26/04/2016 ROBERTO ROCHEL AWAD 1 26/04/2016 Viga a torsión Viga a torsión ROBERTO ROCHEL AWAD ROBERTO ROCHEL AWA
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Viga a torsión
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TORSION PURA EN TUBOS DE PARED DELGADA Se considera el tubo de pared delgada, de longitud L, sección transversal constante y arbitraria, con espesor de pared t, sometido a la acción de dos momentos torsores, Mt, aplicados en sus extremos Y
Y
Y t
Mt
2
Y X
X
Mt Z
Z L
2
Z
Z
L
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TORSION PURA EN TUBOS DE PARED DELGADA Los esfuerzos cortantes pueden variar de “b” a “d” por lo que se denotan como a y d. En las caras adyacentes actúas esfuerzos de igual magnitud por tratarse de planos ortogonales. b
b b
Y
d
a
b
c
Mt
d
Mt c
c
b
a
Mt
b
a
b
Y
d
Mt
d
d
d
d
X V1
Z
c X
Z
dX
b
V2 dX
L
d
a
V4
V3
b * dx * t b = d * dx * t d,
V1 = V3,
b * t b = d * t d
El producto * t es constante, se denomina flujo de corte, se representa con la letra q y se calcula como: q = * t = constante
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TORSION PURA EN TUBOS DE PARED DELGADA ds
ds
ds
t r
t
t
dV
r
dA0
r
dV = ∗ ds ∗ t dM = dV ∗ r = ∗ ds ∗ r ∗ t
2 ∗ dA0 = ds ∗ r
=
Mt 2 ∗A0 ∗t
(1)
Ao representa el área encerrada por la línea media de la pared delgada, incluyendo el vacío
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X0
Estribo Fisura
Y0
Barra longitudinal Diagonales de compresión en el concreto
TORSION EN SECCIONES RECTANGULARES DE CONCRETO REFORZADO ANALOGIA DE LA CERCHA ESPACIAL • •
Y
TANTO LAS SECCIONES SOLIDAS COMO LAS HUECAS SE IDEALIZAN COMO TUBOS DE PARED DELGADA, ANTES Y DESPUES DE LA FISURACION
Mt
Mt Z
SE DESPRECIA EL TRABAJO DEL NUCLEO DEL CONCRETO
L X
•
•
ANTES DE FISURARSE EL CONCRETO LA RESISTENCIA A CORTE ES PROPORCIONADA POR LA CAPA EXTERIOR DE CONCRETO, CENTRADA APROXIMADAMENTE EN LOS ESTRIBOS
Viga de sección rectangular sometida a torsión pura
UNA VEZ SE FISURA EL CONCRETO LA RESISTENCIA A CORTE ES PROPORCIONADA POR LOS ESTRIBOS Y EL REFUERZO LONGITUDINAL Sección efectiva a flexión
Sección efectiva a torsión
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Y
Viga rectangular sometida a torsión pura
= Angulo de inclinación de la fisura
Y
V1
Mt
Mt
V4
Mt
Mt
V2
Z
Z
V3
L
L
X X
Y
Y
Trayectoria helicoidal de las fisuras
Refuerzo longitudinal X0
Mt
Mt
Y0
Z
Z
Estribos
s
X
L
X
L
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ANALISIS DEL REFUERZO TRANSVERSAL
Y
V1
Fisura Refuerzo longitudinal V2
h
b
Y0
Z
Y0
V4
X0
V3
X0
Estribos
s
X
Fisura
L
At*fye
fyt = Esfuerzo del fluencia del refuerzo transversal (estribo) s = Separación de los estribos = Angulo de inclinación de las fisuras
At*fye At*fye
V2
Fisura s Yo*Ctg
s
At = Área de la sección transversal del estribo Acp = Área encerrada por el perímetro exterior de la sección
Yo
Yo = Distancia vertical, centro a centro del refuerzo longitudinal Xo = Distancia horizontal, centro a centro del refuerzo longitudinal V2 = Fuerza cortante = t Y0 pcp = Perímetro exterior de la sección transversal de concreto ph = Perímetro del eje de refuerzo transversal cerrado mas externo
Se asume que el refuerzo de los estribos alcanza la fluencia ROBERTO ROCHEL AWAD
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Aoh = Área encerrada por los estribos NSR-10 Fig CR11.5.3.6 (b)
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Cuando la viga incluye parte de la losa, el ancho de la aleta que debe considerar es igual a la proyección de la losa hacia arriba o hacia abajo, la que sea mayor, pero no inferior a 4 veces el espesor de la aleta. hb 4 hf
b + 2hb b + 8 hf hf hf hb
hb
b
b
NSR-10 Sección C.11.5.1.1 y C.13.2.4
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ANALISIS DEL REFUERZO TRANSVERSAL
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n = Numero de estribos que atraviesan la grieta At*fyt
n=
At*fyt At*fyt
V2
Y0 ∗ Ctg θ s
De (1):
=
Mt 2 ∗A0 ∗t
Yo
V2 = Cortante que deben soportar los estribos = t Y0 s
s
V2 = n ∗ At ∗ fyt =
Y0 ∗ Ctg θ ∗ At ∗ fyt s
Yo*Ctg
V2 = 30 ≤ ≤ 60 Se permite tomar 45 en elementos no pre esforzados. NSR-10 Sec. C.11.5.3.6 A0 = Área encerrada por la trayectoria del flujo a cortante = 0.85 * A0h. NSR-10 Sec. C.11.5.3.6
Mtn ∗ Y0 Y0 ∗ Ctg θ = ∗ At ∗ fyt 2 ∗ A0 s
Mtn =
2A0 ∗ Ctg θ ∗ At ∗ fyt s
NSR-10 C.11.5.3.6 (C.11-21)
At Mtn = s 2A0 ∗ Ctg θ ∗ fyt
A0h = Área encerrada por el eje del refuerzo transversal
ANALISIS DEL REFUERZO LONGITUDINAL
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Ni /2
Ni = Vi * Ctg
Di Vi
vi
Di = Vi / Cos
Ni Ni /2
V1 *Ctg 2
V1
Y
Fisura Refuerzo longitudinal
V1 *Ctg 2
V1
X0
V2 Y0
V4
Y0
+
V4 *Ctg 2
+
V4 *Ctg 2
V2 *Ctg 2
