ESTRUCTURAS DE CONCRETO II

SEMANA 1_15 Ene 1

ESTRUCTURAS DE CONCRETO IIIC-0901

Semana 1I Cuatrimestre, 2020

Profesor: Ing. Ronald Jiménez Castro

Correo electrónico: rojica06@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 habilidades al estudiante para diseñar diferentes elementos de concreto reforzado, complementando la materia de Estructuras de Concreto I, como son las columnas esbeltas, cimentaciones superficiales, losas de entrepiso, diseño del refuerzo en los nudos, muros de contención, así como se presentarán los conceptos básicos para el diseño de edificios sujeto a la combinación 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. Objetivo general:El curso de Estructuras de concreto II tiene como objetivo 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. Objetivos específicos

• Analizar y diseñar columnas esbeltas, utilizando los conceptos estructurales más innovadores y los procedimientos de diseño racional y confiable, para obtener 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 sobre columnas utilizando los métodos de diseño directo, del pórtico equivalente y de las franjas del reglamento del ACI.

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

esbeltez.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 esbeltez.

2. Diseño de núcleos de unión de viga-columna (nudos).i. Modelo puntal-tensor (Strut-and-Tie) para el comportamiento de las

uniones.ii. Uniones viga secundaria-viga principal.iii. Vigas de apoyo.iv. Uniones 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 bordes.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 sobre 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. Aberturas 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 combinadasviii. 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 sobre las placas de cimentación.iv. Estabilidad 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 cubierta.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 estructuralb. 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, bajo la supervisión del profesor y tareas para desarrollar en grupo o individual, con la realización de trabajos de investigación y con un proyecto práctico de carácter grupal, con lo cual se estimula al desarrollo de la creatividad y las habilidades teóricas y prácticas individuales y de grupo. Para la aclaración de dudas durante el proceso de desarrollo de las tareas se establece una comunicación vía electrónica y un horario de asesorías individual o pequeños grupos semanalmente por parte del profesor.

VI. Estrategias de aprendizajeSe propone abordar la introducción de los contenidos de la asignatura desde la teoría por parte del profesor, que debe complementarse el desarrollo de problemas prácticos de análisis y diseño.Se utilizan los criterios de enseñanza y aprendizaje tradicionales de la clase magistral, tanto teóricos como prácticos, que busca 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, trabajo extraclase, exámenes cortos, exámenes obligatorios y un proyecto final, cuyo propósito es fortalecer los conceptos teóricos del diseño de elementos de concreto. Se promueve el trabajo 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, bibliografía, la interacción de la internet, donde encontramos páginas web, weblogs, 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 problemas 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 comprobar los resultados de ejercicios resueltos en clases.

VIII. Evaluación

Tareas y quices (5%) Primer parcial (35%): Semana 7 (26 febrero) Segundo parcial (35%): Semana 15 (22 abril) Proyecto grupal (25%): Semana 15 (22 abril)

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IX. Bibliografía

Libro de Texto:

MacCormac, Jack. Diseño de Concreto Reforzado. Editorial Alfaomega. 10ma 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.

X. Cronograma:Sesión Contenido Asignación

Sesión 1 Introducción. Tema 1: Diseño de columnas

Sesión 2 Tema 1 (Continuación)

Sesión 3 Cálculo fuerzas sísmicas

Sesión 4 Diseño de vigas dúctiles

Sesiones 5 y 6

Diseño de vigas dúctiles

Sesión 7 - Primer parcial

Sesión 8 Diseño de cimentaciones

Sesiones 9, 10 y 11

Diseño de cimentaciones (Cont.) y Diseño de Muros

de cortante

Sesión 12Diseño de Muros de

cortante

Sesiones 13 y 14

Diseño losas y nudos

Sesión 15 - Segundo parcial / Proyecto Grupal

Una columna es un elemento usualmente vertical que soporta cargas axiales de compresión pero que debido a su ubicación en el sistema estructural deberá ser capaz de resistir también 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 considerablemente 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

Debido al tipo de fuerzas que debe ser capaz de resistir, unacolumna puede alcanzar la falla debido a tres razones:

1. Fluencia del acero en la cara en tensión2. Aplastamiento del concreto en la cara en compresión3. Pandeo (columnas esbeltas)

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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 debido a que la capacidad de carga axial fPn de una sección dada varía con el momento actuante como se observa 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 bruta de la sección transversal [cm2]

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

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

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

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

debe estar comprendido entre los siguientes valores límites:

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

En otras palabras, para una columna con una geometría dada (b, h), una distribución de acero (Ast) definida y flexión en un cierto sentido (x o y), existe una única curva (correspondiente a un valor r) mediante la cual se determina si la columna es adecuada para resistir la fuerzas últimas Pu y Mu.

< <

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

Compresión pura

Flexo-compresión

(falla balanceada)

Flexión puraTensión pura

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

Tramo 1-2-3Se presenta flexo-compresión. El punto 1 representa lacapacidad máxima de carga axial (en compresión) de lacolumna y se obtiene con la siguiente fórmula:

fc: 0.65 (para compresión)

Ag: Área bruta de la sección [cm2]

Ast: Área total de acero longitudinal [cm2]

fy: Esfuerzo de fluencia (grado) del acero [kg/cm2]

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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 2 que representa el caso de fallabalanceada. Esta condición se produce cuando de manerasimultánea el concreto y el acero alcanzan sus valores máximosde f ’c y fy 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 indeseabledesde el punto de vista práctico dada la baja capacidad atensión del concreto.

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

Donde:

fc: 0.90 (para tensión)

Ast: Área total de acero longitudinal [cm2]

fy: Esfuerzo de fluencia (grado) del acero [kg/cm2]

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.

Una vez se tengan todas las fuerzas, se calculan los momentosde éstas respecto a un punto arbitrario (usualmente elcentroide de la sección, h/2) para obtener 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 otraspalabras, hay una variación lineal de la deformación unitariae con respecto a la altura (peralte) de la sección.

La deformación unitaria última del concreto es ecu=0.003

(valor fijo)

: Profundidad del eje

neutro

De acuerdo con la figura anterior, por Semejanza de triángulosse pueden hallar las deformaciones unitarias es1, es2 y es3 en lascapas de acero 1, 2 y 3 respectivamente.

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

Modelo bilineal para la relación esfuerzo – deformación del acero

(válida para tensión y compresión)

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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 dobladas en forma de hélice o espiral.

“Canastas” prefabricadas

Las columnas con refuerzo en espiral generalmente soncirculares aunque también 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 prefabricadas que se ofrecen como unaalternativa que reduce los costos de mano de obra.

El cortante último Vu para el cual se diseñan los aros en unacolumna será el mayor entre el valor máximo del análisisVu,análisis y el cortante por doble curvatura Ve. Es decir:

: valor que se obtiene del análisis

: altura libre de la columna

Ec. [8-9] del CSCR-10

Por su parte, en elementos con ductilidad local óptima, la separación de los aros s no debe 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 barras 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 deben colocar varillas longitudinales con amarres suplementarios (ganchos) separados no más de 35cm.

En columnas se debe 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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El inciso b) de la sección 8.3.4 del CSCR-10 establece que enelementos con ductilidad local óptima, el refuerzo transversaldentro de la longitud Lo debe 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 [cm2]

: Área del núcleo interior confinado [cm2]

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

: Área bruta de la columna [cm2]

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

: Área bruta de la columna [cm2]

En el caso de columnas circulares, se establece:

: Áreas del núcleo interior confinado de la columna [cm2]

Elevación

Detalle final

aros dobles #4 @ 7.5cm

aros dobles #4@ 7.5cm

Aros dobles #4 @ 15cm

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 debidamenteapoyada y arriostrada de manera que durante el vertido deconcreto no se abran las caras ni se produzca un desplome(pérdida de verticalidad de la columna).

Puntales (arriostres)

Vaciado del concreto

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SEMANA 1_15 Ene 8

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

No es recomendable verter concreto a alturas mayores a 2.0msi no se tienen “ventanas” (aberturas de control) en laformaleta.

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

Columna

Vigas de fundación