• No se han encontrado resultados

Estudio del método de recrecido en concreto armado para el refuerzo de vigas y columnas de una edificación

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2020

Share "Estudio del método de recrecido en concreto armado para el refuerzo de vigas y columnas de una edificación"

Copied!
133
0
0

Texto completo

(1)ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. JULIE ANDREA AYALA GALINDO MIGUEL ÁNGEL GIRALDO VARGAS. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2018.

(2) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. JULIE ANDREA AYALA GALINDO MIGUEL ÁNGEL GIRALDO VARGAS. MONOGRAFÍA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL. Tutor: RODOLFO FELIZZOLA CONTRERAS Ing. Civil, Esp. En estructuras, M.Sc. en Ingeniería Civil, M.Sc. en Finanzas y Sistemas. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2018.

(3) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. TABLA DE CONTENIDO Pág. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................... 6 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..................................................................... 7. 2. JUSTIFICACIÓN .................................................................................................... 9. 3. HIPÓTESIS .......................................................................................................... 10. 4. OBJETIVOS ......................................................................................................... 11. 5. 6. 4.1. OBJETIVO GENERAL ................................................................................... 11. 4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.......................................................................... 11. MARCO DE REFERENCIA .................................................................................. 12 5.1. MARCO CONCEPTUAL ................................................................................ 12. 5.2. MARCO DE ANTECEDENTES ..................................................................... 14. 5.3. MARCO TEÓRICO ........................................................................................ 17. DISEÑO METODOLÓGICO: ................................................................................ 30 6.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN ........................................................................... 30. 6.2. MUESTRA A INVESTIGAR ........................................................................... 30. 6.3. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN .................................................... 30. 7. RESULTADOS ..................................................................................................... 33. 8. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ...................................................................... 34. CONCLUSIONES ........................................................................................................ 61 RECOMENDACIONES ................................................................................................ 63 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 64 ANEXO ........................................................................................................................ 66. Página | 3.

(4) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1. Modelo 3D estructura Modulo grande institución educativa Alberto Mendoza Mayor .......................................................................................................................... 15 Figura 2.Refuerzo con hormigón armado elementos estructurales (columna y viga). .. 24 Figura 3. Fuerzas internas en la sección de una viga .................................................. 26 Figura 4. Esfuerzos a flexión, sobre sección transversal según Wihtney ..................... 27 Figura 5. Rectángulo de compresión equivalente bajo cargas últimas. ........................ 28 Figura 6. Esquema de diagrama de interacción. .......................................................... 29 Figura 7.Esquema viga sin encamisado de 25x40 cm ................................................. 34 Figura 8, Diagrama de momentos de la viga................................................................ 37 Figura 9. Resultado de acero requerido viga sin encamisado calculada manualmente. .................................................................................................................................... 38 Figura 10. Resultado de acero requerido viga sin encamisado calculada mediante SAP2000. .................................................................................................................... 38 Figura 11. Esquema viga con encamisado de 41x48 cm ............................................. 39 Figura 12, Diagrama de momentos de la viga.............................................................. 41 Figura 13.Resultado de acero requerido viga con encamisado calculada manualmente. .................................................................................................................................... 42 Figura 14. Resultado de acero requerido viga con encamisado calculada mediante SAP2000. .................................................................................................................... 43 Figura 15, Diagrama de fuerzas internas de la columna P.F.B. ................................... 46 Figura 16. Grafico que relaciona el factor de reducción vs la deformación del acero. .. 48 Figura 17, Diagrama de fuerzas internas de la columna P.S.C.T. ................................ 49 Figura 18. Imagen extraída del reporte de spColumn columna sin encamisado. ......... 51 Figura 19, Diagrama de fuerzas internas de la columna con recrecido P.F.B. ............. 53 Figura 20, Diagrama de fuerzas internas de la columna con recrecido P.S.C.T. .......... 56 Figura 21, Imagen extraída del reporte de spColumn columna con encamisado. ........ 59. Página | 4.

(5) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 1. Tipos de síntomas de patologías estructurales .............................................. 18 Tabla 2 Comparación de resultados de área de acero, manual y del programa SAP2000 .................................................................................................................................... 43 Tabla 3. Calculo de fuerzas internas columna 30x30 P.F.B. ........................................ 47 Tabla 4. Calculo de fuerzas internas columna 30x30 P.S.C.T...................................... 50 Tabla 5, Resumen cálculos para comparación columna sin encamisado. .................... 51 Tabla 6. Calculo de fuerzas internas columna con encamisado 46x46 P.F.B. ............. 55 Tabla 7. Calculo de fuerzas internas columna con encamisado 46x46 P.S.C.T. .......... 57 Tabla 8, Resumen cálculos para comparación columna con encamisado. .................. 58 Tabla 9 Comparación de resultados de carga axial, manual y del programa spColumn .................................................................................................................................... 60 Tabla 10 Comparación de resultados de momento, manual y del programa SAP2000 60. Página | 5.

(6) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. INTRODUCCIÓN Los sismos, el cambio de uso y la modificación en planta son algunos factores a los que puede estar sometida una estructura después de construida, razón por la cual desde el estudio de la resistencia de materiales se han desarrollado diferentes métodos de reforzamiento estructural, con el fin de ser la solución a las consecuencias generadas por esta clase de situaciones. La implementación de las acciones de intervención a las estructuras se realiza posterior a una investigación del estado de la estructura, donde se evalúan las características externas que generan los factores nombrados anteriormente, la relación con la geometría real y con los diseños, los cuales en caso de no tenerlos se deben remplazar por una inspección minuciosa en campo a la construcción de estudio. Uno de los métodos de reforzamiento estructural para construcciones en concreto, es el encamisado por medio de concreto armado, el cual emplea acero y concreto permitiendo a través de la adherencia que ocurre por la compatibilidad de materiales y la unión de aceros, el desarrollo del refuerzo frente a compresión, flexión, cortante y torsión de los elementos estructurales como vigas y columnas, las cuales son objeto de esta investigación. En vista de la importancia que tienen los reforzamientos estructurales para cumplir con el objetivo de salvaguardar vidas, este estudio pretende brindar una herramienta de análisis del método de reforzamiento estructural por medio de encamisados en concreto armado de los elementos vigas y columnas de una edificación, de tal manera que se facilite el diseño y análisis del mismo.. Página | 6.

(7) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. Los sistemas estructurales mencionados en el Reglamento NSR-10, que actualmente rige en Colombia, emplean pórticos esencialmente completos como elementos para resistir las fuerzas sísmicas y el grado de capacidad de disipación de energía del material estructural empleado, a excepción del sistema de muros de carga; los pórticos que se mencionan en el sistema combinado, sistema de pórtico y sistema dual cuentan con nudos rígidos formados por columnas y vigas, para estas estructuras no es válido decir que existe un único método para realizar reforzamiento, puesto que existen varias formas de mejorar y viabilizar las afectaciones causadas por los factores a los que puede estar sometida una estructura después de construida; sismos, cambio de uso de la edificación, modificación de plantas e incluso errores de cálculo o en la ejecución del proyecto, provocan alteraciones en los esfuerzos con los cuales fue diseñada, en consecuencia la intervención a las estructuras existentes es cada vez más frecuente y de la misma forma cuando se exige el cumplimiento del Reglamento actual; esta intervención busca prolongar la vida útil de la obra sin exceder la capacidad portante o comprometer la estabilidad, brindando seguridad al ocupante de dicha estructura. El refuerzo de estructuras es una modificación a las condiciones iniciales, este se ejecuta en los elementos estructurales que no cuentan con la resistencia con la que originalmente fueron formulados y no pueden ser reparados por métodos sencillos como la inyección con resinas epoxi, que se emplean en la reparación de fisuras; el reforzamiento de estructuras por medio de encamisados en concreto armado es un proceso de refuerzo eficaz porque permite al ingeniero que desea usarlo, optimizar los factores de análisis estructural (estudio de vulnerabilidad y propuesta de solución), rapidez de ejecución, economía y estética, y aunque parte del inconveniente sea esperar a que este hormigón alcance su máxima resistencia, el empleo de este tipo de refuerzo le permite obtener una medida exitosa que otorgue seguridad para los usuarios y preserve la vida útil de la construcción para la que fue diseñada. Como menciona en su obra Del Río (2008), trabajar con un refuerzo mediante concreto armado tiene la ventaja de que éste trabaja unido al pilar original por la adherencia que existe entre los dos hormigones motivada por el efecto zuncho que produce la retracción del nuevo hormigón. Esta adherencia hace que las cargas se trasmitan no solo axialmente sino también por fricción entre los dos hormigones. Actualmente y dando uso a los avances de la tecnología, se aborda con éxito la reparación y recuperación de obras que de no ser por está forma de reforzamiento, estarían perdidas; es así que se inicia con el análisis de la falla la cual generalmente es una manifestación externa en la estructura de la que se puede deducir la importancia,. Página | 7.

