unidad 1 (materiales, cargas y esp.)

8/18/2019 Unidad 1 (Materiales, Cargas y Esp.)

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Tecnológico de Monterrey

Ingeniería Civil

Diseño de estructuras de concreto reforzado

M en C Saúl Enrique Crespo Sánchez


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Intención del curso

Es un curso de nivel intermedio orientado a proporcionar las herramientas necesarias para diseñar elementos de concreto reforzado de acuerdo a normas vigentes, y presentar los resultados en formato gráfico (planos estructurales).

Requisitos

Requiere conocimientos previos de ecuaciones de equilibrio; propiedades de lasección: centroide, área, inercia; análisis de estructuras isostáticas e hiperestáticas;diagramas de corte y momento; deformada del elemento, y círculo de Mohr.

Resultados esperados

Como resultado de aprendizaje se espera que el alumno diseñe los elementos de unmarco plano de concreto reforzado sujeto a cargas gravitacionales.


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Objetivo general del curso

Al finalizar el curso el alumno será capaz de ev lu r c rg s gravitacionales,

distribuir c rg s los elementos estructur les y diseñ r elementos de concretoreforz do e integre los conocimientos de los cursos previos de estructuras.


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Instituto Tecnológico de Monterrey

Diseño de elementos de concreto reforzado

Unidad I: Materiales, Cargas y Especificaciones

1.1. El concreto simple y el acero de refuerzo.1.2. El concreto reforzado.1.3. Cargas sobre estructuras.1.4. Cargas gravitacionales.1.5. Teorías de Diseño.1.6. Códigos, especificaciones y estándares.


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2.Diseño por flexión

2.1. Elementos sujetos a flexión.2.2. Resistencia de elementos a flexión2.3. Ductilidad de elementos a flexión.2.4. Distribución parabólica de esfuerzos de compresión del concreto.2.5. Relaciones Momento – Curvatura2.6. Método del ACI para evaluar la resistencia última.

2.7. Métodos de prediseño2.8. Ejemplos de prediseño, revisión y diseño de elementos a flexión.2.9. Algoritmos para el diseño de elementos en flexión

3. Diseño por cortante

3.1. Tipos de corte en elementos estructurales.3.2. Corte por flexión3.3. Formación de grietas3.4. Secciones críticas para cortante.3.5. Resistencia a cortante proporcionada por el concreto.3.6. Relación del cortante actuante y la separación de estribos.

3.7. Criterios generales de diseño de acuerdo al ACI - 318.3.8. Ejemplos de diseño por corte en vigas.


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4. Diseño de columnas cortas sujetas a compresión y flexión uniaxial

4.1. Acciones a las que está sujeta una columna.4.2. Conceptos de esbeltez y flexión biaxial en columnas.4.3. Resistencia última de columnas cortas (diagramas de interacción).4.4. Uso de diagramas de interacción adimensionales.

4.5. Refuerzo transversal4.6. Detallado de columnas cortas de acuerdo a normas.4.7. Ejemplos de revisión y diseño de columnas.

5. Detallado del refuerzo

5.1. Modelo experimental de extracción de varilla.5.2. Longitud de desarrollo de varillas rectas y en paquetes sujetas a tensión ycompresión.5.3. Longitud de desarrollo de gancho estándar.5.4. Distribución longitudinal del refuerzo de acuerdo a reglamento ACI-318.

5.5. Ejemplo de detallado en vigas


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6. Diseño de losas en una y dos direcciones

6.1. Losas en una y dos direcciones.6.2. Cargas muertas, vivas y últimas en losas macizas y aligeradas.6.3. Método aproximado de análisis para vigas y losas en una dirección.6.4. Método de coeficientes para obtener el análisis de losas en dos direcciones.6.5. Diseño por corte y flexión

6.6. Presentación gráfica de los resultados.6.7. Ejemplos de losas en una y dos direcciones

7. Calculo de deflexiones de vigas

7.1. Deflexiones para vigas en condiciones de servicio.

7.2. Normas del reglamento ACI para la determinación de las deflexionesinstantáneas así como las deflexiones generadas con el tiempo.

