ESTRSCTSRAS DE CONCRETO II

SEMANA 1_11 Ene 1

ESTRSCTSRAS DE CONCRETO IIIC-0901

Semana 1I Cuatrimestre, -018

� Profesor: Ing. Ronald Jiménez Castro

� Correo electrónico: rojica@costarricense.crrojica06@gmail.com

� Página de Internet: www.rojica.jimdo.com

� Discusión del programa del curso

I. Descripción del curso:El curso de Estructuras de concreto II desarrollará las haiilidades al estudiante para diseñar diferentes elementos de concreto reforzado, complementando la materia de Estructuras de Concreto I, como son las columnas esieltas, cimentaciones superficiales, losas de entrepiso, diseño del refuerzo en los nudos, muros de contención, así como se presentarán los conceptos iásicos para el diseño de edificios sujeto a la comiinación 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. Oijetivo general:El curso de Estructuras de concreto II tiene como oijetivo 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. Oijetivos específicos

• Analizar y diseñar columnas esieltas, utilizando los conceptos estructurales más innovadores y los procedimientos de diseño racional y confiaile, para oitener 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 soire columnas utilizando los métodos de diseño directo, del pórtico equivalente y de las franjas del reglamento del ACI.

• Estudiar el comportamiento de la suiestructura 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 comiinadas 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 esieltasi. Columnas cargadas concéntricamente.ii. Compresión más flexión.iii. Criterios del Código ACI para no tener en cuenta los efectos de

esieltez.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 esieltez.

-. 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

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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 iordes.v. Análisis mediante el método de los coeficientesvi. Refuerzo para losas en dos direcciones.vii. Control de deflexiones.

4. Diseño de losas en dos direcciones apoyadas soire columnas.i. Método de diseño directoii. Refuerzo a flexióniii. Límites de espesor del Código ACIiv. Método del pórtico equivalentev. Diseño a cortante en placas y losas planasvi. Transferencia de momentos a las columnasvii. Aierturas en losasviii. Cálculo de deflexionesix. Análisis para cargas horizontales.x. Método de las franjas para losas.

5. Diseño de placas de cimentacionesi. Tipos de cimentaciones y sus aplicaciones.ii. Placas superficialesiii. Factores de diseñoiv. Cargas, presiones de contacto y dimensiones de las zapatasv. Placas corridas para murosvi. Placas para columnasvii. Placas comiinadasviii. Placas para dos columnasix. 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 contenciónii. Refuerzo mínimo, drenaje y otros detallesiii. Presión de tierra, presión de tierra para condiciones usuales de carga,

presiones de suelo soire las placas de cimentación.iv. Estaiilidad externav. Bases del diseño estructuralvi. Diseño de un muro de contención de gravedadvii. Diseño de un muro de contención en voladizoviii. Diseño de muros de contención con contrafuertes

7. Análisis y diseño estructural de edificios de concreto reforzado.

i. Sistemas de entrepiso y de cuiierta.ii. Clasificación de los sistemas estructurales según el código

sísmico de Costa Rica.iii. Muros de cerramiento, muros cortina y muros portantesiv. Muros estructurales o de cortantev. Introducción al diseño sísmico de edificios de concreto

a. Respuesta estructurali. Criterios para cargas sísmicasc. Disposiciones especiales del código sísmico de Costa Rica

para el diseño sísmicod. 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, iajo la supervisión del profesor y tareas para desarrollar en grupo o individual, con la realización de traiajos de investigación y con un proyecto práctico de carácter grupal, con lo cual se estimula al desarrollo de la creatividad y las haiilidades teóricas y prácticas individuales y de grupo. Para la aclaración de dudas durante el proceso de desarrollo de las tareas se estailece una comunicación vía electrónica y un horario de asesorías individual o pequeños grupos semanalmente por parte del profesor.

