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

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.

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 fs bajo cargas de servicio, y del recubrimiento libre cc de la armadura de flexión a partir de la superficie traccionada más próxima.

DISEÑO DE SECCIONES RECTANGULARES QUE SÓLO TIENEN ARMADURA DE TRACCIÓN (I)

En el diseño de secciones rectangulares que sólo tienen armadura de tracción (Fig. 7-1), las condiciones de equilibrio son las siguientes:

1. Equilibrio de fuerzas:

2. Equilibrio de momentos:

CONSIDERACIONES GENERALES – FLEXIÓN

Para el diseño o la investigación de los elementos solicitados a flexión (vigas y losas), la resistencia nominal de la sección transversal (Mn) se debe reducir aplicando el factor de resistencia a fin de obtener la resistencia de diseño (Mn) de la sección. La resistencia de diseño (Mn) debe ser mayor o igual que la resistencia requerida (Mu). También se deben satisfacer los requisitos de comportamiento en servicio para limitar las flechas (9.5) y distribución de la armadura para limitar la fisuración (10.6).

Los Ejemplos 7.1 a 7.7 ilustran la correcta aplicación de los diversos requisitos del código que gobiernan el diseño de los elementos solicitados a flexión. Antes de los ejemplos de diseño se describen procedimientos paso a paso para el diseño de secciones rectangulares que sólo tienen armadura de tracción, secciones rectangulares con múltiples capas de armadura, secciones rectangulares con armadura de compresión, y secciones con alas que sólo tienen armadura de tracción.

RESISTENCIA REQUERIDA (II)

Otras consideraciones referidas a las combinaciones de carga:

1. Si en el diseño se considera la resistencia a los efectos de impacto, éstos se deberán incluir con la sobrecarga (9.2.2).
2. Las estimaciones de los asentamientos diferenciales, la fluencia lenta, la contracción, la expansión del hormigón de contracción compensada, y los cambios por temperatura se deberán basar en una evaluación realista de la ocurrencia de estos efectos mientras la estructura está en servicio (9.2.3).
3. Para las estructuras ubicadas en zonas inundables, se deberán usar la carga de inundación y las combinaciones de cargas
de ASCE 7 (9.2.4).
4. Para el diseño de la zona de anclaje de los elementos postesados se deberá aplicar un factor de carga igual a 1,2 a la máxima fuerza del gato usado para tesar el acero (9.2.5).

Como se puede ver, las combinaciones de cargas son ahora más complejas que en las ediciones anteriores del código ACI. Para muchos elementos, las cargas a considerar son el preso propio, las sobrecargas, las cargas de viento y las cargas sísmicas. Una simplificación conservadora consiste en incluir la sobrecarga en las cubiertas Lr junto con la sobrecarga L, y aplicar en las ecuaciones el factor de carga más elevado correspondiente a L ó Lr. Cuando no se consideran las cargas F, H,
R, S y T, las siete ecuaciones se simplifican, obteniéndose las ecuaciones indicadas a continuación en la Tabla 5-1.

Si se consideran cargas gravitatorias (permanentes y sobrecargas), un diseñador que utiliza los coeficientes de momento del
código (coeficientes iguales para carga permanente y sobrecarga – 8.3.3) tiene tres opciones: (1) multiplicar las cargas por
los factores de carga correspondientes, sumarlas para obtener la carga total mayorada y luego calcular las fuerzas y momentos debidos a la carga total, (2) calcular los efectos de la carga permanente mayorada y la sobrecarga mayorada de forma separada y luego superponer ambos efectos, o bien (3) calcular los efectos de la carga permanente no mayorada y la sobrecarga no mayorada de forma separada, multiplicar los efectos por los factores de carga correspondientes y finalmente superponerlos. De acuerdo con el principio de superposición, con todos estos procedimientos se obtendrá el mismo resultado. Los diseñadores que realizan un análisis más detallado usando coeficientes diferentes para las cargas permanentes y para las sobrecargas no tienen la opción (1). Si se consideran tanto cargas gravitatorias como cargas laterales, es obvio que las solicitaciones (debidas a cargas mayoradas o no mayoradas) se deberán calcular por separado antes de poder realizar cualquier superposición.

Al determinar la resistencia requerida para las diferentes combinaciones de cargas se deben considerar adecuadamente los signos (positivo o negativo), ya que un determinado tipo de carga puede producir efectos que se suman o contrarrestan los
efectos de otro tipo de carga diferente. Aún cuando las Ec. (9-6) y (9-7) tienen un signo positivo delante de las cargas de viento (W) o la carga sísmica (E), estas combinaciones se deben usar cuando las fuerzas o efectos de las cargas sísmicas o de viento se oponen a las cargas permanentes. Cuando los efectos de las cargas gravitatorias y las cargas de viento (W) o sísmicas (E) son aditivas se deben usar las Ec. (9-4), (9-5) y (9-6).

Para determinar la combinación de diseño más crítica se deben considerar adecuadamente las diferentes combinaciones de cargas. Esto es particularmente importante cuando la resistencia depende de más de un efecto de carga, como en el caso de
la resistencia a flexión y carga axial combinadas o la resistencia al corte de elementos que soportan carga axial.

