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DISTRIBUCION DE ARMADURA EN FLEXXION

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DISTRIBUCION DE ARMADURA EN FLEXXION
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    9 Distribución de la armadura de flexión ACTUALIZACIÓN PARA EL CÓDIGO 2002 En la edición 1999 del Código se introdujo un cambio significativo en 10.6.4 que afectó la distribución de la armadura de flexión  para limitar la fisuración. El nuevo método apunta directamente a limitar la separación de la armadura más próxima a la cara traccionada. Anteriormente, se asumía que se limitaba la fisuración limitando los factores z, los cuales indirectamente limitaban la separación de la armadura (ver Apéndice 9A). El nuevo método reemplaza la Ecuación (10-5) con que se calculaba el factor z por una ecuación con la cual se obtiene la separación máxima de la armadura, s. Esta separación máxima de la armadura depende solamente de la tensión en el acero f  s  bajo cargas de servicio, y del recubrimiento libre c c  de la armadura de flexión a partir de la superficie traccionada más próxima. CONSIDERACIONES GENERALES Los requisitos de 10.6 exigen una correcta distribución de la armadura de tracción en vigas y losas armadas en una dirección a fin de controlar la fisuración por flexión. Las estructuras construidas en el pasado, usando métodos de Diseño por Tensiones de Trabajo y armadura con tensión de fluencia menor o igual que 40.000 psi, tenían bajas tensiones de tracción en las armaduras bajo cargas de servicio. Por lo tanto, en presencia de bajas tensiones de tracción en la armadura bajo cargas de servicio, estas estructuras no evidenciaban mayores problemas de fisuración por flexión. Con la aparición de aceros de alta resistencia con tensiones de fluencia mayores o iguales que 60.000 psi, y con el uso de métodos de Diseño por Resistencia que permiten mayores tensiones en la armadura, el control de la fisuración por flexión ha cobrado mayor importancia. Por ejemplo, si una viga se diseñara usando el Método de Diseño por Tensiones de Trabajo y una tensión de fluencia de 40.000 psi, la tensión en la armadura bajo cargas de servicio sería de alrededor de 20.000 psi. Usando el Método de Diseño por Resistencia y una tensión de fluencia de 60.000 psi, la tensión bajo cargas de servicio podría ser de hasta 36.000 psi. Si de hecho la fisuración por flexión es proporcional a la tensión de tracción en el acero, es evidente que el proceso de diseño debe incluir criterios para controlar la fisuración. Las primeras investigaciones del ancho de las fisuras en vigas y elementos solicitados a tracción axial indicaron que el ancho de las fisuras era proporcional a la tensión en el acero y al diámetro de las barras, pero inversamente proporcional a la cuantía de armadura. Investigaciones más recientes, realizadas usando barras conformadas, han confirmado que el ancho de las fisuras es  9 - 2  proporcional a la tensión en el acero. Sin embargo, se ha comprobado que hay otras variables importantes tales como la calidad del hormigón y el recubrimiento sobre las barras. Se debe recordar que el ancho de las fisuras es muy variable, aún en trabajos realizados en laboratorio bajo condiciones estrictamente controladas. Por este motivo, en el código sólo se presenta una expresión sencilla para controlar la fisuración, diseñada para obtener detalles de armado razonables que concuerden con estudios experimentales y experiencias anteriores. EFECTO DE LOS NUEVOS FACTORES DE CARGA El factor más importante en la determinación del ancho de las fisuras es la tensión en el acero bajo cargas de servicio. Como resultado de los nuevos factores de carga especificados en 9.2.1, el requisito de resistencia para los elementos controlados por tracción solicitados a flexión se reduce en aproximadamente 10 por ciento, como se ilustra en la Figura 6-16. Esto aumenta la tensión en el acero bajo cargas de servicio. Para un elemento con una sobrecarga igual a un medio de la carga permanente, el factor de seguridad global utilizando ACI 318-99 es de 1,67; esto implica una tensión en el acero de 1/1,67 = 0,6 f  y  bajo cargas de servicio. En base a estas consideraciones es que se  permite adoptar f  s  bajo cargas de servicio igual al 60 por ciento de f  y  (10.6.4). Usando el nuevo código, para la misma relación entre sobrecarga y carga permanente, el factor de seguridad global es 1,48, lo cual implica una tensión en el acero bajo cargas de servicio de 1/1,48 = 0,67 f  y . Sin embargo, la sección 10.6.4 aún permite utilizar f  s  = 0,6f  y  para controlar la fisuración. El resultado es que, usando el nuevo código, el ancho de las fisuras puede ser entre 12 y 13 por ciento mayor para los elementos controlados por tracción. El ancho de las fisuras no se puede predecir con un margen de precisión de 12 a 13 por ciento, y el código 2002 permite ignorar este aumento. Es importante observar que usando el nuevo código (en promedio) las fisuras serán entre 12 y 13 por ciento más anchas. Es posible que el diseñador desee limitar el ancho de las fisuras a los valores obtenidos usando el código anterior. Esto se puede lograr usando un valor "por defecto" para la tensión del acero de 0,67f  y  ó 40 ksi, en lugar de 0,6f  y . Esta es una decisión personal del diseñador; no constituye un requisito del código. 