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MONOGRAFÍA:
EASYBEAM – APLICATIVO PARA EL DISEÑO, DESPIECE Y DIBUJO DE
VIGAS DE CONCRETO REFORZADO
DIRECTOR DE PROYECTO:
INGENIERO CARLOS ARIEL NARANJO TORRES
AUTORES
WILLIAM SANTIAGO ALZATE BARRIGA
FABIAN ALBERTO CAMELO COLORADO
UNIVERSIDAD DE IBAGUÉ
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
IBAGUÉ, COLOMBIA
2018
DERECHOS DE AUTOR Y MARCAS REGISTRADAS
La presente monografía “EASYBEAM – aplicativo para el diseño, despiece y
dibujo de vigas de concreto reforzado” posee un registro de soporte lógico –
Software en la Dirección Nacional de Derecho de Autor del Ministerio del Interior y
de Justicia. Este software emplea diversos recursos informáticos.
➢ Microsoft Office Excel es una marca registrada de Microsoft
Corporation.
Los nombres de los productos anteriormente mencionados se utilizan sólo con fines
académicos y educativos, los cuales pueden ser marcas comerciales registradas
por sus respectivas compañías.
“Una de las mejores experiencias de mi vida, fue
haber cursado por la universidad de Ibagué,
estoy muy agradecido con todas aquellas
personas que hicieron parte de este hermoso
proceso, como mis compañeros de estudio, con
los que viví momentos inolvidables y con los
que aprendí muchas cosas fundamentales para
mi vida. También a todos los docentes que me
acompañaron en mi proceso de formación, los
cuales me aportaron un crecimiento profesional
enorme y que me formaron como el gran
ingeniero civil que soy. Por último, a mis padres
quienes siempre me apoyaron
incondicionalmente y luchan día a día con el
objetivo de poder darme una educación
profesional”
William Santiago Alzate Barriga
“Para iniciar quisiera dar gracias a Dios, quien
es aquel que provee todo lo necesario para poder
vivir de la mejor forma, en segunda instancia
quisiera agradecer a aquellas personas que
hicieron posible el que yo en este momento me
convierta en un profesional, en especial a mis
papas Alberto Camelo y Ruth Marina Colorado
quienes han sido los encargados de hacer
posible todo mi proceso de formación, por otra
parte quisiera agradecer, a mis compañeros de
estudio, el tener la oportunidad de conocerlos y
formar equipo junto a ellos ha sido una de las
mejores experiencias dentro de la Universidad
de Ibagué”
Fabian Alberto Camelo Colorado
AGRADECIMIENTOS
Este espacio lo queremos aprovechar para dar gracias a todos los
profesores de la universidad y a todas aquellas personas que aportaron en nuestro
proceso de formación académica, en especial al ingeniero Carlos Ariel Naranjo,
pues gracias a su experiencia y conocimiento fue posible el desarrollo de esta
monografía.
A todos ellos, muchas gracias.
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN 8
JUSTIFICACIÓN 9
OBJETIVOS 10
Objetivo general: 10
Objetivos Específicos: 10
ANTECEDENTES 11
CypeCAD 11
DC-CAD 3 11
IP 3D CAD 12
BEAM DETAILING 12
EASYBEAM 13
MARCO TEÓRICO 14
Concreto reforzado 14
Ventajas del concreto reforzado como material estructural 14
Desventajas del concreto reforzado como material estructural 15
Compatibilidad del concreto y el acero 15
Vigas 16
Vigas de concreto reforzado 16
Flexión en vigas de concreto reforzado 17
Cortante en vigas de concreto reforzado 17
Método de la resistencia ultima 17
Procedimiento de diseño de las vigas de concreto reforzado 18
Microsoft Excel 18
Visual Basic for Applications 18
NSR-10 19
METODOLOGÍA 20
Datos de entrada 20
Diseño a flexión y cortante 22
Grafica de resultados 25
Despiece y dibujo de diseño 27
EJEMPLO 30
CONCLUSIONES 31
RECOMENDACIONES 32
BIBLIOGRAFÍA 33
INTRODUCCIÓN
En la siguiente monografía se expondrá un aplicativo que fue programado en Excel
y Visual Basic para Excel que diseña vigas de concreto reforzado y adicionalmente
suministra sus planos de diseño con todas las especificaciones necesarias para
realizar su construcción. Para esto, el aplicativo se alimenta con datos suministrados
por el software de análisis estructural ETABS, con estos datos se diseñarán vigas
rectangulares a partir del método de la resistencia última y adicionalmente, teniendo
en cuenta todos los requisitos del Reglamento sismo resistente NSR-10, propondrá
un refuerzo longitudinal para diseño a flexión y refuerzo transversal para diseño a
cortante con su respectiva sección transversal. Finalmente, suministrará los planos
anteriormente nombrados en un formato de dibujo ampliamente aceptado por los
aplicativos de diseño asistido por computador, como lo es el formato dxf. Para poder
tener una concepción de lo anteriormente dicho, la monografía contará con la
siguiente estructura para poder abarcar con todos los temas pertinentes a su
desarrollo: introducción, justificación, objetivos, antecedentes, marco teórico,
metodología, ejemplo, conclusiones, recomendaciones y referente bibliográfico.
