Concreto Armado 1 - 93

CAPITULO 7

Detalles del Refuerzo

Lecturas:

7.1 Concrete Cover to Reinforcement. Adam Neville. ACI Concrete International, November 1998.

7.2 Details and Detailing of Concrete Reinforcement. ACI 315-99. ACI Manual of Concrete Practice – Part 3.

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7.1 IntroducciónLa Norma de Concreto especifica una serie de detalles asociados con la colocación de las armaduras de refuerzo en el concreto. Muchos de estos detalles provienen de la experiencia constructiva y están relacionados principalmente con los espaciamientos máximos y mínimos del refuerzo de acero así como con los recubrimientos mínimos de concreto necesarios para proteger a las armaduras.Los detalles para el refuerzo de acero en estructuras de concreto armado, están cubiertos en el Capítulo 7 tanto en la Norma Peruana como en el ACI-02. Nuestra Norma, en este capítulo, ha adoptado completamente las disposiciones del ACI.

7.2 Recubrimiento de concreto para el refuerzo El recubrimiento de concreto para el refuerzo, cumple varias funciones, a saber:a) Protección del refuerzo de acero contra agentes externos tales como la humedad.

Para condiciones normales de exposición del concreto, la Norma fija una serie de recubrimientos mínimos que dependen del tipo de elemento estructural (zapatas, muros, vigas, columnas, losas, etc.) Cuando el concreto está expuesto a condiciones externas “agresivas” tales como la presencia de fuentes externas de cloruros provenientes de la aplicación de productos anticongelantes, agua de mar, rocío del agua de mar, agua salobre, aguas servidas, suele ser necesario incrementar los recubrimientos de concreto. En estos casos se recomienda en general y a cargo de revisar, un recubrimiento mínimo de 5 cm.Normalmente cuando las condiciones de exposición son agresivas no resulta suficiente incrementar los recubrimientos, en estos casos la calidad del concreto y su impermeabilidad son decisivos para una adecuada protección del refuerzo. Estos métodos de protección escapan al alcance de este curso, algunos están cubiertos en el Capítulo 4 (Requerimientos de Durabilidad) del ACI-02.Es necesario señalar, que en otros países (sobre todo de Europa), se exigen para condiciones normales de exposición, recubrimientos menores a los especificados por el ACI.

b) Protección de refuerzo contra el fuego . En la sección 4.5.4 discutió la fuerte influencia que tiene la temperatura en las propiedades mecánicas del acero de refuerzo. En este sentido el concreto protege al acero de la acción directa de las altas temperaturas que se pueden alcanzar en un incendio. Cuando mayor sea el recubrimiento de concreto, mayor será el tiempo de exposición a las altas temperaturas que puede soportar el acero.

c) Adherencia entre el acero y el concreto . Un adecuado recubrimiento permite que se desarrollen plenamente los esfuerzos de adherencia entre el acero y el concreto. Recubrimientos insuficientes pueden conducir a fallas prematuras de adherencia. En general un recubrimiento con un espesor equivalente por lo menos al diámetro de las barras de refuerzo, suele ser suficiente para la adherencia.

d) Facilidad de colocación del concreto : Los recubrimientos mínimos también permiten que el concreto fluya fácilmente alrededor de las barras. Si los recubrimientos son muy pequeños es posible que el concreto no llene completamente el espacio comprendido entre las barras y las superficies libres del elemento.

Las figuras a continuación corresponden a los recubrimientos mínimos exigidos por la Norma para condiciones “normales” de exposición y para elementos vaciados en sitio. Para elementos prefabricados en planta y para los preesforzados, la Norma contiene disposiciones específicas.

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La figura 7-1 resume los recubrimientos mínimos para los muros de contención o para los muros de sótano en los cuales una cara está expuesta permanentemente al terreno. Si el concreto se coloca (llena) directamente contra el terreno, el recubrimiento de las barras de la cara en contacto con el terreno no debe ser inferior a 7 cm.

