Diseno de Concreto Reforzado 8a Ed Mc Cormac PDF

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Diseño de Concreto reforzado Preliminares_McCormac-Brown.indd i 5/24/11 9:38 AM Preliminares_McCormac-Brown.indd ii 5/24/11 9:38 AM Diseño de Concreto reforzado Octava edición Edición 318-08 del Código ACI Jack C. McCormac Clemson University Russell H. Brown Clemson University DISEÑO DE CONCRETO RE...

Description

Diseño de Concreto reforzado

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Diseño de Concreto reforzado Octava edición Edición 318-08 del Código ACI

Jack C. McCormac Clemson University

Russell H. Brown Clemson University

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Traducción: Dr. Raúl Arrioja Juárez, UNAM Al cuidado de la edición: Luz Ángeles Lomelí Díaz [email protected] Gerente editorial: Marcelo Grillo Giannetto [email protected]

Datos catalográficos Mc Cormac, Jack y Brown, Russell Diseño de Concreto Reforzado Octava Edición con el Código ACI 318-08 Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México ISBN: 978-607-707-231-7 Formato: 20 x 25.5 cm

Páginas: 724

Diseño de Concreto Reforzado Jack C. Mc Cormac y Russell H. Brown ISBN: 978-0-470-27927-4 edición original en inglés “Design of Reinforced Concrete”, 8th Edition, ACI-318-08 Code edition, publicada por John Wiley & Sons, Inc. New Jersey, USA. Derechos reservados © John Wiley & Sons, Inc. Octava edición con el Código ACI 318-08, Alfaomega Grupo Editor, México, julio 2011 © 2011 Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V. Pitágoras 1139, Col. Del Valle, 03100, México D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro No. 2317 Pág. Web: http://www.alfaomega.com.mx E-mail: [email protected] ISBN: 978-607-707-231-7 Derechos reservados: Esta obra es propiedad intelectual de su autor y los derechos de publicación en lengua española han sido legalmente transferidos al editor. Prohibida su reproducción parcial o total por cualquier medio sin permiso por escrito del propietario de los derechos del copyright. Nota importante: La información contenida en esta obra tiene un fin exclusivamente didáctico y, por lo tanto, no está previsto su aprovechamiento a nivel profesional o industrial. Las indicaciones técnicas y programas incluidos, han sido elaborados con gran cuidado por el autor y reproducidos bajo estrictas normas de control. ALFAOMEGA GRUPO EDITOR, S.A. de C.V. no será jurídicamente responsable por: errores u omisiones; daños y perjuicios que se pudieran atribuir al uso de la información comprendida en este libro, ni por la utilización indebida que pudiera dársele. Edición autorizada para venta en todo el mundo. Impreso en México. Printed in Mexico. Empresas del grupo: México: Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V. – Pitágoras 1139, Col. Del Valle, México, D.F. – C.P. 03100. Tel.: (52-55) 5575-5022 – Fax: (52-55) 5575-2420 / 2490. Sin costo: 01-800-020-4396 E-mail: [email protected] Colombia: Alfaomega Colombiana S.A. – Carrera 15 No. 64 A 29, Bogotá, Colombia, Tel.: (57-1) 2100122 – Fax: (57-1) 6068648 – E-mail: [email protected] Chile: Alfaomega Grupo Editor, S.A. – Dr. La Sierra 1437, Providencia, Santiago, Chile Tel.: (56-2) 235-4248 – Fax: (56-2) 235-5786 – E-mail: [email protected] Argentina: Alfaomega Grupo Editor Argentino, S.A. – Paraguay 1307 P.B. Of. 11, C.P. 1057, Buenos Aires, Argentina, – Tel./Fax: (54-11) 4811-0887, 4811 7183 y 4811 0887 – E-mail: [email protected]

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Prefacio Este libro de texto presenta una introducción al diseño de concreto reforzado. Nosotros los autores esperamos que el material esté escrito de tal modo que interese a los estudiantes en el tema y los aliente a continuar su estudio en los años venideros. El texto se preparó como un curso introductorio de tres créditos, pero se incluye su¿ciente material para un curso adicional de tres créditos.

