CONCRETO ARMADO I ING CIVIL - UPN

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CONCRETO ARMADO I

El concreto es un material semejante a la piedra, que se obtiene mediante una mezcla

cuidadosamente proporcionada de cemento, arena y grava u otro agregado y agua; mezcla

que se endurece en formaletas (encofrados) con la forma y dimensiones de la estructura

deseada. En ocasiones, uno o ms aditivos se agregan para cambiar caractersticas del

concreto tales como la ductilidad, la durabilidad y el tiempo de fraguado.

El concreto reforzado es una combinacin de concreto y acero en la que el refuerzo de acero

proporciona la resistencia a la tensin que carece el concreto. El acero de refuerzo es tambin

capaz de resistir fuerzas de compresin y se usa en vigas doblemente armadas, en columnas y

en otros miembros estructurales.

VENTAJAS DEL CONCRETO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

El concreto reforzado es probablemente el material disponible ms importante para la

construccin. Puede usarse en una u otra forma en casi todas las estructuras, grandes o

pequeas, en edificios, en puentes, etc.

El gran xito de este material universal en la construccin puede explicarse fcilmente si se

consideran algunas de sus numerosas ventajas:

1. Tiene una resistencia considerable a la compresin en comparacin con muchos otros

materiales.

2. El concreto reforzado tiene gran resistencia al fuego y al agua, y de hecho es el mejor

material estructural que existe para los casos en que el agua se halle presente,

3. Las estructuras de concreto reforzado son muy rgidas.

4. Requiere de poco mantenimiento.

5. Comparado con otros materiales tiene una larga vida de servicio

6. Es prcticamente el nico material econmico disponible para zapatas, stanos, muelles y

construcciones similares.

7. Una caracterstica especial del concreto es la posibilidad de prepararlo en una variedad

extraordinaria de formas que van desde simples losas, vigas y columnas, hasta grandes arcos y

cascarones.

8. en muchas regiones, el concreto aprovecha para su elaboracin la existencia de materiales

locales baratos (agregados) y requiere de cantidades relativamente pequeas de cemento y

acero de refuerzo.

9. Se requiere mano de obra de baja calificacin para su montaje, en comparacin con otros

materiales, como el acero estructural.

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DESVENTAJAS DEL CONCRETO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

Algunas de sus desventajas son las siguientes:

1. el concreto tiene una resistencia muy baja a la tensin, por lo que requiere la ayuda de un

refuerzo de tensin.

2. Se requieren encofrados para mantener el concreto en posicin hasta que endurece

suficientemente. Adems de obras falsas o apuntalamientos para apoyar los encofrados con lo

que los costos aumentan.

3. La baja resistencia por unidad de peso de concreto conduce a miembros pesados, lo que es

un factor importante en estructuras de gran claro, donde el gran peso muerto del concreto

tiene un efecto en los momentos flexionantes.

4. Las propiedades del concre to varan ampliamente debido a las variaciones en su

dosificacin y mezclado. Adems la preparacin y el curado de concreto, no son tan

cuidadosamente controlados como la produccin de otros materiales.

PROPIEDADES DEL CONCRETO REFORZADO

RESISTENCIA A LA COMPRESIN

La resistencia a la compresin del concreto (fc) se determina por medio de pruebas a la falla

de probetas de 15cmx30cm de concreto de 28 das a una velocidad especificada de carga.

Durante este tiempo los cilindros suelen mantenerse sumergidos en agua o en un local con

una temperatura constante y humedad del 100%.

En la figura adjunta se muestra curvas esfuerzo deformacin para concretos normales de

diversas resistencias a la compresin. Las grficas tienen una rama ascendente casi lineal cuya

pendiente vara de acuerdo a la resistencia y se extiende hasta aproximadamente 1/3 a de

fc, posteriormente adoptan la forma de una parbola invertida cuyo vrtice corresponde al

esfuerzo mximo en compresin.

El mdulo de elasticidad del concreto mide la

variacin del esfuerzo en relacin a la

deformacin en el rango elstico, para calcular

el mdulo de elasticidad del concreto se usar la

siguiente frmula:

Para concretos de peso unitario de

aproximadamente 2300 kg/m3 se usa la

siguiente expresin:

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RESISTENCIA A LA TENSIN

La resistencia a la tensin del concreto vara entre el 8% y 15% de sus resistencia a la

compresin. Una razn principal para esta baja resistencia, es que el conceto contiene un gran

nmero de grietas muy finas. Las grietas tienen poca importancia cuando el concreto est

sometido a cargas de compresin, porque stas ocasionan que las grietas se cierres y permitan

entonces la transmisin de la compresin. Es claro que este no es el caso para cargas de

tensin.

