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Apuntes sobre el hormigón armado
Autores: Ruperto Martínez Cuesta,
Juan Carlos Arroyo Portero y R. Martínez Palazón
Edición 22/04/2009
www.areadecalculo.com
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Objetivo de estos apuntes............................................................................................... 4
Materiales de construcción ............................................................................................ 6
El hormigón..................................................................................................................... 6
Módulo de deformación longitudinal ........................................................................... 8
Coeficciente de Poisson................................................................................................ 8
Resistencia a tracción ................................................................................................... 8
La instrucción EHE........................................................................................................ 9
Estados límite .................................................................................................................. 9
Estados límite últimos (ELU) ..................................................................................... 10
Estados límite de servicio (ELS) ................................................................................ 10
Acciones ......................................................................................................................... 12
Valor característico de una acción.............................................................................. 12
Valores representativos de una acción........................................................................ 13
Valor de cálculo de una acción................................................................................... 15
Combinación de acciones ............................................................................................. 17
Para Estados Límite Últimos ...................................................................................... 17
Ejemplo....................................................................................................................... 18
Para Estados Límite de Servicio................................................................................. 18
Ejemplo....................................................................................................................... 19
Coeficientes para la resistencia de los materiales ..................................................... 19
Prólogo: DIMENSIONAMIENTO ............................................................................. 22
Flexión ........................................................................................................................... 22
Hipótesis ..................................................................................................................... 24
Leyes de los materiales............................................................................................... 25
Hormigón................................................................................................................ 26
Acero ...................................................................................................................... 27
3
Diagrama de pivotes ................................................................................................... 28
Flexión simple ............................................................................................................ 30
Dimensionamiento a flexión simple ....................................................................... 30
Flexión simple: resumen de las fórmulas ................................................................... 33
Flexión compuesta: resumen de las fórmulas............................................................. 34
Cortante......................................................................................................................... 37
Sección de comprobación (EHE) ............................................................................... 39
Calculo según la EHE-08 ........................................................................................... 39
Vu1 Resistencia de la bielas......................................................................................... 39
Vu2 SIN armadura de cortante en regiones no fisuradas............................................. 40
Vu2 SIN ARMADURA DE CORTANTE en regiones fIsuradas a flexión ................ 40
Vu2 CON ARMADURA DE CORTANTE en regiones fIsuradas a flexión .............. 41
Colocación de las armaduras tranversales (EHE)....................................................... 42
Fisuración...................................................................................................................... 45
Teoría relativa al cálculo de la abertura de fisura....................................................... 45
Formulación de la EHE .............................................................................................. 49
Limitaciones normativas de la abertura de fisura....................................................... 51
Longitudes de anclaje................................................................................................... 53
Cuantía Geométrica mínima ....................................................................................... 54
Según el artículo 42.3.5 de la EHE 2008.................................................................... 54
Otros Elementos ......................................................................................................... 55
Recubrimientos ............................................................................................................. 56
Fisuras máximas ........................................................................................................... 56
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OBJETIVO DE ESTOS APUNTES
Basados en la instrucción española EHE, estos apuntes resumen el funcionamiento del
hormigón dentro de las estructuras. Tratan las situaciones más habituales debiendo
consultar las instrucciones correspondientes para completar la información.
Para cualquier consulta sobre el contenido, puede dirigirse a: [email protected]
En www.areadecalculo.com existen una serie de ayudas desarrolladas por un equipo de
ingenieros en colaboración con el autor de estos apuntes para el cálculo de elementos de
hormigón.
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Apuntes sobre el hormigón armado Parte I
El hormigón
La instrucción EHE
Los estados límite
Autores: Ruperto Martínez Cuesta y Juan Carlos Arroyo Portero
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MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Los materiales principales utilizados en la construcción de estructuras son el acero
estructural y el hormigón (armado o pretensado). Pueden utilizarse como materiales
predominantes en la estructura o pueden usarse conjuntamente (construcción mixta).
Cada uno tiene sus ventajas e inconvenientes que se pueden resumir así:
• El hormigón resiste el fuego y la humedad mejor que el acero.
• El hormigón no resiste la tracción, el acero si.
• El hormigón tiene antes el límite de rotura. No es apropiado para edificaciones
de gran altura.
Acero Límite elástico
(fyk) N/mm2
B-400 S(de armar) 400
B-500 S(de armar) 500
A-52 (estructural) 355
Tipo de
hormigón HA-25 HA-30 HA-35 HA-40 HA-45 HA-50
Resistencia
característica
(fck) N/mm2
25 30 35 40 45 50
El hormigón es un material frágil, mientras que el acero es dúctil. Según el diccionario
de la Real Academia Española:
frágil: (Del lat. fragĭlis). adj. Quebradizo, y que con facilidad se hace pedazos.
dúctil: (Del lat. ductĭlis). adj. Dicho de un metal: Que admite grandes
deformaciones mecánicas en frío sin llegar a romperse.
En el caso del hormigón, dúctil hace referencia a la poca deformación que adquiere el
hormigón antes de la ruptura (¡poca pero no nula!).
A la hora de elegir es importante el aspecto socio-económico: precio de la mano de
obra, cercanía de los suministradores, etc.
EL HORMIGÓN
Hormigón (piedra artificial) = cemento + áridos (grava y arena) + fraguado.
Para su correcta ejecución hay que realizar adecuadamente las labores de encofrado,
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compactación, vibrado, curado y realizar juntas donde sea necesario.
A partir de las acciones sobre los elementos de hormigón podemos empezar a calcular o
dimensionar.
Para acciones que producen tracciones será indispensable utilizar armadura dentro del
hormigón.
Tipos de hormigón según la armadura:
hormigón en masa: sin armadura resistente,
hormigón armado: con armadura pasiva resistente,
hormigón pretensado: con armadura activa y pasiva resistente.
Para vigas, pilares y losas, entre otros elementos, se usan barras corrugadas de
diámetros tipificados: Diámetro mm 6 8 10 12 16 20 25 32 40 mm
Área cm2 0.28 0.50 0.79 1.13 2.01 3.14 4.91 8.04 12.57 cm2
0.79 1.29 1.92 3.14 5.15 8.05 12.95Suma de los dos diámetros anteriores
Podemos comprobar que la suma del área de los dos diámetros anteriores es similar al
área de cada diámetro. El diámetro 14, si bien aparece en la instrucción, no se utiliza.
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MÓDULO DE DEFORMACIÓN LONGITUDINAL
Para los cálculos de estructuras en los que intervienen
elementos de hormigón, como vigas, pilares y/o losas, es
imprescindible aplicar un módulo de que relacione la
deformación del elemento según las cargas aplicadas.
Por el comportamiento del hormigón, este dato en la
realidad no es constante como se puede deducir de la
figura.
ε
σ
Diagrama tensión-
deformación
Podemos aproximarnos mediante las fórmulas de la EHE cuyos resultados se detallan
en la tabla y que se basan en las fórmulas
,
Resistenciacaracterísticaa los 28 días
Resistencia mediadel hormigón a los
28 días
Pendiente enel origen Secante
fck (N/mm2) fcmj (N/mm2) E0j (N/mm2) Ej (N/mm2)25 33 32.1E+3 27.3E+330 38 33.6E+3 28.6E+335 43 35.0E+3 29.8E+340 48 36.3E+3 30.9E+345 53 37.6E+3 31.9E+350 58 38.7E+3 32.9E+3
En la práctica, los valores utilizados por defecto en programas de cálculo o en ejemplos
en publicaciones técnicas son:
N/mm2 kN/m2
20.0E+03 20.0E+0625.0E+03 25.0E+06
Módulo de deformación del hormigón, E,
comunmente utilizados
COEFICCIENTE DE POISSON
Este coeficiente relaciona la deformación longitudinal y la deformación transversal. En
el hormigón (y en general, en las rocas no alteradas), es siempre 0.2.
