Cap. 1 - INTRODUCCION
1.1 CONCRETO REFORZADO
El concreto es una mezcla de
arena, grava, roca triturada u otros agregados unidos en una masa rocosa por medio de una pasta de cemento y agua.
En ocasiones, uno o más aditivos se agregan para cambiar ciertas características del concreto, tales como la ductilidad, durabilidad y tiempo de fraguado.
Al igual que la mayoría de los materiales pétreos, el concreto tiene una alta resistencia a la compresión y una muy baja resistencia a la tensión.
El concreto reforzado es una combinación de concreto y acero en la que el refuerzo de acero proporciona la resistencia a la tensión de la que carece el concreto. El acero de refuerzo es también capaz de resistir fuerzas de compresión y se usa en columnas, así como en otros miembros estructurales y en situaciones que se describirán más adelante.
1.2 VENTAJAS DEL CONCRETO REFORZADO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL
- Tiene una resistencia considerable a la compresión por unidad de costo en comparación con muchos otros materiales.
- El concreto reforzado tiene gran resistencia a las acciones del fuego y el agua y, de hecho, es el mejor material estructural que existe para los casos en que el agua esté presente. Durante incendios de intensidad media, los miembros con un recubrimiento adecuado de concreto sobre las varillas de refuerzo sufren sólo daño superficial sin fallar.
- Las estructuras de concreto reforzado son muy rígidas.
- Requiere de poco mantenimiento.
- Comparado con otros materiales, tiene una larga vida de servicio. Bajo condiciones apropiadas, las estructuras de concreto reforzado pueden usarse indefinidamente sin reducción en sus capacidades de carga. Esto puede explicarse por el hecho de que la resistencia del concreto no disminuye con el tiempo, sino que en realidad aumenta con los años, debido al largo proceso de solidificación de la pasta de cemento.
- Es prácticamente el único material económico disponible para zapatas, losas de piso, muros de sótano, pilares y construcciones similares.
- Una característica especial del concreto es la posibilidad de colarlo en una variedad extraordinaria de formas que van desde simples losas, vigas y columnas, hasta grandes arcos y cascarones.
- En muchas regiones, el concreto aprovecha para su elaboración la existencia de materiales locales baratos (arena, grava y agua) y requiere cantidades relativamente pequeñas de cemento y acero de refuerzo, las cuales quizás sea necesario conseguir en otras regiones del país.
- Se requiere mano de obra de baja calificación para su montaje, en comparación con otros materiales, como el acero estructural.
1.3 DESVENTAJAS DEL CONCRETO REFORZADO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL
- El concreto tiene una resistencia muy baja a la tensión, por lo que requiere el uso de un refuerzo de tensión.
- Se requieren cimbras para mantener el concreto en posición hasta que se endurezca lo suficiente. Además, pueden requerirse obras falsas o apuntalamiento para apoyar la cimbra de techos, muros, pisos y estructuras similares hasta que los miembros de concreto adquieren suficiente resistencia para soportarse por sí mismos. La obra falsa es muy cara. Su costo (en Estados Unidos) es de uno a dos tercios del costo total de una estructura de concreto reforzado, con un valor promedio aproximado de 50%. Debe ser claro que cuando se trata de mejorar el costo de las estructuras de concreto reforzado, el factor principal reside en la reducción del costo de la cimbra.
- La baja resistencia por unidad de peso de concreto conduce a miembros pesados. Esto se vuelve muy importante en estructuras de gran claro, en donde el gran peso muerto del concreto tiene un fuerte efecto en los momentos flexionantes. Pueden usarse agregados ligeros para reducir el peso del concreto, pero el costo del concreto aumenta.
- Similarmente, la baja resistencia por unidad de volumen del concreto implica que los miembros serán relativamente grandes, lo que es de una considerable importancia en edificios altos y en estructuras de grandes claros.
- Las propiedades del concreto varían ampliamente debido a las modificaciones en su proporción y mezclado. Además, el colado y curado del concreto no son tan cuidadosamente controlados como la producción de otros materiales; por ejemplo, el acero estructural y la madera laminada.
Otras dos características que pueden causar problemas son la contracción y la fluencia plástica del concreto.