V4 V2 V3 *Ctg 2
Z
Estribos X
+
X0
s L
Fisura
V3
V3
V1 = V3 V2 = V4
V2 *Ctg 2
+
V3 *Ctg 2
Se asume que el refuerzo del estribo alcanza la fluencia ROBERTO ROCHEL AWAD
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V1 *Ctg 2
ANALISIS DEL REFUERZO LONGITUDINAL
V1
Y
Fisura Refuerzo longitudinal
V1 *Ctg 2
V1
X0
V2 Y0
Y0
V4
+
V4 *Ctg 2
+
V4 *Ctg 2
V2 *Ctg 2
V4 V2 V3 *Ctg 2
Z V3
V3
V1 = V3 V2 = V4
V2 *Ctg 2
Estribos X
+
X0
s
Fisura
L
V1 = V3 =
Tracción nominal = 2 (V1 + V2) ∗ Ctg = *
Mt ∗X0 2 A0
+
Mt ∗X0 2 A0
Mt ∗X0 2 A0
+
V3 *Ctg 2
V2 = V4 =
∗ Ctg = 2 * X0 + Y0 ∗
Mt 2 A0
Mt ∗Y0 2 A0
∗ Ctg
p0 = Perímetro de las líneas que unen los centros de las barras en las esquinas del tubo = 2 * (X0 + Y0) Por facilidad de calculo p0 se reemplaza por el perímetro de los estribos cerrados, ph
ANALISIS DEL REFUERZO LONGITUDINAL
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Acero a tracción: Al * fy
Al * fy = Al =
Reemplazando C.11-21
Mt ph 2 A0
Mt ph 2 A0∗ fy
Mt =
Al =
∗ Ctg θ
∗ Ctg θ
2A0 ∗ Ctg θ ∗ At ∗ fyt s At s
∗
ph∗ fyt fy
∗ Ctg2 θ
NSR-10 C.11.5.3.6 (C.11-21)
NSR-10 C.11.5.3.7 (C.11-22)
Al = Área adicional del refuerzo longitudinal para resistir la torsión At = Área del refuerzo transversal debida a la torsión fy = Esfuerzo de fluencia del refuerzo longitudinal fyt = Esfuerzo de fluencia del refuerzo transversal ph = Perímetro exterior de los estribos cerrados Angulo de inclinación de la fisura debido a la torsión
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CORTANTE Y TORSION EN SECCIONES RECTANGULARES DE CONCRETO REFORZADO FUNDAMENTOS DEL METODO DE LA NSR-10
• • • •
TODA LA TORSION DEBE TOMARSE CON EL ACERO DE REFUERZO LA RESISTENCIA DEL CONCRETO A CORTANTE Vc NO SE AFECTA POR LA PRESENCIA DE LA TORSIÓN PARA CONTROLAR EL ANCHO DE LAS FISURAS SE LIMITAN LOS ESFUERZOS ADMISIBLES DEL CONCRETO Y DEL ACERO POSIBLE FALLAS:
FLUENCIA DEL ACERO DE LOS ESTRIBOS FLUENCIA DEL REFUERZO LONGITUDINAL APLASTAMIENTO DEL CONCRETO EN EL ALMA
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CORTANTE Y TORSION EN SECCIONES RECTANGULARES DE CONCRETO REFORZADO Esfuerzo cortante debido a la torsión en secciones huecas Aoh = Área encerrada por el eje del refuerzo transversal Ao = Área encerrada por la trayectoria del flujo de corte = 0.85 A0h
NSR-10 Sec. C.11.5.3.6
ph = Perímetro del estribo cerrado t
= Espesor de la pared del tubo, puede tomarse como A0h/ph
De (1):
NSR-10 Sec. CR11.5.4.4
M
= 2 ∗A t ∗ t 0
M
t = 2 ∗0,85 ∗A 2
0h /ph
M ∗p
= 1,7 t∗ A2h
0h
Ao representa el área encerrada por la línea media de la pared delgada, incluyendo el vacío ROBERTO ROCHEL AWAD
CORTANTE Y TORSION EN SECCIONES RECTANGULARES DE CONCRETO REFORZADO Esfuerzo debido al cortante en secciones huecas
V
u = b∗d
Esfuerzo debido a cortante y torsión combinadas en secciones huecas
V
u = b ∗d +
Esfuerzos torsionales
Mt ∗ ph 1,7 ∗ A20h
En las secciones huecas los esfuerzos cortantes debidos al cortante y a la torsión se producen en las paredes de la sección tubular y por tal razón se pueden sumar directamente
Esfuerzos de corte
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CORTANTE Y TORSION EN SECCIONES RECTANGULARES DE CONCRETO REFORZADO Esfuerzo cortante debido al cortante y a torsión combinadas en secciones macizas En las secciones solidas los esfuerzos cortantes debidos a la torsión se producen en la paredes de la sección tubular y los esfuerzos cortantes debidos al cortante se reparten a través del ancho de la sección. por esta razón no se suman sino que se toma el siguiente promedio:
Vu 2 b ∗d
=
+
Mt ∗ Ph 1,7 ∗ A20h
2
Esfuerzos torsionales
Estas tensiones cortantes no pueden sobrepasar el valor del esfuerzo cortante que produce el agrietamiento por cortante mas 0.66f’c (MPa). NSR-10 Sec. CR.11.5.3.1 Esfuerzos de corte
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CORTANTE Y TORSION EN SECCIONES RECTANGULARES DE CONCRETO REFORZADO En secciones macizas Vu 2 b∗d
+
Mt ∗ ph 1,7 ∗ A20h
Vu 2 b∗d
+
Mt ∗ph 1,7 ∗ A20h
2
NSR-10 C.11.5.3.1 (C.11-18)
≤ ∅
Vc + b∗d
0,66 fc′ ,
Vc = 0,17 b∗d
fc′
≤ ∅
Vc + b∗d
2,00 fc′ ,
Vc = 0,53 b∗d
fc′
2
MPa
kgf/cm2
En secciones huecas Vu b∗d
+
Mt ∗ph 1,7 ∗ A20h
≤ ∅
Vc + b∗d
0,66 fc′ ,
Vc = 0,17 b∗d
fc′
MPa
Vu b∗d
+
Mt ph ∗ 1,7 ∗ A20h
≤ ∅
Vc + b∗d
2,00 fc′ ,
Vc = 0,53 b∗d
fc′
kgf/cm2
Al aplicar estas expresiones no es necesario revisar el aplastamiento del concreto dado que se produce con esfuerzos cortantes mayores
NSR-10 C.11.5.3.1 (C.11-19)
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Los momentos torsores que no exceden un cuarto del valor del momento torsor que produce el agrietamiento, Mtcr, no reducen sustancialmente la resistencia a la flexión y corte por lo que pueden ignorarse