La figura 7-2 resume el recubrimiento mínimo para las armaduras de las zapatas. En este caso se supone que el concreto ha sido colocado directamente contra el suelo, es decir sin el empleo de un solado en el fondo y sin un encofrado para las caras laterales.

Las figuras 7-3 y 7-4 resumen los recubrimientos mínimos para aligerados y losas macizas armadas en una o dos direcciones. Se supone que las condiciones de exposición son “normales”.

7 cm

NPT

NFZ

NPT2

4 ó 5 cm 2 cm

Concreto en contacto con el suelo

5/8” ó menos = 4 cm 3/4” ó más = 5 cm

Fig. 7-1 Recubrimientos mínimos para muros

NPT

NFZ

7 cm Mín.

H

Concreto vaceado contra el suelo

NPT: Nivel piso terminadoNFZ: Nivel fondo de zapata

Fig. 7-2 Recubrimientos en zapatas

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Las figuras 7-6 y 7-7 se refieren a los recubrimientos mínimos en vigas peraltadas y en vigas chatas. Las vigas chatas son aquellas que tienen el mismo peralte que la losa o aligerado y por lo tanto no son visibles. Para las vigas chatas se especifica el mismo recubrimiento que para las losas. Nótese que el recubrimiento libre se mide al estribo y no a la armadura de flexión.

La figura 7-8 se refiere a los recubrimientos mínimos en columnas que son los mismos que para las vigas peraltadas. Nuevamente el recubrimiento libre se mide al estribo y no a la armadura longitudinal.

Existen con frecuencia situaciones en las cuales las columnas y las vigas tienen poco ancho, este caso se presenta por ejemplo, en las columnas y soleras de confinamiento que se usan en los muros de albañilería. Generalmente los ladrillos de producción local tiene 0.14 m o menos de ancho, en consecuencia si el muro es de soga y la columna y la solera se llenan al ras con el muro, el espesor es insuficiente para acomodar las armaduras y los recubrimientos de la figura 7-8. En estas situaciones hay dos

h

Mínimo 2 cm

Recubrimiento 2 cm

Armadura de temperatura y retracción

Fig. 7-4 Recubrimientos en aligerados

Mínimo 2 cm

Mínimo 2 cm

h

Fig. 7-5 Recubrimientos en losas macizas

4 cm

4 cm

4 cm

Fig. 7-6 Recubrimientos en vigas peraltadas

2 cm

2 cm

Fig. 7-7 Recubrimientos en vigas chatas

4 cm

4 cm

4 cm4 cm

4 cm

Fig. 7-8 Recubrimientos en columnas

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alternativas, o se hace la columna más ancha que el muro con lo cual se produce un “pinto” que sobresale, o se reducen los recubrimientos. En la figura 7-9 se presenta la segunda solución con un recubrimiento que ha sido reducido de 4 a 2.5 cm. Otras Normas de Concreto permiten reducir el recubrimiento medido al estribo hasta un mínimo de 2 cm.

7.3 Espaciamiento del Acero de RefuerzoEl espaciamiento mínimo entre barras de refuerzo que especifica la Norma, obedece a la necesidad de garantizar el flujo del concreto fresco dentro de los espacios libres entre las barras y entre estas y el encofrado, de tal modo que no se generen “cangrejeras” en el concreto. El espaciamiento mínimo también asegura la adherencia entre las barras y el concreto. Si las barras de una capa están poco espaciadas, puede sobrevenir una falla de adherencia que se manifiesta con una hendidura (split) a lo largo del concreto a la altura de la capa de refuerzo.En general es necesario evitar la congestión del acero de refuerzo tanto en vigas como en columnas y especialmente en los nudos, para lograr una buena colocación y compactación del concreto fresco.Las figura 7-10, resume los requerimientos de la Norma para el espaciamiento mínimo del refuerzo de vigas, ya sean entre las barras de una capa o entre capas de refuerzo paralelas. También se indica la colocación correcta de las barras en más de una capa.

