Comprobación completa del código de anclajes y bloques de hormigón en Detail 3D (ACI)
El diseño de anclajes suele ser sencillo hasta que las cargas elevadas, las distancias limitadas entre la placa base y los bordes del bloque de hormigón, o las geometrías complejas hacen que los chequeos estándar de hormigón simple resulten insuficientes. En estos casos, el refuerzo se convierte en esencial, pero verificar su eficacia requiere algo más que fórmulas basadas en códigos. Aquí es donde IDEA StatiCa Detail 3D entra en acción, ofreciendo a los ingenieros las herramientas para analizar, visualizar y confirmar cómo se transfieren las cargas a través del hormigón armado.
En el siguiente artículo, recorreremos cada modo de fallo definido por ACI y mostraremos cómo Detail 3D puede utilizarse para evaluarlos exhaustivamente, garantizando un diseño de anclaje fiable y alineado con el código incluso en las situaciones más exigentes.
Según la norma ACI 318, los fallos de anclaje se clasifican en anclajes cargados a tracción y anclajes sometidos a cortante, estas dos condiciones deben verificarse individualmente para garantizar un diseño seguro y conforme al código.
ACI 318-19 Fig. R17.5.1.2- Modos de fallo de los anclajes
En IDEA StatiCa Connection, hemos podido hacer una aproximación del chequeo de anclajes, pero con algunas limitaciones, las evaluaciones de hormigón reforzado tenían que hacerse de forma manual. Esta laguna se aborda con IDEA StatiCa Detail 3D, que amplía la capacidad del ingeniero para evaluar el rendimiento del anclaje en hormigón armado, incluyendo cómo las cargas se transfieren al bloque de hormigón y son resistidas tanto por el hormigón como por el acero de refuerzo.
Aunque IDEA StatiCa Detail 3D no ofrece evaluaciones como estamos acostumbrados en la norma, que las define el chequeo para hormigón simple. Sin embargo, con el análisis FE, podemos verificar si la región de hormigón armado puede soportar la carga aplicada y evitar el fallo del hormigón, que correspondería a esas condiciones descritas en la normativa.
Las aplicaciones funcionan de forma independiente y pueden utilizarse por separado, pero gracias al vínculo entre Connection y Detail, los ingenieros pueden realizar comprobaciones iniciales del código en Connection y, a continuación, verificar la distribución de tensiones complejas y el comportamiento de la armadura en Detail como paso complementario.
Capacidad de compresión del hormigón
IDEA StatiCa Detail 3D evalúa la capacidad de compresión del hormigón utilizando un modelo de tensión-deformación parabólico-plástico no lineal basado en las directrices PCA. El software desprecia la resistencia a la tracción, en línea con el diseño estándar del hormigón, y aplica factores de reducción de la resistencia según ACI 318-19.
Esto permite a los ingenieros:
- Visualizar el flujo de tensiones a través del hormigón.
- Ver cómo se concentran las tensiones de compresión alrededor de las zonas de anclaje.
- Verificar que los esfuerzos de compresión principales permanecen por debajo de la resistencia a la compresión minorizada.
Capacidad de tracción de la armadura
La capacidad de tracción de la armadura se evalúa utilizando un modelo elasto-plástico de tensión-deformación que se ajusta a la norma ACI 318-19. Este modelo captura con precisión el comportamiento de la armadura no pretensada, considerando tanto el límite elástico como el módulo de elasticidad. Por defecto, se incluyen automáticamente los efectos de rigidización por tracción, lo que aumenta el realismo del análisis al tener en cuenta la interacción entre la armadura y el hormigón circundante.
El programa evalúa la fuerza de tracción en cada barra de armadura basándose en dos componentes críticos:
- La fuerza de tracción directa en la barra
- El esfuerzo de adherencia desarrollado a lo largo de la longitud embebida
Este enfoque detallado garantiza que la fuerza de tracción total se mantiene dentro de la capacidad de la barra, teniendo en cuenta tanto los límites del material como las condiciones de anclaje.
