Comparación de esfuerzos cortantes en vigas de concreto reforzado de gran altura, mediante el método de los elementos finitos y el modelo puntal – tensor
Autor: Rojas Reyes, Walter Alonso
Asesor: Cortés Luna, Jorge Alberto (Thesis advisor)
Fecha: 2014
Programa: Bogotá - Medicina - Especialidad en Anestesiología y Reanimación
Facultad: Facultad de Medicina

Resumen: El comportamiento de los elementos estructurales de concreto reforzado sometidos a esfuerzos cortantes es más complejo que su comportamiento bajo solicitaciones flexionantes. La resistencia a compresión y a tensión del concreto simple, la orientación del refuerzo de acero con relación a las fisuras de corte, la proximidad de cargas concentradas, y el nivel dentro de la viga en el que actúan las cargas son algunos de los factores que definen los mecanismos que se desarrollan dentro de los elementos estructurales para resistir los esfuerzos cortantes. La presencia simultánea de todos estos factores determina que las fallas por cortante sean frágiles, lo que es una característica indeseable que debe ser controlada durante el proceso de diseño.  Las vigas de concreto reforzado de gran altura presentan zonas discontinuas donde la hipótesis de BERNOULLI de distribución lineal de deformaciones no es válida con trayectorias de tensiones turbulentas, por lo tanto, las teorías tradicionales de flexión, corte y torsión no son aplicables.  El modelo Puntal-Tensor es un método racional para el diseño de discontinuidades geométricas y/o de carga, basado en el teorema del más bajo límite de plasticidad que consiste en la idealización de los campos de esfuerzos internos mediante un reticulado hipotético. Puntales de concreto representan los campos a compresión y tensores de acero representan los campos a tracción, los cuales se encuentran conectados por nodos.  El concreto se fisura a tensiones relativamente bajas y la viga de gran altura deja de ser un continuo. En estos casos suele usarse un modelo de bielas o reticulado (RITTER-MÖRSCH). La resistencia de la viga se interpreta como el trabajo de un reticulado formado por bielas comprimidas (puntales) y traccionadas (tensores).  Los cálculos con elementos finitos basados en un análisis lineal elástico del material son útiles para determinar el flujo de fuerzas en las regiones discontinuas donde la hipótesis de BERNOULLI no es válida. Por tal razón, se presentará la comparación de los esfuerzos principales y de corte luego de realizar una simulación numérica bidimensional a una viga de gran altura con el programa comercial de Elementos Finitos ANSYS® v14.0.

Comparación de Esfuerzos Cortantes en Vigas de Concreto
Reforzado de Gran Altura, Mediante el Método de los
Elementos Finitos y el Modelo Puntal - Tensor.
Ing. Walter Alonso Rojas Reyes
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Civil y Agrícola
Bogotá – Colombia
Enero, 2014Comparación de esfuerzos cortantes en vigas de concreto reforzado de gran altura, mediante el método de
los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Comparación de Esfuerzos Cortantes en Vigas de Concreto
Reforzado de Gran Altura, Mediante el Método de los
Elementos Finitos y el Modelo Puntal - Tensor.
Ing. Walter Alonso Rojas Reyes
Trabajo Final de Especialización presentado como requisito parcial para optar al título
de:
Especialista en Estructuras
Director:
Ing. Dorian Luís Linero Segrera. PhD.
Línea de Investigación:
Análisis Estructural
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Civil y Agrícola
Bogotá – Colombia
Enero, 2014
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© Walter Alonso Rojas Reyes – Universidad Nacional de Colombia, Bogotá 2014Comparación de esfuerzos cortantes en vigas de concreto reforzado de gran altura, mediante el método de
los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
NOTA DE ACEPTACIÓN
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FIRMA DEL DIRECTOR.
Ing. Dorian Luís Linero Segrera PhD.
Bogotá D.C., 27 de Enero de 2014
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Agradecimientos
Especial agradecimiento al Ingeniero Dorian Luís Linero Segrera. PhD, Profesor de la facultad
de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia y Director del trabajo final de
Especialización, por su valiosa orientación y su constante apoyo en la realización del mismo.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Resumen
El comportamiento de los elementos estructurales de concreto reforzado sometidos a
esfuerzos cortantes es más complejo que su comportamiento bajo solicitaciones flexionantes.
La resistencia a compresión y a tensión del concreto simple, la orientación del refuerzo de
acero con relación a las fisuras de corte, la proximidad de cargas concentradas, y el nivel
dentro de la viga en el que actúan las cargas son algunos de los factores que definen los
mecanismos que se desarrollan dentro de los elementos estructurales para resistir los
esfuerzos cortantes. La presencia simultánea de todos estos factores determina que las fallas
por cortante sean frágiles, lo que es una característica indeseable que debe ser controlada
durante el proceso de diseño.
Las vigas de concreto reforzado de gran altura presentan zonas discontinuas donde la
hipótesis de BERNOULLI de distribución lineal de deformaciones no es válida con trayectorias
de tensiones turbulentas, por lo tanto, las teorías tradicionales de flexión, corte y torsión no
son aplicables.
El modelo Puntal-Tensor es un método racional para el diseño de discontinuidades
geométricas y/o de carga, basado en el teorema del más bajo límite de plasticidad que
consiste en la idealización de los campos de esfuerzos internos mediante un reticulado
hipotético. Puntales de concreto representan los campos a compresión y tensores de acero
representan los campos a tracción, los cuales se encuentran conectados por nodos.
El concreto se fisura a tensiones relativamente bajas y la viga de gran altura deja de ser un
continuo. En estos casos suele usarse un modelo de bielas o reticulado (RITTER-MÖRSCH). La
resistencia de la viga se interpreta como el trabajo de un reticulado formado por bielas
comprimidas (puntales) y traccionadas (tensores).
Los cálculos con elementos finitos basados en un análisis lineal elástico del material son útiles
para determinar el flujo de fuerzas en las regiones discontinuas donde la hipótesis de
BERNOULLI no es válida. Por tal razón, se presentará la comparación de los esfuerzos
principales y de corte luego de realizar una simulación numérica bidimensional a una viga de
gran altura con el programa comercial de Elementos Finitos ANSYS® v14.0.
Palabras Clave:
Concreto reforzado
Viga de gran altura
Esfuerzo principal
Puntal-Tensor
Elemento finito
Simulación numérica
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Abstract
The behavior reinforced concrete structural elements subjected to shear stresses are more
complex than its behavior under flexural stresses. The resistance to compression and tension
on the unreinforced concrete, the orientation of steel reinforcement with respect to shear
cracks, the proximity of concentrated loads, and the level within the beam at which the loads
act on the element are some on the factors that define the mechanisms developed within the
structural components to resist shear stresses. The simultaneous presence of all these factors
determines that shear failures are fragile, which is an undesirable feature that must be
controlled during the design process.
Reinforced concrete deep beams present discontinuous zones where BERNOULLI hypothesis
of linear distribution of strain is not valid with paths of turbulent stresses, therefore, the
traditional bending, shear, and torsion theories are not applicable.
The strut-and-tie model is a rational method for the design of geometric discontinuities or
load, based on the theorem of the lower limit of plasticity, which consist of the fields
idealization of the internal efforts through hypothetical framing of the element. Concrete
struts represent compression fields and steel tensioning represent the fields to tension, which
are connected by nodes.
Concrete will crack at relatively low tensions and deep beams cease to be a continuous. In
these cases a model connecting rods or framing of the element (RITTER – MÖRSCH) it is often
used. The resistance of the beam is interpreted as the work made by a framed system of
compressed (struts) and tensioned (ties) rods.
Computations with finite elements based on a linear elastic analysis of the material are useful
to determine the flow of forces in the discontinuous regions where BERNOULLI hypothesis is
not valid. For this reason comparisons of principal stresses and shear stresses are presented
after a two–dimensional numerical simulation of deep beams using the commercial finite
element program ANSYS® v.14.0.
Key words:
Reinforced concrete
Deep beam
Principal stresses
Strut-and-tie
Finite element
Numerical simulation
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Contenido
Agradecimientos ........................................................................................................................................ 4
Resumen ...................................................................................................................................................... 5
Abstract ........................................................................................................................................................ 6
Contenido ..................................................................................................................................................... 7
Lista de Figuras ........................................................................................................................................... 9
Lista de Tablas .......................................................................................................................................... 13
Capítulo 1. .................................................................................................................................................. 14
1. Introducción y Objetivos ................................................................................................................ 14
1.1. Introducción ................................................................................................................................. 15
1.2. Planteamiento del problema .................................................................................................... 16
1.3. Objetivos ....................................................................................................................................... 17
1.3.1. Objetivo General ..................................................................................................................... 17
1.3.2. Objetivos Específicos .............................................................................................................. 18
1.4. Alcance .......................................................................................................................................... 18
Capítulo 2. .................................................................................................................................................. 19
2. Estado del Conocimiento ................................................................................................................ 19
2.1. Antecedente Histórico (MPT). .................................................................................................. 20
2.2. Modelo Puntal-tensor (MPT). ................................................................................................... 23
2.3. Procedimiento para el diseño con el modelo Puntal-tensor (MPT) – Según el ACI. ....... 27
2.3.1. Identificación de Regiones D. ............................................................................................... 27
2.3.2. Determinación de los Esfuerzos Externos Resultantes. .................................................. 29
2.3.3. Selección del Modelo Puntal-Tensor (MPT). ..................................................................... 30
2.3.3.1. Requerimientos Básicos. ....................................................................................................... 30
2.3.4. Métodos para encontrar el Modelo Puntal-Tensor (MPT). ............................................. 31
2.3.4.1. Los modelos y la falta de Unicidad ...................................................................................... 35
2.3.4.2. Modelos Isostáticos y Modelos Hiperestáticos ................................................................. 38
2.4. Vigas de Gran Altura. .................................................................................................................. 38
2.4.1. Cargas Concentradas cerca a los Apoyos ............................................................................ 46
2.4.2. Apoyos Directos de Vigas ...................................................................................................... 48
2.5. Dimensionamiento y Verificación de Elementos Modelo Puntal-Tensor (MPT) ........... 50
2.5.1. Estado General ........................................................................................................................ 50
2.5.2. Nodos, Zonas Nodales y Resistencia de la Zonas Nodales. .............................................. 50
2.5.3. Resistencia Puntales de concreto ........................................................................................ 56
2.5.4. Resistencia de los Tensores .................................................................................................. 59
2.5.5. Serviciabilidad ........................................................................................................................ 61
2.6. Método de los Elementos Finitos (MEF) ................................................................................. 62
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
2.6.1. Antecedente Histórico (MEF). .............................................................................................. 62
2.6.2. Etapas Básicas en la Utilización del MEF ............................................................................ 64
2.6.3. Modelos de Elementos Finitos en la Mecánica de Sólidos ............................................... 66
2.6.4. Modelos de Elementos Finitos en la Mecánica de Sólidos ............................................... 66
2.6.4.1. Elemento Unidimensional Sometido a Carga Axial. ......................................................... 67
2.6.4.2. Elementos Bidimensionales ................................................................................................. 69
2.6.4.2.1. Funciones de Interpolación del Elemento Rectangular Lineal .................................. 70
2.7. Simulación Numérica con Elementos Finitos en Estructuras de Concreto Reforzado ... 73
Capítulo 3. .................................................................................................................................................. 75
3. Análisis y diseño estructural – Viga de concreto reforzado de gran altura.......................... 75
3.1. Justificación del análisis estructural ....................................................................................... 76
3.2. Metodología .................................................................................................................................. 77
3.3. Solución analítica - Viga de gran altura mediante el modelo Puntal-Tensor (MPT) ..... 78
3.3.1. Identificación de las Regiones “B” y “D” ............................................................................. 80
3.3.2. Cálculo de fuerzas actuantes en las fronteras de las regiones “D” ................................ 80
3.3.3. Elección de modelos Puntal-Tensor .................................................................................... 80
3.3.4. Geometría general y esfuerzos en los Puntales y Tensores ............................................ 82
3.3.5. Dimensionamiento de Puntales, Tensores y Zonas Nodales .......................................... 85
3.3.6. Refuerzo requerido para los Puntales y Tensores. .......................................................... 88
3.3.7. Disposición General del Refuerzo. ....................................................................................... 96
3.4. Obtención de los esfuerzos principales a partir del modelo Puntal-Tensor (MPT). ...... 96
3.4.1. Magnitud de esfuerzos principales en las zonas de puntales y tensores. .................... 96
3.4.1.1. Esfuerzos principales ....................................................................................................... 96
3.4.1.2. Esfuerzos principales ....................................................................................................... 98
3.5. Verificación de los esfuerzos principales con el método de los Elementos Finitos
(MEF)........................................................................................................................................................... 99
3.5.1. Esfuerzos principales ....................................................................................................... 99
3.5.2. Esfuerzos principales ..................................................................................................... 102
3.6. Simulación numérica – Viga de concreto reforzado de Gran Altura mediante el
programa comercial de EF ANSYS® v14.0. ........................................................................................ 104
3.6.1. Resultados del análisis – VGA de concreto reforzado. ................................................... 107
3.7. Comparación de esfuerzos por cortante y esfuerzos principales en la VGA. ................. 110
Capítulo 4. ................................................................................................................................................ 116
4. Conclusiones, Recomendaciones y Trabajos Futuros. ............................................................ 116
4.1. Conclusiones .............................................................................................................................. 117
4.2. Recomendaciones ..................................................................................................................... 118
4.3. Trabajos Futuros ....................................................................................................................... 118
Referencias Bibliográficas .................................................................................................................... 119
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Lista de Figuras
Capítulo 1.
Figura 1. Distribución de fuerzas internas en una viga de gran altura sometida a cargas externas. ........ 17
Capítulo 2.
Figura A- 1. Modelo de celosía propuesto para evaluar el comportamiento de un elemento sometido a
esfuerzos y cortante. (RITTER 1899) ..................................................................................................................................... 20
Figura A- 2. Ley de Isostáticas en una pieza entera de concreto reforzado. (MÖRSCH 1902)..................... 21
Figura A- 3. Equilibrio tensional. (MÖRSCH 1902) ........................................................................................................ 21
Figura A- 4. Equilibrio esfuerzos de corte, tracción y compresión. (MÖRSCH 1902) ..................................... 22
Figura A- 5. Esquema tensional del modelo Puntal – Tensor. .................................................................................... 22
Figura 2- 1. Modelo puntal tensor para una viga de gran altura VGA. .................................................................... 25
Figura 2- 2. Condiciones de equilibrio para el modelo de armadura en 45°, según Collins y Mitchell.
[Dut 96]. ............................................................................................................................................................................................... 26
Figura 2- 3. Trayectoria de esfuerzos en una región B y proximidades a discontinuidades de las
regiones D. [Sch.87]. ....................................................................................................................................................................... 28
Figura 2- 4. Regiones D. Discontinuidades Geométricas [ACI 318-2002]. ............................................................ 28
Figura 2- 5. Regiones D. Discontinuidades Geométricas y de Carga [ACI 318-2002]. ..................................... 29
Figura 2- 6. Trayectoria de tensiones elásticas, esfuerzos elásticos y modelo puntal-tensor (SCHLAICH,
SCHÄFER, 1987). .............................................................................................................................................................................. 33
Figura 2- 7. Caminos de carga y modelo puntal-tensor (SCHLAICH, SCHÄFER, 1987). .................................. 34
Figura 2- 8. Caminos de carga incluyendo una “vuelta en U” y modelo puntal-tensor. (SCHLAICH,
SCHÄFER, 1987). .............................................................................................................................................................................. 34
Figura 2- 9. Isostática y diferentes modelos puntal-tensor. ........................................................................................ 36
Figura 2- 10. Modelos puntal tensor para viga con extremo rebajado. ................................................................. 36
Figura 2- 11. Modelos puntal-tensor para ménsulas. .................................................................................................... 37
Figura 2- 12. Modelo isostático para viga de gran altura continua. [FIP 99]. .................................................... 38
Figura 2- 13. Descripción de vigas de gran altura y esbeltas [ACI 318-2002]. .................................................. 39
Figura 2- 14. Viga de gran altura sometida a carga concentrada, ensayo realizado por ROGOWSKY,
MACGREGOR y ONG (1986). ....................................................................................................................................................... 41
Figura 2- 15. Modelo puntal tensor y distribución de refuerzo para una viga de gran altura, sometida a
una carga distribuida superior [FIP 99]. ............................................................................................................................... 42
Figura 2- 16. Viga de gran altura sometida a carga superior uniforme, ensayo realizado por
LEONHARDT y WALTER (1966). [Rei. 02]. .......................................................................................................................... 43
Figura 2- 17. Viga de gran altura sometida a carga inferior uniforme, ensayo realizado por
LEONHARDT y WALTER (1966). [Rei. 02]. .......................................................................................................................... 44
Figura 2- 18. Modelo puntal-tensor y distribución de la armadura para vigas continuas de gran altura.
[FIP 99]. ................................................................................................................................................................................................ 45
Figura 2- 19. Modelo puntal tensor para una carga concentrada cercana a un apoyo [FIP 99]. ................ 46
Figura 2- 20. Modelo puntal-tensor para viga alta con carga concentrada en los tercios. ............................ 47
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Figura 2- 21. Modelos para el refuerzo horizontal para cargas cerca o sobre el apoyo [FIP 99]. .............. 48
Figura 2- 22. Modelo puntal-tensor para un apoyo directo [FIP 99]. ..................................................................... 49
Figura 2- 23. Modelo puntal-tensor para un apoyo intermedio directo [FIP 99]. ............................................. 49
Figura 2- 24. Nodos singulares y distribuidos. ................................................................................................................. 51
Figura 2- 25. Clasificación de nudos. ..................................................................................................................................... 51
Figura 2- 26. Zonas nodales hidrostáticas [ACI 318-02] .............................................................................................. 52
Figura 2- 27. Zona nodal extendida que muestra los efectos de la distribución de la fuerza. ..................... 53
Figura 2- 28. Descomposición de fuerzas en una zona nodal [ACI 318-02]. ....................................................... 54
Figura 2- 29. Subdivisión de una zona nodal [ACI 318-02]. ........................................................................................ 55
Figura 2- 30. Los campos básicos de compresión: (a) prismático, (b) botella, (c) abanico. ......................... 56
Figura 2- 31. Puntal en forma de botella: (a) agrietamiento de un puntal en forma de botella, y (b)
modelo puntal-tensor para un puntal en forma de botella [ACI 318-02]. .............................................................. 56
Figura 2- 32. (a) Puntales en el alma de una viga con grietas inclinadas paralelas a los puntales y (b)
Puntales atravesados por gritas oblicuas [ACI 318-02]. ................................................................................................ 58
Figura 2- 33. Armadura que atraviesa un puntal [ACI 318-02]. ................................................................................ 58
Figura 2- 34. Zona nodal extendida de anclaje de dos barras [ACI 318-02]. ....................................................... 61
Figura 2- 35. Discretización del dominio. (a)Polígono inscrito (b) Polígono circunscrito. (ZEFERINO
2011). .................................................................................................................................................................................................... 62
Figura 2- 36. Diagrama esquemático del montaje matemático de un problema. (ZEFERINO 2011) ....... 64
Figura 2- 37. Discretización del dominio con diferentes elementos finitos. (ZEFERINO 2011) ................. 65
Figura 2- 38. Sistemas de referencia usados en el MEF. (a) Sistema local de referencia. (b) Sistema
global de referencia. (ZEFERINO 2011) ................................................................................................................................. 65
Figura 2- 39. Elemento unidimensional uniforme sometido a carga axial. .......................................................... 67
Figura 2- 40. Funciones de forma asociadas al elemento unidimensional lineal. ............................................. 68
Figura 2- 41. Elementos finitos bidimensionales. (a) Elemento triangular de tres nodos. (b) Elemento
rectangular de cuatro nodos. (c) Elemento rectangular de cinco nodos. (d) Elemento triangular de seis
nodos. .................................................................................................................................................................................................... 70
Figura 2- 42. Elemento rectangular lineal y sistema de referencia asociado. ..................................................... 71
Figura 2- 43. Funciones de interpolación del elemento rectangular lineal.......................................................... 72
Capítulo 3.
