CONCRETO II

SEMANA 1_13 Ene 1

CONCRETO IILIC-01

Profesor: Ing. Ronald Jiménez CastroI Cuatrimestre, 2020

Profesor: Ing. Ronald Jiménez Castro

Correo electrónico: rojica06@gmail.com

Página de Internet: www.rojica.jimdo.com

SEMANA I

Discusión del programa del curso

I. Descripción del curso:Este es el último de los dos cursos de Estructuras de Concreto que contempla el Plan de Estudios de Ingeniería Civil. Es un curso de análisis y diseño en el cual se integran y complementan los cursos de Estructuras de Concreto I, Estructuras I y Construcción II, para formar un todo coherente, de donde resultan las pautas que el ingeniero sigue cuando diseña. Como las obras de ingeniería pueden ser muy complejas, se ejemplifica con edificios sencillos y regulares, en los cuales se hace énfasis en el diseño sismorresistente. Es un curso teórico-práctico en el cual se siguen reglas definidas de diseño (especificaciones), pero profundizando en los principios teóricos que lo sustentan.

II. Objetivo general:Al final del curso el estudiante será capaz de analizar, diseñar y detallar estructuras sencillas de concreto.

III. Objetivos específicos

El requisito fundamental es haber aprobado el curso de Estructuras de Concreto I. Por lo tanto, al comenzar las lecciones los estudiantes serán capaces de:

1. Al término de las lecciones introductorias sobre las estructuras de concreto y los métodos de diseño, el estudiante estará en capacidad de:

Definir el concepto de estructura, y explicar en qué consiste el proceso de diseño Explicar en qué consiste el diseño global, y cuál es su relación con el análisis de la estructura. Distinguir entre elástico y análisis límite. Explicar en que consiste el diseño local, y cual es su relación con el dimensionamiento de los elementos. Distinguir entre dimensionamiento por teoría elástica y por teoría plástica. Hacer un análisis de coherencia entre las posibilidades metodológicas anteriores, y explicar cual combinación de ellas se usa en la actualidad y por qué.

2. A partir de un estudio de la naturaleza, magnitud y distribución de las cargas, el estudiante estará en capacidad de:

Efectuar un análisis preliminar de carga permanente y carga temporal de un edificio sencillo. Estimar las fuerzas horizontales de sismo, por medio del método estático del Código Sísmico de Costa Rica Calcular las fuerzas internas (permanentes, temporal y sísmica), utilizando los métodos de la mecánica estructural.

3. Utilizando la teoría y especificaciones adecuadas el estudiante estará en capacidad de diseñar y detallar los siguientes elementos de concreto:

Vigas continuas sujetas a la acción de cargas verticales. Vigas y columnas sujetas a la acción de carga permanente, temporal y de sismo. Uniones viga-columna en marcos.

4. Con base en la teoría de losas, y utilizando especificaciones adecuadas, el estudiante será capaz de:

Diseñar y detallar losas de entrepiso, armadas en una dirección. Diseñar y detallar losas soportadas por vigas en sus cuatro bordes, armadas en dos direcciones por el método directo y por el método de estructura equivalente. Analizar el comportamiento de losas sencillas, por el método de las líneas de fractura. Aplicar el diseño a escaleras y marquesinas.

5. Por medio de la aplicación de los conceptos de capacidad de soporte y empuje de suelos, y utilizando losas en una y dos direcciones, el estudiante podrá:

Diseñar y detallar cimientos aislados rectangulares. Diseñar y detallar muros de retención en voladizo.

CONCRETO II

SEMANA 1_13 Ene 2

6. Al final de las lecciones sobre concreto pre-esforzado, el estudiante será capaz de:

Proponer una lista de las ventajas y desventajas del concreto pre-esforzado. Distinguir entre pre-tensión y post-tensión. Evaluar las pérdidas de pre-esfuerzo. Calcular los esfuerzos en las diferentes etapas constructivas y durante condiciones de servicio. Evaluar el momento último y el momento de firsuramiento en miembros en flexión

IV. Contenido

1. LAS ESTRUCTURAS DE CONCRETO REFORZADO Y METODOS DE ANALISIS Y DISEÑO: Aspectos del diseño estructural. Metodología de diseño. Diseño local y global. Teoría elástica y teoría de resistencia última para el diseño de elementos de concreto reforzado. Filosofía del diseño sismorresistente.