RESISTENCIA A TRACCIÓN
Como se ha indicado al principio del capítulo, la resistencia a tracción del hormigón es
muy pequeña en comparación con la resistencia a compresión. La fórmula que da la
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EHE es:
H-25 H-30 H-35 H-40 H-45 H-50
fck 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0
fctm 2.6 2.9 3.2 3.5 3.8 4.1% 10.3 9.7 9.2 8.8 8.4 8.1
LA INSTRUCCIÓN EHE
La EHE es la instrucción que rige en España. Hay otras para otros países como las que
han salido de la escuela EEUU (ACI, ASCE) y las de la escuela europea (Eurocódigo y
CEB, ahora FIB).
Los Capítulos de la EHE son, a grandes rasgos:
• Seguridad (Estados Límites)
• Clasificación y combinación de acciones
• Conceptos de análisis estructural
• Propiedades de los materiales
• Durabilidad
• Cálculos relativos a los Estados Límite Últimos (ELU, “ULS”)
• Cálculos relativos a los Estados Límite de Servicio (ELS,”SLS”)
• Ejecución
• Control
ESTADOS LÍMITE
Las estructuras deben cumplir, entre otros, los requisitos de Estabilidad, Resistencia,
Funcionalidad y Durabilidad. El procedimiento utilizado para garantizar que se cumplen
estos requisitos con una adecuada fiabilidad o, dicho de otro modo, con una
probabilidad suficientemente pequeña, es el Método de los Estados Límite.
Si la estructura supera alguno de los Estados Límite se puede considerar que esta ya no
cumple las funciones para las que ha sido proyectada.
Dicho método diferencia los Estados Límite Últimos y los Estados Límite de Servicio
agrupando la resistencia y la estabilidad como Últimos y los funcionales como de
Servicio. Los relacionados con la durabilidad, de momento, se tratan de forma aparte.
Así,los Estados Límite Últimos están relacionados con la rotura y los de Servicio con la
utilización.
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ESTADOS LÍMITE ÚLTIMOS (ELU)
Para el cálculo de secciones se utilizan los esfuerzos de cálculo que serán ponderados.
es decir, su valor característico será multiplicado por un factor.
La estructura debe cumplir la condición:
Rd > Sd
que significa que la Resistencia (R), convenientemente ponderada (Rd) debe ser mayor
que el efecto de la acción (S) siendo (Sd) la acción ponderada.
Se utiliza el sufijo “d” para indicar que son los esfuerzos ponderados o de cálculo.
ESTADOS LÍMITE DE SERVICIO (ELS)
La estructura debe cumplir la condición:
Cd > Ed
que significa que el valor admisible del Estado Límite de Servicio a comprobar (Cd),
debe ser mayor que el efecto de la acción (Ed).
E.L.U Nivel de estudio DescripciónRotura (*) Sección Por exceso de cortante, flexión, torsión, etc.
Pandeo Parte o toda la estructura
Equilibrio Estructura completa Vuelco, deslizamiento, etc.
Fatiga Sección Rotura por la acción de cargas repetidas
E.L.S. Nivel de estudio DescripciónFisuración (*) Sección Excesiva abertura de fisuras
Deformaciones Parte o toda la estructura Excesivas flechas o giros
Vibraciones Parte o toda la estructura Producción excesiva de algún tipo de vibraciones
Estados Límite Últimos
Estados Límite de Servicio
(*) Comprobaciones más comunes en estructuras de hormigón disponibles en www.areadecalculo.com
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Apuntes sobre el hormigón armado Parte II
Acciones
Combinaciones
Autores: Ruperto Martínez Cuesta y Juan Carlos Arroyo Portero
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ACCIONES
Las acciones que intervienen en una estructura pueden tener diferentes orígenes y
diferentes formas de aparición (variables o constantes, en el tiempo o en el espacio) En
función de esta diversidad caben diferentes clasificaciones. Las más importantes son:
Por su origen Descrición Ejemplos
Directas Se aplican sobre la estructura
Indirectas Tienen su origen en la propia estructura Retracción,variaciones de temperatura,...
Por su variaciónen el tiempo Descrición Ejemplos
Permanentes Permanecen en la estructura todo el tiempo de vida Peso propio (dead loads)
Variables Pueden estar, o no, aplicadas en la estructura Sobrecarga de uso (live loads)
Estas dos clasificaciones, sobretodo la segunda (cargas permanentes y cargas variables),
son importantes por que se utilizan para diferenciar coeficientes de ponderación en
función del tipo de carga.
La norma y este Curso no hacen mención del valor de las acciones de las estructuras
aunque sí se comentarán las diferentes formas de combinar acciones para obtener
valores ponderados Sd de los efectos de las acciones.
Las acciones en las estructuras tienen un tratamiento estadístico. Las acciones no son
una variable determinista, con un valor concreto y medible sino que son una variable
estadística con un rango de valores que puede llegar a oscilar mucho.
VALOR CARACTERÍSTICO DE UNA ACCIÓN
Un determinado tipo de acción se considera como una “población”. Por ejemplo, la
carga de uso de un edificio de viviendas se puede considerar como una población que,
en determinados momentos será pequeña, en otros momentos tendrá un valor normal y
en otros un valor grande. Si se asume que la población tiene una distribución de
probabilidades similar a una distribución de Gauss (distribución normal), dicha
población tendrá:
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Valor característico
(o característico superior)
Ak
tiene una pequeña probabilidad de aparición, o dicho de otro modo, con un 95% de probabilidad de que la carga sea menor y, por tanto, un 5% por ciento de probabilidad de que la carga sea mayor.
Valor medio Am
tiene la máxima probabilidad de aparición, o dicho de otro modo, con un 50% de probabilidad de que la carga sea menor y, por tanto, un 50% por ciento de probabilidad de que la carga sea mayor
Valor característico inferior Ak,inf
tiene una pequeña probabilidad de aparición, o dicho de otro modo, con un 5% de probabilidad de que la carga sea menor y, por tanto, un 95% por ciento de probabilidad de que la carga sea mayor
El valor utilizado en la teoría de estructuras es, casi siempre, el valor característico Ak,
es decir, aquél que tiene una probabilidad de ser excedido del 5%. Es lógico utilizar un
valor que en la realidad casi nunca es excedido.
Probabilidad de laaparición de la acción A
Am
50%50%AmAm, inf
5% 5%
Valor de la acción A
VALORES REPRESENTATIVOS DE UNA ACCIÓN
En ciertas comprobaciones, sobretodo las relativas a Estados Límite de Servicio como la
fisuración, las normas no exigen que se cumplan las máximas limitaciones para la carga
total (permanentes +variables) sino que se entiende que es suficiente que se garanticen
para una cierta fracción de la carga (perm. + ΨxVariables).
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Estos coeficientes Ψ, menores que la unidad, se aplican a las cargas variables ya que las
permanentes, por su propia definición, siempre están con su valor máximo.
Así, cada carga variable tiene:
Valor característico Ak
tiene una pequeña probabilidad de aparición, o dicho de otro modo, con un 95% de probabilidad de que la carga sea menor y, por tanto, un 5% por ciento de probabilidad de que la carga sea mayor.
Valor de combinación Y0Ak
es el que se utiliza para cuando, además de esa carga, existen otras de distinto origen (por ejemplo uso y viento). Este valor es menor que el característico.
Valor frecuente Y1Akes el valor que es “frecuente” encontrarlo en la estructura. Este valor es menor que el de combinación.
