METODOS DE DISEÑO CONCRETO ARMADO
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5/28/2018 METODOS DE DISEO CONCRETO ARMADO
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[METODOS DE DISEO EN CONCRETO ARMADO] Mdulo de Estructuras
Bach. Christian Oscar Castillo Lapa Pgina 1
INTRODUCCION
Para proyectar una estructura de concreto armado se debe tener un claro
conocimiento de las formas de diseo que aseguren un comportamiento satisfactorio del
material. Para que una estructura cumpla sus propsitos debe ser segura contra el colapso
y funcional en condiciones de servicio. La funcionalidad requiere que las deflexiones sean
pequeas, que las fisuras, si existen, se mantengan en lmites tolerables, que las
vibraciones se minimicen, etc. La seguridad requiere que la resistencia de la estructura sea
la adecuada para todas las cargas que puedan llegar a actuar sobre ella. Si la resistencia de
la estructura, construida tal como se dise, pudiera predecirse en forma precisa, y si las
cargas y sus efectos internos (momentos, cortantes, fuerzas axiales) se conocieran con
precisin, la seguridad podra garantizarse proporcionando una capacidad portanteligeramente superior a la que se requiere para las cargas conocidas. Sin embargo, existen
diversas fuentes de incertidumbre en el anlisis, diseo y construccin de estructuras de
concreto reforzadas. Estas fuentes de incertidumbre, que requieren un margen de
seguridad definido, pueden enumerarse como sigue:
1. Las cargas reales pueden diferir de las supuestas.
2. Las cargas reales pueden estar distribuidas de manera diferente a la supuesta.
3. Las suposiciones y simplificaciones inherentes a cualquier anlisis pueden resultar enefectos calculados, momentos, cortantes, etc., diferentes de aquellos que de hecho actan
sobre la estructura.
4. El comportamiento estructural real puede diferir del supuesto, debido a las limitaciones
del conocimiento.
5. Las dimensiones reales de los elementos pueden diferir de aquellas especificadas.
6. El refuerzo puede no estar en la posicin definida.
7. Las resistencias reales de los materiales pueden diferir de aquellas especificadas.
Debe darse atencin a la naturaleza de la falla en caso de que ocurra. Una falla gradual, que
d aviso suficiente y que permita tomar medidas remediales es preferible a un colapso
sbito e inesperado.
Es evidente que la seleccin de un margen de seguridad apropiado no es un asunto simple.
Sin embargo, se han hecho progresos hacia disposiciones de seguridad ms racionales en
los cdigos de diseo de manera que se ha evolucionado de un mtodo que considera slo
comportamiento elstico al mtodo de resistencia ltima considerando el rango inelsticoy la ductilidad del material.
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1. METODOS DE DISEOExisten bsicamente 02 mtodos de diseo en concreto armado
1. Diseo Elstico o por Cargas de Servicio.2. Diseo a la Rotura o por Resistencia ltima.
Se nota la gran distincin de la
filosofa de ambos mtodos en
los grficos (b) Mtodo Elstico
y (c) Mtodo Plstico.
1.1. DISEO POR TEORIA ELASTICA.
- Parte de la hiptesis que es posible predecir la distribucin de esfuerzos en elconcreto y el refuerzo, al ser sometidos a cargas de servicio.
- Asume un comportamiento slo elstico de los materiales.- El objetivo es conseguir que los esfuerzos no excedan los esfuerzos admisibles que
son una fraccin de la resistencia del concreto y de la fluencia del acero.
- Pruebas de laboratorio han comprobado el complejo comportamiento del concretocon el paso del tiempo, que conlleva a una constante redistribucin de esfuerzos entre
ste y el acero. En este diseo se considera slo una de estas distribuciones y las
condiciones no consideradas puede ocasionar la falla.
-El Mtodo Elstico no considera el tipo de falla, dctil o frgil, es decir, no orienta lafalla segn sea conveniente. Tampoco determina la carga que ocasiona la rotura de la
pieza y por esto no tienen factores de seguridad establecidos.
- Este mtodo plantea una linealidad entre las deformaciones mximas a compresin ylas mximas a tensin, y de aqu utilizan leyes de tringulos bsicas y varios artilugios
matemticos para obtener las frmulas de anlisis y diseo.
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1.2. DISEO POR ROTURA O TEORIA PLASTICA.
- Se plantea que el concreto est en el estado plstico en el punto de rotura.- Debido a esto el concreto no trabaja a tensin y es el acero el que recibe en todos los
casos toda la tensin. Esta teora pauta la deformacin unitaria mxima a la rotura del
hormign como 0.003, con una curva de esfuerzo irregular la cual se traduce a un
bloque de esfuerzo rectangular con un rea equivalente.
- Se basa en el clculo de la carga que ocasiona la falla del elemento y analiza el modode colapso del mismo.
