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N° 33: Anclajes en el concreto Enviado por editor el Jue, 02/03/2017 - 12:53 Por Arnaldo Gutiérrez Figura 1. Uso de anclajes en el concreto: a) Pernos postinstalados en una estructura de concreto para empotrar ménsula de apoyo de una viga doble. Ampliación edificio de Laboratorios, UCAB, Caracas. Fotografía A. Gutiérrez.

b) Pernos de anclajes preinstalados en el pedestal de una fundación directa.

INTRODUCCIÓN Para transmitir las fuerzas axiales y de corte de los miembros y estructuras de acero al concreto se utilizan anclajes de acero, sean instalados en concreto endurecido con una edad mínima de 21 días (ACI 318-14, Sección 17.1.2), como se ejemplifica con Figura 1a, o antes de colocar el concreto, anclajes preinstalados como se aprecia en la Figura 1b. También se emplean estos anclajes en la suspensión desde las losas de piso o techo de los sistemas de iluminación, de tuberías y diferentes conductos de ventilación y de aire acondicionado. En la práctica y en la docencia de estructuras de acero, el anclaje de la estructura de acero a las fundaciones es un gran desafío no resuelto completamente. También es un tópico ignorado en la asignatura Concreto Reforzado de la carrera de Ingeniería Civil. La motivación y objetivo del presente Cuaderno es contribuir a la familiarización con los conceptos, normas y tecnología actualizadas de los anclajes en el concreto, para lo cual se entregan documentación y ejemplos en los Anexos, cuyo manejo dará la confianza requerida para enfrentar el diseño asistido por computador (software) que muchos fabricantes de anclajes ponen gratuitamente a su disposición. ANCLAJES EN EL CONCRETO La Figura 2 contiene los anclajes contemplados por el Instituto Americano del Concreto, ACI, que rige el análisis, diseño y detallado para la seguridad de tales anclajes desde el Reglamento ACI 31802 (en el Apéndice D) al actual ACI 318-14 (en el Capítulo 17, que es el utilizado en este Cuaderno). Figura 2. Tipos de anclajes normalizados por el ACI 318-14 a) Anclajes preinstalados

b) Anclajes preinstalados

En la Figura 2a, como anclajes preinstalados: a) pernos de acero estructural con su cabeza dentro del concreto; b) y c) barras dobladas en L o en J; d) pernos con cabeza soldados a una plancha. En la Figura 2b, como anclajes postinstalados: a) anclajes adhesivos (incorporados a partir de la edición ACI 318-11); b) anclaje con sobre perforación en su base (undercut); c1 y c2) anclajes expansivos de torque controlado; d) anclajes de expansión de desplazamiento controlado. (Para más detalles sobre los anclajes, ver en Anexos, Ayudas para el proyecto: Notación y algunas definiciones ACI para anclajes). El actual alcance del Capítulo 17 no cubre toda la oferta de la industria de los anclajes, pero deja la opción de autorizar el usos de aquellos productos que aprueben los requisitos de las normas ACI 355.2 Calificación de los anclajes mecánicos postinstalados en el concreto (ver Anexo, Documentos Complementarios) y ACI 355.4 Calificación de los anclajes adheridos post-instalados en el concreto y Comentario, según sea el caso. Figura 3. Orientaciones posibles de anclajes (ACI 318-14, Fig. R.2.2. Ver Sección 17.8.2.4).

Las principales ventajas y desventajas comparativas entre los tipos de anclajes se entregan en las Tablas 1 y 2. Tabla 1. Anclajes preinstalados Ventajas

Los anclajes se colocan con precisión respecto a las barras del acero de refuerzo. Variedad de anclajes, en diámetros, longitudes y configuraciones.

Pueden moverse durante la colocación del concreto. Sensibles a la consolidación del concreto. Desventajas No pueden moverse después que se ha colocado el concreto. Los anclajes en los muros y en los sofitos de las losas, necesitan penetrar el encofrado para su instalación. Tabla 2. Anclajes postinstalados

Ventajas

Pueden ser instalados con precisión respecto a los componentes. Evitan la perforación del encofrado.

La localización de los anclajes respecto al acero de refuerzo puede ser imprecisa y podrían dañarlos al realizar las perforaciones para su colocación. Generalmente los anclajes postinstalados tienen menor resistencia que los anclajes Desventajas preinstalados de igual diámetro y profundidad de empotramiento. Con respecto a los pernos preinstalados, requieren mayor trabajo de inspección, como se especifica, más adelante, en las consideraciones constructivas. VINCULACIÓN ENTRE LAS NORMATIVAS ACI y AISC El antiguo Apéndice D del ACI y los documentos relacionados con los anclajes del Reglamento ACI 318, actualizados en ACI 318-14, son los referentes en muchas normas internacionales. Así por ejemplo el ACI 318-11 fue adoptado por el 2012 IBC y desde el 2014, al mejorarse los requisitos sismorresistentes y de diseño por fuerza cortante, se aplica en el estado de California. En los Documentos complementarios del Anexo, se incluyen las normas del estado de Florida y en Ayudas para el proyecto, la Guía preparada por el Hong Kong Institute of Steel Construction. El Instituto Americano de la Construcción de Acero, AISC, remite al Apéndice D del ACI 318 (en los documentos publicados hasta el 2010 y al Capítulo 17 del ACI 318-14 a partir de los documentos con fecha de 2016), como se comenta a continuación: ANSI/AISC 341-10 Seismic Provisions for Structural Steel Buildings Sección D2.6 Bases de columnas: “La resistencia disponible de los elementos de concreto en las bases de las columnas, incluyendo las barras de anclaje empotradas y el acero de refuerzo, será de acuerdo con el Apéndice D del Reglamento ACI 318” Nota para el usuario. Cuando el acero de refuerzo en el concreto es parte del anclaje empotrado (embedment), es importante considerar los modos de falla y proporcionar la longitud de transferencia del acero de refuerzo a ambos lados de la superficie esperada de falla. Ver el Apéndice D del Reglamento ACI 318, incluyendo el Comentario” Adicionalmente, en el Seismic Manual, páginas 4-105 a 4-111, Ejemplo 4.3 “Diseño de una base de columna de un pórtico especial de momento (SMF)”, se utiliza el Apéndice D del ACI 318-08. AISC Design Guide 1- Base Plate and Anchor Road Design. Second edition, 2006 Carga axial de compresión concéntrica. Véase el Ejemplo. 

