Clase 01 concreto

UNIVE
ESTRUCTURAS DE
CONCRETO
ARMADO
Estructuras de concreto reforzado
El concreto y el concreto reforzado (o armado) son usados como materiales de
construcción en cada pais. En muchos , el concreto reforzado es el material
estructural dominante en construcciones ingenieriles. La naturaleza universal de
la construcción de concreto reforzado se deriva de la amplia disponibilidad de
barras de refuerzo y de los constituyentes del concreto, de las habilidades
relativamente simples necesarios en la construcción de concreto, y de la economía
del concreto armado en comparación con otras formas de construcción. El
concreto simple y concreto reforzado se utilizan en edificios de todo tipo,
estructuras subterráneas, depósitos de agua, cimentaciones, torres, estructuras
de exploración y producción de petróleo en alta mar, presas, puentes, e
incluso barcos.
Mecánica del concreto reforzado
El concreto es resistente a la compresión, pero débil en tracción. Como resultado, las
grietas se desarrollan cada vez que las cargas, contracción restringida, o los cambios de
temperatura dan lugar a esfuerzos de tracción en exceso en comparación a la
resistencia a la tracción del concreto.
En la viga de concreto simple mostrada, los momentos respecto al punto O, debido a
las cargas aplicadas son resistidas por una pareja de tracción-compresión interna que
implica la tracción en el concreto. Una viga no reforzada falla muy de repente y por
completo cuando las primeras grietas se forman.
En una viga de concreto reforzado, las barras de refuerzo son embebidas en el concreto
de tal manera que las fuerzas de tracción necesarias para el equilibrio del momento
después que el concreto se agrieta se pueden desarrollar en las varillas.
Mecánica del concreto reforzado
Alternativamente, el refuerzo puede ser colocado en un conducto longitudinal cerca
de la parte inferior de la viga, y estirado o pretensado, reaccionando en el concreto
de la viga. Esto pondría el refuerzo en tracción y el concreto en compresión. Esta
compresión retrasaría el agrietamiento de la viga. Tal miembro se dice que es una viga
de concreto pretensado. El refuerzo en la viga de este tipo se conoce como tendones
de pretensado y debe ser fabricada a partir de acero de alta resistencia.
La construcción de un elemento de concreto armado implica la construcción de una
encofrado o molde en la forma del elemento que se está construyendo. El
encofrado debe ser lo suficientemente fuerte para soportar el peso y la presión
hidrostática del concreto húmedo, además de todas las fuerzas que se le aplican por
los trabajadores, los equipos de colada de concreto, etc. El refuerzo se coloca en el
encofrado y mantiene en su lugar durante el vaciado. Después de que el hormigón
haya alcanzado la resistencia suficiente, los encofrados se pueden retirar.
Miembros de concreto reforzado
Las estructuras de concreto armado se componen de una serie de "miembros" que interactúan para soportar las cargas impuestas.
El segundo piso del edificio está construido de una losa nervada. Aquí, una serie de nervaduras soportan la carga de la losa superior.
Las reacciones de apoyo de las viguetas se aplican a las vigas (losas en una dirección) , que a su vez se apoyan en columnas. La losa
superior tiene dos funciones: (1) transfiere la carga lateralmente a las viguetas, y (2) que sirve como el borde superior de las vigas,
que actúan como vigas en forma de T que transmiten la carga a la vigas que se encuentran en ángulo recto con las viguetas.
Las cargas de las columnas se aplican a la cimentación, que distribuyen la carga sobre un
área de suelo suficiente para evitar la sobrecarga del suelo. Algunas condiciones del suelo
requieren el uso de pilotes u otras cimentaciones profundas. En el perímetro del edificio,
las cargas de piso están soportados ya sea directamente en muros, o en columnas exteriores.
Los muros o columnas, a su vez, se apoyan en un muro de sótano y cimentación de muros.
Miembros de concreto reforzado
La capacidad de formar y construir losas de concreto  estructuras tipo “slab” o “plate”. En este caso, las cargas aplicadas al techo y
a los pisos son transmitidas en dos direcciones a las columnas por el efecto de “placa“. A estas se les conoce como losas en dos
direcciones. El primer piso es una losa plana con áreas donde se ha incrementado su espesor llamados “drop panels” en la zonas de
columnas.El ensanchamiento provee espesor extra para la resistencia a momento y cortante. Tambien tiende a reducir la defleccion
de la losa. El techo es de espesor uniforme sin “drop panels” o capiteles. En este caso, es un tipo especial de losa plana llamada “flat
plate”. Los sistemas “flat plate” son ampliamente usados en apartamentos debido a que la parte inferior de la losa es plana y puede
ser usado como cielo raso de la habitación inferior. De igual manera, el encofrado de una “flat plate” es generalmente mas barato
que los usados en losas planas con “drop panels” o losas unidireccionales.
