1º Requisitos Especiales para las Resistencias a las Solicitaciones Sísmicas.

A partir de la edición 1989, los requisitos especiales para el diseño sismorresistente están ubicados en el cuerpo principal del Código para asegurar que cuando una jurisdicción adopte el Código ACI como parte de su código de construcción general adopte también estos requisitos especiales para el diseño sismorresistente. Gracias al creciente interés a nivel nacional por lograr mejores diseños y comportamientos sismorresistentes, esta edición del Código continúa enfatizando el diseño sismorresistente. El Capítulo 21 representa los últimos conocimientos disponibles en cuanto a los detalles de diseño y armado para lograr un comportamiento adecuado ante eventuales solicitaciones sísmicas.

Si desea estudiar en profundidad el diseño de los edificios de hormigón armado sujetos a solicitaciones sísmicas, el diseñador puede consultar la Referencia 1.14. Este texto analiza el correcto diseño y armado de los edificios de hormigón armado sujetos a solicitaciones sísmicas de acuerdo con la edición 1994 del UBC. Incluye una comparación del diseño de los muros de cortante usando los procedimientos de diseño del UBC 1991 y los requisitos revisados del UBC 1994. Debido a que entre las ediciones de 1994 y 1997 del UBC se introdujeron importantes cambios como los descriptos en párrafos precedentes, se desarrolló una publicación nueva, la Referencia 1.15. Este texto discute las principales diferencias entre los requisitos del UBC 1994 y el UBC 1997. Presenta el diseño y los detalles de armado para tres tipos diferentes de sistemas estructurales de hormigón, para solicitaciones sísmicas representativas de las regiones de peligrosidad sísmica elevada (Zonas Sísmicas 3 y 4). Aunque todos los ejemplos de diseño corresponden a regiones de peligrosidad sísmica elevada, uno de los capítulos discute los detalles de armado para las estructuras ubicadas en regiones de peligrosidad sísmica baja, moderada y elevada. También se ilustra el diseño de sistemas estructurales básicos resistentes a las cargas de viento. Al igual que en estas "Notas," este texto enfatiza "cómo aplicar" los diferentes requisitos del UBC más reciente.

Losas a Nivel Plano de Fundación.

Las ediciones del Código anteriores a 1995 no explicitaban si las losas a nivel del plano de fundación, construidas directamente sobre el terreno, estaban cubiertas por el Código o no. En la edición 1995 de ACI 318 se las excluyó explícitamente "… a menos que la losa transmita cargas verticales de otras partes de la estructura al suelo." La edición de 1999 amplió el campo de validez, e incluyó aquellas que "… transmiten cargas verticales o esfuerzos horizontales de otras partes de la estructura al suelo." Las carpetas de fundación y otras losas construidas directamente sobre el terreno que ayudan a soportar las cargas verticales y/o transferir los esfuerzos horizontales de la estructura soportada al suelo se deben diseñar conforme a los requisitos aplicables del Código, específicamente los del Capítulo 15 – Zapatas y cabezales de pilotes.
La metodología de diseño para una típica losa a nivel del plano de fundación difiere de la utilizada para otros elementos de hormigón, y se describe detalladamente en las Referencias 1.12 y 1.13. La Referencia 1.12 describe el diseño y la construcción de los pisos de hormigón construidos directamente sobre el terreno para edificios industriales, comerciales, y depósitos livianos y para construcciones industriales pesadas. La Referencia 1.13 contiene lineamientos para determinar el espesor de losa requerido para los pisos de hormigón construidos sobre el terreno utilizados en fábricas y depósitos pesados.

En 1999, además de las modificaciones incluidas en el artículo 1.1.6, en el Capítulo 21 – Requisitos Especiales para el Diseño Sismorresistente se introdujo una nueva Sección 21.8 – Fundaciones. Como en la edición 2002 del Capítulo 21 del Código se introdujeron nuevas secciones, ahora estos requisitos se encuentran en la Sección 21.10. El artículo 21.10.3.4 indica que "las losas a nivel del plano de fundación que resisten esfuerzos sísmicos provenientes de tabiques o columnas que forman parte del sistema resistente a los esfuerzos horizontales se deben diseñar como diafragmas estructurales de acuerdo con 21.9." Ahora que se encuentran en esta parte del Capítulo 21 estos requisitos se aplican solamente en las regiones de peligrosidad sísmica elevada o para las estructuras para las cuales se requiere un nivel de comportamiento o diseño sismorresistente elevado. En las regiones de peligrosidad sísmica baja o moderada, o en las estructuras para las cuales se requiere un nivel de comportamiento o diseño sismorresistente bajo o intermedio, en virtud del nuevo requisito incluido en el artículo 1.1.6, a las losas a nivel del plano de fundación se aplican los requisitos de los Capítulos 18 o del Capítulo 22 (ver
Tabla 1-3).

