N° 25: Repaso de concreto reforzado (I): Diseño y detallado del acero de refuerzo longitudinal en vigas

INTRODUCCIÓN

Para el desarrollo de los temas relativos a la construcción mixta (AISC 360-10 y AISC 341-10), diafragmas y fundaciones de las estructuras de acero (AISC 341-10) es menester hacer un breve repaso de los conceptos y procedimientos de diseño y detallado de miembros de concreto reforzado. También porque el campo de acción del ingeniero latinoamericano no es tan segmentado como en otros continentes. El conocimiento desde las escuelas de ingeniería de las normas ACI, preparó al ingeniero estructural para abordar con soltura el método de los estados límites (LRFD) y el conocimiento del diseño por capacidad (como el diseño sismorresistente por corte) . 

Palabras claves o descriptores: concreto reforzado, secciones simple y doblemente reforzadas, longitudes de transferencia, gancho estándar. 


Figura 1 Armado de vigas de concreto reforzado  

PREMISAS  

En los formularios como los del Manual AISC, los diagramas de momento están dibujados sobre la fibra comprimida atendiendo a las razones teóricas matemáticas de la Resistencia de Materiales, pero en la práctica del diseño y la construcción resulta más útil dibujarlos sobre la fibra traccionada (Ver por ejemplo el libro de P. Charon) y también porque no da lugar a la ambigüedad en el caso de los miembros verticales.  

Para resolver los inconvenientes de escribir el símbolo de la resistencia especificada a compresión del concreto, se adoptará Fc, en congruencia con la notación AISC. De igual manera se reemplaza el fy del ACI por el Fy del AISC. En lo posible se omite el uso de letras griegas. 

Por ser conceptualmente confusa el uso de una misma denominación (resistencia) a términos diferentes, se reemplazan las resistencias nominal, de diseño y requerida por resistencia teórica (capacidad teórica), resistencia minorada, (capacidad o resistencia de cálculo) y solicitaciones mayoradas (demanda local de resistencia), respectivamente. Las capacidades se calculan con las leyes del material concreto reforzado y las demandas se obtienen del análisis estructural  

El alcance del presente Cuaderno se restringe a las secciones rectangulares y al cálculo y detallado del acero de refuerzo longitudinal por flexión. Se considera que el efecto de las fuerzas axiales es despreciable (menor que 0,10 A Fc, según la Sección 9.5.2 y la Subsección 18.4.2.6 del ACI 318-14).

Como se demuestra en los ejemplos del Anexo, es más sencillo, seguro y económico utilizar los cálculos y detallados para los Niveles de Diseño ND3 (pórticos especiales) y ND2 (pórticos intermedios), es decir se omite el ND1 (pórticos ordinarios) y porque los ND2 y ND3 cubren perfectamente las exigencias de integridad estructural (Artículo 4.10, ACI 318-14). 

En la medida de lo posible se indican las referencias normativas que corresponden al ACI 318-14.

PREDISEÑO DE VIGAS

Las solicitaciones máximas, mayoradas y combinadas para el Estado Límite de Agotamiento Resistente, se estiman mediante métodos aproximados de las solicitaciones a esperar en los secciones adyacentes a las caras de las columnas. Es decir, es suficiente con calcular los momentos en los apoyos. Las cargas mostradas en el pórtico de la Figura 2, son las cargas mayoradas, qu, Provenientes de las reacciones de las losas y de las paredes que se apoyan directamente sobre las vigas, así como del peso propio de las vigas: En edificios una buena estimación resulta de suponer vigas de b x h = 30 x 60 cm, o sea, 450 kgf/m antes de mayorar apropiadamente. La experiencia evidencia que la filosofía de columnas fuertes vigas débiles (Sección 18.7.3, ACI 218-14; y la que conocemos de la E3.4a, AISC 341-10) empieza a funcionar para columnas de concreto reforzado con una anchura de cara no menor de 40 cm. 

Figura 2  Secciones para el prediseño de vigas de concreto reforzado solicitadas por cargas gravitacionales 

La luz libre de la viga, Ln, debe ser al menos 4 veces su altura útil, d, y su anchura no menor a 0,30 h o 25 cm (Subsección 18.6.2.1). La altura de la viga, h, puede estimarse con los valores de la Tabla 9.3.1.1, pero en general L/14 funciona bastante bien, siendo L la distancia entre los ejes de los apoyos verticales de la viga. 