Factores de selección
1. Economia. Es frecuente que la principal consideración es el costo total de la estructura la cual depende del
costo de materiales, mano de obra, tiempo de construcción, etc. Los sistemas de piso de concreto tienden a
ser más delgados que los sistemas estructurales de acero porque las vigas y viguetas encajan dentro de la misma
profundidad o las losas son planas. Esto produce una reducción global de la altura de un edificio en comparación
con un edificio de acero, lo que conduce a (a) cargas de viento menor porque hay menos área expuesta al viento
y (b) el ahorro en revestimientos y elevadores mecánicos y eléctricos. Con frecuencia, sin embargo, el costo total
se ve afectada tanto o más por el tiempo de construcción, debido a que el contratista y el propietario deben
destinar dinero para llevar a cabo la construcción y no recibirán un retorno de su inversión hasta que el edificio
esté listo para su ocupación. Como resultado, el ahorro financiero debido a la rápida construcción pueden más
que compensar el aumento de los costos de materiales y de encofrados. Los materiales para las estructuras de
concreto reforzado están ampliamente disponibles y se pueden producir a medida que se necesitan en la
construcción, mientras que el acero estructural debe ser ordenado y parcialmente pagado por adelantado para
programar el trabajo en un patio de fabricación en acero.
Factores de selección
2. Conveniencia del material para la función arquitectónica y estructural. Un sistema de concreto
reforzado con frecuencia permite que el diseñador de combinar las funciones arquitectónicas y
estructurales. El concreto tiene la ventaja de que se coloca en un estado plástico y se le da la forma deseada
y la textura por medio de los encofrados y las técnicas de acabado. Esto permite que elementos tales como
losas planas u otros tipos de losas para servir como elementos de soporte de carga y al mismo tiempo
proporciona las superficies de piso terminado cielos rasos. Del mismo modo, los muros de concreto armado
pueden proporcionar superficies arquitectónicamente atractivos, además de tener la capacidad de resistir
la gravedad, el viento, o las cargas sísmicas. Finalmente, la elección del tamaño o la forma se rige por el
diseñador y no por la disponibilidad de los miembros manufacturados estándar.
3. Resistencia al fuego. La estructura en un edificio debe resistir los efectos de un incendio y permanecer
de pie mientras que el edificio está siendo evacuada y el fuego extinguido. Un edificio de concreto tiene
intrínsecamente una calificación de 1 a 3 horas de fuego sin protección contra el fuego especial.
Factores de selección
4. Rigidez. Los ocupantes de un edificio pueden ser perturbadas si su edificio oscila con el viento o si los
pisos vibran cuando la gente camina. Debido a la mayor rigidez y la masa de una estructura de concreto,
las vibraciones son rara vez un problema.
5. Mantenimiento bajo. Los miembros de concreto requieren menos mantenimiento que los miembros
de acero o de madera estructurales. Esto es particularmente cierto si concreto denso con aire
incorporado se ha utilizado para superficies expuestas a la atmósfera y si se ha tenido cuidado en el
diseño para proporcionar un drenaje adecuado de la estructura.
6. Disponibilidad de materiales. Arena, grava o roca triturada, el agua, el cemento, y las instalaciones de
mezcla de concreto son ampliamente disponibles. El acero de refuerzo se puede transportar a la mayoría
de las obras de construcción con más facilidad acero estructural. Como resultado, el concreto armado es
con frecuencia el material de construcción preferido en áreas remotas.
Factores de selección
…... Factores en contra del concreto
1. Baja resistencia a la tracción. Como se dijo anteriormente, la resistencia a la tracción del hormigón es
mucho menor que su resistencia a la compresión (aproximadamente 1/10); por lo tanto, el hormigón está
sujeto al agrietamiento cuando se somete a esfuerzos de tracción. En usos estructurales, el fisuramiento
está restringido por el uso de refuerzo que soporta las fuerzas de tracción y limita el ancho de las grietas
dentro de valores aceptables. A menos que se tenga cuidado en el diseño y construcción, sin embargo,
estas grietas pueden ser desagradables o pueden permitir la penetración de agua y otros contaminantes
potencialmente dañinos.
2. Encofrados. La construcción de una estructura consta de tres pasos que no se encuentran en la
construcción de estructuras de acero o de madera. Estos son (a) construcción de encofrados, (b) la
eliminación de estos encofrados, y (c) apuntalamiento del nuevo hormigón para soportar su peso hasta que
su resistencia sea adecuada.
Factores de selección
3. resistencia relativamente baja por unidad de peso o volumen. La resistencia a la compresión del
concreto es más o menos 10 por ciento que la del acero, mientras que su densidad unitaria es
aproximadamente 30 por ciento que la del acero. Como resultado, una estructura de concreto requiere un
volumen más grande y un mayor peso de material comparado a una estructura de acero. Por tal motivo,
el acero se selecciona a menudo para estructuras de tramo largo.
4. Cambios volumétricos en el tiempo. Tanto el concreto y el acero se someten a aproximadamente la
misma cantidad de expansión y contracción térmica. Debido a que hay menos masa de acero para
calentar o enfriar, y porque el acero es mejor conductor que el hormigón, una estructura de acero
generalmente se ve afectada por los cambios de temperatura a un grado mayor que una de concreto. Por
otro lado, el hormigón se somete a la contracción por secado, que si es restringida, puede originar grietas
o deflecciones. Además, las deflecciones en una losa de concreto tenderán a aumentar con el tiempo,
posiblemente duplicar, debido a la fluencia del concreto bajo esfuerzos de compresión sostenida.