Valor cuasipermanente Y2Ak
es el valor cuasipermanente de la acción, o sea la fracción de esa carga que está de forma cuasipermanente en la estructura. Este valor es menor que el frecuente.
Las palabras “frecuente” y “cuasipermanente” están asociadas al lenguaje estadístico y,
los coeficientes Ψi tienen valores diferentes para cada carga. Por ejemplo, el valor
cuasipermanente de la sobrecarga de libros de una biblioteca será mayor que el valor
cuasipermanente de la sobrecarga de uso de una vivienda.
Los coeficientes Ψ deben venir definidos en las normas de acciones y las normas de
materiales deberán exigir en qué comprobaciones se exigen qué tipos de cargas. Así, la
EHE exige que se compruebe la fisuración para la combinación cuasipermanente de
acciones.
La norma española de acciones no define los diferentes valores representativos de sus
acciones, exclusivamente ofrece valores característicos. Por lo tanto, cuando se quieren
aplicar este tipo de disminuciones de acciones hay que acudir a normativas europeas,
por ejemplo, el Eurocódigo.
Para el caso de edificación, tal y como se verá en el siguiente apartado, la EHE propone
unos valores que permiten tener en cuenta los valores de combinación.
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VALOR DE CÁLCULO DE UNA ACCIÓN
Para el análisis y dimensionamiento de estructuras, las acciones deben estar
convenientemente ponderadas. Además de utilizar el valor característico (valor no
superado el 95% de las ocasiones) que es ya un valor alto de la acción que se considere,
éste se debe ponderar por un coeficiente de ponderación de acciones. Es decir, la
estrategia de seguridad que se sigue es, por un lado probabilística, al tener en cuenta la
distribución estadística de la población acción; y por otro lado, tiene un tratamiento
determinista, incluyendo un coeficiente de ponderación, que es un número. Esta mezcla
de dos conceptos, determinista y probabilista, dan nombre al método de seguridad
seguido que es el método semiprobabilista.
El valor de cálculo de una acción Ad es el resultado de multiplicar su valor característico
por el coeficiente de ponderación de acciones γF. es decir
Ad = γF Ak
O, si se quiere incorporar el coeficiente Ψ que corresponda en cada caso,
Ad = γF Ψ Ak
Probabilidad de laaparición de la acción A
Ak
Valor de la acción A
Ad
Mayoración
γ ·Ak
Los coeficientes de ponderación de acciones, técnicamente llamados coeficientes
parciales de seguridad de las acciones, dependen del tipo de acción. Los coeficientes de
ponderación de acciones son los siguientes:
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(EHE 2008)
PermanentesG
VariablesQ
Peso propio VientoCarga muerta Sobre carga de uso
PermanentesG
VariablesQ
Peso propio VientoCarga muerta Sobre carga de uso
Mayoración de las acciones en ELU
gG
gG
Efecto desfavorable
Efecto favorable
1 0
gQ
gQ
(independiente del nivel de ejecución)
(independiente del nivel de ejecución)
(independiente del nivel de ejecución)
(independiente del nivel de ejecución)
1.35 1.5
Favorable Desfavorable
Permanentes G
Peso propioCarga muerta
Variables Q
VientoSobre carga
AccidentalesSismo 1 1
gQ
gA
0 1
Mayoración de las accionesSituación sísmica
Efecto
1 1
gG
NOTAS:
• Hay más tipos de acciones (pretensado, accidentales, fluencia,...) con otros
coeficientes de ponderación, pero los tabulados son los más utilizados en
edificación.
• Estos coeficientes son para la evaluación de los Estados Límite Últimos. Para
Estados Límite de Servicio estos coeficientes son 1,0 para todas las cargas de
efecto desfavorable.
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COMBINACIÓN DE ACCIONES
Las acciones se combinan para obtener los efectos más desfavorables en la estructura.
Las combinaciones se forman con todas las cargas posibles existentes en la estructura,
fundamentalmente permanentes y sobrecargas.
Sin entrar en la formulación matemática general de todos los tipos de combinaciones, se
plantean aquí las más comunes que son utilizadas en edificación.
PARA ESTADOS LÍMITE ÚLTIMOS
La letra G denomina a las acciones permanentes y la letra Q a las acciones variables.
Las combinaciones a realizar para la evaluación de Estados Límite Últimos son:
A) Con una sola acción variable
S (gG * Gk) + (gQ * Qk)
B) Con dos o más acciones variables
S (gG * Gk) + 0.9 * S (gQ * Qk)
C) Situaciones sísmicas con una acción variable
S (gG * Gk) + gA * Asismo + 0.8 * S (gQ * Qk)
En el caso de dos o más acciones variables, por ejemplo, con sobrecarga de uso y
viento, hay que tener en cuenta que en la estructura puede haber o sólo sobrecarga de
uso o solo viento. Así, las combinaciones que hay que utilizar son:
1) Con sobrecarga de uso
S (gG * Gk) + gQ * SC.uso
2) Con viento
S (gG * Gk) + gQ * Viento
3) Con viento y sobrecarga de uso
S (gG * Gk) + 0.9 * (gQ Viento + gQ SC.uso)
En el caso de que haya sismo, además de, por ejemplo, dos diferentes sobrecargas, las
tres situaciones propuestas, 1, 2, 3, dan lugar a cuatro combinaciones, las tres anteriores
más la de tipo C, de sismo.
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EJEMPLO
Si tenemos una estructura sobre la que pueden actuar el viento y la sobrecarga de uso,
establecer las combinaciones posibles.
1.35 x Peso propio + 1.5 x Viento1.35 x Peso propio + 1.5 x SC.uso
(*) 1.35 x Peso propio + 1.35 x (SC.uso + Viento) (1.35=0.9*1.5)
1.00 x Peso propio + 1.5 x Viento1.00 x Peso propio + 1.5 x SC.uso
(*) 1.00 x Peso propio + 1.35 x (SC.uso + Viento) (1.35=0.9*1.5)
1.35 x Peso propio + 1.5 x SC.uso
1.00 x Peso propio + 1.5 x SC.uso
1.35 x Peso propio + 1.5 x Viento
1.00 x Peso propio + 1.5 x Viento
1.00 x Peso propio
(*) Para el armado de vigas y pilares, combinaciones dominantes en general.
Peso propio desfavorable, SC.uso favorable
Peso propio favorable, SC.uso favorable
Todas favorables
Todas las cargas son desfavorables
Peso propio favorable, resto desfavorable
Peso propio desfavorable, Viento favorable
Peso propio favorable, viento favorable
PARA ESTADOS LÍMITE DE SERVICIO
Las posibles combinaciones a realizar para la evaluación de los Estados Límite de
Servicio son:
a) Combinación poco probable
S Gk + Qk
S Gk + 0.9 * S Qk
2) Combinación cuasipermanenteS Gk + 0.6 * Qk
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La combinación poco probable (también llamada combinación característica) se aplica a
la comprobación del ELS de deformaciones.
La combinación cuasipermanente se aplica a la comprobación del ELS de fisuración
para estructuras de hormigón armado.
EJEMPLO
Si tenemos una estructura sobre la que pueden actuar el viento y la sobrecarga de uso,
establecer las combinaciones posibles para ELS.
1.0 x Peso propio + 1 x Viento1.0 x Peso propio + 1 x SC.uso1.0 x Peso propio + 0.9 x (SC.uso + Viento)
1.0 x Peso propio + 0.6 x Viento1.0 x Peso propio + 0.6 x SC.uso
Combinación poco probable
Combinación cuasipermanente
COEFICIENTES PARA LA RESISTENCIA DE LOS MATERIALES
Para la utilización de los materiales en el proyecto de estructuras se realiza, también, un
tratamiento estadístico y una posterior corrección mediante un coeficiente de seguridad,
que en este caso es de minoración. Es decir, se sigue el tratamiento semiprobabilista.