Figura 3- 1. Viga de Gran Altura. (a) Geometría y Cargas, (b) Sección transversal. ........................................ 79
Figura 3- 2. Identificaciones de regiones D. (a) Zonas perturbadas por las reacciones, (b) Zonas
perturbadas por la carga “A” y (c) Zonas perturbadas por la carga “B” .................................................................. 80
Figura 3- 3. Gráfico de trayectorias de esfuerzos principales generado por el programa comercial de
EF RAM ADVANSE. .......................................................................................................................................................................... 80
Figura 3- 4. Viga de Gran Altura - Gráfico de trayectoria de esfuerzos principales generado por el
programa comercial de EF ANSYS ® V14.0 ......................................................................................................................... 81
Figura 3- 5. Viga de gran altura. (a) Idealización de las trayectorias de tensiones, (b) Modelo Puntal-
Tensor seleccionado para la viga [A] y (c) Modelo Puntal-Tensor seleccionado para la viga [B]. .............. 82
Figura 3- 6. Viga de gran altura. (a) Geometría e identificación de elementos del modelo Puntal-Tensor
seleccionado en la viga [A], (b) Fuerzas en el reticulado de la viga [A], (c) Geometría e identificación de
elementos del modelo Puntal-Tensor seleccionado en la viga [B] y (d) Fuerzas en el reticulado de la
viga [B]. ................................................................................................................................................................................................ 83
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© Walter Alonso Rojas Reyes – Universidad Nacional de Colombia, Bogotá 2014Comparación de esfuerzos cortantes en vigas de concreto reforzado de gran altura, mediante el método de
los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Figura 3- 7. Viga de gran altura. (a) Equilibrio de fuerzas internas del modelo en la viga [A], (b)
Geometría del modelo en la viga [A], (c) Equilibrio de fuerzas internas del modelo en la viga [B] y (d)
Geometría del modelo en la viga [B]. ...................................................................................................................................... 84
Figura 3- 8. Viga de gran altura – Modelo de transferencia directa de cargas. (a) Modelo Puntal-Tensor
con dimensiones de puntales, tensores y zonas nodales, (b) Zona nodal 1 y (c) Zona nodal 2. ................... 85
Figura 3- 9. Viga de gran altura – Modelo con armadura vertical. (a) Modelo Puntal-Tensor con
dimensiones de puntales, tensores y zonas nodales, (b) Zona nodal 1 y puntal 3, (c) Zona nodal 2 y
puntal 1, (d) Zona nodal 3 y (e) Zona nodal 4. .................................................................................................................... 86
Figura 3- 10. Diagramas de cortante y momento en una viga simplemente apoyada, sometida a dos
cargas concentradas. ...................................................................................................................................................................... 88
Figura 3- 11. Disposición del refuerzo en la Viga de Gran Altura. ........................................................................... 88
Figura 3- 12. Diagramas de esfuerzo cortante en la VGA ............................................................................................ 89
Figura 3- 13. Diagramas de momento flector en la VGA .............................................................................................. 90
Figura 3- 14. Viga de Gran Altura. (a) Numeración de elementos y (b) Fuerzas en el reticulado de la
viga…. .................................................................................................................................................................................................... 93
Figura 3- 15. Disposición del refuerzo para el tensor 3. .............................................................................................. 94
Figura 3- 16. Armadura para los puntales 1 y 4 en forma de botella. ................................................................... 94
Figura 3- 17. Disposición del refuerzo para los puntales 1 y 4 en forma de botella. ..................................... 95
Figura 3- 18. Disposición del refuerzo para el puntal 2. Forma prismática........................................................ 95
Figura 3- 19. Disposición del refuerzo en la Viga de Gran Altura. ........................................................................... 96
Figura 3- 20. Magnitud del esfuerzo principal en la sección del tensor 3. Viga [A] .................................. 97
Figura 3- 21. Magnitud de esfuerzos principales en la sección de cada tensor. Viga [B] ...................... 97
Figura 3- 22. Magnitud del esfuerzo principal en la sección de cada puntal. Viga [A] ............................ 98
Figura 3- 23. Magnitud del esfuerzo principal en la sección de cada puntal. Viga [B] ........................... 99
Figura 3- 24. Simulación numérica para la Viga de Gran Altura. (a) Distribución de los esfuerzos
cortantes en el plano XY. (b) Distribución de esfuerzos principales ................................................................. 99
Figura 3- 25. Simulación numérica Viga de Gran Altura, estado de esfuerzos para la viga [A]. (a)
Rango1 valores Solución Nodal, (b) Rango1 valores Solución Elemental. ............................................ 100
Figura 3- 26. Simulación numérica Viga de Gran Altura, estado de esfuerzos para la viga [B]. (a)
Rango1 valores Solución Nodal, (b) Rango1 valores Solución Elemental. ............................................ 100
Figura 3- 27. Analogía de esfuerzos principales MPT y MEF en la viga [A] .............................................. 101
Figura 3- 28. Analogía de esfuerzos principales MPT y MEF en la viga [B] .............................................. 101
Figura 3- 29. Simulación numérica para la Viga de Gran Altura. (a) Distribución de los esfuerzos
cortantes en el plano XY. (b) Distribución de esfuerzos principales .............................................................. 102
Figura 3- 30. Simulación numérica Viga de Gran Altura. (a) Rango1 valores Solución Nodal,
(b) Rango1 valores Solución Elemental, (c) Rango2 valores Solución Nodal y (d) Rango2 valores
Solución Elemental. ............................................................................................................................................................... 103
Figura 3- 31. Analogía de esfuerzos principales MPT y MEF en la viga [A] .............................................. 103
Figura 3- 32. Analogía de esfuerzos principales MPT y MEF en la viga [B] .............................................. 104
Figura 3- 33. Disposición del refuerzo para la Viga de Gran Altura con el MPT. (a) Reticulado con
AutoCAD 2012 y (b) Reticulado con ANSYS 14.0 .......................................................................................................... 104
Figura 3- 34. Simulación numérica VGA en concreto reforzado. (a) Definición de áreas, (b) definición
de líneas, (c) mallado con elementos finitos de áreas y líneas (d) Definición de nodos. .............................. 105
Figura 3- 35. Geometría del elemento finito PLANE182. ......................................................................................... 106
Figura 3- 36. Geometría del elemento finito LINK180 .............................................................................................. 106
Figura 3- 37. Simulación numérica VGA de concreto reforzado. (a) Deformada con materiales y (b)
Deformada con Elementos Finitos. ....................................................................................................................................... 107
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Figura 3- 38. Simulación numérica VGA de concreto reforzado. (a) Distribución de esfuerzos cortantes
en el plano XY. Solución nodal. (b) Distribución de esfuerzos cortantes en el plano XY. Solución
elemental….. .................................................................................................................................................................................... 107
Figura 3- 39. Simulación numérica VGA de concreto reforzado. (a) Esfuerzo principales Solución
Nodal, (b) Esfuerzo principales Solución Elemental. ............................................................................................. 108
Figura 3- 40. Simulación numérica VGA de concreto reforzado. (a) Esfuerzo principales Solución
Nodal, (b) Esfuerzo principales Solución Elemental. ............................................................................................. 108
Figura 3- 41. Simulación numérica VGA de concreto reforzado. (a) Componente de fuerza en X.
Solución elemental (b) Componente de fuerza en X. Solución elemental. .......................................................... 109
Figura 3- 42. Simulación numérica VGA de concreto reforzado. (a) Componente de fuerza en Y.
Solución elemental (b) Componente de fuerza en Y. Solución elemental. .......................................................... 109
Figura 3- 43. Generación de Grietas por esfuerzo cortante. ................................................................................... 110
Figura 3- 44. Definición de geometrías en la VGA. (a) Geometría VGA de concreto simple. (b)
Geometría VGA de concreto reforzado. ............................................................................................................................... 110
Figura 3- 45. Mallado con elementos finitos de la VGA. (a) Mallado de la VGA de concreto simple. (b)
Mallado de la VGA de concreto reforzado. ......................................................................................................................... 111
Figura 3- 46. Trayectorias de esfuerzos principales en la VGA. (a) Trayectoria de esfuerzos en la VGA
de concreto simple. (b) Trayectoria de esfuerzos en la VGA de concreto reforzado. ..................................... 111
Figura 3- 47. Deformada de la VGA. (a) Desplazamiento máximo de la VGA de concreto simple. (b)
Desplazamiento máximo de la VGA de concreto reforzado. ...................................................................................... 112
Figura 3- 48. Componente de esfuerzos en X de la VGA. (a) Componente de esfuerzos de la VGA de
concreto simple. (b) Componente de esfuerzos de la VGA de concreto reforzado. ......................................... 112
Figura 3- 49. Componente de esfuerzos en Y de la VGA. (a) Componente de esfuerzos de la VGA de
concreto simple. (b) Componente de esfuerzos de la VGA de concreto reforzado. ......................................... 113
Figura 3- 50. Distribución de esfuerzos cortantes en el plano XY de la VGA. (a) Esfuerzos cortantes en
la VGA de concreto simple. (b) Esfuerzos cortantes en la VGA de concreto reforzado. ................................ 113
Figura 3- 51. Distribución de esfuerzos principales en la VGA. (a) Esfuerzos principales en la
VGA de concreto simple. (b) Esfuerzos principales en la VGA de concreto reforzado. .......................... 114
Figura 3- 52. Distribución de esfuerzos principales en la VGA. (a) Esfuerzos principales en la
VGA de concreto simple. (b) Esfuerzos principales en la VGA de concreto reforzado. .......................... 114
Figura 3- 53. Componente de fuerzas en X de la VGA. (a) Componente de fuerzas de la VGA de
concreto simple. (b) Componente de fuerzas de la VGA de concreto reforzado. ............................................. 115
Figura 3- 54. Componente de fuerzas en Y de la VGA. (a) Componente de fuerzas de la VGA de
concreto simple. (b) Componente de fuerzas de la VGA de concreto reforzado. ............................................. 115
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Lista de Tablas
Capítulo 3.
Tabla 3- 1. Resumen verificación de puntales – Viga de gran altura [A] (MORALES, 2007). ....................... 87
Tabla 3- 2. Resumen verificación de puntales – Viga de gran altura [B] (MORALES, 2007). ....................... 87
Tabla 3- 3. Refuerzo requerido por cortante. .................................................................................................................... 89
Tabla 3- 4. Refuerzo requerido por flexión......................................................................................................................... 91
Tabla 3- 5. Refuerzo superficial para vigas de gran altura. ......................................................................................... 91
Tabla 3- 6. Área de acero requerida para el tensor 3. .................................................................................................... 93
Tabla 3- 7. Área de acero calculada para el tensor 3. ..................................................................................................... 93
Tabla 3- 8. Refuerzo y separación para el puntales 1, 2 y 4. ....................................................................................... 94
Tabla 3- 9. Magnitud del esfuerzo principal en la sección del tensor. Viga [A] ........................................... 97
Tabla 3- 10. Magnitud de esfuerzos principales en la sección de cada tensor. Viga [B] ......................... 97
Tabla 3- 11. Magnitud de esfuerzos principales en la sección de cada puntal. Viga [A].......................... 98
Tabla 3- 12. Magnitud de esfuerzos principales en la sección de cada puntal. Viga [B] .......................... 98
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Capítulo 1.
1. Introducción y
Objetivos
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
1.1. Introducción
La aplicación del Método de los Elementos Finitos al cálculo de estructuras de concreto
reforzado, ha dado lugar a la aparición de numerosos modelos que inciden unos de otros y
han sido desarrollados desde principios del siglo pasado por numerosos investigadores.
Actualmente, el análisis de la Ingeniería Estructural presenta un amplio estudio y
conocimiento del comportamiento de los elementos que forman parte de un sistema
estructural, como lo es el concreto como material frágil el cual no presenta un
comportamiento lineal debido a las fracturas que presenta en las discontinuidades en el
medio continuo.
Es importante desarrollar herramientas numéricas que sean capaces de reproducción el
comportamiento de esfuerzos en regiones D, de elementos estructurales que presenten
discontinuidades.
Las discontinuidades causan perturbaciones en los flujos de fuerzas internas. En el caso de
interés del estudio, el flujo principal de fuerzas es a través de la diagonal con mayor
compresión entre la carga y el apoyo, y la falla en esta región es usualmente gobernada por la
trituración o aplastamiento del puntal diagonal de compresión.
El Objetivo general de este trabajo final de Especialización, es realizar una comparación
numérica de los esfuerzos por cortante en vigas de gran altura o canto, empleando el Método
de los Elementos Finitos mediante el programa comercial ANSYS® versión 14.0 y
analíticamente con el modelo conocido como Puntal–Tensor o de Bielas y Tirantes.
Las vigas reforzadas longitudinalmente y transversalmente, son diseñadas en muchos casos
siguiendo los procedimientos simplificados basados en resultados de laboratorio y
metodologías elásticas mediante expresiones analíticas.
El Método Puntal–Tensor (en adelante, MPT), es un método aplicable a ciertas zonas de la
estructura de concreto donde se generan concentración de esfuerzos tensionales complejos
debido a la presencia de discontinuidades en carga o geometría. Conocidas como regiones D.
El MPT proporciona una herramienta de diseño más consistente y racional que los métodos
empíricos empleados tradicionales para este tipo de regiones. Se tendrán en cuenta las
normas: Americana ACI 318S-08, Española EHE 08, Reglamento Argentino CIRSOC 201 y
Reglamento Colombiano NSR-10.
El Método de los Elementos Finitos (en adelante, MEF) ha adquirido una gran importancia en
la solución de problemas ingenieriles y físicos, ya que permite resolver casos que hasta hace
poco tiempo eran prácticamente imposibles de resolver por métodos matemáticos
tradicionales. Esta circunstancia obliga a realizar prototipos, ensayarlos e ir realizando
mejoras de forma iterativa, lo que traía consigo un elevado costo tanto económico como en
tiempo de desarrollo.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Cabe destacar que el diseño MPT es un proceso iterativo. Si las fuerzas últimas en los
elementos del modelo no cumplen con los requerimientos, estos modelos deben reajustar su
geometría y redimensionar los elementos que lo componen.
El MEF permite realizar un modelo matemático de cálculo del sistema real, más fácil y
económico de modificar que un prototipo. Sin embargo, no deja de ser un método aproximado
de cálculo debido a las hipótesis básicas del método. Los prototipos, por lo tanto, siguen
siendo necesarios, pero en menor número, ya que el primero puede acercarse bastante más al
diseño óptimo.
El MEF como formulación matemática es relativamente nuevo, aunque su estructura básica es
conocida desde hace tiempo, en los últimos años ha sufrido un gran desarrollo debido a los
avances informáticos. Han sido precisamente estos avances informáticos los que han puesto a
disposición de los usuarios gran cantidad de programas que permitan realizar cálculos con
elementos finitos.
1.2. Planteamiento del problema
Gran parte de los elementos estructurales pueden analizarse mediante la teoría de vigas o
placas pero además de estos, existen elementos y zonas en las estructuras que no se pueden
asimilar a una barra ni a una placa.
En estructuras de concreto reforzado es posible diferenciar dos tipos de regiones; la región B y
la región D dependiendo de la distribución de los esfuerzos en cada una de ellas. En las regiones
B es posible aplicar el principio de NAVIER-BERNOULLI, relativo a las secciones planas de la
teoría de la flexión. Fuera de ellas, se identifican regiones D (con discontinuidades) donde no es
posible aceptar que las secciones permanecerán planas. Estas últimas se relacionan con la
existencia de fuerzas concentradas (cargas o apoyos) o con variaciones bruscas en la geometría
de la estructura figura 1.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Figura 1. Distribución de fuerzas internas en una viga de gran altura sometida a cargas externas.
El MPT constituye una simplificación estructural de la o las regiones D a través de un sistema
reticulado compuesto por Puntales (capaces de soportar compresión) y Tensores (apropiados
para tensiones), éstos unidos por nodos.
La rotura por cortante es producida por fisuras inclinadas debidas a las tensiones principales
de tracción. Cuando las armaduras transversales de la viga son claramente insuficientes, la
zona comprimida del concreto debe resistir una parte importante del cortante; si éste crece, la
fisura progresa hasta el borde superior.
Un buen diseño es lograr elementos estructurales cuya sección crítica exhiba
comportamientos dúctiles bajo condiciones extremas. Con ello, el refuerzo fluye antes de que
el concreto falle. Para esto, es necesario colocar un límite a los niveles del refuerzo en el
concreto, cuya resistencia a la compresión es afectada por factores como: el agrietamiento, el
refuerzo, el confinamiento, el estado multi-axial de esfuerzos, por lo que es difícil conseguir
que el modelo alcance un único valor pico de resistencia del concreto.
1.3. Objetivos
1.3.1. Objetivo General
El presente trabajo final de Especialización tiene como objetivo, comparar la magnitud y
distribución de los esfuerzos cortantes en vigas de concreto reforzado de gran altura,
mediante el Método de los Elementos Finitos y el Modelo Puntal-Tensor.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
1.3.2. Objetivos Específicos
 Elaborar un estado del conocimiento relativo al estudio de las vigas de concreto
reforzado identificando las regiones de discontinuidad (regiones D). Así mismo, el
modelo Puntal-Tensor (MPT) y su simulación numérica con elementos finitos.
 Identificar los mecanismos de iniciación de falla en una viga típica de concreto
reforzado de gran altura.
 Resolver analíticamente una viga típica de concreto reforzado de gran altura por el
Método Puntal–Tensor (MPT).
 Simular numéricamente el comportamiento de una viga típica de concreto reforzado
de gran altura mediante el Método de los Elementos Finitos (MEF) utilizando el
programa comercial ANSYS® v14.0, considerando un comportamiento lineal elástico
de los materiales (concreto y acero) y las deformaciones infinitesimales.
 Comparar los resultados obtenidos de los análisis propuestos tanto analítica como
numéricamente de la viga de gran altura planteada.
1.4. Alcance
El estudio planteado en este trabajo final de Especialización, se enmarca en una comparación
directa por medio la simulación numérica con el programa comercial de elementos finitos
ANSYS® v.14.0 de los esfuerzos principales en el concreto simple, vs los esfuerzos principales
en el concreto reforzado con la disposición del refuerzo de acuerdo al MPT.
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Capítulo 2.
2. Estado del
Conocimiento
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2.1. Antecedente Histórico (MPT).
La humanidad construyó numerosas estructuras durante muchos miles de años sin ninguna
base teórica, es decir, utilizó únicamente su experiencia y la intuición. Naturalmente la
experiencia resultó un método valioso pero lento y dramático, pues la historia de los
accidentes de construcción es realmente terrible.
La primera persona que parece haberse preocupado por los conceptos del cálculo estructural
fue GALILEO. Probablemente el interés de GALILEO por la resistencia de las vigas estuvo
originado en su experiencia como asesor de los Astilleros de Venecia para la construcción de
barcos.
Los grandes iniciadores del concreto reforzado fueron franceses y obtuvieron patentes para
sus sistemas: El sistema HENEBIQUE y el sistema MONIER.
El desarrollo de la experimentación y también de los conocimientos sobre esfuerzo cortante,
ha seguido con mucho retraso a aquellos otros correspondientes a la compresión centrada y a
la flexión simple. Esto en parte, debido a la complejidad del fenómeno, el gran número de
variables que intervienen es este tipo de resistencia y probablemente también al hecho de
que el dimensionamiento del esfuerzo cortante no tiene una gran trascendencia en el aspecto
del costo de las estructuras de concreto.
Sin embargo, las investigaciones y los avances comenzaron desde el principio del concreto
reforzado donde se destacan dos grandes personajes que deben ser recordados con relación a
este tema: El Ingeniero Alemán MÖRSCH y el Ingeniero Suizo RITTER.
Muy probablemente ambos llegaron a la misma conclusión en épocas coincidentes, pero el
hecho de que el esquema de Mörsch aparezca con más frecuencia en los textos, se debe a que
en el año de 1902, Mörsch publicará un libro titulado “LA COSNTRUCCIÓN EN HORMIGÓN
ARMADO. SU TEORÍA Y PRÁCTICA”
El primero que presenta el concepto de tracción diagonal en el alma y plantea una analogía
con la celosía es RITTER en 1899 Figura A-1.