2. SOLICITACIONES DE LA ESTRUCTURA: Solicitaciones (acciones). Condiciones de servicio. Carga permanente, temporal y sísmica. Análisis estructural y fuerzas internas.

3. DISEÑO MARCOS DUCTILES DE CONCRETO: Tipos de marcos de concreto. Solicitación permanente, temporal y sísmica. Refuerzo longitudinal y transversal de vigas. Refuerzo longitudinal y transversal de columnas. Refuerzo longitudinal y transversal de muros estructurales. Uniones viga-columna.

4. FUNDACIONES: Capacidad soportante del suelo. Factores de seguridad utilizados en la capacidad soportante del suelo de acuerdo con el Código Sísmico de Costa Rica. Tipos de cimentaciones. Cimientos aislados rectangulares. Detallado de refuerzo.

5. UNIONES VIGA-COLUMNA. Columna fuerte – viga débil. Cortante en el nudo. Detallado de nudos.

6. MUROS ESTRUCTURALES. Requisitos para muros en zonas no sísmicas y sísmicas. Tipos de muros. Elementos de borde y confinamiento. Detallado de muros estructural

7. DISEÑO DE LOSAS EN UNA DIRECCION: Tipos de losas, espesores mínimos, diseño a flexión, revisión de cortante, acero por retracción o temperatura.

V. Metodología

El curso está estructurado de manera que el estudiante dedique nueve horas como mínimo de trabajo individual por cada hora de lección en el aula.

El curso está organizado para impartir su contenido por medio de clases magistrales a las cuales se les da seguimiento mediante la asignación de tareas sobre los temas desarrollados en clases. Al inicio del curso se forman grupos de tres o cuatro estudiantes que pueden participar en el desarrollo de las tareas asignadas. Estas asignaciones son un medio para que los alumnos estudien la materia en el libro de texto y en los libros de consulta u otras publicaciones, además de las notas tomadas en clase y profundicen en el significado y ampliación de las especificaciones.

Tanto el trabajo en clase como la asignación de tareas se desarrolla alrededor de un Ejemplo Integrado de Diseño, el cual consiste en un edificio de concreto de tres o cuatro pisos, regular en planta y en altura, cuyo diseño global se define en términos muy generales al inicio del cuatrimestre (en la segunda clase). Este se usa para ilustrar el diseño local de cada uno de los elementos estructurales y la confección de los respectivos planos de construcción.

Al final del cuatrimestre se deberá entregar un proyecto final que contempla la memoria de cálculo completa del diseño del edificio desarrollado en clase, así como un juego de planos estructurales para construcción de la estructura. En la segunda clase se entregarán los lineamientos a seguir para la preparación de dicho proyecto.

VI. Estrategias de aprendizaje

Resolución de problemas Análisis de casos Exposiciones Giras técnicas dirigidas Investigación Bibliográfica Investigación en Internet

VII. Recursos didácticosEquipos de multimedia.

VIII. Evaluación

Tareas y quices (10%) Primer Parcial (35%): Semana 8 (2 marzo) Segundo Parcial (35%): Semana 15 (20 abril) Proyecto grupal (20%): Semana 15 (20 abril)

IX. Bibliografía

Libros de Texto:

MacCormac, Jack. Diseño de Concreto Reforzado. Editorial Alfaomega. 10 edición. 2019. American Concrete Institute. Building Code Requirements for Reinforced Concrete and Comentary. ACI 318-11. Detroit, Michigan, U.S.A., Comisión Permanente de Estudio y Revisión del Código Sísmico de Costa Rica. Código Sísmico de Costa Rica 2010. Colegio Federado de Ingenieros y de Arquitectos de Costa Rica.

