adherencia y anclaje rfib

ADHERENCIA Y ANCLAJE

Estructuras de Concreto

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

Posgrado de IngenieríaEspecialización en Ingeniería Civil

ESTRUCTURAS“Estructuras de Concreto”

Semestre 2015-1Alumno: Ricardo Felipe Islas Bernal

Una hipótesis básica que se hace en el diseño del concreto reforzado es que no debe existir ningún deslizamiento de las barras respecto al concreto que las rodea.

En otras palabras el concreto y el acero deben permanecer juntos o adherirse para que actúen como una unidad.

La resistencia al deslizamiento, puede ser la resultante de la fricción y/o resistencia adhesiva al deslizamiento.

Para lograr el equivalente de resistencia se emplean a veces anclajes en los extremos, extensiones y varillas con gancho.

Los esfuerzos en el acero son prácticamente proporcionales a la magnitud del momento flexionante y varían a lo largo de las barras de refuerzo.


1. IntroducciónAdherencia y Anclaje


En la figura, se ilustra la diferencia en comportamiento entre un elemento con refuerzo adherido y otro en el que el refuerzo se encuentra libre.

En el primer caso, los esfuerzos en el acero varían a lo largo del elemento.

En el segundo caso, el esfuerzo en el acero es constante a lo largo del claro y el elemento se comporta como un arco atirantado.

Adherencia y Anclaje1. Introducción


Se muestra el diagrama de cuerpo libre de una porción de la barra de la figura “a”.

La fuerza de tensión en el extremo de la derecha es mayor que en el extremo de la izquierda, porque ahí es mayor el momento flexionante.

Para que la barra esté en equilibrio deben existir fuerzas distribuidas en su superficie que son originadas por esfuerzos de adherencia entre el concreto y el acero.



Los esfuerzos de adherencia se presentan en los elementos de concreto reforzado por dos causas:

También en aspectos como el traslape, el corte y doblado de barras, interviene la adherencia


a) La necesidad de proporcionar anclaje

adecuado para barras

b) La variación de fuerzas en éstas debido

a la variación del momento a lo largo del

elemento.

Las barras de refuerzo deben estar ancladas en el concreto a ambos lados de la sección donde se requieran, de manera que pueda desarrollarse en ellas el esfuerzo requerido, estos esfuerzos de adherencia se desarrollan en la superficie.


2. Adherencia en anclaje

Adherencia y Anclaje

2. Adherencia en anclaje


La ley de variación de estos esfuerzos es compleja, pero puede considerarse un esfuerzo uniforme promedio, u, equivalente. Partiendo del equilibrio puede establecerse la siguiente expresión:



Si se conoce el esfuerzo de adherencia último “u” , la longitud “Ld” necesaria para desarrollar el esfuerzo de fluencia del acero “fy” puede calcularse con la expresión:

Despejando “u” resulta :

Adherencia y Anclaje2. Adherencia en anclaje


3. Adherencia en flexión


Los esfuerzos de adherencia en flexión pueden calcularse considerando una viga con momento flexionante variable y dos secciones separadas entre sí una distancia Dx.

Las Fuerzas en Tensión resultarían:



A partir del equilibrio de cuerpo libre:


Donde 0S = es la suma de los perímetros nominales de la barra

• Despejando “u” :

• Sustituyendo DT:

• Pero como la variación del Momento con respecto a la distancia es el cortante:




Lo anterior indica que si la variación del Momento es alta los esfuerzos de adherencia también lo serán.

Aún en porciones de viga donde el Momento es constante y donde la fuerza cortante es nula se ha comprobado experimentalmente que pueden presentarse esfuerzos de considerable magnitud debido a la presencia de grietas.

Teóricamente se puede deducir en base a la siguiente figura:

Estos esfuerzos no son constantes, ya que entre grieta y grieta el concreto contribuye a resistir la fuerza de tensión



Los esfuerzos promedio de adherencia pueden calcularse con la ecuación:


Si lo planteamos diferencialmente:

La ecuación diferencial indica que los esfuerzos de adherencia son proporcionales a la pendiente del diagrama de esfuerzos en el acero, ya que dicha pendiente es igual dfs/dL.




Los planteamientos teóricos conducen a ecuaciones diferenciales en las que intervienen constantes que deben ser determinadas experimentalmente.

Debido a esta complejidad y falta de datos experimentales, estas ecuaciones no han sido incorporadas a los reglamentos de construcción.


