede hacerse en el Capítulo 2 de este trabajo, donde se desarrolla el marco teórico.