Barras de anclajes en tracción. Con una comparación entre AISC y ACI.



Anclajes en concreto para fuerzas de tracción.



Corte en barras de anclajes.



Ejemplos de diseños: 4.4 y 4.5

HIPÓTESIS PARA EL PROYECTO DE SISTEMAS DE ANCLAJES EN EL CONCRETO

El Capítulo 17 del Reglamento ACI 318-14 considera las siguientes hipótesis en el proyecto de un sistema de anclajes al concreto: Las solicitaciones en los anclajes se aplican a través de la plancha base. Se ignora la fricción entre la plancha base y el concreto. Las reacciones en los anclajes se calculan mediante análisis elástico o inelástico. En el análisis elástico, las reacciones varían linealmente con la distancia al eje de rotación. En el análisis inelástico, las fuerzas se redistribuyen entre los anclajes dúctiles, tomando en cuenta la compatibilidad de deformaciones (Sección 17.2.1). La resistencia a tracción de los anclajes no se afecta por la presencia cercana del campo de compresión. El concreto fisurado tiene suficiente acero de refuerzo para restringir la anchura de las fisuras producidas por las solicitaciones de diseño. Los anclajes que constituyen un grupo, son similares en tipo, diámetro y profundidad de empotramiento. En edificaciones sujetas a las acciones sísmicas, los anclajes no deben estar localizados en las zonas donde se espera la formación de articulaciones plásticas. Por lo tanto, una evaluación preliminar del proyecto de un sistema de anclajes debe tomar en cuenta: 

La localización relativa de los anclajes entre sí, a los bordes de la plancha base y a los extremos de los bordes de concreto.



El tipo de anclaje, preinstalados o postinstalados. En los anclajes post-instalados debe diferenciarse entre los anclajes mecánicos de los anclajes químicos o por adherencia. Ver la Figura 11 de la clasificación general de los sistemas en la reseña que en Anexos se hace de la norma BC 354-48 del estado de la Florida, USA.



Diámetro y longitud del anclaje a ser empotrado en el concreto.



En las reacciones de los anclajes, además de los momentos, deben considerarse las componentes de las fuerzas normales y las fuerzas cortantes.



El factor de mayoración de las solicitaciones sísmicas según la Categoría de Diseño Sísmico (Seismic Design Category, SDC).

REQUISITOS SISMORRESISTENTES PARA LOS SISTEMAS DE ANCLAJES EN EL CONCRETO Los requisitos sismorresistentes de las Secciones 4.4.6 y 5.2.2 del ACI 318-14 se han adoptado de los criterios del ASCE/SEI 7 Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures en el que el desempeño esperado se determina asignando la edificación a una Categoría de Riesgo (se consideran cuatro categorías: I a IV) basada en el riesgo que la sociedad está dispuesta a aceptar como consecuencia de una falla estructural o función de pérdida. En Ingeniería Sísmica, la categoría de riesgo se usa conjuntamente con los parámetros que definen la sacudida producida