(8) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. origen y posibles consecuencias, a través de un estudio de vulnerabilidad sísmica; el papel del ingeniero consiste inicialmente en reconocer, clasificar y describir estos daños. Posteriormente se debe considerar un nuevo diseño para la estructura a partir de lo existente, con el fin de viabilizarla numéricamente. Para lograr este objetivo se utilizan software especializados como lo es el SAP2000 y spColumn, optimizando el tiempo y garantizando precisión en los cálculos; estos programas hacen parte de un listado de software usados por ingenieros civiles en la modelación de estructuras1, es por esto que se considera necesaria la creación de un manual que sirva de guía para los Ingenieros interesados en estudiar, analizar y realizar cálculos óptimos y en corto plazo de reforzamiento de elementos estructurales (Vigas y columnas), aplicando el método de encamisados en concreto armado.. 1. Según información brindada por la empresa ICC Colombia (http://icc-virtual.com), distribuidores de software de ingeniería civil, consultores y formadores en la materia.. Página | 8.

(9) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. 2. JUSTIFICACIÓN. La normatividad de construcción sismo resistente vigente en Colombia presenta los diferentes sistemas estructurales, en los cuales en su mayoría usan pórticos conformados por vigas y columnas, de los que depende la capacidad de la estructura; factores externos a está, pueden provocar que la capacidad de servicio se modifique de forma negativa, lo cual implica realizar un nuevo cálculo para cumplir con lo establecido en la normatividad vigente Reglamento Colombiano De Construcción Sismo Resistente NSR-10, puesto que al reforzar una estructura se evita la pérdida de vidas humanas y se defiende el patrimonio del estado y de los ciudadanos. Adicionalmente aunque factores externos no actúen de forma negativa en la estructura, la normatividad actual establece que se debe determinar la capacidad de las edificaciones construidas previamente (independiente que hayan sido construidas bajo requisitos sismo resistentes) para resistir adecuadamente a las cargas prescritas en el Reglamento actual, es decir que se debe realizar una equivalencia entre lo solicitado y lo que la estructura en estudio está en capacidad de resistir, si esto no se cumple se debe realizar un reforzamiento, el cual no solo altera las condiciones de resistencia, si no también modifica las características arquitectónicas de la edificación. Para realizar un reforzamiento a vigas y columnas de concreto existen varios métodos empleados desde la antigüedad, sin embargo uno de los métodos que tiene mayor compatibilidad con este tipo de elementos de los sistemas estructurales conformados por pórticos, es el método de encamisado de la sección utilizando concreto armado, debido a que son del mismo material, sus propiedades físico-químicas no se ven alteradas y la transmisión de cargas es más eficiente, dando respuesta a las solicitaciones de compresión y de momentos, por el requerimiento de alteraciones provocadas debido al cambio de uso de la edificación (incremento de carga), sismos, modificación en planta, errores de cálculo o errores en la ejecución del proyecto y cambios de reglamento. Para lograr dotar estas estructuras con esta nueva capacidad mecánica es necesaria la intervención de un ingeniero, el cual tenga las herramientas suficientes para cubrir las nuevas necesidades estructurales; generalmente estas herramientas son ayudas que facilitan y mejoran la precisión en los cálculos, en este sentido para el estudio de este método de reforzamiento estructural se realiza un aporte mediante el desarrollo de un manual que servirá de guía para ahorrar tiempo en la modelación y cálculos de elementos estructurales a reforzar.. Página | 9.

(10) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. 3. HIPÓTESIS. De acuerdo con los argumentos descritos anteriormente, se proyecta la siguiente hipótesis:. ¿Es posible brindar una herramienta que facilite el estudio, análisis y cálculo del método de encamisado en concreto armado, para las edificaciones que han sufrido cambios que modifican su desempeño y pueden ser intervenidas estructuralmente?. Página | 10.

(11) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. 4. OBJETIVOS. 4.1. OBJETIVO GENERAL. Realizar un estudio del método de encamisado en concreto armado, para el desarrollo de un instructivo práctico de cálculo y modelación del reforzamiento de vigas y columnas de una edificación construida previamente.. 4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS •. Determinar los pasos previos que se deben desarrollar a la ejecución de un reforzamiento de elementos estructurales.. •. Identificar los síntomas, causas y consecuencias de las fallas presentes en elementos estructurales que deben ser reforzados.. •. Describir las actividades que se deben desarrollar para la intervención de un elemento estructural con la implementación del método de encamisado en concreto armado.. •. Identificar las ventajas de realizar reforzamientos estructurales a elementos de concreto utilizando el método de encamisado en concreto armado.. •. Determinar la diferencia porcentual entre los cálculos de elementos estructurales analizados de manera convencional y cálculos analizados mediante software de estructuras.. Página | 11.

(12) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. 5 5.1. MARCO DE REFERENCIA Marco Conceptual. Concreto: Material rígido utilizado en la construcción, formado por la combinación de un material de tipo ligante y otros de tipo llenante, que se mezclan con agua en una proporción adecuada y bajo condiciones controladas. El material ligante generalmente es el cemento y el material llenante son áridos como la arena y la grava; teniendo características físicas y químicas compatibles entre estos dos materiales. El cemento al interactuar con agua forma una masa solida uniendo las partículas de los agregados con propiedades de manejabilidad que al pasar por un proceso de fraguado se endurece y forma una masa compacta con capacidad de resistencia.2 Concreto Armado: Una estructura de hormigón armado está formada de hormigón (cemento portland, arena y pedregullo o canto rodado) y de una armadura metálica, que consta de hierros redondos, la que se coloca donde la estructura está expuesta a esfuerzos de tracción, debido a la carga que soporta. En cambio, se deja el hormigón solo, sin armadura metálica, donde este sufre esfuerzos de compresión. Tal disposición de los dos materiales (hormigón y hierro) está basado en el hecho de que el hormigón resiste de por sí muy bien a la compresión (hasta 50 Kg por cm²), siendo que el hierro presenta una gran resistencia a la tracción, de 1000 a 1200 Kg. por cm2.3 Columna: Una columna es un elemento axial sometido a compresión, lo bastante delgado respecto su longitud, para que bajo la acción de una carga gradualmente creciente se rompa por flexión lateral o pandeo ante una carga mucho menos que la necesaria para romperlo por aplastamiento.4 Diagnóstico: Consiste en analizar el estado actual de la estructura, previa inspección, toma de datos y estudio de los mismos. En general incluye la evaluación de la capacidad residual así como las necesidades de actuación y su urgencia. En caso de existencia de daños, debe determinar la naturaleza, alcance, y causa más probable de los mismos.5 Elementos Estructurales: Un elemento estructural es una de las partes que conforma una estructura y tiene funciones específicas de resistencia dentro del conjunto. Esfuerzos de compresión y tracción: Las columnas son elementos que se encuentran bajo los efectos de compresión, por lo que el concreto es un buen material para el diseño de este tipo de elementos por su alto nivel de resistencia. Siendo así la compresión una fuerza axial aplicada directamente sobre el elemento en dirección a su eje longitudinal 2. (Cantillo, 2013) (Jaramillo, 2011) 4 (Mora & Garay , 2016) 5 (Del Río, 2008) 3. Página | 12.