La resistencia de los materiales estructurales es una población estadística que tendrá,
por tanto, un valor medio, y dos valores característicos, uno superior y otro inferior.
El significado de la palabra “característico” es la misma que en el caso de acciones, es
decir, es aquél valor que deja un 5% de probabilidad a un lado de la curva. En el caso de
materiales, evidentemente, se utilizará el valor característico que garantiza un 95% de
probabilidad de que la resistencia sea mayor.
Al contrario que en las acciones que se escogía el valor característico superior, en
materiales se opera con el valor característico inferior.
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20
Probabilidad de laaparición de la resistencia R
Resitencia , R del material M
Rmedia
5% 95%
RK
A partir del valor característico de la resistencia Rk, se obtiene el valor de cálculo de la
resistencia Rd, mediante la expresión:
Rd = Rk / γM
Los coeficientes γM de los materiales son:
Persistente o transitoria Accidental
HORMIGÓN gc = 1,5 gc = 1,3
ACERO DE ARMAR gs = 1,15 gs = 1,00
Acción
Tipo de hormigón HA-25 HA-30 HA-35 HA-40 HA-45 HA-50
Resistencia característica (fck) 25 30 35 40 45 50
Resistencia decálculo (fcd) 16.7 20.0 23.3 26.7 30.0 33.3
N/mm2
21
Apuntes sobre el hormigón armado
Parte III
Flexión
Autores: Ruperto Martínez Cuesta y Juan Carlos Arroyo Portero
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22
PRÓLOGO: DIMENSIONAMIENTO
En el cálculo de las estructuras de hormigón intervienen varios procesos. En capítulos
anteriores se ha visto como combinar las acciones, cuales son las resistencias
características de los materiales a considerar, la instrucción a utilizar, etc. En
asignaturas como resistencia de materiales y cálculo de estructuras se enseña a obtener
los esfuerzos sobre una estructura a partir de las acciones.
Lo que trataremos en este capítulo es como dimensionar las secciones a partir de los
esfuerzos obtenidos. El dimensionamiento consiste generalmente en obtener la
armadura suficiente para las secciones críticas de manera que estas resistan cumpliendo
la normativa todas las acciones a las que se verá sometida. Es importante recordar que:
• para dimensionar una sección es necesario tener en cuenta todas las hipótesis y
seleccionar la armadura que hace que la sección resista en todas las hipótesis
(envolvente),
• si la armadura obtenida es excesiva para la sección de hormigón (diámetros muy
grandes, pequeña separación entre barras), habrá que considerar aumentar dicha
sección y volver a calcular la armadura.
Otra forma complementaria de calcular una sección es la comprobación: a partir de una
sección ya dimensionada, se estudia para diferentes hipótesis si esa sección es
suficiente.
Las acciones principales para dimensionar una sección de hormigón son las de flexión y
cortante. En los casos que sea necesario habrá que tener en cuenta también el
punzonamiento y (raramente) la torsión. En algunas secciones también habrá que
considerar el esfuerzo rasante (secciones en T, por ejemplo).
Es importante recordar en este punto que para concluir el dimensionamiento hay que
comprobar además:
• armaduras mínimas,
• longitudes de anclaje,
• si es el caso, fisuración, deformaciones y ELS en general.
FLEXIÓN
El cálculo a flexión es uno de los principales en las secciones de hormigón. Podemos
decir que siempre habrá esfuerzos a flexión en una estructura. Si estos esfuerzos son
únicamente momentos flectores, estaremos en flexión simple. Esto sucede en las vigas
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23
biapoyadas, por ejemplo.
Si los momentos van acompañados de esfuerzos axiles estaremos en flexión compuesta,
cosa que sucede en los pilares de una estructura, por ejemplo.
Obtenidos los esfuerzos finales (con las acciones debidamente ponderadas) en las
secciones críticas, y a partir de unas dimensiones de la sección dadas, podemos aplicar
las fórmulas que nos darán el área de acero necesaria.
A partir de las dimensiones y la armadura podremos realizar la comprobación con el
diagrama de momentos / axiles en el que podremos situar los diferentes estados de carga
y comprobar si están “dentro” de la zona de seguridad. Por ejemplo:
Las cruces muestran diferentes combinaciones axil / momento.
A continuación se van a tratar una serie de consideraciones teóricas para después
resumir las fórmulas prácticas que nos permitirán dimensionar a flexión una sección
rectangular.
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24
HIPÓTESIS
Las hipótesis necesarias para calcular una sección sometida a tensiones normales
provocadas por un esfuerzo de flexión y axil son:
• Evidentemente la sección debe estar en equilibrio, es decir, las tensiones
provocadas por los esfuerzos deben equilibrar a dichos esfuerzos.
M M
N NZi
Esfuerzos Tensiones
N = Ssi Ai
M = Ssi Ai Zi
• La rebanada, que tiene ambas caras planas antes del esfuerzo, después del
esfuerzo las sigue conservando planas.
M M
N
Plano Plano
Este hecho físico significa que la ley de deformaciones de las fibras de la
rebanada es lineal.
M M
N
DEFORMACIONES
línea recta
• Existe adherencia perfecta entre el acero y el hormigón. Esto quiere decir que la
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25
deformación del acero es idéntica a la del hormigón adyacente.
M M
Nεs = εc
εs = εcN
O, lo que es lo mismo, la ley de deformaciones de la rebanada es la misma para
el acero que para el hormigón de la sección.
LEYES DE LOS MATERIALES
Los materiales que componen la sección de hormigón estructural son el hormigón y el
acero.
Para resolver un problema de tensiones normales es preciso conocer cómo se comportan
dichos materiales ante este tipo de solicitación. Es decir: ¿Cómo y cuanto responden
ante una tensión normal (perpendicular al plano de la sección)?
nn
e
Sección unitaria (1)
e - Δe Dicho de otro modo, cuánto se deforma ante una tensión o qué tensión adquiere ante
una deformación.
Esta relación entre tensión y deformación se cuantifica mediante un gráfico (s, e)
denominado ecuación constitutiva del material.
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ε
σ
MATERIAL ELÁSTICO o LINEAL
ε
σ
MATERIAL ELÁSTICO/PLÁSTICO
ZONA ELÁSTICA
ZONA PLÁSTICA
Los materiales reales suelen tener un complicado comportamiento, o sea, que su
ecuación constitutiva real es compleja y de difícil formulación.
La técnica utiliza simplificaciones de la curva real cuyos resultados sean
suficientemente aproximados. Las curvas (ecuaciones constitutivas) que se proponen
son las más comúnmente utilizadas en hormigón estructural y son, lógicamente,
simplificaciones de las curvas reales.
Hormigón
La ecuación constitutiva real es de la forma
ε
σ
La ecuación constitutiva simplificada que se utilizará en adelante es la denominada
“rectangular” o “plástica”.
0,85·f cd
0,2·ε máx ε máx ≤ 3,5 o/oo
ε
σ
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Esta ecuación se puede describir de otra forma, más comprensiva
DEFORMACIONES
εmáx
0,2·εmáx
0,2·x
x
0,85·fed
0,8·x
0,2·x
Acero
La ecuación constitutiva real es de la forma
ε
σ
La ecuación constitutiva simplificada que se utilizará es:
ε
σ
Es
f yd
10 o/oo
(10·10-3)
εy
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DIAGRAMA DE PIVOTES
Antes de proseguir es conveniente recordar que
los materiales elásticos puros (lineales, no plásticos) alcanzan su rotura cuando alcanzan
su máxima tensión, es decir, se puede asegurar que su rotura se produce cuando su
tensión (s) se hace igual a su resistencia (f). En cambio, un material plástico puede
tener una tensión igual a su resistencia y no haber roto.
