Refuerzo de piel

Guías de diseño

Introducción

El ACI 318 modificó el criterio para determinar el refuerzo de piel en vigas de gran tamaño. Hoy día, todavía se utilizan tablas con una que distribución que no corresponde con lo establecido en las normas actuales. En este trabajo se pretende obtener, acorde con el ACI 318 – 14 nuevas tablas para definir el número de barras requeridas en cada cara de las vigas de alturas mayores de 36 pulgadas. Además, se pretende dar algunos criterios para seleccionar el diámetro de las barras de piel, que bajo este nuevo criterio el calculista es quien tiene que definirlo.

Refuerzo de piel. Necesidad de uso

El origen de las vigas de concreto armado se debe a la insuficiente capacidad del concreto de resistir tracciones. Se sabe que la resistencia a tracción es del orden de 10 a 15 % de la resistencia a compresión. El refuerzo de acero colocado en la zona traccionada del concreto tiene la función de suplir esta deficiencia y por lo tanto, siempre habrá fisuras del concreto en esa zona. Las fisuras no se pueden evitar, lo importante es lograr que no se produzca una sola fisura grande, sino hacer que estas sean más numerosas y de menor abertura cada una de ellas. El código da regulaciones de espaciamientos mínimos y máximos, cuantía mínima, recubrimientos, etc. que hacen que las fisuras a nivel del refuerzo principal estén dentro de las regulaciones establecidas. Sin embargo, cuando los elementos vigas tienen mucho peralto, se originan alteraciones a las fisuras que dan lugar al llamado refuerzo de piel, lo cual será el objetivo principal de este trabajo. El refuerzo longitudinal al deformarse conjuntamente con el concreto limita el ancho de la fisura al nivel donde se localiza el refuerzo. Ahora bien, la fisura se extiende desde el borde traccionado hasta muy cercano al eje neutro y dentro de esta zona la fisura muestra una abertura mayor que la que ocurre a nivel del acero de flexión, especialmente en vigas con alturas mayores de 36 pulgadas. En la Fig. 1 se muestra una de las posibles fisuras con la configuración que adquiere en su altura y en la Fig. 2 la misma fisura cuando se le coloca el refuerzo de piel en ambas caras de la viga.    

  El llamado refuerzo de piel, no son más que barras colocadas horizontalmente a espaciamientos iguales, que evitan que las fisuras se abran más allá de lo que el refuerzo a flexión permite. La distribución de la fisura quedaría tal cual se indica en la Fig. 2. La norma establece que la colocación del refuerzo de piel se necesita en vigas con un peralto mayor de 36 pulgadas e indica que solamente se requiere en las zonas traccionadas, es decir, en la zona inferior central de vigas simples y en la zona inferior central y zona superior en los apoyos en vigas continuas.   En la Fig. 3 se indican las diferentes zonas donde es teóricamente necesario el refuerzo de piel.   Teniendo en cuenta que las áreas de las diferentes zonas, así como las longitudes de anclaje requeridas, prácticamente se cubre la totalidad del área de la viga, por tanto, es práctica común extender las zonas y cubrir toda la altura de la viga y toda la longitud de la misma, tanto en vigas simples como continuas para facilitar el diseño y la ejecución.   Fig. 3 Distribución de las fisuras en flexión. Zonas donde se requiere refuerzo de piel.   El código aclara que este refuerzo de piel puede ser incluido en el diseño estructural de la viga siempre que se considere el análisis de compatibilidad de deformaciones. Sin embargo, no es nada fácil hacer los cálculos bajo esta condición para utilizar el refuerzo de piel en el diseño estructural a flexión. Ahora bien, es razonable poder utilizar este refuerzo como parte del refuerzo debido a la torsión, a la flexión horizontal debido al viento u otras causas. Por ejemplo, en elementos sometidos a torsión, se puede considerar este refuerzo como la parte de acero longitudinal que debe colocarse en las caras laterales de la viga. Más adelante se estudiará la posibilidad de utilizar este refuerzo en los casos señalados.  