Repasemos ahora una por una las condiciones de los modos de fallo ACI y las posibilidades que ofrecen sus aplicaciones.
Anclajes sometidos a tracción
(i) Fallo del acero
Las comprobaciones de fallo de acero en IDEA StatiCa se realizan tanto en el módulo Connection como en el de Detail 3D siguiendo las disposiciones de ACI 318-19. En Connection, el fallo del acero se verifica mediante una comprobación de la capacidad de carga axial que compara las fuerzas de tracción aplicadas con el límite elástico reducido del acero de anclaje.
Elmódulo Detail 3D amplía esta función modelando la armadura y el acero de anclaje dentro del bloque de hormigón, proporcionando una distribución de fuerzas más detallada y verificando que los elementos de acero permanecen dentro de sus límites elástico-plásticos.
(ii) Arrancamiento
En Connection, las comprobaciones de arrancamiento se basan en fórmulas empíricas del ACI 318 que tienen en cuenta la geometría del anclaje y la resistencia del hormigón, aplicando factores de reducción de la resistencia.
Detail 3D mejora las comprobaciones de arrancamiento modelando las tensiones de adherencia a lo largo de la longitud embebida de la armadura. Las fuerzas de adherencia se calculan utilizando los resultados del análisis, lo que permite una evaluación realista de los efectos de interacción y de las condiciones variables de adherencia. Los anclajes adhesivos también pueden modelarse asignando una resistencia de adherencia de diseño basada en los datos del fabricante.
(iii) Rotura del hormigón
La rotura del cono de hormigón puede verificarse en Connection, sin embargo, en Connection, la rotura del hormigón a tracción se calcula utilizando fórmulas estándar que sólo consideran el hormigón simple.
Por lo tanto, en caso de que el cono de hormigón falle, es apropiado proceder a IDEA StatiCa Detail, donde se proporciona un análisis de todo el bloque con acero de refuerzo. La resistencia a tracción del hormigón se desprecia de forma conservadora, lo que significa que la capacidad portante en caso de fallo del cono viene determinada, en gran medida, por la cantidad de armadura especificada. El Detail compara las tensiones principales equivalentes máximas con las resistencias del hormigón minorizadas, proporcionando una verificación detallada y precisa de la resistencia a la rotura del hormigón bajo escenarios de carga complejos.
En la imagen inferior, pueden verse las direcciones de las tensiones principales que indican la forma del cono mencionado anteriormente. En la parte derecha, se pueden ver los valores de las tensiones del hormigón, que se evalúan con los valores límite.
(iv) Rotura por fisuración del hormigón
No es posible evaluar este modo de fallo en Connection. Sin embargo, en Detail 3D, la rotura del hormigón se suele mitigar mediante armaduras que controlan la propagación de la fisura. El software permite a los ingenieros visualizar los campos de tensión y deformación tanto en el refuerzo (bajo tensión y compresión) como en el hormigón circundante (bajo compresión). Esta información ayuda a confirmar que el refuerzo previene eficazmente el fallo por fisuración.
(v) Arrancamiento lateral del hormigón
Para el hormigón simple, Connection ofrece comprobaciones empíricas según las disposiciones del ACI 318.
Para elementos estructurales reforzados, este modo de fallo se cubre dentro del análisis de resistencia del hormigón de Detail 3D. Aquí, las fuerzas de tracción son principalmente resistidas por el acero de refuerzo, con el hormigón manejando la compresión, que IDEA StatiCa modela con precisión.
(vi) Fallo de adherencia
El fallo de adherencia se refiere a la pérdida de transferencia de fuerza entre la armadura y el hormigón debido a una inadecuada adherencia o empotramiento. Este modo de fallo no es posible de capturar en la aplicación Connection ya que el hormigón no está reforzado.
Detail 3D evalúa explícitamente las distribuciones de tensiones de adherencia a lo largo de las barras de armadura de refuerzo mediante análisis de elementos finitos. Esto permite la verificación de la capacidad de adherencia más allá de simples fórmulas empíricas, considerando complejas disposiciones de armaduras y condiciones del hormigón.