Figura A- 1. Modelo de celosía propuesto para evaluar el comportamiento de un elemento sometido a
esfuerzos y cortante. (RITTER 1899)
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
(RITTER, 1899) también afirmaba en su trabajo que los cercos contribuían a la resistencia
a cortante de un elemento de hormigón armado a través de la tracción y no resistiendo
esfuerzos tangenciales. El modelo propuesto por RITTER no tuvo mucha aceptación en el
medio profesional. Por consiguiente aparecieron dos líneas de pensamiento, una en la que
se creía que los cercos resistían tensiones tangenciales y otra en concordancia con RITTER
que apoyaba la teoría de la tracción diagonal en el alma.
El debate de las dos líneas fue resuelto finalmente por (MÖRSCH, 1902), quien demuestra
que si un elemento está sometido a tensiones tangenciales puras, entonces existe una
tracción diagonal cuya inclinación es de 45° para vigas. Por esto y como la resistencia del
concreto a tracción es menor que la de compresión, la rotura se producirá por tracción
diagonal del alma.
La Figura A-2, tomada del libro citado por MÖRSCH, representa la ley de isostáticas en
una pieza de concreto reforzado, considerando como un sólido isótropo.
Figura A- 2. Ley de Isostáticas en una pieza entera de concreto reforzado. (MÖRSCH 1902)
(MÖRSCH, 1902), introduce su teoría de cálculo suponiendo nula la resistencia a la
tracción del concreto figura A-3, base del equilibrio tensional.
Figura A- 3. Equilibrio tensional. (MÖRSCH 1902)
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Las hipótesis anteriores le condujeron analizar el equilibrio entre el incremento de la
armadura de tracción, la resistencia de la armadura de corte y la compresión de bielas o
puntal entre fisuras consecutivas Figura A-4.
Figura A- 4. Equilibrio esfuerzos de corte, tracción y compresión. (MÖRSCH 1902)
Cabe anotar la importancia que estableció MÖRSCH en 1902, sobre la teoría de esfuerzo
cortante que se ha mantenido como un método usual de cálculo hasta hace no más de 20
años y que en la actualidad, sigue siendo una aproximación excelente al tema.
Este modelo si bien no es general, con algunas modificaciones es la base para las
provisiones actuales del diseño al corte de vigas en la generalidad de los códigos.
En las últimas dos décadas se ha experimentado un importantísimo avance en el estudio
del esfuerzo cortante por métodos de aplicación de la teoría de campos de fuerzas y caben
citarse, por la importancia de sus aportes, al Ingeniero Alemán KUPFFER, a los Ingenieros
Canadienses COLLINS y MITCHEL y al Ingeniero Danés NIELESEN.
Es difícil rastrear el origen del MPT, herramienta hoy de indudable interés. En la
Figura A-5, se indican los casos de asimilación del esquema tensional del Puntal y el
Tensor.
Figura A- 5. Esquema tensional del modelo Puntal – Tensor.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Quizás la idea nace con (MÖRSCH, 1902) y (RITTER, 1899) crece con LEONHARTD y quien
la sintetiza y divulga es SLAICH y MARTI. El método dio lugar a una polémica
extraordinaria, pues no está exento de riesgos ya que asegura el equilibrio, pero no la
compatibilidad de deformaciones. Es básica la necesidad de intuir el flexo-tensional de la
pieza para distribuir armaduras que controlen la fisuración.
COLLINS y MITCHELL consideraron las deformaciones del modelo de armadura y
derivaron un método del diseño racional por corte y torsión. El MPT desarrollado por
COLLINS y MITCHELL y adoptado por las por las Normas del Código de la Asociación de
Hormigón Canadiense (CAN3-A23.3-M84) usa el concepto de la deformación suavizada
para determinar la resistencia al agrietamiento de los Puntales.
BAY, FRANZ, LEONHARTD y THURLIMANN han demostrado que puede aplicarse el MPT
útilmente a las vigas profundas y en voladizo. A partir de eso, SCHLAICH y SCHAFER
empezaron sus esfuerzos para expandir sistemáticamente tales modelos a estructuras
completas y a todo tipo de estructuras. SCHLAICH y SCHÄFER, 1987, han sugerido un
procedimiento de diseño puntal-tensor para regiones perturbadas que involucran escoger
puntales de compresión orientados a aproximar el flujo de esfuerzos obtenidos de un
análisis elástico.
El desarrollo de MPT ha traído la posibilidad de progresar hacia un concepto de diseño
que cubra las regiones D y B con modelos similares. Además, la aplicación de MPT da
énfasis al papel esencial del detallado en el diseño.
El Apéndice A del Código ACI 318-2002 refleja el desarrollo internacional en investigación
y así está en la línea de otros códigos como el CEB-FIP Model Code 1990, EC 2 (Eurocódigo
2), Código Canadiense, Código AASTHO, y en las recientes recomendaciones del FIP
“Diseño Práctico de Hormigón Estructural” (1999), el nuevo Código Alemán DIN1045-1
(2001-07) y en el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente 2010. NSR-
10 – Apéndice C-A.
2.2. Modelo Puntal-tensor (MPT).
La hipótesis de Bernoulli, la cual señala que las secciones que eran originalmente planas
permanecen planas después de la carga, es fundamental para la formulación de métodos
de diseño para vigas sometidas a flexión en condiciones de agrietamiento. Las zonas que
cumplen con estos requisitos se denominan regiones B.
Actualmente, existen enfoques para el diseño de regiones B, que cumplen con la
hipótesis antes mencionada, como la teoría tradicional para la flexión especificada en el
código ACI. Además, existe la tradicional aproximación de diseño empírica V + V
c s
(Contribución del concreto más contribución del acero) para el diseño al corte [ACI 318-
2002].
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
En elementos de concreto reforzado, existen zonas próximas a discontinuidades de
carga y/o geométricas donde la hipótesis de Bernoulli de distribución lineal de
deformaciones no se cumple, como es el caso de puntos de carga, esquinas de marco,
ménsulas y aberturas de muros. Estas zonas son las llamadas regiones D.
El tratamiento actual de estas zonas, basado en reglas empíricas y la experiencia del
diseñador, no garantiza un diseño apropiado, ya que están desarrolladas para
geometrías y cargas muy específicas que no pueden generalizar su uso.
Lo anterior se soluciona utilizando el modelo puntal-tensor, que da una aproximación
racional para el diseño del concreto reforzado, ya que entrega un modelo físico que
satisface las condiciones de equilibrio e idealiza los campos de esfuerzos internos.
El modelo puntal-tensor (MPT) consiste en la idealización de los campos de esfuerzos
internos mediante un reticulado hipotético, en el cual los campos de esfuerzo de
compresión son representados por puntales de hormigón y los esfuerzos de tracción
son representados por tensores, los cuales son unidos por conexiones llamadas nodos.
Los tensores pueden ser tanto barras de refuerzo, como tendones pre-esforzados; por lo
que su empleo es tanto para el concreto reforzado, como para el concreto pre-esforzado
(pretensado).
Su aplicabilidad no sólo comprende estructuras planas, sino que se extiende a
estructuras tridimensionales como por ejemplo en cabezales de pilotes.
La Figura 2-1 adaptada del Anexo A del código ACI 318-2002 es un ejemplo de un
modelo puntal-tensor de una viga de gran altura (en adelante VGA), el cual consiste en
dos puntales inclinados, un tensor horizontal y tres nodos. Los nodos se encierran
dentro de zonas nodales que transfieren las fuerzas de los puntales al tensor y a los
apoyos.
Se asume que el modelo puntal-tensor falla debido a la fluencia de los tensores, o bien
por aplastamiento de los puntales, por falla de las zonas nodales que conectan los
puntales y tensores, o por falla del anclaje de los tensores. Los puntales y las zonas
nodales se asumen para alcanzar su capacidad resistente cuando el esfuerzo de
compresión que actúa en el extremo de los puntales o en las caras de las zonas nodales,
alcancen la resistencia efectiva a la compresión,
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Figura 2- 1. Modelo puntal tensor para una viga de gran altura VGA.
Alternativamente, la analogía de la armadura para el diseño de regiones B es un acercamiento
racional y consistente hacia el diseño de vigas agrietadas cargadas en flexión, corte y torsión;
por lo que ha sido estudiado por gran cantidad de investigadores y ha sido adoptada en varios
códigos de diseño.
Se considera el modelo de armadura para el diseño como un caso particular de un modelo
puntal-tensor para el diseño de zonas en donde se cumple la distribución lineal de
deformaciones.
Por lo tanto, para el diseño con modelos puntal-tensor, los aspectos críticos para ser definidos
y especificados son:
a. Esquema geométrico del modelo puntal-tensor
b. Resistencias efectivas del hormigón y factores de reducción que deben usarse
c. Forma y resistencia de los puntales
d. Arreglo y resistencia de las zonas nodales
e. Disposición, resistencia, y anclaje de los tensores, y
f. Requisitos de detallado.
La génesis del modelo puntal-tensor se remonta a principios de 1900, en los trabajos de
RITTER y MÖRSCH, los que plantearon independientemente la analogía de la armadura para
el diseño al corte.
(RITTER, 1899) propone un primer modelo enrejado de barras para representar vigas
agrietadas con el fin de explicar el mecanismo de resistencia al corte de vigas con armadura
longitudinal y estribos, formulando la primera ecuación para su diseño.
Posteriormente (MÖRSCH, 1902) a través de evidencia experimental, reafirma las ideas de
RITTER y plantea el modelo clásico de armadura en 45° para vigas en el cual se considera la
interacción entre puntales de concreto en compresión y el refuerzo longitudinal y transversal
a tracción.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Este modelo si bien no es general, con algunas modificaciones es la base para las provisiones
actuales del diseño al corte de vigas en la generalidad de los códigos. (MÖRSCH, 1902)
también visualizó la utilización de estos modelos para el estudio de la torsión. La Figura 2-2
muestra las condiciones de equilibrio para el modelo de armadura en 45°.
Figura 2- 2. Condiciones de equilibrio para el modelo de armadura en 45°, según Collins y Mitchell.
[Dut 96].
Este método fue después refinado y extendido por LEONHARDT, ROSCH, (KUPFFER, 1964) y
otros como los de la escuela de ZÜRICH DE THÜRLIMANN, MARTI y MUELLER, crearon su
base científica para una aplicación racional rastreando el concepto tras la teoría de
plasticidad.
COLLINS y MITCHELL consideraron las deformaciones del modelo de armadura y derivaron
un método del diseño racional para corte y torsión. El modelo puntal-tensor desarrollado por
COLLINS y MITCHELL y adoptado por las Normas del Código de la Asociación del Hormigón
Canadiense (CAN3-A23.3-M84) usa el concepto de la deformación suavizada para determinar
la resistencia al agrietamiento de los puntales.
BAY, FRANZ, LEONHARDT y THURLIMANN han demostrado que puede aplicarse el modelo
puntal-tensor útilmente a las vigas de gran altura (VGA) y en voladizo. A partir de esto,
SCHLAICH y SCHÄFER empezaron sus esfuerzos para expandir sistemáticamente tales
modelos a estructuras completas y a todo tipo de estructuras. (SCHLAICH y SCHÄFER, 1987)
han sugerido un procedimiento de diseño de puntal-tensor para regiones perturbadas que
involucran escoger puntales de compresión orientados a aproximar el flujo de esfuerzos
obtenido de un análisis elástico.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
El desarrollo de modelos del puntal-tensor (MPT) ha traído la posibilidad de progresar hacia
un concepto de diseño que cubra las regiones D y B con modelos similares. Además, la
aplicación de modelos del puntal-tensor da énfasis al papel esencial del detallado en el diseño.
El Apéndice A del Código ACI 318-2002 refleja el desarrollo internacional en la investigación y
así está en la línea de otros códigos como el CEB-FIP Model Code 1990, EC 2 (Eurocódigo 2),
Código Canadiense, Código AASHTO, y en las recientes Recomendaciones de FIP “Diseño
Práctico de Hormigón Estructural”(1999) y el nuevo Código Alemán DIN 1045-1 (2001-07).
2.3. Procedimiento para el diseño con el modelo
Puntal-tensor (MPT) – Según el ACI.
(SCHLAICH y SCHAFER, 1987), como se mencionó anteriormente, propusieron un método de
diseño utilizando modelos puntal-tensor. El American Concrete Institute adaptó una
metodología similar para el diseño de regiones D.
Según el Apéndice A del Código ACI-318-2002, el diseño de una región-D incluye los
siguientes pasos:
1. Definir y aislar cada región D
2. Calcular las fuerzas resultantes en los bordes de cada región D
3. Seleccionar un modelo reticulado para transferir las fuerzas resultantes a través de la
región D. Los ejes de los puntales y tensores se seleccionan para que coincidan,
respectivamente, y de manera aproximada con los ejes de los campos de compresión y
de tracción. Se calculan luego las fuerzas en los puntales y tensores
4. Los anchos efectivos de los puntales y zonas nodales se determinan considerando las
fuerzas a partir de la etapa 3 y las resistencias efectivas del concreto definidas en las
secciones A.3.2 y A.5.2 del Código ACI-318 [ACI 318-2002], y se proporciona armadura
para los tensores considerando las resistencias del acero definidas en la sección A.4.1
del mismo código. La armadura debe ser anclada en las zonas nodales.
2.3.1. Identificación de Regiones D.
El primer paso de este método de diseño consiste en la identificación de aquellas zonas de
la estructura en las que no se cumple la distribución lineal de deformaciones en la sección
transversal (hipótesis de Bernoulli) y por ende no puede utilizarse los métodos estándar
para el diseño a flexión y cortante.
A estas zonas se les denomina en la bibliografía regiones D (por Disturbed, perturbadas; o
Discontinuity, discontinuidad; o bien Detail, detalle) en contraposición a las zonas
restantes a las que se les denomina regiones B (por Bernoulli; o Beam, viga).
Ejemplos de discontinuidades son: proximidades a cargas concentradas, esquinas de
marcos, curvaturas, cambios de sección, aberturas, entre otras ver Figura 2-3.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Los análisis elásticos indican que los esfuerzos y las trayectorias de esfuerzos son bastante
rectas en las zonas donde se cumple la hipótesis de Bernoulli, comparativamente con la
trayectoria turbulenta en las zonas de discontinuidad; disminuyendo la intensidad del
esfuerzo a medida que se aleja de la zona de concentración de tensión. Esto permite la
identificación de las regiones B y D.
Figura 2- 3. Trayectoria de esfuerzos en una región B y proximidades a discontinuidades de las
regiones D. [Sch.87].
Las regiones D, son principalmente zonas de discontinuidad; tanto geométrica como de carga,
o una combinación de ambas.
Figura 2- 4. Regiones D. Discontinuidades Geométricas [ACI 318-2002].
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Figura 2- 5. Regiones D. Discontinuidades Geométricas y de Carga [ACI 318-2002].
Una vez que se identifican las causas que generan la aparición de las regiones D (ya sea
discontinuidades de carga o geométricas) restaría cuantificar la extensión de dichas zonas.
(SCHLAICH, 1987) propone determinar dicha extensión por aplicación del principio de Saint
Venant con procedimientos de superposición los cuales se encuentran también referidos en la
investigación de (AZÓCAR, 2003).
El resultado práctico de dicha aplicación a estructuras de barras conduce a que las regiones D
se extiendan a una longitud aproximada igual a la mayor dimensión de la sección transversal
de la pieza medida a partir de la discontinuidad.
El código ACI considera la extensión de una región D a una distancia igual a una altura h o
profundidad d desde la discontinuidad geométrica o de carga. Además, si dos regiones D se
traslapan o encuentran, se consideran como una sola región D para fines de diseño.
2.3.2. Determinación de los Esfuerzos Externos
Resultantes.
Sobre los bordes o fronteras de una región D pueden actuar tres tipos de esfuerzos externos.
a. Acciones exteriores propiamente dichas
Es el caso de las cargas concentradas. La carga de pretensado, por ejemplo, se considera una
carga concentrada externa.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
b. Reacciones exteriores.
Usualmente las reacciones se obtienen mediante un cálculo ordinario de la estructura
prescindiendo de la existencia o no de las diferentes regiones.
c. Esfuerzos provenientes de las regiones B adyacentes.
Son los esfuerzos de corte, momento flector y axial que provienen de la región B colindante y
que garantizan el equilibrio de la región D.
2.3.3. Selección del Modelo Puntal-Tensor (MPT).
2.3.3.1. Requerimientos Básicos.
La sección A.2 del código ACI 318-2002 presenta algunos requisitos principales que deben
satisfacerse por un modelo puntal-tensor:
A. Por encima de todo, el modelo del puntal-tensor debe estar en equilibrio con las
cargas vivas y muertas factorizadas (Sec. A2.2 [ACI 318-02]). El cálculo de las
reacciones y fuerzas del puntal-tensor satisface la estática.
B. Las resistencias de los puntales, los tensores, y las zonas nodales deben igualar o
deben exceder las fuerzas en estos miembros. (Sec. A.2.6 [ACI 318-02]). Si la
resistencia de cada sección transversal iguala o excede la resistencia requerida por el
análisis en el artículo anterior, se dice que la estructura tiene una distribución segura
de resistencias.
C. Para determinar la geometría del reticulado, se deben considerar las dimensiones de
los puntales, tensores y zonas nodales (Sec. A.2.3 [ACI 318-02]).
En las fases tempranas en el diseño de una región D puede ser suficiente considerar sólo
los ejes de los puntales y tensores al disponer un modelo del puntal-tensor. Sin embargo,
es necesario considerar el ancho de los puntales, tensores, zonas nodales y regiones de
apoyo para el modelo del puntal-tensor (MPT).
El trazado del modelo debería seguir en lo posible el flujo interno de la pieza de modo que
no se requiera una redistribución interna de esfuerzos que supere a la ductilidad
disponible o bien que genere un cuadro de fisuración inaceptable. Es un criterio aceptado
que lo anterior se logra ubicando los puntales y tensores alineados en forma aproximada
con las resultantes internas de los flujos de tensiones de tracción y compresión que surgen
de un cálculo elástico. Este criterio debería aplicarse con mayor rigidez cuanto más
solicitada se encuentre la región de estudio.
D. Los puntales no deben cruzarse o traslaparse (Sec. A.2.4 [ACI 318-02]). Si los puntales
traslaparan, las partes traslapadas de los puntales serían sobre-esforzadas.
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E. Se permiten a los tensores cruzar puntales u otros tensores. (Sec. A.2.4 [ACI 318-02]).
F. El ángulo más pequeño entre un puntal y un tensor que se unen a un nodo se fija en
25°. (Sec. A.2.5 [ACI 318-02]). Este ángulo se define de acuerdo a la extensión de una
región D en una viga alta, donde la distancia desde el punto de carga al apoyo es dos
veces su altura, por lo tanto, el puntal forma un ángulo igual a arctan (d / 2d) = 26.5°,
redondeado a 25°.
El ángulo entre los ejes de los puntales y tensores que actúan en un nudo debe ser lo
suficientemente grande para mitigar el agrietamiento y evitar las incompatibilidades
debidas al acortamiento de los puntales y alargamiento de los tensores que se producen
casi en las mismas direcciones.
Un diseño estructural que es estáticamente admisible y seguro, satisface los requisitos del
teorema del límite inferior en la teoría de plasticidad. Esto implica que la carga de falla
calculada por un modelo del puntal-tensor menosprecia la carga de falla real. Para ser
verdad, la estructura debe tener bastante ductilidad para acomodar cualquier necesidad
de redistribución de fuerzas.
2.3.4. Métodos para encontrar el Modelo Puntal-
Tensor (MPT).
El método más utilizado para encontrar la disposición de puntales y tensores es a partir del
análisis elástico basado en la trayectoria de esfuerzos. En este método se analiza la región D
a través de un análisis elástico por elementos finitos, obteniéndose las tensiones punto a
punto y determinando la magnitud y dirección de los esfuerzos principales a compresión y
tracción.
SCHLAICH, SCHÄFER y JENNEWEIN, (1987) plantearon este método para regiones D
agrietadas, donde la geometría del modelo puntal-tensor se orienta a la distribución de
tensiones elásticas. Los puntales y tensores condensan los campos de esfuerzo reales por
líneas rectas resultantes y son interconectados por nodos.
De igual manera (AZÓCAR, 2003) y (VÁSQUEZ, 1992) realizaron este análisis para muros de
diferentes alturas con el fin encontrar los modelos puntal tensor apropiados.
