Consideración de franjas de diseño según ACI 318-19 y CSA A23.3: 19 en RFEM

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Es posible realizar el diseño de la superficie de hormigón armado para losas, placas y muros en el módulo RF-CONCRETE Surfaces según la norma ACI 318-19 o CSA A23.3-19. Un enfoque común para el diseño de losas es el uso de franjas de diseño para determinar los esfuerzos internos unidireccionales medios sobre el ancho de la franja. Este método de franjas de diseño toma esencialmente un elemento de losa bidireccional y aplica un enfoque unidireccional más simple para determinar la armadura necesaria a lo largo de la longitud de la franja.

La sección ACI 318-19. 8.4.1.5 y 8.4.1.6 recomiendan el uso de columnas y franjas centrales para el diseño de losas en dos direcciones. Las franjas de columna incluyen un ancho de 0,25lmin a cada lado de la línea central de la columna. Se coloca una franja central entre dos franjas de columnas. Del mismo modo, la norma CSA A23.3: 19 también especifica anchos de la franja de columna como 0,25lmin, mientras que la franja central es el área delimitada por dos franjas de columna.

El enfoque en RF-CONCRETE Surfaces

El enfoque de diseño predeterminado en el módulo RF-CONCRETE Surfaces es el diseño de la losa bidireccional. El programa principal de análisis por elementos finitos RFEM ejecuta un análisis completo de elementos finitos para determinar las fuerzas internas básicas tales como mx y my para todos los elementos de superficie 2D dentro del modelo. Las fuerzas internas básicas definidas por los ejes locales de las superficies (x, y y z) se transforman adicionalmente en fuerzas internas principales tales como m1 y m2 relacionadas con los ejes principales 1 y 2. Puede encontrar más información sobre esta transformación en el Manual en línea de RFEM 8.19 Superficies - Fuerzas internas principales .

RF-CONCRETE Surfaces calcula además los momentos de diseño finales para los lados superior e inferior de la placa orientados a lo largo de las direcciones de armadura definidas. Consulte el Manual en línea de RF-CONCRETE Surfaces 2.4.1 Placas - Forzar esfuerzos internos para obtener información detallada sobre este flujo de trabajo de cálculo. Los momentos de diseño finales se consideran en cada punto de malla de elementos finitos como una franja de 1 pie (o 1 m) de ancho en la dirección de la armadura longitudinal. La armadura a lo largo de esta franja se determina en base a este momento de diseño junto con consideraciones de la norma de diseño tales como los mínimos de armadura. Las unidades para la armadura dada son [área/anchura de la armadura] que es in²/ft (o cm²/m). La armadura necesaria en cada punto de malla de EF se proporciona en una representación gráfica utilizando curvas de nivel de color.

Figura 01 - Armadura necesaria en RF-CONCRETE Surfaces

Los ingenieros pueden estar interesados en considerar un ancho de diseño más grande en lugar del predeterminado 1 pie (o 1 m) como lo que permite el ACI 318-19 o el CSA A23.3: 19 para un enfoque más simplificado.

Códigos de diseño con barras de resultados en elementos RF-CONCRETE

Las vigas de resultados tienen la capacidad de sumar todas las fuerzas internas de un elemento de losa sobre una longitud y anchura elegidas. Las vigas de resultados no contribuyen a la rigidez de la estructura ni influyen en la distribución de la carga. Por el contrario, se pueden usar como una herramienta de evaluación de resultados. Consulte el Manual de ayuda en línea de RFEM 4.17 Miembros para obtener una explicación detallada de este tipo de miembro.

Se puede dibujar una viga de resultados directamente sobre el elemento de losa. El tipo de sección y el material pueden ser cualquier selección arbitraria. El tipo de barra se debe establecer en "viga de resultados". La opción "Dentro de cuboide - general" se debe seleccionar además con el ancho Y establecido en el ancho total de la franja de diseño deseada y la altura Z establecida para abarcar el espesor de la superficie. Las superficies sobre las que se extiende la tira de diseño se deben enumerar en los "Objetos incluidos".

Figura 02 - Viga de resultados en RFEM

Ver el seminario web 2 de RFEM: Modelado avanzado en el momento 38:14 para ver un ejemplo similar de una viga de resultados aplicada sobre un elemento de losa.

Las vigas de resultados se pueden diseñar adicionalmente en el módulo RF-CONCRETE Members como un elemento de viga típico. Se proporcionará armadura longitudinal según las normas ACI 318 o CSA A23.3, basada en el momento flector medio a lo largo de la longitud de la viga.

Figura 03 - Diseño de viga de resultados en RF-CONCRETE Members

Se pueden crear múltiples vigas de resultados en ambas direcciones longitudinales y se pueden diseñar en el módulo RF-CONCRETE para aplicar el método de la tira de cálculo unidireccional para los elementos de losa. Vea la superficie 7 y la barra 6 en el modelo de descarga al final del artículo para este ejemplo de viga de resultados.

