¿Cuál es la diferencia entre una viga RCC sobre reforzada y debajo reforzada y, además, cuáles son los efectos de usar más acero del requerido en un miembro estructural?

Una viga de hormigón armado está hecha de hormigón y acero de refuerzo. El concreto solo puede transportar compresión, y cuando el esfuerzo de compresión excede el límite elástico del concreto, falla por aplastamiento (falla frágil). El acero de refuerzo conlleva tensión y cuando el esfuerzo de tensión en la viga excede el límite elástico del acero, falla de manera dúctil, por lo tanto, se pueden observar tensiones muy grandes con un pequeño aumento en el esfuerzo.

Ahora la falla en una viga puede ocurrir de 3 maneras.

1. Fracaso reforzado

Esto ocurre cuando el concreto alcanza su límite elástico antes que el acero. La viga fallará por aplastamiento y la falla será repentina.

2. Fracaso equilibrado

Esto ocurre cuando tanto el concreto como el acero alcanzan sus respectivos esfuerzos de fluencia simultáneamente. La falla probablemente será frágil.

3. Bajo falla reforzada

Esto ocurre cuando el acero alcanza su límite elástico antes que el concreto. Esta falla se caracteriza por una desviación excesiva de la viga y la formación de grandes grietas.

En el diseño, siempre deseamos que las vigas fallen en este modo porque los ocupantes del edificio tendrán tiempo suficiente para evacuar, minimizando la pérdida de vidas y propiedades.

Sobre el efecto de usar más refuerzo del requerido,

1. Agrega un costo adicional sin beneficios estructurales, por lo tanto, no es deseable.
2. Reduce la unión entre el refuerzo y el hormigón, debilitando el miembro estructural.
3. Puede conducir al hacinamiento del refuerzo, y algunos agregados y dispositivos de compactación pueden no pasar entre las barras.

Una viga sobre-reforzada sufrirá una falla frágil ya que el concreto fallará primero (desafortunadamente, el concreto es un material frágil). Este es un modo de falla altamente indeseable, ya que no da una alarma ni tiempo suficiente para que las personas escapen antes de su falla.

Por otro lado, una viga sub-reforzada sufre una falla dúctil ya que el acero cederá primero. Este es un modo preferido de falla, ya que da suficiente tiempo antes de su falla real.

Un buen ingeniero estructural entiende que poner demasiado acero puede hacer que una viga se refuerce demasiado, lo que en realidad no es seguro. De hecho, todos los códigos requieren que las vigas estén sub-reforzadas al poner una provisión de deformación mínima en el acero en el estado límite, que es mayor que su deformación de fluencia.

Piense en lo que sucede cuando la viga alcanza su máxima capacidad de flexión, es decir, el punto en el que falla en la flexión. Piense en qué consisten los modos de falla en la flexión. La flexión crea una pareja, que es una fuerza de compresión y una fuerza de tensión separadas por un brazo de palanca. La falla en la flexión significa que una o ambas de estas fuerzas han alcanzado su límite. Si es el refuerzo de acero, cederá. Si es el concreto, fallará en la compresión. Una viga sobre reforzada tendrá tanto acero que el concreto falla en la compresión antes de que el acero alcance el límite. Este modo de falla será repentino y sin previo aviso. La viga estará bien hasta el punto en que alcance su límite final, y luego la zona de compresión de concreto fallará en la compresión. Una viga reforzada fallará al ceder el acero. En este modo de falla, el concreto no fallará, tiene mucho más que dar, pero el acero cede. Se prefiere este tipo de falla en última instancia, ya que generalmente se acompaña de grandes desviaciones, es decir, el acero se estira antes de que alcance el rendimiento.