Requisitos Especiales para los Empalmes en las Columnas.

Los requisitos especiales para los empalmes en las columnas se simplificaron considerablemente en la revisión efectuada antes de la publicación del Código 1989. Los requisitos para los empalmes en las columnas simplifican los cálculos requeridos en comparación con los requisitos planteados en las ediciones del código anteriores a 1989, ya que asumen que un empalme por yuxtaposición comprimido (12.17.2.1) tiene una capacidad a la tracción como mínimo igual a un cuarto defy (R12.17).

Los requisitos para los empalmes en las columnas se basan en el concepto de proveer algo de resistencia a la tracción en todas las secciones en las cuales hay empalmes, aún cuando el análisis indique que solamente habrá compresión. Básicamente la Sección 12.7 establece la resistencia a la tracción requerida para las barras longitudinales empalmadas en una columna. Está permitido utilizar empalmes por yuxtaposición, empalmes soldados, empalmes mecánicos o empalmes por contacto a tope.

Empalmes por Contacto a Tope.

La Sección 12.16.4 especifica los requisitos para los empalmes por contacto a tope. Los empalmes por contacto a tope solamente están permitidos en los elementos que tienen estribos cerrados o zunchos (12.16.4.3). El artículo R12.16.4.1 advierte al ingeniero sobre el uso de empalmes por contacto a tope en barras inclinadas respecto de la vertical. Los empalmes por contacto a tope se utilizan casi exclusivamente en las barras de las columnas y se pretende limitar su uso a barras verticales o casi verticales, ya que resulta difícil lograr un buen contacto a tope cuando las barras están en posición horizontal o tienen una inclinación significativa respecto de la vertical. Las barras comprimidas también se pueden empalmar utilizando empalmes mecánicos o soldados, siempre que estos empalmes mecánicos o soldados satisfagan los requisitos establecidos en 12.14.3.2 ó 12.14.3.4, respectivamente.

Empalmes por Yuxtaposición de las Barras Comprimidas.

A partir del Código 1989 se simplificó el cálculo de los empalmes por yuxtaposición de las barras comprimidas, ya que se eliminaron los cálculos que se requerían para determinar la longitud de anclaje en compresión. Para los empalmes por yuxtaposición de las barras comprimidas, el artículo 12.16.1 simplemente especifica que, para fy ≤ 60.000 psi, la longitud de empalme debe ser mayor o igual que 0,0005dbfy, pero nunca menor que 12 in. Para las barras con una tensión de fluencia superior a 60.000 psi la longitud de empalme debe ser mayor o igual que (0,0009fy – 214)db, pero nunca menor que 12 in. Las longitudes de los empalmes por yuxtaposición se deben incrementar en un tercio cuando se utiliza hormigón con una resistencia a la compresión especificada menor que 3000 psi.

Como se observó en la discusión de la Sección 12.14.2, las barras No. 14 y No. 18 se pueden empalmar por yuxtaposición solamente cuando trabajan a compresión, y solamente se pueden empalmar con barras No. 11 o menores o con las barras de menor diámetro en espera de zapatas o cabezales. El artículo 12.16.2 requiere que, cuando se empalmen por yuxtaposición barras comprimidas de diferente diámetro, la longitud del empalme debe ser mayor que la longitud de anclaje en compresión de la barra de mayor diámetro o que la longitud de empalme en compresión de la barra de menor diámetro, cualquiera sea el valor que resulte mayor.

Empalmes de las Conformados Solicitados a Compresión.

Como el comportamiento por adherencia de las barras comprimidas no se ve afectado por el problema de la fisuración originada por la tracción transversal, los empalmes de las armaduras comprimidas no requieren de disposiciones tan estrictas como las establecidas para los empalmes de las armaduras traccionadas. Ensayos realizados han demostrado que la resistencia de los empalmes de las barras comprimidas depende fundamentalmente de la resistencia proporcionada por el apoyo en el extremo de la barra; por lo tanto la resistencia de estos empalmes no aumenta de forma proporcional aunque se duplique la longitud del empalme. Es por esto que el Código exige longitudes de empalme significativamente mayores para las barras que poseen una tensión de fluencia superior a 60.000 psi.