por el movimiento sísmico en el terreno de fundación, y el factor de importancia que depende del uso y la ocupación a que se destina la construcción. Se establecen las Categorías de Diseño Sismorresistente (Seismic Design Category, SDC) identificadas con las letras A a F. Ver en la Tabla R5.2.2 del ACI 318-14 la correlación entre las terminología usada por los códigos ACI, IBC, NFPA, ASCE, NEHRP, BOCA y UBC. Las construcciones asignadas como SDC A no experimentan movimientos del terreno que puedan causar un desempeño inaceptable, aún cuando no se proyectan y construyen de manera sismorresistente. Las construcciones SDC B o C pueden sufrir daños inaceptables cuando no se proyectan y construyen de manera sismorresistente, y las construcciones asignadas como SDC D, están preparadas para soportar intensas sacudidas del terreno capaces de producir deformaciones inelásticas. Cuando se desconocen las propiedades del suelo con suficiente detalle para determinar el SDC, las normas explícitamente asignan la categoría SDC D. Las construcciones asignadas a SDC E o F están localizadas a pocos kilómetros dentro del área de una falla geológica activa capaz de producir un terremoto de gran magnitud con picos de aceleración que exceden de 0.60g, por lo que aún bien proyectadas y construidas su respuesta inelástica pueden causar severos daños, por lo que exigen de un cuidadoso prediseño, diseño, detallado, construcción e inspección. Ver en Anexos/Ayudas para el proyecto de sistemas de anclajes/Diseño sismorresistente de anclajes, las lecciones por aprender dejadas por el terremoto del 2010 en Chile: Anclajes dañados en el terremoto de Chile 2010, Instalaciones industriales afectadas por el terremoto de Chile 2010, Tanques de vino durante el terremoto de Chile 2010. SELECCIÓN DE LOS ANCLAJES La Subsección 17.2.3.3. del ACI 318-14 exige que los anclajes postinstalados, mecánicos o adhesivo, deben estar normalizados por ensayos de laboratorios independientes a los de los fabricantes, bajo condiciones controlados que demuestren que satisfacen los requisitos de los documentos ACI 355.2 Calificación de los anclajes mecánicos postinstalados en el concreto (incluido en el Anexo ACI355.2.01 Evaluación de anclajes y ACI 355.4 Calificación de los anclajes adheridos post-instalados en el concreto y Comentario. Para enfatizar el cumplimiento de que la capacidad nominal del anclaje se basa el 5% fractil de las capacidades individuales de los anclajes, es decir, una confianza del 90% que el 95% de las capacidades medidas experimentalmente supere la capacidad nominal, los catálogos contemporáneos de los fabricantes de anclajes han reorientado su información más hacia la estadísticas de sus ensayos que al comportamiento de los anclajes como fue en el pasado. Ver en Anexos: Ayudas para el proyecto de sistemas de anclaje / Aclaratoria sobre el término Fractil. Tabla 3. Recomendaciones de los fabricantes para la selección de los anclajes Solicitaciones Consideraciones para la selección o cargas

Estática

Designación del tipo de anclaje

Colocación directa o a través de un elemento. Buscar en internet catálogo del Anclajes fijos o removibles. fabricante Solicitaciones de proyecto.

Vibración constante

Naturaleza u origen de la vibración. Factores de seguridad. Distancias a los bordes. Fijación en la zona de tracción.

Impacto

Naturaleza u origen del impacto. Magnitud y dirección de la fuerza cortante del proyecto. Anclajes fijos y anclajes removibles por mantenimiento.

Sísmica

Las condición sismorresistente se caracteriza por la reversión de dirección de las solicitaciones, por lo que el ingeniero estructural siempre deberá consultar al fabricante, antes del inicio del proyecto, sobre la disponibilidad y características de los anclajes más recomendables. Se han usado los anclajes químicos HVA, para placas bases, y los anclajes mecánicos HSL para placas bases y muros con cargas dinámicas medias. No confundirse con los anclajes mecánicos HKB, mas económicos, pero no sismorresistentes. Los anclajes mecánicos KWIK BOLT 3 son totalmente inadecuados en condiciones dinámicas, porque generan fractura del concreto circundante a la cabeza del anclaje y con las tensiones provenientes de la acción dinámica, se pierde capacidad en el anclaje por la relajación debida a la disminución de la superficie efectiva de contacto concreto-anclaje en dicha cabeza o cono de tracción. Los anclajes adhesivos no deben quedar expuestos al calor de las soldaduras.

COMPORTAMIENTO Y MODALIDADES DE FALLA DE LOS ANCLAJES Los anclajes en el concreto pueden presentar distintas modalidades de fallas dependiendo de varios factores: la resistencia del concreto; la profundidad de colocación, la distancia al borde del concreto, y la distancia entre los anclajes; el tipo y la dirección de la solicitación. La Figura 4 ilustra las modalidades de falla tipificadas en la Sección 17.3.1 del Reglamento ACI 318-14. La Figura 4b corresponde a la modalidad de falla por adherencia cuando el anclaje individual o en grupo está cargado en tracción, modalidad de falla incorporada desde la edición 2011 del Reglamento ACI 318, al incluirse en el alcance los anclajes adhesivos. Figura 4. Tipificación de las modalidades de falla de los anclajes en el concreto según el Reglamento ACI 318-14.

a) Modalidades de falla de los anclajes en el concreto.

Cargados en tracción b) Modalidad de falla por adherencia en anclajes individuales (single) o en grupo (group) incorporado desde el ACI 318-11.

La falla por cedencia y rotura en anclajes mecánicos o adhesivos (Figura 4(a)i) se produce cuando la resistencia de agotamiento del anclaje, en tracción o en corte, es excedida por la carga aplicada. Ocurre también con una profundidad de colocación insuficiente o con diámetros pequeños, por lo que la solución es usar anclajes con material de mayor resistencia o de mayor diámetro. También cuando se usan anclajes con cabeza, porque la superficie de apoyo es suficientemente grande como para descartar el deslizamiento del anclaje. En el deslizamiento de anclajes adhesivos solicitados a tracción (pullout), Figura 4 (a),ii), se presenta una ruptura cónica de poca profundidad en la interfaz de adherencia entre el material base y el adhesivo. El cono de ruptura del concreto no es el mecanismo de falla, lo diferencia de la rotura del concreto (breakout, Figura 4a,iii) que se observa en los anclajes en los anclajes