En realidad es bastante simple. Sobre reforzado (OR) significa que tiene más refuerzo (en este caso, barras de acero) en la viga de lo requerido. Bajo reforzado (UR) significa que hay menos acero del requerido. Ahora es habitual y obligatorio por los requisitos de seguridad siempre para diseñar la viga UR siempre que estén dentro del rango de FoS deseado. La razón detrás es que en el acero UR falla antes que el concreto, mientras que en OR es al revés. Dado que en el hormigón OR falla antes que el acero, existe un muy buen riesgo de toda la estructura se desmorona sin señales de advertencia y, por lo tanto, representa una amenaza para la vida. Pero en el caso de UR, incluso si el acero falla, el concreto mantendría la estructura unida (siempre que FoS esté satisfecho) durante un tiempo considerable antes de fallar por completo dando suficientes señales de advertencia y tiempo suficiente para la reparación. Es por eso que generalmente se prefiere UR.

El momento de resistencia de las vigas de hormigón armado se calcula en función de los siguientes supuestos:

1. Las secciones planas permanecen planas en flexión hasta el punto de falla. Esto significa que las deformaciones son proporcionales a la distancia desde el eje neural.

2. Se supone que se alcanzó el estado límite último de falla de flexión cuando la deformación en el concreto en la fibra de compresión de flexión extrema alcanza 0.0035.

Fig: Diagrama de deformación de una sección de viga; (a) Sección, (b) Diagrama de deformación

3. La distribución de la tensión a través de la cara de compresión corresponderá al diagrama de tensión-deformación para el concreto en compresión.

4. La resistencia a la tracción del concreto se descuida ya que se supone que la sección está agrietada hasta el eje neutro.

5. La tensión en el acero corresponderá a la tensión correspondiente en el acero.

Como se indica en el supuesto 2 anterior, se supone que la sección de concreto reforzado en flexión falla cuando la deformación por compresión en el concreto alcanza la deformación por falla en la compresión por flexión igual a 0.0035. Las secciones de viga de hormigón armado en las que el acero de tensión también alcanza la deformación de fluencia simultáneamente a medida que el hormigón alcanza la deformación de falla en la flexión se denominan secciones equilibradas.

Las secciones de viga de hormigón armado en las que el acero alcanza la tensión de fluencia a cargas inferiores a la carga a la que el hormigón alcanza la tensión de falla se denominan secciones sub-reforzadas. Cada viga reforzada individualmente debe diseñarse como secciones sub-reforzadas porque esta sección da suficiente advertencia antes de fallar. Ceder el acero en la sección no significa que la estructura haya fallado, ya que cuando el acero cede, se producirá una desviación excesiva y grietas en la viga antes de la falla, lo que da suficiente tiempo a los ocupantes para escapar antes de que la sección falle. La falla en la sección sub-reforzada se debe a que el concreto alcanza su deformación de falla final de 0.0035 antes de que el acero alcance su deformación de falla, que es mucho más alta de 0.20 a 0.25.

Las secciones de viga de hormigón armado en las que la deformación por falla en el concreto se alcanza antes de que se alcance la deformación por fluencia del acero, se denominan secciones sobre-reforzadas. Si dicha viga está diseñada y cargada a plena capacidad, entonces el acero en la zona de tensión no cederá mucho antes de que el concreto alcance su esfuerzo final de 0.0035. Esto debido al poco rendimiento del acero, la deflexión y el agrietamiento de la viga no ocurren y no dan suficiente advertencia antes de la falla. Las fallas en tales secciones son de repente. Este tipo de diseño no se recomienda en la práctica del diseño de vigas.

1. A medida que la tensión de compresión en la fibra superior aumenta y llega al máximo, la deformación en la zona de compresión de la viga continúa sin ofrecer un aumento proporcional en la fuerza de compresión. El diagrama de tensiones en la zona de compresión se curva y la deformación plástica ocurre con un aumento adicional en la carga, lo que hace que la fibra de compresión ceda plásticamente, lo que lleva a la falla de la viga en la compresión. No habrá grietas aparentes en la viga y el concreto es frágil, la falla es repentina. Tal falla se conoce como falla de compresión y ocurre cuando la viga está sobre reforzada.
2. Mientras que en el caso de una viga reforzada, se produce una gran deformación plástica del acero a tensión, lo que hace que el NA se desplace hacia arriba. Esto da como resultado una zona de compresión reducida y una tensión de compresión aumentada para mantener el equilibrio. Esto causa el aplastamiento del concreto en la zona de compresión acompañado de agrietamiento y desviación excesiva en la viga. Tal falla se puede detectar a tiempo y la falla es dúctil porque el acero es material dúctil.