Historia del concreto y concreto armado
Cemento y concreto
El mortero de cal se utilizó por primera vez en las estructuras de la civilización minoica en Creta alrededor
del año 2000 A.C. y todavía se utiliza en algunas áreas. Este tipo de mortero tenía la desventaja de
disolver gradualmente cuando se sumergía en agua y por lo tanto no podría ser utilizado para juntas
expuestas o bajo el agua. En el tercer siglo A.C., los romanos descubrieron una ceniza volcánica fina que,
cuando se mezcla con mortero de cal, daba un mortero mucho más fuerte, que podría ser utilizado bajo
el agua.
Una de las estructuras de hormigón más notables construidos por los romanos fue la cúpula del Panteón
de Roma, terminado en el año 126. Esta cúpula tiene una envergadura de 144 pies, dimensión no
superado hasta el siglo XIX. La parte más baja de la cúpula era de concreto con agregado que consiste en
ladrillos rotos. A medida que los constructores se acercaron a la parte superior de la cúpula se utilizaron
agregados livianos y ligeros, utilizando piedra pómez en la parte superior para reducir los momentos.
Historia del concreto y concreto armado
Mientras se diseñaba el faro de Eddystone frente a la costa sur de Inglaterra justo antes de 1800, el
ingeniero Inglés John Smeaton descubrió que una mezcla quemada de piedra caliza y arcilla se podía utilizar
para hacer un cemento que resistente al agua. Debido a la naturaleza expuesta de este faro, sin embargo,
Smeaton usó el probado y verdadero cemento romano.
En 1824, Joseph Aspdin mezcla de piedra caliza de tierra y arcilla de diferentes canteras y les calienta en
un horno para hacer cemento. Aspdin nombró a su producto cemento Portland porque el concreto hecho
de que se parecía a la piedra de Portland, una piedra caliza de alto grado de la Isla de Portland, en el sur
de Inglaterra. Este cemento fue utilizado por Brunel en 1828 para el mortero en el revestimiento de
mampostería de un túnel bajo el río Támesis. De vez en cuando en la producción de cemento, la mezcla
se sobrecalentaba formando de un clinker duro que era descartado. En 1845, I. C. Johnson encontró que
el mejor cemento resultaba de la molienda de clinker. Este es el material ahora conocido como cemento
Portland.
Historia del concreto y concreto armado
Concreto reforzado
W. B. Wilkinson de obtuvo una patente en 1854 para un sistema de piso de concreto reforzado que utiliza
cúpulas de yeso huecos como encofrados. Las nervaduras entre los encofrados fueron rellenados con
concreto y se reforzaron con cables de acero de elevación de minas en el centro de las nervaduras. En
Francia, Lambot construyó un bote de remos de concreto armado con alambre en 1848 y lo patentó en
1855. Su patente incluía dibujos de una viga de concreto reforzado y una columna reforzada con cuatro
barras de hierro redondo. En 1861, otro francés, Coignet, publicó un libro que ilustra los usos del concreto
reforzado.
El abogado e ingeniero estadounidense Thaddeus Hyatt experimentó con vigas de concreto reforzado en
la década de 1850. Sus vigas tenían barras longitudinales en la zona en tracción y estribos verticales por
corte. Por desgracia, el trabajo de Hyatt no se conocía hasta que lo privadamente publicó un libro que
describe sus pruebas y sistema de construcción en 1877.
Historia del concreto y concreto armado
Tal vez el mayor incentivo para el desarrollo temprano de los conocimientos científicos del concreto
reforzado vino del trabajo de Joseph Monier. Monier comenzó a experimentar en 1850 con bañeras de
concreto reforzado con hierro para la plantación de árboles. Él patentó su idea en 1867. Esta patente fue
seguida rápidamente por las patentes de los tubos reforzados y tanques (1868), placas planas (1869),
puentes (1873), y las escaleras (1875). En 1880 y 1881, Monier recibió patentes alemanas para muchas de
las mismas aplicaciones. Estos fueron autorizadas a la empresa constructora Wayss y Freitag, que encargó
Profesores Mörsch y Bach, de la Universidad de Stuttgart para poner a prueba la resisencia del concreto
reforzado y encargó al Sr. Koenen, jefe inspector de edificios para Prusia, para desarrollar un método para
calcular la fuerza de hormigón armado. El libro de Koenen, publicado en 1886, presentaba un análisis que
suponía el eje neutro estaba en la media altura del elemento.
El primer edificio de concreto reforzado en los Estados Unidos era una casa construida en Long Island en
1875 por W. E. Ward.