4. Naturaleza de la adherencia


La adherencia o resistencia al deslizamiento tiene su origen en los siguientes factores:

1. Adhesión química entre el acero y el concreto.

2. Fricción entre la barra y el concreto.

3. Apoyo directo de las corrugaciones de las barras sobre el concreto que las rodea.



En barras lisas solo existen las dos primeras contribuciones.

La resistencia al deslizamiento es mucho menor que la debida al apoyo de corrugaciones sobre el concreto.

Las corrugaciones alivian considerablemente el problema de adherencia.

En barras corrugadas la aportación más significativa corresponde a las corrugaciones.




En los siguientes esquemas se muestra el mecanismo de transmisión de fuerzas entre el concreto y las barras corrugadas.


Las componentes normales a las

barras originan tensiones que

tienden a producir agrietamientos

longitudinales con las configuraciones

siguientes:



Así mismo esta resistencia es inversamente proporcional al diámetro de las barras.

Por lo tanto se concluye que la resistencia en adherencia es directamente proporcional a la resistencia de tensión del concreto.

Las fallas suelen ocurrir cuando estos agrietamientos permiten el deslizamiento de las barras.




El fenómeno de agrietamiento por adherencia supone que se crea una condición de esfuerzos semejantes a la que existiría en un cilindro de concreto que rodeará a cada barra al actuar sobre él las componentes radiales.

El diámetro interior del cilindro es igual al diámetro de la barra y su espesor igual al menor de los siguientes valores:

El recubrimiento libre respecto a la cara inferior (Cb)

La mitad de la distancia libre a la barra contigua (Cs)





La configuración de la falla será de acuerdo a las siguientes condiciones:

a)Cs>Cb

c) Cs<Cb

b) Cs>>>Cb


5. Estudios Experimentales


Algunos de los estudios experimentales que han servido de base para la formulación de recomendaciones de dimensionamiento pueden clasificarse en dos grupos:

Los basados en ensayes de extracción

Los que recurren al ensaye de vigas


Ensayes de extracción


El espécimen en que se efectúa este tipo de ensaye consiste en una barra ahogada en un cilindro o prisma de concreto, con uno de sus extremos sobresaliendo del concreto.

En el extremo cargado de la barra existen esfuerzos de tensión fs= T/As. Los esfuerzos en la barra cambian desde fs hasta cero a lo largo de la longitud de anclaje.

La longitud de anclaje recibe también el nombre de longitud de desarrollo, es decir, la longitud requerida para desarrollar por adherencia un determinado esfuerzo en el acero.

El tipo de falla depende del tipo de barra ensayada.



Barras Lisas


Para pequeños esfuerzos la adhesión se encuentra cercano a la zona de transición debido a que es la primera que sufre deslizamientos (fig. a).

Al aumentar la tensión, aumenta la longitud de la zona esforzada (fig. b)

Cerca de la falla, el estado de esfuerzos tiende a incrementarse hacia la zona profunda (fig c).



Barras Lisas


La distribución de esfuerzos no es uniforme.

Puede calcularse un esfuerzo promedio uniforme.

La longitud involucrada en este cálculo se conoce como longitud de desarrollo.

La falla en un espécimen de este tipo es muy particular, dejando un agujero liso en el concreto.


Efecto de la longitud en la distribución de esfuerzos.


Barras Corrugadas


En este caso las corrugaciones reaccionan contra el concreto.

Los esfuerzos tienden a ser pequeños en la zona de transición e incrementarse hacia el interior.



Barras Corrugadas


La falla en este tipo de espécimen ocurre al partirse longitudinalmente la masa de concreto en dos o tres segmentos.

En algunos especímenes se ha observado el desprendimiento del cilindro de concreto que rodea a la barra.

La clase de concreto, el recubrimiento y el diámetro de varilla son los parámetros que influyen en el tipo de falla.



Barras Corrugadas


Al igual que en el caso de barras lisas, puede calcularse el esfuerzo promedio de adherencia en la longitud de desarrollo.

El ensaye de extracción permite determinar la longitud de desarrollo de barras ahogadas en una masa de concreto y da una idea de los esfuerzos de

adherencia en una viga.

Es útil también como medio para comparar la efectividad de distintos tipos de corrugaciones.