(13) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. comprimiendo, mientras que la tracción es una fuerza axial que se dirige al exterior del elemento alargándolo. Esta última fuerza es resistida por el acero, creando así una combinación eficaz por el concreto reforzado.2 Fallas Estructurales: Falla es una condición no deseada que hace que el elemento estructural no desempeñe una función para la cual existe. Una falla no necesariamente produce colapso o catástrofe. . Mecanismo de falla, es el proceso o secuencia que ocurre en el elemento estructural cuando falla.. . Modo de falla, es la configuración (geométrica) que adopta el elemento estructural cuando falla.. . Parámetro crítico, es un indicador asociado a la falla. Se usan indicadores, como tensión, deformación, desplazamiento, carga, número de ciclos de carga, energía, etc. Ejemplo: carga critica de pandeo, número de ciclos de fatiga.6. Recrecido o Encamisado: Es el refuerzo consistente en aumentar la sección de elementos de hormigón armado (generalmente pilares y vigas) con el fin de poder soportar cargas superiores a las previstas en el proyecto original.7 Refuerzo: Es la modificación de una estructura o elemento(s) de ella, con el fin de aumentar su capacidad resistente o su estabilidad por encima de los niveles para los que fue originalmente diseñada y ejecutada. Para la realización de un refuerzo no es necesario que la estructura o elemento estructural estén dañados.6 Refuerzo activo: Este refuerzo obedece a la necesidad de recuperar las deformaciones existentes, o bien cuando el refuerzo debe aportar un incremento importante de la capacidad resistente de la estructura ante estados límites últimos.8 Vigas Y Viguetas: Son elementos estructurales unidimensionales, piezas o barras horizontales, con una determinada forma en función del esfuerzo que soporta. Las cargas que actúan sobre ellas son perpendiculares al plano principal de las mismas, por lo que están sometidas a esfuerzos de flexión.2. 6. (Godoy, 2005) (Millan, 2003) 8 (Borrell, 2004) 7. Página | 13.

(14) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. 5.2. Marco de antecedentes. El concreto es un material artificial creado por la unión de materiales comunes como piedra, arena y cemento, de este último se conoce su uso como material cementante en el año 2690 a.C., con la construcción de la pirámide de Giza por parte de los egipcios. Durante varios años no existió un avance considerable de este material, sin embargo en el año 1824, fue obtenida la patente del cemento Portland, por parte del constructor Joshep Aspdi, formula mejorada en el año 1845 por parte del inglés Isaac Johnson de la cual se conoce el Clinker9. En 1854 el industrial Lambot en Francia logra aumentar la resistencia de este material al incluir hierro a este. En 1884 una empresa constructora alemana adquiere los derechos de la patente obtenida por J. Monier en 1867, con el fin de aplicar este concreto armado en Alemania; para la misma época el ingeniero Emperger realizo estudios sobre esta mezcla empleando las reglas y leyes de la mecánica, con lo cual se inicia la actual teoría de cálculo. Como se conoce, el concreto cuenta con gran resistencia a la compresión pero poca a la tensión, razón por la cual se ve la necesidad de realizar la combinación con barras de acero para aumentar esta resistencia a la tensión. Una estructura es la responsable de soportar las cargas, los pesos y las fuerzas de la naturaleza transmitiendo estas al terreno de fundación, generando así una estructura resistente a las cargas sin poner en peligro las vidas que lo habitan. En Colombia, a principios de los años 80, la Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica (AIS), publico la primer norma sísmica la cual no era de carácter obligatorio denominada, Requisitos sísmicos para Edificios AIS-1000-81, como consecuencia del sismo de Popayán ocurrido en el año 1983, se da origen al Código Colombiano de Construcciones Sismo Resistentes mediante el decreto 1400 de 1984, sin que dentro de su alcance fueran tenidas en cuenta las edificaciones construidas con antelación; en 1997 se establece la Ley 400, la cual dispone una actualización de edificaciones existentes cuyo uso las clasifique como edificaciones indispensables y de atención a la comunidad, así mismo en la Norma Colombiana de Diseño y Construcción Sismo Resistente NSR-98 (1998) y el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10 (2010), se tiene en cuenta la evaluación e intervención de edificaciones construidas previas a su vigencia. Acerca de las patologías estructurales de las construcciones en Colombia, no se tiene registro técnico documentado de fácil acceso, por lo cual no se conoce la manera de reforzamiento de las construcciones que han necesitado este tipo de modificación aún más si se refiere al método de encamisado de sección utilizando concreto armado, sin embargo de la investigación realizada para el presente estudio, fue facilitado un trabajo 9. (Montejo Fonseca, 2013). Página | 14.

(15) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. de reforzamiento realizado a la institución educativa Alberto Mendoza Mayor Sede Liceo Comercial del Municipio de Yumbo en la ciudad de Cali, en el cual luego del análisis de vulnerabilidad fue determinada la necesidad de secciones encamisadas, adicionalmente de la investigación realizada se obtuvo un proyecto de trabajo de grado de la universidad pontificia de Valencia, España, el cual presenta el estudio de refuerzo de vigas de hormigón mediante recrecido de hormigón armado en un ático de vivienda. - Reforzamiento realizado a la institución educativa Alberto Mendoza Mayor Sede Liceo Comercial del Municipio de Yumbo en la ciudad de Cali10: En el trabajo desarrollado en la institución educativa del Municipio de Yumbo se determinó el uso de secciones encamisadas y rigidización a partir de pantallas de concreto reforzado, con el fin de permitir que en conjunto la edificación cumpla con todos los estándares de diseño establecidos en el reglamento vigente. Teniendo en cuenta que este proyecto se desarrolló inicialmente para los pisos 1 y 2 con proyección a un tercero, cuando se decidió realizar el tercer nivel se realizó un estudio y se evidencio que la estructura de la primera fase no cumplía con la normatividad vigente, por lo cual se vio la necesidad de intervenir la estructura ya construida. Las acciones mencionadas con anterioridad se determinan a partir de los resultados obtenidos al evaluar la vulnerabilidad de la edificación, la cual determino que se requerían modificaciones de configuración estructural para permitir un comportamiento adecuado ante las combinaciones de carga evaluadas.. Figura 1. Modelo 3D estructura Modulo grande institución educativa Alberto Mendoza Mayor Fuente: Informe Reforzamiento10. 10. (Fajardo, 2017). Página | 15.