mecánicos a tracción. La solución es aumentar la fuerza de expansión con un mayor tamaño o diámetro del anclaje. La ruptura cónica del concreto (concrete breakout, Figura 4(a),iii) caracteriza a los sistemas de anclajes mecánicos o adhesivos solicitados a tracción, instalados a poca profundidad, o cuando se instalan en grupos con separaciones inferiores a la separación crítica. Se soluciona al incrementar la fuerza de expansión con un mayor tamaño de los anclajes. El hendimiento del concreto (concrete splitting, Figura 4(a),v) con anclajes mecánicos o adhesivos se presenta en concreto de poco espesor o dimensiones, por lo que se recomienda usar una mayor distancia entre los anclajes y los bordes y una mayor profundidad de colocación. Rotura del borde de concreto (concrete breakout, Figura 4(a), iv y 4(b), iii) se observa en anclajes mecánicos o adhesivos solicitados en tracción o en corte instalados a una distancia del borde inferior a la distancia crítica o las cargas se aplican en dirección al borde que obliga a un factor de reducción. Se recomienda entonces mayor distancia al borde y separación entre anclajes. También el uso de anclajes adhesivos que no producen fuerza de expansión. La falla por adherencia mostrada en la Figura 4b se presenta generalmente en concretos de baja resistencia debido al desmoronamiento del concreto antes de que se desarrolle la resistencia de agotamiento del acero. También por una perforación sobredimensionada, o en anclajes cementados (grouted) o químicos cuya profundidad de empotramiento es insuficiente. Una discusión más amplia sobre las modalidades de falla se encuentra en la carpeta Ayudas para el proyecto de sistemas de anclajes: Modalidades de falla de anclajes. PREDIMENSIONADO DE UN SISTEMA DE ANCLAJES EN EL CONCRETO Tanto los fabricantes de los anclajes como los ingenieros que los incorporan en sus proyectos estructurales, reconocieron la complejidad de la aplicación del Apéndice D, actual Capítulo 17 del ACI 318-14. Los fabricantes suministran de manera gratuita programas para computador (software) que facilitan los tanteos para conseguir la solución más conveniente en cada situación en particular (verlos en Anexos/Ayudas para el proyecto). Sea que se recurra o no a estas ayudas, conviene hacer un prediseño del sistema de anclajes al concreto según los siguientes lineamientos: 1. Seleccionar el tipo de anclaje más apropiados: preinstalados (anclajes por prolongación recta, anclajes con ganchos en L o J, anclajes con cabeza, anclajes con pletina y tuerca) o postinstalados (mecánicos o adhesivos). Ver Tabla 3. 2. Calcular las solicitaciones del proyecto según las combinaciones de solicitaciones contempladas en la Sección 5.3.1 del ACI 318-14. 3. Calcular el área y número de anclajes para las solicitaciones que controlan el proyecto. Se consideran tres solicitaciones básicas: Tracción (Artículo 17.4), Corte (Artículo 17.5) y una combinación de las mismas (Artículo 17.6). Ver la presentación de Ejemplos que se hace en Anexos. 4. Tomar en cuenta que la proximidad a un borde de concreto, la separación entre los anclajes, y el espesor del miembro de concreto donde se fijan pueden reducir

significativamente la resistencia del sistema de anclaje, por lo que debe revisarse el espacio disponible, disponer los anclajes, como se especifica en Artículo 17.7 del ACI 31824. En el predimensionado del sistema de anclajes se recomienda usar la información de las Tablas 4 a 6, con las distancias mínimas en función de la profundidad efectiva de anclaje, hef, que inicialmente puede suponerse 8 veces el diámetro del anclaje. Tabla 4. Distancias críticas a los bordes, cac de pernos individuales (Sección 17.7.6) Anclaje

No menor de

Anclaje químico o adhesivo

2 hef

Con sobresuperficie en su base (undercut)

2.5 hef

Anclaje mecánico de torque o desplazamiento controlado 4 hef Con: hef ≤ 2/3 espesor, ha; o, hef = ha─10 cm hef = profundidad de empotramiento del anclaje ha = espesor del miembro de concreto. Ver Ejemplo 3. Tabla 5. Profundidad límite para pernos adhesivos Subsección 17.3.2.2.3 Diámetro nominal Mínimo Máximo da 4 da 20 da plg

mm

plg mm plg mm

1/4

6.35

1.0 25.4 5.0 127.0

3/8

9.525

1.5 38.1 7.5 190.5

1/2

12.7

2.0 50.8 10.0 254.0

5/8

15.875

2.5 63.5 12.5 317.5

3/4

19.05

3.0 76.2 15.0 381.0

7/8

22.225

3.5 88.9 17.5 444.5

1

25.4

4.0 101.6 20.0 508.0

Tabla 6. Separación mínima, s, y distancia a los bordes, camín para evitar el hendimiento del concreto Sección 17.7.1 a 17.7.3

Mínima Tipo de anclaje s

ca,min

Sin torque

4 da No aplica

Con torque

6 da 6 da

Preinstalados Sobreperforado en su base

6 da

Torque controlado

8 da

Post instalados

6 da Desplazamiento controlado

10 da

Adhesivos

6 da

Nota.- La longitud mínima de empotramiento es de 8da (Subsección 17.2.3.4.3(3)) PROYECTO DE UN SISTEMA DE ANCLAJES SEGÚN EL CAPÍTULO 17 DEL REGLAMENTO ACI 318-14 La filosofía del proyecto de un sistema de anclajes en el concreto responde al planteamiento general de la Sección 17.2.2: Capacidad (Resistencia) del anclaje reducida mediante un factor de minoración.