Historia del concreto y concreto armado
E. L. Ransome de California experimentó con concreto reforzado en la década de 1870 y patentó una
barra de refuerzo de acero trenzado en 1884. En el mismo año, Ransome desarrolló de forma independiente
su propio conjunto de procedimientos de diseño. En 1888, construyó un edificio que tiene columnas de
hierro fundido y un sistema de piso de concreto reforzado que consiste en vigas y una losa hecha de arcos
de metal planos cubiertos con concreto. En 1890, Ransome construyó la Leland Stanford, Museo Jr. en San
Francisco. Este edificio de dos pisos utilizó cables de teleférico descartados como refuerzo en vigas. En
1903, en Pennsylvania, él construyó el primer edificio en Estados Unidos completamente con concreto
reforzado. De 1890 a 1920, los ingenieros en ejercicio ganaron gradualmente conocimiento de la
mecánica del concreto reforzado. En un paper de 1894 a la Sociedad Francesa de Ingenieros Civiles, Coignet
(hijo del Coignet anterior) y de Tedeskko ampliaron las teorías de Koenen para desarrollar el método de
diseño de trabajo-esfuerzo para flexión que fue utilizado ampliamente hasta 1950. Durante los últimos
siete décadas, una amplia investigación se ha llevado a cabo en diversos aspectos del comportamiento
del concreto reforzado.
Evolución del diseño en el Perú
El uso del concreto armado se inicia en el Perú entre 1910 y 1920. No se conoce con precisión cual fue la
primera obra construida con columnas, vigas y losas de concreto armado.
En los inicios del siglo XX, todas las edificaciones se basaban en muros de adobe o ladrillo, con muros de
quincha o ladrillo en el segundo nivel. Los entrepisos y techos eran con viguetas de madera, excepto en el
caso de bóvedas o cúpulas que podían ser de madera, ladrillo o piedra.
Con la llegada del cemento se inician obras en concreto y concreto armado, cambiándose la concepción
del diseño arquitectónico y estructural. Sin embargo, a pesar de estructurarse en base a pórticos (vigas y
columnas) de concreto armado, no desaparecen los muros de albañilería, que eran gruesos (e≥25 cm). Estos
siempre estaban presentes en los cerramientos laterales, fachadas y divisiones interiores.
Las primeras edificaciones se hacen con el concepto de pórticos principales en una sola dirección. En
estos ejes se apoyaban losas macizas armadas en una dirección o aligerados con viguetas.
Evolución del diseño en el Perú
No existía el criterio de colocar vigas en la dirección secundaria, ni peraltadas ni chatas, excepto casos
especiales. Los conocimientos sísmicos eran prácticamente inexistentes.
Entre 1920 y 1930 se da un gran desarrollo de la ciudad de Lima, con nuevas avenidas, plazas y
edificaciones importantes. Basta recordar que en esa década se construyen las edificaciones más
importantes de la Plaza de Armas, la Plaza San Martín y las calles y avenidas del centro histórico.
El terremoto de 1940 en Lima, afecta en forma muy importante las edificaciones de adobe. Las nuevas
edificaciones de concreto no tienen mayores problemas, lo que hace que no se adviertan los defectos de
estructuración de esa época. Muchas de estas edificaciones no se afectan gracias a la contribución de los
muros de albañilería, que ayudan en proporcionar rigidez y resistencia.
La mayoría de los primeros diseños en concreto armado se hacen por compañías extranjeras. Los libros
de consulta eran europeos. Los códigos del ACI todavía no se usaban con frecuencia.
Evolución del diseño en el Perú
En las décadas de 1950 y 1960 se producen cambios importantes en la arquitectura peruana. Se eliminan
los muros de albañilería de las edificaciones. Se hacen ventanas más amplias y mamparas de piso a techo.
Se comienzan a usar los tabiques de ladrillo, como elementos no estructurales que se construían después
de haber vaciado y desencofrado los entrepisos y vigas. Se hacen los primeros edificios de planta libre.
Estos cambios hacen que los pórticos se conviertan en los únicos elementos que proporcionan rigidez
lateral y resistencia sísmica. No se tenían muros de concreto armado, salvo casos especiales.
Se comienza a hacer costumbre usar muros en las cajas de ascensores y escaleras. Sin embargo, en el
análisis de fuerzas laterales no se toma en cuenta el aporte de estos muros, sino se confía todo en las
columnas.
Se hacen edificios importantes de hasta 22 pisos, con pórticos de concreto armado y algunos muros.
Evolución del diseño en el Perú
Se estimaban los momentos debidos a sismo, en las columnas y vigas, considerando una fuerza lateral del
orden del 5 al 10% del peso de la columna en un determinado nivel, aplicada a la mitad de la altura del
entrepiso o se hacía un Cross con desplazamiento lateral. En estas décadas, el diseño en concreto armado
se hacía con cargas en servicio por el método elástico.
A la luz de los conocimientos actuales, podemos decir que los edificios construidos en las décadas de
1950, 1960 y probablemente 1970, son los más flexibles, pues ya no tienen el aporte de los muros
gruesos de albañilería, no tienen gran rigidez lateral y generalmente tienen una dirección muy débil.