NSR-10 CR.11.5.1
Mt
Mt
De (1):
σ1 = τ =
Mt 2∗A0∗t
El espesor del tubo de pared delgada, t, antes del agrietamiento, se asume igual a 0.75 Acp / pcp
Mt
1
Mt 1
El área bruta, A0, encerrada por el eje del tubo de pared delgada se asume igual a 2 Acp / 3
σ1 =
Mt∗pcp Acp2
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La fisuración se produce cuando el esfuerzo de tracción alcanza el valor de:
0,33 fc′ MPa, (1,0 fc′ kgf/cm2)
NSR-10 Sec. 11.5.1
Mtcr = 0,33 fc′ ∗
Acp2 pcp
MPa
Mtcr = 1,0 fc′ ∗
Acp2 pcp
kgf/cm2
La torsión puede ignorarse para valores de los momentos torsores inferiores al 25% del valor de la torsión critica NSR-10 C.11.5.1
Mt ≤ 0,083 fc′ ∗ = 0,75
Acp2 pcp
MPa
Mt ≤ 0,25 fc′ ∗
Acp2 pcp
kgf/cm2
(2)
NSR-10 Sec. C.9.3.2.3
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• REFUERZO LONGITUDINAL MINIMO POR TORSION Las expresiones se basan en resultados experimentales, se estudio la falla para diferentes relaciones volumétricas entre el volumen de los estribos y refuerzo longitudinal con el volumen del concreto. Los resultados 2 vigas con relaciones volumétricas de 0,80% y 0,88% fallaron a la carga de agrietamiento torsional Las otras vigas fallaron para relaciones volumétricas de 1,07% o mayores a una carga superior a la del agrietamiento torsional (*) Debe emplearse una relación volumétrica de 0.9% o de 1.0% Vol refuerzo transversal Vol de concreto
At min ∗s Acp ∗s
+
Al ∗ ph Acp ∗s
+
Vol refuerzo longitudinal Vol de concreto
≥ 0,01
At min ≥ 0,01 ∗ Acp −
≥ 0,01
Al ∗ ph s
(*) HSU T. C. THOMAS “Torsion of structural concrete-behavior of reinforced concrete rectangular members, torsión of structural concrete”, ACI publication SP-18, American Concrete Institute, 1968 ROBERTO ROCHEL AWAD
El límite del 1,0% depende de la resistencia de los materiales, en función de estos la expresión anterior queda como:
At min ≥ 0,62 ∗
fc′ fy
∗ Acp −
Al ∗ ph fyt ∗ s fy
El primer término corresponde al refuerzo mínimo por cortante requerido por torsión pura, para sumar este término al obtenido por cortante puro, el primer término de la derecha debe multiplicarse por la relación , Hsu T. C. Thomas demostró que para los casos prácticos esta relación puede tomarse como 2/3
Al min = Al min =
0,42∗ f′c ∗Acp fy 1,33∗ f′c ∗Acp fy
−
At s
∗ ph ∗
−
At s
∗ ph ∗
fyt fy fyt fy
,
At s
≥ 0,175 ∗
,
At s
≥ 1,75 ∗
b fyt
b fyt
(MPa)
NSR-10 C.11.5.5.3 (C.11-24)
(kgf/cm2)
(1) HSU T. C. THOMAS “Torsion of structural concrete-behavior of reinforced concrete rectangular members, torsión of structural concrete”, ACI publication SP-18, American Concrete Institute, 1968 ROBERTO ROCHEL AWAD
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• REFUERZO TRANVERSAL MINIMO POR TORSION • Área de refuerzo transversal requerida por la fuerza cortante ultima (Vus), para estribos cerrados de dos ramas, vus = Vus / bd
s=
∗ Av ∗ fyt ∗ d = Vus
∗ Av ∗ fyt vus ∗ b
Av = s
vus ∗ b ∗ fy
• Área de refuerzo transversal mínima requerida por torsión, para estribos cerrados:
AV + 2At min = 0,062 ∗ fc′ ∗ AV + 2At min = 0,20 ∗ fc′ ∗
b∗𝑠 fyt
b∗𝑠 fy
≥ 0,35 ∗
≥ 3,50 ∗
b∗𝑠 fyt
b∗𝑠 fyt
(MPa)
NSR-10 C.11.5.5.2 (C.11-23)
(kgf/cm2)
Av se refiere a estribos cerrados de dos ramas, At se refiere a estribos de una rama del estribo cerrado. ROBERTO ROCHEL AWAD
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1. Determinar el área del refuerzo a flexión y a cortante, expresando el área de refuerzo a cortante de la forma Av / s 2. Revisar si debe considerarse o no la torsión empleando para ello la expresión (2):
Mt ≤ 0,25 fc′ ∗
Acp2 pcp
(kgf/cm2)
3. Verificar si las dimensiones de las sección expresión C.11-18 de la NSR-10 Vu 2 b ∗d
+
Mt ∗ Ph 1,7 ∗A20h
2
≤ ∅
Vc + b ∗d
2,00 fc′ ,
(2)
transversal cumplen la
Vc b ∗d
= 0,53 fc′
(kgf/cm2)
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4. Determinar el área del refuerzo a cortante requerido por la torsión empleando la expresión C.11-21. At Mtn Mtu = = s 2A0 ∗ fyt ∗ Ctg θ 2 ∗ A0 ∗ fyt ∗ Ctg θ
NSR-10 C.11.5.3.6 (C.11-21)
30 60, Tomar: = 45, fyt 4.200 kgf/cm2, A0 = 0,85 A0p 5. Calcular el área total de los estribos, corte mas torsión, empleando la expresión Av Av At total = +2 s s s
vc = 0,53 fc′ ,
vs = vu
v − c
s=
AV , vs∗b
AV s
=
vs∗b fyt
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6. Revisar si el área requerida a cortante es superior al mínimo exigido en la expresión C.11-23 de la NSR-10 Av s total
=
Av s
+2
At s
≥ 0,20 ∗ fc′ ∗
b fyt
≥ 3,50 ∗
b fyt
(kgf/cm2)
7. El espaciamiento del refuerzo transversal para torsión no debe exceder el menor valor entre 30 cm y ph / 8. NSR-10 Sec. C.11.5.6.1
8. Calcular el área de refuerzo longitudinal por torsión. NSR-10 Sec. C. 11.5.3.7