Para las columnas los requerimientos de espaciamiento libre entre barras son más exigentes que para las vigas, tal como se muestra en la figura 7-11. Nótese que el espaciamiento libre mínimo también debe aplicarse a la distancia libre entre empalmes traslapados (si los hubiera) y entre los traslapes y las barras adyacentes.

2.5 cm

2.5 cm

Muros de Soga

15 cm ó menos

Fig. 7-9 Recubrimientos en columnas y soleras delgadas (elementos de confinamiento)

Barras ubicadas unasobre la otra

Ubicación inaceptable

db

No menos de 1"

Espaciamiento no menor que db ni 1”, ó 1 3 veces el máximo tamaño del agregado grueso

Fig. 7-10 Espaciamientos mínimos en armaduras de vigas

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La Norma también especifica, para algunos elementos como losas y muros, un espaciamiento máximo del refuerzo, con la finalidad de asegurar un agrietamiento mejor distribuido y evitar que grandes porciones de concreto se queden sin ningún refuerzo. Para las losas, el espaciamiento máximo del refuerzo, también ayuda a prevenir la falla por punzonamiento que podría producirse en presencia de cargas concentradas en zonas pequeñas de la losa.La figura 7-12 muestra los requerimientos de la Norma relacionados con el espaciamiento máximo del refuerzo principal por flexión para losas macizas y muros. En losas macizas armadas en dos direcciones el ACI (Art. 13.3.2) exige un espaciamiento máximo de dos veces el espesor de la losa en las zonas críticas. Se exceptúan de estos requerimientos a las losas nervadas.

7.4 Paquetes de BarrasCon cierta frecuencia es necesario agrupar dos o más barras conformando lo que se denomina un paquete de barras. Esta agrupación es conveniente cuando existe congestión del refuerzo, es decir cuando el número de barras requerido no puede ser colocado con comodidad en la sección, respetando los recubrimientos y espaciamientos libres mínimos entre las barras. Los paquetes de barras se usan principalmente en las columnas, su uso en vigas es poco frecuente.Se supone que las barras agrupadas actúan como una unidad, es decir el paquete equivale a una barra cuya área es la suma de las áreas de las barras que lo conforman. Para que las barras actúen como una unidad, no pueden haber más de dos barras

EMPALMES TRASLAPADOS

Espaciamiento no menor de 1.5 db ni 4 cm o 1.3 veces el máximo tamaño del agregado grueso.

Fig. 7-11 Espaciamientos mínimos en columnas

h f

S 3 hfS 0.45 m

Refuerzo principal por flexión

Fig. 7-12 Espaciamiento máximo de las armaduras en losas macizas y muros

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agrupadas en un mismo plano, en consecuencia el máximo número de barras que la Norma permite en un paquete es de cuatro. La Norma permite agrupar en paquetes, barras del #11 (1 3/8”) como máximo. Las barras que conforman un paquete deben amarrarse firmemente entre si para asegurar que se mantengan en posición, ya sea vertical u horizontal, durante el llenado del concreto. Los paquetes deben alojarse en las esquinas de estribos cerrados.El recubrimiento y espaciamiento libre debe basarse en el diámetro equivalente de una barra ficticia cuya área sea igual al área del paquete, sin embargo el recubrimiento mínimo no necesita ser mayor de 5 cm o 7 cm para el caso de elementos vaciados contra el suelo y en contacto con él permanentemente. La figura 7-13 muestra paquetes de dos, tres y cuatro barras, también se resumen las principales exigencias de la Norma para barras en paquete.

