Diseño de Sección Simplemente Armada PASO A PASO

¿Te gustaría saber cuándo se utiliza una sección simplemente armada y cómo se realiza su diseño en sólo 3 Pasos?

Quédate y también aprenderás cómo determinar el área de acero requerida dado un momento mayorado sobre una viga de concreto armado según el ACI-318, utilizando una simple expresión... 


Diseño en Concreto Armado Seproinca


¿Cuándo se pude aplicar el diseño de secciones simplemente armadas?

En la realidad, la disposición "simplemente armada" va a depender del elemento...


Mira estos ejemplos:

  • Una zapata o fundación superficial directa, normalmente tiene esta disposición cuando se coloca una parrilla de acero únicamente en la parte inferior.
  • Lo mismo podría ocurrir para un nervio de losa porque son elementos donde se permite disponer acero de refuerzo únicamente donde se esperen esfuerzos de tracción.

Si el momento flector mayorado en la combinación de cargas produce tracción en la parte inferior del nervio de losa, entonces es allí donde colocamos el acero, esto ocurre usualmente en el centro del tramo del nervio.

  • Ahora bien, para elementos como las vigas, en zona sísmica se exige como mínimo la colocación de dos barras continuas en la parte superior e inferior con lo cual una viga de este tipo nunca se encuentra simplemente armada, lo mismo ocurre con la colocación de los estribos, que requieren de acero en ambas caras de la viga para posicionarse.

¿Qué criterio deberías implementar en el ejercicio de tu profesión?


El gran secreto que puedes llevarte en este primer punto, es que independientemente del armado de la sección, la capacidad de una viga simplemente armada es inferior a la capacidad de esa misma viga con acero a compresión.


Por lo tanto, si dado un momento mayorado, yo procedo a determinar la cantidad de acero requerida, asumiendo el elemento simplemente armado, mi criterio para el diseño a flexión será:

  • Conservador, si es que este elemento va a llevar también un acero a compresión (que no estoy considerando).
  • Acertado, si es que este elemento en realidad es simplemente armado.

Ahora, si vas a profundizar en el diseño por cortante de vigas en zona sísmica, en ese caso lo más desfavorable o conservador sería calcular el Momento resistente considerando el acero a compresión.

Aunque la diferencia puede estar alrededor de un 12% entre "simplemente armada" y "doblemente armada" en los extremos donde se exige el confinamiento, no quiero que te vayas sin llevarte esta idea.

Pero volvamos al tema que nos trae hoy que es el diseño por flexión en de elementos simplemente armados...


¿Hasta qué máximo momento flector podrías realizar el diseño de un elemento como "simplemente armado"?


En esta oportunidad vamos a revisar el procedimiento Paso a Paso para determinar el momento máximo que puede resistir una sección diseñada como simplemente armada.


Es decir, aquellas secciones en las que no se considera el acero a compresión como colaborante para la capacidad a flexión.


Recordemos que los límites de cuantía de acero (relación de área de acero/área útil de la sección) que se obtienen al imponer la deformación unitaria mínima en el acero de refuerzo más traccionado y garantizar la DUCTILIDAD según el código ACI 318 en diferentes elementos simplemente armados son:


  • Losas… Aproximadamente 70% de la cuantía balanceada.
  • Vigas… Aproximadamente 62.5% de la cuantía balanceada.
  • Vigas en Zona Sísmica… Aproximadamente 50% de la cuantía balanceada.

Donde la cuantía balanceada depende finalmente de la resistencia cilíndrica del concreto a los 28 días, y del esfuerzo de cedencia del acero, tal que:

Cuantía balanceada seproinca

En la siguiente tabla, te dejo los valores de cuantía balanceada para un Acero de refuerzo Grado 60 y dos tipos de concreto, para que los observes como referencia:

Valores de cuantía balanceada seproinca

Ahora bien,

Asumamos que se trata de una sección rectangular como la que vemos a continuación:



Donde,

d es la altura útil de la sección (Altura-recubrimiento)
b es el ancho de la sección
As1 es la cantidad de acero correspondiente a la cuantía de acero máxima para un diseño como simplemente armada.

