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CONCRETO ARMADO I EMPALMES Y ANCLAJES DEL ACERO

ADHERENCIA ENTRE EL ACERO Y EL CONCRETO:

Para lograr el funcionamiento integrado del concreto con el acero es necesario que se generen fuerzas de adherencia en la superficie de contacto de los 2 materiales.

Figura 1: Fuerzas de adherencia entre el concreto y el acero.

Son las fuerzas de adherencia el mecanismo bsico de transferencia de las solicitaciones que actan desde el concreto hacia el acero de refuerzo, y desde el acero de refuerzo hacia el concreto.

EMPALMES DE VARILLAS DE ACERO:

Mientras el concreto, por su consistencia plstica en estado fresco, puede tener las dimensiones continuas que el diseo estructural requiera, las dimensiones longitudinales comerciales de las barras de acero pueden ser insuficientes para cubrir las necesidades de los elementos estructurales. En dichos casos ser necesario empalmar algunas varillas o algunos segmentos de varillas, colocados de manera continua, para asegurar el comportamiento de cada seccin de los elementos estructurales [ACI 12.14.2.2].

Figura 2: Discontinuidad y empalme por traslape.

La discontinuidad del acero de refuerzo puede atentar contra la capacidad resistente de la estructura, por lo que se requerira de algn mecanismo de transferencia de los esfuerzos de una varilla hacia la varilla de continuidad geomtrica. En caso de ser necesaria esa transferencia, se puede recurrir a varillas traslapadas, varillas soldadas o dispositivos mecnicos de continuidad.CONCRETO ARMADO I

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Figura 3: Empalme por soldadura y por unin mecnica.

El traslape de varillas es el mecanismo de empalme de mayor uso en nuestro medio. En principio las 2 varillas deben cruzarse una longitud apropiada para que el acero transmita esfuerzos al concreto por adherencia, y este ltimo los restituya a la otra varilla, sin acumular esfuerzos elevados de traccin en el hormign, pues estos ltimos provocaran una fisuracin extensa, con sus consecuencias indeseables.

Figura 4: Esfuerzos de adherencia por traslape.

La distancia transversal entre las varillas que conforman el traslape debe ser pequea para lograr el objetivo planteado. En el ACI [ACI 12.14.2.3] se establece que dicha separacin no debe superar un quinto de la longitud de traslape ni ser mayor a 15 cm.

Para la realizacin de uniones soldadas, por otra parte, se debe verificar que el tipo de acero constitutivo de las varillas admita este tipo de procesos (existen aceros que se vuelven frgiles luego de un proceso de soldado, y existen otros tipos de aceros cuyas caractersticas mecnicas no se ven afectadas con la soldadura), y se deber realizar un diseo y control de calidad de las soldaduras. Generalmente se utilizan pedazos del mismo dimetro de varilla que se sueldan, en el extremo coincidente de las 2 varillas para lograr la continuidad [ACI 12.14.3].

Figura 5: Soldadura de varillas.

Los empalmes soldados deben desarrollar al menos un 25% ms que el esfuerzo de fluencia de las barras y debern cumplir con las especificaciones del Structural Welding Code Reinforcing Steel [ANSI/AWS D1.4].Las uniones mecnicas de manguitos enroscables, por ltimo, son muy utilizadas en pases del primer mundo, pero prcticamente no se los emplea en nuestro pas por su costo elevado. Por tener rosca interior en los 2 extremos que deben unirse, requieren que las varillas a integrar sean roscadas en los extremos de unin, lo que se lo puede hacer en obra o se puede adquirir en fbrica [ACI 12.14.3].

Figura 6: Manguitos roscables y de agarre para unin mecnica de varillas.

ANCLAJES:

A partir del sitio en que la barra de acero alcanza su esfuerzo mximo, se debe desarrollar un mecanismo de anclaje en el concreto para asegurar su funcionamiento adecuado [ACI 12.1]. Las alternativas utilizadas son: Anclaje por desarrollo de la longitud de la varilla dentro del hormign. Ganchos de anclaje dentro del hormign en el extremo de la varilla Anclaje mecnico de la varilla a travs de dispositivos especiales.

Figura 7: Anclajes por longitud de desarrollo y por ganchos doblados.

Figura 8: Anclajes mecnicos.

Los cdigos permiten combinar tcnicamente varias de las alternativas de anclaje antes mencionadas.

El desarrollo del anclaje se requiere en las 2 direcciones, aunque generalmente el propio detallamiento del refuerzo ya impone el cumplimiento en la una direccin (en los dibujos anteriores, el anclaje en la direccin del centro de la viga para el acero superior se cumple automticamente).

