Diseño estructural de refuerzo en las

unionesDEII ing. Scarlet Canales

Introducción• La mayor parte de las fallas en las estructuras de

concreto reforzado ocurren por el poco cuidado a los elementos de unión de los elementos principales.

• El ACI Detailing Manual, documento que proporciona de manera estandarizada los detalles de refuerzo estructural.

• El requisito básico que se debe cumplir en las uniones es que todas las fuerzas existentes en los extremos de los elementos deben transmitirse a través de la unión a los elementos de soporte.

• El refuerzo de la viga que penetra en una unión viga-columna debe pasar por el lado de las barras verticales de la columna y la consideración oportuna de este hecho en la sección de los anchos de los elementos, de los tamaños de las barras y del espaciamiento, puede evitar atrasos muy costosos en la obra.

• Asimismo, el acero de una viga secundaria y el acero de una viga principal que se intersectan en ángulo recto en una típica unión viga secundaria-viga principal-columna, no pueden estar en el mismo plano horizontal al entrar en la unión.

• Una unión viga-columna se define como la porción de la columna dentro de la altura de las vigas que se unen hasta ella.

• Existen dos categorías según ACI de uniones:o La tipo 1 que conecta elementos en estructuras corrientes diseñadas

con base en la resistencia, según la parte fundamental del Código ACI, para resistir cargas gravitacionales y normales de viento.

o Otra tipo 2 que conecta aquellos elementos proyectados para mantener la resistencia cuando se invierten las deformaciones dentro del intervalo inelástico, como elementos de una estructura diseñada para movimientos sísmicos, para cargas de viento muy grandes o para efectos de explosiones

Uniones interiores• Las uniones pueden ser

consideradas INTERIORES, EXTERIORES o de ESQUINA.

Interiores son aquellas que: • Tiene vigas que llegan a los 4

lados del nudo. a) La base vigas deben cubrir

¾ del ancho de la columna.b) La altura total de la viga de

menor altura no ha de ser menor que ¾ la altura total de la viga mayor.

Si no cumple lo anterior ha de considerarse como una unión exterior.

Uniones exteriores• Al menos 2 vigas que

empatan caras opuestas al nudo, también serán consideradas uniones exteriores las que cumplan:a) Los anchos de las vigas en las dos

caras opuestas del nudo deben cubrir al menos ¾ del ancho de la columna.

b) Y las alturas de estas dos vigas no deben ser menores que ¾ la altura total de la viga mayor que llega al nudo.

Si no cumple con lo anterior serán consideradas uniones de esquinas.

Puntos de análisisCortante en el nudo.

o Se tomaran en cuenta su tipo, exterior, interior, esquina.o Se calculará el cortante actuante y el resistente.

Confinamiento y refuerzo transversal en el nudoo Aumenta la resistencia en el nudo y evita el pandeoo Pueden ser realizado por las vigas que llegan al nudo o por flejes

adicionales.

Anclajes y longitud de desarrolloo En los tipo 1 el desprendimiento de acero es poco probable, así que las

consideraciones son mínimas.o En cambio en las de tipo 2 y 3 por lo general requieren gancho de

refuerzo.

ejemplo: La unión exterior parte de un pórtico de concreto reforzado continuo y monolítico, forma parte de un pórtico de concreto reforzado, continuo y monolítico, diseñado para resistir cargas gravitacionales. Las dimensiones b x h de la sección del elemento y el refuerzo son los que se ilustran. La altura entre los pisos del pórtico son de 12 pies. Las resistencias de los materiales son f´c=4000 lb/pulg2 y fy=60,000 lb/plg2.

Paso 1. diagrama de la geometría de la unión• Es necesario tener claro el espaciamiento

necesario que permita el paso del agregado.o Columna exterior: 20x20 pugl 8#11 o Viga de borde: 16x28 pulg. 3#11 superiores, 2#8 inferiores.o Viga Normal 16x24 pulg 3#10 superiores, 2#7 inferioreso Recubrimiento 1.5 pulg y flejes #4

2. Determinando que tipo de unión es

• Revisión de consideración del nudo, para considerarlo exterior debe cumplir lo siguiente:o Al menos 2 vigas que empatan caras opuestas al nudo… Cumpleo Los anchos de las vigas en las dos caras opuestas del nudo deben

cubrir al menos ¾ del ancho de la columna.

o Y las alturas de estas dos vigas no deben ser menores que ¾ la altura total de la viga mayor que llega al nudo.

Por tanto se puede considerar nudo exterior

3. Determinando el ancho efectivo del

nudo bj• bb= es la base de la viga de borde =

16 pulg• bc= base de la columna=20 pulg• h= es la cara en la dirección

perpendicular a la base del la viga de borde= 20 pulg

• bj= es el ancho efectivo del nudo.