En regiones de muy altos esfuerzos la ductilidad requerida se cumple adaptando los puntales
y tensores del modelo a la dirección y tamaño de las fuerzas internas cuando ellas aparezcan
desde la teoría de elasticidad.
En regiones normal o bajamente esforzadas, la dirección de los puntales y tensores en el
modelo puede desviarse considerablemente del modelo elástico sin exceder la ductilidad de la
estructura. Los tensores y también el refuerzo pueden colocarse según consideraciones
prácticas. La estructura se adapta por si misma al sistema estructural interior supuesto.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Por supuesto, en cada caso, un análisis y chequeo de seguridad debe hacerse usando el
modelo finalmente escogido.
Este método de orientación del modelo puntal-tensor a lo largo de los caminos de fuerza,
indicados obviamente por la teoría de elasticidad, descuida un poco la capacidad última de
carga que podría ser utilizada por una aplicación pura de la teoría de plasticidad. Por otro
lado, tiene la ventaja mayor que el mismo modelo puede usarse para la carga última y el
chequeo de serviciabilidad.
Si por alguna razón el propósito del análisis es encontrar la carga última real, el modelo puede
adaptarse fácilmente a esta fase de carga cambiando sus puntales y tensores para aumentar la
resistencia de la estructura.
Orientar la geometría del modelo a la distribución de tensiones elásticas también es un
requerimiento de seguridad porque la fuerza de tracción del hormigón es sólo un fragmento
pequeño de la fuerza de compresión. Los casos como en los llamados “campos de botella” se
producen tracciones transversales que deben ser consideradas, ya que al tener modelos
demasiados simplificados pueden producirse fallas prematuras.
Para las regiones D es necesario desarrollar un modelo puntal-tensor individualmente para
cada caso. Después de un poco de entrenamiento, esto puede hacerse bastante simple.
Desarrollar un modelo puntal-tensor es comparable a escoger un sistema estático global.
Ambos procedimientos requieren un poco de experiencia de diseño y son de relevancia
similar para la estructura.
Desarrollar el modelo de una región D se simplifica mucho si las tensiones elásticas y las
direcciones de tensión principales están disponibles como en el caso del ejemplo mostrado en
la Figura 2-6. Semejante análisis elástico es facilitado por la amplia variedad de programas de
análisis estructural disponibles.
La dirección de los tensores puede tomarse entonces de acuerdo con la dirección principal de
esfuerzos de compresión o pueden localizarse los puntales y tensores más importantes en el
centro de gravedad de los diagramas de esfuerzo correspondientes, C y T de la Figura 2-6,
usando el diagrama de esfuerzos dado allí.
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Figura 2- 6. Trayectoria de tensiones elásticas, esfuerzos elásticos y modelo puntal-tensor (SCHLAICH,
SCHÄFER, 1987).
Cuando ningún análisis elástico está disponible y no hay tiempo para preparar uno, es fácil de
aprender a desarrollar un modelo puntal-tensor usando el llamado “camino de cargas”.
SCHLAICH, SCHÄFER y JENNEWEIN, (1987), describieron este método como se muestra en los
párrafos siguientes.
En primer lugar, debe asegurarse que el equilibrio externo de la región D se satisfaga
determinando todas las cargas y reacciones (fuerzas de apoyo) que actúan sobre ella. En un
límite adyacente a una región B, se toman las cargas en la región D del diseño de la región B y
se asume que existe una distribución lineal de esfuerzos (p) como se muestra en las Figuras
2-7 y 2-8.
El diagrama de esfuerzos se subdivide de tal manera que las cargas en un lado de la estructura
encuentran su contraparte en el otro lado, considerando que los caminos de cargas que
conectan los lados opuestos no se cruzarán unos con otros.
El camino de carga empieza y termina en el centro de gravedad de los diagramas de tensión
correspondientes y tiene allí la dirección de las cargas aplicadas o reacciones.
Ellas tienden a tomar el camino más corto posible entre ellas. Las curvaturas se concentran
cerca de las concentraciones de tensión (reacciones de apoyo o las cargas puntuales).
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Figura 2- 7. Caminos de carga y modelo puntal-tensor (SCHLAICH, SCHÄFER, 1987).
Figura 2- 8. Caminos de carga incluyendo una “vuelta en U” y modelo puntal-tensor. (SCHLAICH,
SCHÄFER, 1987).
Habrá algunos casos, obviamente, donde el diagrama de tensión no se usa completamente con
los caminos de carga descritos; allí permanecerán las resultantes (igual en magnitud pero con
signo opuesto) que entran en la estructura y la dejan en una vuelta en U o forman un giro
rápido ilustrado por las fuerzas B de la Figura 2-8.
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Hasta ahora, el equilibrio ha sido considerado solo en la dirección de las cargas aplicadas.
Después de trazados todos los caminos de cargas con curvas llanas y reemplazándolos por
polígonos, deben agregarse puntales extensos y tensores para el equilibrio transversal que
actúa entre los nodos, incluido en aquellos que el giro es en U.
Mientras se hace esto, los tensores deben colocarse con consideraciones propias de viabilidad
del esquema del refuerzo (generalmente paralelo a la superficie del concreto) y de
requerimientos de distribución de grietas.
Los modelos resultantes son a menudo bastante cinemáticos, lo que significa que el equilibrio
en un modelo dado sólo es posible para casos de carga específicos. Por consiguiente, la
geometría del modelo apropiado tiene que ser adaptada al caso de carga y está en la mayoría
de los casos determinada por condiciones de equilibrio después que unos pocos puntales o
tensores han sido escogidos.
También se definen los modelos puntal-tensor mediante un análisis no-lineal, el cual tiene la
ventaja por sobre un análisis lineal convencional, que puede predecir con mayor certeza el
comportamiento de una zona perturbada y su capacidad última de carga.
2.3.4.1. Los modelos y la falta de Unicidad
Dado que las estructuras tienden a resistir con el menor trabajo de deformación posible, entre
varios modelos posibles se debe elegir el que produzca el menor trabajo interno de
deformación.
Dado que los puntales de hormigón son muy rígidos aportan poco al trabajo interno, por lo
que si los esfuerzos entre los diferentes tensores fueran del mismo orden el modelo más
adecuado será el que presente menor longitud total de tensores. En caso contrario será el que
presente menor valor de la sumatoria aplicada a todos los tensores del producto de la fuerza
en cada tensor por su longitud. Esto se basa en el principio de energía de deformación mínima
(SCHLAICH, 1987) y (AZÓCAR, 2003).
Teniendo en cuenta lo anterior, el modelo más adecuado resultará ser el modelo d) de la
Figura 2-9, aunque si la pieza estuviera fuertemente solicitada (o no estuviéramos seguros si
lo está o no) conviene adoptar el modelo b). En ambas situaciones el modelo c) es el más
ineficiente e inadecuado. En otras palabras, el modelo no es único y podrá variar con el nivel
de solicitación y de un proyectista a otro.
La única forma de llegar a un modelo único sería satisfaciendo enteramente las condiciones de
compatibilidad para lo cual habría que introducir las ecuaciones constitutivas de los
materiales y resolver enteramente un problema que no es lineal perdiéndose de esta manera
la simplicidad del método.
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Figura 2- 9. Isostática y diferentes modelos puntal-tensor.
La no singularidad en la solución crea una cierta sensación de fastidio en los proyectistas que,
esperando una herramienta de cálculo directo, se encuentran con un amplio rango de
posibilidades y libertades que no conducen a una única solución.
Los modelos de la Figura 2-10 han sido analizados por (REINECK, 2002) y corresponden al
extremo rebajado del apoyo de una viga.
Figura 2- 10. Modelos puntal tensor para viga con extremo rebajado.
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Figura 2-10. a): El esquema corresponde a una viga ensayada por COOK y MITCHELL en
1988, Comparado con el esquema de la figura 2.10 b, presenta una distribución más sencilla
de armaduras en las proximidades del rebaje. Dado que los resultados experimentales
muestran cerca de la rotura una fisura que partiendo del vértice de encuentro entre el rebaje
y el cuerpo de la viga, se extiende diagonalmente cortando el puntal “BD”, el modelo no parece
del todo consistente con la configuración de rotura
Figura 2.10. b): Supera la observación hecha al modelo anterior pero controla
deficientemente la apertura de la fisura que conduce a la rotura al no presentar armaduras
normales a dicha fisura.
Figura 2.10. c): Supera las dos observaciones hechas a los modelos anteriores pero no es
capaz de resistir adecuadamente fuerzas horizontales aplicadas en el apoyo.
Una razón que puede hacer preferible un modelo respecto a otro es la facilidad de armado. En
la Figura 2-11 se muestran dos modelos posibles para una ménsula corta cargada
uniformemente. Como puede apreciarse, el modelo a) puede armarse utilizando armaduras
ortogonales horizontales y verticales, mientras que el modelo b) requerirá el uso de una
importante armadura diagonal. Desde un punto de vista del consumo de armadura resultará
más interesante el esquema b) mientras que si se le da prioridad a la facilidad de armado
seguramente se optará por el esquema a).
Figura 2- 11. Modelos puntal-tensor para ménsulas.
En términos generales el modelo puntal-tensor conduce a mayores armaduras que las
fórmulas empíricas desarrolladas a partir de resultados de ensayos. Esto se debe a que el
modelo puntal-tensor desprecia enteramente la resistencia a la tracción del concreto y
consideran, en general, una capacidad de redistribución interna menor que la que realmente
presenta los elementos.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
2.3.4.2. Modelos Isostáticos y Modelos
Hiperestáticos
Los modelos puntal-tensor pueden ser isostáticos relativos, isostáticos o hiperestático. En
general se obvian los modelos hiperestáticos por la dificultad existente en asignar rigideces a
los diferentes elementos, sin embargo, existen algunos casos en que en la bibliografía se
proponen soluciones aproximadas a modelos estáticamente indeterminados. Es el caso del
modelo del modelo de la Figura 2.12, donde el modelo puntal-tensor es isostático para una
estructura hiperestática (viga de gran altura continua de tres apoyos y dos tramos).
Figura 2- 12. Modelo isostático para viga de gran altura continua. [FIP 99].
2.4. Vigas de Gran Altura.
En ediciones anteriores a la del 2002 del código ACI 318, el tratamiento del diseño de vigas
profundas se realizaba mediante el enfoque empírico “V + V ” con su contribución del
c s
concreto (V ) a partir del efecto de arco y del entrelazamiento de los agregados.
c
Si bien este método ha resultado satisfactorio y conservador, su adaptación a los códigos
en general ha resultado dificultosa. Por lo tanto, para el diseño de vigas de gran altura se
recomienda utilizar el Apéndice A del Código ACI 318-2002, que predice satisfactoriamente
el comportamiento de una viga de gran altura, y está de acuerdo al tratamiento que se da a
estos elementos estructurales en la mayoría de los códigos.
Ejemplos de este tipo de elementos estructurales se encuentran en vigas de transferencia
utilizadas en edificios de varios pisos para permitir el desplazamiento de ejes de columnas,
en muros de cimentación, en muros de tanques y en silos, en diafragmas de pisos y en
muros de cortante al igual que en las estructuras de cubierta de tipo placa delgada.
Generalmente las vigas de gran altura son cargadas en el borde superior, y apoyadas en el
borde inferior; con cargas uniformes o bien con cargas puntuales. En el caso de muros
laterales de depósitos de almacenamiento las cargas se pueden aplicar en el borde inferior
de la viga. También pueden cargarse uniformemente en todo el alto, por otros elementos
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
de gran altura que se unen en ángulo recto (cargas y apoyos indirectos). Las vigas de gran
altura pueden ser también simplemente apoyadas o continuas.
Ediciones anteriores al Código ACI 2002 definían una viga de gran altura mediante la
relación de luz con altura ⁄ , que debía ser menor a cinco (5). Actualmente, con la
utilización de modelos puntal-tensor el diseño de vigas de gran altura, amplia a diferentes
condiciones de carga, apoyo y relación de luz con altura.
La extensión de la región D de una viga de gran altura condiciona la definición de estas en
el Código ACI 2002. La sección 11.8 [ACI 318-2002] condiciona a estos elementos a tener
una luz libre igual o menor a cuatro veces la altura total del elemento (para cargas
distribuidas) o a las regiones cargadas con cargas concentradas dentro del doble de la
altura del elemento desde el apoyo (la llamada luz de corte, a) y que estén cargados en una
de sus caras y apoyada en su cara opuesta, de manera que puedan desarrollarse puntales
de compresión entre las caras y los apoyos Figura 2.13.
Figura 2- 13. Descripción de vigas de gran altura y esbeltas [ACI 318-2002].
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Existe una gran variedad de modelos puntal-tensor para vigas de gran altura, los cuales varían
entre sí por su condición y tipo de carga y por sus condiciones de apoyo como se explicó
anteriormente. Además los modelos para un mismo caso pueden ser simplificados, o bien más
refinados que reflejen los campos de compresión y la ubicación de la armadura.
Explicaremos en profundo el caso de una viga de gran altura con carga concentrada, debido
que aquí se visualiza de mejor manera el concepto de modelo puntal-tensor. Como se ve en la
Figura 2.1, este modelo consta de dos puntales inclinados que transmiten los esfuerzos de
compresión generados por la carga puntual del borde superior hacia los apoyos del borde
inferior, similar de algún modo al efecto de arco de transmisión del esfuerzo de compresión.
Estos puntales están enlazados por un tensor en el borde inferior de la viga, el que puede ser
una o varias líneas de barras de acero. La zona de concurrencia de puntales y tensores son los
nodos.
Este modelo se considera bastante simplificado, teniendo en cuenta que de acuerdo a la
trayectoria de esfuerzos, se produce la expansión de los puntales y la aparición de esfuerzos
de tracción transversales en ellos. Esto se soluciona considerando los puntales en el diseño
como de forma de botella.
Así, se pueden obtener resultados satisfactorios para el diseño, proporcionando el refuerzo
necesario para una falla dúctil del tensor inferior. Sin embargo, se pueden obtener modelos
más refinados que consideren estribos transversales (verticales) en la zona comprendida
entre la carga y el apoyo.
La Figura 2.14 de la referencia [Rei. 02] ilustra detalles y el modelo puntal-tensor para una
viga de gran altura ensayada por ROGOWSKY, MACGREGOR y ONG (1986). Esta viga de 200
mm (7.9 in.) de espesor, se apoyó en las columnas que a su vez, se apoyaron en rodillos. La
relación de luz de corte a profundidad ⁄ , fue de 1.4.
La resistencia a la compresión del concreto en el momento del ensayo era de 42.4 MPa (6150
psi). La armadura del tensor principal consistió en seis barras No. 15 [16 mm diámetro (0.63
in.)] teniendo un total a la fuerza de fluencia, A f = 6.200 mm2 ó 455 MPa = 546 kN (123
s y
kips).
En el lado izquierdo de la viga, el miembro incluyó refuerzo adicional que consistió en cinco
juegos de estribos cerrados de 6 mm de diámetro (0.24 in.) (Ver Figura 2.14 (a)). El refuerzo
en las columnas no se muestra.
El fallo de la viga es controlado por la fluencia del refuerzo del tensor principal. El modelo
puntal-tensor básico mostrado en la Figura 2.14 ©, omitió la presencia de los estribos
adicionales en el lado izquierdo de la viga.
Se localizaron los dos nodos inferiores de la armadura en las intersecciones de los ejes de las
reacciones en el apoyo y la línea de acción del tensor principal. La profundidad de bloque de
tensión rectangular equivalente a, exigido para equilibrar la fuerza de fluencia del tensor, fue
de 76 mm (3.0 in.).
Los dos nodos superiores se localizaron una distancia de a/2 debajo del borde superior de la
viga y en la línea con las fuerzas resultantes en la columna (supuesto para actuar en la cuarta
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
parte de la columna). La capacidad predicha de 586 kN (132 kips) es un 97% de la capacidad
real de 606 kN (136 kips).
Como era esperado, la falla tuvo lugar en la zona sin los estribos. La Figura 2.14 (b) muestra el
aplastamiento que tuvo lugar en el concreto después de que la fluencia ocurrió en el tensor
principal. En (d), se muestran los esfuerzos medidos en el refuerzo del tensor principal a dos
niveles de carga.
Figura 2- 14. Viga de gran altura sometida a carga concentrada, ensayo realizado por ROGOWSKY,
MACGREGOR y ONG (1986).
A una carga de 550 kN (124 kips) el tensor había experimentado fluencia a lo largo de la
mayoría de su extensión. Los ganchos a los extremos del refuerzo del tensor proporcionaron
anclaje adecuado de este acero. El modelo de puntal-tensor y los esfuerzos medidos ilustran la
necesidad de anclar la fuerza de fluencia del tensor adecuadamente en las áreas de reacción
del apoyo.
Para el caso de una viga de gran altura sometida a carga distribuida en el borde superior
soportada en dos apoyos, el modelo puntal tensor y la distribución del refuerzo de acuerdo a
las Recomendaciones de FIP [FIP 99] se muestra en la Figura 2.15. El brazo palanca puede
asumirse cercano a , en tanto que la fuerza en el cordón a tracción es
aproximadamente
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Figura 2- 15. Modelo puntal tensor y distribución de refuerzo para una viga de gran altura, sometida a
una carga distribuida superior [FIP 99].
El modelo anterior ha sido ampliamente ensayado. La Figura 2.16 muestra una viga alta
diseñada y ensayada por LEONHARDT y WALTER (1966). En © muestra ser muy conservador
(carga de diseño P = 372 kN, carga o capacidad última en ensayo P = 1172 kN). El
diseño último
modelo refinado en (d), considera la distribución del refuerzo horizontal con un tensor en la
mitad de la altura, y su capacidad o carga de diseño es más cercana a la capacidad última
observada en los ensayos (P = 979 kN).
diseño
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Figura 2- 16. Viga de gran altura sometida a carga superior uniforme, ensayo realizado por
LEONHARDT y WALTER (1966). [Rei. 02].
La Figura 2.17 muestra una viga de gran altura con carga distribuida en el borde inferior. El
modelo puntal-tensor en (c) posee un puntal horizontal en la mitad de la altura de la viga, dos
puntales inclinados que transmiten compresión a los apoyos, dos tensores verticales que
representan estribos verticales y un tensor principal horizontal ubicado en el extremo inferior
de la viga. Este modelo es considerablemente más conservador que la capacidad última
obtenida en ensayo (P = 630 kN y P =1102 kN). El modelo refinado en (d) con una
diseño último
carga de diseño de 696 kN es ligeramente más cercano a la carga última, y además considera
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
un tensor horizontal ubicado entre el puntal horizontal y el tensor principal, que representa el
refuerzo horizontal distribuido que se encuentra sobre el cordón principal inferior a tracción.
Figura 2- 17. Viga de gran altura sometida a carga inferior uniforme, ensayo realizado por
LEONHARDT y WALTER (1966). [Rei. 02].
Las zonas de apoyo de vigas altas continuas se pueden diseñar con el modelo de la Figura
2.18 de las Recomendaciones de FIP [FIP 99]. Si no se efectúan consideraciones más
refinadas, la armadura sobre el apoyo debe diseñarse para una fuerza y debe
distribuirse sobre una profundidad de 0.6l. La fuerza en el cordón inferior traccionada se
asume como en la luz intermedia.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Figura 2- 18. Modelo puntal-tensor y distribución de la armadura para vigas continuas de gran altura.
[FIP 99].
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
2.4.1. Cargas Concentradas cerca a los Apoyos
Una carga concentrada cercana a un apoyo de una viga puede ser transferida
directamente al apoyo por medio de un puntal inclinado. El refuerzo transversal puede
diseñarse por la siguiente parte de la carga:
( ⁄ )
para
El refuerzo transversal se debe distribuir sobre la longitud de la Figura 2.19
Aproximadamente, se puede tomar ( ⁄ )
Figura 2- 19. Modelo puntal tensor para una carga concentrada cercana a un apoyo [FIP 99].
Este modelo ha sido aplicado a vigas de gran altura con cargas concentradas en los tercios. La
Figura 2.20 muestra una aplicación del modelo puntal-tensor para cargas concentradas
cercanas a los apoyos de acuerdo a las Recomendaciones de FIP, además de dos modelos
adicionales.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Figura 2- 20. Modelo puntal-tensor para viga alta con carga concentrada en los tercios.
