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Lo nuevo en ACI 318-19:Resistencia al Corte y Aceros de Alta Resistencia
Víctor Aguilar, Ph.D.
Fabián Alvear
2020
Índice Presentación• Diseño al corte
• Concepto• ACI 318 método tradicional y sus inconvenientes• ACI 318-19 y su desempeño
• Acero de alta resistencia• Ventajas y dudas• Nomenclatura y normativa• Datos experimentales• Comportamiento• Tendencias en el uso• Actualización normativa ACI 318-19• Ejemplos de aplicación
Mecanismos de Resistencia al Corte
A. Lepage, R. D. Lequesne (?)
Mecanismos de Resistencia al Corte
1. shear transfer through uncracked concrete
2. aggregate interlock along cracks
3. dowel action of longitudinal reinforcement
Resistencia al Corte (Elem. Sin estribos)
La resistencia disminuye a medida
que la sección transversal crece
Aguilar (2020)
ACI 318-14 One-Way Shear Vn
MKS esfuerzo en kgf/cm2
ACI 318 traditional
• Ecuaciones Empíricas.
• Muchas ecuaciones.
• Diseños no conservadores en caso de vigas de sección “alta”
d>30 in. (75cm).
• Diseños no conservadores en caso de vigas con “poco” refuerzo
longitudinal (rw<0.01).
Inconvenientes:
Vexp/Vpred > 1.0 Safe
Vexp/Vpred = 1.0 Perfect
Vexp/Vpred < 1.0 Unsafe
ACI 318-19 NUEVO
▪ Elementos CON estribos
▪ Un factor de corrección por tamaño de
la sección se incorpora a la ecuación
para elementos SIN estribos
▪ Resistencia al corte depende de la raíz
cúbica de rw
▪ Vd/M ya no aparece en la ecuación
▪ Elementos SIN estribos
MKS esfuerzo en kgf/cm2
Desempeño de Métodos ACI 318ACI 318-14Elementos SIN estribos:
ACI445 #784 tests
Vexp/Vpred > 1.0 Safe
Vexp/Vpred = 1.0 Perfect
Vexp/Vpred < 1.0 Unsafe
Desempeño de Métodos ACI 318Elementos SIN estribos: ACI 318-19
ACI445 #784 tests
Vexp/Vpred > 1.0 Safe
Vexp/Vpred = 1.0 Perfect
Vexp/Vpred < 1.0 Unsafe
ACI 318-14
Elementos CON estribos:
ACI 318-19
ACI445 #170 tests
Vexp/Vpred > 1.0 Safe
Vexp/Vpred = 1.0 Perfect
Vexp/Vpred < 1.0 Unsafe
Desempeño de Métodos ACI 318
Conclusiones I
• Contamos ahora con un método de diseño más robusto y más sencillo.
• En la Universidad San Sebastián estamos estudiando cuales son los efectos prácticos de la aplicación de este nuevo método de diseño.
• La comisión ACI 318E – Sectional strength adjudicó a Auburn University un proyecto para evaluar posibles modificaciones en el factor de reducción de resistencia (f).
Aceros de Alta Resistencia
• Disminuye la cantidad de acero necesaria:• Menor congestión de armaduras,• Facilita y acelera la construcción,• Menor huella de carbono,• Construcción sustentable.
• Menos tiempo de construcción:• Menos tiempo de exposición a accidentes, • Aumento de Seguridad en la Industria.
• Eventual uso de secciones de hormigón más pequeñas.
• Ahorro económico:• Uso más eficiente de los recursos,• Construcción Sustentable.
https://www.enr.com/articles/9755-pankow-foundation-charts-ambitious-research-goals-for-high-strength-rebar
Aceros de Alta Resistencia
• Ofrece menor ductilidad que el acero tradicional ¿cierto?
• El desempeño sísmico no está probado ¿o sí?
• Las normas nacionales no permiten usar acero de alta resistencia ¿seguro?