≤

Demanda (Solicitaciones) sobre el anclaje incrementada mediante un factor de mayoración.

que explícitamente se entrega en la Tabla 7 del presente Cuaderno. La falla del sistema de anclajes siempre debe ser dúctil, como se indica en la Figura 5, comentada en el trabajo Requisitos de ductilidad para anclajes, disponible en Ayudas para el proyecto de sistemas de anclajes / Carpeta Diseño sismorresistente de anclajes. Figura 5. Jerarquización de las modalidades de falla en un sistema de anclajes en tracción. De izquierda a derecha, la rotura frágil del acero (steel), la rotura del concreto (breakout), y el desprendimiento del concreto (pullout). Observar que se comparan las capacidades teóricas. [Jason Oakely, 2015].

Tabla 7 Capacidad de los anclajes al concreto Excepto cuando controlen los requisitos sismorresistentes de la Sección 17.2.3 Anclajes en grupo Anclaje Anclaje individual individual en el grupo

Modo de falla

Tracción (Artículo 17.4)

Corte (Artículo 17.5)

Resistencia del anclaje (17.4.1)

Nsa ≥ Nua

Rotura del concreto (17.4.2)

Ncb ≥ Nua

Desprendimiento del concreto (pullout) (17.4.3)

Npn ≥ Nua

Descascaramiento cara lateral de concreto (side-faceblowout) (17.4.4)

Nsb ≥ Nua

Nsa ≥ Nua,i

Ncbg ≥ Nua,g

Npn ≥ Nua,i

Nsbg ≥ Nua,g

Adherencia de anclajes adhesivos (bond failure) (17.4.5)

Na ≥ Nua

Resistencia del anclaje (17.5.1)

Vsa ≥ Vua

Rotura del concreto (17.5.2)

Vcb ≥ Vua

Vcbg ≥ Vua,g

Vcp ≥ Vua

Vcpg ≥ Vua,g

Rotura del concreto por cabeceo del anclaje (pryout) (17.5.3)

Interacción de las fuerzas de tracción y de corte (Artículo 17.6) Cuando Vua /

Vt ≤ 02 : fNt ≥ Nua

Sección 17.6.1

Cuando Nua /

Nt ≤ 02 : fVt ≥ Vua

Sección 17.6.2

En caso contrario, es decir, cuando Vua /

Anclajes como un grupo

Vt ≥ 02 y Nua /

Nt ≥ 02,

controla la Sección 17.6.3:

Nag ≥ Nua,g

Vsa ≥ Vua,i

Nua /

Nt + Vua /

Vtt ≤ 1.2

Notas. La capacidad del anclaje y en la falla de desprendimiento se calculará para el anclaje más demandado en el grupo. Se respetarán las distancias mínimas para evitar la falla por hendimiento del concreto (splitting failure) Sea en tracción o en corte, según el Artículo 17.7 controlará la falla que arroje el menor valor del anclaje. Los sistemas de anclajes al concreto cumplirán con los criterios generales mostrados en la Tabla 8 y que se utilizan en los Ejemplos del Anexo. Tabla 8. Criterios generales para los sistemas de anclajes al concreto Requisitos generales, Artículo 17.2 Métodos de análisis, Sección 17.2.1 Requisitos sismorresistentes, Sección 17.2.3 Solicitaciones, Sección 5.3.1 Ductilidad del anclaje o del grupo de anclajes, Subsección17.2.3.4.3 Distancias, separaciones, y espesores de concreto, mínimos. Artículo 17.7 Acción de grupo, Subsección 17.2.1.1 Factores de minoración de la resistencia teórica, f, Secciones 17.3.3 y 17.3.4 Requisitos para solicitaciones de tracción, Subsección 17.2.3.4] Requisitos para solicitaciones de corte, Subsección 17.2.3.5 Interacción tracción – corte, Artículo 17.6 Anclajes adheridos instalados horizontalmente, Sección 17.2.4 Instalación e inspección, Artículo 17.8 El procedimiento de proyecto de un sistema de anclajes preinstalados o postinstalados está condicionado por el tipo de solicitaciones como se esquematiza en las Tablas 9 y 10, y se discute en el Anexo en la presentación de los Ejemplos. Tabla 9. Proyecto de los sistemas de anclajes al concreto en función de las solicitaciones: Fuerza normal de tracción Solicitación dominante Sistema de anclajes

Modo de fallas Tracción en el anclaje Rotura del concreto

Fuerza de tracción

Preinstalados

Desprendimiento del concreto Descascaramiento lateral del concreto Hendimiento del concreto

Tracción en el anclaje Rotura del concreto Mecánicos Desprendimiento del concreto o expansivos Verificación del anclaje Hendimiento del concreto Postinstalados Diámetro y largo del anclaje. Tracción en el anclaje Adhesivos