Según las Recomendaciones de FIP [FIP 99], para miembros con cargas concentradas muy
cerca (a<z/2) o sobre un apoyo requiere refuerzo horizontal Figura 2.21 si no se hacen
consideraciones más refinadas debe diseñarse para una fuerza:
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Figura 2- 21. Modelos para el refuerzo horizontal para cargas cerca o sobre el apoyo [FIP 99].
2.4.2. Apoyos Directos de Vigas
En apoyos directos de extremos de vigas la fuerza en el apoyo se aplica por esfuerzos de
compresión en la cara inferior del miembro. La fuerza en el apoyo se transfiere al miembro por
un puntal inclinado que representa un campo de compresión en forma de abanico. La geometría
de este abanico se define por el ángulo menos inclinado θ, el cual es el ángulo del campo a
compresión de la región B, interceptado con el eje del cordón a tracción.
En un apoyo extremo la siguiente fuerza FsA en el cordón a tracción tiene que ser anclada en el
nodo sobre la placa de apoyo:
FsA=VA cotθA + N(1-zs1/z) Con N (+) para tracción.
El ángulo θA para el campo de compresión en forma de abanico resultante viene de la geometría
del abanico:
cotθA=[0.5ª1/z + (d1/z + 0.5) cotθ]
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Figura 2- 22. Modelo puntal-tensor para un apoyo directo [FIP 99].
En apoyos intermedios el modelo para el diseño es una combinación de dos apoyos de
extremos para los esfuerzos de corte Figura 2.23.
Figura 2- 23. Modelo puntal-tensor para un apoyo intermedio directo [FIP 99].
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2.5. Dimensionamiento y Verificación de Elementos
Modelo Puntal-Tensor (MPT)
2.5.1. Estado General
Después que el modelo puntal-tensor inicial se ha seleccionado, se calculan las
reacciones a las cargas aplicadas y las mismas cargas de gravedad. Una vez que las
reacciones se han calculado, se computan las fuerzas F en todos los puntales, tensores,
u
y zonas nodales usando el análisis de la armadura.
Se verifican entonces los puntales, tensores y zonas nodales [Sec. A.2.6 (ACI 318-02)].
Basado en:
Ec. A-1 [ACI 318-02]
Donde:
F = fuerza en un puntal o tensor, o la fuerza que actúa en una cara de una zona nodal,
u
debido a las cargas mayoradas.
F = resistencia nominal de un puntal, tensor o zona nodal.
n
φ = es el factor de reducción de la resistencia especificada en la sección 9.3.2.6. del
Código ACI-318 2002, cuyo valor es 0.75.
2.5.2. Nodos, Zonas Nodales y Resistencia de la
Zonas Nodales.
Los nodos son puntos de intersección de los ejes de los puntales y tensores que componen un
modelo puntal-tensor y las zonas nodales son regiones de hormigón situadas alrededor de
los nodos donde se produce la conexión física entre los miembros del modelo. En un nodo
plano, para que pueda existir equilibrio es necesario que al mismo nodo concurran al menos
tres fuerzas que pueden provenir tanto de miembros del modelo como de reacciones.
Los nodos de un modelo pueden representar cambios muy fuertes en la dirección de las
isostáticas (nudo singular o concentrado) o cambios más suaves (nodos distribuidos o
continuos), nudos “A” y “B” de la Figura 2.24 respectivamente.
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Figura 2- 24. Nodos singulares y distribuidos.
Los nodos se clasifican de acuerdo al tipo de fuerzas que concurren a los mismos. Se indica
con “C” a las barras comprimidas que llegan a un nodo y con “T” a las traccionadas. De esta
forma los nodos planos pueden denominarse como CCC, CCT, CTT y TTT de acuerdo al
esfuerzo que presenten las barras concurrentes. Ejemplos de estos nodos pueden verse en la
Figura 2.25.
Figura 2- 25. Clasificación de nudos.
El análisis de las zonas nodales ha ido evolucionando con el correr de los años desde las
denominadas “zonas nodales hidrostáticas” hasta las llamadas “zonas nodales extendidas”.
Zonas Nodales Hidrostáticas
Originalmente, se asumieron las zonas nodales para tener igual tensión en todas las caras en
el plano, debido a que el círculo de Mohr para las tensiones en el plano actúa en tales planos
de las zonas nodales como un punto, las cuales son llamadas zonas nodales hidrostáticas. Si
las tensiones fueran iguales en todos las caras de la zona nodal, la razón de las longitudes de
los caras de una zona nodal hidrostática, w : w : w están en las mismas proporciones como
n1 n2 n3
las fuerzas, C1 : C2 : C3 que actúan en las caras.
Se extendieron las zonas nodales hidrostáticas a nodos C-C-T o C-T-T asumiendo que los
tensores se prolongan a través de las zonas nodales para ser anclados en su extremo mediante
ganchos o adherencia del refuerzo (desarrollo de barras rectas) más allá de la zona nodal. Este
concepto se representa usando una placa de anclaje hipotético detrás de la conexión.
El área de la placa de anclaje hipotética es escogida para que la presión de apoyo en la placa
fuera igual a las tensiones que actúan en las otras caras de la zona nodal. El área efectiva del
tensor es la fuerza del tensor dividida por la tensión de apoyo admisible para los puntales que
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se encuentran a un nodo. El requisito para las tensiones iguales en todas las caras de una zona
nodal hidrostática tiende a complicar el uso de tales zonas nodales.
Figura 2- 26. Zonas nodales hidrostáticas [ACI 318-02]
Zonas Nodales Extendidas
Éstas son zonas nodales limitadas por los contornos de las zonas comprimidas en la
intersección de:
a) Puntales
b) Reacciones
c) Anchos supuestos de tensores que incluyen un prisma de concreto concéntrico
a los tensores.
Esto se ilustra en la Figura 2.27 (a) donde el área sombreada más oscura es la zona nodal
hidrostática y la zona sombreada total es la zona nodal extendida. La zona nodal extendida cae
dentro del área esforzada en compresión debido a las reacciones y puntales. Las tensiones de
compresión ayudan en el traslado de fuerzas de puntal a puntal, o de puntal al tensor. En
general, el Apéndice A del ACI 318-02, usa las zonas nodales extendidas en lugar de las zonas
nodales hidrostáticas.
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Figura 2- 27. Zona nodal extendida que muestra los efectos de la distribución de la fuerza.
Relaciones entre las dimensiones de una zona nodal extendida
Pueden derivarse las ecuaciones relacionando las anchuras de los puntales, tensores, y áreas
de apoyo si es supuesto que las tensiones son iguales en todos los tres miembros que se
encuentran en una zona nodal CC- T.
w = w cosθ + l senθ
s t b
Donde w es el ancho del puntal, w es el ancho efectivo del tensor, l es la longitud de la placa
s t b
de apoyo, y θ es el ángulo entre el eje del puntal y el eje horizontal del miembro. Esta relación
es útil para ajustar el tamaño de zonas nodales en un modelo del puntal-tensor. El ancho del
puntal puede ajustarse cambiando w o l , uno a la vez. Una vez que esto se ha hecho, es
t b
necesario inspeccionar las tensiones todas las caras de la zona nodal. La exactitud de esta
ecuación disminuye mientras las tensiones en las caras se hacen más y más desiguales. Esta
fue incluida en figura CA.1.6 del comentario Apéndice A del Código ACI, pero no en el propio
código. Los comités del código futuros deben considerar la adición de tales ecuaciones al
Comentario del Apéndice A del Código ACI.
Resolución de fuerzas que actúan en las zonas nodales
Si más de tres fuerzas actúan en una zona nodal en una estructura bidimensional, es
frecuentemente necesario resolverse algunas de las fuerzas para terminar con tres fuerzas
interceptándose. Alternativamente, en los nodos de modelos puntal-tensor en que actúan más
de tres fuerzas se podría analizar asumiendo que todos los puntales y fuerzas del tensor
actúan a través del nodo, con las fuerzas en un lado de la zona nodal resolviéndose como un
solo puntal resultante durante el diseño de la zona nodal.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Figura 2- 28. Descomposición de fuerzas en una zona nodal [ACI 318-02].
En la zona nodal de la Figura 2.29 (a), la reacción R equilibra los componentes verticales de
las fuerzas C1 y C2. Con frecuencia, los cálculos son más fáciles si la reacción R se divide en R1,
que equilibra el componente vertical C1, y R2, que equilibra el componente vertical C2, como
lo muestra la figura 1.47 (b).
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Figura 2- 29. Subdivisión de una zona nodal [ACI 318-02].
Resistencia a la compresión nominal de las zonas nodales
La resistencia nominal a la compresión de una zona nodal debe ser [Sec. A.5.1 y A.5.2 (ACI
318-02)]:
F nn = A n · f cu Eq. A-7 [ACI 318-02]
Donde:
f = resistencia a la compresión efectiva del hormigón en la zona nodal = 0,85 · βn · f’c
cu
f’ = resistencia especificada a la compresión del hormigón
c
β = 1,0 en zonas nodales limitadas por puntales, áreas de apoyo o ambas
n
β = 0,8 en zonas nodales que anclan un tensor
n
β = 0,6 en zonas nodales que anclan dos o más tensores
n
A = según corresponda:
n
En modelos de puntal-tensor bidimensionales:
a) El área de la cara de la zona nodal sobre la cual actúa F , considerada
u
perpendicularmente a la línea de acción de F ó
u
b) El área de una sección que atraviesa la zona nodal, considerada perpendicularmente a la
línea de acción del esfuerzo resultante que actúa sobre la sección
En modelos puntal-tensor tridimensionales (cabezales de pilotes):
El área de cada una de las caras de una zona nodal debe ser mayor o igual que la
indicada para modelos bidimensionales y las geometrías de cada una de dichas caras
deben ser similares a las geometrías de las proyecciones de los extremos de los puntales
sobre las correspondientes caras de las zonas nodales.
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2.5.3. Resistencia Puntales de concreto
Puntales
Los puntales varían con la forma del campo de compresión a que corresponden. Un puntal
representa el resultado de un campo de compresión paralelo o en forma de abanico. En
diseño, los puntales son generalmente idealizados como elementos prismáticos en
compresión. Si la resistencia efectiva a la compresión f difiere en los dos extremos de un
cu
puntal, ya sea debido a las diferentes resistencias de la zona nodal o a las diferentes
longitudes de apoyo, el puntal es idealizado como un elemento a compresión de ancho
variable.
SCHLAICH, SCHÄFER y JENNEWEIN (1987), propusieron tres tipos de campo de compresión
para modelos puntal-tensor.
Figura 2- 30. Los campos básicos de compresión: (a) prismático, (b) botella, (c) abanico.
El puntal en forma en forma de abanico, se presenta por ejemplo, en el apoyo extremo de
vigas.
El puntal en forma de botella es aquel que es más ancho a media distancia de sus extremos. Un
puntal en forma de botella es un puntal colocado en una parte de un elemento donde el ancho
del concreto en compresión a media distancia de los extremos del puntal, puede ensancharse
lateralmente. Las líneas curvas de los puntales de la Figura 2.1 y las líneas curvas de la
Figura 2.31 se aproximan a los límites de los puntales en forma de botella.
(a) (b)
Figura 2- 31. Puntal en forma de botella: (a) agrietamiento de un puntal en forma de botella, y (b)
modelo puntal-tensor para un puntal en forma de botella [ACI 318-02].
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La expansión interna lateral de la fuerza de compresión aplicada a este tipo de diseño conduce
a una tracción transversal que rompe la probeta.
Para simplificar el diseño, los puntales en forma de botella son idealizados ya sea en forma
prismática o de ancho variable, y se proporciona una armadura para el control que resista la
tracción transversal.
Resistencia de los puntales
La siguiente expresión debe evaluarse en ambos extremos de un puntal y considerarse el
menor valor obtenido (Sec. A.3.1, A.3.5 y CA.3.5 [ACI 318-02]):
F ns = A c · f cu+ A’ s· f’ s Eq. A-1, A-5 [ACI 318-02]
Donde:
A = Sección transversal en el extremo en estudio
c
f = Mínimo valor entre la resistencia efectiva a compresión del puntal y la resistencia
cu
efectiva de la zona nodal a la que concurre el extremo en estudio.
A’ = Armadura de compresión que puede disponerse si resulta necesario aumentar la
s
resistencia de un puntal. No es imprescindible su presencia. De existir debe ser paralela al
eje del puntal y debe estar encerrada por estribos o zunchos que verifiquen los
requerimientos exigidos para columnas.
f’ = Para armaduras con f ≤ 420 MPa se puede adoptar igual a f .
s y y
La resistencia efectiva a la compresión de un puntal se evalúa como (Sec. A3.2 [ACI 318-02]):
f cu= ν · f’ c = α · β s· f’ c = 0,85 · β s· f’ c Eq. A-3 [ACI 318-02]
Donde:
f’ = Resistencia especificada a la compresión del concreto
c
ν = α · βs = Factor de efectividad
β = 1,00 cuando a lo largo del puntal la sección transversal del mismo no varía. Esto se
s
da en los campos de compresiones con forma de prisma (Figura 2.30 (a)) característicos
de las columnas y de los bloques de compresión que se utilizan en el equilibrio de la
flexión en vigas. También se presenta en flujos en forma de abanico como el indicado en la
Figura 2.30 (c) donde la tensión es variable pero no se presentan tensiones transversales.
β = 0,75 en puntales con forma de botella (Figura 2.30 (b)) que presenten armadura
s
suficiente como para tomar las tracciones originadas en la expansión lateral del flujo de
tensiones. Estas armaduras limitan la abertura de las grietas aumentando la resistencia
respecto a un elemento sin armadura o con armadura insuficiente.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
β = 0,60 en puntales con forma de botella (Figura 2.30 (b)) que no presenten
s
armadura suficiente como para tomar las tracciones originadas en la expansión lateral del
flujo de tensiones.
β = 0,40 en puntales que se encuentren en elementos traccionados o en alas
s
traccionadas de elementos tales como vigas cajón. El bajo valor de β tiene en
s
consideración que los puntales comprimidos estarán atravesadas por grietas de tracción.
β = 0,60 en el resto de los casos. Se referencia aquí a situaciones como las indicadas
s
en la Figura 2.32 (b) donde se muestra un puntal, que a diferencia del mostrado en la
Figura 2.32 (a), está cortado por una grieta oblicua a su eje.
(a) (b)
Figura 2- 32. (a) Puntales en el alma de una viga con grietas inclinadas paralelas a los puntales y (b)
Puntales atravesados por gritas oblicuas [ACI 318-02].
Para poder utilizar β = 0,75 en los puntales con forma de botella es necesario que los mismos
s
cuenten con una armadura transversal adecuadamente anclada capaz de resistir esfuerzos
transversales de tracción a través de las grietas longitudinales que se originan en este tipo de
puntales. Esa armadura puede calcularse suponiendo que el flujo de tensiones tiene un
aspecto como el indicado en la Figura 2.31 o bien utilizando la siguiente expresión válida para
concretos de f’ ≤ 42 MPa. (Sec. A.3.3.1 [ACI 318- 02]):
c
∑ Eq. A-4 [ACI 318-02]
Figura 2- 33. Armadura que atraviesa un puntal [ACI 318-02].
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Esta expresión está desarrollada para armaduras que forman un ángulo γ con el eje del
i
puntal Figura 2.33. En ella “A ” representa el área de una barra de una capa que corre en
si
dirección “i” multiplicada por el número de capas, “S” es la separación entre barras que
i
corren en la dirección “i” y “b” es el espesor de la sección de concreto.
En vigas de gran altura se recomienda disponer este tipo de armaduras en ambas caras de la
viga y en direcciones ortogonales. En ménsulas cortas con relaciones a/h<1, las armaduras
suelen estar constituidas por estribos horizontales. Si existieran armaduras en una única
dirección se debe verificar γ ≥ 40° (Sec. A.3.3.2 [ACI 318-02]).
2.5.4. Resistencia de los Tensores
Tensores
Los tensores corresponden a elementos sometidos a tracción en el modelo puntal-tensor. Un
tensor consiste en una armadura o acero de pretensado más una parte del concreto que es
concéntrico al eje del tensor. El concreto adyacente se incluye para definir la zona en la que
deben ser ancladas las fuerzas de los puntales y tensores. En un tensor el concreto no se usa
para resistir la fuerza axial de un tensor. Aunque no se encuentra considerado en el diseño, el
concreto adyacente reducirá las elongaciones del tensor, especialmente al ser sometida a
cargas de servicio.
El ancho efectivo de la amarra, supuesto en el diseño w puede variar entre los límites
t
siguientes, dependiendo de la distribución de la armadura del tensor Sec.CA.4.2 [ACI 318-02]:
1. Si las barras en el tensor se encuentran en una capa, el ancho efectivo del tensor puede
ser tomado como el diámetro de las barras en el tensor más dos veces el
recubrimiento con respecto a la superficie de la amarra, como se aprecia en la figura
1.45 (a).
2. Un límite superior práctico del ancho del tensor puede tomarse como el ancho
correspondiente a una zona nodal hidrostática, calculada como
w t,max = F nt / f cu Eq. A-5 [ACI 318-02]
Donde; f es la resistencia efectiva a la compresión del concreto aplicable de la zona nodal
cu
dada en la sección A.5.2 [ACI 318-02]. Si el ancho de la amarra excede el valor del ítem 1, la
armadura del tensor debe distribuirse aproximadamente uniforme sobre el ancho y altura del
tensor, como se ve en la Figura 2.27 (b).
Resistencia de los Tensores
La sección A.4.1 del Apéndice A del código ACI-318 [ACI 318-02], indica que la resistencia
nominal de un tensor se determina con la siguiente expresión:
F nt = A st · f y + A ps · (f se+ Δf p) Eq. A-6 [ACI 318-02]
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Donde:
A = Área de la armadura no pretensada.
st
f = Tensión de fluencia especificada de la armadura no pretensada.
y
A = Área de la armadura pretensada.
ps
f = Tensión efectiva en la armadura pretensada luego de producidas las pérdidas.
se
Δf = 420 MPa para armadura adherida y 70 MPa para armadura no adherida.
p
(f + Δf ) ≤ f
se p py
f = Tensión de fluencia especificada de la armadura pretensada.
py
Anclaje de los Tensores
La armadura del tensor debe anclarse mediante dispositivos de anclaje pos-tensados, ganchos
estándar o mediante el desarrollo de barras rectas, como lo exigen las secciones A.4.3.1 a
A.4.3.4 del código ACI-318 [ACI 318-02]:
A.4.3.1 [ACI 318-02]- Las zonas nodales deben desarrollar la diferencia entre la fuerza en el
tensor en un lado del nudo y la fuerza en el tensor en el otro lado del nudo.
A.4.3.2 [ACI 318-02]- En las zonas nodales que anclan un tensor, la fuerza en el tensor debe
desarrollarse en el punto donde el centroide de la armadura del tensor sale de la zona nodal
extendida y entra en la luz del elemento.
A.4.3.3 [ACI 318-02]- En las zonas que anclan dos o más tensores, la fuerza del tensor en cada
dirección debe desarrollarse en el punto donde el centroide de la armadura del tensor sale de
la zona nodal extendida.
A.4.3.4 [ACI 318-02]- La armadura transversal requerida por la sección A.3.3 [ACI 318- 02]
debe anclarse de acuerdo con la sección 12.13 del código ACI-318 (longitud de la armadura
del alma, [ACI 318-02]).
Con frecuencia, el anclaje de los tensores requiere una atención especial en las zonas de nudos
de las consolas o en las zonas nodales adyacentes a los apoyos exteriores de las vigas de gran
altura. La armadura en un tensor debe anclarse antes de que salga de la zona nodal extendida
en el punto definido por la intersección del centroide de las barras del tensor y las extensiones
ya sea del contorno del puntal o del área de apoyo. En la Figura 2.27 (a) y (b), esto ocurre
donde el contorno de la zona nodal extendida es atravesado por el centroide de la armadura
del tensor. Algunos anclajes pueden lograrse extendiendo la armadura a través de la zona
nodal, y desarrollándola más allá de la zona nodal como lo muestra la figura 2.26 (c), y
desarrollándola más allá de la zona nodal. Si la amarra es anclada usando ganchos de 90
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grados, los ganchos deben estar confinados dentro de la armadura que se extiende en la viga
desde el elemento de apoyo para evitar el agrietamiento a lo largo de la parte externa de los
ganchos en la región de apoyo.