NUEVO EN ESTA EDICIÓN Reglamento actualizado Con la octava edición de este texto el contenido se ha actualizado conforme al Reglamento de Construcciones 2008 del American Concrete Institute (ACI 318-08). Los cambios de esta edición del Reglamento incluyen: • Numerosos cambios en notaciones y números de sección. • Un cambio en el tratamiento del diseño del concreto con agregados ligeros a todo lo largo del reglamento. • Se incrementó el factor de reducción de resistencia para columnas en espiral y se introdujeron las barras deformadas con anclaje interno como una alternativa a los ganchos para suministrar la longitud de desarrollo. • Aclaraciones para la longitud de desarrollo de barras galvanizadas, de acero inoxidable y en racimo. • Se introdujo el uso de cilindros de concreto pequeños, permitiendo cilindros de 4×8 en lugar de 6×12. • Los requisitos del diseño sismo resistente están ahora relacionados con la Categoría de Diseño Sísmico (SDC) que sea consistente con otros documentos que prescriben cargas de diseño.

Material actualizado La mayor parte de los capítulos han sido modi¿cados reÀejando los puntos de vista del nuevo coautor, con la cooperación del autor original. • El estudio del factor f variable en los capítulos 3, 4 y 10 ha sido revisado y expandido. Ahora incluye una ecuación generalizada para el factor f para cualquier límite elástico. • Una grá¿ca que muestra el efecto del factor f en la resistencia del momento de diseño se ha añadido al capítulo 3 para demostrar el impacto del factor f variable en el diseño. • Las longitudes de desarrollo de las barras en manojo han sido aclaradas por el nuevo reglamento y consecuentemente se han cambiado en el capítulo 7. • Se ha añadido al capítulo 10 un diagrama de interacción que muestra el efecto del factor f variable. • La redistribución inelástica de la sección de momento ha sido revisada y actualizada en el capítulo 14. • Se han agregado las ecuaciones para la distribución de momentos a las franjas de columna y central como un suplemento de las tablas en el capítulo 16. • Se ha ampliado el diseño de muros con carga fuera del plano y se ha añadido en el capítulo 18 un ejemplo del diseño racional de un muro de cimiento.

Hojas de cálculo de Excel Las nuevas hojas de cálculo incluidas con el texto se crearon para proveer al estudiante y al profesor con herramientas para analizar y diseñar elementos de concreto reforzado rápidamente para comparar soluciones alternativas. Se dan ejemplos al ¿nal de los capítulos para ilustrar cómo usar el software en ejemplos previamente elaborados. v DISEÑO DE CONCRETO REFORZADO - MCCORMAC

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Diseño sísmico Se agregó un nuevo capítulo 21 en diseño sísmico. Este capítulo está pensado sólo como una introducción al tema. Podría escribirse un libro de texto completo solamente sobre este tema. Sin embargo, familiariza al estudiante con aspectos relacionados con el diseño de estructuras de concreto reforzado para resistir terremotos. El capítulo 21 incluye dos problemas nuevos de ejemplo que ilustran algunos de los requisitos nuevos del reglamento.

Diseño de muros de cortante La sección sobre el diseño de muros de cortante en el capítulo 18 ha sido ampliada. El material nuevo da detalles y ejemplos sobre cómo diseñar muros de cortante para una combinación de carga axial y momento Àexionante. Los diagramas de interacción desarrollados para columnas en el capítulo 10 se aplican al diseño de muros de cortante.

RECURSOS DEL PROFESOR Y DEL ESTUDIANTE El sitio web para el libro está localizado en http://virtual.alfaomega.com.mx/ y contiene los siguientes recursos.

Para profesores Manual de soluciones. Está disponible un Manual, el cual contiene soluciones completas para todos los problemas de tarea en el texto.