8. Diseño de una estructura de concreto

8.1 Proyecto final: Diseño de un edificio de dos a tres niveles de concreto reforzado


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Evaluación

1 °

Examen parcial …………

..…

.25% 2 ° Examen parcial …………...…25%

Desarrollo de programas ……….10%

Examen final ……………………20%

Proyecto final …………………....15%

Semana i …………………………5%


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Bibliografía

-Diseño de estructuras de concreto reforzado

Arthur Nilson

Mc Graw Hill

-Aspectos fundamentales del concreto reforzado

González Cuevas Oscar

Ed. Limusa

-Normas Técnicas Complementarias sobre el Diseño de Estructuras de Concreto

Reforzado

-Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318)


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1.1 El concreto simple y el acero de refuerzo

El concreto es un material pétreo, artificial, obtenido de la mezcla, en proporcionesdeterminadas, de cemento, agregados y agua. El cemento y el agua forman una pasta que rodeaa los agregados, constituyendo un material heterogéneo.

Algunas veces se añaden ciertas sustancias, llamadas aditivos o adicionantes, que mejoran omodifican algunas propiedades del concreto.


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El cemento es un material cementante es aquel que tiene las propiedades de adhesión y cohesiónnecesarias para unir agregados inertes y conformar una masa sólida de resistencia y durabilidadadecuadas.

Para completar el proceso químico (hidratación) mediante el cual el polvo de cemento fragua y

endurece para convertirse en una masa sólida se requiere la adición de agua.


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La deformaciones por contracción se deben esencialmente a cambios en el contenido de agua delconcreto a lo largo del tiempo. El agua de la mezcla se va evaporando e hidrata el cemento. Esto

produce cambios volumétricos en la estructura interna del concreto, que a su vez producendeformaciones.

Los factores que más afectan la contracción son la cantidad original de agua en la mezcla y lascondiciones ambientales especialmente a edades tempranas.

La contracción tiende a producir esfuerzos debidos a las restricciones al libre desplazamiento delelemento que existen en general en la realidad. Si el concreto pudiera encogerse libremente, lacontracción no produciría ni esfuerzos ni grietas.


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1.2 El concreto reforzado

Las grietas se presentan de ordinario en la pasta y muy frecuentemente entre el agregado y la pasta. En algunos casos también se llega a fracturar el agregado. Este microagrietamiento esirreversible y se desarrolla a medida que aumenta la carga, hasta que se produce el colapso.


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El Reglamento de Construcciones del Distrito Federal (RCDF), por ejemplo, define dos clasesde concreto:

a) Clase 1, que tiene un peso volumétrico en estado fresco superior a 2.2 ton/m3, y

b) Clase 2, cuyo peso volumétrico está comprendido entre 1.9 y 2.2 ton/m3.


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¿Qué hace del concreto un material de construcción universal?

ᢇEs fácilmente depositable en moldes de cualquier forma mientras se encuentra en estado

plástico.

ᢇ Es altamente resistente al fuego y a diversos climas.

ᢇ Los materiales que le constituyen, exceptuando el cemento y aditivos, están disponibles a bajo costo, localmente o muy cerca del sitio de construcción.

ᢇ Su alta resistencia a la compresión lo hace apropiado para elementos sujetos principalmentea compresión, como columnas o arcos.


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Sin embargo, el concreto es un material con una baja resistencia a la tensión. Para contrarrestar esta limitación, en la segunda mitad del siglo XIX se consideró factible utilizar acero debido asu alta resistencia a la tensión para reforzar el concreto simple.