Distribución del refuerzo de flexión por fisuración en vigas

El nuevo criterio del código para la distribución del refuerzo de piel es aplicar el análisis de la fisuración en vigas y losas en una dirección para el refuerzo a tracción, en las caras laterales de las vigas de gran altura. El refuerzo en tracción por flexión debe estar distribuido adecuadamente para controlar la fisuración. Cuando las cargas de servicio llevan a esfuerzos altos, deben esperarse fisuras visibles y deben tomarse precauciones para controlar la fisuración. (ACI 318 – 14 Section 24.3.1). Este concepto se aplica ahora al refuerzo de piel. El espaciamiento máximo del refuerzo adherido en vigas para barras o alambres corrugados deben cumplir con lo establecido en la Tabla 24.3.2   .                .                  s ≤ 15 • in • ((40000 • psi)/ƒs) – 2.5 • Cc ≤ 12 • in • ((40000 • psi)/ƒs) si fy = 60000 psi                asumiendo que fs = (2/3)fy = 40000 psi, se tiene: .                .                .                         s ≤ 15 • in – 2.5 • Cc ≤ 12 • in donde Cc = Cover + φv siendo        s = espaciamiento máximo del refuerzo de piel .                 fs = tensión en el refuerzo de piel bajo cargas de servicio, Se permite considerar que fs = (2/3)fy. .                 Cc = Recubrimiento neto desde el refuerzo de piel hasta el borde de la sección de concreto. .                 Cover = Recubrimiento neto desde el estribo hasta el borde de la sección de concreto. .                 Φv = diámetro de estribo.   Es importante aclarar que en la aplicación de esta fórmula se está haciendo con una simplificación admitida por la norma, que consiste en suponer que la tensión del refuerzo es constante e igual a fs = (2/3)fy. Realmente las barras se van separando del borde, las tensiones fs deben disminuir y el espaciamiento del refuerzo de piel debería ir aumentando. No obstante, se acepta que el espaciamiento sea uniforme, lo que conlleva a una simplificación en el cálculo y una mayor facilidad en la ejecución.   En la Fig. 4 se muestra la sección y toda la nomenclatura anterior. Se asume que el refuerzo de piel cubre toda la altura de la viga con espaciamiento uniforme.

Fig, 4 Sección transversal con el refuerzo de piel y la nomenclatura utilizada.  

Ayudas de diseño

Evaluando la ecuación de s para los diferentes Cc que resultan de la combinación del recubrimiento neto más el diámetro del refuerzo del estribo, se obtienen tres Tablas que permiten calcular rápidamente la cantidad de barras de piel para cada cara de la viga y el espaciamiento máximo de las mismas. En las tablas que se adjuntan en el sitio AYUDA DE DISEÑO. REFUERZO DE PIEL para diámetros de los estribos de 3/8, 1/2 y 5/8 de pulgada y para los recubrimientos al estribo en vigas de 1 1/2, 2 y 3 pulgadas.

Selección del diámetro del refuerzo de la piel

El código deja explícito que los diámetros de las barras de piel no intervienen en la determinación del espaciamiento de este refuerzo. El propio código sugiere que los diámetros pueden ser del #3, #4 y #5. Sin embargo, si se utilizan estructuralmente se pueden considerar diámetros mayores sin que se alteren los espaciamientos dados. Además, se indica que dicho refuerzo de piel puede ser utilizado como parte del diseño estructural, siempre que se haga un análisis de compatibilidad de deformaciones. Ya se comentó que este análisis complica en extremo los cálculos y se darán algunas indicaciones que nos permitan seleccionar el diámetro de las barras de piel sin que sea necesario recurrir a cálculos engorrosos.   Caso 1. Cuando la torsión requiere de refuerzo longitudinal. En este caso, el refuerzo longitudinal por torsión Al se divide en cuatro partes. Cada cara lateral requerirá Al/4, por lo que se tiene:   Areq := ((Al/4)/No. bars)   con lo cual se define el diámetro del refuerzo de piel en cada cara. Si fuera mayor que la barra #5, se podrá incrementar el diámetro de la barra con el mismo espaciamiento o aumentar el número de las barras a cumplir con el área total requerida y disminuir el espaciamiento.   Caso 2. Cuando es una viga de borde sometida a flexión lateral   En este caso, además de la posibilidad de tener torsión, la viga puede estar sometida a flexión lateral debido a cargas de viento en las paredes. Cuando no existe losa a ese nivel, la carga lateral genera flexión y, por tanto, requiere refuerzo en ambas caras debido a que el viento puede actuar en los dos sentidos, es decir, presión positiva o succión. El refuerzo calculado para la condición extrema Al se distribuye en su totalidad entre el número de barras de una cara, luego:   Areq := (Al/No. bars)   con lo cual se define el diámetro del refuerzo de piel en cada cara. Si fuera mayor que la barra #5, se podrá incrementar el diámetro de la barra con el mismo espaciamiento o aumentar el número de las barras a cumplir con el área total requerida y disminuir el espaciamiento.   Caso 3. Cuando es una viga de borde sometida tensión por efecto del diafragma horizontal.   El efecto de un diafragma horizontal puede generar en una viga de borde tensiones longitudinales tales que se requiera cierta cantidad de refuerzo total Al, tal como en el caso del refuerzo longitudinal debido a la torsión. Cuando se obtiene el refuerzo debido al efecto de diafragma como tensor de una cuerda inferior de una armadura, Al, se procede de la misma forma que en la torsión, se divide entre 4 y se coloca en cada cara. De ahí se obtiene el diámetro necesario o el incremento que sea necesario, de la misma forma del Caso 1   Caso 4. Otras situaciones   Existen muchas situaciones donde el refuerzo de piel puede ser elegido para cubrir con tales barras problemas de diseño estructural. Entre ellos se puede citar, por ejemplo, el efecto de cargas concentradas horizontales debido al soporte de aleros metálicos (canopy), efecto de viento en vigas de escaleras, viga de cierre superior en parapetos altos, etc. En todos estos casos el procedimiento es el mismo, obtener el refuerzo requerido y distribuirlo en el número de barras de piel a cada lado de la viga.  