Sin embargo no reproduce adecuadamente el comportamiento en adherencia de vigas de concreto ya que la masa de concreto se encuentra sujeta a esfuerzos de compresión, mientras que en las vigas, el concreto tiene esfuerzos y grietas

de tensión debidas a la flexión y a la fuerza cortante.

Las recomendaciones sobre adherencia de los reglamentos suelen basarse en ensayes de vigas.




Los ensayes de adherencia en vigas libremente apoyadas, tienen el inconveniente de que la reacción del apoyo restringe el agrietamiento longitudinal del concreto, por lo que se sobreestima la resistencia en adherencia

Se han ideado tres tipos especiales de especímenes, uno en la Universidad de Texas, otro en el la Agencia Nacional de Normas de los Estados Unidos de América y otro en la Universidad de West Virginia

Ensayes de Vigas



Universidad de Texas


Una de las barras de refuerzo negativo se prolonga desde la sección donde se interrumpe el resto del refuerzo negativo hasta el punto de inflexión. La longitud correspondiente es la longitud de desarrollo.

En el punto de inflexión, la barra tiene un esfuerzo nulo, por ser nulo el momento flexionante, mientras que en la sección donde se interrumpe el resto del refuerzo negativo, la barra tiene un esfuerzo fs. Por lo tanto, el esfuerzo en la barra se desarrolla de cero a fs, en la longitud de desarrollo.



Agencia Nacional de Normas, USA


El efecto de los esfuerzos de apoyo sobre el agrietamiento longitudinal se evita colocando los apoyos alejados de la barra ensayada.

La longitud de desarrollo es la distancia desde los apoyos (momento nulo) hasta la sección de aplicación de la carga (momento máximo).



Agencia Nacional de Normas, USA


La falla por adherencia en ensayes de vigas ocurre por deslizamiento excesivo de la barra dentro de la masa de concreto, sin incremento apreciable de la carga aplicada



Universidad West Virginia

Adherencia y Anclaje5. Estudios Experimentales

Permite combinar la fuerza de extracción directa con una variación de esfuerzos que producen el par vertical.

Además permite introducir el efecto de fuerzas de dovela sobre las barras, siendo este efecto aquel que se produce donde las grietas inclinadas de tensión diagonal intersectan a las barras de refuerzo longitudinales.


Resultados Experimentales


Pueden calcularse esfuerzos promedio de adherencia a partir de ensayes de vigas semejante a las pruebas de extracción.

Z varia de 0.85d a 0.95d, M es el momento máximo que resiste el especímen, y así se obtiene un valor de “u” que representa el esfuerzo promedio de adherencia.

Los valores últimos de adherencia se obtienen a través de los ensayes y estos esfuerzos pueden expresarse como:

Donde k es una constante experimental que depende

de diversos factores.


Resultados Experimentales


De acuerdo a la siguiente fórmula básica para la longitud de desarrollo:

Sustituyendo el valor de “u”:

También puede expresarse como:


Variables de las que depende “u”


Varía con (f’c)^0.5 por la influencia que tiene la resistencia a tensión del concreto en el comportamiento por adherencia.

Posición del refuerzo. Se ha observado mayor adherencia en barras de lecho inferior que de lecho superior, ya que en las barras de lecho superior se acumula aire y agua. Cuanto mayor es

el espesor de concreto debajo de las barras mayor es el efecto.

Tipo de corrugación. Una variable importante es la relación entre la altura de las corrugaciones “a” y su espaciamiento “c”. El valor más conveniente de la relación “a/c“ parece ser del orden

de 0.065.


Variables de las que depende “u”


Presencia de Estribos. Si existen estribos como los mostrados en la siguiente figura éstos proporcionan un confinamiento que restringe el agrietamiento en planos horizontales.



Las consideraciones sobre anclaje y desarrollo que se han expuesto se refieren a barras en tensión. Las barras en compresión también deben contar con una longitud de desarrollo adecuada. Sin embargo, las longitudes requeridas son menores, ya que en las regiones en compresión de miembros de concreto no existen las grietas de flexión que agravan los problemas de adherencia.

Cuando no se disponga de suficiente espacio para alojar la longitud de desarrollo requerida, es necesario prever anclajes consistentes en ganchos u otros dispositivos apropiados.


6. ReglamentaciónRCDF-NTCDCEC-2004


Capítulo 5. NTCDCEC-2004.

