Construcciones de Hormigón Prefabricado.

Los requisitos para la integridad estructural de las construcciones hormigonadas en obra anteriores al Código 1989 eran prescriptivos. En 1989 se introdujeron requisitos para las construcciones de hormigón prefabricado que solamente especifican ciertos niveles de comportamiento. Este enfoque es el único posible, ya que las estructuras de hormigón prefabricado pueden ser de incontables tipos diferentes. El código exige que en las estructuras de hormigón prefabricado se coloquen armaduras especiales de tracción, cualquiera sea la altura de la construcción. No se permiten las conexiones que dependen exclusivamente de la fricción originada por las cargas gravitatorias.

El requisito general para la integridad estructural, establecido en el artículo 7.13.1, indica que "los elementos de una estructura se deben vincular eficazmente entre sí." El comentario incluido en 1989 advertía que para las construcciones de hormigón prefabricado los detalles de las conexiones se debían diseñar de manera de minimizar la potencial fisuración debida a la restricción de los movimientos originados por fluencia lenta, contracción y variaciones de temperatura. La Referencia 3.7 contiene información sobre las prácticas utilizadas por la industria para las conexiones y los detalles de armado. La Referencia 3.8 contiene requisitos prescriptivos recomendados por la PCI para los tabiques portantes de hormigón prefabricado. El Capítulo 16 de ACI 318-95 introdujo por primera vez requisitos prescriptivos para la integridad estructural de las estructuras de hormigón prefabricado (ver la discusión en el Capítulo 23 de esta publicación).

Losas Nervadas Hormigonadas en Obra.

Desde 1989 el Código exige que en las vigas perimetrales se coloque armadura continua para integridad estructural. La cantidad de armadura requerida es como mínimo igual a un sexto de la armadura de tracción requerida para el momento negativo en el apoyo, y un cuarto de la armadura de tracción requerida para el momento positivo en el centro del tramo. El Código 2002 exige un mínimo de dos barras en todos los casos. Otro requisito incorporado por primera vez en el Código 2002 es el que permite explícitamente el uso de empalmes mecánicos y soldados para la armadura continua de las losas nervuradas hormigonadas en obra. Las Figuras 3-11 a 3-13 ilustran los detalles de armado requeridos para el caso general de una losa nervurada.

Integridad de la Estructura en su Conjunto.

Debido a que el mal uso y los accidentes son eventos impredecibles, éstos no pueden ser definidos con precisión. De manera similar, el proveer a una estructura de integridad estructural es un requisito que no se puede expresar en términos sencillos.

El requisito de comportamiento …"A fin de asegurar la integridad de la estructura en su conjunto los elementos de una estructura se deben vincular eficazmente entre sí" requiere que el ingeniero aplique su criterio profesional, y seguramente diferentes ingenieros tendrán diferentes opiniones acerca de cómo vincular efectivamente los elementos de un sistema particular. Es evidente que es imposible codificar todas las condiciones y situaciones que se podrían presentar en el diseño estructural. Sin embargo, el Código sí presenta ejemplos específicos de determinados detalles de armado para las losas nervuradas hormigonadas en obra.

Si un apoyo resulta dañado, si no está confinada por estribos la armadura superior que es continua sobre el apoyo tenderá a desprenderse del hormigón, y no podrá colaborar en la transferencia de carga por flexión sobre el apoyo dañado. Especificando una cantidad de armadura inferior continua sobre los apoyos se puede lograr una cierta capacidad de soportar momentos positivos en los apoyos. Especificando para las vigas de borde o perimetrales una determinada cantidad de armadura superior e inferior continua se genera una vinculación de la estructura; además, esta continuidad provista para las vigas perimetrales de la estructura rigidizará la parte exterior de la misma, lo cual resultará útil en caso que se dañe una columna exterior. Se podrían mencionar otros ejemplos de detalles de armado que se pueden aplicar para obtener integridad estructural y lograr que un sistema estructural continúe resistiendo cargas aún cuando algún elemento resulte gravemente dañado. El ingeniero deberá evaluar esta consideración de diseño, y diseñar sistemas específicos para tratar este problema.

El concepto del diseño para integridad estructural se discute en profundidad en el Comentario de ASCE 7, Minimum DesignLoads for Buildings and Other Structures.3.6 El lector que desee profundizar en estos conceptos puede consultar esta publicación.