JUSTIFICACIÓN
En la actualidad los ingenieros civiles inmersos en la rama del diseño estructural,
dedican mucho tiempo a realizar diseños de estructuras de concreto reforzado,
principalmente en el despiece y dibujo de estas estructuras. Esto lleva a que muchos
de ellos pierdan tiempo fundamental de su vida, en el cual podrían dedicar a otras
actividades que los llene de satisfacción, como pasar más tiempo con sus hijos, ver
películas, hacer deportes y hasta poder realizar otras clases de actividades
relacionadas con su profesión.
Debido a esta razón muchos ingenieros buscan optimizar su tiempo generando
herramientas que los ayuden a realizar sus labores de forma más eficiente, y de
aquí nace la idea de este aplicativo. Una herramienta que ayuda a los ingenieros
estructurales a realizar el diseño, despiece y dibujo de vigas de concreto reforzado,
optimizando su tiempo al máximo debido a que funciona de manera automática, lo
que lleva a que el ingeniero solo tenga que dedicar tiempo a la revisión del diseño
estipulado, con esto por fin el ingeniero no se sentirá secuestrado en sus labores
profesionales y por fin podrá disfrutar de su tiempo a su gusto.
Además, en el ámbito educativo, este aplicativo aporta una mejor experiencia a los
estudiantes de la asignatura diseño de estructuras de concreto, debido a que en
este proceso, al aprendiz se le dificulta entender la relación entre las fuerzas
generadas por las vigas y el acero suministrado para contrarrestar estas fuerza, y
este aplicativo contiene un apartado gráfico en donde este fenómeno será mucho
más fácil entenderlo, como también muchas más herramientas que generan un
visión más clara para el estudiante acerca del despiece de vigas de concreto
reforzado.
OBJETIVOS
Objetivo general:
Desarrollar un aplicativo que realice el diseño de vigas de concreto reforzado y
adicionalmente genera planos con el despiece de estos elementos estructurales a
partir de los datos suministrados desde el programa de análisis estructural ETABS.
Objetivos Específicos:
1. Desarrollar algoritmos para diseñar las vigas seleccionadas del programa de
análisis.
2. Crear ambientes amigables de entrada y salida de datos para facilitar el
manejo del aplicativo.
3. Desarrollar un módulo que se encargue de recopilar la información arrojada
tras el proceso de diseño y la organice en un formato reconocible por
programas de diseño asistido CAD.
ANTECEDENTES
Antes de iniciar este proceso ya existían varios programas que realizan funciones
similares al de este aplicativo, a continuación, se describirán algunos de ellos y se
expondrán sus principales características, con el objetivo de mostrar las ventajas
que posee EASYBEAM respecto a estos otros programas.