Aunque la resistencia a la tensin normalmente se desprecia en los clculos, es sin embargo

una importante propiedad que afecta el tamao y la extensin de las grietas que se presentan

en el concreto.

RESISTENCIA A LA COMPRESIN

La resistencia a la tensin promedios del concreto se puede estimar en un valor dado por la

siguiente frmula:

CALIDADES DE CONCRETO

La calidad estructural del concreto esta especificado por su resistencia a la compresin que

poseen las probetas cilndricas a los 28 das de su preparacin.

En la figura se muestran varias curvas esfuerzo deformacin del concreto para probetas de

distintas calidades, las cumbres de las curvas nos indican su mxima resistencia y la rama

descendente nos indica un estado de agrietamiento interno de carcter irreversible.

El ACI con el propsito de estandarizar la calidad estructural del concreto con fines de diseo

sugiere variaciones de resistencia, de 35 en 35 kg/cm2; as tenemos concretos de fc= 175

kg/cm2; 210 kg/cm2, 245 kg/cm2, 280210 kg/cm2, , etc.

No se prohbe sin embargo el diseo de estructuras con resistencias intermedias.

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ACERO USADO EN CONSTRUCCIN

El acero usado en concreto armado en su mayor parte en forma de barras, tiene la superficie

corrugada que garantiza una mejor adherencia ente el concreto y el acero.

Las propiedades ms importantes del acero de refuerza son: su mdulo de elasticidad que es

prcticamente el mismo para todos los aceros de refuerzo que es en promedio:

Es= 2x106 kg/cm2

La resistencia a la traccin se designar en el presente curso como fs y el limite de fluencia a

la traccin como fy

DIAGRAMA ESFUERZO DEFORMACIN DEL ACERO USADO EN CONSTRUCCIN

En el grfico se observa una porcin inicial elstico lineal, luego una plataforma de cedencia,

donde las deformaciones aumentas con o sin incremento de esfuerzo, luego una zona de

endurecimiento por deformacin hasta obtener una resistencia mxima, finalmente el

esfuerzo decrece hasta que se produce la fractura.

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RELACIN DE MDULOS

Es la relacin entre el mdulo de elasticidad del acero y el concreto, se representa por la letra

n. En la norma del ACI se especifica que se tomar como el nmero entero ms prximo pero

no menor a 6.

DISPOSICIONES DE SEGURIDAD DEL CODIGO ACI- RNE

Las recomendaciones de resistencia para la seguridad del cdigo ACI se presentan en dos

partes: Factores de carga y factores de reduccin de resistencia

La resistencia de diseo Sn de una estructura o elemento debe ser por lo menos igual a la

resistencia requerida U calculada a partir de las cargas mayoradas, es decir:

Resistencia de diseo resistencia requerida

Sn U

FACTORES DE CARGA

Los factores de carga tienen el propsito de dar seguridad adecuada contra un aumento en ls

cargas de servicio ms all de las especificadas en el diseo para que sea sumamente

improbable la falla. Los factores de carga tambin ayudan a asegurar que las deformaciones

bajo las cargas de servicio no sean excesivas. Los factores de carga utilizados para carga

muerta, carga viva, presin lateral de la tierra y de fluidos, cargas de viento y sismos difieren

en magnitud. Los factores de carga son distintos para diversos tipos de cargas debido a que,

por ejemplo, es menos probable que la carga muerta de una estructura se exceda que la carga

viva indicada.

Fc Kg/cm2 n

175 10

210 9

245 9

280 8

315 8

350 7

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FACTORES DE REDUCCIN DE RESISTENCIA

Los factores de reduccin de capacidad se proporcionan para tomar en cuenta inexactitudes

en los clculos y fluctuaciones en las resistencias del material, en la mano de obra y en las

dimensiones. Cada uno de estos factores bien puede estar dentro de los lmites tolerables,

pero combinados pueden producir menor capacidad en los elementos diseados.