1.4 ANTECEDENTES HISTÓRICOS
Los romanos utilizaron una especie de cemento, llamado puzolana, antes del nacimiento de Cristo. Encontraron grandes depósitos de ceniza volcánica arenosa cerca del Monte Vesubio y en otros lugares en Italia. Cuando mezclaron este material con cal viva y agua, además de arena y grava, al dejar endurecer la mezcla, se produjo una sustancia rocosa que utilizaron como material de construcción. Se podría pensar que resultaría una especie de concreto relativamente pobre, en comparación con las normas actuales, pero algunas estructuras de concreto romanas siguen de pie hoy en día. Un ejemplo es el Panteón (un edificio dedicado a todos los dioses) que se encuentra en Roma y se terminó en el año 126 A.C.
El arte de hacer concreto puzolánico se perdió durante la Edad Media y fue resucitado retomado hasta los siglos XVIII y XIX. En Inglaterra se descubrió, en 1796, un depósito de piedra de cemento natural que fue vendido como “cemento romano”. Se descubrieron otros depósitos de cemento natural tanto en Europa como en América, que fueron explotados durante varias décadas.
El verdadero gran adelanto para el concreto ocurrió en 1824, cuando un albañil inglés llamado Joseph Aspdin, después de largos y laboriosos experimentos, obtuvo una patente para un cemento que él llamó cemento portland, debido a que su color era muy similar al de la piedra de una cantera en la isla de Portland, en la costa inglesa.
Él hizo su cemento con ciertas cantidades de arcilla y piedra caliza que pulverizó y quemó en la estufa de su cocina, moliendo después la escoria resultante para obtener un polvo fino. En los primeros años tras su invención, ese cemento se usó principalmente en estucos.
Este extraordinario producto fue adoptado poco a poco por la industria de la construcción y ni siquiera fue introducido en Estados Unidos sino hasta 1868; el primer cemento portland no se fabricó en Estados Unidos sino hasta la década de 1870.
Los primeros usos del concreto no son bien conocidos. Muchos de los trabajos iniciales fueron hechos por los franceses François Le Brun, Joseph Lambot y Joseph Monier. En 1832, Le Brun construyó una casa de concreto y siguió después la construcción de una escuela y una iglesia con el mismo material.
Alrededor de 1850, Lambot construyó una embarcación de concreto reforzado con una red de alambres o varillas paralelas. Sin embargo, se le acredita a Monier la invención del concreto reforzado. En 1867 él recibió una patente para la construcción de tinas o receptáculos y depósitos de concreto, reforzados con una malla de alambre de hierro. Su meta reconocida al trabajar con este material era obtener un bajo peso sin tener que sacrificar resistencia.
De 1867 a 1881 Monier recibió patentes para la fabricación de durmientes, losas de piso, arcos, puentes peatonales, edificios y otros elementos de concreto reforzado en Francia y Alemania. Otro francés, François Coignet, construyó estructuras simples de concreto reforzado y desarrolló métodos básicos de diseño. En 1861, publicó un libro en el que presentaba un buen número de aplicaciones. Fue la primera persona en darse cuenta de que la adición de demasiada agua a la mezcla reducía considerablemente la resistencia del concreto.
Otros europeos que experimentaron con el concreto reforzado en sus etapas iniciales fueron los ingleses William Fairbairn y William B. Wilkinson, el alemán G.A. Wayss y otro francés, François Hennebique.
William E. Ward construyó el primer edificio de concreto reforzado en Estados Unidos en Port Chester, Nueva York, en 1875. En 1883 presentó un artículo ante la American Society of Mechanical Engineers donde afirmaba haber obtenido la idea del concreto reforzado al observar a trabajadores ingleses en 1867 intentando limpiar el cemento endurecido de sus herramientas de hierro.
Thaddeus Hyatt, un estadounidense, fue probablemente la primera persona en analizar correctamente los esfuerzos en una viga de concreto reforzado y en 1877 publicó un libro de 28 páginas titulado An Account of Some Experiments with Portland Cement Concrete, Combined with Iron as a Building Material [Relato de algunos experimentos con concreto de cemento de portland, combinado con hierro como material de construcción]. En este libro elogió el uso del concreto reforzado y dijo que “las vigas laminadas (acero) tienen que aceptarse con base en un acto de fe”. Hyatt puso mucho énfasis en la alta resistencia del concreto al fuego.