7.5 Tolerancias en la Colocación del RefuerzoLa armadura debe colocarse con precisión, respetando los recubrimientos especificados en los planos de estructuras así como los espaciamientos mínimos y detalles. La armadura debe asegurarse para que durante el vaciado no se produzcan desplazamientos. Salvo que en los planos se especifique otra cosa, las tolerancias en la colocación del acero de refuerzo, medidas a través del peralte efectivo - d - y del recubrimiento, no deben exceder los valores indicados en la tabla 7-1. Las tolerancias indicadas se aplican a los elementos en flexión, elementos en compresión y muros. El peralte efectivo se define en 7.8

Peralte efectivo d Tolerancia en d Tolerancia en elrecubrimiento mínimo

d < 0.20 m 1.0 cm - 1.0 cm

d > 0.20 m 1.2 cm - 1.2 cm

Cuando el espaciamiento y recubrimiento se basen en el diámetro de barra db, se calculará el diámetro equivalente con un área igual al área total del paquete.

Tamaño máximo de las barras = # 11Máximo número de barras = 4

Los paquetes deben alojarse en las esquinas de estribos cerrados

Fig. 7-13 Paquetes de barras.

Tabla 7-1 Tolerancias en la colocación del refuerzo de acero.

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En la tabla anterior hay que tomar en cuenta que la Norma adicionalmente limita la tolerancia en el recubrimiento de tal modo que no exceda de menos 1/3 del recubrimiento mínimo indicado en los planos También se especifican las tolerancias en los puntos de corte y doblez del acero. La figura 7-14 (adaptada del ACI), resume estas tolerancias.

7.6 Diámetros mínimos de DobladoLos factores principales que controlan los diámetros mínimos de doblado de las barras de refuerzo, tienen que ver con la capacidad (ductilidad) del acero de doblarse sin romperse o rajarse y con la necesidad de prevenir el aplastamiento del concreto dentro del doblez. Los diámetros mínimos de doblado del acero de refuerzo se miden en la cara interior de la barra. La Norma permite para los estribos de hasta 5/8”, diámetros de doblez más cerrados que para las barras longitudinales de refuerzo.

Diámetros mínimos de doblezTamaño de la barra Barras longitudinales Estribos y

amarras#3, #4, #5 6 db 4 db#6, #7, #8 6 db 6 db

#9, #10, #11 8 db --#14, #18 10 db --

Los diámetros mínimos de doblez de la tabla anterior, no deben confundirse con los diámetros para las pruebas de doblado especificados para los aceros en las Normas ASTM A-615 y A-706.

Ubicación del doblez 5 cmUbicación del punto de corte 5 cm

Terminación de la barra 5 cm

Ubicación del corte 5 cm

Terminación de la barra en extremos discontinuos 2 cm

Fig. 7-14 Tolerancias en la ubicación de los puntos de corte y doblez.

Fig. 7-15 En barras longitudinales Fig. 7-16 En estribos y amarras

Gancho a 90db

dbGancho a 180

Diámetro de doblez

db

Gancho a 90 Gancho a 135

db

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7.7 Ganchos Estándar La Norma define gancho estándar de 90 y 180 grados para las barras longitudinales de refuerzo y de 90 y 135 grados para los estribos. Los ganchos tienen mucha importancia en el anclaje del refuerzo y se estudiarán con más detalle en el Capítulo de Adherencia. Para que el gancho clasifique como estándar, debe tener un diámetro interno de doblez igual al diámetro mínimo mencionado en 7.6, además de una porción recta tal como se indica en las figuras 7-17 y 7-18.

7.8 Peralte efectivo ( d ) en elementos en flexión El peralte efectivo - d - se define como la distancia desde la fibra extrema en compresión de la sección hasta el centroide de la armadura en tracción. El peralte efectivo aparece en muchas de las fórmulas para el análisis y diseño de secciones de concreto armado en flexión y cortante, por lo tanto es necesario indicar la manera de calcularlo.En la figura 7-19 se muestra la manera de calcular el peralte efectivo, para flexión positiva (compresión en la fibra superior) en una sección con armadura en una sola capa. Se ha supuesto que el recubrimiento sea 4 cm, los estribos de 3/8” y la armadura longitudinal en tracción de 3/4”. En este caso, que representa una situación típica, el peralte efectivo se puede estimar como:

d h – 6 (cm) d’ 6 cm (7-1)

El valor d’ representa la distancia entre el borde comprimido y el centroide del acero en compresión. Mayores refinamientos en el cálculo del peralte efectivo, normalmente son innecesarios.

