Comportamiento del concreto armado
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El documento describe los principales conceptos relacionados con el comportamiento del concreto armado. Explica que el concreto y el acero trabajan juntos, con el concreto resistiendo compresión y el acero resistiendo tracción. También cubre temas como la flexión, corte, flexocompresión y adherencia entre el concreto y el acero.
Comportamiento del concreto armado
- 1. 1) Comportamiento del concreto armado - El concreto armado y el concreto y el acero trabajan integradamente - Las deformaciones en el acero son similares a las del concreto que esta alrededor del acero - El Principio de Navier – Bernoulli establece que “las secciones transversales planas antes la deformación permanecen planas después de la deformación - Las estructuras se deforman ante la presencia de solicitaciones pues deben resistir y equilibrar las cargas mediantes esfuerzos internos y deformaciones externas. - En el concreto armado, el concreto no resiste a la tracción sino al acero - El concreto se comporta como material inelástico mientras el acero lo hace como material elasto – plástico 2) Fundamento del cálculo del concreto armado El hormigón en masa es un material moldeable y con buenas propiedades mecánicas y de durabilidad, y aunque resiste tensiones y esfuerzos de compresión apreciables tiene una resistencia a la tracción muy reducida. Por eso se usa combinado con acero, que cumple la misión de cubren las tensiones de tracción que aparecen en la estructura. Por otro lado, el acero confiere a las piezas mayor ductilidad, permitiendo que las mismas se deformen apreciablemente antes de la falla. En los elementos lineales alargados, como vigas y pilares las barras longitudinales, llamadas armado principal o longitudinal. Estas barras de acero se dimensionan de acuerdo a la magnitud del esfuerzo axial y los momentos flectores, mientras que el esfuerzo cortante y el momento torsor condicionan las características de la armadura transversal o secundaria. - Cálculo vigas y pilares de hormigón armado La simple teoría de vigas de Euler-Bernoulli no es adecuada para el cálculo de vigas o pilares de hormigón armado. Los elementos resistentes de hormigón armado presentan un mecanismo resistente más complejo debido a la concurrencia de dos materiales diferentes, hormigón y acero, con módulos de Young muy diferentes y los momentos de inercia son variables de acuerdo al tamaño de las fisuras de los elementos. Las diferentes propiedades mecánicas de hormigón y acero implican que en un elemento de hormigón armado la tensión mecánica de las armaduras y el hormigón en contacto con ellas sean diferentes, ese hecho hace que las ecuaciones de equilibrio que enlazan los esfuerzos internos inducidos por las fuerzas y tensiones en hormigón y acero no sean tan simples como las de secciones homogéneas, usadas en la teoría de Euler- Bernouilli. - Dimensionado de secciones El problema del dimensionado de secciones se refiere a dadas unas cargas y unas dimensiones geométricas de la sección determinar la cantidad de acero mínima para garantizar la adecuada resistencia del elemento. La minimización del coste generalmente implica considerar varias formas para la sección y el cálculo de las armaduras para cada una de esas secciones posibles, para calcular el coste orientativo de cada posible solución.
- 2. Una sección de una viga sometida a flexión simple, requiere obligatoriamente una armadura (conjunto de barras) de tracción colocada en la parte traccionada de la sección, y dependiendo del momento flectorpuede requerir también una armadura en la parte comprimida. - Comprobación de secciones El problema de comprobación consiste en dada una sección completamente definida, por sus dimensiones geométricas y un cierto número de barras con una disposición bien definida, comprobar mediante cálculo si dicha sección será capaz de soportar los esfuerzos inducidos en ella por la acción de cargas conocidas. 3) Compresión axial La manera más eficiente que tienen los elementos estructurales de resistir las solicitaciones se produce cuando tales solicitaciones tienen una orientación coincidente con el eje longitudinal de los elementos. En este caso los elementos resisten a las solicitaciones mediante esfuerzos axiales (paralelos a las acciones) que pueden ser de tracción o compresión, dependiendo de las acciones externas. El concreto es un material particularmente apto para resistir las fuerzas de compresión, pero tiene una limitada resistencia a la tracción (apenas alrededor del 10% de su resistencia a la compresión).