Empalmes de las Barras y Alambres Conformados Solicitados a Tracción.

os empalmes por yuxtaposición de las barras y alambres conformados solicitados a tracción se clasifican como Clase A o Clase B, y su longitud del empalme por yuxtaposición es un múltiplo de la longitud de anclaje en tracción, ℓd. La intención de la clasificación de los empalmes en dos categorías (Clases A y B) es alentar a los diseñadores a empalmar las barras en los puntos donde la tensión es mínima y a no empalmar varias barras en una misma sección, para así mejorar el comportamiento de los detalles críticos.

La longitud de anclaje ℓd (12.2) utilizada para calcular la longitud de empalme debe ser la correspondiente a la totalidad de fy, ya que las clasificaciones de los empalmes ya reflejan cualquier exceso de armadura en la sección donde se realiza el empalme (no se debe aplicar el factor por exceso de armadura especificado en el artículo 12.2.5). La mínima longitud de empalme permitida es de 12 in.

Para los empalmes por yuxtaposición de la armadura de losas y tabiques, la separación libre efectiva entre las barras que se empalman en una misma sección se toma como la separación libre entre las barras empalmadas (R12.15.1). Este criterio para determinar la separación libre se ilustra en la Figura 4-20(a). La separación para los empalmes por yuxtaposición sin contacto entre las barras (separación entre las barras yuxtapuestas menor o igual que (1/5) de la longitud yuxtapuesta ó 6 in.) se debe considerar igual que para los empalmes por yuxtaposición con contacto entre las barras. Para los empalmes por yuxtaposición de las barras de una columna o viga, la separación libre efectiva entre las barras que se empalman dependerá de la orientación de las barras empalmadas; ver las Figuras 4-20(b) y (c), respectivamente.

Figura 4-20 – Separación libre efectiva de las barras empalmadas

El diseñador debe especificar la clase de empalme de tracción a utilizar. La clase de empalme depende de la magnitud de la tensión de tracción en la armadura y del porcentaje de la armadura total que se ha de empalmar por yuxtaposición en una determinada longitud de empalme, tal como se indica en la Tabla 4-7. Si el área de la armadura de tracción provista en la ubicación del empalme es mayor que dos veces el área requerida por resistencia (baja tensión de tracción) y si está empalmada la mitad o menos de la armadura total dentro de la longitud de empalme requerida, se permite utilizar un empalme Clase A. Observar que estas dos condiciones se deben satisfacer simultáneamente; si no se satisfacen se deberán especificar empalmes Clase B. En otras palabras, si el área de la armadura provista en la ubicación del empalme es menor que dos veces el área requerida por resistencia (elevada tensión de tracción) y/o si está empalmada más de la mitad de la armadura total dentro de la longitud de empalme requerida, obligatoriamente se deben utilizar empalmes Clase B.

Tabla 4-7 – Condiciones en un empalme de tracción (en la ubicación del empalme)

En lugar de empalmes de tracción por yuxtaposición se pueden utilizar empalmes mecánicos o soldados que satisfagan los requisitos especificados en 12.14.3. El artículo R12.15.3 aclara que no es necesario que estos empalmes estén escalonados, aunque es aconsejable disponer un escalonamiento si el área de la armadura provista es menor que el doble de la requerida por cálculo.

La Sección 12.15.4 enfatiza que el uso de empalmes mecánicos o soldados que no satisfagan los requisitos establecidos en los artículos 12.14.3.2 y 12.14.3.4, respectivamente, se limita a las barras No. 5 y menores, y solamente cuando se satisfagan ciertas condiciones (ver 12.15.4.1 y 12.15.4.2).

Los empalmes en los elementos predominantemente traccionados (tensores) se deben realizar mediante conexiones totalmente mecánicas o uniones completamente soldadas, y los empalmes en las barras adyacentes deben estar escalonadoscomo mínimo una distancia igual a 30 in. Ver la definición de "elemento predominantemente traccionado" en el artículo R12.15.5).

Empalmes Mecánicos y Empalmes Soldados.