En esos años ya era común el uso del ACI, para hacer los diseños de los diferentes elementos de las
edificaciones. El código de 1963 fue muy divulgado en nuestro medio. Se hacen construcciones importantes
con nuevos sistemas constructivos, como las losas en dos direcciones, con casetones o waffles, con losas
sin vigas, con viguetas pretensadas prefabricadas, con volados grandes, con vigas chatas de luces
importantes, etc.
Evolución del diseño en el Perú
En los años 1966,1970 y 1974 se inicia la transformación de los criterios de estructuración, análisis y
diseño de edificaciones en concreto en el Perú, debido a las enseñanzas de los tres terremotos de
octubre, mayo y octubre de esos años, en los que se afectan gran cantidad de edificaciones de adobe,
albañilería y concreto de Lima, Ancash, La Libertad, Ica y Junín.
En el año 1971, el ACI publica su nuevo código 318. En esta edición se incluye por primera vez un capítulo de diseño
sismorresistente. Se pasa a diseñar todos los elementos de concreto armado por el método de resistencia o de cargas últimas. En
el ACI de 1963 ya se incluía este método, pero como diseño alternativo.
En el ACI 318-71 se tienen nuevos procedimientos para el diseño de columnas en relación con los efectos de esbeltez. Ya no se
reduce la carga axial, sino que se amplifican los momentos de diseño. Aparece por primera vez un capítulo para diseño de elementos
sometidos a torsión y cortante. Aparecen por primera vez los métodos de diseño de losas en dos direcciones, denominados
Método Directo y Método del pórtico Equivalente.
Evolución del diseño en el Perú
En 1967 se desarrolla el proyecto de la primera Norma Sísmica Peruana. En estos años se comienzan a
analizar los muros de corte, por el método de Muto. Comienzan a usarse las calculadoras y aparecen las
primeras computadoras. Se comienza a enseñar ingeniería antisísmica o sismorresistente, así como el
análisis matricial de estructuras.
Se puede decir que en la década de 1970 se comienzan a usar los primeros programas de cómputo para
el análisis de edificios. Se usan las computadoras IBM con tarjetas perforadas, se hacen análisis estáticos y
luego seudodinámicos con pórticos planos. Además, como los sismos nos enseñaron que muchas de las
cosas que hacíamos no eran las mejores, comienza el gran cambio en la ingeniería estructural de
edificaciones. Los edificios que se hacen en los años 70 introducen muros de concreto y vigas peraltadas
en las dos direcciones. Se comienza a usar muros de concreto en los linderos laterales de las
edificaciones. Se desarrollan proyectos de albañilería considerando columnas y soleras como confinamiento
de los muros.
Evolución del diseño en el Perú
Los criterios de estructuración cambian para buscar rigidez lateral en las dos direcciones de la planta. Se
comenzaron a preocupar de la interacción con los tabiques de ladrillo. Se trata de corregir el problema de
columnas cortas, detallando la tabiquería en los planos de estructuras e intentando separarlos. Surgen las
juntas con poliestireno expandido y las columnetas de refuerzo para la tabiquería.
Durante la ejecución de las obras, se constata que no es fácil lograr en todos los casos la separación de
los tabiques, pues la colocación de insertos en vigas (tubos) para luego introducir un fierro de las
columnetas (que permita un cierto juego, para no tener a la columneta en voladizo, sino con un cierto
soporte lateral), resulta ser un lindo detalle para un plano, pero una complicación seria para la obra.
En otros casos, juntas rellenas con poliestireno expandido (tecnopor), que teóricamente aseguraban una
independencia, eran rellenadas luego para que no sean visibles. Estos inconvenientes hicieron que
muchos diseñadores cambien la solución, descartando la separación de tabiques y buscando tener mayor
rigidez en la estructura, introduciendo más muros o placas.
Evolución del diseño en el Perú
Van cambiando las costumbres de análisis y diseño, interesando cada vez más, no solo el cálculo de
esfuerzos (momentos, cortantes y axiales ) sino el nivel de las deformaciones laterales. Por otro lado ya no
solamente interesa obtener una determinada resistencia por flexión o cortante sino que se va introduciendo
el concepto de ductilidad.
En 1976 se publica en nuestro país la Norma de Diseño Sismorresistente, que ha regido hasta 1997 y que
constituye la primera Norma oficialmente publicada por el ministerio de Vivienda y Construcción. Desde
1977 hasta 1997, todas las edificaciones peruanas teóricamente han sido diseñadas con las exigencias de
esta Norma. Para el diseño en concreto armado se usaba la Norma Peruana de 1970 o el ACI de 1971, luego
los de los años 1977, 1983, o 1990. Sin embargo, los cambios importantes se dieron en el ACI 1971.
En 1989 se publica la Norma de diseño en Concreto Armado E.060. Es una Norma con mucho de ACI,
pero con variantes necesarios, pues muchas de las disposiciones del código ACI resultan innecesarias para
las edificaciones peruanas.