Conclusiones y recomendaciones

• a) Por suerte, las vigas con peralto mayor de 36″ no son tan frecuentes y se puede considerar que el refuerzo de piel no se necesita para otras funciones estructurales.

  Salvo casos excepcionales, este refuerzo de piel no requiere ser considerado en el análisis a flexión de la viga. Una modificación después de construida la viga, un cambio de cargas u otra situación de emergencia pudiera necesitar de un análisis más complejo. Manualmente, resulta un diseño en que requiere de un proceso de tanteos (prueba y error) para llegar a obtener la capacidad de la sección. Cuando sea necesario, recomendamos hacer los cálculos considerando la sección de la viga como si fuera el de una columna sin esbeltez. Los programas permiten localizar las barras superiores e inferiores, así como el refuerzo de piel, de modo que a la columna se le aplica una carga Pu (cualquier valor pequeño) ya que no interviene en el cálculo. Obtenido el diagrama de interacción, la capacidad máxima de la viga será el valor de Mu para Pu = 0, tiene en cuenta todas las barras de piel, incluidas las barras comprimidas.  

• b) En el caso de que el refuerzo no se considere estructural, el empalme del refuerzo de piel debe ser localizado fuera de las zonas traccionadas.
• c) Cuando se presente el pase de un conducto de aire acondicionado u otra razón, este refuerzo de piel puede ser interrumpido siempre que sea en las zonas comprimidas.
• d) En el caso de vigas-pared (vigas de gran canto) debe predominar el refuerzo horizontal mínimo establecido para estos casos. No obstante, es conveniente comprobar que el refuerzo de piel es inferior, si no lo es, utilizar este último.

  Hasta aquí este trabajo, muchas gracias por su atención. Si usted ha tenido experiencias con lo indicado en este trabajo, por favor coméntelo conmigo para incluirlo como parte de las conclusiones. Además, me gustaría saber si las tablas le resultan de ayuda en el diseño o necesita otra información.

SKIN REINFORCEMENT
No. of bars on each face for the range of h indicated. COVER = 1 1/2″
Max. Esp.	10 1/4″	10″	9 5/8″
No. of bars	Tie Diam. 3/8″	Tie Diam. 1/2″	Tie Diam. 5/8″
3	36″ < h ≤ 45″	36″ < h ≤ 44″	36″ < h ≤ 43″
4	45″ < h ≤ 56″	44″ < h ≤ 54″	43″ < h ≤ 53″
5	56″ < h ≤ 67″	54″ < h ≤ 64″	53″ < h ≤ 63″
6	67″ < h ≤ 76″	64″ < h ≤ 74″	63″ < h ≤ 72″
7	76″ < h ≤ 86″	74″ < h ≤ 84″	72″ < h ≤ 82″
8	86″ < h ≤ 96″	84″ < h ≤ 94″	82″ < h ≤ 92″

 

SKIN REINFORCEMENT
No. of bars on each face for the range of h indicated. COVER = 2″
Max. Esp.	9″	8 3/4″	8 1/2″
No. of bars	Tie Diam. 3/8″	Tie Diam. 1/2″	Tie Diam. 5/8″
3	36″ < h ≤ 41″	36″ < h ≤ 40″	36″ < h ≤ 39″
4	41″ < h ≤ 50″	40″ < h ≤ 49″	39″ < h ≤ 48″
5	50″ < h ≤ 59″	49″ < h ≤ 58″	48″ < h ≤ 56″
6	59″ < h ≤ 68″	58″ < h ≤ 67″	56″ < h ≤ 65″
7	68″ < h ≤ 78″	67″ < h ≤ 75″	65″ < h ≤ 73″
8	78″ < h ≤ 86″	75″ < h ≤ 84″	73″ < h ≤ 82″

 

SKIN REINFORCEMENT
No. of bars on each face for the range of h indicated. COVER = 3″
Max. Esp.	6 1/2″	6 1/4″	6″
No. of bars	Tie Diam. 3/8″	Tie Diam. 1/2″	Tie Diam. 5/8″
3	36″ < h ≤ 40″	36″ < h ≤ 39″	36″ < h ≤ 37″
4	40″ < h ≤ 46″	39″ < h ≤ 45″	37″ < h ≤ 43″
5	46″ < h ≤ 53″	45″ < h ≤ 51″	43″ < h ≤ 49″
6	53″ < h ≤ 60″	51″ < h ≤ 57″	49″ < h ≤ 55″
7	60″ < h ≤ 66″	57″ < h ≤ 64″	55″ < h ≤ 61″
8	66″ < h ≤ 73″	64″ < h ≤ 70″	61″ < h ≤ 67″

    © 2021 Este artículo ha sido escrito por Ernesto Valdes y publicado por Eastern Engineering Group. Todos los derechos reservados.