Requisito general

La fuerza de tensión o compresión que actúa en el acero de refuerzo en toda sección debe desarrollarse a cada lado de la sección considerada por medio de adherencia en una longitud suficiente de barra o de algún dispositivo mecánico.


Adherencia y Anclaje6. Reglamentación NTC-2004

Los requisitos del párrafo anterior se cumplen para el acero a tensión, si:

a) Las barras que dejan de ser necesarias por flexión se cortan o se doblan a una distancia no menor que un peralte efectivo más allá del punto teórico donde, de acuerdo con el diagrama de momentos, ya no se requieren.

b) En las secciones donde, según el diagrama de momentos flexionantes, teóricamente ya no se requiere el refuerzo que se corta o se dobla, la longitud que continúa de cada barra que no se corta ni se dobla es mayor o igual que Ld+d. Este requisito no es necesario en las secciones teóricas de corte más próximas a los extremos de vigas libremente apoyadas.



c) A cada lado de toda sección de momento máximo, la longitud de cada barra es mayor o igual que la longitud de desarrollo, Ld.

d) Cada barra para momento positivo que llega a un extremo libremente apoyado, se prolonga más allá del centro del apoyo y termina en un doblez de 90 ó 180 grados, seguido por un tramo recto de 12db o 4db, respectivamente. El doblez debe cumplir con los requisitos para barras dobladas. En caso de no contar con un espacio suficiente para alojar el doblez, se empleará un anclaje mecánico equivalente al doblez.


Longitud de desarrollo de barras rectas Ld


La longitud de desarrollo a tensión se obtiene multiplicando la longitud básica Ldb por los factores de la tabla 5.1



Por sencillez se permite suponer Ktr = 0 , aunque se tenga presencia de refuerzo transversal.

En ningún caso Ld < 30 cm

La longitud de desarrollo, Ld, de cada barra que forme parte de un paquete de tres barras será igual a la que requeriría si estuviera aislada, multiplicada por 1.20.

Cuando el paquete es de dos barras no se modifica Ld.

db no mayor a 38 mm (#12)


Longitud de desarrollo de barras dobladas


Barras a tensión que terminan con dobleces de 90 y 180 grados.

Deberán cumplir con los requisitos por doblez.

Terminan en lados rectos con longitud no menor de 12 db para dobleces a 90 grados, ni menor que 4 db para dobleces a 180 grados.

Se considera como longitud de desarrollo la distancia comprendida entre la sección crítica y el paño externo de la barra después del doblez.



La longitud de desarrollo se obtendrá multiplicando la longitud de desarrollo básica dada por la expresión:

Por el factor o los factores de la tabla 5.2



En ningún caso Ld < 15 cm

En ningún caso Ld < 8 db


Longitud de desarrollo de barrasa Compresión.


Será cuando menos el 60% de la que requeriría a tensión y no se considerarán efectivas porciones dobladas. En ningún caso será menor de 200 mm.



a) En extremos libremente apoyados se prolongará, sin doblar, hasta

dentro del apoyo, cuando menos 33% del refuerzo de tensión

calculado para momento positivo máximo. En extremos continuos se

prolongará al menos el 25%.

b) Cuando la viga sea parte de un sistema destinado a resistir fuerzas laterales accidentales, el refuerzo

positivo que se prolongue dentro del apoyo debe anclarse de modo que

pueda alcanzar su esfuerzo de fluencia en la cara del apoyo. Al

menos el 33% del refuerzo negativo que se tenga en la cara de un apoyo se prolongará más allá del punto de inflexión una longitud no menor que un peralte efectivo (d), ni que 12db ,

ni que 1/16 del claro libre.

Requisitos adicionales para vigas



a) En las intersecciones con

vigas o losas las barras de las

columnas serán continuas.

b) Las barras longitudinales de

columnas de planta baja se anclarán en la cimentación de manera que en la

sección de la base de la columna

puedan alcanzar un esfuerzo igual al de fluencia en tensión

multiplicado por 1.25

c) En columnas que deban resistir

fuerzas laterales accidentales la

longitud de desarrollo de toda

barra longitudinal no debe ser mayor que

dos tercios de la altura libre de la

columna.

Columnas



Cuando no haya espacio suficiente para anclar barras por medio de doblez, se pueden usar anclajes mecánicos.

Estos deben ser capaces de desarrollar la resistencia del refuerzo por anclar, sin que se dañe el concreto.