- Se ha comprobado que es posible predecir esas cargas con precisin suficiente.- A distincin con el Mtodo Elstico, toma en cuenta el comportamiento inelstico del
acero y el concreto y por lo tanto se estima mejor la capacidad de carga de la pieza.
- Permite controlar el modo de falla considerando la resistencia ltima. Algunoselementos se disean con menor margen de seguridad que otros para inducir su falla
primero.
- Se obtiene un diseo ms eficiente, considerando la distribucin de esfuerzos dentrodel rango inelstico.
- Este mtodo no utiliza el Modulo de Elasticidad del concreto, el cual es variable con lacarga. De esta manera ase evita introducir imprecisiones en torno a este parmetro.
- Permite evaluar la ductilidad de la estructura.- Permite usar coeficientes de seguridad distintos para cada tipo de carga.- La desventaja es que solo se basa en criterios de resistencia, por eso, es necesario
considerar condiciones de servicio ptimas, es decir, controlar las deflexiones y
agrietamientos. Por esto es necesario usar este mtodo en combinacin con otros
procedimientos para verificar el adecuado comportamiento de las piezas bajo cargas
de servicio.
- El ACI introduce el factor de seguridad en el diseo a travs de la amplificacin de lascargas de servicio y la reduccin de la resistencia terica de la pieza.
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- El anlisis estructural se realiza bajo la hiptesis de un comportamiento elstico de laestructura.
- La carga ltima de diseo es la suma de las diversas cargas actuantes multiplicadaspor un factor de seguridad. La carga permanente es evaluada con mayor precisin
que la sobrecarga, por esto su factor de amplificacin es menor. La carga de sismo es
mucho ms incierta, por esto, su factor de amplificacin es mayor que el de las dos
anteriores.
- El Cdigo propone adems la reduccin de la resistencia terica del elemento, comoun medio para incrementar el factor de seguridad del diseo. Sobre todo el
procedimiento constructivo del concreto genera que la resistencia calculada en papel
no sea igual a la verificada en la realidad. Adems se incrementan el factor de
seguridad en piezas sometidas a determinadas solicitaciones, ya sea por su tipo defalla o por la importancia de estos elementos dentro del conjunto estructural total. Por
ejemplo para elementos sometidos a flexo-compresin, el factor de reduccin es
menor que cuando se analiza flexin pura, propia de vigas. Esto se debe a que el
colapso de una viga es mucho menos perjudicial que el colapso de una columna.
- Posteriormente al diseo de la estructura, el cdigo propone una verificacin de lascondiciones de servicio de los elementos: control de rajaduras y control de las
deflexiones. Si es necesario, el diseo original debe replantearse.
- El principio del Mtodo por Rotura es el siguiente:
El cual indica que la reduccin de la resistencia nominal debe ser por lo
menos igual a la sumatoria de las cargas de servicio amplificadas.
Esto debe cumplirse para cada tipo de carga:
- Las combinaciones de carga son por ejemplo:
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Como se puede observar las cargas de sismo son las que tienen mayor factor de
amplificacin (1.87 o 1.43) debido a la variacin de su clculo.
- Los factores de resistencia son por ejemplo:
Como se puede observar el menor factor de reduccin corresponde a Flexo
compresin, lo que indica la tendencia a prevenir la falla primero de este elemento en
comparacin con los otros tipos de elementos.
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2. SUPOSICIONES FUNDAMENTALES PARA EL COMPORTAMIENTO DELCONCRETO REFORZADO
- Los principales aspectos de inters practico en el comportamiento de una estructurason:
a. La resistencia de la estructura, segn la magnitud de las cargas con unadistribucin determinada.
b. Las deformaciones traducidas en deflexiones y agrietamientos.
- La mecnica del concreto reforzado se basa en las siguientes premisas:
a. Las fuerzas internas estn en equilibrio con los efectos de las cargas externas encualquier seccin del elemento.
b. La deformacin unitaria de una barra de refuerzo embebida es la misma que la delconcreto circundante. Es decir, se supone que existe una adherencia perfecta en la
interface entre el concreto y el acero de manera que no ocurre deslizamiento entre
los 02 materiales.
c. Las secciones planas antes de la aplicacin de la carga siguen siendo planas para elelemento cargado. Cuando un elemento est cargado cerca a la falla estasuposicin no es absolutamente correcta, pero las desviaciones son usualmente
menores.
d. Se supone que el concreto no es capaz de resistir ningn esfuerzo de tensin. Elconcreto sometido en alguna parte a traccin estar usualmente fisurado, aunque
para elementos bien diseados estas fisuras son tan delgadas que resultan apenas
visibles.
e. La teora se basa en la relacin esfuerzo-deformacin real y en las propiedades deresistencia de los dos materiales constituyentes, concreto y acero.