(16) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. Mediante el uso del programa Etabs se evaluaron todas las variables correspondientes a la estructura en estudio, iniciando con la clasificación del sistema estructural: sistema combinado, las fuerzas, cargas y combinaciones de cargas a considerar, los requerimientos de deriva, cortante sísmico y las propiedades mecánicas de los materiales, generando un análisis dinámico y estructural que evaluó los casos individualmente para obtener un diseño económico. Para los elementos que componen el sistema estructural los análisis mencionados dieron el siguiente resultado: las vigas presentaron un desempeño optimo en el rango elástico en condiciones de carga permanente por lo cual no requirieron intervención, sin embargo para las columnas circulares se estableció la necesidad de un reforzamiento a través de un encamisado de 10 cm perimetral, aumentando la sección transversal y la cuantía de acero longitudinal y transversal, y anclaje para las columnas rectangulares que le permitió dar continuidad al elemento hasta el nivel de cubierta. - Refuerzo de vigas de hormigón mediante recrecido de hormigón armado en un ático de vivienda11: En este proyecto se elaboró el cálculo del reforzamiento de la estructura de concreto de una vivienda compuesta por ocho pisos y dos sótanos, debido a un sobrepeso importante que no fue previsto en los cálculos iniciales de la estructura; este peso adicional correspondió a la instalación de un jacuzzi cubierto en la terraza del ático, luego de un estudio del nuevo peso a soportar se estableció que para darle la viabilidad a la instalación del jacuzzi se debía realizar un refuerzo en la viga de concreto en la zona de máximo esfuerzo, la cual se encontraba ubicada en el pórtico que estaba justo en la separación del ático y la terraza. Se realizó una investigación inicial (Diagnostico) la que arrojó como resultado que la estructura no tenía la capacidad de soporte del nuevo sobre peso que correspondía a 19,7 kN/m, continuaron con el estudio de la seguridad estructural la cual contempla dos aspectos distintos: . Resistencia y estabilidad, la cual corresponde a que la construcción debe soportar los esfuerzos previstos. . Condiciones de servicio, la cual corresponde a que la construcción debe poder usarse con normalidad.. Debido a la regulación que tiene esta edificación por la normatividad que rige en España, los estudios realizados se basaron en cumplir lo establecido por el Código Técnico de la Edificación (CTE) y el Documento Básico de Seguridad Estructural (CB SE), por lo cual se realizaron los diferentes cálculos de diseño de la nueva estructura y con este la determinación de utilizar como método de reforzamiento el encamisado en concreto armado de la viga con un espesor de ocho centímetros para compensar el esfuerzo a 11. (Kenalieva, 2011). Página | 16.

(17) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. tensión positiva y negativa de esta viga y no tuvo necesidad de reforzamiento que trabajara frente a esfuerzos cortantes adicionales.. 5.3. Marco Teórico. El refuerzo a estructuras construidas que no cuentan con la resistencia que requiere el proyecto, ya sea por solicitaciones nuevas o por efectos de la naturaleza, se hace cada vez más común, el manejo y las ventajas que existen de trabajar por medio de concreto armado se basan principalmente en la adherencia por retracción que existe entre el concreto nuevo y el antiguo, lo que permite una transferencia de cargas por fricción. Las vigas son elementos que cumplen la función de resistir el momento flector que actúa en la sección y son elementos esenciales para determinar las fuerzas que interactúan en una estructura, porque así se calcula su resistencia y la forma de trasmitir dichas fuerzas sin falla o deformación; es importante tener en cuenta que en cualquier sección transversal existen fuerzas internas que pueden descomponerse en fuerzas normales y tangenciales a la sección. Las columnas son elementos estructurales sometidos principalmente a carga axial de compresión o a compresión y flexión, incluyendo o no torsión o esfuerzos cortantes y con una relación de longitud a la menor dimensión de la sección de 3 o más. Cuando una columna está sometida a momentos primarios (aquellos momentos causados por las cargas aplicadas, rotaciones de los nudos, etc.), el eje del miembro se deflexiona lateralmente, dando por resultado momentos adicionales iguales a la carga de la columna multiplicada por la deflexión lateral.12 El daño en una estructura genera efectos sobre la estabilidad, la durabilidad y la seguridad de la obra, lo cual influye en aspectos de orden estético y a su vez produce una sensación de inseguridad en el usuario. Cuando el daño influye en la seguridad de la estructura, se hace necesaria la atención y reparación inmediata, por lo cual mediante una patología estructural se realiza una inspección y el estudio detallado de los síntomas, causas, consecuencias y la determinación de su actividad e inactividad13; Montegu (1985), clasifico algunos de los defectos que se pueden encontrar en las estructuras y con los cuales se puede dar inicio al estudio detallado de la construcción:. 12 13. (McCORMAC, 2011) (Do Lago, 1997). Página | 17.

(18) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. Tabla 1. Tipos de síntomas de patologías estructurales. Síntoma. Característica. Extensión Espesor < 5cm, solo afecta Deterioro superficial Pequeña profundidad el recubrimiento Discontinuidad local y Profundidad > 5cm, afecta Gran extensión profunda el hormigón Tensión del hormigón > Grietas Rotura del elemento resistencia Deforma las barras de Una o varias de las fallas Fractura de un elemento acero del hormigón mencionadas armado 1) Aparición de fisuras Corrosión de las Reducción de la sección 2) Manchas de óxido armaduras útil de acero 3) Caída del recubrimiento Fuente: Elaboración propia basados en la obra de Montegu (1985). Para decidir sobre la necesidad y urgencia de la intervención a la estructura se hace necesario determinar las posibles causas que generan los síntomas que se presentan: factores tales como sismos, cambio de uso de la edificación, errores de cálculo o en la ejecución del proyecto son las causas más frecuentes. Para la evaluación de efectos sísmicos se realiza un análisis de vulnerabilidad sísmica el cual se presentará más adelante; en cuanto al cambio de uso de la edificación se establecen condiciones que tienen sobrecargas, ataques químicos, desgaste, efecto por incendios o inundaciones y deformaciones por medio ambiente; por falta o errores en estudios previos que abarquen las condiciones de la estructura se producen fallas de diseño, dentro de los que también se incluyen errores de dimensionamiento, especificaciones incompletas y falta de detalles constructivos, por último y en parte como consecuencia de los errores de diseño se generan errores en la ejecución los cuales se presentan por defectos en los materiales y procedimientos erróneos en el uso del concreto. La información recopilada se contrarresta con los estudios y documentación previa (Planos, estudios y documentos de construcción), pero en caso de no contar con esta se debe realizar una inspección minuciosa de la construcción en estudio, adicionalmente se debe realizar una caracterización de los materiales realmente empleados incluyendo información sobre el terreno y las cimentaciones. Esta etapa, de inspección y estudio, define dos cuestiones básicas: la seguridad de la estructura en la que se estima la resistencia y de modo realista el nivel de seguridad que permite mantener la estructura en función y por otra parte la necesidad y el plazo de intervención, en donde se evalúan los factores económicos, sociales y artísticos. Conocido el problema y determinada la causa y su efecto, es necesario ordenar y clasificar las fallas para luego seleccionar el procedimiento y racionalizar las formas de. Página | 18.

(19) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. reparación, evitando que la intervención que se va a llevar a cabo no repita ni ignore los errores originales. Análisis de vulnerabilidad El peligro que presenta la construcción en el territorio Colombiano se encuentra influenciada por el movimiento de tres placas tectónicas: La de Nazca, la de Suramérica y la del Caribe14, las cuales pueden ocasionar movimientos y choques entre si dando como resultado un desplazamiento conocido como sismo. El poder conocer e identificar los factores y características que pueden influenciar en una construcción implica conocer con anticipación las consecuencias y efectos que pueden presentarse en esta, para así considerarlos dentro del diseño y cumplir con el objetivo de seguridad. A esta identificación se le conoce como análisis de vulnerabilidad, mediante el cual se conoce la susceptibilidad a ser afectado por un evento; Según O.D Cardona y J.P Sarmiento (1989)15, vulnerabilidad es el factor del riesgo interno de un elemento expuesto a una amenaza que corresponde a su predisposición a ser afectado o de ser susceptible a sufrir una perdida; el carácter selectivo de la severidad de los daños causados por un evento sobre el grupo de elementos expuestos es consecuencia de la diferencia de la vulnerabilidad de los mismos. La amenaza se considera teniendo en cuenta la capacidad destructora de cada evento y su probabilidad de ocurrencia, su valor varía entre 1 y 10 y puede ser obtenido mediante una metodología detallada que permita ponderar cuantitativamente los factores o índices de amenaza para una zona. Por otra parte este factor de amenaza se diferencia del factor de riesgo al identificar este último como la probabilidad de exceder un nivel de consecuencias en un sitio determinado en un periodo de tiempo, las cuales no dependen solo del grado de exposición sino también de la vulnerabilidad que tienen el objeto de estudio a ser afectado por el evento. De acuerdo a lo establecido por Lopera D.M (1998)16, para realizar un análisis de vulnerabilidad se deben considerar los siguientes parámetros: Conocer puntos débiles, verificar probabilidad de ocurrencia del fenómeno, preparar respuestas adecuadas frente a eventos e identificar elementos expuestos al riesgo, para lo cual se deben desarrollar actividades que abarquen la recopilación de información y características físicas del terreno incluyendo el análisis e inventario de la cartografía existente, las características geomorfológicas del sector y los fenómenos naturales que puedan afectar el ente de estudio considerando la frecuencia, intensidad y área de influencia, conociendo este último como la amenaza.. 14. (Moreno, 2003) (Cardona Arboleda & Sarmiento Prieto, 1989) 16 (Lopera, 1998) 15. Página | 19.