CypeCAD
El primero en la lista es CypeCAD, programa de estructuras diseñado por la
compañía “© CYPE Ingenieros, S.A.”, empresa dedicada desde hace muchos años
al desarrollo de programas de ingeniería civil y en software de Control de Obras de
la construcción, este paquete contempla normas nacionales e internacionales que
se aplican para realizar el cálculo, dimensionamiento y comprobación de estructuras
de hormigón, acero laminado, acero armado, acero conformado, mixtas, aluminio y
madera, sometidas a acciones gravitatorias, viento, sismo y nieve. Los programas
de instalaciones de CYPE incluyen normas que se utilizan para calcular y
dimensionar instalaciones de edificios suministro de agua, evacuación de aguas,
climatización, captación solar para producción de A.C.S, protección frente a la
acción del rayo, iluminación, gas, electricidad y telecomunicaciones y para
comprobar su aislamiento térmico y acústico, su certificación energética y su
seguridad en caso de incendio. La normativa contemplada en el software de CYPE
incluye normas vigentes y, además, normas derogadas que se siguen utilizando,
bien para comprobar y revisar estructuras que se dimensionan cuando eran de
aplicación, o bien porque siguen siendo de aplicación en otros países distintos al de
su origen. (© CYPE Ingenieros, 2018)
DC-CAD 3
El segundo de la lista, fue producido por la empresa DISEÑO DE SOLUCIONES
"Software para la ingeniería", es un programa que se basa en un análisis
estructural existente, además de eso genera planos de construcción de elementos
de acero reforzado, Vigas, Columnas y Muros en 2 y 3 dimensiones. Además de
generar cartillas de figuración en estructuras de concreto reforzado.(DC-CAD
3_DISEÑO DE SOLUCIONES “Software para la ingeniería,” n.d.)
“DC-CAD 3” software desempeña las siguientes funciones:
● Utiliza varios programas de análisis estructural.
● Utiliza varias normas a nivel latinoamericano.
● Todos los planos son personalizables
● Los refuerzos pueden ser modificados antes de exportar al CAD.
● Se generan planos en 3 dimensiones para tener una visualización de la
colocación de refuerzos.
● Se crean cartillas de figuración de forma automática
● Se efectúan estudios particulares como la resistencia en los nudos de las
vigas, columnas y muros. Además de índices de sobre esfuerzo
IP 3D CAD
El tercero en la lista es IP-3 Software, producido por la empresa “IP-3 SOFTWARE,
C.A.” empresa dedicada desde hace muchos años al desarrollo de programas de
ingeniería civil y en software de Control de Obras de la construcción, produciendo
diferentes tipos de aplicaciones los cuales han tenido gran aceptación en el mercado
debido a la amigabilidad en su manejo, veracidad en los resultados y la asesoría
que la empresa les presta a sus usuarios.(IP-3 SOFTWARE, 2000)
“IP 3d CAD” produce programas que desempeña las siguientes funciones:
● Diseñar y dibujar las losas nervadas y macizas.
● Diseñar y dibujar vigas con sus cortes.
● Realizar la Figuración de losas, viguetas, vigas y columnas (Corte del
refuerzo o planos de corte).
● Realizar el despiece de columnas con sus cortes.
● Diseñar y dibujar Columnas.
● Diseñar y dibujar cuadro de columnas.
● Diseñar y dibujar envigados de entrepiso.
● Diseñar y dibujar Escaleras.
● Diseñar y dibujar cuadro de fundaciones directas.
● Diseñar y dibujar cabezales de pilotes.
● Diseñar y dibujar envigados de cabezales de pilotes.
● Diseñar y dibujar losas de fundación.
● Diseñar y dibujar muros en cantilever.
● Diseñar y dibujar envigado de fundaciones directa.