Por ejemplo, los puntos 1, 2 ó 3 de la ecuación constitutiva del acero no son de rotura y,
sin embargo, su tensión es la máxima. La rotura del acero se alcanzará en el punto A,
cuando se deforme una cantidad del 1%.
ε
σ
10 o/oo
1 2 3 A
Por este hecho, la rotura de una sección, que se alcanzará cuando uno de sus materiales
rompe, se localizará en las deformaciones, no en las tensiones.
Si en la sección (rebanada) se dibujan, a la altura de cada material, las deformaciones
máximas que admiten, A, B, C, entonces, los posibles planos de agotamiento (rotura)
serán los que pasen por A, por B ó por C.
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REBANADA
10 o/oo 2 o/oo
3,5 o/oo
B
A
C
dx
Así pues, los planos de rotura serán todos aquellos que pasen por un pivote.
De la EHE:
• Dominio 1: Tracción simple o compuesta en donde toda la sección está en tracción. Las rectas de
deformación giran alrededor del punto A correspondiente a un alargamiento del acero más
traccionado del 10 por 1000.
• Dominio 2: Flexión simple o compuesta en donde el hormigón no alcanza la deformación de
rotura por flexión. Las rectas de deformación giran alrededor del punto A.
• Dominio 3: Flexión simple o compuesta en donde las rectas de deformación giran alrededor del
punto B correspondiente a la deformación de rotura por flexión del hormigón ecu= 3,5 por 1.000.
El alargamiento de la armadura más traccionada está comprendido entre el 10 por 1.000 y ey,
siendo ey, el alargamiento correspondiente al límite elástico del acero.
• Dominio 4: Flexión simple o compuesta en donde las rectas de deformación giran alrededor del
punto B. El alargamiento de la armadura más traccionada está comprendido entre ey, y 0.
• Dominio 4a: Flexión compuesta en donde todas las armaduras están comprimidas y existe una
pequeña zona de hormigón en tracción. Las rectas de deformación giran alrededor del punto B.
• Dominio 5: Compresión simple o compuesta en donde ambos materiales trabajan a compresión.
Las rectas de deformación giran alrededor del punto C definido por la recta correspondiente a la
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30
deformación de rotura del hormigón por compresión, ecu = 2 por 1.000.
FLEXIÓN SIMPLE
De todos los planos posibles que agotan una sección, sólo algunos de ellos pueden ser
de flexión simple. Concretamente aquellos que tengan una parte de la sección en
tracción y otra parte en compresión. Visto de otra forma, pueden ser planos de flexión
simple todos aquellos cuya fibra neutra esté dentro de la sección.
DEFORMACIONES
1 2
3
A
B
ab
• Zona a: planos que pivotan en A, desde el plano 1 al 2. Estos planos de
agotamiento indican que la sección rompe por el acero.
• Zona b: planos que pivotan en B, desde el plano 2 al 3. Estos planos de
agotamiento indican que la sección rompe por el hormigón.
Dimensionamiento a flexión simple
Para dimensionar una sección a flexión simple se debe buscar el plano de agotamiento,
que se conocerá si se conoce la posición de la fibra neutra, x.
La otra incógnita del problema es la cantidad de armadura de tracción, As.
Las dos incógnitas (x, As) se obtienen mediante la utilización de las ecuaciones de
equilibrio de axiles y momentos.
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hd
x 0,8·x
0,85·fcd
fyd T
C
0,4·x
d - 0,4·x
DEFORMACIONES TENSIONES FUERZAS
A
Equilibrio de axiles:
C = T
C = 0.85·fcd·0.8·x·b
T = As·fyd
=> 0.85·fcd·b·0.8·x = As·fyd => As·fyd = 0.68·fcd·b·x (1)
Equilibrio de momentos:
C·(d·0.4·x) = Md => 0.85·fcd·b·0.8·x·(d - 0.9·x) = Md (2)
Resolviendo estas dos ecuaciones con las dos incógnitas x y As, se obtiene:
As = 0.68 fcd ·b·x/fyd
En este razonamiento se ha supuesto que la tensión del acero es fyd y, por tanto, la fibra
neutra no puede ser inferior a xlim.
A
B
εy Si x es mayor que xlim, la formulación obtenida no es válida. Además, si x> xlim, la
tensión del acero es menor a su máxima tensión y el acero no se aprovecharía con su
máxima capacidad.
Para evitar esto, para x> xlim, es decir, para Md>Mlim, se busca otra solución de armado
que garantice que el acero en tracción trabaja a su tensión máxima. En estos casos, la
estrategia de dimensionamiento pretende conseguir que el plano de agotamiento se,
justamente, el plano límite. Para ello se procede de la siguiente forma:
• Se dimensiona una parte del Md, concretamente Mlim, mediante armadura de
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tracción, tal y como se ha descrito mediante el procedimiento anterior.
• El resto, hasta Md, es decir un momento de valor Md-Mlim, se resiste mediante
armadura simétrica en ambas caras, de compresión y tracción.
+ =
As para Mlím para Md - Mlím para Md
A's
A's
A's
As + A's
El Momento límite, Mlim, es
3,5o/oo
εy
x
0,85·fcd
0,8·xL
fyd
DEFORMACIONES TENSIONES
para Acero B-500xL = 0,617·dMlím = 0,85·fcd·b·0,8·xL·(d - 0,4·xL) Mlím = 0,316·frd·b·d2
para Acero B-400Mlím = 0,333·fcd·b·d2
Para garantizar, por razones de durabilidad, una deformación mínima del acero, se
puede limitar la profundidad de la fibra neutra a x = 0,45d. En este caso, el momento a
partir del cual se dispone armadura de compresión es M = 0,252fcdbd2
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33
FLEXIÓN SIMPLE: RESUMEN DE LAS FÓRMULAS
A partir de la teoría expuesta y siguiendo las recomendaciones del libro "Hormigón
Armado" de P. Montoya, A. García Meseguer y F. Morán”, se exponen las fórmulas a
aplicar para el dimensionamiento de una sección rectangular a flexión simple.
El sentido del momento Md y las variables de partida son los representados en las
figuras.
(Si el momento está en el sentido opuesto, “dp” pasa a estar en la parte inferior de la
sección y “d” va de la fibra inferior a la armadura superior).
Los pasos a seguir para el dimensionamiento son:
1. Calcular el momento límite con la fórmula:
Mmin 0.252 b⋅ d2⋅ fcd⋅:=
2. Si el momento de cálculo es menor que el momento mínimo no es necesaria la
armadura de comprimida. Para obtener la armadura a tracción utilizamos las
ecuaciones de equilibrio para obtener “y” y después, el área de armadura
necesaria:
y d 1 1Md
0.425 b⋅ d2⋅ fcd⋅
−−⎛⎜⎜⎝
⎞⎟⎟⎠
⋅:=
=>
Atrac 0.85 b⋅ y⋅
fcdfyd
⋅:=
3. Si el momento de cálculo es mayor que el momento mínimo,
la armadura comprimida es: y la armadura traccionada es:
AcompMd Mmin−
d dp−1
fyd⋅:=
Atrac
0.306 b⋅ d⋅ fcd⋅
fydAcomp+:=
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FLEXIÓN COMPUESTA: RESUMEN DE LAS FÓRMULAS
La teoría para estudiar la flexión compuesta es similar a la vista en los apartados
anteriores. En este curso solo consideraremos los principios ya vistos y un resumen de
las fórmulas que nos permitirán dimensionar las secciones rectangulares sometidas a
flexión compuesta.
A partir de la teoría expuesta y siguiendo las recomendaciones del libro "Hormigón
Armado" de P. Montoya, A. García Meseguer y F. Morán”, se exponen las fórmulas a
aplicar para el dimensionamiento de una sección rectangular a flexión compuesta.