Franjas de diseño con regiones medias en RF-CONCRETE Surfaces

La alternativa a las vigas de resultados es aplicar regiones medias sobre el ancho de la franja de diseño especificada. El promedio de las regiones promedia los esfuerzos internos sobre el área designada en un elemento de superficie que se puede considerar para el cálculo en RF-CONCRETE Surfaces. Lea más sobre las regiones medias en el Manual de ayuda en línea de RFEM 9.7.3 .

Las regiones medias son beneficiosas para situaciones de singularidad. Vea artículos adicionales sobre "regiones medias" en la Base de datos de conocimientos . También se pueden considerar en el módulo RF-CONCRETE Surfaces para suavizar los picos altos en las fuerzas internas y las tensiones que no ocurrirían en situaciones de la vida real debido a una mejor distribución de la carga que un software de FEA no puede capturar por defecto. Vea el seminario web de CSA A23.3: 19 Concrete Design in RFEM al tiempo 56:10 para ver un ejemplo de regiones y singularidades promedio para el diseño de hormigón armado.

Además, la superficie 9 en el modelo de descarga aplica el uso de regiones medias sólo alrededor de la columna a las intersecciones de losas para evitar altos requisitos de armadura máxima. Las fuerzas internas se promedian en todas las direcciones sobre un área de 2 pies ⋅ 2 pies.

Figura 04 - Zonas lisas en la sección de pilar y losa

Las regiones medias también se pueden usar para replicar las franjas de diseño para consideraciones de armadura. Surface 8 es idéntica a Surface 9 en el modelo de descarga. Sin embargo, las tiras de diseño se aplican a lo largo de todo el ancho y largo de la losa en las direcciones X e Y, en lugar de solo en ubicaciones singulares. El ancho de la tira de diseño lo establecería el usuario y probablemente consideraría las recomendaciones de ACI 318 y CSA A23.3.

También es extremadamente importante prestar especial atención a los detalles de "Instrucciones y fuerzas para el promedio" en el cuadro de diálogo Editar región media. Las franjas de diseño están diseñadas para el diseño unidireccional. Por lo tanto, las regiones medias sólo deberían considerar promediar las fuerzas internas en la dirección correspondiente. Esto se puede establecer alineando el eje local de la región media con el eje local perpendicular de la superficie (por ejemplo, el eje u de la región media con el eje y de la superficie). Esta configuración dependerá de la orientación de los elementos en el modelo utilizado. Los esfuerzos internos relevantes se promediarán a lo largo del ancho de la franja de diseño.

Figura 05 - Región lisa correspondiente al eje x de la superficie

Figura 06 - Área de suavizado correspondiente al eje y de la superficie

La visualización de los esfuerzos internos básicos de las superficies, tales como los momentos flectores del eje x (mx ), muestra la diferencia significativa para los valores predeterminados a lo largo de un corte de sección incluyendo los esfuerzos máximos altos (Superficie 9) frente a los valores de corte de sección promediados sobre un promedio anchura de región (superficie 8).

Figura 07 - Momento flector de la superficie seccional (m_x)

El diseño de la armadura en RF-CONCRETE Surfaces puede considerar las regiones medias seleccionando esta opción en la configuración "Detalles" dentro del módulo. El diseño considerará las regiones medias implementadas en la superficie. Dicho esto, aunque las regiones medias afectarán directamente a las fuerzas internas básicas a lo largo de los ejes x e y de la superficie, estos no son los valores utilizados para el diseño final. Por el contrario, se utilizan las fuerzas internas de cálculo finales que se derivaron de los momentos flectores máximos y mínimos no necesariamente orientados a lo largo de los ejes x e y. No es posible eliminar el diseño bidireccional en el módulo. Las regiones medias utilizadas como franjas de diseño proporcionarán una mejor uniformidad al diseño de la armadura, pero no son un diseño unidireccional estricto.

Conclusión

RF-CONCRETE Surfaces de forma predeterminada es un módulo de diseño de losas de armadura de dos direcciones. La armadura necesaria del análisis se proporcionará tanto en la salida numérica como en la gráfica en cada punto de malla de elementos finitos basándose en los esfuerzos internos de cálculo finales calculados dentro del módulo. La forma óptima de considerar el método de la franja de diseño para un verdadero cálculo de hormigón armado unidireccional en un ancho definido por el usuario es mediante el uso de vigas de resultados y el módulo adicional RF-CONCRETE Members. La alternativa es aplicar regiones medias dentro del modelo RFEM y activar esta consideración dentro de RF-CONCRETE Surfaces. La última opción mejorará el promedio de la fuerza interna sobre el ancho de una franja de diseño, pero el diseño en dos direcciones aún se considerará en el proceso de diseño de la armadura.

Palabras clave

Franja de diseño Hormigón Hormigón (concreto) armado ACI 318 ACI 318-19 CSA A23.3 CSA A23.3:19 Región media Viga de resultados

Referencia

[1]   ACI 318-19, Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary
[2]   CSA A23.3:19, Design of Concrete Structures
[3]   Manual de RFEM. Tiefenbach: Dlubal Software, marzo de 2016.
[4]   Manual RF-CONCRETE Surfaces. (2017). Tiefenbach: Dlubal Software.

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  • Actualizado 10. noviembre 2020

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