Libros de Consulta: Paulay T., Priestley M.J.N., Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings. John Wiley & Sons, Inc. U.S.A. 2004. Nawy Edward G., Reinforced Concrete a Fundamental Approach, 3era Edition. , Prentice Hall, U.S.A. 2006. Portland Cement Asociation (PCA) Notes on ACI 318-99, Building Code Requeriments for Structural Concrete with Design Applications.U.S.A. 2004. Meli P. Roberto, Diseño Estructural, Editorial Limusa, México 2005. Mac Gregor, Reinforced Concrete Mechanics and Design. Prentice Hall Book Co., 2006. Park R., Paulay T., Estructuras de Concreto Reforzado, Editorial Limusa, México 2005.

CONCRETO II

SEMANA 1_13 Ene 3

X. Cronograma

Sesión ContenidoSesión 1 Objetivos, contenido, metodología, evaluación, bibliografía. Aspectos del

diseño estructural: metodología del diseño, diseño elástico y último, incertidumbre en el análisis y el diseño. Filosofía del diseño sismorresistente y seguridad. Especificaciones y códigos vigentes Cambios en ACI 318-11

Sesión 2 Flujo de cargas en un edificio. Cálculo de las cargas permanentes y temporales en un edificio. Estimación de las fuerzas horizontales de sismo (método estático CSCR-10), 1era parte.

Sesión 3 Introducción al diseño sismorresistentede estructuras de concreto reforzado

Sesión 4 Continuación fuerzas horizontales de sismo. Análisis estructural. Modelación de estructuras de concreto (rigidez en nudos, reducción de rigidez en vigas y columnas por efectos sísmicos). Revisión del software disponible para el cálculo. Estimación de momentos y cortantes en vigas usando las tablas del Código ACI 318-11.

Sesión 5 Diseño de vigas marcos dúctiles de concreto (cálculo del acero longitudinal y transversal). 1era parte

Sesión 6 Diseño de vigas marcos dúctiles de concreto. 2da parte. Diseño de columnas en marcos dúctiles de concreto.1ra parte.

Sesión ContenidoSesión 7 Diseño de columnas en marcos dúctiles de concreto. 2da parte

Sesión 8 Primer parcial

Sesión 9 Uniones viga-columna.

Sesión 10 Fundaciones. 1ra parte

Sesión 11 Fundaciones. 2da parte

Sesión 12 Diseño de muros estructurales. 1ra parte

Sesión 13 Diseño de muros estructurales. 2da parte

Sesión 14 Diseño de losas de concreto

Sesión 15 Segundo parcial / Entrega de proyecto grupal

XI. Observaciones generales

Se deben respetar todas las normas establecidas en el Reglamento de Régimen Académico de la Universidad Latina de Costa Rica.

XII. Notas sobre convalidación y otros

Este curso es convalidable: SÍ Este curso se puede presentar por suficiencia: SÍ Este curso tiene examen de ampliación: SÍ

TEMA 1: LAS ESTRUCTURAS DE CONCRETO REFORZADO Y METODOS DE ANALISIS Y DISEÑO

Introducción

Definición: El Análisis Estructural es una rama de la ingeniería que comprende una serie de leyes físicas y matemáticasrequeridas para estudiar y predecir (con cierto grado de precisión) el comportamiento de estructuras bajo determinadas condiciones de carga.

El Análisis es una etapa fundamental del proceso de Diseño Estructural cuyo objetivo es dotar a la edificación de la resistencia y rigidez necesarias para soportar las fuerzas externas, sin colapso ni mal comportamiento durante la vida útil.

Lo anterior se logra mediante un aprovechamiento óptimo de los materiales, de las técnicas constructivas disponibles y de las restricciones impuestas por los otros aspectos del proyecto.