En las vigas de gran altura, barras en forma de horquilla empalmadas con la armadura del
tensor pueden ser empleadas para anclar las fuerzas de tracción en el tensor en los soportes,
siempre que el ancho de la viga sea lo suficientemente grande para acomodar dichas barras.
La Figura 2.34 muestra dos tensores anclados a una zona nodal. Se requiere un desarrollo
donde el centroide del tensor atraviesa el contorno de la zona nodal extendida.
Figura 2- 34. Zona nodal extendida de anclaje de dos barras [ACI 318-02].
La longitud de desarrollo de la armadura del tensor puede ser reducida a través de ganchos,
dispositivos mecánicos, confinamiento adicional o empalmándola con diversas capas de
barras más pequeñas.
2.5.5. Serviciabilidad
El último párrafo de la sección CA.2.1 Comentario del Código ACI-318 menciona la
serviciabilidad. Pueden estimarse las deformaciones usando un análisis del reticulado elástico
del modelo puntal- tensor. Puede planearse la rigidez axial de los tensores como regiones
agrietadas con rigideces axiales de A E /l y regiones no-agrietadas con rigideces de axiales
s s cr
A E /l donde l y l son las porciones de la longitud de tensor que puede asumirse que
c c uncr cr uncr
tiene una rigidez de la sección agrietada, y el fragmento que tiene una rigidez no-agrietada
respectivamente. Esto permite modelar el alargamiento del tensor de una manera simple. Se
requiere de estudios extensos en esta área.
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2.6. Método de los Elementos Finitos (MEF)
2.6.1. Antecedente Histórico (MEF).
La idea de representar un dominio mediante un conjunto de elementos discretos, no aparece
con el MEF. En efecto, los antiguos matemáticos usaban “elementos finitos” para predecir el
valor de π en forma bastante aproximada. Dicha aproximación la realizaban limitando un
círculo con polígonos inscritos o circunscritos, de tal modo que los segmentos de rectas
(elementos finitos), se aproximarán a la circunferencia del círculo. De este modo, ellos
estaban en capacidad de obtener estimaciones muy exactas del valor de π casi cuarenta
dígitos.
Figura 2- 35. Discretización del dominio. (a)Polígono inscrito (b) Polígono circunscrito. (ZEFERINO
2011).
ARQUÍMEDES [287 A.C.], usó las mismas ideas para determinar áreas de figuras planas y
volúmenes de sólidos aunque, por supuesto, no tenía el conocimiento del procedimiento del
límite. Realmente, fue sólo este desconocimiento lo que impidió que ARQUÍMEDES
descubriera el cálculo integral alrededor de 2000 años antes que lo hiciera NEWTON y
LEIBNIZ. Es importante entonces destacar que mientras la mayoría de los problemas de la
matemática aplicada están descritos en términos de ecuaciones diferenciales, la solución de
estas mediante el MEF, utiliza ideas que son mucho más antiguas para establecerlas.
En 1909, RITZ desarrollo un método muy poderoso con el cual se puede obtener soluciones
aproximadas, de problemas asociados al campo de la mecánica del continuo. En este método
de asume la “forma” de las incógnitas involucradas en el problema, en términos de unas
funciones de aproximación conocidas y unos parámetros a determinar. La limitaciones más
severas del método de RITZ, está en el hecho que las funciones de aproximación, deben
verificar las condiciones de contorno especificadas del problema en estudio, lo cual restringe
la aplicación del método a aquellos problemas con dominios de forma geométrica
relativamente simples.
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En 1943, COUNRAT realizó una muy significativa extensión del método de RITZ introduciendo
funciones seccionalmente continuas, definidas sobre áreas triangulares, lo cual,
conjuntamente con el principio de mínima energía potencial, le permitió estudiar problemas
de torsión. Por otro lado, la limitación del método de RITZ fue eliminada ya que las
condiciones de contorno se satisfacen ahora, en un número finito de puntos sobre el contorno.
En 1960, CLOUGH introdujo por primera vez el término “elemento finito” en su trabajo “The
Finit Element Method in plane Stress Analysis”. En este trabajo, se presentó el MEF como una
extensión de las técnicas de análisis estructural en la solución de problemas de la mecánica
del continuo.
La razón por la cual el MEF tuvo una acogida casi inmediata en 1960, está asociada al gran
desarrollo de la computadora digital, mediante el cual se logra efectuar la gran cantidad de
operaciones que el MEF demanda, en forma rápida y precisa. Desde entonces, el MEF se aplica
con éxito en problemas tridimensionales, en problemas no lineales, en problemas no
permanentes, y en problemas de otras áreas distintas al análisis estructural tales como: flujo
de fluido, transferencia de calor, análisis de campos eléctricos y magnéticos, robótica, ciencias
médicas entre otras.
El Método de los Elementos Finitos (MEF), se ha constituido en el transcurrir de los años, en
una herramienta numérica indispensable, no sólo en al ámbito de la ingeniería de diseño, sino
también en muchos otros ámbitos de las ciencias en general. Los programas de computación
basados en esta técnica numérica, son ampliamente utilizados en la investigación y en la
solución de innumerables problemas relacionados con la mecánica del medio continuo.
Los MEF, de diferencias finitas, de volumen de control (bien sean basados en diferencias
finitas o elementos finitos) y de contorno, son apenas algunos entre una gran gama de
métodos numéricos que se han venido desarrollando y usando exitosamente en la solución de
numerosos problemas en distintas áreas de la ciencia. Aun cuando todos estos métodos
constituyen una poderosa herramienta matemática, no dejan de ser métodos aproximados,
debiéndose tener por lo tanto un especial cuidado en su utilización, ya que la calidad de la
soluciones que se obtengan depende de varios factores, entre los cuales se pueden destacarla
distribución de la discretización espacial de la región en estudio, el tipo de discretización en el
tiempo en los problemas no permanentes, la aplicación apropiada de las condiciones de
contorno, la correcta inclusión en el modelo de las propiedades físicas de los materiales que
intervienen en el problema y demás. El correcto posicionamiento de estos aspectos requiere
del sentido común de algunas experiencias del analista, independientemente del método
seleccionado.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Figura 2- 36. Diagrama esquemático del montaje matemático de un problema. (ZEFERINO 2011)
2.6.2. Etapas Básicas en la Utilización del MEF
Independientemente de la naturaleza física del problema, el análisis mediante el MEF sigue los
siguientes pasos:
1. Definición del problema y su dominio.
2. Discretización del dominio.
3. Identificación de las variables de estado.
4. Formulación del problema.
5. Establecer los sistemas de referencia.
6. Construcción de las funciones de aproximación de los elementos.
7. Determinar las ecuaciones a nivel de cada elemento.
8. Transformación de coordenadas.
9. Ensamblaje de las ecuaciones de los elementos.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
10. Asignación de las condiciones de contorno.
11. Solución del conjunto de ecuaciones simultaneas resultantes.
12. Interpretación de los resultados.
Figura 2- 37. Discretización del dominio con diferentes elementos finitos. (ZEFERINO 2011)
Aun, cuando es cierto que reduciendo el tamaño de los elementos se obtienen mejores
resultados, también es cierto que un refinamiento excesivo conduce a grandes sistemas de
ecuaciones, lo cual puede tomarse inapropiado desde el punto de vista computacional.
(a) (b)
Figura 2- 38. Sistemas de referencia usados en el MEF. (a) Sistema local de referencia. (b) Sistema
global de referencia. (ZEFERINO 2011)
Además del sistema global de referencia, existen dos importantes razones para seleccionar un
sistema de referencia local para los elementos: la facilidad con la que se conforman las
funciones de forma de los elementos y la facilidad con la que se integra en el interior de los
mismos, con respecto al sistema local de cada elemento en particular. Sin embargo, puesto
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
que los elementos se ensamblan en el sistema global de referencia, este paso produce una
transformación de coordenadas.
2.6.3. Modelos de Elementos Finitos en la
Mecánica de Sólidos
En la solución de los problemas asociados a la mecánica de los sólidos, se pueden emplear
diferentes modelos de elementos finitos, los cuales dependen del principio variacional
utilizado y del tipo de comportamiento localizado de las variables sobre cada elemento. La
variables involucradas en un problema dado, dictaminan el principio variacional a usarse.
Los tres (3) principios variacionales utilizados con mayor frecuencia son:
Principio de mínima energía potencial
Se deben asumir la forma de los desplazamientos en el interior de cada elemento. Por este
motivo, este modelo recibe el nombre de “Modelo de Elementos Finitos de Desplazamientos, o
Modelo Compatible”.
Principio de mínima energía complementaría
Se supone la forma del campo de esfuerzos y por este motivo, a este modelo se le conoce con
el nombre de “Modelo de Elementos Finitos de las Fuerzas, o Modelo de Equilibrio”.
Principio de REISSNER
Permite del desarrollo de los llamados “Modelo de Elementos Finitos Híbridos” y del “Modelo
Mixto”. En estos modelos, se adoptan simultáneamente los campos de desplazamientos y
esfuerzos.
2.6.4. Modelos de Elementos Finitos en la
Mecánica de Sólidos
La idea de modelar una estructura como una serie de elementos, comenzó como una
extensión de los métodos tradicionales usados en el análisis de estructuras reticulares como:
armaduras, pórticos y demás. Estás estructuras están formadas por barras interconectadas
únicamente en los nodos, a través de los cuales se transmiten las fuerzas. De modo que es
natural ver estás estructuras como un ensamblado de componentes (elementos) individuales.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
2.6.4.1. Elemento Unidimensional Sometido a
Carga Axial.
Partiendo de:
(2.00).
Sea el elemento unidimensional sometido a carga axial que se muestra en la Figura 2.39, se
asume que dicho elemento es uniforme y homogéneo. El campo de los desplazamientos de
este elemento, está definido por el desplazamiento axial en los nodos 1 y 2. Luego, para
describir la variación unidireccional del desplazamiento, la selección lógica para el campo de
desplazamientos, es un polinomio lineal en x; es decir:
Figura 2- 39. Elemento unidimensional uniforme sometido a carga axial.
(2-01).
Cuando el desplazamiento de un punto contiene tres componentes (u, v y w), entonces se
seleccionará una expresión polinómica independiente para cada dirección
o, en forma matricial:
Para completar el primer paso se debe evaluar la ec. (2-01) en los nodos del elemento ( X=0 y
X=L), lo cual conduce a:
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(2-02).
Invirtiendo la matriz de este sistema, se obtiene:
(2-03).
Sustituyendo la ec. (2-03) en la ec. (2-01) se obtiene:
(2-04).
Donde: N y N son las llamadas funciones de forma del campo de desplazamientos. Estás
1 2
funciones definen el comportamiento del desplazamiento u en términos de los valores
unitarios de los desplazamientos nodales, tal como lo muestra la Figura 2.40.
Figura 2- 40. Funciones de forma asociadas al elemento unidimensional lineal.
El segundo paso involucra la introducción de las ecuaciones cinemáticas (relaciones
desplazamiento-deformación). En este caso, la única componente de la deformación distinta
de cero es ( ⁄ ). Este paso puede hacerse en dos formas: en la primera, se
diferencia la ec. (2-01) ; es decir:
(2-05).
Luego, introduciendo la ec. (2-03) en la ec. (2-01) se obtiene:
(2-06).
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La otra forma de llegar a este resultado es diferenciar directamente la ec. (2-04); es decir:
(2-07).
En la etapa número tres (3), se introducen las relaciones constitutivas. En este caso, dicha
relaciones se reducen a una única expresión:
(2-08).
Luego:
(2-09).
Como último paso se debe determinar el conjunto de fuerzas nodales { } { } . En
este caso, dicho conjunto se obtiene multiplicando el esfuerzo por el área de la sección
transversal del elemento. Luego:
(2-10).
El requisito de equilibrio (∑ ) exige que f actúe en sentido opuesto al sentido positivo
1
de
Introduciendo la ec. (2-09) en la ec. (2-10) finalmente se obtiene:
(2-11).
Por supuesto que los sistemas de ecuaciones (2-11) y (2.00) son idénticos.
2.6.4.2. Elementos Bidimensionales
En los problemas bidimensionales no solo se busca una solución aproximada a un problema
de valor de contorno, sino también se debe aproximar el dominio del problema mediante una
malla de elementos finitos apropiada. Luego en el análisis de problemas bidimensionales
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mediante el MEF, se tendrán errores en la aproximación, así como también errores en la
discretización (debido a la aproximación del dominio). La discretización consistirá en
elementos bidimensionales simples, tales como: triángulos, rectángulos y/o cuadriláteros que
se conectarán entre sí en los nodos de los contornos de los elementos.
Figura 2- 41. Elementos finitos bidimensionales. (a) Elemento triangular de tres nodos. (b) Elemento
rectangular de cuatro nodos. (c) Elemento rectangular de cinco nodos. (d) Elemento triangular de seis
nodos.
2.6.4.2.1. Funciones de Interpolación del
Elemento Rectangular Lineal
El polinomio de interpolación asociado al elemento rectangular lineal viene dado por:
(2-12).
Expresada en forma matricial:
(2-13).
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Figura 2- 42. Elemento rectangular lineal y sistema de referencia asociado.
En la Figura 2. 42, se muestra un elemento de este tipo de lados a y b, así como el sistema de
referencia adoptado por la deducción de las funciones de interpolación. Evaluando la ec.
(2-13) en los nodos del elemento se obtiene:
(2-14).
El procedimiento convencional de la deducción de las funciones de interpolación requiere el
conocimiento de las constantes , por lo cual, se debe invertir la matriz del sistema de
ecuaciones anterior, obteniendo:
(2-15).
Sustituyendo la ec. (2-15) en la ec. (2-13), obtenemos:
(2-16).
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Donde:
(2-17).
La forma de estas funciones de interpolación se muestra en la Figura 2.-- . Se verifica que:
(2-18).
Figura 2- 43. Funciones de interpolación del elemento rectangular lineal.
Es importante destacar que una de las principales diferencias entre este elemento y el
elemento triangular de tres nodos, reside en el hecho que, mientras que en este elemento los
gradientes son constantes en el interior del mismo, en el elemento rectangular de cuatro
nodos los gradientes son función de una de las coordenadas; es decir:
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El gradiente en la dirección x es constante en esa dirección pero lineal en la dirección y, y
viceversa para el gradiente en la dirección y.
Las funciones de interpolación de los elementos rectangulares con lados paralelos al sistema
global de coordenadas, puede deducirse de una manera más fácil utilizando los conceptos de
interpolación Lagrangeana. En el caso del elemento rectangular, se puede verificar que este
producto viene dado por:
(2-19).
Se puede constatar que el producto indicado conduce a las mismas funciones de
interpolación dadas en las ecuaciones (2-17).
2.7. Simulación Numérica con Elementos Finitos en
Estructuras de Concreto Reforzado
Un antecedente al modelo numérico que se plantea en este Trabajo Final de Especialización,
es el programa MEFBT (Método de Elementos Finitos Bielas y Tirantes) (MIGUEL, 2002) y
(SOLA, 2011), desarrollado en la unidad docente de Hormigón del Departamento de
Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniaría Civil de la Universidad Politécnica de
Valencia. Se trata de un modelo bidimensional que permite el dimensionamiento de una
región a partir de la configuración de armado que se desea disponer, sin necesidad de tener
que definir la geometría completa del MPT.
Existen otros modelos materializados en herramientas informáticas para regiones D
bidimensionales entre los que cabe destacar el programa comercial Computer-Aided Strut-
and-Tie (CAST) desarrollado en la University of Illinois.
(MELÉNDEZ, 2012) desarrollo un trabajo de Investigación CST/MIH titulado “Modelo
Numérico de Elementos Finitos para el Estudio de Regiones D Tridimensionales mediante
modelos de Bielas y Tirantes”, teniendo en cuenta el programa MEFBT de MIGUEL y SOLA. El
trabajo consistió en desarrollar un modelo numérico para estructuras de hormigón armado
tridimensional, que fuera capaz de generar automáticamente el campo de tensiones a partir
de la configuración del armado proporcionada por el proyectista. El modelo numérico se
implementó en MATLAB para posteriormente aplicarlo al análisis de un bloque de anclaje y
un encepado de pilotes.
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Para regiones D tridimensionales existen algunos modelos teóricos de elementos finitos que
generan el MPT aplicando técnicas de optimización topológica, (LEU, 2006) y (LIANG, 2002).
(NÚÑEZ, 2011) desarrollo un trabajo de Investigación cuyo objetivo principal era establecer
un modelo numérico que permitiera reproducir el comportamiento del Hormigón Reforzado
con Fibras de Acero (HRFA) en la fase pre y post fisuración por medio del programa comercial
de Elementos Finitos ANSYS® v.11.0.0. El modelo consistió en emplear tres parámetros que
se obtuvieron de forma experimental como fueron: Resistencia a la compresión y tracción uni-
axial, y resistencia residual a flexo-tracción del hormigón con fibras de acero.
La modelación numérica de vigas reforzadas a través de los Elementos Finitos ha sido
estudiada por la sociedad científica desde los años 80 ASCE (1982), incluyendo las relaciones
constitutivas, modelos de adherencia acero-concreto, criterios de falla del material y
tecnología del elemento finito.
La Asociación Argentina de Mecánica Computacional en su artículo publicado en el año 2010,
titulado “Simulación numérica del comportamiento de vigas reparadas con hormigón reforzado
con fibras”. El trabajo presenta la simulación numérica y comparación con resultados
experimentales del comportamiento de dos vigas de concreto reforzado ensayadas al corte
hasta la rotura, posteriormente reparadas con un encamisado de concreto reforzado con
fibras, y ensayadas para evaluar la eficiencia de la reparación.
El profesor asistente DIEGO A. ALVAREZ, M. de la Universidad Nacional de Colombia sede
Manizales elaboró una presentación y explicación en Microsoft PPT sobre el diseño de vigas de
gran peralte utilizando el método de los elementos finitos, teniendo en cuenta las definiciones
provistas en el numeral C.10.7.1 de la NSR-10. De la presentación, cabe resaltar que los
cálculos con Elementos Finitos basados en un análisis lineal elástico del material pueden ser
útiles para determinar el flujo de fuerzas en las regiones discontinuas donde la hipótesis de
Bernoulli no es válida.
La aptitud de MPT para el proyecto de regiones D bidimensionales ha sido verificada
experimentalmente y está bastante extendida. Existen numerosos ejemplos que pueden
consultarse y algunas herramientas informáticas como son: (BAIRÁN, 2012), (MEFBT, 2002),
(RÜCKTER, 1991), (CAST, 2004) que ayudan al calculista en sus diseños.
Ménsulas cortas, apoyos a media ladera, vigas de gran altura (como es nuestro caso), codos y
nudos de pórticos, zonas con cambios bruscos de sección, paneles sometidos a tensiones
planas con huecos, entre otros, son algunos de los ejemplos de elementos estructurales que
pueden ser estudiados y proyectados con el método.
En vigas de gran altura es extremadamente importante modelar las condiciones de soporte
tan precisamente como sea posible, ya que la rigidez y asentamiento de los apoyos tiene una
influencia considerable en la distribución de esfuerzos. Se debe tener en cuenta que un
modelo lineal elástico empleando EF no tiene en cuenta la redistribución de fuerzas internas
debido al agrietamiento del concreto o a su fluencia bajo altas presiones, se requiere de un
análisis no lineal para realizar el posible pandeo de la viga.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Capítulo 3.
3. Análisis y diseño
estructural – Viga de
concreto reforzado de
gran altura.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
3.1. Justificación del análisis estructural
Con el fin de realizar la comparación de esfuerzos por cortante mediante el MPT y MEF, es
necesario realizar un análisis de esfuerzos principales por el MEF mediante el programa
comercial ANSYS® v14.0 partiendo de dos alternativas de diseño de una viga de gran altura
resuelta por el MPT.
Las vigas reforzadas longitudinalmente y transversalmente, son diseñadas en muchos casos
siguiendo los procedimientos simplificados basados en resultados de laboratorio y
metodologías elásticas mediante expresiones analíticas. Con el análisis de la estructura se
busca identificar y seleccionar el modelo puntal-tensor que mejor resista las solicitaciones
internas, con base en la trayectoria de esfuerzos principales de compresión y tracción que son
los encargados de generar los llamados “esfuerzos por cortante”.