Si no cumpliera se toma el valor menor

Ancho efectivo para otros casos

Revisión cortante actuante vrs resistente• Se obtiene el cortante ultimo revisando el generado

por la viga normal ya que este es el mas critico, ya que el cortante entre las vigas continuas en la de borde se distribuye a lo largo de ellas.o As por la viga normal = 3#10 = 3.79 pulg2

As x fy = 3.79 x 60= 227.4 Klbo Altura efectiva de la viga normal d= 24 -1.5-0.5-1.2712 = 21.4 pulgo Altura del bloque de esfuerzos a

• 4.18 pulgo Por tanto el momento nominal de diseño es:

• =365.92 klb-pie resistente a lo largo de los 12 pies de la columna por tanto el cortante transmitido directamente a lo largo de la columna es en la cara superior en la columna es de 365.92 / 12 pies que tiene la columna = 30.49 klb

• El cortante que actuará sobre el nudo será entonces Vu=(As x fy) – Vco Vu=227.4 – 30.49 = 196.91 klb.

Revisión cortante actuante vrs resistente

Para calcular el cortante resistente (Vn) es necesario en un valor de gamma que es correspondiente al tipo de unión.

o Y=24 para uniones interioreso Y=20 para uniones exterioreso Y=15 para uniones de esquina

Revisión cortante actuante vrs resistente• Entonces:

Vu=227.4 – 30.49 = 196.91 klb. actuante resistente

Por tanto el resistente es mucho mayor que el actuante así que cumple nuestra revisión de cortante.

Revisión de confinamiento

• Si llegan 4 vigas al nudo (interiores) el confinamiento se considera adecuado si el ancho de la viga es por lo menos ¾ del ancho de la cara de la columna que se intersecta y si no quedan mas de 4 pulgadas de la cara de la columna expuesta a cada lado de la viga.

Revisión de confinamiento en el

nudo• Si solo llegan vigas a 2 caras de la unión

(esquina o exteriores) se supone que el confinamiento esta bien si cumple con que el ancho de cada una de las vigas que llegan al nudo es por lo menos igual a ¾ de la columna y si no quedan mas de 4 pulgadas de concreto expuesta a cada lado de las vigas. En la otra dirección debe proveerse refuerzo transversal para logra confinamiento.

• No debe existir un espaciamiento mayor a 12 pulgadas entre flejes para la columna. Si son para sistemas primarios que no son solo gravitacionales serán un espaciamiento no mayor a 6 pulgadas (viento, agua, tierra etc)

Revisión de confinamiento en el

nudoRevisión de confinamiento en nudo exterior:• ancho de cada una de las vigas que llegan al nudo es

por lo menos igual a ¾ de la columna. o Ancho viga de borde y viga normal 16 pulgadaso Ancho de columna 20 pulgadas

• y si no quedan mas de 4 pulgadas de concreto expuesta a cada lado de las vigas. o Concreto expuesto a barras longitudinales ≤ 4 pulgadas

Exposición de concreto 1.5+0.5+1.2712 =3.2712 pulgadas menor que 4 pulgadas. Cumple Por tanto no son necesarios flejes sobre la viga de borde

Vista en planta

… revisión de confinamiento en el

nudo• En la otra dirección debe proveerse refuerzo

transversal para logra confinamiento.o Se proporcionaran flejes #4 en la columna en dirección a la viga

normal.o No debe existir un espaciamiento mayor a 12 pulgadas entre flejes

para la columna. Si son para sistemas primarios serán un espaciamiento no mayor a 6 pulgadas.

Vista en planta

Flejes en la columna en la dirección de la viga normal. A un espaciamiento vertical no mayor a 6 pulg.

Longitud de desarrollo• Longitud de desarrollo con gancho es:

Luego se le aplica un factor de modificación de 0.70 del inciso b de la tabla 5.3 porque el recubrimiento para el gancho será mayor a 2.5 pulgadas como lo vimos anteriormente que es de 3.27 pulgadas. Así que la longitud de desarrollo necesaria será:

La longitud de desarrollo proporcionada será entonces 20-1.5-0.5= 18 pulgadas que es mas que los 16.9 necesarios.Por ultimo para el acero positivo o inferior de la viga normal solo será necesario prolongarlo 6 pulgadas dentro del nudo .

Detalle final

Diseño de uniones interiores

Se debe revisar y diseñar el nudo de un edificio de concreto reforzado con las dimensiones de las vigas y columnas y el refuerzo indicado. Datos: 4 Vigas de 14 in x 28 in. 4#10 sup y 2#9 inferioresColumna 24x24 , 8#14, flejes #4

Análisis de confinamiento

• Para uniones interiores no es necesario revisar el cortante en el nudo ya que este se asume en su totalidad por la columna y neutraliza al existir una continuidad a través de las vigas en el nudo.