CONCRETO II

SEMANA 1_13 Ene 4

Proceso de Diseño Estructural

En la fases iniciales del proceso (Planeación y Configuración preliminar), el arquitecto juega un papel fundamental dado que la propuesta arquitectónica determina en gran medida las cargas a las que se verá sometida la edificación.

Por ejemplo;La estructura de techo (cerchas, clavadores, etc.) deberá tener más resistencia si la cubierta cambia de lámina de hierro galvanizado a teja de barro.

En otras palabras, el Análisis Estructural, consiste en que dada una estructura sujeta a un determinado conjunto de fuerzas externas (peso propio y de la gente, sismo, viento, etc.), se calculan la fuerzas internas que se generan (axial, cortante y momento) y las correspondientes deflexiones de manera que se verifiquen dos requerimientos básicos:

1. Que los esfuerzos no excedan los valores críticos (Criterio de Resistencia):

crítica

2. Que las deflexiones no superen los valores máximos permisibles (Criterio de Rigidez):

máximo

ESTRUCTURA

Peso propio Peso de la gente Peso del mobiliario Sismo Viento

Deflexiones Agrietamientos Esfuerzos Vibraciones Pandeo

ACCIONES

RESPUESTAS

Es por tanto labor del diseñador concebir estructuras con las siguientes características:

- Seguras: Que resistan adecuadamente las cargas o fuerzas de diseño.- Funcionales: Que permitan resolver la necesidad que les dio origen. - Económicas: Que se ajusten al presupuesto del cliente sin comprometer la resistencia.- Sostenibles: Que el impacto al medio ambiente sea mínimo.

Seguridad

Economía

Funcionalidad

Sostenibilidad

Estructura óptima

Método de diseño: Resistencia Última

La metodología de diseño que se estudiará en el presente cursose conoce como Diseño por Resistencia Última que buscadimensionar los elementos de manera que su resistencias seanadecuadas para soportar fuerzas considerablemente mayores quelas cargas que se esperan actúen realmente durante la vida útil.

Para esto se introducen coeficientes tanto en la estimación de lasde las cargas como de la resistencia misma del elemento adiseñar, de manera que se cumpla que:

f R > a F

Donde: f : factor de reducción (depende del tipo de diseño)a : factor de carga (presentes en las combinaciones)

Resistencia diseño ≥ Resistencia requerida ó

Capacidad ≥ Demanda

Factores de carga a (según CSCR-2010)

En el apartado 6.2 Participación de las diferentes acciones, elCódigo Sísmico de Costa Rica define los factores de carga loscuales están relacionados con el tipo de carga y la combinación aconsiderar.

Cada elemento, componente o unión de la estructura, y éstacomo unidad, deberá tener capacidad para resistir las siguientescombinaciones de cargas últimas:

CU = 1.4 CP

CU = 1.2 CP + 1.6 fR CT + 1.6 CE

CU = 1.05 CP + f1 fR CT CS + CE

CU = 0.95 CP CS + CE

CONCRETO II

SEMANA 1_13 Ene 5

CU : Carga última (a emplear en el diseño).

CP : Carga permanente.

CT : Carga temporal (sin reducir).

CS : Carga sísmica.

CE : Carga por empuje.

y donde el factor f1 está dado por:

f1 = 0.5 para edificaciones de baja probabilidad de ocupación plena de carga temporal a la hora del sismo.

f1 = 1.0 para edificaciones con alta probabilidad de ocupación plena de carga temporal a la hora del sismo, tales como: bodegas, sitios de reunión pública, estacionamientos públicos, etc.

f1 = 0.0 para techos.

El parámetro fR se denomina factor de reducción de carga temporal (Artículo 6.3).

Se debe encontrar la envolventede fuerzas internas: carga axial, flexión, cortante y torsión.

Para efectos del diseño estructural se debe considerar la combinación de carga que produzca los mayores resultados, es decir, la combinación que produzca la mayor solicitación a la estructura en general y al elemento en particular.

Factores de reducción f (según CSCR-2010)

El CSCR-10 en la sección 8.1.4 refiere a los factores de reducción de resistencia que estipula el ACI.