Estribos Cerrados Características.

De acuerdo con el artículo 7.11.3, los estribos cerrados deben estar compuestos por un solo tramo de barra continua con ganchos de 90 ó 135 grados yuxtapuestos en sus extremos, o bien por uno o dos tramos de barra continua con empalmes Clase B, tal como se ilustra en la Figura 3-8. Los estribos cerrados constituidos por un solo tramo de barra continua con ganchos yuxtapuestos en sus extremos no son prácticos de colocar. Ninguno de los estribos cerrados ilustrados en la Figura 3-8 se considera efectivo para un elemento solicitado por esfuerzos de torsión elevados. Ensayos realizados han demostrado que cuando hay esfuerzos de torsión elevados y el confinamiento proporcionado por el hormigón externo es limitado, este tipo de detalles de armado resultarán en la pérdida del recubrimiento de hormigón y la consiguiente pérdida del anclaje. Ver Figura 3-9. El Manual ACI3.1 recomienda que los estribos cerrados usados para resistir torsión se detallen como se ilustra en la Figura 3-10.

Estribos Cerrados para Columnas.

En las columnas de hormigón armado, la distancia vertical entre el estribo cerrado del extremo inferior de la columna y la parte superior de la fundación o de la losa de entrepiso, y la distancia entre el estribo cerrado del extremo superior de la columna y la armadura horizontal más baja de la losa o el ábaco superior, deben ser menores que la mitad del valor de la separación entre estribos. Cuando a una columna concurren vigas o ménsulas desde las cuatro direcciones, el último estribo de la columna se debe colocar como máximo 3 in. por debajo de la armadura más baja de la viga o ménsula menos profunda (ver Figura 3-5). El diámetro mínimo de los estribos usados en las columnas de hormigón armado depende del diámetro de las barras longitudinales. Los diámetros mínimos son los siguientes: No. 3 para las barras longitudinales no pretensadas No. 10 y menores; y No. 4 para las barras Longitudinales No. 11 y mayores y para los paquetes de barras. También se aplican las siguientes limitaciones: La separación de los estribos debe ser menor o igual que 16 veces el diámetro de las barras longitudinales, menor o igual que 48 veces el diámetro de los estribos, y menor o igual que la menor dimensión de la columna; los estribos se deben ubicar de forma tal que cada barra longitudinal de esquina y cada barra alternada tengan un apoyo transversal proporcionado por la esquina de un estribo con un ángulo interior menor o igual que 135 grados. La separación libre máxima entre una barra longitudinal sin apoyo transversal y la barra arriostrada más próxima debe ser menor o igual que 6 in. (ver Figura 3-6). Observar que la distancia libre de 6 in. se mide a lo largo del estribo.

Las barras o alambres continuos de forma helicoidal se pueden utilizar como estribos cerrados, siempre que su área sea equivalente a la de los estribos cerrados individuales. Cuando las barras longitudinales están ubicadas alrededor del perímetro de un círculo está permitido utilizar estribos circulares cerrados con las separaciones especificadas. Este requisito también permite usar estribos circulares con separaciones mayores que las especificadas cuando se utilizan zunchos circulares continuos. El anclaje de los zunchos constituidos por barras o alambres continuos se debe realizar mediante un gancho normal o agragando una vuelta más a la barra o alambre.

A fin de proveer continuidad para la transferencia de cargas en las conexiones, los bulones de anclaje que se colocan en la parte superior de las columnas o pedestales para fijarlos a otros elementos estructurales deben estar confinados por armadura horizontal que contenga también, como mínimo, cuatro barras verticales de la columna o pedestal. Esta armadura horizontal debe estar constituida como mínimo por dos barras No. 4 o tres barras No. 3, y debe estar distribuida en una altura de 5 in. a partir de la parte superior de la columna o pedestal.

ZUNCHOS: Armadura Transversal para los Elementos Solicitados a Compresión.