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El acero para reforzar concreto se utiliza en distintas formas. La más común es la barra ovarilla. Los diámetros usuales de las barras producidas en México varían de ¼” a 1 ½”(Algunos productores han fabricado barras corrugadas de 5/16” , de 5/32” y de 3/16”) Enotros países se usan diámetros aun mayores.


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Todas las barras, con excepción del alambrón de ¼”, que generalmente es liso, tienencorrugaciones en la superficie, para mejorar su adherencia al concreto.


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La combinación de concreto simple con refuerzo constituye lo que se llama concreto reforzado.¿Porqué combinarlos?

El concreto simple, sin refuerzo, es resistente a la compresión, pero es débil en tensión, lo quelimita su aplicabilidad como material estructural. Para resistir tensiones se emplea refuerzo deacero, generalmente en forma de barras circulares de acero con deformaciones superficialesapropiadas para proporcionar adherencia


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El armado de acero se coloca en los moldes (en las zonas donde se prevé que se desarrollarántensiones bajo las acciones de servicio) antes de vaciar el concreto. Una vez las barras esténcompletamente rodeadas por la masa de concreto endurecido, comienzan a formar parteintegral del elemento.

Además, el acero restringe el desarrollo de las grietas originadas por la poca resistencia a latensión del concreto.


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Es precisamente esta combinación la que permite el casi ilimitado rango de usos y posibilidades del concreto reforzado en la construcción de edificios, puentes, presas, tanques,depósitos y muchas otras estructuras.


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Debido a que el concreto se utiliza principalmente en compresión, resulta de interésfundamental su curva esfuerzo-deformación unitaria a la compresión. Las curvas esfuerzo-deformación se obtienen del ensaye de prismas sujetos a carga axial repartida uniformemente

en la sección transversal mediante una placa rígida.

Resistencia a la compresión


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Este módulo se define como la pendiente del tramo recto inicial de la curva esfuerzo-deformación unitaria, aumenta con la resistencia a compresión del concreto.

Las Normas Técnicas Complementarias para el Diseño de Estructuras de Concreto, define losmódulos de elasticidad como:

Módulo de elasticidad


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Para concretos fabricados con agregados de Santa Fe (Ciudad de México), la relación entre laresistencia a la compresión de un cilindro y su resistencia a la tensión, obtenida del ensaye

brasileño, está dada por las expresiones:

Resistencia a la tensión


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1.3 Cargas sobre estructuras

Acciones

Gravitacionales

Accidentales

Carga Muerta

Carga Viva

Empujes de tierras, líquidos y materiales a granel

Acciones Variables Hundimientos diferenciales

Cambios por temperatura

Sismo

Viento

Nieve

Acciones Permanentes


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1.4 Cargas Gravitacionales

Cargas gravitacionales

Cargas permanentes

Según las Normas Técnicas Complementarias sobre Criterios y Acciones para el DiseñoEstructural de las Edificaciones:

“Las acciones permanentes son las que obran en forma continua sobre la estructura y cuyaintensidad varía poco con el tiempo. Las principales acciones que pertenecen a esta categoríason:

-La carga muerta;

-El empuje estático de suelos y de líquidos

- Las deformaciones y desplazamientos impuestos a la estructura que varían poco con eltiempo, como los debidos a presfuerzo o a movimientos diferenciales permanentes de losapoyos.”


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Cargas permanentes

Carga Muerta

Se llama carga muerta al conjunto de acciones que se producen por el peso propio de la

construcción; incluye el peso propio de la estructura misma y el de los elementos noestructurales, como:

- Los muros divisorios,- Los revestimientos de pisos, muros y fachadas,- La ventanería,

- Las instalaciones

y todos aquellos elementos que conservan una posición fija en la construcción, de maneraque gravitan en forma constante sobre la estructura.

La carga muerta es, por tanto, la principal acción permanente.



