La Armadura Longitudinal En Vigas Y Columnas.docx

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA INTEGRAL UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA U.N.E.F.A. NÚCLEO MIRANDA OCUMARE DEL TUY SECCION 701. INGENIERIA CIVIL

LA ARMADURA LONGITUDINAL EN VIGAS Y COLUMNAS

INTRODUCCIÓN

Hace algunos años, cuando se utilizaba barras lisas, es decir, sin deformaciones en la superficie, la resistencia de adherencia inicial era provista únicamente por la unión química y por la fricción mecánica, relativamente débiles, entre el acero y el concreto. Una vez que se sobre pasaban las fuerzas de adhesión y la fricción estática para cargas superiores, pequeñas cantidades de deslizamiento llevaban al entrelazamiento de las rugosidades naturales de la barra con el concreto. Sim embargo, esta resistencia adherencia natural es tan baja que la unión entre el acero y el concreto se rompía con frecuencia en vigas reforzadas con barras lisas. El acero y las fibras de vidrio son materiales que poseen las características para desarrollarla adhesión requerida entre el refuerzo y el concreto; resistencia de fluencia, ductilidad y capacidad de adhesión. La resistencia de adherencia es el resultado de la combinación de varios parámetros, tales como la adhesión mutua entre el concreto y la superficie de contacto del acero y la presión que ejerce el concreto endurecido en la varilla o el alambre de acero, debida a la contracción del concreto al secarse. Además de esto, la trabazón y fricción que ocasionan los micro-movimientos de la varilla en tensión, entre las corrugaciones de su superficie y el concreto, resulta en un incremento de la resistencia del desplazamiento. El efecto total que producen estos factores se conoce como adherencia.

LA ARMADURA LONGITUDINAL EN VIGAS Y COLUMNAS

La técnica constructiva del hormigón armado consiste en la utilización de hormigón reforzado con barras o mallas de acero, llamadas armaduras. También se puede armar con fibras, tales como fibras plásticas, fibra de vidrio, fibras de acero o combinaciones de barras de acero con fibras dependiendo de los requerimientos a los que estará sometido. El hormigón armado se utiliza en edificios de todo tipo, caminos, puentes, presas, túneles y obras industriales. La utilización de fibras es muy común en la aplicación de hormigón proyectado o shotcrete, especialmente en túneles y obras civiles en general. ARMADURA LONGITUDINAL Las armaduras de los pilares están constituidas por dos familias de barras: Armadura longitudinal y armadura transversa. Esta armadura longitudinal colabora con el hormigón en los esfuerzos de compresión, y absorbe los esfuerzos de tracción si los hubiera. Por lo tanto se puede decir que la armadura longitudinal es la armadura formada por barras de acero paralela al eje longitudinal de un elemento estructural de hormigón armado, o paralela a la superficie horizontal del hormigón, encargada de absorber los esfuerzos producidos por las cargas y las fuerzas aplicadas. ADHERENCIA, ANCLAJE Y LONGITUD DE DESARROLLO. En un elemento de concreto reforzado, es indispensable que exista adherencia entre el acero de refuerzo y el concreto que rodea el acero, de manera que ambos materiales trabajen juntos logrando la acción compuesta. Por ejemplo, en una sección fisurada de una viga de concreto armado en flexión simple, las compresiones originadas por la flexión son resistidas por el concreto mientras que las tracciones las soporta el acero de refuerzo. Para que exista este trabajo conjunto concreto – acero, debe existir transferencia de esfuerzos a adherencia entre los dos materiales. Si no existiera adherencia, las barras de refuerzo deslizarían dentro de la masa de concreto sin encontrar resistencia en toda su longitud y no acompañarían al concreto en sus deformaciones. Al fisurarse el concreto se producirá una falla brusca, la resistencia de la viga será prácticamente la correspondiente al agrietamiento del concreto en tracción por flexión, es decir como si el refuerzo de acero no existiera. La figura 21-1 (adaptada de Nilson)ilustra esta situación en una viga simple sin adherencia entre concreto y acero.

