Solicitaciones internas

Como ya se sabe de estructuras isostáticas y de estructuras hiperestáticas, las vigas de hormigón armado tienen en sus fibras solicitaciones de flexión y cortante principalmente.

Algo que no resultaba completamente claro es por qué los diagramas de flexión se dibujaban invertidos en el eje. Ese motivo se refleja en las vigas de hormigón armado, donde el diagrama de flexión se “bota” hacia la cara donde se debe reforzar el acero de vigas.

En la imagen a) se puede ver la viga con carga distribuida convencional. En b) se tiene el diagrama de fuerza cortante, cuyo análisis se realiza a más detalle en otro capítulo. en c) vemos el diagrama de momento flector invertido (signo – arriba) justamente para mostrar el propósito expuesto arriba. En d) se ve el acero en la viga en las caras donde el diagrama de momento flector figura en los distintos tramos. Si bien el acero no se corta exactamente en los puntos donde el momento se hace cero en los diagramas, esto se debe a conceptos de longitudes de desarrollo, explicados en otro artículo.

Es casi obvio que la cantidad de acero irá en directa proporción a la magnitud del momento flector en el punto de análisis.

Esfuerzos de flexión en vigas

Durante la carga de una viga de hormigón armado, se presentan diferentes fases de comportamiento de la viga. Estas fases se caracterisan por su comportamiento elástico, plástico, agrietado o no agrietado.

Fase elástica no agrietada

Durante esta etapa de carga de la viga, los esfuerzos de flexión son tan bajos que no producen grietas en las fibras de tracción de la viga. El hormigón puede resistir cierta tracción en las fibras inferiores del ejemplo, pero estos esfuerzos resistentes a tracción suelen ser muy bajos y están al rededor del 10 a 15% de la resistencia a compresión del hormigón. De hecho el esfuerzo de fractura del hormigón a tracción está dado por la fórmula fr=0.62(f’c)^0.5 donde f’c se introduce en [MPa]

Durante esta etapa, el acero que se coloque en la cara a tracción aportará poca resistencia en las fibras de tracción del hormigón, puesto que la resistencia a tracción del hormigón hace gran parte del trabajo de resistencia.

Fase elástica agrietada

Una vez que se han sobrepasado los esfuerzos de tracción en las fibras a tracción del hormigón, el acero comienza a jugar su rol más importante. La sección de hormigón se agrieta en los sectores de mayor momento flector (al centro de la viga) y el acero actua impidiendo el colapso de la viga. Si bien la sección de hormigón ya está agrietada, aun la sección a compresión del hormigón trabaja en el campo elástico. La grieta se cierra a la altura del eje neutro donde los esfuerzos a compresión comienzan a actuar.

Fase inicio de fase plástica

Cuando se sigue cargando la viga, los esfuerzos tanto en el concreto como en el acero comienzan a alejarse del rango elástico. En especial los esfuerzos de concreto comienzan a tomar forma parabólica. A la vez que va sucediendo esto, el eje neutro comienza a elevarse a partir del centroide de la sección transversal. Se sabe que el centroide de la sección transversal de una viga rectangular se encuentra al centro de la altura. Cuando los esfuerzos plásticos del hormigón comienzan a actuar, el eje neutro va desfasandose del centroide y subiendo hacia la fibra más comprimida. Esto sucede pues la viga comienza a necesitar más brazo para resistir el momento flector solicitante.

Estado límite último

En este punto la viga está en la frontera de falla. El hormigón y/o el acero estan en su límite de rotura o fluencia y la viga ya no es capaz de resistir más carga. Este es el punto donde se realizan todos los cálculos a resistencia de flexión, corte, axial o torsión en los elementos estructurales.

En esta fase de los esfuerzos pueden darse tres situaciones hipotéticas. 1) Tanto el hormigón como el acero fallan al mismo tiempo 2) el hormigón falla antes que el acero 3) El acero falla antes que el hormigón.

La situación de esfuerzos 1) no suele darse a menudo, o es más bien raro, pues sería muy poco probable que ambos materiales lleguen a la falla exactamente al mismo tiempo.

La situación 2) se presenta cuando el acero de refuerzo es tan grande, que el acero tiene aun mucho margen de fuerza resistente sobrante mientras el hormigón llega ya a sus esfuerzos de rotura. Este tipo de falla produce el colapso repentino de la viga sin previo aviso y con estallido del hormigón.

La situación 3) se da, como se puede deducir, cuando la sección de hormigón puede soportar una fuerza a compresión grande comparada con la fuerza resistente del acero. Esto se da cuando las barras de acero en la cara de tracción no son tan numerosas como en la situación 2). Este tipo de falla es la más recomendable y es la que se busca en caso de sobrecarga de la viga, ya que genera grandes deformaciones del acero antes del colapso de la viga. Estas deformaciones excesivas alertan al usuario a desalojar o descargar la estructura antes de su colapso.

Esfuerzos y deformaciones en vigas de hormigón Armado

Entendidos los conceptos previos, en el siguiente artículo se explicará como obtener los esfuerzos a partir de las deformaciones en vigas de hormigón armado

Enlace en: Esfuerzos y deformaciones en vigas de hormigón

autor: Marcelo Pardo

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