La ecuacin bsica de resistencia para una seccin puede decirse que da la resistencia ideal,

siempre que la ecuacin sea cientficamente correcta, que los materiales tengan la resistencia

especificada y que los tamaos sean como se muestran en los planos. La resistencia confiable

de la seccin a utilizar en los clculos de diseo se considera como la resistencia ideal

multiplicada por donde el valor del factor de reduccin de capacidad depende de los

valores recomendados en el RNE:

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COMPORTAMIENTO POR FLEXIN DE SECCIONES DE CONCRETO

ARMADO

Una de las tareas del ingeniero civil es disear estructuras. El diseo se refiere a la

determinacin de la forma general y de todas las dimensiones especficas de una estructura en

particular, de manera que cumpla con las funciones para las cuales se ha diseado y resiste en

forma segura las solicitaciones que actuarn sobre ella a travs de su vida til.

Los principales aspectos de inters prctico en el comportamiento de una estructura son:

- La resistencia de la estructura.

- Las deformaciones traducids en deflexiones y agrietamientos que van a presentarse en

la estructura cuande est cargada bajo condiciones de servicio.

La mecnica del concreto reforzado se basa en las siguientes premisas fundamentales:

1. Las fuerzas internas, como momentos flectores, fuerzas de corte y esfuerzos normales y

cortantes de una seccin cualquiera de un elemento, estn en equilibrio con los efectos de las

cargas externas en esta seccin.

2. La deformacin unitaria en una barra de refuerzo embebida en la misma que la del

concreto que la rodea.

3. Las secciones transversales planas antes de la aplicacin de la carga siguen en la misma

condicin para el elemento cargado.

4. Puesto que la resistencia a la traccin del concreto es tan slo una pequea fraccin de su

resistencia a la compresin, el concreto en aquella parte del elemento que est sometido a

tensin, estar usualmente fisurado. Aunque para elementos bien diseados estas fisuras son,

en general, tan delgadas que resultan apenas visibles, stas evidentemente obligan a que el

concreto fisurado sea incapaz de resistir esfuerzos de tensin. De acuerdo con esto, se supone

en general que el concreto no es capaz de resistir ningn esfuerzo de tensin por lo que en los

clculos esta resistencia no se la toma en cuenta.

Estos supuestos 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 diferentes y complicados como el concreto y el acero es tan

compleja que no ha sido posible levarla a un tratamiento completamente analtico. Por esta

razn, los mtodos de diseo y anlisis, aunque utilizan estos supuestos, se fundamentan

ampliamente en los resultados de intensas y continuas investigaciones experimentales. Estos

mtodos se modifican y mejoran en la medida en que se dispone de nuevas evidencias

experimentales.

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COMPORTAMIENTO DE VIGAS DE CONCRETO REFORZADO

Las vigas de concreto simple son ineficientes como elementos sometidos a flexin, por ello se

colocan barras de acero de refuerzo en el lado sometido a la tensin tan cerca como sea

posible del extremo de la fibra sometida a traccin, conservando en todo caso una proteccin

adecuada de acero contra el fuego y la corrosin.

En la figura se observa una viga reforzada sometida a cargas puntuales simtricas, cuando la

carga en la viga se incrementa de modo gradual desde cero hasta la magnitud que producir la

falla, claramente pueden distinguirse diferentes estados en su comportamiento.

ESFUERZOS ELSTICOS Y SECCIN NO FISURADA

Para cagas bajas, mientras que el mximo esfuerzo de tensin del concreto sea menor que el

mdulo de rotura, todo el concreto resulta efectivo para resistir los esfuerzos de compresin a

un lado y de tensin al otro costado del eje neutro. Adems, el refuerzo, que deforma la

misma cantidad que el concreto adyacente, tambin est sometido a esfuerzos de tensin. En

esta etapa, todos los esfuerzos en el concreto son de pequea magnitud y proporcionales a las

deformaciones. La distribucin de las deformaciones unitarias y de los esfuerzos en el acero y

en el concreto en la altura de la seccin se muestran a continuacin

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Para esfuerzos internos hasta cerca de fc/2, el concreto parece comportarse de manera case

elstica, es decir los esfuerzos y deformaciones unitarias se mantienen en forma proporcional.

Puesto que la deformacin unitaria en el concreto y el acero son iguales por la hiptesis 2

entonces se tiene