Fig. 21-1 Viga sin adherencia entre el acero y el concreto

Situaciones como las indicadas en la figura 21-1 son frecuentes cuando se emplean barras lisas, sin corrugaciones. Si bien existe algo de adherencia entre las barras y el concreto, provenientes de la adhesión y la fricción, estos mecanismos se vencen fácilmente. La fricción se encuentra afectada por el efecto de Poisson que reduce el diámetro de las barras en tracción, en consecuencia es indispensable proveer anclajes mecánicos (los ganchos a 180º eran muy frecuentes) en todas las terminaciones de las barras. En el caso en el cual las barras tengan un anclaje mecánico en sus extremos, como por ejemplo un gancho a 90º 0 180º, la situación seria un tanto distinta adherencia, la viga trabajará como un arco con un tirante constituido por el acero de refuerzo. La tracción en el tirante es prácticamente constante a lo largo de la viga, igual al momento flector al centro dividido entre el brazo de palanca jd. El comportamiento de la viga no sería “bueno” ya que mostraría mucho agrietamiento y deflexiones excesivas debido a que la elongación o estiramiento del acero sería mucho mayor que la correspondiente al caso en el cual sí existe adherencia. La figura 21-2 (adaptada de Nilson) ilustra el mecanismo de arco que se produce en una viga con baja adherencia, es indispensable que el tirante esté firmemente anclado en los extremos, en caso contrario al agrietarse el concreto la viga colapsa.

Fig. 21-2 Acción de acero con tirante en una viga con poca adherencia.

Gracias a la adherencia, las barras de refuerzo pueden trabajar, inicialmente, a la vez que el concreto y después, cuando éste se fisura, lo hacen de forma más o menos regularmente distribuida a lo largo del elemento. La adherencia permite que el acero de refuerzo tome los esfuerzos de tracción, manteniendo la unión entre los dos materiales en las zonas entre fisuras. La adherencia cumple fundamentalmente dos objetivos: Asegurar el anclaje de las barras de refuerzo. Transmitir los esfuerzos cortantes que aparecen en la periferia de las armaduras como consecuencia de las variaciones en los esfuerzos longitudinales de las mismas. El segundo objetivo es consecuencia de las variaciones de los esfuerzos longitudinales (tracción o compresión) en las armaduras de refuerzo. Para que pueda ocurrir esta variación, es necesario que se transmitan esfuerzos de las barras al concreto. Por lo tanto, en todos los casos en que los esfuerzos de las barras cambien de un punto o sección a otro, será necesario que se desarrollen esfuerzos de adherencia. Mecanismos que Originan la Adherencia La adherencia o resistencia al deslizamiento se origina por dos fenómenos: uno de naturaleza física (o físico - química) y otros de naturaleza mecánica. El primero genera la adhesión del acero con el concreto, a través de fuerzas capilares y moleculares que se desarrollan en la interfase. Es como si el acero absorbiese pasta cementante. El segundo, más importante que el anterior, proviene de la resistencia al deslizamiento debida a la penetración de la pasta de cemento en las irregularidades de la superficie de las barras de refuerzo. Esta causa de origen mecánico, puede denominarse rozamiento o fricción y es la que produce la mayor

parte de la adherencia en las barras lisas (hoy en día prácticamente en desuso) y varía notablemente con el estado de la superficie del refuerzo. En el caso de barras corrugadas, a la fricción se le añade el efecto de acuñamiento o de apoyo directo de las corrugaciones o resaltos de ¡as barras contra el concreto circundante. En las barras corrugadas este efecto es el más importante. Los dos primeros mecanismos, adhesión y fricción, son los únicos presentes en las barras lisas. El primero es un mecanismo débil que se vence fácilmente cuando la barra está en tracción. Vencida la adhesión el único mecanismo que resta es la fricción. Al aumentar la carga, la fricción se debilita ya que las barras por efecto de Poisson, reducen su diámetro, por este motivo las barras lisas necesitan anclajes del tipo mecánico (normalmente ganchos) en sus extremos. En las barras corrugadas también están presentes estos mecanismos, sin embargo, la adhesión queda anulada cuando el deslizamiento de la barra alcanza una cierta magnitud. La fricción y las fuerzas de acuñamiento son las únicas que quedan, no siendo posible separar ambos efectos, sin embargo, las fuerzas de acuñamiento son las más importantes. Las fuerzas de acuñamiento dependen de las características de las corrugaciones de las barras de refuerzo. La figura 21-3 (CEB, 2000) muestra la evolución de los diversos mecanismos que generan la adherencia. Las fallas de adherencia se desarrollan en cuatro grandes etapas, estas son: 1.) A esfuerzos de adherencia bajos, están presentes los tres grandes mecanismos (adhesión, fricción y fuerzas de aplastamiento sobre el concreto o efecto de acuñamiento). No existe desplazamiento relativo de la barra con respecto al concreto que la circunda. El único movimiento de la barra proviene de la deformación elástica del concreto circundante. 2.) Se inicia el deslizamiento del acero. Se forman micro fisuras transversales a la barra detrás de las corrugaciones. Restan dos mecanismos, la fricción y el aplastamiento que producen las corrugaciones sobre el concreto. 3.) Las microfisuras se propagan radialmente hacia afuera. El confinamiento que provee el concreto circundante y/o el refuerzo transversal presente resiste la propagación de las grietas. La trituración (aplastamiento o crushing) local del concreto al frente de las corrugaciones acelera el deslizamiento y reduce la pendiente del diagrama (ver figura 21-3). 4.) Finalmente ocurre la falla de adherencia ya sea por extracción (pullout) de la barra o por excesivo agrietamiento del concreto (agrietamiento por adherencia). La