• Mucho más caro que el acero tradicional ¿verdad?
https://www.structuremag.org/?p=7818
Requerimientos de fabricación para barras de
acero de refuerzo
• NCh 204:
Barras Laminadas en Caliente para Hormigón Armado
• ASTM A615:
Deformed and Plain Carbon-Steel Bars for Concrete Reinforcement
• NCh 3334:
Barras Laminadas en Caliente Soldables para Hormigón Armado
• ASTM A706:
Deformed and Plain Low-Alloy Steel Bars for Concrete Reinforcement
Calidades de AceroNorma Nomenclatura min. Fu (MPa) min. Fy (MPa) *min. e f
A440-280H (A440H) 440 280 0,16
A630-420H (A630H) 630 420 0,08
A700-520H (A700H) 700 520 0,08
A730-550H (A730H) 730 550 0,08
Grade 40 420 280 0,11
Grade 60 550 420 0,07
Grade 80 690 550 0,06
Grade 100 790 690 0,06
NCh204
ASTM A615
Norma Nomenclatura min. Fu (MPa) min. Fy (MPa) *min. e f
NCh3334 A630-420HS (A630S) 630 420 0,08
Grade 60 550 420 0,10
Grade 80 690 550 0,10ASTM A706
Información estadísticaFabricación en USA 2010-2017
Mander and Matamoros (2019)CRSI, Steel Mill Property Database Years 2010-2017
Grado
ASTM ksi (MPa) Equivalencia m (MPa) V (%) m (MPa) V (%) m V (%) m V (%) Muestras
A615 40 (280) A440H 372 13 542 11 0,20 17 1,46 7 26578
A615 60 (420) A630H 494 10 723 5 0,13 15 1,48 9 482309
A615 75 (520) A700H 587 7 798 5 0,12 24 1,36 7 22777
A615 80 (550) A730H 616 6 832 5 0,12 17 1,35 8 1801
A615 100 (690) 742 4 954 4 0,10 22 1,29 3 171
A706 60 (420) A630S 481 5 653 4 0,16 14 1,36 4 68153
A706 80 (550) A730S 605 4 794 3 0,14 13 1,31 3 1398
Fy Fu e f Fu/Fy
• ACI ITG, 2010:
• Guía para diseño con acero Grado 100 (690 MPa),
• No aplica a diseño sísmico en SDC D,E,F.
• ACI 439.6R-19
Serviciabilidad
• ACI 318-14 y anteriores
Subestima la deformaciones en miembros con poco refuerzo
• ACI 318-19
Longitud de desarrollo
CRSI (2020)
2014 2014 2014
Comportamiento cíclico y ductilidad
Barcley & Kowalsky (2020)
Comportamiento cíclico y ductilidad
Ghannoum W. (2017)
Comportamiento cíclico y ductilidad
Huq et al. (2018)
Comportamiento cíclico y ductilidad
Huq et al. (2018)
Comportamiento cíclico y ductilidad
Huq et al. (2018)
Comportamiento cíclico y ductilidad
Huq et al. (2018)
Diseño SísmicoACI 318-11
Diseño sísmico
A440-280H A630-420H A700-520H A730-550H
mín 280 420 520 550
máx - 545 645 675
Fu mín 440 630 700 730
Fu/Fy mín 1,25 1,25 1,25 1,25
*e f mín 0,16 0,08 0,08 0,08
Parámetro
Fy
Mander and Matamoros (2019)
Cambios en normaACI 318-19
• Refuerzo transversal (corte y torsión) sigue limitado a acero Gr. 60 para cargas verticales.