10.6 VIGAS Y LOSAS ARMADAS EN UNA DIRECCIÓN 10.6.4 Distribución de la armadura de tracción Desde el inicio se identificaron tres motivos por los cuales es necesario limitar el ancho de las fisuras en el hormigón. Estos son la apariencia (estética), la corrosión y la impermeabilidad. Rara vez los tres motivos son relevantes para una misma estructura. La apariencia es importante en el caso del hormigón a la vista, tal como los paneles de los tabiques. La corrosión es importante en el caso del hormigón expuesto a ambientes agresivos. La impermeabilidad puede ser necesaria para las estructuras marítimas o sanitarias. La apariencia exige limitar el ancho de las fisuras en la superficie. Esto se puede asegurar ubicando la armadura tan cerca de la superficie como sea posible (usando poco recubrimiento) para impedir que las fisuras se ensanchen. Por el contrario, el control de la corrosión se obtiene usando hormigón de mejor calidad y aumentando el espesor del recubrimiento de hormigón. La impermeabilidad requiere una severa limitación del ancho de las fisuras, aplicable solamente a estructuras especializadas. Por lo tanto, se debería reconocer que es posible que un único requisito, tal como la Ecuación (10-4) de este código, puede no ser suficiente para cubrir los tres motivos mencionados, es decir, apariencia, corrosión e impermeabilidad. Existe una fuerte correlación entre el ancho de las fisuras superficiales y el recubrimiento de hormigón, d c , como se ilustra en la Figura 9-1. Para una determinada deformación específica del acero, cuanto mayor sea el recubrimiento mayor será el ancho de las fisuras y mayor será la influencia sobre la apariencia. Entre 1971 y 1995, el código especificaba factores z limitantes en base al concepto de que era necesario limitar el ancho de las fisuras superficiales. Los valores especificados de z = 175 y 145 kips/in., para exposiciones interiores y exteriores, respectivamente, correspondían a fisuras de 0,016 y 0,013 in. de ancho (ver Apéndice 9A). Se asumía que limitando el ancho de las fisuras a estos valores se lograría protección contra la corrosión. Pero, para poder satisfacer los valores límites de z especificados, el método básicamente alentaba la reducción del recubrimiento de hormigón, lo cual  potencialmente podía perjudicar la protección contra la corrosión. Lo que es más, el método penalizaba fuertemente las estructuras con recubrimientos de más de 2 in. ya sea reduciendo la separación o las tensiones bajo cargas de servicio de la armadura.  9 - 3 Figura 9-1 – Ancho de las fisuras para recubrimientos de diferentes espesores La influencia de la fisuración en el proceso de corrosión de las armaduras es un tema controvertido. Las investigaciones [9.1 y 9.2] muestran que la corrosión no tiene una correlación clara con el ancho de las fisuras superficiales en el rango de tensiones que normalmente aparecen en la armadura bajo cargas de servicio. De hecho, está ligeramente relacionada con los límites para el ancho de las fisuras superficiales de 0,013 a 0,016 in. de los códigos anteriores. Además, se ha descubierto que el ancho real de las fisuras en las estructuras es altamente variable. Se ha observado una dispersión del orden de ±50%. Esto llevó a investigar alternativas  para reemplazar los factores z límites para exposición exterior e interior, como figuraban en la edición anterior del código (ver Apéndice 9A). Intentando salvar algunas de las limitaciones del enfoque anterior, a partir del Código 1999 se ha adoptado una ecuación sencilla y más práctica, la cual limita la máxima separación de las armaduras de forma directa. El nuevo método intenta controlar la fisuración superficial a un ancho que, en forma general, sea aceptable en la práctica, pero que puede variar ampliamente dentro de una estructura dada. Por este motivo, el nuevo método no pretende predecir el ancho que tendrán las fisuras en la obra. De acuerdo con el nuevo método, la separación de la armadura más cercana a una superficie en tracción no deberá ser mayor que el valor dado  por ( ) sc s540/f2,5c = −  Ec. (10-4)  pero no mayor que ( ) s 1236/f  donde s = separación entre los centros de las barras de la armadura traccionada por flexión más cercana a la cara más traccionada, in. (si hay una única barra o alambre más cercano a la cara más traccionada, s