E.L. Ransome, de San Francisco, supuestamente usó concreto reforzado en los primeros años de la década de 1870 y fue el inventor de las varillas corrugadas (o retorcidas), para las que obtuvo una patente en 1884. Estas varillas, que eran de sección transversal cuadrada, se torcían en frío con una vuelta completa en una longitud de no más de 12 veces el diámetro de la varilla.7 (El propósito de torcerlas era proporcionar mejor adherencia entre el concreto y el acero.) En 1890, en San Francisco, Ransome construyó el museo Leland Stanford Jr. Se trata de un edificio de concreto reforzado de 312 pies de largo y 2 niveles de altura en el que se usó como refuerzo de tensión el alambre de los cables de desecho de un sistema de transporte funicular. Este edificio sufrió pocos daños en el sismo de 1906 y el incendio que resultó de éste. El limitado daño a este edificio y otras estructuras de concreto que resistieron el gran incendio de 1906 condujo a una amplia aceptación de esta forma de construcción en la costa occidental de Estados Unidos. Desde los inicios de la década de 1900, el desarrollo y uso del concreto reforzado en Estados Unidos ha sido muy rápido.
1.5 COMPARACIÓN DEL CONCRETO REFORZADO CON EL ACERO ESTRUCTURAL PARA EDIFICIOS Y PUENTES
La selección del material estructural que se ha de usar en un edificio determinado depende de
la altura y claro de la estructura, del mercado de materiales, de las condiciones de la cimentación, de los códigos locales de construcción y de consideraciones arquitectónicas
Para edificios de menos de 4 niveles, el concreto reforzado, el acero estructural y la construcción con muros de carga pueden competir entre sí.
En edificios de 4 a 20 niveles, el concreto reforzado y el acero estructural son económicamente competitivos,
pero para edificios de más de 20 niveles se prefiere el acero estructural.
Las condiciones de la cimentación con frecuencia suelen afectar la selección del material por usarse en la estructura de un edificio. Si las condiciones de la cimentación son pobres, puede ser más conveniente usar una estructura de acero debido al menor peso de ésta.
El código de construcciones en una ciudad específica puede favorecer más a uno de los materiales que a los otros. Por ejemplo, muchas ciudades tienen zonas de incendio en las que sólo pueden erigirse estructuras a prueba de fuego, lo cual favorece al concreto reforzado.
El factor tiempo favorece a las estructuras de acero, ya que éstas pueden erigirse mucho más rápidamente que las estructuras de concreto reforzado.
En la decisión de si se debe usar concreto o acero para un puente, se deberán tomar en cuenta diversos factores, tales como el claro, las condiciones de la cimentación, las cargas, consideraciones arquitectónicas, etc.
En general, el concreto es un material de excelente compresión y normalmente será preferido en puentes de claros cortos y en los casos en que se requiera una estructura rígida (como, tal vez, en puentes ferroviarios).
1.6 COMPATIBILIDAD DEL CONCRETO Y EL ACERO
El concreto y el acero de refuerzo funcionan en conjunto de forma excelente en las estructuras de concreto reforzado. Las ventajas de cada material compensan las desventajas del otro. Por ejemplo, la gran desventaja del concreto es su falta de resistencia a la tensión; pero la resistencia a la tensión es una de las grandes ventajas del acero
Los dos materiales se adhieren muy bien entre sí, de modo que no hay deslizamiento entre los dos y, por tanto, funcionan conjuntamente como una unidad para resistir las fuerzas. La excelente liga obtenida se debe a la adherencia química entre los dos materiales, a la rugosidad natural de las varillas y a la estrecha separación de las corrugaciones en las superficies de las varillas.
Las varillas de refuerzo están expuestas a la corrosión, pero el concreto que las rodea les proporciona excelente protección. La fuerza del acero expuesto a las temperaturas que se alcanzan en los incendios de intensidad normal es nula, pero su recubrimiento con concreto da como resultado calificaciones de prueba de fuego muy satisfactorias. Finalmente, el concreto y el acero trabajan muy bien juntos respecto a los cambios de temperatura, porque sus coeficientes de dilatación térmica son muy parecidos.