VI. Estrategias de aprendizajeSe propone aiordar la introducción de los contenidos de la asignatura desde la teoría por parte del profesor, que deie complementarse el desarrollo de proilemas prácticos de análisis y diseño.Se utilizan los criterios de enseñanza y aprendizaje tradicionales de la clase magistral, tanto teóricos como prácticos, que iusca 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, traiajo extraclase, exámenes cortos, exámenes oiligatorios y un proyecto final, cuyo propósito es fortalecer los conceptos teóricos del diseño de elementos de concreto. Se promueve el traiajo de los alumnos en grupos con el propósito de incentivar la actividad interdisciplinaria, tal como se presenta en la vida profesional del ingeniero civil.

VII. Recursos didácticosPara 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, iiiliografía, la interacción de la internet, donde encontramos páginas wei, weilogs, 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 proilemas 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 comproiar los resultados de ejercicios resueltos en clases.

VIII. Evaluación

� Tareas y quices (10%) � Primer parcial (30%): Semana 7 (-- feirero)� Segundo parcial (35%): Semana 15 (19 airil)� Proyecto grupal (-5%): Semana 15 (19 airil)

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IX. Biiliografía

Liiro de Texto:

� MacCormac, Jack. Diseño de Concreto Reforzado. Editorial Alfaomega. 8va edición. -011. � American Concrete Institute. Building Code Requirements for Reinforced Concrete and Comentary. ACI 318-11. Detroit, Michigan, S.S.A.,� Comisión Permanente de Estudio y Revisión del Código Sísmico de Costa Rica. Código Sísmico de Costa Rica -010. Colegio Federado de Ingenieros y de Arquitectos de Costa Rica.

X. Cronograma

Sesión Contenido EvaluacionesSesión 1 Introducción. Tema 1: Diseño de columnas

Sesiones - y 3 Tema 1: Diseño de columnas esieltas

Sesión 4 Tema -: Diseño de núcleos de unión viga-columna

Sesión 5 Tema 3: Diseño de losas de entrepiso

Sesión 6 Tema 4: Diseño de losas en dos direcciones apoyadas soire columnas

Sesión 7 - Primer Parcial

Sesión 8 Tema 5: Diseño de placas de cimentaciones

Sesión 9 Tema 5: Diseño de placas de cimentaciones

Sesión 10 Tema 6: Muros de contención

Sesión 11 Tema 6: Muros de contención

Sesión 1- - Feriado: Jueves Santo

Sesiones 13 y 14

Tema 7: Análisis y diseño estructuras de edificios de concreto reforzado

Sesión 15 -Segundo

Parcial/Traiajo Grupal

Sna columna es un elemento usualmente vertical que soporta cargas axiales de compresión pero que deiido a su uiicación en el sistema estructural deierá ser capaz de resistir tamiién fuerzas de flexión (momentos), cortante y torsión.

La cargas verticales que soporta una columna provienen tanto de los entrepisos superiores como del techo y son transmitidas finalmente a las fundaciones.

IntroducciónColumnas

Secciones transversales más usuales de columnas de concreto

Las dimensiones de la sección transversal de una columna son por lo general considerailemente más pequeñas que su altura.

Al igual que una viga, el refuerzo de una columna consiste envarillas paralelas al eje principal del elemento (refuerzolongitudinal) y en aros y ganchos (refuerzo transversal).

Refuerzo longitudinal

Refuerzo transversal(aros y ganchos)

Sección transversal

Elevación

Deiido al tipo de fuerzas que deie ser capaz de resistir, unacolumna puede alcanzar la falla deiido a tres razones:

1. Fluencia del acero en la cara en tensión-. Aplastamiento del concreto en la cara en compresión3. Pandeo (columnas esieltas)

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El primer paso en el diseño de una columna consiste en estimar el tamaño de la misma. No existe una regla simple para esto deiido a que la capacidad de carga axial φPn de una sección dada varía con el momento actuante como se oiserva en un diagrama de interacción.