BEAM DETAILING
El cuarto en la lista fue producido por la empresa “BEAM DETAILING SESPID S.L.”
empresa dedicada desde hace muchos años al desarrollo de programas de
ingeniería civil, Beam Detailing desempeña el papel de puente ayudando a los
ingenieros y arquitectos a convertir el análisis y los resultados de diseño, obtenidos
de ETABS - SAP 2000 o RISA 3D. Para los diseños finales de los elementos de
vigas RC. El software de Detección de haz utiliza el sobre de refuerzo para llevar a
cabo los detalles como planos de despieces de los elementos estructurales. La
disposición de las barras (corte y extensión) se basa en la envoltura de refuerzo que
se obtiene del software de análisis estructural. Se implementan las normas de
detalle americanas y europeas, ACI 318 -14, EC2 y EC8, TS 500 y TDY 2007 que
cumplen con todas las regulaciones para diferentes Tipos de cuadros RC, clase
dúctil alto, medio y bajo. El software Beam Detailing explota completamente el
entorno de dibujo 2D estable de AutoCAD al agregar una nueva función a su sistema
AutoCAD.(BEAM DETAILING SESPID S.L. (Structural Engineering Services
Platform for Innovation and Development), 2018)
EASYBEAM
Luego de exponer las características de cada uno del software de análisis, diseño y
detallado de proyectos de construcción, se pretende argumentar la razón del porqué
este aplicativo brinda algunas ventajas sobre los otros programas. EASYBEAM es
un aplicativo, versátil, dinámico, didáctico con enfoque académico que ayuda a
optimizar el tiempo que se gasta en tareas que no son propias del análisis y
concepción que conlleva la configuración de cualquier estructura, es decir, aquella
persona que se disponga a adentrarse en el uso del aplicativo, tendrá la oportunidad
de conocer acerca de todos los resultado de diseño, teniendo en cuenta todos los
chequeos correspondientes según NSR-10 para la configuración del refuerzo,
además de ellos tendrá la versatilidad de hacer combinaciones de refuerzo según
lo demandado y el criterio correspondiente de cada usuario.
En cuanto al detallado que arrojan los despieces de EASYBEAM, se debe resaltar
lo específicos que son para dar una visión de lo proyectado, es decir tiene en cuenta
todo lo necesario para entender la configuración de refuerzo tanto longitudinal como
transversal, por no dejar atrás la idea de que es posible escalar el dibujo al gusto o
a lo requerido, por otra parte, esta herramienta no necesita de los siguientes factores
para ser utilizado:
● EASYBEAM, es una herramienta óptima no se necesita de un buen
procesador en la computadora
● EASYBEAM requiere de poco tiempo para arrojar detalles constructivos a
diferencia de los otros softwares
● EASYBEAM es un aplicativo pensado para mejorar el rendimiento académico
y profesional, esta versión del aplicativo no tiene intereses comerciales a
diferencia de otros softwares que son muy costosos.
● EASYBEAM es un aplicativo funcional, versátil, didáctico no tiene mucho
nivel de complejidad para ser utilizado.
● El detallado que arroja como resultado EASYBEAM es pensado para que
una persona sin muchos conocimientos sea capaz de traducir la información
de forma ágil y cómoda.
MARCO TEÓRICO
Concreto reforzado
El concreto es una mezcla de arena, grava, roca triturada, u otros agregados unidos
en una masa rocosa por medio de una pasta de cemento y agua. En ocasiones, uno
o más aditivos se agregan para cambiar ciertas características del concreto, tales
como la ductilidad, durabilidad y tiempo de fraguado. Al igual que la mayoría de los
materiales pétreos, el concreto tiene una alta resistencia a la compresión y una muy
baja resistencia a la tensión. El concreto reforzado es una combinación de concreto
y acero en la que el refuerzo de acero proporciona la resistencia a la tensión de que
carece el concreto.(JACK & RUSSELL, 2011)
Ventajas del concreto reforzado como material estructural
El concreto reforzado es probablemente el material disponible más importante para
la construcción. Puede usarse en una u otra forma para casi todas las estructuras,
grandes o pequeñas, en edificios, puentes, pavimentos, presas, muros de retención,
túneles, instalaciones de drenaje e irrigación, tanques, etcétera. El gran éxito de
este material universal en la construcción puede entenderse fácilmente si se
consideran sus numerosas ventajas. Algunas de éstas son las siguientes:
1. Tiene una resistencia considerable a la compresión por unidad de costo en
comparación con muchos otros materiales.
2. El concreto reforzado tiene gran resistencia a las acciones del fuego y el agua
y, de hecho, es el mejor material estructural que existe para los casos en que
el agua esté presente. Durante incendios de intensidad media, los miembros
con un recubrimiento adecuado de concreto sobre las varillas de refuerzo
sufren sólo daño superficial sin fallar.