Si tomáramos el límite de 62.5% de la cuantía balanceada nos quedaría que:


Con este dato podemos determinar la altura comprimida en la sección la cual llamamos “amax” en la figura, ya que por equilibrio la tracción es igual a la compresión:

Equilibrio de la sección seproinca
Sustituyendo las fuerzas de tracción T1 y compresión Ccmax, nos queda:


¿Ves como en la ecuación anterior lo único que desconoces es “amax”?

Por ello puedes despejarla:

Altura bloque de compresión seproinca

Y finalmente, el momento máximo de la sección simplemente armada que llamaremos M1 se calcularía como:




No te olvides de aplicar el factor de minoración de 0.90 indicado por el ACI-318 siempre que el tipo de falla controlada de la sección sea dúctil, como hemos configurado en este caso.

Pero tu y yo sabemos que con los ejemplos es cuando realmente fijamos el conocimiento, así que manos a la obra…

Ejemplo de Viga simplemente Armada.


Asumiendo una viga rectangular con los siguientes datos:



Paso 1: Establecemos la cuantía y cantidad de refuerzo máxima para falla dúctil.


Siguiendo la recomendación de cuantía de refuerzo igual a 62.5% de la cuantía balanceada, según la tabla que te he mostrado…




Paso 2: Determinamos la altura comprimida del bloque de compresión.


La altura del área comprimida “amax” nos queda,


Paso 3: Determinamos el Momento Máximo.


Y finalmente… el momento máximo que podría resistir la sección diseñada como simplemente armada es:


Es decir,


O viéndolo de una manera más cómoda, el momento máximo que puede resistir una Viga como la descrita en este ejemplo garantizando un diseño dúctil y trabajando como simplemente armada es:


¡Y aquí viene lo mas importante!

Cualquier cálculo del acero de refuerzo requerido As, para un momento mayorado "Mu" menor a "M1" multiplicado por el factor de minoración de resistencia fi=0.90...

Puede realizarse asumiendo la sección como simplemente armada y el área del refuerzo se determina utilizando la siguiente expresión:


Concreto Armado Seproinca


Ahora que entraste en este articulo siendo un ingeniero común y corriente, pero sales siendo uno más preparado... 

Me gustaría preguntarte....

¿Quieres saber de donde provienen las cuantías recomendadas para un comportamiento dúctil?

¿Te gustaría estudiar también el caso de las secciones doblemente armadas cuando el momento actuante mayorado es superior al límite que hemos calculado? 

¿O el caso particular de secciones tipo “Te” para tus losas nervadas?

Todo lo anterior es muuucho más sencillo de lo que pensamos en pregrado... Y si te animas a descubrirlo...

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"Nos vemos En clase..."

Ing. Gabriela Guzman Msc.
Docente y  Directora General de SEPROINCA F.P.


Documentación del Proyecto Estructural de una Edificación de Concreto Armado

¿Estás incluyendo en tus entregas todos los documentos que exigen las normativas como el código ACI-318?


En este post vamos a hacer un repaso breve sobre la documentación que deberías consignar con cada proyecto para registrar todos los pasos del diseño estructural, así que lee hasta el final para que no entregues tu documentación incompleta.


A- Memoria de cálculos:


¿Qué contiene la memoria de cálculo del Proyecto Estructural de un Edificio?


El diseñador estructural debe documentar todos los pasos del diseño en la memoria de cálculos. Esta memoria debe contener como mínimo lo siguiente:

1. Requisitos estructurales generales para el proyecto, incluye la descripción de:

  • Uso principal de la edificación.
  • Cargas nominales relacionadas con el uso de la edificación.
  • Cargas especiales requeridas por el propietario.
  • Movimientos sísmicos de diseño si la edificación está ubicada en una zona sísmica.
  • Requisitos de viento en la zona.
  • Requisitos por nieve granizo o lluvia.
  • Requisitos de protección contra el fuego.
  • Tipo de cubierta y sus cargas apropiadas, en caso de ser de otro material.
  • Información topográfica respecto a la pendiente del terreno y drenaje del mismo.
  • Capacidad portante del terreno, y sistema de cimentación recomendado a partir de la investigación geotécnica, y restricciones adicionales relacionadas con el asentamiento esperado.
  • Requisitos ambientales derivados de las variaciones diarias y estacionarias de temperatura, humedad, presencia de químicos nocivos o sales.
  • Disponibilidad, tipo y calidad de materiales como acero de refuerzo , cemento y agregados.
  • Disponibilidad de materiales para encofrados.
  • Disponibilidad de un laboratorio para control de mezcla de concreto y control de calidad durante la construcción.
  • Disponibilidad de mano de obra calificada.