El diámetro mínimo de los zunchos usados en las construcciones hormigonadas en obra es de 3/8 in., y la separación libre debe estar comprendida entre 1 in. y 3 in. Este requisito no impide usar barras de diámetro más pequeño en los elementos prefabricados. A partir de la publicación del Código 1999 se comenzaron a permitir los empalmes mecánicos que satisfacen los requisitos de 12.14.3. Anteriormente sólo estaba permitido utilizar empalmes por yuxtaposición y soldaduras completas. Las ediciones del Código anteriores a 1999 exigían que los empalmes por yuxtaposición debían tener una longitud igual a 48 diámetros de barra, sin importar si las barras o alambres eran lisos o conformados o si tenían revestimiento epoxi o no lo tenían. El código 1999 se revisó para exigir que los empalmes por yuxtaposición de las barras o alambres lisos con o sin revestimiento epoxi tuvieran una longitud igual a 72 diámetros de barra. Se permite reducir la longitud de los empalmes por yuxtaposición de las barras o alambres lisos con y sin revestimiento epoxi a 48 diámetros de barra cuando los extremos de las barras o alambres empalmados terminan en un gancho normal de 90 grados como los requeridos para los estribos y los estribos cerrados (7.1.3). La longitud de los empalmes por yuxtaposición de las barras o alambres conformados se mantuvo igual a 48 diámetros de barra; también se mantuvo el requisito que establece que la longitud mínima de los empalmes por yuxtaposición debe ser mayor o igual que 12 in. La armadura en forma de zunchos (espiral) se debe anclar agregando una vuelta y media adicional en cada extremo del zuncho.

Los zunchos se deben prolongar, desde la parte superior de la fundación o de la losa de cualquier nivel, hasta la altura de la armadura transversal más baja de la losa, ábaco o viga soportado. Cuando no hay vigas o ménsulas en todos los lados de la columna, se deben colocar estribos cerrados por encima de la terminación del zuncho, hasta la parte inferior de la losa o ábaco (ver Figura 3-4). En las columnas con capitel el zuncho se debe prolongar hasta un nivel en el cual el diámetro o el ancho del capitel sea igual a dos veces el de la columna.

Los zunchos se deben mantener firmemente colocados en su posición, y su paso y alineación deben ser correctos para impedir su desplazamiento durante la colocación del hormigón. Antes de ACI 318-89, el código específicamente requería el uso de separadores para la instalación de los zunchos. Ahora el artículo 7.10.4.9 simplemente dice que "los zunchos se deben mantener firmemente colocados en su posición y su paso y alineación deben ser correctos." Este requisito, basado en el comportamiento, permite usar métodos alternativos para mantener la jaula de armadura en la posición especificada durante la construcción del elemento; la práctica actual consiste en atar las jaulas. Los requisitos originales que exigían separadores se mantuvieron, pero se trasladaron al comentario. Observar que las especificaciones técnicas deben establecer los requisitos para los separadores (si corresponde) o para el atado de los zunchos.

Nudos Viga-Columna de los Pórticos.

En los nudos viga-columna de los pórticos se deben confinar las zonas de los empalmes de las armaduras continuas y de los anclajes de las barras que terminan en dichos nudos. Este confinamiento lo puede proporcionar el hormigón externo, o bien se puede materializar mediante estribos, estribos cerrados o zunchos internos.

Cables y Vainas de Pretensado.

Antes del código 1999, las distancias entre los cables de pretensado se especificaban en términos de distancias libres mínimas. El Código 1999 especifica las distancias entre los cables de pretensado en términos de la separación mínima entre los centros de las barras o alambres, y requiere 4db para los cordones y 5db para los alambres. Si la resistencia a la compresión del hormigón en el momento de la transferencia del pretensado, f'ci, es mayor o igual que 4000 psi, la separación mínima entre los centros de los cables de pretensado se puede reducir a 1,25 in. si se trata de alambres de diámetro nominal menor o igual que 0,5 in., o a 2 in. si se trata de cordones de diámetro nominal de 0,6 in. Estos cambios fueron el resultado de investigaciones patrocinadas por la Federal Highway Administration. El motivo por el cual actualmente se especifican separaciones entre los centros de los cables es que así fue como se tomaron las mediciones en estas investigaciones. Además, convertir estas separaciones entre centros en separaciones libres es complejo e innecesario, ya que las plantillas usadas por los fabricantes de elementos prefabricados siempre se han confeccionado en base a dimensiones "entre centro y centro." En la zona central del tramo se permite adoptar para los cables una separación vertical menor, o disponerlos en paquetes, siempre y cuando el diseño y la fabricación se realicen cuidadosamente. Las vainas de postesado se pueden agrupar en paquetes siempre que se demuestre que el hormigón se puede colocar satisfactoriamente y que se adopten las medidas necesarias para evitar que las vainas se rompan al tesar los cables.