(20) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. Además en cuanto a la construcción en estudio se deben tener en cuenta los siguientes aspectos, por medio de visitas de inspección y diagnostico en campo: -. Calidad y estado de la construcción: esta evaluación se debe realizar comparando la estructura en estudio con obras similares construidas en la misma época y evaluando el comportamiento de los anclajes y los amarres y la ausencia de elementos con apariencia de buena resistencia y rigidez, además se puede evaluar teniendo en cuenta (sin ser exclusivo) la caracterización de la Tabla 1 del presente documento. En este ítem también se deben relacionar las propiedades los materiales realmente empleados en la construcción de la estructura, los cuales influencian significativamente en el comportamiento de los elementos estructurales.. -. Configuración y forma de la edificación: Se revisa la simetría y regularidad de la estructura, la cual indica que el comportamiento ante un evento puede ser mejor si la configuración de la estructura es simétrica.. -. Tipo de estructura y cargas que soporta: actualmente se establecen los tipos de estructura de acuerdo al título A.3.2 – SISTEMAS ESTRUCTURALES del Reglamento NSR-10 y se avalúan las cargas basados en el titulo B del mismo Reglamento, analizando las fuerzas actuantes en los elementos estructurales.. -. Características del suelo y la fundación: Se evalúan las características del terreno de fundación, con el fin de detectar posibles asentamientos o la posibilidad de deslizamientos o hundimientos.. -. Estabilidad de los componentes no estructurales: Estos elementos representan un factor potencial por el posible desprendimiento, deterioro o derrumbe que podrían causar la pérdida de funcionalidad de la estructura.. -. Entorno social: La edificación en estudio se debe referenciar respecto a la importancia social de la estructura, junto con las implicaciones económicas que una demolición conllevaría. Además se debe considerar la estructura como un elemento que tiene interacción con las edificaciones contiguas y con el medio ambiente.. Como resultado de la investigación y estudio anterior, se realiza un análisis entre la demanda y la capacidad actual, mediante el cual se determinan los índices de sobreesfuerzo y flexibilidad que permitan definir la capacidad de la estructura existente17 para soportar y responder adecuadamente las solicitaciones reales, ya sean en términos de efectos naturales o de requerimientos para uso. El Reglamento NSR-10 en el titulo A.10.5 — ANÁLISIS DE VULNERABILIDAD determina en que consiste un análisis de. 17. (CONSORCIO DICO RIO, 2016). Página | 20.

(21) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. vulnerabilidad sísmica de una edificación, los cuales complementan la información empírica nombrada anticipadamente: a) Determinación de los índices de sobreesfuerzo individual de todos los elementos estructurales de la edificación, considerando las relaciones entre la demanda sísmica de esfuerzos y la capacidad de resistirlos, b) Formulación de una hipótesis de secuencia de falla de la edificación con base en la línea de menor resistencia, identificando la incidencia de la falla progresiva de los elementos, iniciando con aquellos con un mayor índice de sobreesfuerzo, c) Definición de un índice de sobreesfuerzo general de la edificación, definido con base en los resultados de (b). El inverso del índice de sobreesfuerzo general expresa la vulnerabilidad de la edificación como una fracción de la resistencia que tendría una edificación nueva construida de acuerdo con los requisitos de la presente versión del Reglamento, y d) Obtención de un índice de flexibilidad general de la edificación, definido con base en el procedimiento definido en A.10.4.3.5. El inverso del índice de flexibilidad general expresa la vulnerabilidad sísmica de la edificación como una fracción de la rigidez que tendría una edificación nueva construida de acuerdo con los requisitos de la presente versión del Reglamento. A.10.4.3.5 Definición del índice de flexibilidad – Debe determinarse un índice de flexibilidad, el cual indica la susceptibilidad de la estructura a tener deflexiones o derivas excesivas, con respecto a las permitidas por el Reglamento. Tiene dos aceptaciones: 1) Índice de flexibilidad del piso – el cual se define como el cociente entre la deflexión o deriva obtenida del análisis de la estructura, y la permitida por el Reglamento, para cada uno de los pisos de la edificación, y 2) Índice de flexibilidad de la estructura – definido como el mayor valor de los índices de flexibilidad de piso de toda la estructura. Se debe evaluar para las deflexiones verticales y para las derivas. Páez D. F y Hernández J.H (2008)18, presentan el siguiente esquema, el cual muestra la metodología a grandes rasgos que se debe realizar para el estudio de vulnerabilidad estructural.. 18. (Páez & Hernández , 2008). Página | 21.

(22) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. Figura 2. Esquema metodológico vulnerabilidad detallada Fuente: Páez D. F y Hernández J.H (2008). Reforzamientos estructurales Como se ha mencionado con anterioridad, los reforzamientos estructurales son acciones que evitan la perdida de edificaciones que por diferentes factores han sufrido daño en su estructura, por lo anterior a continuación se nombran algunos tipos de reforzamiento estructural de los cuales depende su uso de acuerdo al criterio del diseñador el cual de forma inherente debe tener en cuenta el estudio mencionado anteriormente (evaluación de síntomas, causas, consecuencias y la determinación de su actividad e inactividad): -. Refuerzo con armadura postensada: Se realiza un traspaso de esfuerzo del elemento estructural a los cables de tesado, transportando dichos esfuerzos a una zona adecuada y resistente.. -. Refuerzo con fibra de carbono: Aumenta la resistencia a compresión del elemento a través del efecto zuncho, por medio de confinamiento por capas con fibras de carbono y de polímeros.. -. Refuerzo con bandas de acero encoladas con epoxi: Son bandas de acero pegadas al concreto por medio de resinas epoxi.. Página | 22.