3. Las estructuras de concreto reforzado son muy rígidas.
4. Requiere de poco mantenimiento.
5. Comparado con otros materiales, tiene una larga vida de servicio. Bajo
condiciones apropiadas, las estructuras de concreto reforzado pueden
usarse indefinidamente sin reducción en sus capacidades de carga. Esto
puede explicarse por el hecho de que la resistencia del concreto no
disminuye con el tiempo, sino que en realidad aumenta con los años, debido
al largo proceso de solidificación de la pasta de cemento.
6. Es prácticamente el único material económico disponible para zapatas, losas
de piso, muros de sótano, pilares y construcciones similares.
7. Una característica especial del concreto es la posibilidad de colarlo en una
variedad extraordinaria de formas que van desde simples losas, vigas y
columnas, hasta grandes arcos y cascarones.
8. En muchas regiones, el concreto aprovecha para su elaboración la existencia
de materiales locales baratos (arena, grava y agua) y requiere cantidades
relativamente pequeñas de cemento y acero de refuerzo, las cuales puede
ser necesario conseguir en otras regiones del país.
9. Se requiere mano de obra de baja calificación para su montaje, en
comparación con otros materiales, como el acero estructural. (JACK &
RUSSELL, 2011)
Desventajas del concreto reforzado como material estructural
Para usar con éxito el concreto, el proyectista debe estar completamente
familiarizado con sus puntos débiles, así como con sus puntos fuertes. Algunas de
sus desventajas son las siguientes:
1. El concreto tiene una resistencia muy baja a la tensión, por lo que requiere el
uso de un refuerzo de tensión.
2. Se requieren cimbras para mantener el concreto en posición hasta que se
endurezca lo suficiente. Además, pueden requerirse obras falsas o
apuntalamiento para apoyar la cimbra de techos, muros, pisos y estructuras
similares hasta que los miembros de concreto adquieren suficiente
resistencia para soportarse por sí mismos. La obra falsa es muy cara. Su
costo (en EUA) es de uno a dos tercios del costo total de una estructura de
concreto reforzado, con un valor promedio aproximado de 50%. Debe ser
claro que cuando se trata de mejorar el costo de las estructuras de concreto
reforzado, el factor principal reside en la reducción del costo de la cimbra.
3. La baja resistencia por unidad de peso de concreto conduce a miembros
pesados. Esto se vuelve muy importante en estructuras de gran claro, en
donde el gran peso muerto del concreto tiene un fuerte efecto en los
momentos flexionantes. Pueden usarse agregados ligeros para reducir el
peso del concreto, pero el costo del concreto aumenta.
4. Similarmente, la baja resistencia por unidad de volumen del concreto implica
que los miembros serán relativamente grandes, lo que es de una
considerable importancia en edificios altos y en estructuras de grandes
claros.
5. Las propiedades del concreto varían ampliamente debido a las
modificaciones en su proporción y mezclado. Además, el colado y curado del
concreto no son tan cuidadosamente controlados como la producción de
otros materiales; por ejemplo, el acero estructural y la madera laminada.