Fig. 7-17 Gancho estándar en barras longitudinales Fig. 7-18 Gancho estándar en estribos

Fig. 7-19 Peralte efectivo en una sección con acero en una sola capa.

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La figura 7-20 muestra la estimación del peralte efectivo, para flexión positiva, en una sección con armadura en dos capas o filas. Se ha supuesto que el recubrimiento sea 4 cm, los estribos de 3/8” y toda la armadura longitudinal en tracción de 3/4”. Además se ha supuesto que toda la armadura longitudinal trabaje al mismo esfuerzo. Esta última suposición suele ser válida cuando la sección alcanza su resistencia de diseño, en este caso normalmente todo el acero de tracción estará en fluencia. El peralte efectivo se puede estimar, dependiendo del diámetro del acero de refuerzo, mediante:

d h – 8 ó h – 9 (cm) d’ 6 cm (7-2)

La figura 7-21 muestra la estimación del peralte efectivo en un aligerado convencional.. Se ha supuesto un recubrimiento de 2 cm y armadura longitudinal en tracción de 1/2”. El peralte efectivo, para flexión positiva o negativa, se puede estimar mediante:

d h – 3 (cm) d’ 3 cm (7-3)

Para losas macizas armadas en una dirección el peralte efectivo se puede estimar como se indica en la figura 7-21. Se ha supuesto un recubrimiento de 2 cm y armadura longitudinal en tracción de 1/2”. El peralte efectivo, para flexión positiva, se puede estimar mediante:

d h – 3 (cm) (7-4)

Fig. 7-20 Peralte efectivo en una sección con acero en dos capas.

Fig. 7-21 Peralte efectivo en un aligerado.

Fig. 7-22 Peralte efectivo en una losa maciza armada en una dirección.

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7.9 Casos Particulares del Peralte EfectivoExisten situaciones en las cuales la determinación del peralte efectivo no es directa como en los casos presentados en 7.8. Situaciones de esta naturaleza se presentan en las columnas circulares, las placas o muros de corte y en las vigas o columnas como las mostradas en la figura 7-23. En esta se muestra la sección transversal de una viga (podría ser también una columna) en la cual el refuerzo por flexión o flexocompresión esta parcialmente concentrado cerca del borde inferior y el resto está distribuido a lo largo del alma. En este caso el suponer que todo el refuerzo en tracción se encuentra trabajando al mismo esfuerzo, conduciría a un error importante, en consecuencia será necesario calcular, mediante las relaciones de compatibilidad de deformaciones, los esfuerzos en cada una de las capas de refuerzo para luego calcular el centroide de las fuerzas de tracción en las armaduras, la distancia desde el borde en compresión hasta dicho centroide será el peralte efectivo.

En el Capítulo 23 se presenta la manera en que el ACI del 2002 ha redefinido, para flexión simple y compuesta, el peralte efectivo. El ACI-02 ha abandonado la definición tradicional presentada en 7.8 remplazándola por el valor de dt definido como la distancia entre el borde comprimido y el centroide de la capa de refuerzo más alejada del borde comprimido, tal como se muestra en la figura 7-24. Con la introducción de dt, se hace innecesario el cálculo del centroide de las fuerzas en las armaduras en tracción. Sin embargo, para el diseño por cortante, el ACI-02 sigue utilizando la definición clásica del peralte efectivo.

Fig. 7-23 Sección con refuerzo distribuido en el alma.

Fig. 7-24 Definición de dt - ACI-02