(23) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. -. Refuerzo con perfiles laminados de acero o empresillado metálico: Consiste en el refuerzo por medio de angulares laminados colocados en las esquinas y sujetos entre sí por medio de soldadura, unidos al elemento por medio de acero que atraviesa el elemento. Con este refuerzo se evita que el concreto llegue a su estado límite.. -. Refuerzo por medio de concreto armado: Es el tipo de refuerzo en estudio. Consiste en aumentar la sección por encamisado en concreto armado, el cual emplea acero y concreto.. Una vez presentadas las diferentes formas de reforzamiento, el diseñador debe elegir cuál de estos le aplica a la estructura en estudio, teniendo en cuenta los elementos que deben ser reforzados, las propiedades y características resistentes a mejorar a partir de la elección del tipo de refuerzo y los materiales a emplear. El refuerzo a vigas y columnas por medio de concreto armado puede ser la solución para cumplir con lo establecido en la normatividad vigente, luego de haber sufrido daños que generan alteraciones en los esfuerzos con los cuales fueron diseñadas. Por medio de esta intervención se busca dotar de capacidad al elemento para dar respuesta a los requerimientos de cargas axial y de momentos. El proceso constructivo de este refuerzo se basa en la compatibilidad y adherencia entre el concreto del elemento a reforzar y el concreto de refuerzo, es decir un trabajo en conjunto mediante confinamiento activo hormigón – hormigón; para esto se realiza una preparación previa de la superficie del elemento estructural para brindar condiciones idóneas en cuanto a limpieza, cohesión, solidez y rugosidad. Se inicia eliminado el concreto desintegrado y los productos de desencofrante, posteriormente para las columnas se realiza un cajeado alterno para lograr mayor engranaje el cual también absorben el cortante que pueda existir y para las vigas se pica la superficie, luego se realiza limpieza a través de un chorro de agua o arena para eliminar los sobrantes, en seguida se buscan las barras actuales del elemento para atar las barras nuevas de la armadura; si considera necesario se hace uso de aditivos que mejoran la adherencia entre los concretos, posteriormente se inicia con el suministro del concreto el cual se coloca a través de la inyección con encofrado o si el espesor es menor a 5 cm es posible trabajar en concreto proyectado. Es importante la compactación y curado adecuado del concreto para evitar un daño en el elemento estructural por mal procedimiento, como recomienda Do Lago, H. (1997)19 un saturado de agua por 14 días y evitar la irradiación solar directa tapando la superficie durante las primeras 36 horas. Por razones constructivas y de seguridad se consigue generalmente una sección con una capacidad resistente igual o superior a la que debería tener el elemento estructural 19. (Do Lago, 1997). Página | 23.

(24) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. original, haciendo que el refuerzo sea suficiente para resistir por sí mismo toda la carga, teniendo en cuenta que el acero empleado en el refuerzo sebe tener el mismo limite elástico que el del acero previo a la intervención y que estos refuerzos se realizan en toda la longitud del elemento, anclándose en las placas inferiores para vigas e inferiores y superiores para columnas.. Figura 3.Refuerzo con hormigón armado elementos estructurales (columna y viga). Fuente: Patología terapéutica del hormigón armado 20. Con la elaboración de este reforzamiento se altera la distribución de rigideces y esfuerzos dentro de la estructura (al ser un refuerzo activo) y convergen materiales nuevos y antiguos alterando estados tenso-deformacionales lo cual debe ser analizado minuciosamente para evitar consecuencias negativas. En otro sentido, para realizar un refuerzo de este tipo y con el fin de garantizar el bien primordial sobre la vida de los ocupantes, se debe certificar una transferencia adecuada de esfuerzos considerando los efectos reológicos cuando entre en carga la modificación, es decir, que se debe considerar de manera especial la unión entre el elemento antiguo y el encamisado Además de la precaución que se debe tener al desarrollar el método de encamisado de sección en concreto armado, existen algunas dificultades para el desarrollo del método de recrecido de sección en concreto armado: dificultad de obtener información en las estructuras existentes (el estudio del núcleo se hace difícil al encontrarse influenciado por la resistencia a compresión, la diferencia de módulos de elasticidad y la adherencia del refuerzo), el grado de incertidumbre y la necesidad de aplicar procedimientos noconvencionales de diseño y análisis, los cuales deben ser capaces de reproducir adecuadamente los aspectos del problema21 y la verificación de la estructura a partir de la normativa vigente. Superadas las dificultades previas al empleo del método, la construcción de este tipo de refuerzos no se dispone para ser cargado antes de los 28 días aprox., es decir, hasta que el elemento que ha sido objeto de reforzamiento por medio de concreto armado haya. 20 21. (Fernández, 1984) (Del Río, 2008). Página | 24.

(25) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. alcanzado la resistencia de cálculo, por otra parte las dimensiones del elemento aumentan disminuyendo las áreas libres y creando posibles problemas estéticos. Diseño estructural Para diseñar elementos estructurales (Columnas y vigas) por medio de concreto reforzado, se tienen en cuenta conceptos que permiten analizar de forma eficaz este procedimiento. Los esfuerzos que actúan sobre los elementos estructurales se clasifican así: Las componentes normales a la sección, son los esfuerzos de flexión: tensión por un lado del eje neutro y compresión por el otro, las componentes tangenciales que resisten las fuerzas cortantes o transversales y por último los esfuerzos por adherencia, que se relacionan con las fallas por fractura y afectan la relación acero – concreto. Es por estos esfuerzos que las barras de acero que forman parte del concreto reforzado se ubican de tal forma que contrarrestan los esfuerzos a tracción igualando las fuerzas internas del elemento estructural y permitiendo mayores cargas. Para el diseño estructural el Reglamento NSR-10, que es la normativa vigente al respecto, establece los parámetros para utilizar los métodos de diseño, mediante los cuales se evalúa la capacidad de la estructura para soportar ciertas cargas a través de su resistencia. El método elástico es uno de los métodos más antiguos para el diseño de vigas a flexión, adoptado por las normas y especificaciones a inicios del siglo XX. La ACI (American Concrete Institute) asumió este método como el principal para el diseño de vigas y en 1941 le realiza algunos cambios para incluir el diseño de columnas. En el año 1963 se reconoce el método de la resistencia última con igual importancia para el desarrollo del diseño de vigas y columnas; finalmente en 1977 el método elástico aparece en el código ACI como un método alterno. En Colombia el Código Colombiano de Construcciones Sismo Resistente CCCSR de 1984 también describe como método alterno, al método elástico, siguiendo los requerimientos del código ACI del momento. En la norma NSR-98 es incluido en un apéndice, pero en el Reglamento actual NSR-10 no se encuentra este método. El método elástico se basa en determinar el comportamiento de los materiales al ser sometidos a esfuerzos a causa de las cargas externas, denominadas cargas de servicio y sus respectivas combinaciones. Los modelos matemáticos utilizados en el diseño se basan en los productos de las cargas externas, es decir los esfuerzos de tracción y compresión internos.. Página | 25.

(26) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. Figura 4. Fuerzas internas en la sección de una viga Fuente: tesis de grado “elaboración de una guía de modelos y procedimientos para el diseño de elementos estructurales”22. El Método de la resistencia última fue adoptado en Colombia mediante el Código Colombiano de Construcciones Sismo Resistente CCCSR de 1984, haciéndolo el método más usado para diseñar, debido a que la carga última se podía medir directamente mediante ensayos sin conocer la magnitud ni la distribución de las tensiones internas. Este método se basa en que la resistencia de diseño de cualquier elemento debe ser mayor que la resistencia requerida, dada por los esfuerzos producto de las cargas mayoradas. El concreto estructural y el acero de las armaduras se comportan inelásticamente a medida que se acercan a la resistencia última, basados en el hecho en que la resistencia nominal de un elemento debe ser mayor o igual a las cargas de servicio aumentadas por un factor de carga el cual denota las razones que pueden afectar la determinación de la resistencia real del material, como lo son la ductilidad y confiabilidad del elemento cargado. La resistencia nominal (Mn) es la capacidad máxima que tiene un elemento o sección transversal de soportar las cargas de servicio. La resistencia requerida (Mu) es la fuerza ejercida por las cargas de servicio, en un elemento estructural, multiplicada por un factor de carga, teniendo en cuenta las combinaciones de carga permitidas por el Reglamento de sismo resistencia actual (NSR-10). Una de las premisas que se tienen en cuenta en el diseño por el método de la resistencia última, es que la resistencia nominal disminuida por un factor (Φ), debe ser mayor o igual que la resistencia requerida. Φ𝑀𝑛 ≥ 𝑀𝑢. 22. (Cantillo, 2013). Página | 26.