• Exámenes de muestra • Programas de estudio de los cursos Visite nuestra página web ubicada en http://virtual.alfaomega.com.mx/ para registrarse. Estos recursos están disponibles para profesores que hayan adoptado el libro para su curso.

Para estudiantes y profesores Se proporcionan hojas de cálculo de Excel para la mayoría de capítulos del texto. El uso de las hojas de cálculo es autoexplicativo. Muchas de las celdas contienen comentarios para ayudar al usuario nuevo. Las hojas de cálculo pueden ser modi¿cadas por el estudiante o el profesor para satisfacer sus necesidades más especí¿cas. En la mayoría de los casos, los cálculos contenidos dentro de las hojas de cálculo son un reÀejo de aquellos mostrados en los problemas de ejemplo en el texto. Los diversos usos de estas hojas de cálculo se ilustran a todo lo largo del texto. Al ¿nal de la mayoría de los capítulos hay problemas de ejemplo que muestran el uso de la hoja de cálculo para ese capítulo especí¿co. El espacio no permite ejemplos para todas las capacidades de la hoja de cálculo. Los ejemplos escogidos fueron considerados por los autores como los más pertinentes. Visite nuestra página en http://virtual.alfaomega.com.mx/ para descargar este software.

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Prefacio

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RECONOCIMIENTOS Deseamos agradecer a las siguientes personas que revisaron esta edición: Roger H. L. Chen (West Virginia University), Hector Estrada (University of the Paci¿c), y Wael Zatar (Marshall University). También queremos agradecer a Richard Bennett (University of Tennessee) Max Porter (Iowa State University), y Mark McGinley (University of Lousiville) por su revisión y sus útiles comentarios sobre el capítulo 21. Un agradecimiento especial para Richard Klingner (University of Texas at Austin) por la extensa revisión y el comentario del capítulo 21. Finalmente, estamos también agradecidos a los revisores y los usuarios de las ediciones previas de este libro por sus sugerencias, correcciones y críticas. Siempre estamos agradecidos con cualquier persona que se tome el tiempo de contactarnos con respecto a cualquier parte del libro.

Jack C. McCormac Russell H. Brown

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Contenido

Prefacio V

1. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 1.22 1.23 1.24 1.25 1.26 1.27

Introducción

2.6

50

1

Concreto y concreto reforzado 1 Ventajas del concreto reforzado como material estructural 1 Desventajas del concreto reforzado como material estructural 2 Antecedentes históricos 3 Comparación del concreto reforzado con el acero estructural para edificios y puentes 5 Compatibilidad del concreto y el acero 6 Códigos de diseño 7 Unidades SI y recuadros sombreados 7 Tipos de cemento Portland 8 Aditivos 9 Propiedades del concreto reforzado 10 Agregados 17 Concretos de alta resistencia 18 Concretos reforzados con fibras 20 Durabilidad del concreto 21 Acero de refuerzo 21 Grados del acero de refuerzo 24 Tamaños de barras y resistencias de materiales en unidades SI 25 Ambientes corrosivos 26 Identificación de las marcas en las varillas de refuerzo 26 Introducción a las cargas 28 Cargas muertas 28 Cargas vivas 28 Cargas ambientales 30 Selección de las cargas de diseño 32 Exactitud de los cálculos 33 Impacto de las computadoras en el diseño de concreto reforzado 34 Problemas 34

2. Análisis de vigas sometidas a flexión 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Hojas de cálculo de la computadora Problemas 52

35

Introducción 35 Momento de agrietamiento 38 Esfuerzos elásticos: concreto agrietado 40 Momentos últimos o nominales de flexión 46 Ejemplo de problema usando unidades SI 49

3. Análisis por resistencia de vigas de acuerdo con el Código ACI 63 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