El modelo puntal-tensor es un método racional para el diseño de discontinuidades
geométricas y/o de carga, basado en el teorema del más bajo límite de la plasticidad, que
consiste en la idealización de los campos de esfuerzos internos mediante un reticulado
hipotético. Los puntales de hormigón representan campos a compresión y los tensores de
acero representan campos a tensión, los cuales se encuentran conectados por nodos.
Métodos para encontrar el Modelo Puntal-Tensor (MPT)
El método más utilizado para encontrar la disposición de puntales y tensores es a partir del
análisis elástico basado en la trayectoria de esfuerzos. En este método se analiza la región D a
través de un análisis elástico por el método de los elementos finitos mediante el programa
comercial ANSYS® v14.0 obteniéndose las tensiones punto a punto y determinando la
magnitud y dirección de los esfuerzos principales a compresión y tensión.
Viga de Gran Altura (VGA)
En ediciones anteriores a la del 2002 del código ACI 318 el tratamiento para el diseño de vigas
de gran altura, se realizaba mediante el enfoque empírico “V + V ” con su contribución del
c s
concreto (V ) a partir del efecto de arco y del entrelazamiento de los agregados. Si bien este
c
método ha resultado satisfactorio y conservador, su adaptación a los códigos en general ha
resultado dificultosa.
Por lo tanto, para el diseño de vigas de gran altura se recomienda utilizar el Apéndice A del
Código ACI 318-2002, que predice satisfactoriamente el comportamiento de la viga y está de
acuerdo al tratamiento que se da a estos elementos estructurales en la mayoría de los códigos.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
3.2. Metodología
La metodología empleada en el siguiente trabajo Final de Especialización consiste en
desarrollar un análisis estructural de una viga de concreto reforzado de gran altura, diseñar,
simular y comparar los resultados como se describe a continuación:
 Se resolverá analíticamente la viga de concreto reforzado de gran altura con dimensiones
y magnitud de cargas reales, utilizando el modelo Puntal–Tensor de acuerdo a lo
planteado en los diferentes códigos y normas al respecto, tales como: ACI 318-2002, NSR-
10, Eurocode, Española, Argentina (CIRSOC 201-2005.-222) y Canadiese.
 Se obtendrán los esfuerzos principales a partir de las fuerzas calculadas con el modelo
puntal-tensor (MPT).
 Se obtendrán los esfuerzos principales a partir del método de los elementos finitos
(MEF), indicando el flujo interno de tensiones y compresiones en la viga de gran altura.
 Se realizará una simulación numérica con el programa comercial de elementos finitos
ANSYS® v14.0 de la viga resuelta analíticamente con el MPT, identificando la zonas de
esfuerzos principales a compresión y tracción con sus respectivas trayectorias.
 Posteriormente, se compararán los resultados obtenidos por los métodos aplicados tanto
analíticamente con el modelo Puntal-Tensor (MPT) como numéricamente en el método
de los Elementos Finitos (MEF).
 Finalmente se concluirá, recomendará y darán futuras líneas de estudio.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
3.3. Solución analítica - Viga de gran altura
mediante el modelo Puntal-Tensor (MPT)
Diagrama de flujo que describe el procedimiento de diseño empleando el MPT.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Para la siguiente comparación se tuvo en cuenta el trabajo realizado por (MORALES, 2007),
titulado “DISEÑO DE DICONTINUIDADES EN VIGAS DE HORMIGÓN ESTRUCTURAL CON
MODELOS PUNTAL-TENSOR”, donde analizó y diseñó vigas de gran altura con el Modelo
Puntal-Tensor de los cuales tomaremos los ejemplos de su trabajo nombrados como:
Viga de Gran Altura – Modelo de transferencia directa de cargas. [A]
Viga de Gran Altura – Modelo con armadura vertical. [B]
(a) (b)
Figura 3- 1. Viga de Gran Altura. (a) Geometría y Cargas, (b) Sección transversal.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
3.3.1. Identificación de las Regiones “B” y “D”
(a) (b) (c)
Figura 3- 2. Identificaciones de regiones D. (a) Zonas perturbadas por las reacciones, (b) Zonas
perturbadas por la carga “A” y (c) Zonas perturbadas por la carga “B”
Se acepta como criterio general que las zonas afectadas por las discontinuidades geométricas
o de cargas tienen una extensión igual a la mayor dimensión de la sección transversal, las
figuras anteriores representán las zonas perturbadas por las cargas exteriores aplicadas y por
las reacciones, por tanto, la viga estará conformada en su totalidad por regiones D.
3.3.2. Cálculo de fuerzas actuantes en las
fronteras de las regiones “D”
Dado que toda la viga es una gran region “D”, las fuerzas en las fronteras serán las acciones
exteriores y las reacciones:
3.3.3. Elección de modelos Puntal-Tensor
Al momento de elegir el MPT, se considera el flujo de esfuerzos internos mediante un gráfico
de trayectorias de esfuerzos principales.
Para este efecto, (MORALES, 2007) analizó las regiones D mediante un análisis lineal con el
método de los elementos finitos; el análisis bidimensional se realizó con el programa de
cálculo y diseño estructural RAM ADVANSE, se discretizó la región D con elementos
rectangulares de cuatro nodos con condiciones de carga correspondientes a cada caso,
obteniendo el siguiente gráfico de trayectorias:
Figura 3- 3. Gráfico de trayectorias de esfuerzos principales generado por el programa comercial de EF
RAM ADVANSE.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Para la comprobación de las trayectorias, se modelo la estructura con el programa comercial
de elementos finitos ANSYS® v14.0, seleccionando el elemento finito tipo PLANE182 que
corresponde a un elemento cuadrilateral isoparamétrico de cuatro nodos para problemas
mecánicos; realizando un análisis bidimensional lineal elástico con material isótropo,
obteniendo la siguiente trayectoria de esfuerzos:
Trayectoria de esfuerzos a tracción
Trayectoria de esfuerzos a compresión
Figura 3- 4. Viga de Gran Altura - Gráfico de trayectoria de esfuerzos principales generado por el
programa comercial de EF ANSYS ® V14.0
El gráfico anterior muestra claramente cómo se desarrollan puntales inclinados que
transmiten compresión desde los puntos de carga a los puntos de apoyo. Además, se observa
la expansión de estos campos de compresión (líneas de color azul) a medio “camino” y
aparecen tracciones transversales (líneas de color negro); estos campos de esfuerzos se
denominan puntales en forma de botella.
En la porción inferior de la viga se presentan campos paralelos de tensión que puede ser
considerado como el tensor principal; en la porción superior entre los puntos de carga se
desarrollan campos de compresión paralelos, lo cual se puede modelar como un puntal
prismático.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
(a)
Puntal
Tensor
(b) (c)
Figura 3- 5. Viga de gran altura. (a) Idealización de las trayectorias de esfuerzos principales , (b)
Modelo Puntal-Tensor seleccionado para la viga [A] y (c) Modelo Puntal-Tensor seleccionado para la
viga [B].
Del análisis de trayectoria de tensiones, obtenemos el modelo Puntal-Tensor que considera la
formación de puntales inclinados en forma de botella para transmitir las cargas a los apoyos,
un tensor principal y un puntal prismático paralelo al tensor que satisfacen el equilibrio
interno en la viga [A].
Para la viga [B], se eligió un modelo que considera la armadura del alma con un tensor vertical
intermedio; el modelo posee un tensor vertical, cuya finalidad es resistir una carga igual a
cada una de las cargas exteriores independientemente de cual sea la distancia de los apoyos.
Además, posee un tensor inferior horizontal principal que debe resistir las tensiones de la
zona inferior. Los puntales diagonales son en forma de botella y el puntal horizontal ubicado
entre las cargas es de forma prismática.
3.3.4. Geometría general y esfuerzos en los
Puntales y Tensores
A continuación se indica la numeración de nodos y barras que se utilizaron en la resolución de
los ejemplos y las dimensiones generales del modelo. Así mismo, las fuerzas solicitadas en
cada uno de los puntales y tensores.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
(a) (b)
Puntal
Tensor
(c) (d)
Figura 3- 6. Viga de gran altura. (a) Geometría e identificación de elementos del modelo Puntal-Tensor
seleccionado en la viga [A], (b) Fuerzas en el reticulado de la viga [A], (c) Geometría e identificación de
elementos del modelo Puntal-Tensor seleccionado en la viga [B] y (d) Fuerzas en el reticulado de la
viga [B].
En la elección de las dimensiones del modelo MPT se deben tener en cuenta los anchos
asignados a los tensores; se trata de un proceso que requiere tanteos por lo que no es
conveniente iniciar el cálculo con anchos muy pequeños, el utilizar anchos mayores a los
necesarios conduce a armaduras un poco mayores que las estrictamente necesarias, pues los
“brazos internos” disminuyen.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 3- 7. Viga de gran altura. (a) Equilibrio de fuerzas internas del modelo en la viga [A], (b)
Geometría del modelo en la viga [A], (c) Equilibrio de fuerzas internas del modelo en la viga [B] y (d)
Geometría del modelo en la viga [B].
Geometría y Fuerzas del reticulado en la viga con modelo de transferencia directa de
cargas [A]
Las fuerzas máximas del puntal 2 y el tensor 3 pueden verificarse mediante la expresión:
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Geometría y Fuerzas del reticulado en la viga alta - Modelo con armadura vertical [B]
Las fuerzas máximas del puntal 2 y el tensor 7 pueden verificarse mediante la expresión:
3.3.5. Dimensionamiento de Puntales, Tensores
y Zonas Nodales
(c)
(a) (b)
Figura 3- 8. Viga de gran altura – Modelo de transferencia directa de cargas. (a) Modelo Puntal-Tensor
con dimensiones de puntales, tensores y zonas nodales, (b) Zona nodal 1 y (c) Zona nodal 2.
La Figura 3-8 muestra el aspecto final que presentan las zonas nodales, tensores y puntales.
Existe simetría entre las zonas nodales 1 y 3 al igual que entre las zonas nodales 2 y 4, los
puntales 1 y 4 también son simétricos. Existe simetría de cargas, por lo tanto los esfuerzos
internos de los elementos antes mencionados son simétricos y solo es suficiente verificar uno
de ellos.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
(a)
(b) (c) (d)
(e)
Figura 3- 9. Viga de gran altura – Modelo con armadura vertical. (a) Modelo Puntal-Tensor con
dimensiones de puntales, tensores y zonas nodales, (b) Zona nodal 1 y puntal 3, (c) Zona nodal 2 y
puntal 1, (d) Zona nodal 3 y (e) Zona nodal 4.
En la zona nodal 4 (e), concurren más de tres esfuerzos por lo que se reemplazan dos de ellos,
el 1 y el 4 por su resultante, para obtener un caso ordinario de tres esfuerzos concurrentes.
Para resolver dos de los esfuerzos en uno, se recurre al uso de subzonas nodales.
Los puntales 1 y 4 concurren a la Subzona Nodal 4B de la cual parte un puntal resultante
hacia la Subzona nodal 4A. La Subzona 4B se ha planteado como hidrostática de modo que
todas sus caras son normales a los ejes de los puntales concurrentes y sobre todas ellas actúa
la misma tensión normal. La Subzona 4A tiene su geometría definida ya que son conocidos sus
catetos (el mayor corresponde a la dimensión de la placa de apoyo y el menor tiene el ancho
adoptado para el Puntal 2).
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Tabla 3- 1. Resumen verificación de puntales – Viga de gran altura [A] (MORALES, 2007).
Tabla 3- 2. Resumen verificación de puntales – Viga de gran altura [B] (MORALES, 2007).
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
3.3.6. Refuerzo requerido para los Puntales y
Tensores.
Para la comparación de esfuerzos por cortante, se diseña la viga de gran altura con el modelo
de trasferencia directa de carga [A].
Figura 3- 10. Diagramas de cortante y momento de una viga simplemente apoyada, sometida a dos
cargas concentradas.
Figura 3- 11. Disposición del refuerzo en la Viga de Gran Altura.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Figura 3- 12. Diagramas de esfuerzo cortante en la VGA
Tabla 3- 3. Refuerzo requerido por cortante.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Figura 3- 13. Diagramas de momento flector en la VGA
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Tabla 3- 4. Refuerzo requerido por flexión.
Tabla 3- 5. Refuerzo superficial para vigas de gran altura.
La versión 2005 del reglamento CIRSOC 201, basado en la norma ACI 318, indica tratar como
viga de gran altura aquellas con luces libres entre apoyos siendo h la altura total de la
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
viga. Así mismo, los casos de vigas con cargas concentradas ubicadas a distancia menor que
2h de los apoyos.
En todas esas zonas el comportamiento de las secciones transversales no verifica las hipótesis
de BERNOULLI. Por otra parte, bajo tensiones relativamente bajas se produce fisuración del
concreto que deja de comportarse como medio continuo.
En esos casos se puede utilizar el modelo de reticulado de MÖRSCH, e imaginar la viga
trabajando como un reticulado con bielas de compresión (puntales), aportadas por el
concreto y bielas de tensión (tensores), conformadas por la armadura.
Para el dimensionamiento de estas vigas, el ACI-318 proporciona un procedimiento
simplificado:
La resistencia a cortante nominal de la VGA no debe ser mayor que:
√
Donde b es el espesor de la viga y d la profundidad del baricentro de la armadura traccionada.
Luego:
√ √ 1837.15 kN
Ok. Satisfactorio.
La armadura mínima debe ser:
Armadura vertical:
Con una separación de:
; ; {
Armadura horizontal:
Con una separación de:
; ;
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Se calcula el refuerzo por el modelo Puntal-Tensor MPT adoptado para la solución de la VGA.
Secciones necesarias para los tensores:
Las áreas necesarias para el refuerzo se despejan de la expresión:
;
(a) (b)
Puntal
Tensor
Figura 3- 14. Viga de Gran Altura. (a) Numeración de elementos y (b) Fuerzas en el reticulado de la
viga.
F A requerida
Elemento u st
[kN] [cm2]
Tensor 3 1108.91 35.20
Tabla 3- 6. Área de acero requerida para el tensor 3.
A Cantidad A calculado
s s
Barra No.
[cm2] [un] [cm2]
7 3.88 8 31.04
6 2.85 2 5.70
36.74
Tabla 3- 7. Área de acero calculada para el tensor 3.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Figura 3- 15. Disposición del refuerzo para el tensor 3.
Refuerzo necesario para los puntales en forma de botella:
Se dispondrá una armadura para los puntales 1 y 4 en forma de parrillas ortogonales en
ambas caras.
Figura 3- 16. Armadura para los puntales 1 y 4 en forma de botella.
A
si
Separación
Barra No.  calculado
i [°] [cm]
[cm2]
Refuerzo horizontal 3 35.808 19 0.998
Refuerzo vertical1 3 54.192 9 0.788
Refuerzo vertical2 3 90.000 12 1.050
Tabla 3- 8. Refuerzo y separación para el puntales 1, 2 y 4.
Verificación de la cuantía mínima total de acuerdo al ACI 318-2002:
∑
∑
∑
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Figura 3- 17. Disposición del refuerzo para los puntales 1 y 4 en forma de botella.
Figura 3- 18. Disposición del refuerzo para el puntal 2. Forma prismática.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
3.3.7. Disposición General del Refuerzo.
Figura 3- 19. Disposición del refuerzo en la Viga de Gran Altura.
3.4. Obtención de los esfuerzos principales a partir
del modelo Puntal-Tensor (MPT).
Una vez analizada la viga de gran altura y definidos los modelos de Puntal-Tensor para la
transferencia directa de cargas [A] y el modelo con armadura vertical [B], se obtienen los
esfuerzos principales a tensión y a compresión en las zonas donde quedaron definidos
los puntales y los tensores.
Posteriormente, se analizó numéricamente la viga de gran altura en concreto simple
(material isótropo) con el programa comercial de Elementos Finitos ANSYS® v14.0 y así se
logró verificar la magnitud de los esfuerzos principales en las zonas de cada MPT para la viga
analizada.
3.4.1. Magnitud de esfuerzos principales en las
zonas de puntales y tensores.
3.4.1.1. Esfuerzos principales
Calculadas las fuerzas y definidos los anchos de cada tensor, deducimos los esfuerzos
principales en las zonas de la viga donde se conforman los tensores.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Tabla 3- 9. Magnitud del esfuerzo principal en la sección del tensor. Viga [A]
Figura 3- 20. Magnitud del esfuerzo principal en la sección del tensor 3. Viga [A]
Tabla 3- 10. Magnitud de esfuerzos principales en la sección de cada tensor. Viga [B]
z
Figura 3- 21. Magnitud de esfuerzos principales en la sección de cada tensor. Viga [B]
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
3.4.1.2. Esfuerzos principales
Calculadas las fuerzas y definidos los anchos de cada puntal, deducimos los esfuerzos
principales en las zonas de la viga donde se conforman los puntales.
Tabla 3- 11. Magnitud de esfuerzos principales en la sección de cada puntal. Viga [A]
Figura 3- 22. Magnitud del esfuerzo principal en la sección de cada puntal. Viga [A]
Tabla 3- 12. Magnitud de esfuerzos principales en la sección de cada puntal. Viga [B]
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Figura 3- 23. Magnitud del esfuerzo principal en la sección de cada puntal. Viga [B]
3.5. Verificación de los esfuerzos principales con el
método de los Elementos Finitos (MEF).
Se analizó numéricamente la viga de gran altura en concreto simple (material isótropo) con el
programa comercial de Elementos Finitos ANSYS® v14.0, de esta forma se verificó la
magnitud de los esfuerzos principales en las zonas de cada puntal y tensor definidos
anteriormente.
3.5.1. Esfuerzos principales
El rango de valores se revisó con mayor detalle en las zonas donde se dispuso los tensores
calculados con el modelo Puntal-Tensor.
(a) (b)
Figura 3- 24. Simulación numérica para la Viga de Gran Altura. (a) Distribución de los esfuerzos
cortantes en el plano XY. (b) Distribución de esfuerzos principales
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
El análisis bajo cargas de servicio en la viga se realizó como un medio continuo en estado
elástico, determinándose los esfuerzos principales de compresión. En la figura anterior (a),
representa los estados de esfuerzo por corte donde se aprecia claramente el camino de
esfuerzos desde el punto de aplicación de la carga, hasta el punto de apoyo más cercano y (b)
representa las zonas de concentración del esfuerzo principal , correspondiente a las zonas
de tensión en la viga de gran altura de concreto simple.
(a) (b)
Figura 3- 25. Simulación numérica Viga de Gran Altura, estado de esfuerzos para la viga [A]. (a)
Rango1 valores Solución Nodal, (b) Rango1 valores Solución Elemental.
(a) (b)
Figura 3- 26. Simulación numérica Viga de Gran Altura, estado de esfuerzos para la viga [B]. (a)
Rango1 valores Solución Nodal, (b) Rango1 valores Solución Elemental.
La Figura 3-26 Ilustran la solución nodal y la solución elemental de la viga de gran altura, con
rangos de valores de esfuerzos principales que se encuentran definidos dentro de bandas
en colores. De esta forma, se compara la magnitud de las franjas donde son ubicados los
tensores; la solución elemental muestra una magnitud de esfuerzo mayor que la solución
nodal.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
(a) (b)
Figura 3- 27. Analogía de esfuerzos principales MPT y MEF en la viga [A]
El esfuerzo principal máximo que presenta la viga (a), se encuentra localizado justo en el
tensor entre apoyos con una magnitud de 15087.21 kPa calculado por el MPT, equivalente a
los esfuerzos en la franja de color rojo de la viga (b) con magnitudes de 12000.00 kPa y
16000.00 kPa respectivamente generado del análisis por el MEF.
