N° 26: Repaso de concreto reforzado (II): Diseño y detallado del acero de refuerzo transversal en vigas

INTRODUCCIÓN

El acero de refuerzo transversal, estribo en el archivo Terminología ACI en la Carpeta Ayudas para el Diseño y el Detallado, cumple un papel de primerísima importancia en el comportamiento y resistencia de los miembros de concreto reforzado:

  • Restringe el crecimiento de la fisuración, logrando una mayor profundidad útil de la zona comprimida.

  • Mejora la capacidad de adherencia del acero longitudinal, evitando la falla frágil por desgarramiento.

  • Aumenta la ductilidad del conjunto, y si los estribos son cerrados confinan el área de concreto evitando rotura frágil.

  • Asegura la necesaria vinculación entre las armaduras principales, de forma que se impide el pandeo del acero longitudinal y a formación de fisura localizadas.

  • Absorbe las tensiones de tracción originadas por las tensiones tangenciales.

Las fisuras de tracción producidas en la flexión son verticales y la fuerza cortante produce tensiones diagonales. Como se muestra en la Figura 2, la combinación de los aceros de refuerzo longitudinal y transversal pueden controlar el fisuramiento por flexión y corte (véase también la Figura R.22.5.8.3 del ACI 318-14).  


Figura 1. Colocación de estribos  


Figura 2. Fisuración por flexión y corte en vigas 

Palabras claves o descriptores: acero de refuerzo transversal, estribos, estribos cerrados, diseño y detallado por Nivel de Diseño. Torsión, torsión por equilibrio, torsión por compatibilidad.

DISPOSICIONES NORMATIVAS PARA EL ACERO DE REFUERZO TRANSVERSAL

En el Capítulo 25 del ACI 318-14 se especifica el tipo de refuerzo a usar por corte en toda la longitud del miembro. Este refuerzo por corte abarcará toda la altura útil, d, medida desde la fibra extrema comprimida a la fibra extrema traccionada, y se anclará en ambos extremos para desarrollar la tensión cedente de diseño del acero de refuerzo. Preferentemente los estribos serán cerrados, y son de uso obligatorio en los proyectos sismorresistentes. Ver Figura 3 (preferible a los detalles del Capítulo 18 ACI 318-14 con un gancho a 135° en un extremo y 90° en el otro. Para garantizar que el estribo trabaje, se acota su resistencia a la cedencia (Subsección 22.5.3.3).   

 

Figura 3. Disposición de estribos cerrados [IITK-BMTPC Tip 18]

CRITERIO GENERAL PARA EL ANÁLISIS, DISEÑO Y DETALLADO POR CORTE

Según el Artículo 22.5 de ACI 318-14, el diseñó y detallado de los miembros solicitados por fuerza cortante deben satisfacer la condición

Vt³ Vu                                        

Donde Vu es la fuerza cortante mayorada del miembro estructural en la zona en estudio conforme las Secciones 7.4.3, 8.4.3 y 9.4.3, según corresponda; el factor de minoración de la resistencia teórica, = 0.75, según la Tabla 21.2.1 del ACI 318-14, y Vt es la resistencia teórica al corte, calculada con la siguiente fórmula (22.5.1.1):

Vt = Vc + Vs                                

En las Secciones 22.5.5 a 22.5.7 se establecen límites a los valores de Vc y en la Sección 22.5.10 los valores límites de Vs

En el Ejemplo 1, Ejemplo 2 y Ejemplo 3 se podrá comprobar que el diseño y detallado sismorresistentes de los estribos (Ejemplo 1, Niveles de Diseño Especial, ND3, del Artículo 18.6 o el Ejemplo 2, Nivel de Diseño Intermedio, ND2, del Artículo 18.4), es mucho más sencillo, y por supuesto mas seguro, que el Nivel de Diseño Ordinario del Artículo 22.5ª (Ejemplo 3, ND1)  

Exigencia       Dificultad de cálculo
Menor ND1 Más difícil
Mayor ND2
ND3
Más fácil

El uso de estribos cerrados es mandatorio tanto en diseño sismorresistente como por integridad estructural (Ver Terminología, en la Carpeta Ayudas para el diseño y el detallado incluida en los Ejemplos).


Figura 4. Disposiciones para estribos en vigas con ND3 y ND2
[Manual para el Proyectos de Estructuras de Concreto Armado. MINDUR, 1985]

ESTRIBOS POR TORSIÓN

El tratamiento de la torsión en concreto reforzado se introduce en el ACI 318-71, y cambia de formato en 1977, y continuó sin cambios hasta 1989. Pero desde el ACI 318-95 se dispone de un nuevo método cuya aplicación se extendió a los miembros de concreto pretensado. En la edición ACI 318-02 se añadieron nuevas fórmulas para los casos en que hay presencia de fuerzas axiales, se extendió el alcance a secciones huecas, y se hicieron consistentes las fórmulas del área mínima de refuerzo con los concretos de alta resistencia. Todo ello redundó en ahorros importantes.