Al =
At s
∗
ph∗ fyt fy
∗ Ctg2 θ
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9. Revisar si el área adicional longitudinal es superior al mínimo NSR-10 Sec. C.11.5.5.3
Al min =
1,33 ∗ f′c ∗ Acp fy
−
At s
∗ ph ∗
fyt fy
,
At s
≥ 1,75 ∗
b fyt
(kgf/cm2)
10. El refuerzo longitudinal requerido por torsión debe estar distribuido a lo largo del estribo cerrado con un espaciamiento máximo de 30 cm. Su diámetro mínimo será de 3/8” y no será inferior a 0,042 veces el espaciamiento entre estribos. NSR-10 Sec. C.11.5.6.2
11. El refuerzo por torsión debe llevarse al menos una distancia (b + d) más allá del punto en que se requiera por análisis. NSR-10 Sec. C.11.5.6.3
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12. El refuerzo por torsión debe llevarse al menos una distancia (b + d) más allá del punto en que se requiera por análisis. NSR-10 Sec. C.11.5.6.3 13. La NSR-10 en su sección C.11.5.3.9 permite reducir el área de refuerzo longitudinal para torsión en la zona de compresión por flexión en una cantidad igual a Mu / (0.9 d fy), donde Mu ocurre en la sección simultáneamente con Mtu, pero el refuerzo provisto no debe ser menor que el requerido por C.11.5.5.3 (Numeral 9) o NSR-10 Sec. C.11.5.6.2 (Numeral 10)
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Descascaramiento
14. El refuerzo para torsión consiste de barras longitudinales y estribos cerrados perpendiculares al eje de la viga. NSR-10 Sec. C.11.5.4.1
Esfuerzos de compresión de diagonales
15. Los estribos deben anclarse por uno de los siguientes métodos: NSR-10 Sec. C.11.5.4.2
a. Un gancho estándar de 135º o un ganchos sísmico alrededor de una barra longitudinal
El descascaramiento puede producirse
Descascaramiento restringido
b. En zonas donde el concreto que rodea el anclaje este protegido contra el descascaramiento, mediante un ala, losa o elemento similar
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Solicitaciones: Mu = 15 t-m Vu = 13 t Mtu = 3 t-m
r de r
r
50 cm
Materiales: Concreto: f’c = 210 kgf/cm2 Refuerzo longitudinal: fy = 4200 kgf/cm2 Refuerzo transversal: fyt = 4200 kgf/cm2 Recubrimiento al estribo = 4 cm
r 40 cm
de = diámetro del estribo Norma: NSR-10 Sec. C.9.3.2.1 a flexión = 0.90 NSR-10 Sec. C.9.3.2.3 a corte y torsión = 0.75
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Se colocaran estribos de 3/8” (de = 0,95 cm) y se espera un refuerzo longitudinal de 1” (db = 2.54 cm) de diámetro, con lo cual: d = h - r – de – db/2 = 50 - 4.00 – 0.95 – 2,54 / 2 = 43,78 cm Distancia entre ejes de los estribos:
Y1 = h – 2r – de = 50 – 2*4,00 – 0,95 = 41,05 cm X1 = b – 2r – de = 40 – 2*4,00 – 0,95 = 31,05 cm
Parámetros para el diseño: Acp = b*h = 40*50 = 2.000 cm2 A0h = X1*Y1 = 31.05*41.05 = 1.274,60 cm2 A0 = 0.85 A0h = 0,85*1.274,60 = 1.083,41 cm2 pcp = 2b + 2h = 180 cm ph = 2X1 + 2Y1 = 144,20 cm
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1. Determinar el área del refuerzo a flexión y a cortante, expresando el área de refuerzo a cortante de la forma Av / s
Diseño a flexión:
Diseño a cortante: Vc = 0,53 fc′ ∗ bd = 0,53 ∗ 0,75 ∗ 210 ∗ 30 ∗ 43,78 = 10,087,48 kgf Vs = Vu - Vc = 13.000,00 - 10.087,48 = 2.912,52 kgf
s =
Av ∗ fyt ∗ d Vs
Av Vs 2.912,52 = = = 0.021 s fyt ∗ d 0,75 ∗ 4.200 ∗ 43,78
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2. Revisar si debe considerarse o no la torsión empleando para ello la expresión (2):
La torsión puede despreciarse si:
Mtu ≤ 0,25 fc′ ∗
Acp2 pcp
Mtu ≤ 0.25 ∗ 0,75 210 ∗
(kgf/cm2) 2.0002 180
= 60.380,74 kgf-cm = 0,60 t-m
Mtu = 3,00 t−m > 0,60 t-m
Debe considerarse la torsión
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3. Verificar si las dimensiones de las sección transversal cumplen la expresión C.11-18 de la NSR-10
Vu 2 b ∗d
+
Mtu ∗ Ph 1,7 ∗A20h
13 000 2 . 40 ∗43.78
+
2
≤ ∅
Vc b ∗d
300.000 ∗144,2 2 1.7 ∗1.274,602
+ 2,00 fc′ ,
Vc b ∗d
= 0,53 fc′
(kgf/cm2)
< 0,75 ∗ 0,53 ∗ 210 + 2,00 ∗ 210
17,33 kgf/cm2 < 27,50 kgf/cm2
Las dimensiones son satisfactorias
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4. Determinar el área del refuerzo a cortante requerido por la torsión empleando la expresión C.11-21. At Mtn Mtu = = s 2A0 ∗ fyt ∗ Ctg θ 2 ∗ A0 ∗ fyt ∗ Ctg θ
NSR-10 C.11.5.3.6 (C.11-21)
30 60, Tomar: = 45, fyt 4200 kgf/cm2, A0 = 0.85 A0p
At 300.000 = = 0.044, s 2 ∗ 0.75 ∗ 1.083,41 ∗ 4.200 ∗ 1.0 2
At s
= 0.088,
para una rama
para dos ramas
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5. Calcular el área total de los estribos, corte mas torsión Av Av At total = +2 s s s
Av total = 0,021 + 0,088 = 0,109 s
Para estribos de 3/8”, Ae = 0,71 cm2, para dos ramas s = 2*0,71 / 0,109 = 13,03 cm Se colocaran estribos de 3/8”, cada 13 cm.