Paquetes de Barra: Ahorrar espacio y Reducir la Congestión.

Cuando se requiere una gran concentración de armadura el uso de paquetes de barras de tamaños estándares puede ahorrar espacio y reducir la congestión, con lo cual se simplifica la colocación y compactación del hormigón. Para las columnas, la práctica de formar paquetes de barras es una manera de optimizar la ubicación y orientación de la armadura y aumentar su capacidad. Otra ventaja que representa el uso de paquetes de barras es la reducción del número de estribos requeridos.

Los paquetes de barras (barras de armadura paralelas en contacto entre sí, el conjunto de las cuales se supone que actúa como una unidad) están permitidos, siempre y cuando estos paquetes estén contenidos por estribos o estribos cerrados que los envuelvan. El uso de paquetes de barras está sujeto a las siguientes limitaciones:

1. En las vigas no se permite agrupar en paquetes a las barras No. 14 o No. 18.

2. Cada una de las barras de un paquete que se interrumpe dentro de un tramo de una viga se debe interrumpir en una sección diferente, y estas secciones deben estar escalonadas como mínimo 40 veces el diámetro de las barras.

3. Un paquete de barras puede tener como máximo dos barras en un mismo plano (es decir, tres o cuatro barras adyacentes ubicadas en un mismo plano no constituyen un paquete de barras).

4. Para establecer la separación y el recubrimiento de hormigón requerido, un paquete de barras se debe considerar como una única barra que tiene un diámetro equivalente obtenido a partir del área total de las barras del paquete. La Tabla 3-7 lista los diámetros equivalentes para diferentes paquetes de barras.

5. Un paquete de barras puede estar compuesto por un máximo de cuatro barras (ver Figura 3-2).

6. Los paquetes de barras deben estar contenidos por estribos o por estribos cerrados que los envuelvan.

Soldaduras de Punto.

Observar que el Código prohíbe la utilización de soldaduras como método de fijación de las barras de armadura que se cruzan, excepto cuando el ingeniero las autorice específicamente. Por definición, una soldadura de punto es una pequeña soldadura usada para facilitar la fabricación o la instalación de la armadura, y no una soldadura estructural. Las soldaduras de puntos pueden fragilizar localmente el acero, y nunca se debe utilizar este tipo de soldadura en la armadura requerida por el diseño. Como se observa en la sección 3.5.2, todas las soldaduras de las armaduras se deben realizar conforme a los procedimientos de soldadura controlada especificados en AWS D1.4, incluyendo un correcto precalentamiento (si fuera necesario) y el uso de electrodos que satisfagan los requisitos especificados para las soldaduras terminadas.

Tolerancias para la colocación de la armadura (II)

Para los extremos de las barras y la ubicación longitudinal de los ganchos la tolerancia es de ± 2 in., excepto en los extremos discontinuos de las ménsulas y cartelas donde la tolerancia es de ± 1/2 in. En los extremos discontinuos de otros elementos
se permite una tolerancia de + 1 in. También se aplica la tolerancia para el recubrimiento mínimo de hormigón especificada en el artículo 7.5.2.1. Estas tolerancias se ilustran en la Figura 3-1.

Observar que una tolerancia de signo positivo (+) aumenta la dimensión, mientras que una tolerancia de signo negativo (–)
la reduce. Cuando solamente se especifica una tolerancia de signo negativo es porque no hay ninguna limitación en el sentido positivo. El control de calidad durante la etapa constructiva debe considerar la más estricta de las tolerancias aplicables.

Además de las tolerancias para la colocación de la armadura especificadas en el Código, el ingeniero se debería familiarizar
con la norma ACI 117.3.5 La norma ACI 117 incluye tolerancias para todas las dimensiones, cantidades y propiedades del hormigón que se utilizan en la construcción. La intención es que el documento ACI 117 se adopte por referencia directa en
las especificaciones técnicas del proyecto, y por este motivo tiene el formato de una especificación.