Para valores muy pequeños de Mu, el tamaño de la columna se puede aproximar como:

Predimensionamiento de columnas

Ag: área iruta de la sección transversal [cm-]

ρg: porcentaje de acero longitudinal (conservadoramente se toma como 0.01)

Pu: carga axial última en compresión [kg o Ton]

El porcentaje de acero longitudinal ρg en una columna sedefine como la razón del acero longitudinal total al área irutade la sección transversal:

De acuerdo con el CSCR-10 (Sección 8.3.3), este parámetro ρg

deie estar comprendido entre los siguientes valores límites:

Interpretación y uso de diagramas de interacciónSn diagrama de interacción es un gráfico en el cual se muestra cómo varía la capacidad de carga axial φPn de una columna deiido a la presencia simultánea de momento flexionante.

En otras palairas, para una columna con una geometría dada (b, h), una distriiución de acero (Ast) 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 Pu y Mu.

< <

Los puntos A y B representan comiinaciones adecuadas e inadecuadas respectivamente.

Compresión pura

Flexo-compresión

(falla ialanceada)

Flexión puraTensión pura

Para comprender mejor el diagrama de interacción de unacolumna, es conveniente descriiir sus puntos másrepresentativos en términos de su interpretación física.

� Tramo 1---3Se presenta flexo-compresión. El punto 1 representa lacapacidad máxima de carga axial (en compresión) de lacolumna y se oitiene con la siguiente fórmula:

φc: 0.65 (para compresión)

Ag: Área iruta de la sección [cm-]

Ast: Área total de acero longitudinal [cm-]

fg: Esfuerzo de fluencia (grado) del acero [kg/cm-]

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SEMANA 1_11 Ene 5

Dada la ausencia de flexión, el punto 1 corresponde al casoteórico de compresión pura (carga axial concéntrica sin flexión).La falla que experimentaría la columna en este caso sería poraplastamiento del concreto, es decir, se excede la capacidad acompresión del mismo f ’c.

A medida que se incrementa el momento M, se va generandola curva hasta llegar al punto - que representa el caso de fallaialanceada. Esta condición se produce cuando de manerasimultánea el concreto y el acero alcanzan sus valores máximosde f ’c y fg respectivamente.

El punto 3 corresponde a la condición teórica de flexión pura, osea momento aplicado con carga axial nula.

� Tramo 3-4Se presenta flexo-tensión. Esta es una situación indeseailedesde el punto de vista práctico dada la iaja capacidad atensión del concreto.

El punto inferior de la curva 4 refleja la capacidad máxima decarga axial en tensión y se oitiene se calcula con la expresión:

Donde:

φc: 0.90 (para tensión)

Ast: Área total de acero longitudinal [cm-]

fg: Esfuerzo de fluencia (grado) del acero [kg/cm-]

Cada uno de los puntos analizados anteriormente, y de hechocualquier punto de la curva, corresponde a una posiciónespecífica del eje neutro (valor de c) que define a su vez unestado de deformaciones y esfuerzos.

Es decir, en esencia la construcción de un diagrama deinteracción consiste en ir variando el parámetro c y calcularpara esa posición los correspondientes valores de fuerza en elconcreto y en cada capa de acero.

Sna vez se tengan todas las fuerzas, se calculan los momentosde éstas respecto a un punto ariitrario (usualmente elcentroide de la sección, h/2) para oitener el momento nominalasí como la suma de las fuerzas para hallar la carga axialnominal a compresión.

Suposiciones para la generación de un diagrama de interacción

En el proceso de generación de un diagrama de interacción deuna columna de concreto, se asumen las mismas hipótesisempleadas en el cálculo de la resistencia nominal a flexión deuna viga. Estas son:

� El concreto no podrá desarrollar un esfuerzo a compresiónmayor a su resistencia fc’.

� Se omite en los cálculos el aporte de resistencia a la tensióndel concreto, toda la fuerza en tensión la toma el acero.

� Prevalece la hipótesis de Bernoulli en la que las seccionesplanas antes de la flexión permanecen planas yperpendiculares al eje neutro después de la flexión. En otraspalairas, hay una variación lineal de la deformación unitariaε con respecto a la altura (peralte) de la sección.