1.7 CÓDIGOS DE DISEÑO
El código más importante en Estados Unidos para el diseño de concreto reforzado es el Building Code Requirements for Structural Concrete [Código de construcción de los requerimientos para el concreto estructural] del Instituto Americano del Concreto (ACI 318-14). Este código, que se usa principalmente para el diseño de edificios,
El Código ACI no es en sí mismo un documento legalmente aplicable. Es meramente una serie de principios para la buena práctica del diseño de concreto reforzado. Sin embargo, está escrito en forma de código o ley para que diversos organismos de la administración pública puedan decidir fácilmente si lo incluyen en sus códigos locales de construcción y entonces pueda ser legalmente aplicable en esa comunidad.
Otras especificaciones bien conocidas sobre concreto reforzado son las de la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) y la American Railway Engineering Association (AREA).
1.8 RESUMEN DE CAMBIOS DEL CÓDIGO ACI 2014
Reorganización
El ACI 318-14 se reorganizó en su totalidad en seis categorías: Generalidades, Sistemas, Miembros, Uniones y Conectores, Caja de herramientas y Construcción.
Capítulos nuevos
El ACI 318-14 tiene capítulos nuevos: Sistemas estructurales (Capítulo 4), Uniones y conectores (Capítulo 16), incluyendo descripciones sobre uniones viga/columna y losa/columna, conectores entre miembros y anclaje en el concreto (anteriormente un apéndice del código). El capítulo nuevo sobre construcción (Capítulo 26) está escrito para el diseñador, no para el contratista, e incluye lo que debe comunicarse mediante documentos de construcción al contratista. También se incluye un capítulo nuevo sobre diafragmas (Capítulo 12).
1.9 UNIDADES SI
Las ecuaciones están tomadas de la versión métrica del Building Code Requirements for Structural Concrete del Instituto Americano del Concreto (ACI 318M-14).
1.10 TIPOS DE CEMENTO PORTLAND
Los concretos hechos con cemento portland normal requieren aproximadamente dos semanas para adquirir una resistencia suficiente que permita retirar la cimbra y aplicar cargas moderadas. Tales concretos alcanzan sus resistencias de diseño después de aproximadamente 28 días y después continúan ganando resistencia a un menor ritmo.
En muchas ocasiones es deseable acelerar la construcción por medio del uso de cementos de fraguado rápido, los cuales, si bien más caros, permiten obtener las resistencias deseadas en un periodo de 3 a 7 días en vez de los 28 días normales. Esos cementos son particularmente útiles para la fabricación de miembros prefabricados; en éstos, el concreto se cuela en cimbras, donde rápidamente adquiere las resistencias deseadas; luego se retiran las cimbras con objeto de usarlas nuevamente en otros colados. Está claro que cuanto más rápido se obtenga la resistencia deseada, más eficiente resultará la operación. Se pueden hacer consideraciones similares sobre el colado de edificios de concreto, piso por piso. Los cementos de fraguado rápido también se pueden usar con éxito en reparaciones de emergencia y para el concreto lanzado (en éste, un mortero o concreto se dispara a gran velocidad a través de una manguera hacia una superficie preparada de antemano).
Existen otros tipos especiales de cementos portland disponibles. El proceso químico que ocurre durante el fraguado o endurecimiento del concreto produce calor. En estructuras de concreto colosales, como presas, losas de cimentación y pilares, este calor se disipa muy lentamente y puede generar serios problemas, como ocasionar que el concreto se expanda durante su hidratación. Al enfriarse, el concreto se contrae, por lo que con frecuencia se desarrolla un severo agrietamiento.
El concreto puede usarse en lugares en que queda expuesto a diversos cloruros y/o sulfatos. Tales situaciones se presentan en las construcciones marinas y en estructuras expuestas a diversos tipos de suelos. Se fabrican algunos cementos portland con bajo calor de hidratación y otros con mayores resistencias al ataque de los cloruros y sulfatos.
En Estados Unidos, la American Society for Testing and Materials (ASTM) clasifica los cementos portland en cinco tipos.
Tipo I: el cemento común de usos múltiples empleado en trabajos de construcción en general.
Tipo II: un cemento modificado que tiene menor calor de hidratación que el Tipo I y puede resistir alguna exposición al ataque de los sulfatos.
Tipo III: un cemento de fraguado rápido que produce, en las primeras 24 horas, un concreto con una resistencia aproximadamente del doble que la del cemento tipo I. Este cemento produce calor de hidratación muy alto.
