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Diseño de Concreto Reforzado 9na Edición

Diseño de Concreto Reforzado

El concreto es una mezcla de arena, grava, roca triturada u otros agregados que se mantienen unidos en una masa parecida a la roca mediante una pasta de cemento y agua. A veces, se agregan uno o más aditivos para cambiar ciertas características del concreto, como su trabajabilidad, durabilidad y tiempo de endurecimiento.

Al igual que la mayoría de las sustancias parecidas a la roca, el concreto tiene una alta resistencia a la compresión y una resistencia a la tracción muy baja. El concreto armado es una combinación de concreto y acero, donde el refuerzo de acero proporciona la resistencia a la tracción que falta en el concreto. El refuerzo de acero también es capaz de resistir fuerzas de compresión y se utiliza en columnas, así como en otras situaciones que se describen más adelante.

Índice

    Diseño de Concreto Reforzado

    El concreto armado puede ser el material más importante disponible para la construcción. Se utiliza de una forma u otra en casi todas las estructuras, grandes o pequeñas, como edificios, puentes, pavimentos, presas, muros de contención, túneles, instalaciones de drenaje e irrigación, tanques, y mucho más.

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    Ventajas del Concreto Reforzado

    El tremendo éxito de este material de construcción universal se puede entender fácilmente si se consideran sus numerosas ventajas. Estas incluyen las siguientes:

    1. Tiene una considerable resistencia a la compresión por unidad de costo en comparación con la mayoría de otros materiales.
    2. El concreto armado tiene una gran resistencia a las acciones del fuego y el agua, de hecho, es el mejor material estructural disponible para situaciones donde el agua está presente. Durante incendios de intensidad promedio, los elementos con una adecuada cobertura de concreto sobre las barras de refuerzo sufren solo daños superficiales sin llegar a fallar.
    3. Las estructuras de concreto armado son muy rígidas.
    4. Es un material de bajo mantenimiento.
    5. En comparación con otros materiales, tiene una vida útil muy larga. En condiciones adecuadas, las estructuras de concreto armado pueden ser utilizadas indefinidamente sin reducción en su capacidad de carga. Esto se debe al hecho de que la resistencia del concreto no disminuye con el tiempo, sino que, de hecho, aumenta durante un período muy largo, medido en años, debido al proceso prolongado de solidificación de la pasta de cemento.
    6. Por lo general, es el único material económico disponible para cimientos, losas de piso, muros de sótano, pilares y aplicaciones similares.
    7. Una característica especial del concreto es su capacidad para ser moldeado en una extraordinaria variedad de formas, desde simples losas, vigas y columnas hasta grandes arcos y cáscaras.

    Desventajas del concreto armado como material estructural

    Para utilizar el concreto con éxito, el diseñador debe estar completamente familiarizado con sus puntos débiles, así como con sus puntos fuertes. Entre sus desventajas se incluyen las siguientes:

    1. El concreto tiene una resistencia a la tracción muy baja, lo que requiere el uso de refuerzo a tracción.
    2. Se requieren encofrados para mantener el concreto en su lugar hasta que endurezca lo suficiente. Además, puede ser necesario utilizar soportes o puntales para mantener los encofrados en su lugar en techos, paredes, pisos y estructuras similares hasta que los elementos de concreto adquieran la suficiente resistencia para sostenerse por sí mismos. El encofrado es muy costoso. En los Estados Unidos, sus costos representan entre un tercio y dos tercios del costo total de una estructura de concreto armado, con valores promedio de alrededor del 50%. Debería ser evidente que cuando se hacen esfuerzos para mejorar la economía de las estructuras de concreto armado, el énfasis principal se centra en reducir los costos de encofrado.
    3. La baja resistencia por unidad de peso del concreto da como resultado miembros pesados. Esto se vuelve un asunto cada vez más importante para estructuras de gran luz, donde el peso muerto del concreto tiene un gran efecto en los momentos de flexión. Se pueden utilizar agregados livianos para reducir el peso del concreto, pero esto aumenta el costo del concreto.
    4. Del mismo modo, la baja resistencia por unidad de volumen del concreto significa que los miembros serán relativamente grandes, lo que es una consideración importante para edificios altos y estructuras de gran luz.
    5. Las propiedades del concreto varían ampliamente debido a las variaciones en su proporción y mezcla. Además, la colocación y curado del concreto no están tan controlados con precisión como la producción de otros materiales, como el acero estructural y la madera laminada.