(b)
(a)
Figura 3- 28. Analogía de esfuerzos principales MPT y MEF en la viga [B]
En la viga de gran altura – modelo con armadura vertical, se presentan cinco (5) zonas de
distribución de esfuerzos principales donde se definen nuevos tensores que dividen en dos
(2) el puntal principal de la viga [A] que parten desde el punto de aplicación de la carga y no
necesariamente termina en el apoyo, los tensores principales comprenden zonas con
magnitud de esfuerzos igual a 11111.14 kPa, 5555.52 kPa y 4664.72 kPa calculados por
el MPT, los cuales están comprendidos en la zonas generadas por el MEF con magnitud de
esfuerzos entre 9500.00 kPa y 12000.00 kPa franja de color rojo, 4500.00 kPa y
9500.00 kPa franjas de color magenta y verde claro y finalmente 2000.00 kPa y 7000.00
kPa en las franjas de color azul y color magenta.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
3.5.2. Esfuerzos principales
(a) (b)
Figura 3- 29. Simulación numérica para la Viga de Gran Altura. (a) Distribución de los esfuerzos
cortantes en el plano XY. (b) Distribución de esfuerzos principales
El análisis bajo cargas de servicio en la viga se realiza como un medio continuo en estado
elástico, determinándose los esfuerzos principales de compresión. En la figura anterior (a),
representa los estados de esfuerzo por corte donde se aprecia claramente el camino de
esfuerzos desde el punto de aplicación de la carga, hasta el punto de apoyo más cercano y (b)
representa las zonas de concentración del esfuerzo principal correspondiente a las zonas
de compresión en la viga de gran altura.
Existen sectores con mayor concentración de esfuerzos principales justo en las zonas de
aplicación de las cargas y los apoyos respectivos con una magnitud de -22627.60 kPa.
El rango de valores se revisó con mayor detalle en las zonas donde se dispuso las bielas de
compresión calculadas con el modelo Puntal-Tensor (MPT).
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 3- 30. Simulación numérica Viga de Gran Altura. (a) Rango1 valores Solución Nodal,
(b) Rango1 valores Solución Elemental, (c) Rango2 valores Solución Nodal y (d) Rango2 valores
Solución Elemental.
La Figura 3-30 ilustra la solución nodal y la solución elemental de la viga de gran altura, con
rangos de valores de los esfuerzos principales que se encuentran definidos entre franjas de
colores. De esta forma, se compara la magnitud de las franjas donde son ubicados los
puntales; la solución elemental muestra una magnitud de esfuerzo mayor que la solución
nodal.
(a) (b)
Figura 3- 31. Analogía de esfuerzos principales MPT y MEF en la viga [A]
El esfuerzo principal máximo que presenta la viga (a), se encuentra localizado justo en el
puntal prismático con una magnitud de -18737.14 kPa equivalente a los esfuerzos entre las
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
bandas de color magenta y verde claro de la viga (b) con magnitudes de -20113.40 kPa y
-12570.90 kPa respectivamente. Mientras que las magnitudes que resultan para los puntales
en forma de botella en la viga (b), están comprendidos entre -12570.90 kPa y -2514.17 kPa
que corresponden a la banda de color rojo justo donde se encuentra la mayor magnitud del
puntal con un valor de -10502.00 kPa.
(a) (b)
Figura 3- 32. Analogía de esfuerzos principales MPT y MEF en la viga [B]
En la viga de gran altura – modelo con armadura vertical, se presentan varias zonas de
distribución de esfuerzos donde se definen nuevos puntales en forma de botella que parten
desde el punto de aplicación de la carga y no necesariamente termina en el apoyo, estos
puntales comprenden unas zonas con magnitud de esfuerzos igual a -10797.06 kPa, los
cuales están comprendidos en la zonas generadas por el MEF con magnitud de esfuerzos
entre -12570.90 kPa y -7542.52 kPa.
3.6. Simulación numérica – Viga de concreto
reforzado de Gran Altura mediante el
programa comercial de EF ANSYS® v14.0.
(a) (b)
Figura 3- 33. Disposición del refuerzo para la Viga de Gran Altura con el MPT. (a) Reticulado con
AutoCAD 2012 y (b) Reticulado con ANSYS 14.0
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
En la Figura 3-33 Se aprecia la disposición del refuerzo calculado por el MPT para la VGA, la
cual se analizó con el programa comercial de EF ANSYS® v14.0, la comparación de esfuerzos
por cortante en el plano XY y los esfuerzos principales y de la viga en concreto simple y
la viga en concreto reforzado con el MPT se puede apreciar en el numeral 3.6.
(a) (b)
(c) (d)
Figura 3- 34. Simulación numérica VGA en concreto reforzado. (a) Definición de áreas, (b) definición
de líneas, (c) mallado con elementos finitos de áreas y líneas (d) Definición de nodos.
Para el análisis estructural de la viga en concreto reforzado de gran altura, se requirió de dos
(2) tipos de Elementos Finitos para simular el comportamiento del concreto simple como
material homogéneo y del acero de refuerzo como material homogéneo independiente. En (a)
se representan las áreas definidas entre líneas que conforman el reticulado calculado con el
MPT. En (b) se representa el mallado de las líneas con el Elemento Finito LINK180 que simula
el acero de refuerzo con un EX (módulo de Elasticidad en dirección X) igual a 200x106 y un
PRXY (relación de Poisson en el plano XY) igual a 0.30. En (c) se representa el mallado de las
áreas con el Elemento Finito PLANE182 que simula el concreto simple con EX igual a 20x106 y
un PRXY de 0.30. En (d) se representa la compatibilidad de los elementos finitos mediante los
nodos, los cuales hacen que se integre los elementos finitos.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Figura 3- 35. Geometría del elemento finito PLANE182.
El elemento finito PLANE182 es usado para modelar estructuras sólidas en 2-D; puede ser
usado como un elemento plano (plano de esfuerzos) o un elemento axisimétrico, está definido
por cuatro nodos con dos grados de libertad por cada nodo: traslaciones nodales en dirección
X y Y. El elemento tiene plasticidad, hiperelasticidad, larga deflexión y capacidades de gran
tensión, además tiene formulación de mezclas para simular deformaciones de materiales
elastoplásticos casi incompresibles.
Figura 3- 36. Geometría del elemento finito LINK180
El elemento finito LINK180 es una barra en 3-D usado en gran variedad de aplicaciones de
ingeniería; puede utilizarse para modelar cerchas, cables pandeados, conexiones, resortes
entre otros. Es un elemento uniaxial de tensión-compresión con tres grados de libertad en
cada nodo: traslaciones nodales en dirección X, Y y Z, presenta tensión solamente para cables,
pasador de conexión en estructuras, incluye también plasticidad, fluencia, rotación, gran
deflexión y capacidad de gran tensión.
Por defecto, LINK180 incluye términos de rigidez y esfuerzos en cualquier análisis que
incluya efectos de gran deflexión. Características principales que presenta son: Elasticidad,
endurecimiento plástico isotrópico, endurecimiento plástico cinemático, y fluencia.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
3.6.1. Resultados del análisis – VGA de concreto
reforzado.
(a)
(b)
Figura 3- 37. Simulación numérica VGA de concreto reforzado. (a) Deformada con materiales y (b)
Deformada con Elementos Finitos.
La VGA de concreto reforzado como elemento estructural, presenta una deformada DMX
(Desplazamiento máximo - Componente de desplazamiento en Y) de 0.002274 m (2.27mm)
justo en la mitad y en la parte inferior de la viga.
(a) (b)
Figura 3- 38. Simulación numérica VGA de concreto reforzado. (a) Distribución de esfuerzos cortantes
en el plano XY. Solución nodal. (b) Distribución de esfuerzos cortantes en el plano XY. Solución
elemental.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
En la Figura 3-38, se presenta la distribución de esfuerzos por cortante para la solución nodal
y la solución elemental con magnitudes que se encuentran entre: -6078.65 kPa, 6471.56 kPa
y -6781.00 kPa, 7117.47 kPa respectivamente.
(a) (b)
Figura 3- 39. Simulación numérica VGA de concreto reforzado. (a) Esfuerzo principales Solución
Nodal, (b) Esfuerzo principales Solución Elemental.
La magnitud en la distribución de esfuerzos principales se ve reflejado en (a) 0.00 kPa y
10338.90 kPa para la solución nodal y en (b) 0.00 kPa y 10354.10 kPa para la solución
elemental.
(a) (b)
Figura 3- 40. Simulación numérica VGA de concreto reforzado. (a) Esfuerzo principales Solución
Nodal, (b) Esfuerzo principales Solución Elemental.
La magnitud en la distribución de esfuerzos principales se ve reflejado en (a) -22282.50
kPa y 0.00 kPa para la solución nodal y en (b) -37290.30 kPa y 0.00 kPa para la solución
elemental.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
(a) (b)
Figura 3- 41. Simulación numérica VGA de concreto reforzado. (a) Componente de fuerza en X.
Solución elemental (b) Componente de fuerza en X. Solución elemental.
El rango de valores para la componente de fuerza en X, presenta una magnitud entre -322.60
kPa y 322.90 kPa.
(a) (b)
Figura 3- 42. Simulación numérica VGA de concreto reforzado. (a) Componente de fuerza en Y.
Solución elemental (b) Componente de fuerza en Y. Solución elemental.
El rango de valores para la componente de fuerza en Y, presenta una magnitud en (a) entre
-354.760 kPa y 323.58 kPa en la solución elemental del concreto reforzado y en (b) entre
-15.00 kPa y 15.00 kPa en la solución elemental de las barras de acero.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
3.7. Comparación de esfuerzos por cortante y
esfuerzos principales en la VGA.
Figura 3- 43. Generación de Grietas por esfuerzo cortante.
El esfuerzo máximo que puede soportar el concreto a tensión, está entre 0.10 y 0.20 de
El esfuerzo máximo que puede soportar el concreto a cortante, está entre 0.20 y 0.75 de
(Ensayo de corte directo).
(a) (b)
Figura 3- 44. Definición de geometrías en la VGA. (a) Geometría VGA de concreto simple. (b)
Geometría VGA de concreto reforzado.
La Figura 3-44 representa la geometría empleada en la VGA, en (a) se muestra la viga como
material homogéneo de concreto simple y en (b) la viga de concreto reforzado con material
ortótropo donde se muestra el reticulado obtenido con el modelo puntal-tensor MPT.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
(a) (b)
Figura 3- 45. Mallado con elementos finitos de la VGA. (a) Mallado de la VGA de concreto simple. (b)
Mallado de la VGA de concreto reforzado.
La Figura 3-45 ilustra la discretización de la VGA de concreto simple como la de concreto
reforzado. En (a) se generó la malla con el elemento finito PlANE182 tanto para el concreto
simple como para las platinas metálicas con una longitud promedio de 0.05m y una constante
real de 0.35 m. En (b) se generó la malla con dos elementos finitos: PLANE182 para el
concreto y platinas metálicas con una constante real de 0.35m que corresponde al ancho de la
viga, y el elemento finito LINK180 para representar las barras de refuerzo con diferentes
constantes reales que definen las cuantías de acero en cada una de las líneas que representa el
reticulado obtenido con el MPT.
(a) (b)
Figura 3- 46. Trayectorias de esfuerzos principales en la VGA. (a) Trayectoria de esfuerzos en la VGA
de concreto simple. (b) Trayectoria de esfuerzos en la VGA de concreto reforzado.
Las trayectorias de esfuerzos principales en la VGA de concreto simple representadas en
color azul, muestran una tendencia directa desde el punto de aplicación de la carga y el punto
de apoyo más cercano (puntal en forma de botella). El campo de esfuerzos en (a) es más
angosto debido a que no existe ninguna restricción que impida el camino directo de esfuerzos
entre los dos puntos acción.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Las trayectorias de esfuerzos principales en la VGA de concreto reforzado (b), muestra un
campo más amplio de esfuerzos debido a las restricciones que genera la disposición del
refuerzo entre el punto de carga y el apoyo. Así mismo, se reduce la intensidad del esfuerzo
por compresión en el concreto entre los puntos de aplicación de las cargas (puntal en forma
prismática).
Las trayectorias de esfuerzos principales en la VGA de concreto reforzado representadas
en color negro, presentan una menor intensidad de esfuerzos entre apoyos (tensor), debido a
que gran parte lo absorbe el acero de refuerzo reduciendo las tensiones en el concreto.
(a) (b)
Figura 3- 47. Deformada de la VGA. (a) Desplazamiento máximo de la VGA de concreto simple. (b)
Desplazamiento máximo de la VGA de concreto reforzado.
El desplazamiento máximo que presenta la viga de concreto simple es de 0.002765m
(2.77mm), y el desplazamiento de la viga de concreto reforzado corresponde a 0.002274m
(2.27mm).
(a) (b)
Figura 3- 48. Componente de esfuerzos en X de la VGA. (a) Componente de esfuerzos de la VGA de
concreto simple. (b) Componente de esfuerzos de la VGA de concreto reforzado.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
La magnitud de esfuerzos en dirección X de la VGA de concreto simple se encuentra entre
-22443.50 kPa y 13653.40 kPa, y la magnitud de esfuerzos de la VGA de concreto reforzada
con menor rango entre -16831.70 kPa y 10338.80 kPa.
(a) (b)
Figura 3- 49. Componente de esfuerzos en Y de la VGA. (a) Componente de esfuerzos de la VGA de
concreto simple. (b) Componente de esfuerzos de la VGA de concreto reforzado.
La magnitud de esfuerzos en dirección Y de la VGA de concreto simple se encuentra entre
-21674.20 kPa y 1768.10 kPa, y la magnitud de esfuerzos de la VGA de concreto reforzada
entre -22180.10 kPa y 1705.61 kPa.
(a) (b)
Figura 3- 50. Distribución de esfuerzos cortantes en el plano XY de la VGA. (a) Esfuerzos cortantes en
la VGA de concreto simple. (b) Esfuerzos cortantes en la VGA de concreto reforzado.
La magnitud de los esfuerzos cortantes en el plano XY de la VGA de concreto simple se
encuentra en un rango de -7751.26 kPa a 7751.26 kPa, y la magnitud de esfuerzos cortantes
de la VGA de concreto reforzado entre -6076.65 kPa y 6476.56 kPa. Se reduce
sustancialmente los esfuerzos por cortante bajo el estado de carga de la VGA de concreto
reforzada.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
(a) (b)
Figura 3- 51. Distribución de esfuerzos principales en la VGA. (a) Esfuerzos principales en la
VGA de concreto simple. (b) Esfuerzos principales en la VGA de concreto reforzado.
La magnitud del esfuerzo principal en la VGA de concreto simple alcanza un valor máximo
de tensión igual a 13653.40 kPa y la magnitud del esfuerzo principal de la VGA de
concreto reforzado un valor máximo de 10338.90 kPa reduciendo las tensiones en el
concreto.
(a) (b)
Figura 3- 52. Distribución de esfuerzos principales en la VGA. (a) Esfuerzos principales en la
VGA de concreto simple. (b) Esfuerzos principales en la VGA de concreto reforzado.
La magnitud del esfuerzo principal en la VGA de concreto simple alcanza un valor máximo
de compresión igual a -22627.60 kPa y la magnitud del esfuerzo principal de la VGA de
concreto reforzado un valor máximo de -22282.50 kPa reduciendo en un mínimo las
compresiones en el concreto.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
(a) (b)
Figura 3- 53. Componente de fuerzas en X de la VGA. (a) Componente de fuerzas de la VGA de
concreto simple. (b) Componente de fuerzas de la VGA de concreto reforzado.
La magnitud de fuerzas en dirección X de la VGA de concreto simple se encuentra entre
-232.10 kPa y 232.10 kPa, y la magnitud de fuerzas de la VGA de concreto reforzada con
mayor rango entre -322.60 kPa y 322.60 kPa.
(a) (b)
Figura 3- 54. Componente de fuerzas en Y de la VGA. (a) Componente de fuerzas de la VGA de
concreto simple. (b) Componente de fuerzas de la VGA de concreto reforzado.
La magnitud de fuerzas en dirección Y de la VGA de concreto simple se encuentra entre
-196.52 kPa y 193.32 kPa, y la magnitud de fuerzas de la VGA de concreto reforzado con
mayor rango entre -354.70 kPa y 323.58 kPa.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Capítulo 4.
4. Conclusiones,
Recomendaciones y
Trabajos Futuros.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
4.1. Conclusiones
Las trayectorias de esfuerzos principales generadas por el programa comercial de EF
ANSYS® se aprecian muy similares a las generadas por RAM ADVANSE (MORALES,
2007) tal como era de esperarse. Lo anterior, permite realizar la comparación de los
esfuerzo principales generados por ANSYS® y el planteado en los ejemplos de diseño
con modelos Puntal-Tensor (MPT).
En la elección de las dimensiones del modelo Puntal-Tensor se debe tener en cuenta
los anchos asignados a los tensores, ya que se trata de un proceso que requiere
tanteos por lo que no es conveniente iniciar el cálculo con anchos muy pequeños. El
utilizar anchos mayores a los necesarios conduce a armaduras un poco mayores que
las estrictamente necesarias.
La elección del MPT en la viga de gran altura con modelo de transferencia directa de
carga, no presenta armaduras verticales de alma, por lo que esta solución controlará la
fisuración diagonal sólo a través de la cuantía mínima de armadura.
En la viga de concreto simple, la magnitud de los esfuerzos principales deducidas
del cálculo analítico por el MPT, están dentro de los rangos obtenidos por el análisis
numérico con elementos finitos; con lo cual se confirma la representación planteada
de los tensores en la viga de gran altura tanto para el modelo de transferencia directa
de carga, como para el modelo con armadura vertical.
La herramienta computacional por el MEF, nos da claridad en la distribución de los
esfuerzos principales y y el MPT escoge las zonas con mayor magnitud de
esfuerzos para definir los puntales y tensores; ya sea en forma de botella o
prismáticos, que mejor soporten las solicitaciones generadas por las cargas.
Las trayectorias de esfuerzos principales en la viga de concreto reforzado de gran
altura, presenta un campo de esfuerzos mayor que la viga de concreto simple. Esto se
debe a la presencia y disposición del acero de refuerzo desde el punto de carga hasta
el apoyo más cercano. Lo anterior hace que la viga presente mayor fluencia ante las
solicitaciones exigidas.
De acuerdo a la deformada, la diferencia con el desplazamiento máximo de la VGA de
concreto simple y de concreto reforzado, corresponde a 0.5mm que es un valor
mínimo ya que la deflexión máxima que puede presentar la viga teniendo en cuenta la
sección, módulo de elasticidad, inercia y carga es de 0.0021m (2.1mm) calculada
analíticamente.
La componente de esfuerzo normal en dirección X de la VGA de concreto reforzado, se
reduce aproximadamente en un 25%; tanto en zonas de compresión como en zonas de
tensión, en comparación con la VGA de concreto simple debido a que el elemento
estructural reforzado es más rígido. La componente de esfuerzo normal en dirección Y
de la VGA de concreto reforzado, aumenta en un 2.28% en la zonas de máxima
compresión y se reduce en un 3.53% en las zonas de máxima tensión.
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Los esfuerzos cortantes en el plano XY de la VGA de concreto reforzado, se reduce en
un valor máximo negativo de 21.6% y en un valor máximo positivo de 16.51%
aumentando gráficamente su bulbo de esfuerzos debido a la distribución de refuerzos
cortantes en el puntal con forma de botella.
Los esfuerzos principales de la VGA de concreto reforzado, se reducen en un
24.28% en comparación con la VGA de concreto simple; las tensiones en el concreto se
reducen gracias al aporte del acero de refuerzo. Los esfuerzos principales de la VGA
de concreto reforzado, se reducen en un mínimo de 1.53% en comparación con la VGA
de concreto simple; las compresiones se mantienen casi estables.
4.2. Recomendaciones
Se recomienda ajustar el modelo con elementos finitos; de tal forma que pueda
representarse mejor el refuerzo en una condición real y poder obtener los esfuerzos
principales en cada elemento tipo LINK.
4.3. Trabajos Futuros
A continuación se presentan algunas propuestas para futuras líneas de estudio de acuerdo con
lo desarrollado en este trabajo final de Especialización.
Elaborar un modelo en 3-D con elementos finitos que representen mejor la condición
de esfuerzos en sus tres direcciones a partir del modelo puntal-tensor (MPT).
Estudiar el comienzo de la fisuración y la capacidad máxima de carga en este tipo de
elementos estructurales con el método de los elementos finitos (MEF). Y finalmente
Validar y/o verificar los resultados anteriores con un modelo físico que represente
mejor la condición real del elemento estructural. (Estudio experimental).
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los elementos finitos y el modelo puntal – tensor.
Referencias
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