falla de extracción ocurre en presencia de fuerzas de confinamiento importantes Como las producidas por refuerzo transversal a las barras (estribos a poco espaciamiento o una espiral envolviendo a la barra).

Fig. 21-3 Esfuerzos de adherencia y deslizamiento de la barra.

La figura 21-4 (adaptada de MacGregor) ilustra el mecanismo de apoyo directo de las corrugaciones o resaltes de las barras sobre el concreto circundante, también lo hemos llamado efecto de acuñamiento. La corrugación de la barra se “apoya” sobre el concreto generando aplastamiento, el ángulo de inclinación de estas fuerzas depende de muchas variables, entre ellas las características de los resaltes. Las fuerzas en el concreto pueden descomponerse en una componente tangencial o longitudinal y una componente radial. Esta última genera esfuerzos circunferenciales de tracción en el concreto que producen agrietamiento (split o hendidura) y cuando el agrietamiento se propaga hasta la superficie del elemento se produce la falla de adherencia.

Fig. 21-4 Mecanismo de apoyo directo de las corrugaciones

Las fallas de adherencia en una viga siguen a las barras de refuerzo a lo largo del fondo o las caras laterales de la viga tal como se muestra en la figura 21-5 (Nilson)

Fig. 21-5 Fallas de adherencia en una viga.

La figura 21-6 (adaptada de MacGregor) muestra algunas de las superficies típicas de adherencia en una viga de concreto armado. Los círculos concéntricos que se han dibujado alrededor de las barras, simbolizan el cilindro de concreto que está más afectado por las tracciones inducidas por las fuerzas radiales sobre el concreto producto del apoyo de las corrugaciones (véase la figura 21-4 c). Las dimensiones de este cilindro se pueden estimar, de manera gruesa, imaginando un círculo de diámetro 1.5 db(db es el diámetro de la barra) con centro en la barra de refuerzo. Cuando el círculo toca alguna de las superficies de la viga puede producirse una grieta de adherencia. Estas grietas tienden a desarrollarse a lo largo de la distancia más corta entre una barra y la superficie del elemento o entre dos barras. De la observación de esta figura se desprende nuevamente la importancia de ser exigente con los recubrimientos y con el espaciamiento mínimo entre barras de refuerzo.

Fig. 21-6 Superficies típicas asociadas con fallas de adherencia (splitting o hendidura).

La figura 21-6 también permite imaginar la influencia que tiene el refuerzo transversal en el control de la falla de adherencia. Por ejemplo, si la barra estuviese rodeada por una espiral de acero, las grietas de adherencia estarían interceptadas por el refuerzo aumentando de manera importante la resistencia. También los estribos con poco espaciamiento, interceptan a las potenciales grietas restringiendo su crecimiento. La carga a la cual puede desarrollarse una falla de adherencia depende de: a) La distancia entre la barra y la superficie del elemento o de la distancia a la barra próxima, la que sea menor. Cuanta más pequeña sea esta distancia menor será la carga de falla. b) La resistencia a la tracción del concreto. c) La intensidad promedio de los esfuerzos de adherencia. Cuantos mayores sean los esfuerzos de adherencia mayores serán las fuerzas radiales de tracción que obran sobre el concreto. d) La presencia de refuerzo transversal que retarde el crecimiento de las grietas por hendidura. Si el recubrimiento y el espaciamiento entre barras son grandes, en comparación al diámetro de las barras, puede ocurrir una falla de extracción (pullout) en la cual la barra y un cilindro de concreto adherido a ella, tangente a la parte superior de las corrugaciones, se sale del elemento. 1.3 Esfuerzos de Adherencia en una Viga La figura 21-7 muestra el diagrama de cuerpo libre de un pedazo (cercano al apoyo) de una viga y el diagrama de la barra de refuerzo con las fuerzas de adherencia necesarias para mantener el equilibrio de la misma. Si las fuerzas de adherencia desaparecen, las barras serían incapaces de tomar los esfuerzos de tracción, las barras se “saldrán” delconcreto causando el colapso de la viga, salvo que en sus extremos tengan algún tipo de anclaje mecánico.