6. Revisar si el área requerida a cortante es superior al mínimo exigido en la expresión C.11-23 de la NSR-10 Av s total
=
Av s
+2
At s
≥ 0,20 ∗ fc′ ∗
0,109 ≥ 0,20 ∗ 210 ∗
40 4.200
b fyt
≥ 3,50 ∗
≥ 3,50 ∗ 40 4.200
b fyt
(kgf/cm2)
0,109 ≥ 0,028 ≥ 0,033
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23
26/04/2016
7. El espaciamiento del refuerzo transversal para torsión no debe exceder el menor valor entre 30 cm y ph / 8. NSR-10 Sec. C.11.5.6.1 Se colocaran estribos con s = 13 cm,
s 30 cm s 144,20 / 8 = 18 cm
8. Calcular el área de refuerzo longitudinal por torsión. NSR-10 Sec. C. 11.5.3.7
Al =
At s
∗
ph∗ fyt fy
Al = 0.044 ∗
∗ Ctg2 θ
144.2∗4.200 ∗ 4.200
1.0 = 6,34 cm2
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9. Revisar si el área adicional longitudinal es superior al mínimo NSR-10 Sec. C.11.5.5.3
Al min > Al min >
1,33 ∗ f′c ∗ Acp fy
1,33 ∗ 210 ∗2.000 4.200
−
At s
∗ ph ∗
fyt fy
,
− 0.044 ∗ 144.2 ∗
At s 4.200 , 4.200
≥ 1,75 ∗
b fyt
(kgf/cm2)
0,044 ≥ 0,017
Al min = 6.34 cm2 > 2.83 cm2
10. El refuerzo longitudinal requerido por torsión debe estar distribuido a lo largo del estribo cerrado con un espaciamiento máximo de 30 cm. Su diámetro mínimo será de 3/8” y no será inferior a 0,042 veces el espaciamiento entre estribos. NSR-10 Sec. C.11.5.6.2
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CV=3 t/m
EJEMPLO No 1
200 cm 15 cm 60 cm
30 cm
Carga viva = 200 kgf/m2 f’c = 350 kgf/m2 fyt = 4.200 kgf/m2 fy = 4.200 kgf/m2
Considerar el empleo de estribos de 3/8” y refuerzo longitudinal de 1” de diámetro. Recubrimiento al estribo: r = 4 cm, Se desprecia el aporte de la losa
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W1
W2
W u = 1,2CM + 1,6CV W 1 = 1,2*(0,30*0,60*2.400) + 1,6 *(0,30*200+3000) =
W 2 = 1,2*(0,15*1,70*2.400) + 1,6 *(1,.70*200) = 1.278,4 kgf / m
15 cm 60 cm
5.414,4 kgf / m
Trasladando las cargas al eje de la viga:
170 cm
W u = W 1 + W 2 =6.692,80 kgf / m 30 cm
Mt = 1,0*1.278,4= 1.278,4 kgf-m / m
Wu
V=26,77 t
Mt = 5.11 t-m
Mt 4,00 m
4,00 m 15 cm 60 cm
4,00 m
4,00 m
170 cm Mt =5.11 t-m
V=26,77 t DIAGRAMA DE CORTANTE
DIAGRAMA MOMENTO TORSOR
30 cm
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V = 26,77 t
La sección critica para corte y torsión esta localizada a la distancia d del borde del apoyo.