2. Una descripción del sistema estructural empleado:

  • Sistema de piso
  • Elementos verticales de soporte
  • Cimentación
  • Sistema resistente a cargas laterales
  • Otros elementos estructurales, como escaleras, rampas, tanques de agua y losas sobre el terreno.

3. Cargas empleadas.

  • Cargas muertas: 
           - Peso propio de la estructura.
           - Elementos no estructurales horizontales: Encofrados o formaleteria permanente para losas y nervios, morteros de acabado de piso, rellenos de piso, acabados de piso, tejas, membranas impermeables, aislamientos térmicos, claraboyas, cielo raso y ductos para servicios. En edificios de oficinas u otras edificaciones, se debe hacer previsión de las cargas para particiones ya sea que figuren o no en los planos arquitectónicos.
           - Elementos no estructurales verticales: Fachadas, muros no estructurales, particiones, recubrimiento de muros, revestimientos o enchape, ornamentación arquitectónica, ventanas, puertas, y ductos verticales de servicio.
           - Equipos fijos: Debe ser suministrada por el fabricante del equipo.
  • Cargas vivas.
  • Cargas vivas de cubierta o techo.
  • Carga por lluvia.
  • Carga por Nieve.
  • Fuerzas de Viento.
  • Fuerzas Sísmicas.
  • Peso del Suelo y Empuje Lateral.


4. Calidad, resistencia y normas de fabricación para todos los materiales estructurales.


5. Justificación de todos los cálculos de diseño.


6. Esquemas de disposición del refuerzo para todos los elementos estructurales.



B- Reporte geotécnico:


¿Qué contiene el Reporte Geotécnico?


Debe contener como mínimo:
  • La exploración realizada.
  • Proceso de definición de la capacidad portante del suelo de fundación.
  • Empuje lateral de suelos requerido para el diseño de cualquier estructura de contención.
  • Y toda la información requerida para el diseño del sistema de fundaciones.

C- Planos estructurales:


¿Qué contienen los Planos Estructurales de un Edificio?


Los planos estructurales incluyen todos los planos requeridos para la construcción de la estructura de la edificación. Deben mostrar todas las plantas y detalles necesarios para la construcción del entramado estructural de la edificación con todas las dimensiones y niveles.

Todos los planos estructurales deben estar firmados por el ingeniero o arquitecto que ejecutó el diseño, y todos deben contener la siguiente información.
  • Nombre del Proyecto.
  • Fecha en que se realizó el diseño.
  • Nombre del Diseñador Estructural.
  • Nombre y fecha de la versión del código utilizado en el diseño.
  • Carga viva y demás cargas empleadas en el diseño.
  • Resistencia a la compresión del concreto especificada y la edad a que se debe ensayar para cada elemento de la estructura.
  • Resistencia especificada o grado del refuerzo.

Los planos estructurales se dividen en dos grandes categorías, planos estructurales generales y planos de detallado y colocación.

1. Planos Estructurales Generales: 


La información que se debe incluir es la siguiente:

  • Cotas completas y claras de modo que toda la estructura pueda construirse sin necesidad de acudir a otros planos.
  • Forma y tamaño de todos los elementos estructurales, tales como zapatas, columnas, muros, vigas, viguetas y losas; en plantas alzados y cortes, o en listados, o combinación de ellos.
  • Niveles de la parte inferior de zapatas y muros, pisos y techo, y niveles de los soportes para mamposteria.
  • Localización y detalles de juntas de construcción.
  • Cantidad o Separación, posición, forma y tamaño de las barras. En algunos casos se presentan como listados separados para columnas, vigas, viguetas y losas.
  • Localización y Longitud de todos los empalmes por traslapos.
  • Contraflecha de los elementos horizontales como vigas de luz grande y voladizos.
  • Cortes especiales de las conexiones entre elementos mostrando la distribución del refuerzo requerido.
  • Notas generales como:
           - Resistencia del acero. Si se requiere más de una resistencia se debe especificar donde se requiere cada una de ellas en la estructura.
           - Resistencias del concreto para los diferentes elementos estructurales.
           - Referencias a los planos de colocación y detallado.
           - Referencia al código con los requisitos generales de diseño.
           - Tipo de acabado de las superficies de las losas de concreto y tipo de soporte para las barras de refuerzo.
           - Certificaciones del fabricante del acero de refuerzo si se requieren.
  • Se debe usar notas especiales cuando haya desviación con respecto a normas y tolerancias reconocidas o cuando se requieran instrucciones especiales por condiciones poco usuales del trabajo.
  • Diagramas típicos que muestren la distribución de barras para todos los elementos de concreto, su soporte, distribución y espaciamiento.