Evolución del diseño en el Perú
En 1996 se produce el sismo de Nazca . Se observan daños en edificaciones escolares nuevas, que tenían
solamente pórticos en una dirección, con el agravante de tener tabiques de diferente altura. Se vuelve a
presentar el efecto de columna corta, a pesar de haberse independizado los parapetos o tabiques de
albañilería. El problema de fondo era que nuestra Norma sísmica de 1977, subestimaba los desplazamientos
laterales. Las juntas de una o dos pulgadas resultaron insuficientes para separar realmente los parapetos y
la estructura.
En 1997 se publica una nueva Norma de diseño sismorresistente, donde el cambio fundamental es que,
en los análisis sísmicos de las edificaciones, con los nuevos parámetros, se obtienen desplazamientos
laterales del orden de 2.5 veces los que se obtenían con la Norma de 1977.
El nivel de las fuerzas se mantiene prácticamente igual, salvo en algunas edificaciones importantes para
las cuales se varía el factor de uso o importancia. Se cambian los coeficientes U, S, C, Z y R, de tal manera
que los niveles de fuerza se mantienen , pero que los desplazamientos resultan 2.5 veces mayores.
Evolución del diseño en el Perú
Los ingenieros estructurales se ven obligados a rigidizar más las estructuras. Se usa mayor cantidad de
muros de corte (placas), manteniéndose los mismos procedimientos para el diseño en concreto, pues la
Norma del 1989 sigue vigente. Es un cambio de estructuración, mas no de diseño.
En el año 2001 se produce el sismo de Moquegua, Arequipa y Tacna, donde edificaciones e similaresscolares,
a las anteriores, pero con mayor rigidez lateral funcionan adecuadamente. Se repiten los defectos mismos
ya conocidos en otras edificaciones calculadas antes de la Norma de 1997.
En el año 2003 se hacen ajustes en la Norma de Diseño Sismorresistente y se decide trabajar con valores
de fuerza 1.25 mayores, introduciendo el concepto de “sismo de rotura”. Para efectos del diseño en concreto
armado ya no es necesario amplificar por 1.25 para las combinaciones de carga donde interviene
las fuerzas de sismo, pues las fuerzas ya vienen amplificadas.
Evolución del diseño en el Perú
Se comienza a trabajar una nueva Norma de diseño en concreto armado, pues los códigos ACI se siguen
actualizando, teniéndose publicaciones en 1999, 2002 y 2005.
En el comité convocado por Sencico para actualizar nuestra Norma de concreto, surgen dos tendencias:
una que busca convertir al ACI en nuestro código y otra que busca tener una Norma propia, con muchas
de las disposiciones del ACI, pero con algunas variantes.
Se concluye que sí debemos tener una Norma propia, que siga el mismo orden de capítulos del ACI, pero
que no necesariamente contenga todas las disposiciones de éste. Esta nueva Norma es promulgada en
2009. Dentro de los cambios que se pudo resaltar están los cambios de los valores los coeficientes de
amplificación de cargas, para el diseño por resistencia, que quedaron definidos en: 1.4 para carga muerta
y 1.7 para carga viva ( en lugar de 1.5 y 1.8 ). El último ACI disminuye estos factores a 1.2 y 1.6.
Evolución del diseño en el Perú
A partir del año 2000 se inicia un programa de construcciones de vivienda multifamiliar con préstamos
hipotecarios atractivos (MIVIVIENDA). Este ha permitido la reactivación de la construcción y su
crecimiento continuo. Muchas de estas construcciones han sido hechas con el sistema de muros
portantes, pero de concreto armado. Se consideran muros en las dos direcciones, no hay columnas ni vigas,
salvo excepciones y por tanto se reducen los espesores de las paredes, en relación a lo que estábamos
acostumbrados.
Para edificios de aproximadamente 5 a 7 pisos, se han usado muros de solamente 10cm, teniéndose otros
con espesores mayores. Para edificios de 5 o 6 pisos se han hecho edificios con todos los muros de 10cm.
Estos muros no pueden ser tratados como muros convencionales de concreto, pues en ellos no es posible
considerar estribos para confinar sus núcleos extremos. Como el sistema fue ampliándose a más pisos y
se comenzaron a usar losas de transferencia, fue necesario hacer un código especial para su análisis y
diseño.
Evolución del diseño en el Perú
Es así como se publican en diciembre de 2004, disposiciones complementarias
para la Norma de Diseño Sismorresistente y para la Norma de Concreto
Armado, para el análisis y diseño de edificios con muros de ductilidad limitada.
Estas normas han permitido ordenar el diseño de este tipo de edificios,
controlando la seguridad de los mismos.