El sentido del momento Md y las variables de partida son los representados en las
figuras:
Notaciones:
μNd excen⋅
b d2⋅ fcd⋅
:=
ν
Ndb d⋅ fcd⋅
:=
δpdpd
:=
Si excen > d:
Si m < 0.252:
ω μ1 1.245 μ⋅−
0.983 1.687 μ⋅−⋅ ν−:=
ωp 0.:=
Atrac ω b⋅ d⋅fcdfyd
⋅:= Acomp=0
Si m > 0.252:
ωpμ 0.252−
1 δp−:=
ω ωp 0.31+ ν−:=
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Atrac ω b⋅ d⋅fcdfyd
⋅:=
Acomp ωp b⋅ d⋅fcdfyd
⋅:=
Si excen < d:
Este es un caso poco común en el caso de vigas y pilares ya que cuando hay
momentos y axiles la excentricidad no suele ser tan pequeña. Si puede ser una
caso habitual en el cálculo de secciones de túneles donde puede llegarse a una
excentricidad casi cero.
Una solución es forzar a que la excentricidad sea ligeramente superior a “d” y
emplear las fórmulas anteriores.
Otras soluciones pasan por utilizar armaduras simétricas. Para su cálculo se
pueden utilizar los diagramas de interacción que figuran en diferentes
publicaciones o comprobar la sección a partir del diagrama momento-axil.
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Apuntes sobre el hormigón armado
Parte IV
Cortante
Autores: Ruperto Martínez Cuesta y Juan Carlos Arroyo Portero
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CORTANTE
Cuando el material de la estructura es isótropo y lineal, el comportamiento a cortante de
la sección transversal es sencillo de formular ya que la distribución de tensiones
tangenciales viene dada por la fórmula y la gráfica siguientes:
V
V
τ
V·S
I ·b τ =
Esta es, una ley parabólica de tensiones tangenciales cuyo valor es cero en los extremos
y máximo en el centro de gravedad de la sección transversal.
Esto se complica cuando el comportamiento del material no es lineal y se complica más
cuando la sección está compuesta por varios materiales diferentes y, además, cada
sección transversal es diferente.
En el caso del hormigón armado la sección transversal tiene acero y hormigón y,
además, cada 10,15 ó 20 cm existe un cerco (estribo) que se dispone para resistir el
cortante.
Por ello, el estudio de los efectos del cortante en elementos de hormigón armado no
puede realizarse sección a sección sino que se tiene que tener en cuenta el elemento
completo ó al menos una parte.
La teoría más utilizada para explicar el comportamiento de un elemento de hormigón
armado es la analogía de la celosía, ya enunciada por Mörsch y Ritter a principios del
siglo XX.
Esta analogía consiste en establecer un mecanismo resistente como el de la figura.
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38
En la cercha se aprecian varios elementos.
Los que resisten la flexión:
• El cordón comprimido (superior).
• El cordón traccionado (inferior).
El mecanismo resistente a cortante:
• Las “bielas” inclinadas comprimidas.
• Los “tirantes” verticales (o inclinadas según se dispongan los cercos)
traccionados.
Bielas de compresión oblicua Vu1
hormigón Vcu
Tirantes de tracción trasversal Vu2
acero (cercos) Vsu
+
hormigón
La formulación de la EHE, y otras muchas, limita la resistencia de ambos elementos,
bielas y tirantes.
Esfuerzo cortante ≤ Resistencia de las bielas (Vd ≤ Vu1)
Esfuerzo cortante ≤ Resistencia de los tirantes (Vd ≤ Vu2)
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La denominación de “bielas” y “tirantes” recuerda que esta analogía es la base de la
moderna teoría de cálculo de las “BIELAS Y TIRANTES” que es una generalización de
esta analogía para cualquier tipo de elemento estructural.
En muchas normativas, la resistencia de los tirantes tiene en cuenta tanto el acero de los
cercos como el hormigón que resiste por una serie de mecanismos (pasador, arco, etc.)
una parte de la tracción del tirante. Las expresiones de dichas resistencias son diferentes
en las distintas normativas.
SECCIÓN DE COMPROBACIÓN (EHE)
La comprobación del agotamiento por compresión oblicua en el alma Vrd ≤ Vu1, se
realizaría en el borde del apoyo y no en su eje.
La comprobación correspondiente al agotamiento por tracción en el alma Vrd ≤ Vu2 se
efectúa para una sección situada a una distancia de un canto útil del borde del apoyo
directo.
CALCULO SEGÚN LA EHE-08
A continuación se describe el cálculo según la EHE-08. La mayor parte del texto es
copia de la propia EHE-08 por lo que recomendamos ir a la fuente original.
VU1 RESISTENCIA DE LA BIELAS
En la EHE, la resistencia de las bielas se obtiene mediante la fórmula:
donde:
f1cd = Resistencia a compresión del hormigón
= 0,60 fcd para fck ≤ 60 N/mm2 = (0,90 − fck/200) fcd ≥ 0,50 fcd para fck > 60 N/mm2
b0 = Anchura neta mínima del elemento, igual al ancho de la sección en
secciones rectangulares.
K = Coeficiente de reducción por efecto del esfuerzo axil
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40
(cambia en la EHE-08)
donde:
σ'cd = Tensión axil efectiva en la sección (tracción positiva)
(cambia en la EHE-08)
Nd = Esfuerzo axil de cálculo (tracción positiva) incluyendo el
pretensado con su valor de cálculo
Ac = Área total de la sección de hormigón
As’ = Área total de armadura comprimida En compresión compuesta
puede suponerse que toda la armadura está sometida a la tensión fyd.
α = Ángulo de las armaduras con el eje de la pieza.
θ = Ángulo entre las bielas de compresión de hormigón y el eje de la
pieza. Se adoptará un valor que cumpla: 0,5 ≤ cotgθ ≤ 2,0
VU2 SIN ARMADURA DE CORTANTE EN REGIONES NO FISURADAS
Nuevo a partir de la EHE-08, ver artículo 44.2.3.2.1.1.
VU2 SIN ARMADURA DE CORTANTE EN REGIONES FISURADAS A
FLEXIÓN
Con un valor mínimo de
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41
fcv = resistencia efectiva del hormigón a cortante en N/mm2 de valor fcv= fck con
fcv no mayor que 15 N/mm2 en el caso de control reducido del hormigón. fck=
Resistencia a compresión del hormigón en N/mm2 .no mayor que 60 N/mm2.
ξ 1200dmm
+:= menor que 2.0
dmm = d en milímetros.
d = canto útil de la sección.
σ’cd = Tensión axial media en el alma de la sección (compresión positiva).
Nd = Axil de cálculo incluyendo la fuerza de pretensado existente en la sección
en estudio. En el caso de piezas con armaduras pretesas se podrá considerar una
variación lineal de la fuerza de pretensado desde el extremo de la pieza hasta una
distancia igual a 1,2 veces la longitud de transferencia, lbpt (ver 44.2.3.2.1.1
EHE-08).
En apoyos interiores de estructuras continuas con armadura activa pasante, no
se considerará la contribución del axil de pretensado en el cálculo de Nd.
ρ1 = cuantía geométrica de la armadura longitudinal traccionada, pasiva y activa
adherente, anclada a una distancia igual o mayor que d a partir de la sección de
estudio.