La Sección 12.4.3 permite el uso de empalmes mecánicos o empalmes soldados. Los empalmes totalmente mecánicos deben anclar, en tracción o compresión, como mínimo 125 por ciento de la tensión de fluencia especificada de la barra (12.14.3.2). Los empalmes totalmente soldados deben anclar en tracción como mínimo 125 por ciento de la tensión de fluencia especificada de la barra (12.14.3.4). La norma ANSI/AWS D1.4 permite soldaduras indirectas cuando las barras no están a tope. Observar que ANSI/AWS D1.4 indica que, siempre que sea posible, para las barras No. 7 y mayores se prefieren los empalmes a tope directos. Los anclajes mecánicos o soldados que anclan menos de 125 por ciento de la tensión de fluencia especificada de la barra se limita a las barras No. 5 y menores (12.14.3.5) ubicadas en regiones en las cuales las tensiones calculadas son bajas. Los anclajes mecánicos y soldados que no satisfacen los requisitos de los artículos 12.14.3.2 y 12.14.3.4 se limita a las barras No. 5 y menores debido a la naturaleza potencialmente frágil de estas soldaduras.

El artículo 12.14.3.3 especifica que todas las soldaduras de la armadura deben satisfacer los requisitos de ANSI/AWS D1.4 (Structural Welding Code - Reinforcing Steel). La Sección 3.5.2 exige que la armadura a soldar debe estar especificada en los planos, y que también se debe especificar el procedimiento de soldadura. Para poder satisfacer estos requisitos del Código correctamente, se recomienda que el ingeniero esté familiarizado con los requisitos de ANSI/AWS D1.4 y con los requisitos de las especificaciones ASTM para barras de armadura.

Las especificaciones ASTM A 615 y A 617 no se ocupan de la soldabilidad del acero. Estas especificaciones no establecen límites para los elementos químicos que pueden afectar la soldabilidad del acero. Un parámetro fundamental de ANSI/AWS D1.4 es el carbono equivalente. Las temperaturas mínimas de precalentamiento especificadas en ANSI/AWS D1.4 se basan en el carbono equivalente y en el tamaño de las barras. Por este motivo, de acuerdo con lo especificado en 3.5.2 y R3.5.2, cuando es necesario soldar la armadura las especificaciones ASTM A 615, A 616 y A 617 se deben suplementar exigiendo un informe de la composición química de las barras, para poder asegurar que el procedimiento de soldadura especificado sea compatible con las mismas.

Las barras de acero ASTM A 706 son aptas para las soldaduras. La especificación ASTM A 706 contiene límites para los diferentes componentes químicos, incluyendo el carbono, y limita el carbono equivalente a 0,55 por ciento. La composición química y el carbono equivalente deben ser informados. Al limitar el carbono equivalente a 0,55 por ciento, ANSI/AWS D1.4 requiere un nivel de precalentamiento bajo o nulo. Por lo tanto, no será necesario que el ingeniero suplemente la especificación ASTM A 706 cuando se han de soldar las barras. Sin embargo, antes de especificar barras de acero ASTM A 706 se debería investigar su disponibilidad en el mercado local.

La Referencia 4.5 presenta una discusión detallada de los empalmes soldados. También discute otros requisitos importantes, tales como la inspección en obra, la supervisión de los procedimientos de soldadura y el control de calidad de los empalmes soldados.

ANSI/AWS D1.4 solamente se ocupa de la soldadura de las barras. Las soldaduras entre alambres, o las soldaduras entre un alambre o una malla soldada de alambres y una barra de armadura u otro elemento de acero estructural, deben satisfacer los requisitos aplicables de ANSI/AWS D1.4 y los requisitos suplementarios especificados por el ingeniero. Además, el ingeniero debe saber que existe la posibilidad de que un alambre de bajo contenido de carbono estirado en frío pierda tensión de fluencia y ductilidad si el alambre se suelda aplicando un procedimiento diferente a la soldadura de resistencia controlada utilizado para fabricar las mallas de acero soldadas.