Resistencia por adherencia Rotura del concreto Hendimiento del concreto

Comentario a la Tabla 9 La resistencia a tracción del anclaje usualmente prevalece por sobre la rotura del concreto ya sea porque se utiliza acero de refuerzo en el concreto o porque la profundidad, distancia a los bordes y espaciamiento entre anclajes es suficiente como para que la rotura del concreto exceda a la del acero. Para maximizar la resistencia del concreto los anclajes individuales deberán separase de los bordes al menos 1.5 hef en pernos preinstalados y 1.5 hef y 1.0 cNa para anclajes adhesivos postinstalados. Para anclajes en grupos, los anclajes deben separarse al menos 3 hef para los anclajes pre-instalados y los anclajes mecánicos postinstalados y de 3hef y 1.0 cNa para los anclajes adhesivos post-instalados. El cálculo de la resistencia del anclaje se especifica en la Sección 17.4.1. Cuando la geometría de la conexión no permite que controle la resistencia del anclaje, la falla será por rotura del concreto, que se calculará con lo dispuesto en la Sección 17.4.2 Las dimensiones de los anclajes son suficientes como para prevenir la falla por desprendimiento del concreto alrededor del anclaje, como se podrá comprobar al aplicar las disposiciones de la Sección 17.4.3. El descascaramiento de la cara lateral del soporte de concreto en los anclajes individuales es función de la resistencia del concreto, la distancia al borde y el área de aplastamiento de la cabeza del anclaje, como se indica en la Sección 17.4.4, por lo que solamente se considera solamente para un anclaje profundo cercano a un borde, hef> 2.5 ca1. Los anclajes certificados por la norma ACI 355.4 Calificación de anclajes adhesivos post- instalados en el concreto no deberán fallar por adherencia al concreto, por lo que en la Sección 17.4.5 se entrega un procedimiento conservador cuando no se disponga de inmediato del reporte y certificado específico para el anclaje utilizado. Tabla 10. Proyecto de los sistemas de anclajes al concreto en función de las solicitaciones: Fuerza de corte

Solicitación dominante Sistema de anclajes Modalidad de falla Tracción en el anclaje Preinstalados, postinstalados mecánicos

Rotura del concreto Desprendimiento del concreto Rotura del concreto por cabeceo del anclaje Hendimiento del concreto

Fuerza de corte

Tracción en el anclaje Resistencia por adherencia Post-instalados Adhesivos

Rotura del concreto Rotura del concreto por cabeceo del anclaje Hendimiento del concreto

Comentario a la Tabla 10 La resistencia a tracción del anclaje usualmente prevalece por sobre la rotura del concreto ya sea porque se evita la rotura del concreto mediante el control de la distancia a los bordes libres y a la separación entre los anclajes. El cálculo de la resistencia del anclaje por corte se especifica en la Sección 17.5.1. Cuando la geometría de la conexión no permite que controle la resistencia del anclaje, la falla será por rotura del concreto, que se calculará con lo dispuesto en la Sección 17.5.2 La resistencia al desprendimiento del concreto del anclaje se estima que es de una a dos veces resistencia al desprendimiento por tracción, por lo que esta modalidad de falla se asocia a anclajes profundos. La resistencia a tracción del acero controla en anclajes con profundidad entre 4.5da a 5.5da, dependiendo de la resistencia de los materiales empleados; da es el diámetro del anclaje. Véanse las disposiciones de la Sección 17.5.3 del ACI 318-14. Cuando la fuerza cortante es paralela a un borde de concreto, se verificará que la distancia de los anclajes al borde libre y la separación entre anclajes es suficiente para que la rotura del concreto exceda la resistencia del acero del anclaje. Con respecto a la resistencia al corte de las esquinas del miembro de concreto, véase la Tabla 11 y la Figura 9. En la Figura 6 se resumen los casos que pueden presentarse cuando una fuerza de tracción Nn actúa excéntricamente con respecto al centro de gravedad del grupo de anclajes (vista en planta). En las respectivas elevaciones (Section A-A, Section B-B) se destaca con línea punteada los anclajes en la zona comprimida y por tanto no considerados que contribuyen a la resistencia a tracción del grupo. Ver Ejemplos 5, 7, 16 y 17 (Ejemplo 5, Ejemplo 16, Ejemplo 17, respectivamente).

Figura 6. Casos de fuerza de tracción Nn excéntrica con respecto al centro de gravedad de un grupo de anclajes: a) Excentricidad en una dirección resistida por todos los anclajes del grupo; b) Excentricidad en una dirección resistida por parte de los anclajes del grupo; c) Excentricidad en dos direcciones. Los anclajes en la zona comprimida (achurada) y que no contribuyen a la resistencia del grupo, se muestran con línea punteada. [ACI SP-17(11)2].

Las conexiones que principalmente resisten fuerza cortante se clasifican en dos categorías atendiendo al grado de fijación de los anclajes a la plancha base. Para los anclajes no soldados a la plancha base, serán los casos contemplados en la Tabla 11 y Figura 7. La Tabla 11 y la Figura 7 presentan los tres casos a considerar en la rotura del concreto por corte y que es función de la relación entre los anclajes, s, y la distancia a los bordes, ca1,1 Tabla 11. Grupo de anclajes que resiste fuerza cortante, Vs

Configuración de rotura a verificar Conexión anclaje - plancha base

Caso 2 (Fig. 7b y Fig. Caso 3 (Fig. 7c) 7d) La mitad de V es La totalidad de V para la La totalidad de es resistida por la fila de rotura es resistida por la resistida por la fila de anclajes más cercana fila de anclajes más anclajes más lejanos a los bordes de cercana a los bordes de a los bordes de concreto. concreto. concreto. Caso 1 (Fig. 7a)

Separación entre anclajes

Anclajes no s ≥ ca1,1 soldados a la plancha base s ≤ ca1,1

Sí

Anclajes NO Todas las soldados a la separaciones plancha base

Sí

No

No

Sí

Sí

No

Figura 7 Condiciones críticas para anclajes no soldados (a) a (c), y (d) para anclajes soldados a la plancha base; ver Tabla 11. Los círculos claros representan los anclajes que no están resistiendo la fuerza cortante, mientras que los círculos oscuros identifican los anclajes que están resistiendo la fuerza cortante. [ACI SP-17(11) 2].