VU2 CON ARMADURA DE CORTANTE EN REGIONES FISURADAS A
FLEXIÓN
En la EHE, la resistencia de los tirantes CON ARMADURA DE CORTANTE se
obtiene mediante la fórmula:
Vu2 = Vcu + Vsu
Siendo:
Vsu = Contribución de la armadura transversal de alma a la resistencia a esfuerzo
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cortante,
Vsu = z senα(cotgα + cotg θ ) Σ Αα fyα,d
donde:
Aα = Área por unidad de longitud de cada grupo de armaduras que forman un
ángulo α con la directriz de la pieza
fyα,d = min (fyk, 400 N/mm2) Esta tensión se limita a 400 N/mm2 para minimizar
la fisuración por cortante del elemento.
z = Brazo mecánico. A falta de cálculos más precisos puede adoptarse el valor
aproximado z = 0,9d.
Vcu = Contribución del hormigón a la resistencia a esfuerzo cortante.
fcv = resistencia efectiva del hormigón a cortante en N/mm2 de valor fcv= fck con
fcv no mayor que 15 N/mm2 en el caso de control reducido del hormigón.
fck= Resistencia a compresión del hormigón en N/mm2. Se adoptaran valores de
fck de hasta 100 N/mm2.
b0 = Anchura neta mínima del elemento, igual al ancho de la sección en
secciones rectangulares.
COLOCACIÓN DE LAS ARMADURAS TRANVERSALES (EHE)
La separación st, entre armaduras transversales deberá cumplir las condiciones
siguientes para asegurar un adecuado confinamiento del hormigón sometido a
compresión oblicua.
st 0,80 d 300 mm si Vrd ≤ 1/5Vu1
st 0,60 d 300 mm si 1/5 Vu1< Vrd 2/3Vu1
st 0,30 d 200 mm si Vrd > 2/3 Vu1
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A partir de la EHE-08
st 0,75 d (1 + cotg α ) 600 mm si Vrd ≤ 1/5Vu1
st 0,60 d (1 + cotg α ) 450 mm si 1/5 Vu1< Vrd 2/3Vu1
st 0,30 d 300 mm si Vrd > 2/3 Vu1
44
Apuntes sobre el hormigón armado
Parte V
Fisuración
Autores: Ruperto Martínez Cuesta y Juan Carlos Arroyo Portero
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45
FISURACIÓN
El hormigón tiene muy poca resistencia a la tracción. En las zonas traccionadas del
elemento, el que trabaja es el acero. Así, el acero debe elongarse mucho más de lo que
el hormigón que lo circunda y por ello se rompe provocando lo que se conoce como
“fisura”.
Las fisuras en las secciones de hormigón armado a flexión pueden considerarse
normales, ya que son la prueba de que el acero dispuesto está trabajando
adecuadamente.
Ahora bien, aunque las fisuras deben existir para demostrar el buen comportamiento y
dimensionamiento del elemento, éstas deben ser suficientemente pequeñas por varios
motivos, fundamentalmente por estética y durabilidad.
TEORÍA RELATIVA AL CÁLCULO DE LA ABERTURA DE FISURA
El cálculo de la abertura de fisura es el producto de una deformación media por la
separación entre fisuras. En este apartado se pretende explicar este producto y el
significado y la formulación de ambas variables.
Para ello se parte de un tirante (elemento a tracción) suficientemente fisurado, con n
fisuras y de longitud l.
N N
Las leyes de deformaciones de los materiales a lo largo del tirante son:
Ley de deformaciones del acero
N N
εs,II
l
εs,I
Se observa que, entre fisuras, la deformación del acero (y su tensión) es menor ya que el
hormigón contribuye a resistir el esfuerzo N. En cambio, en la fisura, donde el
hormigón no existe, la deformación del acero (y su tensión) debe ser mayor ya que sólo
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46
el acero resiste el esfuerzo N.
Ley de deformaciones del hormigón
εs,I = εc,I
N N
εs,II
l Se observa que en la fisura, ya que el hormigón está roto (no existe), la deformación es
nula. En cambio, entre fisuras, el hormigón es capaz de colaborar con el acero en la
resistencia, llegando a tener una deformación máxima igual a la deformación del acero
(por compatibilidad de deformaciones en zonas donde la adherencia perfecta y no se ha
degradado por el efecto local de la fisura).
Si se quisiese calcular la elongación total del tirante, debería hacerse a partir del
material que existe a lo largo de todo el tirante, es decir, con la ley de deformaciones del
acero. El hormigón no puede utilizarse para esta cuenta porque en las fisuras no existe.
Recordemos, además, que la elongación de un tirante se calcula mediante el área de la
ley de deformaciones. Así, en este caso, la elongación es el área rayada de la figura.
El hormigón no ha podido elongarse en toda esa cantidad por que en las fisuras se ha
roto. El hormigón solo ha podido elongarse la cantidad que indica el área de su ley de
deformaciones (ΔLc), que es menor que la elongación del acero.
El tirante se ha alargado una cantidad ΔL. El hormigón solo ha sido capaz de
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47
deformarse una cantidad ΔLc. Por tanto, la diferencia entre la elongación del tirante
(igual a la del acero) y la elongación del hormigón (área de la figura siguiente) se ha
convertido en fisuras, en n fisuras.
Con este razonamiento se puede formular:
n w = ΔLs-ΔLc, , ó lo que es lo mismo,
w = (ΔLs-ΔLc)/n
Por otro lado, la separación de fisuras s, es:
s = L/n
Finalmente se puede escribir:
w = s (ΔLs-ΔLc)/L ,ó también,
w = s (εs-εc)
Si se llama εsrm= (εs-εc) que es la deformación relativa media del acero respecto del
hormigón, queda la expresión normativa
w = s εsrm
El comportamiento del tirante, visto de forma gráfica es el siguiente:
N
ΔL
εsAs
(εs r m)
Es·AsNε = disminución de la
deformaciónporque el hormigón colabora entre fisuras("tension stiffening")
comportamientodel tirante si sólohubiese acero(estado II)
comportamiento del tirante si no se fisura(estado I)
comportamiento real (εs r m)
Se observa que la deformación real del tirante se puede calcular restando a la
deformación del tirante si tuviese solo acero (N/EsAs) una cantidad, llamada “tension
stiffening” que es la colaboración del hormigón, es decir que el hormigón trabajando a
tracción entre fisuras impide que el acero se deforme todo lo que libremente (sin
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48
hormigón) haría. Formulando genéricamente esta deformación se tiene:
εsrm = εs – “T.S”
La cuantificación de la colaboración del hormigón se puede hacer de varias formas
según las diversas teorías, desde una suposición de linealidad hasta una suposición de
variación cuadrática. Sea cual sea la hipótesis de comportamiento del T.S., las
formulaciones normativas se parecen mucho.
Variación lineal Variación cuadrática
La expresión de la separación entre fisuras tiene una raíz fundamentalmente
experimental, relacionando ésta con el recubrimiento (c), con la separación entre barras
(s) y con las áreas de hormigón que rodean la armadura (Ac,ef) y el área de armadura
(As).
La expresión de la deformación se alinea con una variación cuadrática del T.S. y la hace
depender de la tensión en la armadura en estado II en el momento preciso de producirse
la fisuración (σsr) (es decir, para el esfuerzo de fisuración, Mfis) con la tensión, también
en estado II, pero en el momento en el que se está calculando la fisura (σs) (es decir,
para el esfuerzo de cálculo de la fisura que es el momento de la combinación
cuasipermanente de acciones).
Gráficamente, las tensiones se calculan en los puntos 1 y 2 del gráfico: N
ΔL
1
2
Esfuerzo de las cargas cuasipermanente
Esfuerzo de fisuración
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49
FORMULACIÓN DE LA EHE
La abertura característica de fisura se calculará mediante la siguiente expresión:
Wk =β sm εsm
donde:
β = Coeficiente que relaciona la abertura media de fisura con el valor
característico y vale 1,3 para fisuración producida por acciones indirectas
solamente y 1,7 para el resto de los casos.
sm = Separación media de fisuras, expresada en mm.