Factor de reducción f

Caso

0.90 Secciones controladas por tensión

0.90 Tracción axial

0.750.65

Secciones controladas por compresión:Elementos con refuerzo transversal en espiralOtros elementos

0.75 Cortante y torsión

0.65 Aplastamiento

Para secciones en las cuales la deformación unitaria neta en el acero extremo de tracción en condición de resistencia nominal, et, está dentro de los límites definidos para secciones controladas por compresión y tracción, fy / Es y 0.005 respectivamente, se permite que f aumente linealmente del valor correspondiente a una sección controlada por compresión hasta 0.90, conforme et aumente del valor correspondiente al límite de deformación unitaria de una sección controlada por compresión, fy / Es hasta 0.005, donde Es

es el módulo de elasticidad del acero de refuerzo, que se puede considerar como 2.1 x 106 kg/cm2.

El factor de reducción de la resistencia en cortante es 0.60 para aquellos elementos en los cuales se permita diseñar para una capacidad en cortante menor que el máximo correspondiente a la capacidad en flexión.

Sección

controlada por

compresión

Sección

controlada por

tensión

Sección de

transición

Nota:

En la zona de transición, el valor de f deberá hallarse mediante

interpolación lineal.

El primer paso para diseñar cualquier edificación consiste enestimar adecuadamente las cargas externas a las cuales se verásometida.

Posteriormente se obtienen los valores de fuerzas internas(carga axial, cortante, momento y torsión) cuyos valoresmáximos servirán para determinar la resistencia que debe tenerel elemento.

TEMA 2: SOLICITACIONES DE LA ESTRUCTURA

Introducción

Cargas externas

Análisis

Estructural

Fuerzas internas

• Carga permanente• Carga temporal• Carga sísmica• Carga de viento

• Carga axial • Cortante• Momento• Torsión

CONCRETO II

SEMANA 1_13 Ene 6

Tal y como se observa en el diagrama anterior, mediante unAnálisis Estructural se obtienen las cargas a emplear en el diseñode los elementos.

Esta etapa consiste básicamente en resolver ecuaciones deequilibrio y compatibilidad de deformaciones para hallar lasfuerzas internas en un miembro estructural.

Evidentemente la cantidad de cálculos numéricos que demanda unedificio de varios pisos es enorme. Por tanto, el uso de un“software” o programa de análisis estructural se ha vuelto de usointensivo hoy en día.

Diagrama de carga axial en columnas obtenido mediante un programa comercial

En el mercado se encuentra disponible una gran cantidad deprogramas tales como: SAP, ETABS, Robot, GT-Strudl, RAM,etc., cuyo uso es altamente recomendable hoy en día de partedel diseñador.

Las fuerzas de sismo son fuerzas de inercia. Cuando unaestructura experimenta una aceleración en su base, se generauna fuerza de naturaleza inercial cuando su masa resiste o seopone a la aceleración.

Fuerzas sísmicas

Las fuerzas inerciales actúan a lo interno de la edificación.Cuando el terreno de cimentación se oscila lateralmente,aceleraciones horizontales se propagan hacia “arriba” de laestructura y por tanto, generan fuerzas internas de inercia.

Cada metro cuadrado de construcción, como de entrepiso o unmuro posee peso y por ende masa.

De la misma forma que la fuerza de gravedad actúaverticalmente y está distribuida, así la fuerza sísmica se aplica enlos elementos, excepto que ésta actúa horizontalmente.

Como la resultante de las fuerzas gravitacionales (pesos) seasume que actúan en el Centro de Masa CM, las fuerzasinerciales se asocian al mismo punto. Debido a que la mayoríadel peso total de un edificio se concentra en los niveles deentrepiso y techo, por simplicidad, los diseñadores suponen quelas fuerzas de inercia actúan en el CM de cada nivel.

Como se observa en la figura de la derecha, las fuerzas sísmicasse consideran aplicadas externamente en cada nivel del edificio.