CRSI (2020)
Diseño Sísmico
• Pandeo de Barras
Giamundo et al. (2014)
Ductilidad en flexiónmín. para vigas en ACI 318-14
0,004
ACI 318-19: Vigas se deben diseñar para falla controlada por tracción
Tendencias de uso de acero en USA
2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
GRADO 40 5,4 4,1 5,2 3,8 2,8 3,8 3,7
GRADO 60 91,7 93,3 91,7 90,7 92,5 91,7 91,2
GRADO 75 2,8 2,5 2,7 5 3,9 3,5 3,8
GRADO 80 0,1 0,2 0,4 0,5 0,7 1 1,3
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
PORCENTAJE (%
)
PRODUCCIÓN DE BARRAS DE REFUERZO EN USA
2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
GRADO 75 2,8 2,5 2,7 5 3,9 3,5 3,8
GRADO 80 0,1 0,2 0,4 0,5 0,7 1 1,3
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
PORCENTAJE (%
)
PRODUCCIÓN DE BARRAS DE REFUERZO DE ALTA RESISTENCIA EN USA
CRSI, Steel Mill Property Database Years 2010-2017
Tendencias de uso de acero en USA
2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
GRADO 40 5,4 4,1 5,2 3,8 2,8 3,8 3,7
GRADO 60 91,7 93,3 91,7 90,7 92,5 91,7 91,2
GRADO 75+80 2,9 2,7 3,1 5,5 4,6 4,5 5,1
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
PORCENTAJE (%
)
PRODUCCIÓN DE BARRAS DE REFUERZO EN USA
CRSI, Steel Mill Property Database Years 2010-2017
Tendencias de uso de acero en Chile
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
A440H
A630H
A630HS
ASTM A706 Gr. 80
A440H A630H A630HSASTM A706 Gr.
80
% Producción 3 88 6 3
PRODUCCIÓN DE ACERO EN CHILE (CAP 2020)
Jackson SchoolRoad Bridge (Oregon)
El tablero 25m x 85 m
• 66 tons de Acero Grado 60
• 55 tons de Acero Grado 80
• Reducción 17%
El acero Grado 80 es un 6% más caro
• $ 118,200 usando Grado 60 ($0,90/lb)
• $ 105,300 usando Grado 80 ($0,95/lb)
• Ahorro 11%
Shike ODOT
Hess Creek Br. 22002 (Oregon)
Pilotes pre-excavados D=2,4m L=30m
• 9,6 tons de Acero Grado 60
• 7,4 tons de Acero Grado 80
• Reducción 23%
Shike ODOT
Reposición Puente Negro N°2 - Ancud
A630H Precio Material P. U. Cantidad Total Diferencia
($/kg) ($/kg) (kg) (CLP $) (%)
Oferta 1 $600 $1.518 41.117 $62.415.606 -
Oferta 2 $600 $1.975 41.117 $81.206.075 -
Oferta 3 $600 $2.147 41.117 $88.278.199 -
A630S Precio Material P. U. Cantidad Total Diferencia
($/kg) ($/kg) (kg) (CLP $) (%)
Oferta 1 $630 $1.548 41.117 $63.649.116 2,0
Oferta 2 $630 $2.005 41.117 $82.439.585 1,5
Oferta 3 $630 $2.177 41.117 $89.511.709 1,4
A700S Precio Material P. U. Cantidad Total Diferencia
($/kg) ($/kg) (kg) (CLP $) (%)
Oferta 1 $660 $1.578 33.210 $52.405.380 -15,7
Oferta 2 $660 $2.035 33.210 $67.582.350 -16,5
Oferta 3 $660 $2.207 33.210 $73.294.470 -16,7
A730S Precio Material P. U. Cantidad Total Diferencia
($/kg) ($/kg) (kg) (CLP $) (%)
Oferta 1 $678 $1.596 31.398 $50.111.208 -23,5
Oferta 2 $678 $2.053 31.398 $64.460.094 -24,8
Oferta 3 $678 $2.225 31.398 $69.860.550 -25,1
Costos en Chile
Usando como referencia A630-420H
• A630-420HS : +5%
• A700-520H : +10%
• A730-550H : +13%
Conclusiones II
• Podemos aprovechar las ventajas que ofrece el acero de alta resistencia.• Investigación en el área,• Actualizaciones en normas,• Guías de diseño disponibles.