3.7 3.8 3.9 3.10 3.11

4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10

Métodos de diseño 63 Ventajas del diseño por resistencia 64 Seguridad estructural 64 Obtención de expresiones para vigas 65 Deformaciones unitarias en miembros sujetos a flexión 68 Secciones balanceadas, secciones controladas por tensión y secciones controladas por compresión o secciones frágiles 69 Reducción de resistencia o factores f 70 Porcentaje mínimo de acero 72 Porcentaje de acero de equilibrio 73 Problemas de ejemplo 74 Ejemplos con computadora 77 Problemas 78

Diseño de vigas rectangulares y losas en una dirección 79 Factores de carga 79 Diseño de vigas rectangulares 81 Ejemplos de diseño de vigas 86 Consideraciones diversas en el diseño de vigas 92 Determinacion del área de acero cuando las dimensiones de la viga son predeterminadas 93 Varillas en racimo 95 Losas en una dirección 96 Vigas en voladizo y vigas continuas 99 Ejemplo con unidades SI 100 Ejemplo con computadora 101 Problemas 103

5. Análisis y diseño de vigas T y vigas doblemente reforzadas 109 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

Vigas T 109 Análisis de vigas T 111 Otros métodos para analizar vigas T 115 Diseño de vigas T 116 Diseño de vigas T para momentos negativos

122

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x Contenido 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10

6. 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14

Vigas L 124 Acero de compresión 124 Diseño de vigas doblemente reforzadas Ejemplos con unidades SI 132 Ejemplos con computadora 134 Problemas 139

Estado límite de servicio

129

8.6 8.7 8.8 8.9 8.10 8.11 8.12 8.13

150

Introducción 150 Importancia de las deflexiones 150 Control de las deflexiones 151 Cálculo de deflexiones 153 Momentos de inercia efectivos 153 Deflexiones a largo plazo 156 Deflexiones en vigas simples 158 Deflexiones en vigas continuas 160 Tipos de grietas 166 Control de las grietas por flexión 167 Normas del código ACI relativas a grietas Grietas diversas 172 Ejemplo con unidades SI 172 Ejemplos con computadora 173 Problemas 175

8.14 8.15 8.16 8.17 171

9.

7. Adherencia, longitudes de desarrollo y empalmes 180 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10 7.11 7.12 7.13 7.14 7.15 7.16 7.17

8. 8.1 8.2

Corte y doblado de las varillas (barras) de refuerzo 180 Esfuerzos de adherencia 183 Longitudes de anclaje para el refuerzo de tensión 186 Longitudes de anclaje para varillas en racimo 194 Ganchos 195 Longitudes de anclaje para malla de alambre soldada en tensión 199 Longitudes de anclaje para varillas a compresión 200 Secciones críticas para la longitud de anclaje 202 Efecto del momento y el cortante combinados en las longitudes de anclaje 202 Efecto de la forma del diagrama de momento en las longitudes de anclaje 203 Corte o doblado de las varillas de refuerzo (continuación) 204 Empalmes de varillas en miembros a flexión 207 Empalmes a tensión 208 Empalmes a compresión 209 Varillas ancladas mecánicamente y con anclaje interno 210 Ejemplo con unidades SI 211 Ejemplo con computadora 212 Problemas 213

Cortante y tensión diagonal

219

Introducción 219 Esfuerzos cortantes en vigas de concreto

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8.3 8.4 8.5

219

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 9.11

10.

Concreto de peso ligero 220 Resistencia del concreto al cortante 221 Agrietamiento por cortante en vigas de concreto reforzado 222 Refuerzo del alma 223 Comportamiento de las vigas con refuerzo del alma 225 Diseño por cortante 226 Requisitos del código ACI 228 Ejemplos de problemas de diseño por cortante 233 Separación económica de los estribos 243 Fricción al cortante y ménsulas 243 Resistencia al cortante de miembros sometidos a fuerzas axiales 246 Requisitos para el diseño por cortante en vigas de gran peralte 248 Comentarios introductorios sobre torsión 249 Ejemplo en unidades SI 251 Ejemplos con computadora 252 Problemas 253