Tipo IV: un cemento de bajo calor que produce un concreto que disipa muy lentamente el calor. Se usa en estructuras de concreto de gran tamaño.
Tipo V: un cemento usado para concretos que van a estar expuestos a altas concentraciones de sulfatos.
Si el tipo requerido de cemento no está disponible en el mercado, pueden adquirirse varios aditivos con los que las propiedades del cemento Tipo I se modifican para producir las características deseadas.
1.11 ADITIVOS
Los materiales que se agregan al concreto durante o antes del mezclado se denominan "aditivos". Se usan para mejorar el desempeño del concreto en ciertas situaciones, así como para disminuir su costo.
- Los aditivos inclusivos de aire, que cumplen con los requisitos C260 y C618 de la ASTM, se usan principalmente para incrementar la resistencia del concreto al congelamiento y derretimiento; proporcionan mejor resistencia a la acción de deterioro de las sales descongelantes. Los agentes inclusivos de aire ocasionan la formación de espuma en el agua de mezclado, y como resultado se obtienen billones de burbujas de aire estrechamente espaciadas que se incorporan en el concreto. Cuando el concreto se congela, el agua penetra en las burbujas de aire, con lo cual se alivia la presión sobre el concreto. Cuando el concreto se descongela, el agua puede salir de las burbujas, gracias a lo cual hay un menor agrietamiento al que habría si no se hubiera usado el aire atrapado.
- La adición de aditivos acelerantes, como el cloruro de calcio, acelera en el concreto el desarrollo de su temprana resistencia. Los resultados de tales adiciones (particularmente útiles en climas fríos) son la reducción del tiempo requerido para el curado y la protección del concreto, así como el pronto retiro de la cimbra. (La Sección 26.4.1.4.1(c) del Código ACI establece que, debido a problemas de corrosión, el cloruro de calcio no debe agregarse a concretos con aluminio ahogado, ni a concretos colados en cimbras de acero galvanizado permanente, ni a concretos presforzados.) Hay otros aditivos aceleradores que pueden usarse, entre éstos se incluyen varias sales solubles y otros compuestos orgánicos.
- Los aditivos retardadores se usan para retardar tanto el fraguado del concreto como los aumentos de temperatura. Consisten en varios ácidos o azúcares, o derivados del azúcar. Algunos conductores de camiones de concreto llevan consigo sacos de azúcar para añadirla al concreto en caso de ser demorados por el tránsito u otra circunstancia. Los aditivos retardadores son particularmente útiles para grandes colados donde pueden presentarse notables incrementos de temperatura. También prolongan la plasticidad del concreto, lo cual permite mejorar el mezclado o adherencia entre colados sucesivos. Los retardadores también pueden desacelerar la hidratación del cemento en superficies de concreto expuestas o superficies cimbradas para producir acabados atractivos con agregado aparente.
- Los superplastificantes son aditivos hechos a partir de sulfonatos orgánicos. Su uso permite a los ingenieros reducir considerablemente el contenido de agua en los concretos y al mismo tiempo incrementar sus revenimientos. Aunque los superplastificantes también pueden usarse para mantener proporciones de agua-cemento constantes usando menos cemento, son más comúnmente usados para producir concretos manejables con resistencias considerablemente superiores, aunque se use la misma cantidad de cemento. (Véase la Sección 1.14.) Un producto relativamente nuevo, el concreto autoconsolidante, utiliza superplastificantes y modificaciones en las proporciones de las mezclas para producir una mezcla muy manejable que no requiere vibración, aun para las situaciones de colocación más congestionadas.
- Usualmente, los materiales impermeables al agua se aplican a las superficies endurecidas de concreto, pero pueden agregarse también a las mezclas de concreto. Estos aditivos consisten generalmente en algún tipo de jabón o de algunos productos derivados del petróleo, por ejemplo las emulsiones asfálticas. Pueden ayudar a retardar la penetración del agua en los concretos porosos, pero probablemente no ayudan mucho a los concretos densos bien curados.