Pueden ser, por ejemplo, placas soldadas a las barras, o dispositivos manufacturados para este fin.

Los anclajes mecánicos deben diseñarse y en su caso comprobarse por medio de ensayes.

Bajo cargas estáticas, se puede admitir que la resistencia de una barra anclada es la suma de la contribución del anclaje mecánico más la adherencia en la

longitud de barra comprendida entre el anclaje mecánico y la sección crítica.

Anclajes Mecánicos



El refuerzo en el alma debe llegar tan cerca de las caras de compresión y tensión como sea posible.

Los estribos deben rematar en una esquina con dobleces de 135 grados, seguidos de tramos rectos de no menos de 6db de largo, ni menos de 80 mm.

En cada esquina del estribo debe quedar por lo menos una barra longitudinal.

Los radios de doblez cumplirán con los requisitos respectivos.

Anclaje del refuerzo transversal



Tamaño máximo de agregados

El tamaño nominal máximo de los agregados no debe ser mayor que:

a) Un quinto de la menor distancia horizontal entre caras de los moldes.

b) Un tercio del espesor de losas

c) Tres cuartos de la separación horizontal libre mínima entre barras, paquetes de barras, o tendones de presfuerzo.



Paquetes de barras

Las barras longitudinales pueden agruparse formando paquetes con un máximo de dos barras cada uno en columnas y de tres en vigas. Para vigas de marcos

dúctiles solo se permiten paquetes de 2 barras

La sección donde se corte una barra de un paquete en el claro de una viga no distará de la sección de corte de otra barra menos de 40 veces el diámetro de la más gruesa de las dos. Los paquetes se usarán sólo cuando queden alojados en un ángulo de los

estribos.

Para determinar la separación mínima entre paquetes y determinar su recubrimiento, cada uno se tratará como una barra simple de igual área transversal que la del paquete.

Para calcular la separación del refuerzo transversal, rige el diámetro de la barra más delgada del paquete



Dobleces del refuerzo

El radio interior de un doblez no será menor que:

A menos que dicha barra quede doblada alrededor de otra de diámetro no menor que el de ella, o se confine adecuadamente el concreto, por ejemplo mediante refuerzo perpendicular al plano de la barra.



Uniones de barras

Las barras de refuerzo pueden unirse mediante traslapes o estableciendo continuidad por medio de soldadura o dispositivos mecánicos.

Toda unión soldada o con dispositivo mecánico debe ser capaz de transferir por lo menos 1.25 veces la fuerza de fluencia de tensión de las barras, sin necesidad de exceder la resistencia máxima de éstas.

Deben evitarse las uniones en secciones de máximo esfuerzo de tensión.



Traslapes La longitud de un traslape no será menor que 1.33 veces la

longitud de desarrollo, Ld, ni que menor que:

No traslapar más del 50% del acero de refuerzo en una sección.

La sección contigua de traslape distará no más de 40 veces el diámetro de la barra (40 db).

De no cumplirse alguna de las condicionantes, deberán tomarse precauciones especiales tales como incrementar la longitud de traslape o utilizar hélices o estribos muy próximos.



Uniones soldadas o mecánicas

En una misma sección transversal no deben unirse con soldadura o dispositivos mecánicos más del 33% del refuerzo.

Las secciones de unión distarán entre sí no menos de 20 diámetros de la barras (20 db).

Cuando por motivos del procedimiento de construcción sea necesario unir más refuerzo del señalado, se admitirá hacerlo, con tal que se garantice una supervisión estricta en la ejecución de las uniones.



Uniones de barras a compresión

Si la unión se hace por traslape, la longitud traslapada no será menor que la longitud de desarrollo para barras a compresión, ni menor que:



Separación entre barras de refuerzo

La separación libre entre barras paralelas (excepto en columnas y entre capas de barras en vigas) no será menor que el diámetro nominal de la barra ni que 1.5 veces el tamaño máximo del agregado.

Cuando el refuerzo de vigas esté colocado en dos o más capas, la distancia vertical libre entre capas no será menor que el diámetro de las barras, ni que 20 mm.



Separación entre barras de refuerzo

En columnas, la distancia libre entre barras longitudinales no será menor que 1.5 veces el diámetro de la barra, 1.5 veces el tamaño máximo del agregado, ni que 40 mm.



Cómputo



Tablas de Refuerzo

adherencia y anclaje rfib

Engineering