Algunos puntos de la adenda a la norma E.030
Edificios con muros de ductilidad limitada
Evolución del diseño en el Perú
En resumen de esta sección se tiene que el diseño en Concreto Armado en los últimos 50 años varió del
método de cargas en servicio al método de cargas amplificadas o de resistencia última. Se dio énfasis al
diseño sismorresistente, para lo cual se introdujeron exigencias que permiten controlar las fallas frágiles,
buscando las dúctiles. Se busca una falla por flexión frente a una por corte y se busca, dentro de la falla
por flexión, que sea por el lado del acero en tracción. Se reconoce que el concreto no es un material con
niveles altos de ductilidad y que su falla en compresión es frágil. Se reconoce que para mejorar su
comportamiento último debe estar confinado por estribos o espirales con poco espaciamiento, por lo
menos en las zonas de máximos esfuerzos. Se busca que siempre haya estribos, aún cuando los esfuerzos
de corte sean pequeños, buscando tener al concreto confinado. Se busca combinar pórticos de columnas
y vigas, con muros de corte (placas) en las 2 direcciones de la planta, para lograr rigidez lateral y controlar
el nivel de desplazamientos relativos entre piso y piso. Se limita el desplazamiento máximo relativo de
entrepiso, pues se reconoce que de esta manera se disminuyen los daños en los elementos estructurales
y no estructurales de las edificaciones.
Codigos de diseño, el código ACI
El diseño y construcción de edificios está regulado por normas llamados códigos de construcción. Estos
existen para proteger la salud y la seguridad del público. Cada país es libre de escribir o adoptar su
propio código de construcción, y en ese pais, solamente ese código particular, tiene un estatus legal. Debido
a la complejidad de escribir los códigos de construcción, las ciudades en los Estados Unidos por lo general
basan sus códigos de construcción de códigos modelo. Antes del año 2000, había tres modelos de códigos:
el Código Uniforme de Construcción, el Código de Construcción Estándar, y el Código de Construcción
Básico. Estos códigos cubren temas tales como requerimientos de uso y ocupación, los requisitos contra el
fuego, la calefacción y los requisitos de ventilación y diseño estructural. En 2000, estos tres códigos fueron
reemplazados por el Código Internacional de la Construcción (IBC), que normalmente se actualiza cada tres
años.
La especificación de diseño definitiva para los edificios de concreto reforzado en USA son los requisitos
del Código de Construcción para Concreto Estructural (ACI 318-11) y Comentario (ACI 318R-11).
Codigos de diseño, el código ACI
El código ACI, se ha incorporado por referencia en el IBC y sirve como base para los códigos en Canadá,
Nueva Zelanda, Australia, la mayor parte de América Latina y algunos países de Oriente Medio. El código
ACI tiene estatus legal sólo si se adopta en un código de construcción local. En los últimos años, el
código ACI ha sido objeto de una importante revisión cada tres años. Los planes actuales son para
publicar revisiones importantes en un ciclo de seis años con revisiones intermedias cada 3 años. La
versión actual del código ACI corresponde a la versión del 2014.
El término concreto estructural se utiliza para referirse a toda la gama de estructuras de concreto: simple;
reforzados con barras de refuerzo normales; parcialmente pretensado, generalmente contiene tanto las
barras de refuerzo y tendones de pretensado; pretensado totalmente, con pretensado suficiente para
evitar grietas en el servicio diario. En 1995, el título del Código ACI fue cambiado de “Requisitos del
Código de Construcción para Concreto Reforzado” a “Requisitos del Código de Construcción para
Concreto Estructural” para destacar que el código se refiere a todo el espectro de concreto estructural.
Codigos de diseño, el código ACI
Cada nación o grupo de naciones en Europa tiene su propio código de construcción para concreto
armado. El Código Modelo CEB-FIP para Estructuras de concreto, publicado en 1978 y revisado en 1990
por el Comité Euro-Internacional du Béton, Lausana, estaba destinado a servir de base para futuros intentos
de unificar los códigos europeos. La Comunidad Europea, más recientemente, ha publicado Eurocódigo Nº
2, Diseño de Estructuras de Concreto. Finalmente, se pretende que este código gobernará el diseño de
hormigón en toda la Comunidad Europea.
NTE E.060
El el perú la norma que rige el diseño de elementos de concreto armado es la Norma E.060 promulgada
el 2009. Dicha norma fue elaborada en base a Norma Peruana E.060 del año 1989, ACI 318-1999, ACI
318-2005. ACI 318S-2005, Propuesta ACI 318-2008 (Draft). Normas Técnicas Complementarias Distrito
Federal – México 2004, Norma Colombiana NSR-98. El comité encargado de elaborar la norma E.060 tuvo
las siguientes alternativas:
1. Adoptar completamente el ACI 318S 2005. Las ventajas de esta opción eran las siguientes: Actualizaciones
frecuentes (cada 3 años), difusión en nuestro medio, abundante bibliografía (libros y programas),
Publicación en castellano por el propio ACI, comentarios incluidos.
2. Adaptarlo a nuestros usos (realidad). Para dicha opción se requería: Modificar los Factores de carga del
ACI (en el futuro deberían estar especificados en la Norma de Cargas E.020), modificar los Factores de
reducción de Resistencia del ACI, adaptar y modificar el Capítulo 21 (Disposiciones para Diseño Sísmico),
uso de la terminología propia de nuestro medio
NTE E.060
Adecuación del Castellano utilizado en la traducción del ACI 318, eliminar (filtrar) el contenido del ACI
que no se aplica en nuestro medio, posibilidad de incluir figuras aclaratorias, adecuar las normas citadas
por el ACI.