1.22 INTRODUCCION A LAS CARGAS
Quizá la tarea más importante y difícil encarada por el proyectista de estructuras es la estimación precisa de las cargas que pueden aplicarse a una estructura durante su periodo de vida útil. No pueden dejar de considerarse cargas que puedan presentarse con cierta probabilidad razonable. Una vez estimadas las cargas, el siguiente problema consiste en determinar cuál será la peor combinación de éstas que pueda ocurrir en un momento dado. Por ejemplo, ¿podría estar un puente carretero, completamente cubierto con hielo y nieve, además de sujeto a las cargas dinámicas de camiones pesados viajando a gran velocidad en todos los carriles y con un viento lateral de 90 millas, o es más razonable considerar una combinación de cargas más ligeras?
1.23 CARGAS MUERTAS
Las cargas muertas son cargas de magnitud constante que permanecen en un mismo lugar. Incluyen el peso propio de la estructura en estudio, así como también cualesquiera elementos que están permanentemente unidos a ella. En un edificio con estructura de concreto reforzado, algunas de las cargas muertas son los marcos, muros, pisos, cielos rasos, escaleras, techos y plomería.
Para diseñar una estructura, es necesario estimar los pesos o cargas muertas de las diversas partes para considerarlas en el diseño.
En la Tabla 1.2 se dan los pesos aproximados de algunos materiales comunes que se usan en pisos, muros, techos, etcétera.
1.24 CARGAS VIVAS
Las cargas vivas son cargas que pueden cambiar de magnitud y posición. Éstas incluyen cargas de ocupantes, cargas de materiales en bodegas, cargas de materiales de construcción, cargas de grúas viajeras, cargas de equipo en operación y muchas otras. Por lo general, son cargas inducidas por la gravedad.
Algunas de las cargas vivas de piso típicas que actúan en las estructuras se presentan en la Tabla 1.3. Estas cargas, que están tomadas de la Tabla 4-1 en el ASCE 7-10, actúan hacia abajo y quedan distribuidas uniformemente sobre todo un piso. En contraste, las cargas vivas de techo tienen un valor máximo de 20 lb/pie2 (libras por pie cuadrado) distribuido uniformemente sobre el techo en su totalidad.
Otros tipos de cargas vivas son:
Cargas de tránsito en puentes: los puentes están sujetos a una serie de cargas concentradas de magnitud variable causadas por grupos de ruedas de camiones o de trenes.
Cargas de impacto: las cargas de impacto las causan la vibración de las cargas móviles o movibles. Es obvio que un bulto arrojado al piso de un almacén o un camión que rebota sobre el pavimento irregular de un puente causan mayores fuerzas que las que se presentarían si las cargas se aplicaran suave y gradualmente. Las cargas de impacto son iguales a la diferencia entre las magnitudes de las cargas realmente generadas y las magnitudes de las cargas consideradas como muertas.
Cargas longitudinales: las cargas longitudinales también necesitan considerarse en el diseño de algunas estructuras. Al detenerse un tren en un puente de ferrocarril o un camión en un puente de carretera, se producen en éstos fuerzas longitudinales. No es difícil imaginar la tremenda fuerza longitudinal que se desarrolla en un puente cuando el conductor de un camión con remolque de 40 toneladas viajando a 60 millas por hora repentinamente tiene que frenar al cruzar un puente de carretera. Hay otras situaciones de carga longitudinal, por ejemplo, la que se suscita cuando un barco golpea el muelle y cuando se mueven las grúas tipo viajero sostenidas por los marcos de las edificaciones industriales.
Cargas diversas: entre los otros tipos de cargas vivas a las que el proyectista de estructuras tendrá que enfrentarse, se encuentran las presiones del suelo (tales como el ejercicio de presiones laterales de la tierra sobre muros o las presiones hacia arriba sobre las cimentaciones), las presiones hidrostáticas (presión hidráulica sobre las presas, fuerzas de inercia de grandes masas de agua durante los terremotos y subpresiones sobre tanques y estructuras en sótanos), las cargas explosivas (causadas por explosiones, por aviones supersónicos y por armas militares) y las fuerzas centrífugas (como las causadas por camiones y trenes en puentes curvos o efectos similares en montañas rusas).
Se permiten reducciones de carga viva, según la Sección 4.8 de ASCE 7, porque es improbable que la estructura entera esté sujeta a su carga viva de diseño total sobre toda el área de piso, todo al mismo tiempo. Esta reducción puede reducir significativamente la carga viva de diseño total en una estructura, lo cual resulta en cargas de columna mucho más bajas en pisos inferiores y cargas sobre las zapatas.