Introducción al estudio de columnas

257

Generalidades 257 Tipos de columnas 258 Capacidad por carga axial de las columnas 260 Fallas de columnas con estribos y espirales 261 Requisitos del código para columnas coladas en obra 264 Precauciones de seguridad para columnas 266 Fórmulas de diseño 266 Comentarios sobre el diseño económico de columnas 268 Diseño de columnas cargadas axialmente 269 Ejemplo con unidades SI 271 Ejemplo con computadora 272 Problemas 273

Diseño de columnas cortas sometidas a carga axial y flexión 275

10.1 10.2 10.3 10.4 10.5

Carga axial y flexión 275 El centroide plástico 276 Desarrollo de los diagramas de interacción 278 Uso de los diagramas de interacción 283 Modificaciones de código a los diagramas de interacción de columna 285 10.6 Diseño y análisis de columnas cargadas excéntricamente usando los diagramas de interacción 287 10.7 Fuerza cortante en columnas 295 10.8 Flexión biaxial 296 10.9 Diseño de columnas con carga biaxial 300 10.10 Continuación del estudio del factor de reducción de capacidad, f 303

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Contenido 10.11 Ejemplo con computadora Problemas 306

11.

Columnas esbeltas

305

311

11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6

Introducción 311 Marcos con y sin desplazamiento lateral 311 Efectos de esbeltez 312 Determinación de los factores k con nomogramas 315 Determinación de factores k mediante ecuaciones 317 Análisis de primer orden usando propiedades especiales de los miembros 318 11.7 Columnas esbeltas en marcos con y sin desplazamiento lateral 319 11.8 Tratamiento del código ACI de los efectos de esbeltez 322 11.9 Amplificación de momentos de columnas en marcos sin desplazamiento lateral 322 11.10 Amplificación de los momentos en las columnas de marcos con desplazamiento lateral 327 11.11 Análisis de marcos con desplazamiento lateral 330 11.12 Ejemplos con computadora 336 Problemas 338

12. 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 12.10 12.11 12.12 12.13 12.14 12.15 12.16

Zapatas

341

Introducción 341 Tipos de zapatas 341 Presiones reales del suelo 342 Presiones permisibles del suelo 345 Diseño de zapatas para muros 346 Diseño de zapatas cuadradas aisladas 351 Zapatas que soportan columnas circulares o con sección en forma de polígono regular 357 Transmisión de la carga de las columnas a las zapatas 358 Zapatas rectangulares aisladas 362 Zapatas combinadas 364 Diseño de zapatas con asentamientos iguales 370 Zapatas sometidas a cargas axiales y momentos 373 Transmisión de fuerzas horizontales 374 Zapatas de concreto simple 375 Ejemplo con unidades SI 378 Ejemplos con computadora 379 Problemas 381

13.9

Estimación del tamaño de muros de retención en voladizo 400 13.10 Procedimiento de diseño para muros de retención en voladizo 405 13.11 Grietas y juntas en los muros 416 Problemas 418

14. 14.1 14.2

Introducción 422 Consideraciones generales sobre los métodos de análisis 422 14.3 Líneas de influencia cualitativas 423 14.4 Diseño al límite 426 14.5 Diseño al límite según el código ACI 433 14.6 Diseño preliminar de miembros 436 14.7 Análisis aproximado de marcos continuos por cargas verticales 436 14.8 Análisis aproximado de marcos continuos por cargas laterales 444 14.9 Análisis por computadora de marcos de edificios 450 14.10 Arriostramiento lateral en edificios 450 14.11 Requisitos de la longitud de desarrollo en miembros continuos 451 Problemas 457

15. Torsión

13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6 13.7 13.8

Muros de retención

Introducción 462 Refuerzo por torsión 463 Momentos torsionales que se han de considerar en el diseño 466 15.4 Esfuerzos de torsión 467 15.5 Cuándo se requiere refuerzo de torsi...