El incorporar la experiencia local permite reflejar las características locales de los materiales, la calidad de
la mano de obra, el nivel y calidad de la supervisión de las construcciones, los usos y costumbres y los tipos
de sistemas estructurales usados. Esto es importante cuando se adoptan normas extranjeras basadas
en otras realidades.
Los Códigos de Construcción o de Edificación, suelen tener fuerza legal y su función principal es asegurar
la seguridad del público. Los códigos establecen los Requisitos Mínimos que deben cumplir las
estructuras, el material, los refuerzos y el diseño. Establecen los niveles mínimos de seguridad que debe
tener (una estructura ?) o elemento estructural. El propósito de un código es el de ayudar a lograr una
estructura segura y de buen comportamiento bajo condiciones de servicio.
NTE E.060
Ya que los códigos fijan los requisitos mínimos, el ingeniero estructural deberá aplicar su criterio y
conocimiento para discernir los casos o situaciones en las que las disposiciones de las normas pueden ser
insuficientes. Los códigos no son Libros de Texto, su aplicación requiere un conocimiento previo del material
y de su comportamiento bajo las diversas solicitaciones. Hasta dónde se puede extrapolar un Código?
Alcances de la norma E.060
Fija los requisitos y exigencias mínimas para el análisis, el diseño, los materiales, la construcción, el control de calidad y la
Supervisión de estructuras de concreto armado, preesforzado y simple. Para estructuras especiales tales como arcos, tanques,
estanques, depósitos y silos, chimeneas y estructuras resistentes a explosiones, las disposiciones de esta Norma regirán cuando
sean aplicables. NO rige el diseño y la construcción de losas apoyadas en el suelo, a menos que la losa transmita cargas verticales o
laterales desde otras partes de la estructura al suelo. NO incluye disposiciones para las condiciones de exposición especialmente
severas, tales como la exposición a ácidos o a altas temperaturas. Tampoco cubre condiciones estética.
NTE E.060
Contenido de la norma E.060 (22 capítulos)
1- Requisitos Generales
12- Longitudes de Desarrollo y Empalmes del
2- Notación y Definiciones
Refuerzo
3- Materiales
13- Losas en dos Direcciones
4- Requisitos de Durabilidad
14- Muros (Muros de Carga)
5- Calidad del Concreto, Mezclado y Colocación
15- Zapatas
6- Encofrados, Tuberías Embebidas, Juntas de
Construcción
16- Concreto Prefabricado
7- Detalles del Refuerzo
8- Análisis y Diseño – Consideraciones Generales
9- Requisitos de Resistencia y Servicio
10- Flexión y Carga Axial
11- Cortante y Torsión
17- Elementos Compuestos
18- Concreto Preesforzado
19- Cáscaras y Losas Plegadas
20- Evaluación de Estructuras
21- Disposiciones Especiales para Diseño Sísmico
22- Concreto Estructural Simple
NTE E.060
Capítulo 7 - Detalles del Refuerzo
La Norma de Concreto especifica una serie de detalles mínimos asociados con la colocación
de las armaduras de refuerzo en el concreto. Muchos de estos detalles provienen de la
experiencia constructiva y están relacionados con los espaciamientos máximos y mínimos
del refuerzo de acero así como con los recubrimientos mínimos de concreto necesarios
para proteger a las armaduras. Modificaciones menores en las tolerancias para la
colocación del refuerzo. Reorganización de las exigencias en los recubrimientos mínimos.
Importancia de un detallado adecuado, importancia de una adecuada construcción y
supervisión – Capítulos 1 al 7, un buen diseño y un adecuado detallado no son
suficientes, compatibilidad entre Arquitectura, Estructuras e Instalaciones. La norma no es
suficiente.
NTE E.060
Capítulo 21 – Disposiciones especiales para el diseño sísmico
Muros y
porticos
Aporticado con muros de relleno
Aporticado
Muros
estructurales
Muros de
ductilidad
limitada
Albañilería
EDIFICACIONES DE CONCRETO ARMADO-PERU
REFLEXIONES…………………………….SOBRE EL DISEÑO ESTRUCTURAL EN CONCRETO ARMADO……………………
EDIFICACIONES DE CONCRETO ARMADO-PERU
El primer edificio público del
Perú construido con aisladores
sísmicos, capaz de mitigar los
efectos de un movimiento
telúrico, sea cual sea su
magnitud, acaba de inaugurarse
en la Universidad Nacional de
Ingeniería (UNI).
Se
trata
del Centro
de
Información e Investigación
de la Facultad de Ingeniería
Civil, una edificación de ocho
pisos en cuyo diseño y
construcción
intervinieron
expertos en ingeniería civil,
sanitaria, eléctrica, mecánica,
entre otros especialistas, todos
de la UNI. (Set-2018)
References:
1) Design of reinforced concrete structures
; Arthur Nilson
2) Reinforced Concrete Structures
; Park y Paulay
3) Concreto Armado; Phd L. Quiroz.
4) Apuntes de clase Maestría Ingeniería
Estructural-Universidad Nacional de Ingeniería
E-mail: tvilchezy@uni.pe