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Cargas permanentes

Carga Muerta

Estas son las acciones que presentan menor grado de incertidumbre, sin embargo, las

diferencias que suele haber entre los valores de cálculo y los reales no son despreciables. Estose debe a las diferencias entre las dimensiones especificadas en el proyecto y las que resultanen la construcción, a modificaciones y adiciones en los elementos no estructurales y a lasvariaciones en los pesos volumétricos de los materiales.



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Cargas permanentes

Empujes de tierras, líquidos y materiales a granel

En algunos casos, como en empuje de tierras o de aguas en muros de contención, estas cargas

actúan con su intensidad máxima durante lapsos muy grandes de tiempo y deben considerarseacciones permanentes. En otras ocasiones, como en recipientes y depósitos, estas accionestienen variaciones importantes en el tiempo y deben tratarse como acciones variables.



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Cargas variables

“Las acciones variables son las que obran sobre la estructura con una intensidad que varíasignificativamente con el tiempo. Las principales acciones que entran en esta categoría son:

-La carga viva;

-Los efectos de temperatura;

-Las deformaciones impuestas y los hundimientos diferenciales que tengan una intensidadvariable con el tiempo,

-Las acciones debidas al funcionamiento de maquinaria y equipo, incluyendo los efectosdinámicos que pueden presentarse debido a vibraciones, impacto o frenado”.



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Cargas variables

Carga viva

La carga viva es la que se debe a la operación y uso de la construcción. Incluye, por tanto,

todo aquello que no tiene una posición fija y definitiva dentro de la misma y no puedeconsiderarse como carga muerta. Entran así en la carga viva el peso y las cargas debidos amuebles, mercancías, equipos y personas.

Podemos distinguir tres grandes grupos de construcciones en cuanto a la carga viva que enellas debe considerarse: los edificios, las construcciones industriales y los puentes.



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Cargas variables

Carga viva

Dependiendo de la combinación de cargas que se esté revisando, pueden interesar distintos

valores de la carga viva con respecto a su variación temporal.

Para su superposición con las cargas permanentes, interesa la c rg viv máxim wm, o sea lamáxima intensidad que ésta puede adquirir a lo largo de la vida esperada de la estructura.

Para sus superposición con una acción accidental, interesa la c rg viv inst ntáne w , o seael valor que pueda adquirir en un instante cualquiera dentro de la vida de la estructura, esto es

en el instante en que ocurre la acción accidental.

Para fines de estimar efectos a largo plazo interesa la c rg viv medi w; así, para calcular deformaciones diferidas en estructuras de concreto y hundimientos en suelos arcillosossaturados que reaccionan lentamente con el tiempo, interesa el valor medio que la carga vivaadquiere en un lapso del orden de años.



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Cargas variables

Cargas vivas,Según NTC DF



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Cargas variables

Carga viva

La carga viva sobre puentes carreteros se debe esencialmente a las fuerzas transmitidas por los vehículos que sobre ellos transitan. Su determinación depende del peso y de las

características de los vehículos que pueden transitar sobre el puente, así como de ladistribución más desfavorable que es razonable esperar que se presente.



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Cargas variables

Efectos por temperatura

Los materiales se dilatan al elevarse su temperatura y se contraen cuando ésta se reduce.

Los cambios de temperatura no inducen solicitaciones en la estructura si ésta puededeformarse libremente; es la restricción al libre movimiento de ella la que produce esfuerzosen los elementos.



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Cargas variables

Efectos por temperatura

Los hundimientos provocan fuerzas internas en las estructuras solo si ésta es hiperestática y sisus apoyos tienen movimientos distintos (movimientos diferenciales).

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La magnitud de los hundimientos de los apoyos de una estructura debido a las cargas que enella actúan, depende de las características del subsuelo y de las rigideces relativas entre

estructura, cimentación y suelo.