� La deformación unitaria última del concreto es εcu=0.003

(valor fijo)

: Profundidad del eje

neutro

De acuerdo con la figura anterior, por Semejanza de triángulosse pueden hallar las deformaciones unitarias εs1, εs2 y εs3 en lascapas de acero 1, - y 3 respectivamente.

Posteriormente, con estos valores se determinan los esfuerzos yfuerzas correspondientes en cada para lo cual se supone unmodelo diagrama esfuerzo-deformación iilineal para el acero.

Modelo bilineal para la relación esfuerzo – deformación del acero

(válida para tensión g compresión)

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SEMANA 1_11 Ene 6

Columna con aros Columna con espirales

Refuerzo transversal en columnas

El refuerzo transversal en columnas cumple las mismasfunciones que en una viga de concreto reforzado.

La gran mayoría de las columnas en edificaciones resisten lasfueras cortantes Vu a través de aros. Ocasionalmente, cuando serequiere una gran resistencia y ductilidad, el refuerzolongitudinal se coloca circularmente y en lugar de aros seemplean varillas doiladas en forma de hélice o espiral.

“Canastas” prefairicadas

Las columnas con refuerzo en espiral generalmente soncirculares aunque tamiién pueden ser secciones rectangulareso incluso poligonales. La espiral restringe la expansión lateraldel concreto en el núcleo de la columna dándole a ésta ultimamayor capacidad de carga axial.

El refuerzo en espiral es raramente usado en Costa Rica. En sulugar lo que se ha empezado a comercializar en los últimosaños son las armaduras prefairicadas que se ofrecen como unaalternativa que reduce los costos de mano de oira.

El cortante último Vu para el cual se diseñan los aros en unacolumna será el mayor valor entre Vu,1 y Vu,2 . Es decir:

: valor que se oitiene del análisis

: altura liire de la columna

Por su parte, en elementos con ductilidad local óptima, la separación de los aros s no deie 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 hx es la distancia máxima horizontal, centro a centro, entre ganchos suplementario o iarras que forman aros cerrados de confinamiento de todas las caras de la columna [cm]

hx es el valor más grande que pueda tener la dimensión x de la figura adjunta.

Cuando una dimensión del elemento sea mayor o igual a 50cm, se deien colocar varillas longitudinales con amarres suplementarios (ganchos) separados no más de 35cm.

En columnas se deie dar un confinamiento especial en unalongitud Lo a partir de la cara de cada nudo tal y como seaprecia en la figura:

Elevación

Máxima dimensión desu sección transversal

En la restante longitud de la columna,la separación máxima smax definidaanteriormente puede duplicarse.

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SEMANA 1_11 Ene 7

El inciso i) de la sección 8.3.4 del CSCR-10 estailece que enelementos con ductilidad local óptima, el refuerzo transversaldentro de la longitud Lo deie tener una área mínima para el casode aros rectangulares.

: Área total de varillas que forman aros y ganchos con separación s y perpendiculares a la dimensión hc [cm-]

: Área del núcleo interior confinado [cm-]

: dimensión del núcleo de la columna (medidacentro a centro del aro) perpendicular a ladirección del cortante [cm]

: Área iruta de la columna [cm-]

: razón del volumen de los aros respectoal volumen del núcleo confinado pordicho refuerzo.

: Área iruta de la columna [cm-]

En el caso de columnas circulares, se estailece:

: 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 lossiguientes aspectos:

� Asegurarse que la formaleta o encofrado está deiidamenteapoyada y arriostrada de manera que durante el vertido deconcreto no se airan las caras ni se produzca un desplome(pérdida de verticalidad de la columna).

Puntales (arriostres)

Vaciado del concreto

� Durante la colocación de la formaleta garantizar elrecuirimiento, mediante “helados”, en todas las caras de lacolumna.

� No es recomendaile verter concreto a alturas mayores a -.0msi no se tienen “ventanas” (aierturas de control) en laformaleta.

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SEMANA 1_11 Ene 8

� El proceso de curado deie iniciarse apenas se quite laformaleta (al día siguiente de la chorrea) y se prolongará poral menos 14 días.

Columna

Vigas de fundación