(27) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. El factor de reducción (Φ), obedece al hecho de considerar los cambios en las características ideales con las que se diseña, donde se incluyen los materiales y los diferentes factores que afectan la precisión en los cálculos y comportamiento de la estructura en servicio. El método de la resistencia última fue generalizado, en el que se parte de la suposición de que la fuerza de compresión se representa como una carga distribuida rectangular, conociéndose como el método de Wihtney de la resistencia ultima.. Figura 5. Esfuerzos a flexión, sobre sección transversal según Wihtney Fuente: elaboración propia. El método unificado de diseño de igual forma que el método de la resistencia última, se basa en el hecho de diseñar las estructuras para soportar cargas mayoradas con una resistencia requerida disminuida por un factor de reducción y considerando la deformación unitaria neta a la tracción del acero. Según el Reglamento NSR-10, la deformación mencionada se basa en la forma en que se determinan las secciones del concreto, controlada por la tracción o la compresión. Las secciones controladas por tracción se determinan si la deformación unitaria neta de tracción en el refuerzo de acero extremo (εt), es igual o mayor a 0.005, justo cuando el concreto en compresión alcanza su límite de deformación unitaria; por otra parte se denominan las secciones controladas por la compresión si la deformación unitaria neta de tracción en el acero extremo en tracción (εt), es igual o menor que el límite de deformación unitaria controlada por compresión cuando el concreto en compresión alcanza su límite de deformación supuesto de 0.003. Las secciones con εt entre el límite de deformación unitaria controlada por compresión y 0.005, constituyen una región de transición entre secciones controladas por compresión y secciones controladas por tracción.23. 23. (AIS, 2010), Titulo C.10.3 – Materiales. Página | 27.

(28) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. Entonces la base del diseño se basa en la suposición realizada por Wihtney, donde la resistencia de diseño debe ser mayor o igual a la resistencia requerida en servicio, por consiguiente el diagrama que representa las fuerzas y deformaciones internas del elemento considerando la suposición de Wihtney es el siguiente:. Figura 6. Rectángulo de compresión equivalente bajo cargas últimas. Fuente: Elaboración Propia. En el diseño de columnas se debe tener en cuenta que son elementos estructurales sometidos principalmente a carga axial de compresión o a compresión y flexión, incluyendo o no torsión o esfuerzos cortantes y con una relación de longitud a la menor dimensión de la sección de 3 o más. Cuando una columna está sometida a momentos primarios (aquellos momentos causados por las cargas aplicadas, rotaciones de los nudos, etc.), el eje del miembro se deflexiona lateralmente, dando por resultado momentos adicionales iguales a la carga de la columna multiplicada por la deflexión lateral. Estos momentos se llaman momentos secundarios.24 El área de refuerzo longitudinal de la columna, no debe ser menor de 0,01 ni mayor de 0,04 veces el área total de la sección. En su obra Segura (2011), recomienda como diámetro mínimo de las barras de refuerzo longitudinal de No. 4. Los estribos son muy efectivos para aumentar la resistencia de la columna. Impiden que las varillas longitudinales se desplacen durante la construcción y resisten la tendencia de las mismas varillas a pandearse hacia afuera bajo la carga, lo que causaría que el recubrimiento exterior de concreto se quiebre. Las expresiones más usuales de capacidad a flexocompresión de columnas rectangulares sometidas a combinaciones de carga axial y momento de flexión se obtienen a partir de la equivalencia entre carga excéntrica, carga axial y momento; teniendo en cuenta las condiciones de equilibrio y compatibilidad de deformaciones mencionadas con anterioridad en el análisis de vigas como la máxima deformación unitaria en la fibra extrema en compresión del concreto igual a 0.003.25. 24 25. (McCORMAC, 2011) (Segura, 2011). Página | 28.

(29) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. Con el fin de representar la información de forma más detallada se presenta el diagrama de interacción, en donde las ordenadas representan las cargas axiales, y las abscisas los momentos.. Figura 7. Esquema de diagrama de interacción. Fuente: Diseño de concreto reforzado26 modificado por los autores. En el grafico anterior se visualiza:. 26. -. La parte de la curva entre a y b o entre A y B corresponde a secciones controladas por la compresión. -. El punto b o B es la condición balanceada. -. La parte de la curva entre b y c ó B y c son las secciones controladas por la tracción.. -. La curva para Pn y Mn para una columna particular se puede extender al intervalo donde Pn se convierte en una carga de tensión. Podemos proceder exactamente igual que en el caso en que Pn es de compresión.. (McCORMAC, 2011). Página | 29.

(30) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. Por lo anterior mediante este diagrama se puede establecer el diseño de una sección cualquiera de una columna de concreto, calculando los puntos correspondientes a ΦPno, ΦMno y ΦPnb.27. 6. DISEÑO METODOLÓGICO:. 6.1. Tipo de investigación. El estudio a desarrollar es principalmente cuantitativo investigativo, modelando el uso de las fórmulas y conceptos actuales para el diseño de vigas y columnas de edificaciones, por medio del uso de los programas SAP2000 y spColumn que permiten el cálculo y simulación de respuesta de los elementos mencionados. Lo anterior, para llegar a una evaluación del método de encamisado en concreto armado por medio de la normatividad vigente. En segundo lugar es de tipo descriptivo, puesto que se reúne información sobre el método de reforzamiento estructural de encamisado en concreto armado y se presenta dentro del manual como resultado.. 6.2. Muestra a investigar. Teniendo en cuenta que la mayoría de los sistemas constructivos presentados por el Reglamento NSR-10, emplean pórticos esencialmente completos compuestos por elementos estructurales (vigas y columnas), la muestra a investigar se basa en estos dos elementos; toda vez que el empleo del método de encamisado utilizando concreto armado busca un nivel de seguridad equivalente al de una edificación nueva, a través de las vigas y columnas, se puede lograr este objetivo teniendo en cuenta que estos elementos son los que dan soporte a la estructura resistiendo y trasmitiendo las cargas al terreno de fundación.. 6.3. Metodología de la investigación. El procedimiento que se utilizará para el desarrollo de esta investigación es: . Recopilación de la información. Se inició reuniendo toda la información de documentos, libros, tesis y ensayos que tratan el tema sobre el método de encamisado de elementos estructurales; esta información fue recopilada por medio del apoyo de los docentes de la línea de estructuras y patología de la universidad, así mismo en consultas en diferentes bibliotecas e investigaciones en. 27. (Segura, 2011). Página | 30.

(31) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. la web, esto con el fin de tener y conocer información que sea practica para la generación del manual, resultado de esta investigación.. . Recopilación de fórmulas y métodos para el cálculo estructural. De la investigación anterior se reunieron los métodos y fórmulas, que en la actualidad permiten el cálculo estructural de vigas y columnas, elementos importantes dentro de las edificaciones, estos métodos y fórmulas se presentan en un orden cronológico con el fin de presentar el avance en el estudio de estos y definir así con cual método serán realizados los cálculos comparativos del análisis de los resultados. En esta investigación se tuvieron en cuenta parámetros establecidos en el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente (NSR-10) el cual reglamenta las condiciones con las que debe contar una construcción en el territorio colombiano para que la respuesta ante un sismo sea adecuada y favorable.. . Modelación en los programas SAP 2000 y spColumn. Una vez recopilada la información teórica del método de reforzamiento estructural y de los diferentes métodos de diseño de vigas y columnas, se realiza uso de dos software especializados en la línea estructural para modelación y diseño, estos son: SAP2000, es un programa de computación orientado a la modelación, análisis y dimensionamiento de elementos y conjuntos de estructuras, principalmente en el ámbito de la ingeniería civil, este permite visualizar el elemento en elaboración en una interfaz de 3D. SpColumn, es un programa de computación orientado a la modelación y análisis de elementos sometidos a cargas de flexión, especialmente columnas; este genera reportes mediante imágenes y tablas que permiten al ingeniero estudiar la estructura modelada. Se debe tener en cuenta que estos software son programados para entregar resultados, pero el análisis debe ser realizado por el ingeniero que lo utiliza, toda vez que si los datos ingresados inicialmente son erróneos sus resultados también lo serán. Para la modelación de vigas fue utilizado el programa SAP2000, en el cual se asumió una viga con sección y cargas conocidas, para determinar el acero requerido de este elemento; este mismo procedimiento fue realizado para la viga con el encamisado de sección en concreto armado. Para la modelación de columnas fue utilizado el programa spColumn, en el cual se asumió una columna con sección y área de acero conocidas, para determinar el diagrama de interacción, y con este verificar la capacidad de soporte de la misma; del mismo modo y aplicando la teoría estudiada anteriormente se asume una columna con. Página | 31.