LONGITUD DE DESARROLLO:

a.Definicin:

Es la longitud que se requiere embeber a una varilla de acero dentro del concreto, para alcanzar los esfuerzos especificados en el diseo (generalmente Fy).

b.Factores que Influyen en la Longitud de Desarrollo:

Los siguientes factores principales afectan directamente a la longitud de desarrollo de las varillas de acero en el hormign armado: Esfuerzo de Fluencia: Mientras mayor sea el esfuerzo de fluencia, se requerir proporcionalmente una mayor longitud de desarrollo. Seccin Transversal: Cuanto mayor sea la seccin transversal de la varilla, desarrollar una mayor fuerza, y se necesitar proporcionalmente una mayor longitud de desarrollo. Permetro de la Varilla: Mientras mayor sea el permetro de la varilla, existir una mayor superficie de hormign en la que se desarrolle adherencia, por lo que se requerir proporcionalidad inversa con la longitud de desarrollo. Resistencia del Hormign: Cuanto mayor sea la resistencia a traccin del hormign se podrn desarrollar esfuerzos ms altos de adherencia, por lo que existir proporcionalidad inversa con la longitud de desarrollo.

En consideracin a los criterios expuestos un primer tipo de frmula para el clculo de la longitud de desarrollo, que incluye todos los factores, sera:

Dnde:

Ld:longitud de desarrollo: coeficiente de proporcionalidadFy:esfuerzo de fluencia del aceroAb:rea de una varillaPb:permetro de la varillaft:resistencia a la traccin del hormign

Dado que la resistencia a la traccin del concreto es proporcional a la raz cuadrada de su resistencia a la compresin, se tendra la siguiente modificacin:

Por otro lado, mientras el rea es proporcional al cuadrado del dimetro de la varilla, elPermetro es proporcional al dimetro.

Que simplificado queda:

Dnde:

db:dimetro de la varilla

Los 2 tipos de ecuaciones generalmente gobiernan la descripcin de la longitud de desarrollo del acero en los cdigos de diseo.

c.Longitud de Desarrollo del Acero a Traccin:

La longitud bsica de desarrollo Ld para barras y alambres con resaltes, en traccin [ACI 12.2.1 y 12.2.2], debe calcularse con las siguientes expresiones, pero en ningn caso podr ser menor que 30 cm.

Dnde: Ld:longitud de desarrollo en cmAb:rea de una varilla en cm2db:dimetro de la varilla en cmFy:esfuerzo de fluencia en Kg/cm2fc:resistencia a la compresin del hormign en Kg/cm2

Tabla 1: Longitud de Desarrollo Bsica en Varillas a Traccin.Dimetro(cm)Fy(Kg/cm2)fc(Kg/cm2)Ld(cm)Criterio gobernante

0,80420021030Lmn

1,00420021030Lmn

1,20420021030Lmn

1,40420021035ecu. 5.2

1,60420021040ecu. 5.2

1,80420021047ecu. 5.1

2,00420021058ecu. 5.1

2,20420021070ecu. 5.1

2,50420021090ecu. 5.1

2,804200210113ecu. 5.1

3,204200210147ecu. 5.1

3,504200210176ecu. 5.1

4,404200210229ecu. 5.3

5,504200210321ecu. 5.4

La longitud bsica de desarrollo calculada previamente debe multiplicarse porlos siguientes factores [ACI 12.2.3], cuando sean pertinentes

Cuando el refuerzo de lecho superior se coloca de tal manera que existe al menos un espesor de 30 cm de concreto fresco recubrindolo por debajo: = 1.4 Cuando el refuerzo tiene un esfuerzo de fluencia Fy mayor que 4200 Kg/cm2: = 2 4200Fy

La longitud bsica de desarrollo afectada por los factores previos puede ser reducida, cuando sea pertinente, por los siguientes factores [ACI 12.2.4]: Cuando el refuerzo se ubica espaciado por lo menos 15 cm centro a centro y existen por lo menos 7 cm desde la cara del elemento estructural a la varilla externa, medido en la direccin del espaciamiento: = 0.8

Donde exista refuerzo en exceso con respecto al requerido en el diseo:

Cuando el refuerzo est confinado por armadura en espiral que tenga un dimetro no menor a 8 mm, y un paso no mayor a 10 cm: = 0.75

Una vez calculada la longitud de desarrollo, afectada por todos los factores previos, no puede ser menor que 30 cm [ACI 12.2.1], excepto en el clculo de traslapes clase A, B y C.

d.Longitud de Desarrollo del Acero a Compresin:

La longitud bsica de desarrollo Ld para barras corrugadas en compresin [ACI 12.3.1] debe calcularse como la mayor de las siguientes expresiones:

Tabla 2: Longitud de Desarrollo Bsica en Varillas a Compresin.Dimetro(cm)Fy(Kg/cm2)fc(Kg/cm2)Ld(cm)Criterio gobernante

0,80420021020Lmn

1,00420021023ecu. 5.6

1,20420021027ecu. 5.6

1,40420021032ecu. 5.6

1,60420021037ecu. 5.6

1,80420021041ecu. 5.6

2,00420021046ecu. 5.6

2,20420021050ecu. 5.6

2,50420021057ecu. 5.6

2,80420021064ecu. 5.6

3,20420021073ecu. 5.6

3,50420021080ecu. 5.6

4,404200210101ecu. 5.6

5,504200210126ecu. 5.6

La longitud bsica de desarrollo puede ser reducida por los siguientes factores[ACI 12.3.3]: Donde exista refuerzo en exceso con respecto al requerido en el diseo:

Cuando el refuerzo est confinado por armadura en espiral que tenga un dimetro no menor a 8 mm, y un paso no mayor a 10 cm: = 0.75

e.Longitud de Desarrollo en Paquetes de Varillas:

La longitud de desarrollo de cada varilla a traccin o compresin, dentro de un paquete de varillas, debe ser aumentada en un 20% para paquetes de tres varillas, y en un 33% para paquetes de cuatro varillas [ACI 12.4]. Sin embargo, cuando se trate de paquetes de varillas, los traslapos debern ser escalonados.