• Muchos avances en responder a las inquietudes iniciales: • Serviciabilidad,• Adherencia al hormigón, • Ductilidad y desempeño sísmico.
• Así como el A630 reemplazó al A440, eventualmente el A700 (o A730) terminará reemplazando al A630.
Referencias
ACI Committee 439 (2019) Guide for the Use of ASTM A1035/A1035M Type CS Grade 100 (690) Steel Bars for Structural Concrete (ACI 439.6R-19). American Concrete Institute, Farmington Hills, MI.
ACI Committee 318 (2011) Building code requirements for structural concrete (ACI 318-11). American Concrete Institute, Farmington Hills, MI.
ACI Committee 318 (2014) Building code requirements for structural concrete (ACI 318-14). American Concrete Institute, Farmington Hills, MI.
ACI Committee 318 (2019) Building code requirements for structural concrete (ACI 318-19). American Concrete Institute, Farmington Hills, MI.
Aguilar-Vidal, Victor. 2020. «Reliability of Shear-Critical Reinforced Concrete Members».
ASTM A615 (2020) Deformed and Plain Carbon-Steel Bars for Concrete Reinforcement
ASTM A706 (2020) Deformed and Plain Low-Alloy Steel Bars for Concrete Reinforcement
ATC 115, (2014), "Roadmap for the Use of High-Strength Reinforcement in Reinforced Concrete Design", Applied Technology Council, Redwood City, CA.
Barcley, Leo, y Mervyn Kowalsky. 2020. «Seismic Performance of Circular Concrete Columns Reinforced with High-Strength Steel». Journal of Structural Engineering 146 (2): 04019198. https://doi.org/10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0002452.
CRSI (2020) Guide to the Use of Grade 80 Reinforcing Bars in ACI 318-19. ETN-D-7-20 Technical Note.
Ghannoum W. (2017) Advances in High Strength Reinforcing Bar Research in the U.S. University of Texas at San Antonio
Giamundo, V., Lignola, G. P., Prota, A., & Manfredi, G. (2014). Analytical evaluation of FRP wrapping effectiveness in restraining reinforcement bar buckling. Journal of StructuralEngineering, 140(7), 04014043.
Huq et al. (2018) High-Strength Steel Bars in Earthquake-Resistant T-Shaped Concrete Walls. Research Report, The University of Kansas Center for Research, Inc.
ITG, ACI. 2010. «8R-10». Report on Performance-Based Requirements for Concrete, 50.
Mander, Thomas J., y Adolfo B. Matamoros. 2019. «Constitutive Modeling and Overstrength Factors for Reinforcing Steel». ACI Structural Journal 116 (3). https://doi.org/10.14359/51713320.
Moehle, Jack P. 2019. «Key Changes in the 2019 Edition of the ACI Building Code (ACI 318-19)». Concrete International, 7.
NCh 204 (2020) Barras Laminadas en Caliente para Hormigón Armado
NCh 3334 (2014) Barras Laminadas en Caliente Soldables para Hormigón Armado
NEHRP Consultants Joint Venture. 2014. «Use of High-Strength Reinforcement in Earthquake-Resistant Concrete Structures». NIST GCR 14-917-30. Gaithersburg, MD: National Institute of Standards and Technology. https://doi.org/10.6028/NIST.GCR.14-917-30.
Lepage & Lequesne (?) High-Strength Steel in Structural Concrete: From Research to Building Codes
Shike C. (?) Use of Grade 80 Reinforcement in Oregon. Oregon Department of Transportation
Trejo, David, André R. Barbosa, y Tim Link. 2014. «Seismic performance of circular reinforced concrete bridge columns constructed with grade 80 reinforcement.» Pacific Northwest Transportation Consortium.
2020
Victor Aguilar Vidal, Ph.D.Profesor AsistenteFacultad de Ingeniería y TecnologíaUniversidad San Sebastián
E-mail: [email protected] Las Tres PascualasLientur 1457, Concepción, Chilewww.uss.cl