RESISTENCIA REQUERIDA (I)

Como ya se mencionó anteriormente, la resistencia requerida U se expresa en términos de cargas mayoradas, o de los momentos y fuerzas internas correspondientes. Las cargas mayoradas son las cargas de nivel de servicio especificadas en el código general de construcción, multiplicadas por los factores de carga apropiados indicados en 9.2. Es importante reconocer que las fuerzas sísmicas calculadas de acuerdo con las últimas ediciones de los códigos de construcción modelo vigentes en Estados Unidos son fuerzas de nivel de resistencia. Específicamente, las fuerzas sísmicas calculadas según las ediciones de 1993 y posteriores del BOCA National Building Code, las ediciones de 1994 y posteriores del Standard Building Code, y la edición 1997 del Uniform Building Code, son fuerzas de nivel de resistencia. Además, el International Building Code (IBC 2000) desarrollado por el International Code Council contiene requisitos sísmicos que corresponden a fuerzas de nivel de resistencia.

Este desarrollo ha aumentado la confusión existente dentro del ámbito de la ingeniería estructural, ya que al diseñar el hormigón se deben usar algunas combinaciones de cargas de ACI 318 y otras del código de construcción vigente. Para ayudarle al calculista a comprender las diferentes combinaciones de cargas y su correcta aplicación al diseño de elementos estructurales de hormigón gobernados por uno de estos códigos, la PCA recientemente publicó un nuevo documento. Este documento, Strength Design Load Combinations for Concrete Elements,5.3 contiene antecedentes sobre el uso de las
combinaciones de cargas mayoradas de ACI 318. Además, cita las combinaciones de cargas de la mayoría de los códigos modelo vigentes, incluyendo el IBC, que se deben usar para el diseño sísmico.

La Sección 9.2 prescribe factores de carga para combinaciones de cargas específicas. A continuación se listan estas combinaciones. El valor numérico del factor de carga asignado a cada tipo de carga depende del grado de precisión con la cual normalmente se pueden evaluar las cargas, la variabilidad de las cargas anticipada durante la vida de servicio de la estructura, y la probabilidad de ocurrencia simultánea de los diferentes tipos de cargas. Por lo tanto, debido a que generalmente se puede determinar con mayor precisión y tiende a ser menos variable, a la carga permanente se le asigna un factor de carga menor (1,2) que el asignado a la sobrecarga (1,6). También al peso y la presión de fluidos de densidades bien definidas y alturas máximas controlables se les asigna un factor de carga reducido igual a 1,2 ya que en este caso la probabilidad de exceso de carga es menor. Para las presiones laterales del suelo y las presiones del agua subterránea se requiere un factor de carga mayor (1,6), ya que su magnitud y recurrencia están sujetas a un elevado grado de incertidumbre. Observar que, aunque se incluyen la mayoría de las combinaciones de cargas más habituales, no se debe asumir que esta lista abarca todos los casos posibles. La Sección 9.2 contiene las siguientes combinaciones de cargas:

Observar que en las Ecuaciones (9-1) a (9-7) también se debe investigar el efecto de una o más cargas actuando simultáneamente.

Las excepciones a las combinaciones de cargas son las siguientes:

1. El factor de carga para L en las Ec. (9-3), (9-4) y (9-5) se podrá reducir a 0,5 excepto en el caso de garajes, zonas ocupadas por áreas destinadas a actividades públicas y todas aquellas áreas donde la sobrecarga L sea mayor que 100 lb/ft2.

2. Cuando la carga de viento W no ha sido reducida por un factor de direccionalidad, se permite utilizar 1,3W en lugar de
1,6W en las Ecuaciones (9-4) y (9-6). Observar que la ecuación para carga de viento en ASCE 7-98 e IBC 2000 incluyen
un factor de direccionalidad del viento que para los edificios es igual a 0,85. El factor de carga para viento en las ecuaciones de las combinaciones de cargas fue aumentado de manera consecuente (1,3/0,85 = 1,53 redondeado a 1,6). El código permite usar el factor de carga anterior de 1,3 si la carga de viento de diseño se obtiene de otras fuentes que no incluyen el factor de direccionalidad del viento.
3. Cuando la carga sísmica E se basa en fuerzas sísmicas de nivel de servicio, en las Ecuaciones (9-5) y (9-7) se deberá usar
1,4E en lugar de 1,0E.
4. En las Ecuaciones (9-6) y (9-7) el factor de carga para H se debe fijar igual a cero si la acción estructural debida a H contrarresta la acción debida a W o a E. Cuando la presión lateral del suelo contribuye a resistir las acciones estructurales debidas a otras fuerzas, no es necesario incluirla en H pero sí es necesario incluirla en la resistencia de diseño.

Requisitos de Comportamiento en Servicio

Los requisitos que permiten lograr una resistencia adecuada no necesariamente garantizan el comportamiento aceptable del elemento bajo niveles de carga de servicio.

No siempre es posible separar claramente los requisitos de resistencia de los requisitos de comportamiento en servicio. Para acciones diferentes de la flexión, la intención de los requisitos de detallado juntamente con los requisitos de resistencia es asegurar un comportamiento adecuado bajo cargas de servicio. Para las solicitaciones de flexión, hay requisitos especiales
de comportamiento en servicio relacionados con las flechas, distribución de la armadura, y tensiones admisibles en el caso del hormigón pretensado. Es particularmente importante considerar las fechas bajo cargas de servicio, en vista del uso generalizado de los materiales de alta resistencia y métodos de diseño menos conservadores que permiten obtener elementos
de hormigón armado cada vez más esbeltos.

Apéndice C

Los factores de carga y factores de reducción de la resistencia usados en el código de 1999 y anteriores ahora se han colocado en el Apéndice C. De acuerdo con 9.1.3, el uso del Apéndice C está permitido. Sin embargo, no está permitido combinar los factores de carga del Capítulo 9 con los factores de reducción de la resistencia del Apéndice C.