ESPECIFICACIONES PARA EMPALMES POR TRASLAPE:

a.Empalmes de Alambres y Varillas Corrugadas a Traccin:

El empalme por traslape mnimo a traccin deber cumplir con los requisitos de empalmes clases A, B o C, pero no puede tener una longitud menor a 30 cm [ACI 12.15.1].

Dnde:Le: longitud del empalme por traslapeLd: longitud de desarrollo a traccin afectada por todos los factores Los traslapes de alambres y varillas corrugadas sometidos a traccin deben cumplir con la siguiente tabla [ACI 12.15.2]:

Tabla 3: Traslapes a Traccin.

Porcentaje mximo de As empalmado dentro de la longitud de traslape requerida

50%75%100%

2Clase AClase AClase B

< 2Clase BClase CClase C

Los empalmes de traccin por traslape deben estar escalonados cada 60 cm de manera que desarrollen en cada seccin por lo menos 2 veces la fuerza de traccin calculada [ACI 12.15.4.1].

b.Empalmes de Alambres y Varillas Corrugadas a Compresin:

La longitud mnima de un empalme a compresin por traslape ser la longitud de desarrollo a compresin con sus respectivos factores [ACI 12.16.1].Para Fy mayor que 4200 Kg/cm2 la longitud de empalme por traslape no podr ser menor que las siguientes expresiones:

Dnde:Le: longitud del empalme por traslape en cmFy: esfuerzo de fluencia del acero en Kg/cm2db: dimetro de la varilla en cm

Cuando fc sea inferior a 210 Kg/cm2, la longitud del empalme por traslape debe incrementarse en un tercio.

c.Requisitos Especiales de Empalmes de Varillas Corrugadas para columnas: Cuando como producto de las cargas mayoritarias, el esfuerzo en las barras de acero es de compresin, los empalmes deben cumplir con los requisitos de empalmes a compresin, del literal previo [ACI 12.17.2.1].

Cuando como producto de las cargas mayoritarias, el esfuerzo en las barras de acero es de traccin, pero no excede de 0.5 Fy, los empalmes por traslape sern clase B si ms de la mitad de las barras se empalman en cualquier seccin, pero los empalmes podrn ser clase A si slo la mitad o menos de las barras se empalman en cualquier seccin. Los empalmes tomados alternadamente debern escalonarse al menos una distancia Ld [ACI 12.17.2.2].

Cuando el esfuerzo de traccin en las barras de acero traslapadas excede de 0.5 Fy, los empalmes por traslape deben ser clase B [ACI 12.17.2.3].

ESPECIFICACIONES PARA GANCHOS ESTNDARES O NORMALIZADOS:

Los ganchos solamente se considerarn efectivos en varillas de traccin [ACI 12.1].

De acuerdo a [ACI 7.1], la expresin gancho normalizado tiene uno de los siguientes significados: Doblez de 180 ms una extensin de 4db, pero no menos de 6 cm en el extremo libre de la varilla [ACI 7.1.1].

Figura 9: Dimensiones mnimas del gancho de 180

Doblez de 90 ms una extensin de 12db en el extremo libre de la varilla [ACI 7.1.2].

Figura 10: Dimensiones mnimas del doblez de 90. Para estribos [ACI 7.1.3]:

En varillas de 14 mm y menores, doblez de 90 ms una extensin de 6db en el extremo libre de la varilla, pero no menor de 6.5 cm.

Figura 11: Dimensiones mnimas del doblez de 90 en estribos de hasta 14 mm de dimetro.

En varillas de 16 mm a 25 mm, doblez de 90 ms una extensin de 12db en el extremo libre de la varilla.

Figura 12: Dimensiones mnimas del doblez de 90en estribos de 16 a 25 mm de dimetro.

En varillas de 25 mm y menores, doblez de 135 ms una extensin de 6db en el extremo libre de la varilla.

Figura 13: Dimensiones mnimas del doblez de 135en estribos de hasta 25 mm de dimetro.

El dimetro interior de doblez de estribos y anillos con dimetro entre 8 mm y 16mm no debe ser menor de 6db [ACI 7.2].

El dimetro de doblez de la cara interior de los estribos de ms de 16 mm, deber cumplir con la tabla 5.4.

Todas las otras varillas requeridas en las estructuras debern cumplir con las especificaciones de la tabla 4.

Tabla 4: Dimetros mnimos de doblado.Dimetro de la varillaDimetro mnimo de doblado

8 mm a 25 mm6db

28 mm a 32 mm8db

Mayor de 32 mm10db