Mt = 5,11 t-m
Vu= 23.17 t
Mtu = 4,42 t-m d
d
d = h – r – de – db / 2 = 60 – 4 - 0,95 – 2,54 / 2 = 53,78 cm
4,00 m
4,00 m
Mtu = 4,42 t-m
Vu = 23,17 t Mt = 5,11 t-m
V =26,77 t DIAGRAMA DE CORTANTE
DIAGRAMA MOMENTO TORSOR
Distancia entre ejes de los estribos:
r de
Y1 = h – 2r – de = 60 – 2*4,00 – 0,95 = 51,05 cm X1 = b – 2r – de = 30 – 2*4,00 – 0,95 = 21,05 cm
r
r
60 Parámetros para el diseño: Acp = b*h = 30*60 = 1.800 cm2 A0h = X1*Y1 = 21.05*51.05 = 1.074,60 cm2 A0 = 0.85 A0h = 0,85*1.074,60 = 913,41 cm2
pcp = 2b + 2h = 180 cm ph = 2X1 + 2Y1 = 144,20 cm
r 30 cm
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26
26/04/2016
1. Determinar el área del refuerzo a cortante, expresando el área de refuerzo a cortante de la forma Av / s
Diseño a cortante:
Vc = 0,53 fc′ ∗ bd = 0,53 ∗ 0,75 ∗ 350 ∗ 30 ∗ 53,78 = 11.998,12 kgf Vs = Vu - Vc = 23.170,00 - 11.998,12 = 11.171,88 kgf
s =
Av ∗ fyt ∗ d Vs
Av Vs 11.171,88 = = = 0,0659 s fyt ∗ d 0,75 ∗ 4.200 ∗ 53,78
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2. Revisar si debe considerarse o no la torsión empleando para ello la expresión (2):
La torsión puede despreciarse si:
Mtu ≤ 0,25 fc′ ∗
Acp2 pcp
Mtu ≤ 0.25 ∗ 0,75 350 ∗
(kgf/cm2) 1.8002 180
Mtu = 4,42 t−m > 0,63 t-m
= 63.140,47 kgf-cm = 0,63 t-m
Debe considerarse la torsión
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26/04/2016
3. Verificar si las dimensiones de las sección transversal cumplen la expresión C.11-18 de la NSR-10
Vu 2 b ∗d
+
Mtu ∗ Ph 1,7 ∗A20h
23.170 2 30 ∗53.78
+
2
≤ ∅
Vc b ∗d
442.000 ∗144,2 2 1.7 ∗1.074,602
Vc b ∗d
+ 2,00 fc′ ,
= 0,53 fc′
(kgf/cm2)
< 0,75 ∗ 0,53 ∗ 350 + 2,00 ∗ 350
35,50 kgf/cm2 = 35,50 kgf/cm2
Las dimensiones son satisfactorias
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4. Determinar el área del refuerzo a cortante requerido por la torsión empleando la expresión C.11-21. At Mtn Mtu = = s 2A0 ∗ fyt ∗ Ctg θ 2 ∗ A0 ∗ fyt ∗ Ctg θ
NSR-10 C.11.5.3.6 (C.11-21)
30 60, Tomar: = 45, fyt 4200 kgf/cm2, A0 = 0.85 A0p
At 442.000 = = 0.0768, s 2 ∗ 0.75 ∗ 913,41 ∗ 4.200 ∗ 1.0 2
At s
= 0.1536,
para una rama
para dos ramas
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26/04/2016
5. Calcular el área total de los estribos, corte mas torsión Av total = 0,0659 + 0,1536 = 0,2195 s
Av Av At total = +2 s s s
Para estribos de 3/8”, Ae = 0,71 cm2, para dos ramas s = 2*0,71 / 0,2195 = 6,46 cm Para estribos de 1/2”, Ae = 1,29 cm2, para dos ramas s = 2*1,29 / 0,2195 = 11,75 cm Se colocaran estribos de 1/2”, cada 11 cm.
6. Revisar si el área requerida a cortante es superior al mínimo exigido en la expresión C.11-23 de la NSR-10 Av s total
=
Av s
+2
At s
≥ 0,20 ∗ fc′ ∗
0,2195 ≥ 0,20 ∗ 350 ∗
30 4.200
b fyt
≥ 3,50 ∗
≥ 3,50 ∗
b fyt
30 4.200
(kgf/cm2)
0,2195 ≥ 0,027 ≥ 0,025
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7. El espaciamiento del refuerzo transversal para torsión no debe exceder el menor valor entre 30 cm y ph / 8. NSR-10 Sec. C.11.5.6.1 Se colocaran estribos con s = 11 cm,
s 30 cm s 144,20 / 8 = 18 cm
8. Calcular el área de refuerzo longitudinal por torsión. NSR-10 Sec. C. 11.5.3.7
Al =
At s
∗
ph∗ fyt fy
∗ Ctg2 θ
Al = 0.0768 ∗
144.2∗4.200 ∗ 1.0 4.200
= 11.08 cm2
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26/04/2016
9. Revisar si el área adicional longitudinal es superior al mínimo NSR-10 Sec. C.11.5.5.3
Al min > Al min >
1,33 ∗ f′c ∗ Acp fy
1,33 ∗ 350 ∗1.800 4.200
−
At s
∗ ph ∗
fyt fy
At s
,
− 0.0768 ∗ 144.2 ∗
≥ 1,75 ∗
4.200 , 4.200
b fyt
(kgf/cm2)
0,0768 ≥ 0,017
Al min = 11.08cm2 > -0.42 cm2
10. El refuerzo longitudinal requerido por torsión debe estar distribuido a lo largo del estribo cerrado con un espaciamiento máximo de 30 cm. Su diámetro mínimo será de 3/8” y no será inferior a 0,042 veces el espaciamiento entre estribos. NSR-10 Sec. C.11.5.6.2
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CORTANTE
Vu = 26,77 t
d=53,78 cm Vud= 23.17 t Vc= 12.00 t V1= 10.04 t V2= 6.69 t V3= 3.28 t
NOTAS: 1.
La sección critica para cortante se localiza a la distancia “d” del borde del apoyo, para este caso d = 53.78 cm
2.
Los estribos por cortante no se requieren cuando el concreto esta en capacidad de absorber todo el cortante, Vu = Vc = 12.00 t, esto ocurre en la abscisa X = 1.79 m
3.
La torsión puede despreciarse cuando Mtu = Mt esto ocurre en la abscisa X = 3.51 m
4.