es el ancho de la cara más traccionada). f  s  = tensión en la armadura calculada para las cargas de servicio (ksi), determinada como el momento no mayorado dividido por el producto del área de acero por el brazo de palanca interno. Se permite adoptar f  s  igual a 60 por ciento de la tensión de fluencia especificada de la armadura no pretensada. c c  = espesor del recubrimiento libre, medido desde la superficie traccionada más cercana hasta la superficie de la armadura traccionada por flexión, in. w 1 w > w 21 d c1b d /2 c2 d b d /2 b d b d  9 - 4 La Figura 9-2 compara la máxima separación de la armadura según la edición 1999 del Código con la de la edición de 1995 para losas con una sola capa de armadura. Observar que los requisitos de la edición 1999 relajan considerablemente el requisito de separación para el caso de grandes recubrimientos, de entre 2 in. y 4 in. Observar también que, al contrario del requisito de 1995, esta separación es independiente de las condiciones de exposición. Figura 9-2 – Comparación de la máxima separación de la armadura para losas de acuerdo con ACI 10.6.4 1995 y 1999 Para el caso habitual de vigas con armadura Grado 60 y un recubrimiento libre de 2 in. hasta la cara traccionada, y suponiendo f  s  = 0,6 × 60 = 36 ksi, la máxima separación de las barras es de 10 in. Usando el límite superior de la Ecuación (10-4), la máxima separación admisible, independientemente del recubrimiento, es de 12 in. para f  s  = 36 ksi. El límite de la separación no depende del tamaño de barra utilizado. Por lo tanto, para una determinada cantidad de armadura de flexión requerida, este enfoque alentará el uso de barras más pequeñas a fin de satisfacer el criterio de la Ecuación (10-4). Aunque la Ecuación (10-4) se puede resolver de manera sencilla, igualmente resulta conveniente tener una tabla que ilustre la máxima separación de la armadura para diferentes espesores de recubrimiento libre (ver Tabla 9-1 a continuación). Tabla 9-1 – Máxima separación de la armadura Recubrimiento libre (in.) Tensión en el acero 3/4 1 1-1/4 1-1/2 1-3/4 2 2-1/2 3 f  s  = 36 ksi 12 12 11,88 11,25 10,38 10 8,75 7,5 f  s  = 40 ksi 10,8 10,8 10,38 9,75 9,18 8,5 7,25 6 10.6.5 Ambientes corrosivos Como se mencionó en 10.6.4, no hay datos disponibles sobre el ancho de fisura a partir del cual existe peligro de corrosión. Los ensayos de exposición indican que la calidad del hormigón, una adecuada compactación y un buen recubrimiento de hormigón  pueden ser más importantes para la protección contra la corrosión que el ancho de las fisuras en la superficie del hormigón. Los requisitos de 10.6.4 no se aplican a las estructuras sujetas a condiciones de exposición muy agresivas ni a aquellas diseñadas para ser impermeables. En estos casos se deben adoptar medidas o precauciones especiales. 1234567 0246810121416Recubrimiento d (in)c    S  e  p  a  r  a  c   i   ó  n   d  e   l  a  a  r  m  a   d  u  r  a   (   i  n   ) Barra No. 5, 1999Barra No. 6, 1999Barra No. 7, 1999Barra No. 8, 1999Barra No. 9, 1999Barra No. 10, 1999z = 175 kips/in., 1995z = 145 kips/in., 1995  9 - 5 10.6.6 Distribución de la armadura de tracción en las alas de las vigas T Para controlar la fisuración por flexión en las alas de las vigas T, la armadura de tracción por flexión se debe distribuir sobre un ancho de ala no mayor que el ancho efectivo del ala (8.10) ó 1/10 de la luz, cualquiera sea el valor que resulte menor. Si el ancho efectivo del ala es mayor que 1/10 de la luz, se debe disponer alguna armadura longitudinal adicional en las zonas externas del ala, como se ilustra en la Figura 9-3 (ver Ejemplo 9.2). Figura 9-3 – Armadura de momento negativo para vigas con alas 10.6.7 Armadura para controlar la fisuración en elementos de gran altura solicitados a flexión En el pasado se han observado varios casos en los cuales se han desarrollado fisuras anchas en las caras laterales de las vigas de gran altura, entre la armadura principal y el eje neutro [Figura 9-4(a)]. Estas fisuras se atribuyen a la ausencia de armadura superficial, en consecuencia de lo cual las fisuras se abren más en el alma que al nivel de la armadura de tracción por flexión [Figura 9-4(a)]. Para los elementos de gran altura solicitados a flexión en los cuales la profundidad efectiva, d, es mayor que 36 in., a lo largo de ambas caras laterales, en la totalidad de la zona traccionada por flexión, se debe distribuir una armadura longitudinal adicional para limitar la fisuración [ver Figura 9-4(b)]. Figura 9-4 – (a) Fisuración de las caras laterales y (b) Armadura "superficial" para controlar la fisuración en vigas de gran altura b es  A Adicional s  AA s  Adicional ℓ /10 CompresiónEje neutroTracción Armadura principalW > W 12 W 1s  A sk  As sk d/2d > 36" (a)(b) sk s<d/612 in.1000 A /(d-30) b
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