En el haz URB, Xu (distancia del eje neutro desde la superficie superior del haz) es menor que Xumax (distancia máxima permitida del eje neutro desde la superficie superior del haz) y en ORB Xu es más que Xumax.
Si la tensión del acero y la deformación por deformación del concreto alcanzan simultáneamente la deformación por falla en la flexión de la viga, entonces la viga está reforzada equilibrada (Xu = Xumax).
Ahora, en URB, el acero alcanza la tensión de fluencia a cargas más bajas que el concreto, alcanza la tensión de falla, es decir; se forman grandes desviaciones y grietas en las vigas (pero la estructura aún no ha fallado). La falla se debe a que el concreto alcanza su deformación de falla final 0.0035 antes de que el acero alcance su deformación de falla.
En ORB, el consumo de acero es grande y, por lo tanto, el rendimiento del acero en comparación con el rendimiento del hormigón será muy lento. Como resultado, el concreto falla sin sufrir mucha desviación y puede ser dañino (ya que no lo veremos venir).

Efectos del uso de más acero del requerido:
1.Puede conducir a la formación de una sección sobre reforzada (si es Ast (área de acero) si es más grande de lo calculado)
2. Aumento de la carga muerta de la sección (la densidad del acero es alta).
3. Si se aumenta la carga muerta, la construcción de la base puede variar.
4. Usar más acero será más costoso que usar la cantidad requerida de este.

Durante la falla, si el acero provisto en el diseño excede la cantidad esperada, la falla en el concreto hace que la falla sea frágil. La desviación observada es muy menor y la falla es repentina. Contrariamente a lo anterior, se proporciona menos acero en caso de que la falla sea de tipo dúctil ya que el patrón de falla ocurre con una gran desviación que es notable.

Un haz RCC sobre reforzado hará el trabajo necesario con fuerza de sobra si alguna vez surge la necesidad. Una viga RCC sub-reforzada desviará e inducirá una tensión indebida en la viga y otros miembros y revestimientos. Entonces, el medio correcto es diseñar con acero adecuado para hacer el trabajo requerido. Después de haber diseñado adecuadamente, todavía hay un margen de seguridad más allá de ese margen que lo protege en caso de que se imponga un exceso de carga razonable. Entonces, la respuesta es que no tiene que reforzar demasiado con más acero del requerido en la viga.

Con respecto a su primera pregunta, la diferencia está en la cantidad de acero que se ha utilizado. En vigas reforzadas por debajo, la cantidad de acero en la viga es menor que la sección equilibrada, que incluye las cantidades requeridas para sostener las cargas diseñadas, y la viga reforzada tiene más cantidades de acero que las secciones equilibradas.

Con respecto a su segunda pregunta, los códigos no lo permiten, ya que reduciría la flexibilidad del miembro y no da advertencia antes del fallo, por lo que podría colapsar repentinamente y sin que usted lo sepa.

BAJO REFORZADO

Si el acero alcanza la capacidad máxima y falla primero que el concreto, lo llamamos como bajo reforzado

SOBRE REFORZADO

Si el concreto alcanza la capacidad máxima y falla primero que el acero, lo llamamos como sobrereforzado

EQUILIBRADO

Si el acero y el concreto alcanzan la capacidad máxima y fallan al mismo tiempo, lo llamamos EQUILIBRADO

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EQUILIBRIO, BAJO SECCIÓN REFORZADA, SOBRE REFORZADA