1.25 CARGAS AMBIENTALES
Las cargas ambientales son cargas causadas por el medio ambiente en el cual se encuentra la estructura. Para edificios, son causadas por la lluvia, nieve, viento, cambios de temperatura y terremotos. Estrictamente hablando, son también cargas vivas, pero son el resultado del ambiente en el que la estructura se encuentra. Aunque varían con el tiempo, no todas son causadas por la gravedad o las condiciones de operación, como es usual con otras cargas vivas.
1. Nieve y hielo. En los países más fríos, las cargas de nieve y hielo en ocasiones son considerables. Una pulgada de nieve equivale a aproximadamente 0.5 lb/pie2, pero puede ser mayor en elevaciones menores, donde la nieve es más densa. Para los diseños de techos se usan cargas de nieve de 10 lb/pie2 a 40 lb/pie2, la magnitud depende principalmente de la pendiente del techo y en menor grado de su tipo de superficie. Los valores mayores se usan para techos horizontales, y los menores, para techos inclinados. La nieve tiende a resbalar en los techos con pendiente, sobre todo en aquellos con superficies de metal o pizarra. Una carga de aproximadamente 10 lb/pie2 podría usarse para pendientes de 45° y una de 40 lb/pie2 para techos a nivel. Los estudios de registros de precipitación de nieve en áreas con inviernos severos pueden indicar la ocurrencia de cargas de nieve mucho mayores que 40 lb/pie2, con valores tan altos como 80 lb/pie2.
La nieve es una carga variable, que puede cubrir todo un techo o sólo partes de éste. Puede haber ventiscas contra los muros o acumulación en la lima hoya o entre los parapetos. La nieve puede deslizarse de un techo a otro situado más abajo. El viento puede barrerla de una parte de un techo con pendiente, o la nieve puede solidificarse y quedarse en su posición original aun durante fuertes vendavales. Las cargas de nieve que se aplican a una estructura dependen de muchos factores, como la localización geográfica, inclinación del techo, resguardo y forma del techo.
2. Lluvia. Aunque las cargas de nieve son un problema más severo que las cargas pluviales en los techos comunes, la situación puede invertirse en los techos horizontales, especialmente aquellos localizados en lugares con clima cálido. Si el agua en un techo sin pendiente se acumula más rápidamente que lo que tarda en escurrir, el resultado se denomina encharcamiento; la carga aumentada causa que el techo se flexione en forma de plato hondo, que entonces puede contener más agua, lo que a su vez causa mayores deflexiones, etc. Este proceso continúa hasta que se alcanza el equilibrio o el colapso de la estructura.
3. Viento. Una revisión de la literatura técnica de ingeniería durante los pasados 150 años revela muchas referencias a fallas estructurales causadas por el viento. Es importante notar que un gran porcentaje de las fallas en edificios debidas al viento han ocurrido durante su construcción.
En años recientes se ha investigado exhaustivamente el tema de las cargas de viento. No obstante, más estudio es necesario, ya que el cálculo de las fuerzas del viento no puede considerarse de ninguna manera como una ciencia exacta. La magnitud y la duración de las cargas del viento varían con la localidad geográfica, la altura de las estructuras sobre el terreno, tipos de suelo alrededor de las estructuras, proximidad de otros edificios, posición dentro de la estructura y carácter del viento mismo.
Los Capítulos 26 a 31 de la especificación ASCE 7-10 proporcionan un procedimiento más bien largo para estimar las presiones del viento aplicadas a los edificios. El procedimiento involucra varios factores, con ayuda de los cuales se intenta tomar en cuenta el terreno alrededor del edificio, la importancia del edificio respecto a la vida y el bienestar humanos y por supuesto la velocidad del viento en el sitio de la obra. Aunque el uso de las ecuaciones es algo complicado, el trabajo puede simplificarse considerablemente con las tablas presentadas en la especificación. Sin embargo, se advierte al lector que tales tablas son para edificios de forma regular. Si se considera un edificio de geometría irregular o no usual, probablemente se tenga que llevar a cabo estudios en túneles de viento.