La rotura del concreto por corte en los bordes se analizará como se indica en la Figura 8, tomándose el menor valor entre la fuerza paralela y perpendicular a la fuerza cortante; ver Ejemplo 8 y Ejemplo 19. Los anclajes preinstalados requerirán la colocación de acero de refuerzo adicional, como se explica en el Ejemplo 7. Adicionalmente, para evita la falla por hendidura o rajamiento del concreto (splitting failure) deben satisfacerse los requisitos de las distancias del anclaje o anclajes al borde de concreto, la separación entre los anclajes, y el espesor del material base de concreto. Figura 8. Grupo de anclajes próximos a los bordes de concreto. [ACI SP-17(11)2].

En presencia de fuerzas de tracción y corte simultáneos, previamente deben verificarse las resistencias individuales antes de comprobarse que la interacción satisfaga los requisitos del Artículo 17.6.

El Capítulo 17 del ACI 318-14 no contempla fuerza cortante aplicadas en una dirección no ortogonal, por lo que Eligehausen y sus colaboradores han propuesto resolver la fuerza cortante en dos componentes ortogonales para evaluar la resistencia del concreto en cada dirección y tomar la menor de ellas, como se ve en la Figura 9, al aplicar la siguiente fórmula de interacción: Figura 9. Grupo de anclajes solicitados por una fuerza inclinada próxima a dos bordes libres. [ACI SP-17(11)2].

En lugar de la fórmula de interacción Tracción – Corte representada por la línea recta con exponente n = 1 (no escrito) consignada en el Capítulo 17 ACI 318-14, los fabricantes de anclajes al concreto utilizan en sus manuales y programas (software) la fórmula de interacción elíptica con exponente n = 0.625. La diferencia se muestra en la Figura 10, véase en Ayudas para el proyecto / Comparación procedimientos ACI vs Fabricantes; también Modalidades de falla. Figura 10. Diagramas de interacción fuerza axial – fuerza cortante

NOTACIÓN ACI PARA LOS ANCLAJES EN EL CONCRETO La primera dificultad a vencer en el uso y entendimiento del Capítulo 17 del ACI 318-14 es el manejo de la notación. Para una explicación más extensa, véase en las Ayudas para el Proyecto Notación y algunas definiciones ACI para sistemas de anclajes.

La notación se conforma con una letra mayúscula que identifica el tipo de fuerza: Fuerza axial, N, (predominantemente a tracción), o la fuerza cortante, V. Y subíndices para otras propiedades, como las que se señalan a continuación: El subíndice u indica que la solicitación está mayorada. N

solicitación axial

ua

anclaje en un grupo mayorada

N ua,g un grupo de anclajes Nua,i el mas demandado en el grupo de anclajes Nua,s mantenido (sustained Los dígitos corresponden a donde aparece la notación por primera vez. Cuando no se antepone el factor de minoración f corresponde a la resistencia teórica. 17.4.5.1 Na Nag

anclaje adhesivo grupo de anclajes adhesivos

17.4.2.1 Nb

rotura del concreto (breakout concrete)

17.4.1.2 Nsa¬anclaje simple 17.4.4.1 Nsb descascaramiento (side-faceblowout) por un anclaje individual. 17.4.4.2 Nsb,g descascaramiento (side-faceblowout)por un grupo de anclajes. 17.3.1.2 Nba adhesivo (bond); también Nba básico. 17.4.2.1 Ncb rotura del concreto (concrete breakout) por anclaje individual. Ncb,g rotura del concreto (concrete breakout) por un grupo de anclajes. Vcb

fuerza cortante rotura del concreto (concrete breakout)

17.5.3.1 Vcp Corte Rotura del concreto por cabeceo de un anclaje (concrete pryout).

Vcp,g

Idem., pero por un grupo de pernos.

Como en otros Cuadernos, se ha reemplazado fc′ por Fc, y la notación Fy y Fu del AISC en lugar de la del ACI. PROTECCIÓN DE LOS ANCLAJES Para la protección de los anclajes de la corrosión, véase en el Anexo Ayudas para el Proyecto: Modalidades de fallas de anclajes. La protección de los anclajes por el fuego generado durante un incendio, ser cubre en los catálogos de los fabricantes. CONSIDERACIONES CONSTRUCTIVAS Los pernos de anclajes, pre y postinstalados requieren de una constante inspección, tal como se recomienda en las Ayudas para el proyecto: Modalidades de falla de anclajes. Deben cuidarse las distancias adecuadas a los bordes libres de concreto, y que no se confundan con las distancias a los bordes de las planchas de acero. Vigilar que no se comentan errores en las dimensiones o perforaciones en el concreto, y que la penetración en el mismo sea completa y sin desviaciones de la vertical. Que las tuercas apretadas tengan los hilos establecidos, y que las resinas adherentes, cuando se usen, no queden expuestas a las altas temperaturas que se generan en las soldaduras del acero.