El cálculo del corte por torsión utiliza la analogía de un tubo de pared delgada, en la cual el flujo de corte q = T /2Ao es constante en todas las paredes del perímetro del tubo. Por eso se supone que la resistencia del concreto a torsión es cero, y que la resistencia del concreto, Vc, permanece inalterada ante la presencia del corte por torsión. Esta simplificación elimina la interacción entre Vc y Tc y las fórmulas son mas sencillas y menos conservadoras. Una vez que la sección se ha fisurado, se hace uso de la analogía con una celosía espacial para el cálculo de la resistencia a torsión.

Según el Artículo 22.7 ACI 318-14 en la torsión de estructuras de concreto reforzado debe identificarse dos condiciones:

  1. Cuando el momento torsional no puede disminuirse por la redistribución de las fuerzas internas, caso típico de estructuras isostáticas. Es lo que se llama torsión por equilibrio. Ver Figura R.22.7.3a, ACI 318-14.

  2. Cuando el momento torsional puede ser reducido por la redistribución de las fuerzas internas después que ocurre la fisuración. Se denomina torsión por compatibilidad, y es típica de las estructuras hiperestáticas. Ver Figura R.22.7.3b, ACI 318-14.

 El Ejemplo 4 muestra la aplicación de los conceptos de torsión y el correspondiente detallado del acero de refuerzo.

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.
  • Brufau Vall, F y Oliveros B., M (2006). Las barreras de seguridad tipo New Jersey. Anales de Construcciones y materiales avanzados, Vol. 5. Curso 2005-2006. Universitat Politécnica de Catalunya. Departament d´ Enginyeria de la Construcció. Antonio Aguado y Luis Agulló, editores, Barcelona, mayo, p. 65-74.
  • El-Salakawy, E. F., Benmokrane, B., Masmoudi, R., Briére, F., and Beaumier, E., (2003), Concrete Bridge Barriers Reinforced with GFRP Composite Bars, ACI Structural Journal, Vol. 100, No.6, Nov.-Dec., pp.815-824.
  • Fargier Gabaldón, Luis y Fargier Suárez, Luis (2010). Concreto armado. Comportamiento y diseño. USA, 414 p.
  • Gil Sagueres, C. y Jordà, Regas, M. (2006). Las barreras de seguridad tipo New Jersey (II). Anales de Construcciones y materiales avanzados, Vol. 5. Curso 2005-2006. Universitat Politécnica de Catalunya. Departament d´ Enginyeria de la Construcció. Antonio Aguado y Luis Agulló, editores, Barcelona, mayo, p.75-84.
  • González Cuevas, Oscar y Robles Fernández, Francisco (2009).Aspectos fundamentales del concreto reforzado. Cuarta edición. Limusa, México, 802 p.
  • Gutiérrez, A. (2016). Repaso de concreto reforzado (I). Diseño y detallado del acero de refuerzo longitudinal en vigas. Cuaderno del Ingeniero No. 25, febrero 2016.
  • 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.
  • Gutiérrez, A. (2002). Revisión 2002 de la Norma COVENIN –MINDUR 1753-85 Estructuras de Concreto Armado para Edificaciones. Justificación, objetivos y modificaciones. Seminario Técnico SIDETUR Edificaciones Sismorresistentes de    Concreto Armado. 26 noviembre, Caracas, p1-30.
  • IITK-BMTPC (2003). How do beams in RC buildings resiste earthquakes?. Earthquake tip 18. New Delhi, September, 2 pp. Descargable de www.bmtpc.org o www.nice.org
  • Parra Montesinos, G., Rodríguez, D., Gutiérrez, A., y Grases, J (2002). Historical review and proposal for updated of the Venezuelan Standards for the Structural Concrete Buildings. ACI, International Workshop on Structural Concrete Design in Americas, Phoenix, AZ, October 2-6, P.P. 20 p.
  • Parra Montesinos, G., Rodríguez, D., Gutiérrez, A., y Grases, J (2004). Current Venezuelan design practice for structural walls and new alternatives for reducing reinforcement detailing in seismic-resistance wall systems. ACI, International Workshop on Structural Concrete Design in Americas, Washington, D.C, March, P.P. 22 pp. 
  • Priestley, M.J.N (1995). Myths and fallacies in Earthquake Engineering – Conflicts between design and reality. SP 157-11, p. 231-254. Recent developments in lateral force transfer in buildings. Thomas Paulay Simposium. ACI SP-157, 516 pp. Nigel Priestley, Richard P. Collins and Frieder Siable, editors. 
  • Subcomité 1 Edificaciones (2006). Proyectos y Construcción de Obras en Concreto Estructural. Norma venezolana 1753-06. Fondonorma, Caracas, 326 p.

ANEXOS 

 Documentación sobre barreras viales de concreto:

EJEMPLOS

Comentarios

En busca de documentación sobre la torsión y por casualidad accedí a su información, que para mi concepto es muy valiosa, por lo que les pido acceder a sus comentarios con facilidad y en su caso poder insinuar algún aspecto que este en mi conocimiento, soy ingeniero civil, vivo en Bolivia – Sucre; mi correo electrónico es [email protected] para servirles, muchas gracias.

Estimado Alberto, Nos alegramos que esta información sea de su interés. Procederemos a agregarlo a nuestra base de datos para que reciba nuestro boletín. Saludos Alacero

Añadir nuevo comentario

CAPTCHA
Esta pregunta es para comprobar si usted es un visitante humano y prevenir envíos de spam automatizado.