    Comparación entre el Concreto Armado y el Acero Estructural para Edificios y Puentes

    Cuando se considera un tipo particular de estructura, es posible que el estudiante se pregunte: «¿Debería usarse concreto armado o acero estructural?» En este punto, suele haber muchas bromas, con los defensores del concreto armado refiriéndose al acero como ese material que se oxida y aquellos que favorecen el acero estructural refiriéndose al concreto como el material que, cuando se somete a tensiones excesivas, tiende a regresar a su estado natural, es decir, arena y grava.

    No hay una respuesta simple a esta pregunta, ya que ambos materiales tienen muchas características excelentes que se pueden utilizar con éxito en muchos tipos de estructuras. De hecho, a menudo se utilizan juntos en las mismas estructuras con resultados maravillosos.

    La selección del material estructural a utilizar para un edificio en particular depende de la altura y el alcance de la estructura, el mercado de materiales, las condiciones de cimentación, los códigos de construcción locales y consideraciones arquitectónicas. Para edificios de menos de 4 pisos, el concreto armado, el acero estructural y la construcción con muros portantes son competitivos.

    Desde 4 hasta aproximadamente 20 pisos, el concreto armado y el acero estructural son económicamente competitivos, habiéndose utilizado principalmente acero en la mayoría de los trabajos por encima de los 20 pisos en el pasado. Sin embargo, en la actualidad, el concreto armado está volviéndose cada vez más competitivo por encima de los 20 pisos, y hay varios edificios de concreto armado de mayor altura en todo el mundo. El edificio Water Tower Place de 74 pisos y 859 pies de altura en Chicago es el edificio de concreto armado más alto del mundo. La torre CN de 1465 pies en Toronto, Canadá (no es un edificio), es la estructura de concreto armado más alta del mundo.

    La compatibilidad del concreto y el acero

    El concreto y el acero de refuerzo trabajan juntos de manera excelente en estructuras de concreto armado. Las ventajas de cada material parecen compensar las desventajas del otro. Por ejemplo, la gran debilidad del concreto es su falta de resistencia a la tracción, pero la resistencia a la tracción es una de las grandes ventajas del acero. Las barras de refuerzo tienen resistencias a la tracción aproximadamente 100 veces mayores que las de los concretos habituales.

    Los dos materiales se adhieren muy bien entre sí, por lo que hay muy pocas posibilidades de deslizamiento entre ellos; por lo tanto, actuarán juntos como una unidad en la resistencia a las fuerzas. La excelente adherencia obtenida es resultado de la adhesión química entre los dos materiales, la rugosidad natural de las barras y las deformaciones con forma de costilla espaciadas de cerca enrolladas en las superficies de las barras.

    Las barras de refuerzo están sujetas a la corrosión, pero el concreto que las rodea les proporciona una excelente protección. La resistencia del acero expuesto a las temperaturas alcanzadas en incendios de intensidad normal es nula, pero encerrar el acero de refuerzo en concreto produce calificaciones de resistencia al fuego muy satisfactorias. Finalmente, el concreto y el acero funcionan bien juntos en relación con los cambios de temperatura, ya que sus coeficientes de expansión térmica son bastante cercanos. Para el acero, el coeficiente es de 0.0000065 por unidad de longitud por grado Fahrenheit, mientras que varía para el concreto de alrededor de 0.000004 a 0.000007 (valor promedio: 0.0000055).