(32) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. una nueva sección y área de acero conocido, en función de la columna inicial, esta última corresponde a la columna con el encamisado estructural.. . Modelación de acuerdo a los métodos de diseño (NSR-10). Una vez recopiladas las fórmulas teóricas del cálculo y diseño estructural, establecidas por el Reglamento actual, se realizó el estudio y análisis manual de las vigas y las columnas de la modelación en los software nombrados anteriormente, por lo cual se presenta el paso a paso del cálculo de estos en el numeral de análisis de resultados. Así como en la actividad anterior estos elementos se modelaron asumiendo un diseño inicial y a través de los requerimientos mínimos, el cual no cuenta con cambios que afectan el desempeño de la estructura y posteriormente se modelaron incluyendo el encamisado estructural de acuerdo a las características aportadas por el concreto armado.. . Comparación de la modelación. Con los resultados obtenidos en los programas SAP2000, spColumn y los obtenidos manualmente a través de los métodos de diseño del Reglamento, se realiza una comparación para verificar que el procedimiento a presentar sobre la herramienta digital mediante el manual garantice sus resultados.. . Presentación del manual. Por último como resultado de esta investigación primo la creación de un instructivo práctico para la aplicación del método de reforzamiento estructural por medio de encamisado en concreto armado, por lo cual se debe tener en cuenta al momento del empleo de las fórmulas su practicidad y la no contradicción con los documentos legales ya establecidos.. Página | 32.

(33) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. 7. RESULTADOS. Como resultado del estudio del método de encamisado en concreto armado, se determina que al realizar la investigación detallada de una estructura frente a patologías estructurales que afectan la capacidad de diseño, hace parte de esta investigación un análisis estructural de la edificación en estudio, el cual se ha facilitado con los diferentes avances tecnológicos especialmente los programas de computación especializados para tal fin, que ayudan incluso a su representación gráfica para mayor entendimiento. Para los profesionales que realizan esta clase de estudios se hace indispensable el manejo de este tipo de software que por su configuración emiten resultados agiles y confiables los cuales deben ser analizados para proponer la acción a tomar con respecto al reforzamiento de la estructura. El profesional debe tomar una decisión teniendo en cuenta que las razones principales de seguridad son evitar el colapso de la estructura y salvaguardar la vida, garantizando la continuidad del servicio que presta dicha edificación. En este sentido mediante la creación del instructivo que se ha denominado “ENCAMISADO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. Manual de diseño y análisis a partir del programa SAP2000 para vigas y spColumn para columnas”, se presenta el estudio, análisis y diseño del método de reforzamiento antes mencionado, iniciando con una breve presentación del método, seguida de un listado de ventajas del uso del mismo frente a patologías estructurales; continuando con un paso a paso de la modelación de los elementos estructurales (vigas y columnas) en los software mencionados empleando el método de reforzamiento estudiado. Finalmente se presenta el desarrollo de este método en la práctica, junto con sus respectivas recomendaciones. Este manual es presentado como un anexo al presente trabajo, y es un documento libre para ser consultado y utilizado por cualquier persona que requiera de la información allí consignada con respecto al refuerzo estructural.. Página | 33.

(34) ESTUDIO DEL MÉTODO DE RECRECIDO EN CONCRETO ARMADO PARA EL REFUERZO DE VIGAS Y COLUMNAS DE UNA EDIFICACIÓN. 8. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS. Para verificar la confiabilidad de los software utilizados para el desarrollo de la presente investigación con respecto al método de encamisado en concreto armado, del cual resulto un manual del uso de estos programas, se hace necesaria la comparación de los resultados obtenidos; razón por la cual se elaboraron los cálculos manuales de los mismos elementos estructurales evaluados, los cuales se presentan a continuación: Se realiza el cálculo y evaluación de la viga modelada mediante el software SAP2000, con el fin de comparar los resultados, esta viga tiene las siguientes características:. Figura 8.Esquema viga sin encamisado de 25x40 cm Fuente: Propia. Datos conocidos de la viga: 𝛷 = 0,9 fy = 420 MPa f’c = 21 MPa d = 0,34 m b = 0,25 m 𝛾𝐶𝑅 = 24 kN/m3 Adicionalmente se conoce que la carga que debe soportar esta viga aparte de su peso propio es una carga distribuida rectangularmente de 20 kN/m. Aplicando la teoría de diseño del método unificado de diseño, tenemos: 𝑀𝑢 = Φ𝑀𝑛. 𝑀𝑢 = 𝛷 ∗ 𝐴𝑠 ∗ 𝑓𝑦 ∗ (𝑑 − 0,59 ∗. 𝐴𝑠 ∗ 𝑓𝑦 ) 𝑓𝑐 ∗ 𝑏. Como la viga se encuentra simplemente apoyada en ambos extremos el máximo momento está definido por la siguiente ecuación:. Página | 34.

Figure

Figura 1. Modelo 3D estructura Modulo grande institución educativa Alberto Mendoza Mayor  Fuente: Informe Reforzamiento 10
Tabla 1. Tipos de síntomas de patologías estructurales
Figura 2. Esquema metodológico vulnerabilidad detallada  Fuente: Páez D. F y Hernández J.H (2008)
Figura 3.Refuerzo con hormigón armado elementos estructurales (columna y viga).  Fuente: Patología terapéutica del hormigón armado  20
+7

Referencias

Documento similar

Carillo, 2007 El diseño sísmico actual plantea para las edificaciones un escenario de diseño único y típico en el que se requiere que la estructura proteja la vida de sus ocupantes

Las barras de refuerzo ASTM A1035 se caracterizan por una alta resistencia a la tracción (100 o 120 ksi) y una relación de esfuerzo-deformación sin meseta de.. La AASHTO LRFD

La investigación se desarrolló con el fin de realizar un análisis descriptivo en donde el objetivo principal es determinar el comportamiento para una viga de

Diseñado para alinear correctamente aceros de refuerzo de hasta ½” en 3 posiciones difer- entes en el eje de carga además de la armadura de acero y lograr la máxima resistencia de

Diseñado para alinear correctamente aceros de refuerzo de hasta ½” en 3 posiciones difer- entes en el eje de carga además de la armadura de acero y lograr la máxima resistencia de

3 puntos básicos Para determinar qué tipo de Silleta o Separador se debe utilizar Elemento Constructivo - Tipo y Calibre del Acero de Refuerzo - Recubrimientos de Concreto...

El diseño sísmico actual plantea para las edificaciones un escenario de diseño único y típico en el que se requiere que la estructura proteja la vida de sus ocupantes como se

El diseño térmico tiene como objetivo primordial el de calcular el área de transferencia, para alcanzar tal fin se ocupa la Ecuación 1 , otro término que