- 3. El acero, por otra parte, es un material que se comporta eficientemente resistiendo las solicitaciones de tracción, pues alcanza toda su capacidad. El acero también puede llegar hasta el 100% de su resistencia ante solicitaciones de compresión, siempre que los elementos tengan dimensiones transversales importantes. En Norteamérica, Europa y Japón, que poseen industrias de acero altamente competitivas, el costo de los perfiles de acero puede ser comparable, y en ocasiones inferior al de otros materiales estructurales. El concreto armado aprovecha la gran resistencia a la compresión del concreto y la capacidad de resistir solicitaciones de tracción del acero, integrándolas en un nuevo material compuesto. La manera más ineficiente que tienen los elementos, para resistir a las solicitaciones, se produce cuando esas solicitaciones tienen una orientación perpendicular al eje longitudinal de los elementos. En este caso, los elementos resisten las solicitaciones mediante esfuerzos longitudinales (perpendiculares a las acciones) que generan momentos flexionantes internos, que equilibran a los momentos flexionantes externos.
- 4. 4) Flexión Las cargas que actúan en una estructura, ya sean cargas vivas, de gravedad o de otros tipos, tales como cargas horizontales de viento o las debidas a contracción y temperatura, generan flexión y deformación de los elementos estructurales que la constituyen. La flexión del elemento viga es el resultado de la deformación causada por los esfuerzos de flexión debida a la carga externa. Conforme se aumenta la carga, la viga soporta deformación adicional, propiciando el desarrollo de las grietas por flexión a lo largo del claro de la viga. Incrementos continuos en el nivel de la carga conducen a la falla del elemento estructural cuando la carga externa alcanza la capacidad del elemento. A dicho nivel de carga se le llama estado límite de falla en flexión. 5) Corte Los elementos sometidos solo a torsión son muy escasos. Esta solicitación generalmente actua en combinación con flexión y corte y se presenta en vigas perimetrales, vigas curvas, vigas cargas excéntricamente, columnas exteriores en edificios sometidos a cargas laterales, escaleras helicoidales, entre otros. La torsión se presenta en la mayoría de los casos, por compatibilidad de deformaciones en las estructuras continuas. En estos casos, la torsión no ocasiona el colapso de la estructura pero si puede generar un agrietamiento excesivo de sus elementos. Es imposible analizar de una manera exacta el efecto combinado de flexión, cortante y torsión debido al comportamiento inelástico del concreto, al estado de esfuerzos complejo que se presenta y al patrón impredecible de grietas. 6) Flexocompresion La mayor parte de los elementos estructurales sometidos a compresión también están solicitados por momentos flectores, por lo que en su diseño debe tomarse en consideración la presencia simultánea de los dos tipos de acciones
- 5. En zonas sísmicas, el efecto flexionante usualmente domina el diseño con relación a las solicitudes axiales por los que, a pesar de que los momentos por cargas gravitacionales sean importantes, se suelen escoger columnas con armadura simetrica, dada la reversibilidad de los sismos. 7) Adherencia La adherencia es el principio básico del funcionamiento del hormigón armado como material estructural mediante la cual se transmiten los esfuerzos de tracción entre sus materiales constitutivos. Una de las hipótesis básicas a considerar en el cálculo de estructuras de hormigón es suponer que se produce la misma deformación para el hormigón y el acero, admitiendo por lo tanto que la adherencia entre ambos materiales es perfecta. Sin embargo, algunas circunstancias que se producen durante las diferentes fases del proceso constructivo, del período de utilización o de mantenimiento, pueden llegar a deteriorar los mecanismos de transferencia de tensiones entre las armaduras y el hormigón y disminuir la capacidad portante y las condiciones de seguridad de las estructuras en servicio. Para caracterizar el fenómeno de la adherencia se emplean curvas tensión de adherencia local – deslizamiento que se obtienen de ensayos normalizados pull – out o beam test, en las que se pueden apreciar los diferentes mecanismos resistentes que intervienen en el fenómeno de la adherencia: adhesión química, rozamiento e interacción mecánica; dependiendo la importancia de cada uno de ellos de las características superficiales de la armadura. Por ejemplo, para barras lisas la adherencia depende fundamentalmente de la adhesión química y, tras el deslizamiento, del rozamiento, mientras que para barras corrugadas depende de la interacción mecánica existente entre las corrugas y el hormigón que las rodea