• Por tanto se procede a analizar geométricamente:o Se revisa geométricamente, esto cumplirá ya que se ha tenido en

cuenta al momento de realizar el diseño, las 10 pulgadas de mas que proporciona la columna permiten que las barras de las vigas viajen libremente a lo largo del nudo

Revisión de confinamiento nudo interior

• Si llegan 4 vigas al nudo (interiores) el confinamiento se considera adecuado si:o el ancho de la viga es por lo menos ¾ del

ancho de la cara de la columna que se intersecta • Ancho de viga: 14pulg• Ancho de columna: 24 pulg• 14≥3(24/4)=18 pulg No cumple

o si no quedan mas de 4 pulgadas de la cara de la columna expuesta a cada lado de la viga. • Cara columna 20 pulg • Cara viga 14 pulg• 24-14= 10. 10/2= 5 pulg.. No Cumple

o Por tanto se suministraran flejes a cada 6 pulgadas dentro del nudo en ambas direcciones.• Estimado:

o peralte de viga 28 pulgadas • Recubrimiento 1 pulg, • Barras longitudinales #9 =1.128, #10= 1.27• Claro libre interno en el nudo = 28-

((1x2)+(1.128+1.27)x2)= 21.204 pulg.• Espacios =21.204/6= 3.4 = 4 flejes. • 1ero= 3.25• 2do =9.25• 3ro=15.25• 4to=21.25• …5to=27.25.. Ya no dentro del nudo..

Diseño de unión con vigas anchas

Diseño de una unión exterior tipo 1 con vigas anchas. La unión exterior común en el piso de una estructura con vigas anchas, diseñada para resistir cargas gravitacionales. En este caso, las vigas en cada una de las direcciones son 8 pulg más anchas que las correspondientes dimensiones de la columna. Revise la geometría propuesta y la resistencia al cortante de la unión, y diseñe el refuerzo transversal en la misma. Las resistencias de los materiales son f‘c = 4000 lb/pulg2 y fy = 60,000 lb/pulg2. La altura del piso es 12 pies.

Geometría del elemento

• Las barras longitudinales de la viga de borde se consideraran con sus espaciamientos a los cuales ha sido diseñado. Posteriormente se analizará la viga normal que llega al nudo de la misma forma en una unión simple con su análisis de longitud de desarrollo para ganchos a 90°.

• Columna 20x24• Viga de borde 28x20• Viga normal 32x20

Longitud de desarrollo• Longitud de desarrollo con gancho es:

Luego se le aplica un factor de modificación de 0.70 del inciso b de la tabla 5.3 porque el recubrimiento para el gancho será mayor a 2.5 pulgadas como lo vimos anteriormente que es de 3.27 pulgadas. Así que la longitud de desarrollo necesaria será:

La longitud de desarrollo proporcionada será entonces 20-1.5-0.5= 18 pulgadas que es mas que los 16.9 necesarios. CUMPLEPor ultimo para el acero positivo o inferior de la viga normal solo será necesario prolongarlo 6 pulgadas dentro del nudo .

Revisión cortante actuante vrs resistente• Se obtiene el cortante ultimo revisando el generado

por la viga normal ya que este es el mas critico, ya que el cortante entre las vigas continuas en la de borde se distribuye a lo largo de ellas.o As por la viga normal = 4#10 = 5.06 pulg2

As x fy = 5.06 x 60= 304 Klbo Altura del bloque de esfuerzos a

• 4.18 pulgo Altura efectiva de la viga normal d= 20 -1.5-0.5-(0.87/2)= 17.565 pulgo Por tanto el momento nominal de diseño es:

• = 411 klb-pie resistente a lo largo de los 12 pies de la columna por tanto el cortante transmitido directamente a lo largo de la columna es en la cara superior en la columna es de 411/12 pies que tiene la columna = 34.3 klb

• El cortante que actuará sobre el nudo será entonces Vu=(As x fy) – Vco Vu=304 – 34.3 = 270 klb.

Al eje de la #7

Revisión cortante actuante vrs resistentePara calcular el cortante resistente (Vn) es necesario en un valor de gamma que es correspondiente al tipo de unión.

o Y=24 para uniones interioreso Y=20 para uniones exterioreso Y=15 para uniones de esquina

• El valor de bj cuando las vigas exceden el ancho de la columna se tomara el ancho de la columna que en este caso es de 24 pulg

El cortante de diseño es 516> 207 que es el cortante actuante por tanto CUMPLE

Confinamiento• Se deben suministrar en estos casos flejes en

dirección a la viga normal evitando que los espaciamientos no excedan 12 pulgadas.