εsm = Alargamiento medio de las armaduras, teniendo en cuenta la colaboración
del hormigón entre fisuras.
c = Recubrimiento de hormigón.
s = Distancia entre barras longitudinales. Si s>15 se tomará s=15 .
En el caso de vigas armadas con n barras, se tomará s=b/n siendo b el ancho de
la viga.
k1 = Coeficiente que representa la influencia del diagrama de tracciones en la
sección, de valor genérico donde ε1, y ε2 son las deformaciones
máxima y mínima calculadas en sección fisurada, en los límites de la zona
traccionada. En la figura inferior se dan valores concretos.
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50
φ = Diámetro de la barra traccionada más gruesa o diámetro equivalente en el caso de grupo de barras.
Ac, eficaz = Área de hormigón de la zona de recubrimiento, en donde las barras a tracción influyen de forma efectiva en la abertura de las fisuras (ver figura).
As = Sección total de las armaduras situadas en el área Ac, eficaz
σs = Tensión de servicio de la armadura pasiva en la hipótesis de sección
fisurada.
Es = Módulo de deformación longitudinal del acero.
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51
k2 = Coeficiente de valor 1,0 para los casos de carga instantánea no repetida y
0,5 para los restantes.
σsr = Tensión de la armadura en la sección fisurada en el instante en que se
fisura el hormigón, lo cual se supone que ocurre cuando la tensión de tracción en
la fibra más traccionada de hormigón alcanza el valor fct, m.
LIMITACIONES NORMATIVAS DE LA ABERTURA DE FISURA
Las normas obligan a controlar la abertura de las fisuras a valores que rondan las pocas
décimas de milímetro. Concretamente, la EHE, en función del ambiente en el que está el
elemento estructural, lo limita a valores que oscilan entre una y cuatro décimas de
milímetro.
En el capítulo de Tablas se incluyen las fisuras máximas admisibles según la EHE-08:
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53
LONGITUDES DE ANCLAJE
Patilla, gancho y gancho en U
La longitud neta de anclaje se define como: lb,neta = lbb(As/As,real) Siempre será igual o menor que la longitud básica (ver artículo 66 de EHE)
Tipo de anclaje
Prolongación recta
TABLA 66.5.2.b Valores de b
Barra transversal
soldada
Compresión
1
1
0,7
Tracción
1
0,7(*)
0,7
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54
CUANTÍA GEOMÉTRICA MÍNIMA
Estas cuantías sirven para limitar la fisuración producidas por temperatura y retracción.
SEGÚN EL ARTÍCULO 42.3.5 DE LA EHE 2008
B 400 S B 500 S
4.0 4.0
Cuantía mínima de toda la armadura longitudinal. Mínimo 6 barras en secciones circulares ó 4 en rectangulares.
2.0 1.8
Cuantía mínima de cada una de las armaduras, longitudinal y transversal repartida en las dos caras.
1.0 0.9
Cuantía mínima de cada una de las armaduras, longitudinal y transversal repartida en la cara inferior.
3.3 2.8
Cuantía mínima correspondiente a la cara de tracción. Se recomienda disponer en la cara opuesta una armadura mínima igual al 30% de la consignada.
4.0 3.2
deberá repartirse en ambas caras. Para muros vistos por ambas caras debe disponerse el 50% en cada cara. Para muros vistos por una sola cara podrán disponerse hasta 2/3 de la armadura total en la cara vista. En el caso en que se dispongan juntas verticales de contracción a distancias
1.2 0.9
La cuantía mínima vertical es la correspondiente a la cara de tracción. Se recomienda disponer en la cara opuesta una armadura mínima igual al 30% de la consignada.
Figuras
Muros armadurahorizontal
Muros armaduravertical
NotasTipo de acero
Pilares
Losas(no cimentación)
Vigas
Elemento estructural
Losas de cimentación y
zapatas
Cara detracción
Para más detalle, consultar la EHE-08.
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55
OTROS ELEMENTOS
La EHE no hace referencia a otros elementos estructurales como los indicados a
continuación.
PILOTES Se pueden tratar como los pilares
PANTALLAS Pueden tratarse como muros de obra.
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56
RECUBRIMIENTOS
El recubrimiento es “El recubrimiento de hormigón es la distancia entre la superficie
exterior de la armadura (incluyendo cercos y estribos) y la superficie del hormigón más
cercana.” según el artículo 37.2.4 de la EHE-08 donde se detallan más de 40 tipos de
recubrimientos atendiendo al tipo de exposición y el tipo de cementos.
FISURAS MÁXIMAS
wmáx en mm
Clase de exposición según el artículo 8
Hormigón armado para la combinación cuasipermanente
Hormigón pretensado para la combinación frecuente de acciones
I - interiores de edificios
0.4 0.2
IIa, IIb, H - elementos estructurales en sótanos no ventilados - cimentaciones - estribos, pilas y tableros de puentes en zonas, sin impermeabilizar con precipitación media anual superior a 600 mm - Tableros de puentes impermeabilizados, en zonas con sales de deshielo y precipitación media anual superior a 600 mm - Elementos de hormigón, que se encuentren a la intemperie o en las cubiertas de edificios en zonas con precipitación media anual superior a 600mm - Forjados en cámara sanitaria, o en interiores en cocinas y baños, o en cubierta no protegida - elementos estructurales en construcciones exteriores protegidas de la lluvia - tableros y pilas de puentes, en zonas de precipitación media anual inferior a 600 mm -Construcciones en zonas de alta montaña, estaciones invernales)
0.3 0.2 (1)
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57
wmáx en mm
Clase de exposición según el artículo 8
Hormigón armado para la combinación cuasipermanente
Hormigón pretensadopara la combinación frecuente de acciones
IIIa, IIIb, IV, F, Qa (2) - elementos estructurales de edificaciones en las proximidades de la costa - puentes en las proximidades de la costa - zonas aéreas de diques, pantalanes y otras obras de defensa litoral - instalaciones portuarias - zonas sumergidas de diques, pantalanes y otras obras de defensa litoral - cimentaciones y zonas sumergidas de pilas de puentes en el mar - piscinas e interiores de los edificios que las albergan. - pilas de pasos superiores o pasarelas en zonas de nieve - estaciones de tratamiento de agua. - tableros de puentes o pasarelas en zonas de alta montaña, en las que se utilizan sales fundentes. - instalaciones industriales, con sustancias débilmente agresivas según tabla 8.2.3.b - construcciones en proximidades de áreas industriales, con agresividad débil según tabla 8.2.3.b
0.2 Descompresión
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58
wmáx en mm
Clase de exposición según el artículo 8
Hormigón armado para la combinación cuasipermanente
Hormigón pretensado para la combinación frecuente de acciones
IIIc, Qb (2), Qc (2) - zonas situadas en el recorrido de marea de diques, pantalanes y otras obras de defensa litoral - zonas de pilas de puentes sobre el mar, situadas en el recorrido de marea - dolos, bloques y otros elementos para diques - estructuras marinas, en general - instalaciones industriales con sustancias de agresividad media según tabla 8.2.3.b - construcciones en proximidades de áreas industriales, con agresividad media según tabla 8.2.3b - instalaciones de conducción y tratamiento de aguas residuales con sustancias de agresividad media según tabla 8.2.3.b - instalaciones industriales, con sustancias de agresividad alta de acuerdo con tabla 8.2.3.b - instalaciones de conducción y tratamiento de aguas residuales, con sustancias de agresividad alta de acuerdo con tabla 8.2.3.b. - construcciones en proximidades de áreas industriales, con agresividad fuerte según tabla 8.2.3b
0.1 Descompresión
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