En lugar de usar los valores de la Tabla ACI 6.5.2 para obtener los momentos en las caras de los apoyos, para efectos de prediseño se usará qu L2/10, valor en el cual tienden a estabilizarse los momentos negativos en vigas continuas. Para casos más complejos, se pueden utilizar los momentos de empotramientos (Ver Carpetas de Ayudas para el Diseño y Detallado, Anexos).

DISEÑO DE VIGAS

Los fundamentos teóricos y el procedimiento ordenado para el análisis y el diseño de los miembros en flexión se encuentran en los Ejemplos del Anexo

Cálculo de las áreas de acero refuerzo longitudinal, As 

Igualmente el cálculo de las áreas de acero en las secciones simplemente reforzadas o de sólo acero en tracción o doblemente reforzada (aceros en tracción y en compresión) se encuentran en los Ejemplos del Anexo. 

DETALLADO DEL ACERO DE REFUERZO LONGITUDINAL EN VIGAS

Constructivamente, las vigas son realmente doblemente reforzadas porque se disponen de barras longitudinales para el amarre de los estribos, pero como se demuestra en el Ejemplo 3, su aporte a la resistencia a momentos es insignificante. Las vigas de concreto suelen predimensionarse como simplemente reforzadas, porque el As en la zona comprimida tiene como función fundamental restituir la ductilidad de la sección, y no incrementa sensiblemente la resistencia. Véase el Ejemplo 3 del Anexo.

El cálculo y el detallado del acero longitudinal de las vigas se hace en dos etapas: En la primera etapa se comprueba el número de cabillas que pueden disponerse en la sección transversal (Ejemplo 1 del Anexo), para luego pasar a la disposición del acero de refuerzo en toda la longitudinal de la viga (Ejemplo 5 del Anexo)  

BIBLIOGRAFÍA 

  • ACI Committee 318 (2014). Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary. ACI 318-14. Farmington Hills, MI, 519 p. Debido a la restructuración del contenido con respecto a las ediciones previas, se sugiere al interesado descargar gratuitamente de internet la Transition Key: 318-14 to 318-11, y viceversa 318-11 to 318-14. 
  • Charon, Pierre (1975). Cómo evitar los errores en los proyectos de hormigón armado. Editores Técnicos Asociados S.A; Barcelona, 264 p. Consecuente con el título y el objetivo del libro, el autor entrega los diagramas de momentos dibujados sobre la fibra tendida y tablas con los valores de momentos a intervalos de un décimo de la luz.  
  • Fargier Gabaldón, Luis y Fargier Suárez, Luis (2010). Concreto armado. Comportamiento y diseño. USA, 414 p.
  • Fratelli, María G. Edificios de concreto armado. Diseño según Normas ACI 318, COVENIN 1753:06 y Sismoresistente 1765-01.(2007). Ediciones Unive S.R.L, Caracas. 225 p.
  • González Cuevas, Oscar y Robles Fernández, Francisco (2009).Aspectos fundamentales del concreto reforzado. Cuarta edición. Limusa, México, 802 p.
  • Gutiérrez, A. Concreto Reforzado I y II, y Proyectos de Estructuras de Concreto. Apuntes de clases Facultad de Ingeniería de la Universidad Católica Andrés Bello. Rodríguez M., Denis. Concreto Reforzado. Apuntes de clases del curso semipresencial de la Especialización en Ingeniería Estructural de la Universidad Católica Andrés Bello
  • Subcomité 1 Edificaciones (2006). Proyectos y Construcción de Obras en Concreto Estructural. Norma venezolana 1753-06. Fondonorma, Caracas, 326 p.
  • Velásquez, José Manuel. Proyectos de Estructuras de Concreto. Apuntes de clases Facultad de Ingeniería de la Universidad Católica Andrés Bello. 
  • Wight, James K,. and MacGregor, James G (2009). Reinforced Concrete. Mechanics and Design. Fifth edition, Pearson Prentice Hall, New Jersey, 1112 p. 

ANEXOS

EJEMPLOS

Carpeta Ayudas para el diseño y el detallado

Comentarios

Hola. Junto con agradecer el valioso material les quería poner en alerta que los link a los siguientes anexos de está publicación no funcionan o el destino no corresponde: AAD 100 Identificación de cabillas AAD 115 Vigas de concreto Ademas la "Tabla 5 Áreas de acero para combinación de cabillas (en mm)".. es poco clara. Saludos y gracias.

Gracias por esta importante información para quienes les gusta el calculo de estructuras de concreto, apoyados por el reglamento del A.C.I y la complementamos con formulario dependiendo de los cálculos así como tablas de factores aplicados en las estructuras, pesos de materiales, cargas vivas, losas reticulares...... Saludos

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