    Unidades del SI y Áreas Sombreadas

    La mayor parte de este libro está dedicada al diseño de estructuras de concreto armado utilizando unidades de medida estadounidenses (unidades imperiales). Sin embargo, los autores consideran que es absolutamente necesario que el ingeniero actual sea capaz de diseñar tanto en unidades imperiales como en unidades del Sistema Internacional (SI). Por lo tanto, se presentan aquí ecuaciones en unidades del SI, cuando son diferentes de las unidades imperiales, junto con numerosos ejemplos numéricos que utilizan unidades del SI. Las ecuaciones se toman de la versión métrica del American Concrete Institute’s Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318M-11).11

    Para muchas personas, puede resultar distraído leer un libro en el que los números, las ecuaciones y demás se presentan en dos conjuntos de unidades. Para tratar de reducir esta molestia, los autores han colocado un área sombreada alrededor de cualquier elemento relacionado con unidades del SI a lo largo del texto. Si los lectores están trabajando en un momento particular con unidades imperiales, pueden ignorar por completo las áreas sombreadas. Sin embargo, se espera que las mismas áreas sombreadas permitan a una persona que trabaja con unidades del SI encontrar fácilmente ecuaciones apropiadas, ejemplos, y así sucesivamente.

    Contracción:

    Cuando se mezclan los materiales para el hormigón, la pasta consiste en cemento y agua los vacíos entre el agregado y los enlaces juntos. esta mezcla necesita ser suficientemente trabajable o fluido para que pueda hacerse fluir entre las barras de refuerzo y todo a través de las formas. para lograr esta trabajabilidad deseada, considerablemente más agua (tal vez se utiliza el doble de lo necesario para que el cemento y el agua reaccionen (lo que se llama hidratación).

    Después de que el concreto se haya curado y comience a secarse, el agua de mezcla adicional que se usado comienza a salir del concreto hacia la superficie, donde se evapora como resultado, el hormigón se encoge y se agrieta. las grietas resultantes pueden reducir la resistencia al corte de los miembros y ser perjudicial para la apariencia de la estructura.

    Además, las grietas pueden permitir que el refuerzo esté expuesto a la atmósfera o productos químicos, por lo tanto, aumentando la posibilidad de corrosión. la contracción continúa por muchos años, pero bajo ordinaria condiciones probablemente alrededor del 90% de esto ocurre durante el primer año. La cantidad de humedad que la perdida varía con la distancia desde la superficie. además, cuanto mayor sea la superficie de un miembro en
    proporción a su volumen, cuanto mayor sea la tasa de contracción; es decir, miembros con las secciones transversales pequeñas se encogen más proporcionalmente que las secciones transversales grandes.

    La cantidad de contracción depende en gran medida del tipo de exposición. por ejemplo, si el hormigón se somete a una cantidad considerable de viento durante el curado, su contracción será mayor en una forma relacionada, una atmósfera húmeda significa menos contracción, mientras que una atmósfera seca significa más también debe tenerse en cuenta que es deseable usar agregados de baja absorción como los de granito y muchas calizas.

    Cuando ciertas pizarras absorbentes y agregados de arenisca son utilizado, el resultado puede ser una vez y media o incluso dos veces la contracción con otros agregados.

    Tabla de Contenido
    1. Introduction
    2. Flexural Analysis of Beams
    3. Strength Analysis of Beams According to ACI Code
    4. Design of Rectangular Beams and One-Way Slabs
    5. Analysis and Design of T Beams and Doubly Reinforced Beams
    6. Serviceability
    7. Bond, Development Lengths, and Splices
    8. Shear and Diagonal Tension
    9. Introduction to Columns
    10. Design of Short Columns Subject to Axial Load and Bending
    11. Slender Columns
    12. Footings
    13. Retaining Walls
    14. Continuous Reinforced Concrete Structures
    15. Torsion
    16. Two-Way Slabs, Direct Design Method
    17. Two-Way Slabs, Equivalent Frame Method
    18. Walls
    19. Prestressed Concrete
    20. Reinforced Concrete Masonry
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