2. Planos o listados de detallado y colocación: 


La función es, primero generar detalles a partir de los cuales el constructor, o un proveedor de refuerzo, extraiga la información necesaria para cortar y doblar el refuerzo; y segundo, obtener los detalles e instrucciones requeridas de modo que los trabajadores puedan colocar las barras en el lugar adecuado.

Si son elaborados por el constructor o proveedor, deben ser aprobados por el diseñador para asegurar que la interpretación de los planos ha sido la correcta.

El procedimiento recomendado para la producción de los planos y listados de detallado y colocación es el siguiente:

  • Se deben usar las especificaciones generales del proyecto y todos los planos estructurales generales para la elaboración de los planos de colocación interpretando de esta manera en detalle, lo requerido por el diseñador respecto a las cantidades, longitudes, diagramas de figuración y colocación de todas las barras de refuerzo.
  • No se deben mostrar los trabajos de mampostería y acabados, particiones no estructurales, detalles mecánicos, etc. Las secciones y cortes no necesarios pueden omitirse en los planos de colocación ya que para propósitos constructivos se deben emplear los planos estructurales y arquitectónicos.
  • Como regla, los planos de colocación o listados deben incluir toda la información de colocación necesaria para el refuerzo, pues esta operación es parte fundamental del proceso constructivo. Cualquier retraso en este aspecto acarrea gastos innecesarios y, de prolongarse, afecta el programa de trabajo, retrasando todas las actividades siguientes a la colocación del refuerzo. Los planos de colocación deben ser completos, claros y manejables.

D- Especificaciones del proyecto:


¿Qué contienen las Especificaciones del Proyecto Estructural de un Edificio?


Deben incluir por escrito todas las especificaciones que el diseñador considere con el fin de complementar sus planos para un proyecto de construcción específico.

Las especificaciones se dividen en secciones, iniciando con una descripción de las condiciones generales , seguida en el orden lógico de construcción, por las secciones pertinentes de materiales y ejecución.


Condiciones Generales:

  • Se debe especificar las obligaciones y responsabilidades del diseñador, el contratista general, los subcontratistas, proveedores de materiales y trabajadores en general.
  • Se debe incluir las instrucciones generales para la distribución de los planos de colocación del refuerzo para su aprobación y utilización así como el procedimiento para remitir muestras de material para su ensayo o aprobación.

Detalles del proyecto:


Se dividen en secciones, cada sección define los requisitos de una fase constructiva y los materiales necesarios. Típicamente se usan las siguientes Secciones:

  • Excavación y conformación de rellenos
  • Trabajo del concreto
           - Dosificación, mezcla, manejo, colocación, calidad y ensayos del concreto.
           - Resistencias del Concreto y, si se especifican diversos tipos, dónde se emplea cada uno en el proyecto.
           - Encofrado, tipos de materiales, armado, arriostramientos, parales y su remoción.
           - Resistencia de las barras del refuerzo y, si se especifica más de una, fabricación de las barras de refuerzo y tolerancias.
           - Recubrimiento de concreto sobre las barras.
           - Control de calidad de las barras de refuerzo ya sea por ensayos o por aceptación de las certificaciones de fábrica o por ambas.
           - Clase y tipos de soporte de barras, colocación y disposición general de tales soportes.
           - Acabados de concreto.
  • Acero Estructural
  • Mampostería
  • Cubiertas y techos
  • Carpintería metálica y de madera
  • Varios
  • Vidrios y espejos
Unas especificaciones de proyecto cuidadosamente preparadas evitan la necesidad de notas aclaratorias extensas en los planos aunque hay notas que siempre deben figurar en los planos debido a su carácter fundamental, aún si se repiten en las especificaciones.

Esperamos que esta información extraída del documento "Requisitos Esenciales para Edificios de Concreto Reforzado" te resulte de mucha utilidad en tus futuros proyectos.


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