Fig. 21-7 Esfuerzos de adherencia en las barras de refuerzo.

En todos los casos en que los esfuerzos de las barras cambien de un punto o sección a otro, será necesario que se desarrollen esfuerzos de adherencia. Esta situación se ilustra en el diagrama de cuerpo libre mostrado en la parte inferior de la figura 21-7, si la fuerza 72 es mayor que 77, en la superficie de la barra deberán producirse esfuerzos de adherencia para mantener el equilibrio de la barra en la dirección de la misma. DISEÑO A LA ROTURA En la actualidad existen. Básicamente, dos métodos de diseño en concreto armado: diseño elástico o por cargas de servicio y diseño a la rotura o por resistencia última. El diseño a la rotura se fundamenta en la predicción de la carga que ocasiona la falla del elemento en estudio y analiza el modo del colapso del mismo. Este método toma en consideración del comportamiento inelástico del acero y el concreto y por lo tanto. Se estima mejor la capacidad de carga de la pieza. Algunas de las ventajas de este procedimiento son.

El diseño por rotura permite controlar el modo de falla de una estructura compleja considerando la resistencia última de las diversas partes del sistema. Algunos elementos se diseñan con menor margen de seguridad que otros para inducir su falla primero. Permite obtener un diseño más eficiente, considerando la distribución de esfuerzos que se presentan del rango elástico. Este método no utiliza el módulo de elasticidad del concreto. El método de diseño a la rotura permite evaluar la ductilidad de la estructura. Factores de carga Los factores de carga tiene el propósito de dar seguridad adecuada contra un aumento en las cargas de servicio más allá de las especificaciones en el diseño, para que sea sumamente improbable la falla. Los factores de carga también ayudan a asegurar que las deformaciones bajo cargas de servicio no sean excesivas. El código ACI recomienda que la resistencia requerida U para resistir las cargas sean: a) Para combinaciones de carga muerta y carga viva.

Donde D es el valor de la carga muerta y L el valor de la carga viva b) Para combinaciones de carga muerta, carga viva y carga accidental.

Donde W es el valor de la carga de viento y E el de la carga de sismo. cuando la carga viva sea favorable, se deberá revisar las combinaciones de carga muerta y carga accidental con los siguiente s factores de carga.

Factores de reducción de capacidad Los factores de reducción de capacidad Φ, toman en cuenta las inexactitudes en los cálculos y fluctuaciones en la resistencia del material, en la mano de obra y en las dimensiones. En las vigas se considera el más alto valor de Φ debido a que se están diseñadas para fallar por flexión de manera dúctil con fluencia del acero tracción. Para flexión: Φ = 0.90 Para cortante:

Φ= 0.85 Para flexo-compresión: Φ= 0.75 (columnas zunchadas) Φ= 0.75 (columnas estribadas) Estado de rotura Al continuar incrementando las cargas, las grietas y el eje neutro continúan progresando hacia arriba, pero la relación de esfuerzos ya no es lineal, y finalmente se produce la falla del elemento. Esta puede producirse de tres manera: 1) FALLA POR FLUENCIA DEL ACERO (FALLA DÚCTIL) En este estado el acero fluye y exhibe una falla dúctil. El acero entra en fluencia antes que el concreto alcance la deformación máxima. Se aprecia grandes deflexiones y fisuras entes del colapso la cual alerta del inminente. 2) FALLA POR APLASTAMIENTO DEL CONCRETO (FALLA FRAGIL) Se presentan en vigas con gran cantidad de acero (sobre - reforzada) o con cantidad moderada de acero, pero con alto esfuerzo de fluencia. El concreto alcanza la máxima deformación (EU=0.003) y el acero permanece aún elástico (ES≤EY) es decir sin haber llegado a la fluencia 3) FALLA BALANCEADA Un estado idealizado en el que la falla se produce simultáneamente por aplastamiento del concreto y el acero esta justamente iniciando la fluencia.