Este método cuantifica los efectos del sismo sobre la edificaciónmediante un conjunto de fuerzas estáticas aplicadas en cada unode sus niveles (entrepisos y techo).

Dichas fuerzas son proporcionales a dos parámetros:1. Peso asociado a ese nivel2. Altura del nivel respecto al suelo.

Cálculo de fuerzas sísmicas (Método Estático del CSCR-10)

CONCRETO II

SEMANA 1_13 Ene 7

Como se observa en la anterior fórmula, la fuerza sísmica totalque impacta a una estructura depende de su peso total. Es decir,entre más pesada sea una estructura, mayor será su empujesísmico.

Por su parte, el factor Csis se denomina coeficiente sísmico y esun parámetro adimensional característico de una edificación. Secalcula con la fórmula:

Donde los valores FED, I y SR dependen del tipo de sistemaestructural y de la importancia de la misma.

Coeficiente sísmico Csis

Es un parámetro que puede interpretarse como el porcentajedel peso total del edificio que debe emplearse como cargalateral.

Depende de una serie de factores, de los cuales los másimportantes a considerar son:

Importancia de la edificación: I

Regularidad en planta y elevación de la estructura

Aceleración del terreno aef (que depende de la zona sísmicadonde se ubique la estructura y del tipo de suelo sobre elcual esté cimentada)

Sistema estructural (tipo marco, tipo muro, etc.)

Aceleración del terreno aef

Depende a su vez de 2 parámetros:1. La zona sísmica (lugar donde se construirá el proyecto)2. Tipo de suelo donde se vaya a cimentar la estructura

La zona sísmica está definida para cada punto del territorionacional, según se muestra en la Figura 2.1.Por su parte, el tipo de suelo tiene que ver con sus característicasgeotécnicas tales como NSPT, velocidad de onda cortante yresistencia al corte.La aceleración se obtiene de la Tabla 2.3 del Código Sísmico

Zona sísmica (Figura 2.1 CSCR-10)

Tipo de suelo Factor Espectral Dinámico FED

Es un parámetro adimensional que define característicasdinámicas de la estructura y que se obtiene de los Espectros deDiseño del Código Sísmico (Figuras 5.1 a 5.12, una por cada valorde aceleración).

CONCRETO II

SEMANA 1_13 Ene 8

Para hallar el FED, en estos gráficos se “ingresa” con dos valorescaracterísticos de la estructura: período T y ductilidad m.

El período (en segundos) se puede estimar con las siguientesexpresiones propuestas por el CSCR-10 (Sección 7.4.5) y donde Nes el número de pisos:

: Para edificios tipo marco formados exclusivamente por

marcos de concreto

: Para edificios tipo dual (marcos + muros de corte)

: Para edificios tipo muro (muros de corte)

Por su parte, la ductilidad depende de una serie de característicastales como: sistema estructural, regularidad y ductilidad local(detallado de los elementos).

Ductilidad global asignada m(Tabla 4.3 CSCR-10)

Factor de importancia I

Se obtiene de la tabla 4.1 del CSCR-10

Finalmente, la sobre-resistencia SR, toma los siguientes valores(Sección 5 de CSCR-10):

: Para estructuras tipo marco, dual o muro.

: Para estructuras tipo voladizo u otros.

Una vez que se ha calculado el peso de cada nivel, y para facilitar el cálculo de las fuerzas sísmicas, conviene tabular los datos como se muestra a continuación:

Altura del nivel (medida respecto al suelo)

Altura del nivel (medida respecto al suelo)

, Pesos del nivel asociados a las cargas permanente y temporal, respectivamente.

Peso total correspondiente al nivel

Fuerza sísmica (horizontal) aplicada en el nivel

Factor de participación de carga temporal(Sección 6.1.3 CSCR-10)

Factor b Tipo de carga

1.00 Equipo e instalaciones fijas a la estructura

0.25 Bodegas

0.15 Edificios

0.00 Cargas en azoteas, marquesinas y techos