Estas cinco premisas permiten predecir mediante clculos el comportamiento de
elementos de concreto reforzado nicamente para algunas situaciones simples. En
realidad, la accin conjunta de dos materiales tan distintos y complicados como el
concreto y el acero es tan compleja que no ha sido posible llevarla a un tratamiento
analtico. Por esta razn, los mtodos de diseo y anlisis, aunque utilizan estas
suposiciones, estn basados ampliamente en los resultados de una intensa investigacin
experimental. Estos mtodos se modifican y mejoran en la medida en que se dispone denuevas evidencias experimentales.
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3. DISEO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO CON CRITERIOS DE DURABILIDAD.
- Al diseo por cargas mecnicas se aumenta el diseo por durabilidad.- Mucha investigacin hace falta para llegar a un nivel de conocimiento suficiente que
pueda incluir al diseo por durabilidad en alguno de los reglamentos de diseo
Estructural como el americano ACI o el europeo CEB.
- En ambientes muy agresivos su durabilidad se acorta debido a la corrosin del acero.- En base a los conocimientos que a la fecha se presentan en la literatura internacional,
se da una ecuacin emprica para proyectar el periodo de iniciacin de la corrosin
(T1) de una estructura de concreto expuesta a un ambiente marino.
- Adems se muestra el modelo emprico para determinar la duracin del periodo depropagacin de la corrosin (T2).
- En un ambiente marino, los iones cloruro del agua de mar se acumulan en la superficiedel concreto y lentamente se transportan a travs del recubrimiento de concreto hasta
llegar a la armadura. Cuando la concentracin de los iones cloruro en la superficie del
acero de las armaduras alcanza valores que exceden un nivel crtico (denominado
Ccrit), la proteccin de la armadura corre el peligro de desaparecer y la corrosin
puede desencadenarse.
- Cuando el concepto tiempo entra en juego en la evaluacin de la funcionalidad de unaestructura, varios factores externos (o factores de degradacin) resultan en un primerplano. Como la funcionalidad est ntimamente relacionada con la durabilidad de una
estructura, sta se puede definir como la habilidad de mantener la funcionalidad
requerida.
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- Se toma como base el modelo de durabilidad considerado por Tuutti:
Las variables T1 y T2 son denominados periodos de iniciacin y de propagacin. Se define
al T1 como al lapso de tiempo que tarda el ion cloruro en atravesar el recubrimiento,
alcanzar la armadura y provocar su despasivacin. En tanto T2 se refiere al periodo entre
la prdida de proteccin de la pelcula pasiva y la manifestacin externa de los daos por
corrosin.
C:Cobertura o recubrimiento del concreto.
Cs: Concentracin de cloruros en la superficie.
Def: Coeficiente efectivo de difusin de cloruros del concreto.
Ccrit: Concentracin crtica a la profundidad de la armadura. (Vara entre 0.17%
a 2.5% del peso de cemento).
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Todas las variables en mm.
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4. CONCLUSIONES
- Se aplican mundialmente 02 tipos de diseo a la hora de proyectar estructuras deconcreto armado, el Mtodo Elstico, en el cual se considera nicamente un
comportamiento lineal del material y el Mtodo Plstico en el que se pretende trabajar
al concreto en el rango inelstico hasta llegar a su etapa de rotura.
- A la hora disear un mismo elemento con ambas teoras, con el diseo a la roturaobtendremos dimensiones y cuanta de acero menores que al hacerlo con un diseo
elstico, esto debido a que en este ltimo mtodo se necesitar mayor dimensin y
cuanta de acero para mantener el material en el rango elstico ante un mismo
esfuerzo.
- A la hora de hacer diseos de alta seguridad, para instalaciones del tipo nuclear,militar o de investigaciones de alto riesgo no se puede permitir agrietamientos,debido a que escaparan partculas de alto peligro para los humano. Es por esto que
para este tipo de instalaciones se utiliza el diseo segn teora elstica.
- Un nuevo giro que se le ha dado a la teora por seguridad estructural es laincorporacin del factor tiempo dentro del diseo, permitiendo la posibilidad de
incluir la degradacin del concreto como una parte esencial en el diseo de la
estructura. La seguridad en contra de la falla ser considerada una funcin del tiempo,
diseando la estructura por serviciabilidad incluyendo el requerimiento de vida til
que deber de cumplirse.
- Tanto la carga externa S, como la resistencia R, pueden ser cantidades que varancon el tiempo. Por lo tanto la probabilidad de falla tambin vara con el tiempo.
- Al da de hoy se utiliza la teora plstica para la gran mayora de los diseos, mientrasque el diseo elstico se utiliza parcialmente para caso especiales como fundaciones o
edificaciones especiales, realmente resulta sencillo elegir nuestra teora de diseo
debido a que todo est bien estandarizado.
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5. BIBLIOGRAFIA.