El diseñador debe especificar e identificar claramente las tolerancias para el recubrimiento de hormigón de acuerdo con las necesidades del proyecto. Por ejemplo, si el hormigón estará expuesto a un ambiente muy agresivo, como por ejemplo el que provocan las sales anticongelantes, donde el espesor del recubrimiento de hormigón sobre las armaduras puede representar una consideración crítica desde el punto de vista de la durabilidad, el ingeniero puede especificar para este recubrimiento tolerancias menores que las permitidas por el Código o bien, por el contrario, especificar un mayor espesor para el recubrimiento para reconocer la variabilidad que se anticipa en la colocación de la armadura.

Tolerancias para la colocación de la armadura (I)

Las tolerancias especificadas en el Código se aplican simultáneamente al recubrimiento de hormigón y a la profundidad efectiva del elemento, d. Como la dimensión "d" es la más importante desde el punto de vista estructural, cualquier desviación de esta dimensión (especialmente en los elementos de menor profundidad) puede afectar la resistencia de la estructura terminada. La variación permitida respecto de la profundidad efectiva, d, toma en cuenta esta reducción de la resistencia, especificando tolerancias más bajas para los elementos de menor profundidad. También se establecen tolerancias admisibles para reflejar las técnicas y prácticas constructivas habituales. Las tolerancias críticas para la ubicación de la armadura longitudinal son las ilustradas en la Tabla 3-5, para las cuales hay dos excepciones:

1. La tolerancia para la distancia libre al intradós de un encofrado no debe ser menor que -1/4 in.

2. Las tolerancias para el recubrimiento de hormigón no deben ser mayores que -1/3 del mínimo recubrimiento libre de hormigón requerido en los planos y especificaciones técnicas. Ver el Ejemplo 3.1.

Diámetro mínimo de Doblado

El diámetro mínimo del mandril de doblado, también llamado simplemente diámetro mínimo de doblado, se define como "el diámetro de doblado medido del lado interno de la barra." Los diámetros mínimos de doblado, los cuales se expresan como múltiplos del diámetro de las barras, dependen del tamaño de las barras: para las barras No. 3 a No. 8 el diámetro mínimo de doblado es igual a seis veces el diámetro de la barra; para las barras No. 9 a No. 11 el diámetro mínimo de doblado es igual a 8 veces el diámetro de la barra; y para las barras No. 14 y No. 18 el diámetro mínimo de doblado es igual a 10 veces el diámetro de la barra. Este requisito tiene las siguientes excepciones:

1. Para los estribos y estribos cerrados cuyo tamaño corresponde a barras No. 5 o menores, el diámetro mínimo de doblado
es igual a 4 veces el diámetro de la barra. Para los estribos y estribos cerrados No. 6 a No 8 el diámetro mínimo de doblado es igual a 6 veces el diámetro de la barra.

2. Para las mallas de alambre soldadas usadas como estribos o estribos cerrados, el diámetro del mandril de doblado debe
ser mayor o igual que cuatro veces el diámetro de los alambres si se trata de mallas de alambres conformados mayores que el alambre D6, o mayor o igual que dos veces el diámetro de los alambres para los demás tipos de alambre. La distancia entre una soldadura de barras que se cruzan y un gancho con un diámetro de doblado menor que ocho veces el diámetro del alambre debe ser como mínimo igual a cuatro veces el diámetro de los alambres.

Detalles de Armado de las Armaduras: Consideraciones.

Detallar correctamente las armaduras es fundamental para que las estructuras de hormigón armado se comporten satisfactoriamente. Los detalles de armado actuales son el resultado de una evolución gradual. El Comité ACI 318 continuamente recibe informes de investigaciones y aplicaciones prácticas relacionadas con el hormigón estructural, sugiere nuevas investigaciones que considera necesarias y traduce los resultados obtenidos en requisitos codificados.

El Manual de Armado de ACI3.1 recomienda métodos y estándares para preparar los planos de diseño, detalles típicos y planos de fabricación y colocación de las armaduras que se utilizan en las estructuras de hormigón armado. El manual tiene diferentes secciones en las cuales define las responsabilidades tanto del ingeniero como del armador de las barras. El Manual de Práctica CRSI3.2 describe prácticas recomendadas. A modo de ayuda para los diseñadores, la Referencia 3.2 incluye prácticas recomendadas para estimar, detallar, fabricar e instalar las armaduras; el diseñador puede hacer referencia a esta publicación en los planos y especificaciones técnicas. El Manual para el Detallado de las Mallas de Alambre Soldado3.3 contiene información referida a los sistema de armado que utilizan mallas de alambre soldadas.