Anclajes sometidos a carga a cortante
ACI clasifica los fallos inducidos por la carga a cortante en varios tipos para anclajes y bloques de hormigón, incluyendo el fallo del acero con desprendimiento del hormigón, desprendimiento del hormigón y rotura del hormigón (i, ii y iii).
La siguiente figura muestra esquemáticamente qué tipo de fallo se puede evaluar con la app Connection y también qué comportamiento puede cubrir el uso de hormigón armado y, por tanto, el análisis en Detail. IDEA StatiCa Connection utiliza fórmulas empíricas de AISC 360 para el diseño de anclajes (CBFEM). Todos los tipos de fallo causados por la fuerza de corte pueden ser cubiertos en la aplicación Connection.
En IDEA StatiCa Detail 3D, el cortante puede ser transferido por fricción, anclajes o llave de cortante. Es importante decir que sólo se evalúa la zapata. Los anclajes y las llaves de cortante deben comprobarse en Connection o en otro lugar. Una vez más, debe hacerse hincapié en que sólo se verifica el hormigón armado.
(i) Fallo del acero precedido por desprendimiento del hormigón
Este modo de fallo se produce cuando las fuerzas de cortante provocan tanto la elasticidad del acero del anclaje como el desprendimiento (fractura de la superficie) del hormigón circundante. IDEA StatiCa Connection evalúa este fallo aplicando las fórmulas de resistencia a cortante de ACI para anclajes, asegurando que la interacción del acero y el hormigón bajo cargas de cortante se tiene en cuenta adecuadamente. Esta comprobación no está disponible en Detail 3D, que se centra en el modelado detallado del hormigón y la armadura de acero más que en la resistencia a cortante del acero del anclaje.
(ii) Arranque del hormigón para anclajes alejados de un borde libre
El desprendimiento del hormigón implica el fallo del hormigón por debajo de la placa base del anclaje debido a esfuerzos cortantes. Este modo se evalúa exclusivamente en Connection, utilizando fórmulas empíricas del ACI que consideran la profundidad de empotramiento, la resistencia del hormigón y los factores de carga.
Como complemento, Detail 3D evalúa la capacidad a cortante de la zona de hormigón circundante, ofreciendo un análisis de tensiones detallado de la región de hormigón afectada por las cargas a cortante.
(iii) Rotura del hormigón
La rotura del hormigón bajo cortante es un modo de fallo en el que las fuerzas de cortante hacen que el hormigón se fracture y forme una superficie de rotura en forma de cuña o cono que parte desde el anclaje y se propaga hacia el borde libre. En IDEA StatiCa Connection, este fallo se evalúa para el hormigón simple utilizando las fórmulas de diseño empíricas ACI 318-19.
En Detail 3D, el software utiliza un análisis de elementos finitos para modelar la distribución real de tensiones y los mecanismos de fallo dentro del bloque de hormigón. Mediante la visualización de las tensiones principales y la transferencia de las fuerzas de corte a través del refuerzo, Detail 3D puede verificar si el hormigón armado puede prevenir o resistir adecuadamente la rotura por cortante.
Verificación de detallado
Aunque IDEA StatiCa Detail 3D puede analizar y verificar una amplia gama de modos de fallo utilizando análisis de elementos finitos no lineales, las comprobaciones de detallado, como las especificadas en el Capítulo 17 de ACI 318, no están cubiertas en Detail 3D. Entre ellas se incluyen requisitos como las distancias mínimas entre bordes, la separación entre anclajes, las profundidades de empotramiento y el recubrimiento de hormigón.
Es responsabilidad del ingeniero verificar estos requisitos de detallado de forma independiente y asegurarse de que la geometría ingresada en Detail 3D cumple con todas las disposiciones de detallado exigidas por el código antes de ejecutar el análisis.
La aplicación Detail se centra en la respuesta estructural y la distribución de tensiones del bloque de hormigón y la armadura, pero no marca ni comprueba las dimensiones mínimas de detallado ni la disposición de los anclajes según la norma ACI. Para obtener resultados significativos y válidos, es esencial introducir datos precisos y conformes con el código.