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1.5 Teorías de diseño

Cargas variables

En este método, un miembro se selecciona de manera que tenga propiedades transversalescomo área y momento de inercia suficientemente grandes para poder prevenir que el esfuerzomáximo exceda un esfuerzo permisible. Este esfuerzo permisible estará en el estará en elrango elástico del material y será menor que el esfuerzo de fluencia Fy. Así, un miembro

adecuadamente diseñado bajo este criterio, quedará sometido a esfuerzos no mayores que elesfuerzo permisible bajo cargas de trabajo.

Diseño por el método de esfuerzos permisibles (ASD)


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Cargas variables

El diseño con factores de carga y resistencia se basa en los conceptos de estados limite. Eltérmino estado límite se usa para describir una condición en la que una estructura o parte deella deja de cumplir su pretendida función. Existen dos tipos de estados límite:

-Los est dos límite de resistenci se basan en la seguridad o capacidad de carga de lasestructuras e incluyen resistencias plásticas, de pandeo, de fractura, de fatiga, de volteo, etc.

-Los est dos límite de serviciose refieren al comportamiento de las estructuras bajo cargasnormales de servicio y tienen que ver con aspectos asociados con el uso y ocupación, talescomo deflexiones excesivas, deslizamientos, vibraciones y agrietamientos.

Diseño por el método de factores de carga y resistencia (LRFD)


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Cargas variables

En el método LRFD las cargas de trabajo o servicio (Qi) se multiplican por ciertos factores decarga o seguridad (λ i) que son casi siempre mayores que 1.0 y se obtienen las “cargasfactorizadas” usadas para el diseño estructural.

La estructura se proporciona para que tenga una resistencia última de diseño suficiente pararesistir las cargas factorizadas. Esta resistencia se considera igual a la resistencia teórica onominal (Rn) del miembro estructural, multiplicada por un factor de resistencia φ que esnormalmente menor que 1.0; con este factor, el proyectista intenta tomar en cuenta lasincertidumbres relativas a resistencia de los materiales, dimensiones y mano de obra.



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Cargas variables

La información precedente puede resumirse para un miembro particular de la manerasiguiente:

(La suma de los productos

de los efectos de las cargas ≤ (factor de resistencia)(resistencia nominal)y factores de carga)

El miembro izquierdo de esta expresión se refiere a los efectos de las cargas en la estructura,y el derecho a la resistencia o capacidad del elemento estructural.



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Cargas variables

Las combinaciones usuales de cargas consideradas en el LRFD son las siguientes:

U=1.4 DU=1.2 D + 1.6 L + 0.5 (Lr o S o R)U=1.2 D + 1.6 (Lr o S o R) + (0.5 L o 0.8 W)U=1.2 D + 1.3 W + 0.5 L + 0.5 (Lr o S o R)

Donde:U = Carga Última, D = Cargas Muertas, L = Cargas vivas, Lr= Cargas Vivas en techos, S =Cargas de nieve, R = Cargas de agua de lluvia, W= Fuerzas de viento y E = Fuerzas de sismo.



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1.6. Códigos, especificaciones y estándares.

Cargas variablesEl diseño de la mayoría de las estructuras está regido por especificaciones o normas. Aun siéstas no rigen el diseño, el proyectista debe tomarlas como una guía. Las especificaciones deingeniería son desarrolladas por varias organizaciones y contienen las opiniones más valiosasde esas instituciones sobre la buena práctica de la ingeniería.


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Cargas variablesLas autoridades estatales y nacionales, preocupadas por la seguridad pública, han establecidocódigos de control de la construcción de las estructuras bajo su jurisdicción. Estos códigosque en realidad son reglamentos, especifican las cargas de diseño, esfuerzos de diseño, tiposde construcción, calidad de los materiales y otros factores.


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Cargas variablesAlgunas organizaciones publican prácticas que se recomiendan para uso regional o nacional;sus especificaciones no son legalmente obligatorias, a menos que estén contenidas en elcódigo de edificación local o formen parte de un contrato en particular, entre estasorganizaciones están el AISC (American Institute of Steel Construction) y la AASHTO(American Association of State Highway and Transportation Officials).

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