En la discusión de la Sección 7.5 incluida en el Capítulo 3 de este documento se observó que se prohíbe utilizar soldaduras como método de fijación de las barras de armadura que se cruzan (soldaduras de punto) a menos que el ingeniero lo autorice específicamente. Un ejemplo de soldaduras de punto sería el de una jaula de armadura para una columna en la cual los estribos se fijan a las barras longitudinales mediante pequeñas soldaduras eléctricas. Este tipo de soldadura puede provocar un defecto en las barras longitudinales, y consecuentemente afectar la resistencia de las barras. Las soldaduras de punto parecen ser particularmente perjudiciales para la ductilidad (resistencia al impacto) y para la resistencia a la fatiga. La Referencia 4.5 recomienda: "Nunca permitir soldar las barras transversales en obra (soldaduras de punto, etc.). Siempre es mejor atar las barras con alambre, ya que esto no producirá daños."

Empalmes por Yuxtaposición Especificaciones.

No se permite utilizar empalmes por yuxtaposición para barras mayores que la No. 11 solicitadas a tracción o compresión,salvo que:

• Las barras No. 14 y No. 18 solicitadas a compresión solamente se pueden empalmar por yuxtaposición con barras No. 11 o menores (12.16.2), y
• Las barras No. 14 y No. 18 solicitadas a compresión solamente se pueden empalmar por yuxtaposición con barras en espera de menor diámetro en zapatas o cabezales (15.8.2.3).

El artículo 12.14.2.2 especifica los requisitos para empalmar por yuxtaposición las barras que forman un paquete de barras (solicitado a tracción o compresión). Las longitudes de empalme por yuxtaposición requeridas para las barras individuales que componen un paquete se deben incrementar un 20 por ciento y un 33 por ciento, respectivamente, para los atados de tres y cuatro barras. No se permite empalmar en una misma sección las barras individuales que forman un paquete de barras. No se permite empalmar por yuxtaposición dos paquetes de barras como si se tratara de dos barras individuales.

Las barras de los elementos solicitados a flexión se pueden empalmar mediante empalmes por yuxtaposición en los cuales las barras no están en contacto entre sí. Cuando en un empalme las barras están demasiado separadas entre sí se origina enese espacio una sección no armada; por este motivo el artículo 12.14.2.3 limita la máxima distancia entre las barras a un quinto de la longitud de empalme requerida o 6 in., cualquiera sea el valor que resulte menor. Se prefieren los empalmes en los cuales las barras están en contacto entre sí, ya que en este caso las barras son más fáciles de asegurar para evitar que sedesplacen durante la colocación del hormigón.

Empalmes de la Armadura: Requisitos Generales.

El Código especifica que los empalmes de la armadura sólo se pueden realizar cuando en la documentación de la obra están detallados clara y exhaustivamente. Los planos de obra, planillas de armadura y especificaciones técnicas deben mostrar o describir todas las ubicaciones de los empalmes, los tipos de empalmes permitidos o requeridos y, para el caso de los empalmes por yuxtaposición, la longitud de empalme requerida. El ingeniero no puede simplemente especificar que todos los empalmes deben satisfacer los requisitos del Código ACI 318. Esto se debe a que existe una gran cantidad de factores que afectan los empalmes de las armaduras. Algunos de los factores que afectan los empalmes yuxtapuestos de barras conformadas solicitados a tracción son:

• el tamaño de las barras
• la tensión de fluencia de las barras
• la resistencia a la compresión del hormigón
• la ubicación de las barras (barras superiores u otras barras)
• el uso de hormigón de peso normal u hormigón de agregados livianos
• la separación y el recubrimiento de las barras empalmadas
• la presencia de armadura transversal de confinamiento
• el uso de revestimiento epoxi
• el número de barras empalmada en una sección.

Es virtualmente imposible que la persona a cargo de fabricar las armaduras sepa qué tipo de empalme se requiere en una ubicación determinada, a menos que el ingeniero ilustre o defina explícitamente los requisitos del anclaje. El artículo 12.14.1 dice: "Los empalmes de la armadura sólo se pueden realizar según lo requerido o permitido en los planos de diseño, o en las especificaciones técnicas, o cuando el ingeniero los autorice en forma expresa." Como material de referencia para el correcto empalme de la armadura se sugieren dos publicaciones muy utilizadas por la industria. La Referencia 4.4 contiene información útil cuando se utilizan mallas de acero soldadas, incluyendo tablas que listan las longitudes de anclaje y empalme tanto para mallas de alambres lisos como para mallas de alambres conformados. La Referencia 4.5 presenta las prácticas aceptadas para empalmar la armadura, describe el uso de empalmes por yuxtaposición, mecánicos y soldados, e incluye datos para una determinación simplificada de las longitudes de los empalmes por yuxtaposición.