Los estribos por torsión deben llevarse mas allá del punto donde no se requieran una distancia b + d, que en esta caso sobrepasa la mitad de la luz de la viga. NSR-10 Sec C.11.5.6.3
d 1,79 2,50 3,00 3,51 m
Mut = 5,11 t-m
mínimo
= 0.63 t-m,
TORSION
Mtd = 4,42 t-m Mtc = 2.82 t Mt1 = 1.92 t Mt2 =1.28t Mt3 = 0.63 t
0 ≤ 𝑋 ≤ 1.79 1.79 ≤ 𝑋 ≤ 3.51
Vu −Vc 169.407
−2∗
Mtu 5′ 754.483
=
At s total
2∗
Mtu 5′ 754.483
=
At s total
4,00 m
Estas expresiones fueron deducidas en los numerales 1 y 4
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30
26/04/2016
Vu t
Mtu t-m
S cm
0,00
26,77
5,11
9,74
0,54
23,17
4,42
11,75
1,00
20,08
3,83
14,26
1,79
12,00
2,82
26,32
2,50
10,04*
1,92
38,66
3,00
6,69*
1,28
58,00
3,50
3,28*
0,63
117,83
40
30
Espaciamiento en cm
Abscisa
20 12 E@18 cm 10
17 E@11 cm
* El concreto absorbe este cortante 3.0 2.0 1.0 Distancia en m desde la cara del apoyo
4.0
11. La NSR-10 Sec. C.11.5.3.9 establece que el valor de Al puede disminuirse en las zonas de compresión por flexión en una cantidad igual a Mu/(0.9 d fy), aquí no se realizará esta reducción, además debe proporcionarse el empotramiento adecuado más allá de la cara de la columna con el fin de desarrollar en las barras el valor completo de fy en ese sitio, NSR-10 Sec. C.11.5.4.3
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EJEMPLO No 2
0,18
10 @ 0,18
La viga de la escalera tiene una sección transversal de 30x40 cm, soporta diez peldaños de 30x10 cm de sección y una longitud de 130 cm. Para el análisis se asume la viga empotrada en sus dos extremos. Uso residencial y se diseñara a torsión y corte combinada
0,30
0,25
Carga viva = 300 kgf/m2 Peso de acabados = 40 kgf/m2 Materiales:
10 @ 0,30 0,25
f’c = 210 kgf/m2 fyt = 4.200 kgf/m2 fy = 4.200 kgf/m2
Considerar el empleo de estribos de 3/8” y refuerzo longitudinal de 5/8” de diámetro. Recubrimiento al estribo: r = 4 cm
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31
26/04/2016
ROBERTO ROCHEL AWAD
DISEÑO DEL PELDAÑO
Carga de diseño en el borde de la viga Vu = 318,2 kgf
Mu = Vu * 0,65 = 206,8 kgf-m
10 cm 30 cm 130 cm
Se espera que el concreto absorba el cortante y no se necesiten estribos. Para el refuerzo longitudinal se esperan barras de 3/8” d = 10 – r - db / 2 = 10 – 4 – 0.95 / 2 = 5,50 cm
Carga de servicio CM
Peso propio 0,30*1,30*0,10*2.400 = 93,6 kgf Peso de acabados 0,30*1,30*40 = 15,6 kgf Total CM = 109,2 kgf
CV Carga de diseño:
0,30*1,30*300 = 117,0 kgf Wu = 1,2CM + 1,6CV = 318,2 kgf
Diseño a cortante: d = 10 – r - db / 2 = 10 – 4 – 0.95 / 2 = 5,50 cm Vc = 0,53 fc′ ∗ bd = 0,53 ∗ 0,75 ∗ 210 ∗ 30 ∗ 5,5 = 950 kgf Vs > Vu No requiere estribos
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32
26/04/2016
DISEÑO DEL PELDAÑO
238" 10 cm
Diseño a flexión: 40
30 cm
As = 1,10 cm2 Colocar dos barras de 3/8” (1,42 cm 2) 30 cm
130 cm
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DISEÑO DE LA VIGA Wu
Y Carga de servicio CM
Mtu
Peso propio 0,30*0,40*3,50*2.400 = 1.008 kgf Peso de los 10 peldaños 10*109.2 = 1.092 kgf
CV
1.80 m
Total CM = 2.100 kgf Sobre la viga 0,30*3,00*300 = 270 kgf Para los 10 peldaños 10*117 = 1.170 kgf
Total CV = 1.440 kgf
3.00 m
X Carga de diseño:
Pu = 1,2CM + 1,6CV = 4.824 kgf W u = Pu / 3,00 = 1.608 kgf / m REACCIONES:
= 30.96º
Momento torsor: Para los 10 peldaños Vuy = W u * L / 2 = 1.608*3.00 / 2 = 2.412 kgf Mt total = 10*318,2*(0,15+0,65) = 2.546 kgf-m
Mtux = Mtu * L / 2 =
Mtu
Muz = W u * L2 / 2 = 1.608*3.002 / 2 = 1.206 kgf-m / m
= 2.546 / 3,00 = 849 kgf-m / m
849*3.00 / 2 = 1.273 kgf-m / m
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26/04/2016
Apoyo B
DISEÑO DE LA VIGA
Y
Vuy = 2412 kgf
Y’
Mux = 1273 kgf-m
Wu
X
Muz = 1206 kgf-m X’
Mtu
1.80 m
A
Y’ Muy = 655 kgf PuX = 1241 kgf
3.00 m
B
Vuy = 2068 kgf
Mux = 1092 kgf-m Muz = 1206 kgf-m
X’
REACCIONES EN APOYOS: Fuerza axial en X’
Pux’ = 1.241 kgf 655 kgf-m / m
Fuerza cortante en Y’
vuy’ = 2.068 kgf
Muz = 1.206 kgf-m / m
Momento torsor en X’
Mux’ = 1.092 kgf-m / m
Momento flector en Y’ Muy’ = Momento flector en Z
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La sección critica para corte y torsión esta localizada a la distancia “d” del borde del apoyo.. Para estribos de 3/8” (de=0,95 cm) y refuerzo longitudinal de 5/8” (db=1,59 cm) d = h – r – de – db / 2 = 40 – 4 - 0,95 – 1,59 / 2 = 34.25 cm
Vu = 1.66 t
Mtu = 0.88 t-m r de r
Distancia entre ejes de los estribos:
Y1 = h – 2r – de = 40 – 2*4,00 – 0,95 = 31,05 cm X1 = b – 2r – de = 30 – 2*4,00 – 0,95 = 21,05 cm
Parámetros para el diseño: Acp = b*h = 30*40 = 1.200 cm2 A0h = X1*Y1 = 21.05*31.05 = 653,60 cm2 A0 = 0.85 A0h = 0,85*653,60 = 555,56 cm2
r
40
r pcp = 2b + 2h = 140 cm ph = 2X1 + 2Y1 = 104,20 cm
30 cm
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26/04/2016