1.1. LONGITUD DE DESARROLLO DE BARRAS A TENSI�N

1.1.1. Barras Rectas

La longitud de desarrollo, Ld, en la cual se considera que una barra a tensi�n se ancla d� modo que desarrolle su esfuerzo de fluencia, se obtendr� multiplicando la longitud b�sica, Ldb dada por la siguiente ecuaci�n:

Ldb 

as f y 3(c  K tr ) f c '

 0.11

db f y fy

  L  1.15a s f y  0.36 d b f y  db (c  K tr ) f c ' fy 

   

Donde: as �rea transversal de la barra; c� Separaci�n o recubrimiento; uz�ese el menor de los valores siguientes:

1) Distancia del centro de la barra a la superficie de concreto m�s pr�xima; 2) La mitad de la separaci�n entre centros de barras.

Atr f yv Ktr �ndice de refuerzo transversal; igual a 100 sn �; si se usan Kg. /cm2 y cm.,

 Atr f yv   10sn

   �; Mpa. y mm.

Atr �rea total de las secciones rectas de todo el refuerzo transversal comprendido�������������� en la separaci�n s, y que cruza el plano potencial de agrietamiento entre las barras que se anclan.

fyv Esfuerzo especificado de fluencia de refuerzo transversal.

s� M�xima separaci�n centro a centro del refuerzo transversal, en una distancia����������� igual a Ld; y

n�� N�mero de barras longitudinales en el plano potencial de agrietamiento.

Por sencillez en el dise�o, se permite suponer Ktr=0, aunque haya refuerzo transversal. El resultado� multiplicado por el factor o los factores indicados en la siguiente tabla:

Factores que modifican la longitud b�sica de desarrollo1

Condici�n del refuerzo

Factor

Barras de di�metro igual a 19.1 mm (n�mero 6) o menor.

0.8

Barras horizontales o inclinadas colocadas de manera que bajo ellas se cuelen m�s de 300 mm de concreto.

Barras con f�y mayor de 4200 kg/cm2 (420 MPa)

Barras torcidas en fr�o de di�metro igual o mayor que 19.1 mm (n�mero 6.

Acero de flexi�n en exceso2 .

1.3

2

4200  420  ; 2 f y  f y 

1.2

As ,requerida As , proporcionada

Barras lisas.

2.0

Barras cubiertas con resina ep�xica, o con lodo benton�tico: -

Recubrimiento de concreto menor

que 3 db, o separaci�n libre entre barras menor que 6db. 1.5 -

Otras condiciones.

1.2 Todos los otros casos.

1.0

����1 S� se aplican varias condiciones, se multiplican los factores������ ����������� correspondientes; ����2 Excepto en zonas de articulaciones pl�sticas y marcos d�ctiles.

Las disposiciones de esta secci�n son aplicables a barras de di�metro no mayor que 38.1 mm (n�mero 12).

En ning�n caso Ld ser� menor que 300 mm.

La longitud de desarrollo, Ld , de cada barra que forme parte de un paquete de tres barras ser� igual a la que requerir�a si estuviera aislada, multiplicada por 1.20. Cuando el paquete es de dos barras no se modifica Ld.

Doblado del acero de refuerzo Acero de refuerzo: Elemento de acero al carbón liso o corrugado fabricado especialmente para usarse como refuerzo del concreto para tomar principalmente esfuerzos de tensión

Requisitos de construcción Ganchos y dobleces Estándar a. Los ganchos estándar para refuerzo principal deben consistir de: ••• Un doblez a 180º más una extensión del extremo libre de la varilla de 4dv, pero no menor de 6.5 cm (donde “dv” es el diámetro de la varilla). ••• Un doblez a 90º más una extensión de 12dv del extremo libre de la varilla. b. Los ganchos estándar para estribos y ganchos de amarre deben consistir de: ••• Un doblez a 90º más una extensión de 6dv del extremo libre de la varilla., para varillas del No 5 y menores.

••• Un doblez a 90º más una extensión de 12dv del extremo libre de la varilla, para varillas del No 6 al No 8. ••• Un doblez a 135º más una extensión de 6dv del extremo libre de la varilla., para varillas del No 8 y menores. Doblado. ••• Todo el refuerzo debe doblarse en frío. Doblar en caliente requiere la supervisión de personal calificado para controlar el proceso. Las varillas calentadas no deben enfriarse por medios artificiales. ••• Las varillas parcialmente ahogadas en concreto no se deben doblar, excepto cuando así se indique en los planos de diseño. ••• El diámetro del doblez medido en la cara interior de la varilla o de los estribos, no debe

ser menor que el de los valores indicados en la Tabla 14. ••• El diámetro interior de los dobleces en malla soldada de alambre corrugado o liso, para estribos y anillos, no debe ser menor de 4dv, para alambre corrugado mayor del D6 y 2dv para los demás diámetros de alambre. El doblez con un diámetro interior menor de 8dv, no debe estar a menos de 4dv de la intersección soldada más cercana. d. Los requisitos dimensionales de los ganchos y dobleces se muestran en las Figuras 1 y 2 y en la