4. Cargas sísmicas. Muchas zonas del mundo están en territorio sísmico y en tales zonas es necesario considerar fuerzas sísmicas en el diseño de todos los tipos de estructuras.
Los terremotos recientes han demostrado claramente que el edificio o puente promedio que no ha sido diseñado para resistir fuerzas sísmicas puede ser destruido por un terremoto que no sea particularmente severo. La mayoría de las estructuras pueden diseñarse y construirse económicamente para resistir las fuerzas generadas durante la mayoría de los terremotos. Por otra parte, el costo de proporcionar resistencia sísmica a estructuras existentes (llamado remodelación) puede ser extremadamente alto.
Algunos ingenieros estiman que las cargas sísmicas que se consideran en el diseño son meramente incrementos porcentuales de las cargas de viento. Sin embargo, esta suposición es incorrecta, ya que las cargas sísmicas son diferentes en su acción y no son proporcionales a las áreas expuestas del edificio, sino más bien proporcionales a la distribución de la masa del edificio sobre el nivel considerado.
Otro factor a ser considerado en el diseño sísmico es la condición del suelo. Casi todo el daño estructural y pérdida de vidas en el terremoto de Loma Prieta ocurrieron en áreas con suelos de arcilla suave. Parece ser que esos suelos amplificaron los movimientos de la roca subyacente.
Debe entenderse claramente que los terremotos afectan a las estructuras de manera indirecta. El suelo se desplaza y como las estructuras están conectadas a éste, también se desplazan y vibran. Como consecuencia, diversas deformaciones y esfuerzos son causados en toda la estructura.
De la información anterior se puede entender que los sismos no producen ninguna fuerza externa en las estructuras sobre el nivel del suelo. Los procedimientos para estimar las fuerzas sísmicas, tales como los presentados en los Capítulos 11 al 23 de ASCE 7-10, son muy complicados. Como consecuencia, por lo general se estudian en los cursos de análisis estructural avanzado, tales como dinámica estructural o diseño para resistencia sísmica.
Una de las especificaciones para diseño de cargas en edificios más ampliamente usada es la publicada por la American Society of Civil Engineers [Sociedad Americana de Ingenieros Civiles] (ASCE).
El proyectista usualmente tiene una buena guía en el código de construcción de su región de trabajo para la estimación de las cargas vivas de diseño. Desafortunadamente, los valores dados en estos códigos varían de ciudad a ciudad, por lo cual el proyectista debe asegurarse de que se cumplan en cada caso los requisitos de la localidad considerada. En ausencia de un código gobernante, puede consultarse el excelente código ASCE.
Algunas otras especificaciones muy aplicadas son:
- Para puentes de ferrocarril, las de la American Railway Engineering Association [Asociación Americana de Ingenieros de Ferrocarriles] (AREA).
- Para puentes carreteros, las de la American Association of State Highway and Transportation Officials [Asociación Americana de Oficiales de Carreteras y Transportes del Estado] (AASHTO).
- Para edificios, el International Building Code [Código Internacional de Construcción] (IBC).
El diseño del concreto reforzado no es una ciencia exacta, no tiene sentido tratar de obtener resultados con seis u ocho cifras significativas. Las razones para esta afirmación deberían ser bastante obvias: el análisis de estructuras se basa en suposiciones parcialmente verdaderas;
las resistencias de los materiales usados varían ampliamente; las estructuras no se construyen con las dimensiones exactas mostradas en los planos y las cargas máximas sólo pueden determinarse en forma aproximada.
Los cálculos con más de dos o tres cifras significativas obviamente son de poco valor y pueden darles a los estudiantes una falsa impresión de exactitud.
1.28 IMPACTO DE LAS COMPUTADORAS EN EL DISEÑO DE CONCRETO REFORZADO
Con una computadora, el proyectista puede reducir considerablemente el tiempo requerido para los cálculos y dedicar el tiempo ahorrado para considerar diseños alternativos. Aunque las computadoras aumentan la productividad del diseño, sin duda tienden al mismo tiempo a reducir el “sexto sentido” del proyectista para las estructuras. Esto puede ser un problema especial para los ingenieros jóvenes con poca experiencia previa en el diseño. A menos que los proyectistas tengan este “sexto sentido”, el uso de la computadora, aunque acelera el trabajo y reduce muchos errores, puede conducir ocasionalmente a grandes equivocaciones.