1. Determinar el área del refuerzo a cortante, expresando el área de refuerzo a cortante de la forma Av / s
Diseño a cortante:
Vc = 0,53 fc′ ∗ bd = 0,53 ∗ 0,75 ∗ 210 ∗ 30 ∗ 34,25 = 5.918,73 kgf Vs = Vu - Vc = 23.170,00 - 11.998,12 = 11.171,88 kgf
s =
Av ∗ fyt ∗ d Vs
Av Vs 11.171,88 = = = 0,0659 s fyt ∗ d 0,75 ∗ 4.200 ∗ 53,78
ROBERTO ROCHEL AWAD
2. Revisar si debe considerarse o no la torsión empleando para ello la expresión (2):
La torsión puede despreciarse si:
Mtu ≤ 0,25 fc′ ∗
Acp2 pcp
Mtu ≤ 0.25 ∗ 0,75 210 ∗
(kgf/cm2) 1.2002 140
Mtu = 0,88 t−m > 028 t-m
= 27.947,66 kgf-cm = 0,28 t-m
Debe considerarse la torsión
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26/04/2016
3. Verificar si las dimensiones de las sección transversal cumplen la expresión C.11-18 de la NSR-10
Vu 2 b ∗d
+
Mtu ∗ Ph 1,7 ∗A20h
2 1.660 30 ∗34.25
+
2
≤ ∅
Vc b ∗d
88.000 ∗104,2 2 1.7 ∗653,602
Vc b ∗d
+ 2,00 fc′ ,
= 0,53 fc′
(kgf/cm2)
< 0,75 ∗ 0,53 ∗ 210 + 2,00 ∗ 210
12,73 kgf/cm2 < 27,50 kgf/cm2
Las dimensiones son satisfactorias
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4. Determinar el área del refuerzo a cortante requerido por la torsión empleando la expresión C.11-21. At Mtn Mtu = = s 2A0 ∗ fyt ∗ Ctg θ 2 ∗ A0 ∗ fyt ∗ Ctg θ
NSR-10 C.11.5.3.6 (C.11-21)
30 60, Tomar: = 45, fyt 4200 kgf/cm2, A0 = 0.85 A0p
At 88.000 = = 0.0251, s 2 ∗ 0.75 ∗ 555,56 ∗ 4.200 ∗ 1.0 2
At s
= 0.0503,
para una rama
para dos ramas
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36
26/04/2016
5. Calcular el área total de los estribos, corte mas torsión Av total = 0,0659 + 0,0503 = 0,0503 s
Av Av At total = +2 s s s
Para estribos de 3/8”, Ae = 0,71 cm2, para dos ramas s = 2*0,71 / 0,2195 = 28,23 cm .
6. Revisar si el área requerida a cortante es superior al mínimo exigido en la expresión C.11-23 de la NSR-10 Av s total
=
Av s
+2
At s
≥ 0,20 ∗ fc′ ∗
0,0503 ≥ 0,20 ∗ 210 ∗
30 4.200
b fyt
≥ 3,50 ∗
≥ 3,50 ∗
b fyt
(kgf/cm2)
30 4.200
0,0503 ≥ 0,0207 ≥ 0,025
ROBERTO ROCHEL AWAD
7. El espaciamiento del refuerzo transversal para torsión no debe exceder el menor valor entre 30 cm y ph / 8. NSR-10 Sec. C.11.5.6.1 Se colocaran estribos con s = 13 cm,
s 30 cm s 104,20 / 8 = 13 cm
Solución: colocar estribos de 3/8” cada 13 cm
8. Calcular el área de refuerzo longitudinal por torsión. NSR-10 Sec. C. 11.5.3.7
Al =
At s
∗
ph∗ fyt fy
∗ Ctg2 θ
Al = 0.0251 ∗
104.2∗4.200 ∗ 1.0 4.200
= 2.62 cm2
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37
26/04/2016
9. Revisar si el área adicional longitudinal es superior al mínimo NSR-10 Sec. C.11.5.5.3
Al min > Al min >
1,33 ∗ f′c ∗ Acp fy
1,33 ∗ 210 ∗1.200 4.200
−
At s
∗ ph ∗
fyt fy
At s
,
− 0.0251 ∗ 104.2 ∗
Al min = 2.62 cm2 < 2.89 cm2,
Colocar:
≥ 1,75 ∗
4.200 , 4.200
b fyt
(kgf/cm2)
0,0251 ≥ 0,0125
Al min = 2.89 cm2
10. El refuerzo longitudinal requerido por torsión debe estar distribuido a lo largo del estribo cerrado con un espaciamiento máximo de 30 cm. Su diámetro mínimo será de 3/8” y no será inferior a 0,042 veces el espaciamiento entre estribos. NSR-10 Sec. C.11.5.6.2
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38
26/04/2016
EJERCICIO No 1 Resolver el ejemplo No 1 considerando el aporte de la losa NSR-10 Sec. C.11.5.1 NSR-10 Sec. C.13.2.4
CV=3 t/m
hf 4t
200 cm
t
15 cm
60 cm
30 cm
hf
b
Carga viva = 200 kgf/m2
b + 2hf b + 8t
f’c = 350 kgf/m2 fyt = 4.200 kgf/m2 fy = 4.200 kgf/m2
b
t
hf
b
Considerar el empleo de estribos de 3/8” y refuerzo longitudinal de 1” de diámetro. Recubrimiento al estribo: r = 4 cm, Se desprecia el aporte de la losa
ROBERTO ROCHEL AWAD
EJERCICIO No 2 Caso de patología estructural El siguiente entrepiso corresponde a un mezanine vaciado de concreto reforzado, se desea revisar el diseño de la viga inferior a torsión y cortante combinadas. Los criterios de diseño corresponden a los asumidos por el diseñador de la misma.
Construcción existente
Construcción existente
5m
5m
ROBERTO ROCHEL AWAD
39
26/04/2016
0,05
1 6.00 m
2 0,35
C
0,80 m 0,10
0,80 m 0,10
0,20
5.00 m
1.5 m
Materiales: Concreto Refuerzo 5.00 m
B
A
Peso de acabados = 80 kgf/m2 No hay particiones Carga viva de servicio = 400 kgf/m2
f’c = 210 kgf/cm2 fy = 2.200 kgf/cm2
Criterios de modelación • Suponer los nervios empotrados en sus extremos discontinuos • Las columnas rojas solo ofrecen restricción vertical • Calcular las acciones sobre la viga 2 y diseñarla empotrada en A y C despreciando los efectos tridimensionales • Todas las columnas tienen una sección circular de 50 cm de diámetro • Todas las vigas son de 20*35 cm
Considerar el empleo de estribos de 3/8” y refuerzo longitudinal de 3/4” de diámetro. Recubrimiento al estribo: r = 4 cm, Se desprecia el aporte de la losa
ROBERTO ROCHEL AWAD
40