(JACK & RUSSELL, 2011)
Compatibilidad del concreto y el acero
El concreto y el acero de refuerzo funcionan en conjunto en forma excelente en las
estructuras de concreto reforzado. Las ventajas de cada material compensan las
desventajas del otro. Por ejemplo, la gran desventaja del concreto es su falta de
resistencia a la tensión; pero la resistencia a la tensión es una de las grandes
ventajas del acero. Las varillas de refuerzo tienen una resistencia a la tensión
aproximadamente 100 veces mayor a la del concreto usado. Los dos materiales se
adhieren muy bien entre sí de modo que no hay deslizamiento entre los dos y por
tanto funcionan conjuntamente como una unidad para resistir las fuerzas. La
excelente liga obtenida se debe a la adherencia química entre los dos materiales, a
la rugosidad natural de las varillas y a la estrecha separación de las corrugaciones
en las superficies de las varillas. Las varillas de refuerzo están expuestas a la
corrosión, pero el concreto que las rodea les proporciona excelente protección. La
fuerza del acero expuesto a las temperaturas que se alcanzan en los incendios
normales es nula, pero su recubrimiento con concreto da como resultado
calificaciones de prueba de fuego muy satisfactorias. Finalmente, el concreto y el
acero trabajan muy bien juntos respecto a los cambios de temperatura porque sus
coeficientes de dilatación térmica son muy parecidos. Para acero, el coeficiente es
0.0000065 por unidad de longitud por grado Fahrenheit y para el concreto varía
entre 0.000004 y 0.000007 (valor promedio, 0.0000055). (JACK & RUSSELL, 2011)
Vigas
Las vigas son elementos cuya función principal es transmitir las cargas de muros,
losas, viguetas y otras vigas, a las columnas. Por la naturaleza de las cargas, las
vigas deben estar adecuadamente diseñadas para resistir principalmente esfuerzos
cortantes y esfuerzos normales. Los esfuerzos cortantes obligan a una altura
mínima del elemento, para que el concreto tome parte de dichos esfuerzos; la otra
parte se suple con la inclusión de flejes o estribos localizados de forma paralela a la
dirección de aplicación de las cargas transversales.
En cuanto a los esfuerzos de flexión, estos producen tracción en una sección del
elemento y compresión en la otra. Se espera que los esfuerzos máximos de
compresión sean absorbidos por el concreto con cierto margen de seguridad, en
tanto que los de tensión sean absorbidos por barras de acero, localizadas a lo largo
de la longitud del elemento (perpendicular a la fuerza transversal). En ocasiones, es
necesario que el acero tome parte de los esfuerzos de compresión. En vigas de
borde, debe verificarse el comportamiento de las vigas ante esfuerzos de torsión.
(Vallecilla, 2017)
Vigas de concreto reforzado
Las vigas de concreto reforzado son heterogéneas, debido a que están hechas de
dos materiales marcadamente diferentes entre sí. Cuando se aplican cargas y se
producen momentos flectores, la sección debe estar en la capacidad de resistir los
esfuerzos producidos por dichos momentos. La distribución de deformaciones es
lineal y proporcional para esfuerzos en la capa más alejada de concreto,
correspondiente aproximadamente el 50% de la resistencia cilíndrica. (Vallecilla,
2017)
Flexión en vigas de concreto reforzado
Cuando una viga de concreto reforzado es sometida a flexión, debido a la presencia
de una carga transversal cualquiera y llega hasta la falla, pueden identificarse
claramente tres etapas: En la primera, la viga se flexiona ante la carga y se producen
esfuerzos de tracción en un lado del eje neutro y esfuerzo de compresión del otro
lado (por encima y por debajo del eje neutro según la zona de la viga analizada);
cuando los esfuerzos de tracción son pequeños y no alcanzan los esfuerzos de
rotura del concreto, este no llega a fisurarse, con lo cual se dice que se está en la
etapa de concreto no fisurado. Una vez los esfuerzos producidos superan los de
rotura, se llega a la etapa de esfuerzos elásticos con concreto fisurado. Finalmente,
antes de la falla, se llega a la etapa de esfuerzo último, en la que los materiales se
han deformado más allá de su rango elástico.
En la teoría elástica, se considera que, bajo flexión, las secciones de una viga,
planas antes de la deformación, continúan planas después de esta, con lo cual las
deformaciones son proporcionales a la distancia hasta el eje neutro. De la misma
manera se cumple la ley de Hooke, para la cual las deformaciones son
proporcionales a los esfuerzos normales producidos. (Vallecilla, 2017)
Cortante en vigas de concreto reforzado
Las vigas de concreto reforzado pueden fallar debido a que la fuerza cortante supera
la capacidad de resistencia a cortante del elemento. En los últimos años se han
generado diversas investigaciones y aun no se conoce con certeza el mecanismo
de falla por cortante, razón por la cual no es una falla fácil de predecir, como si
ocurre con la flexión. La falla por tensión diagonal es una combinación de falla por
cortante y flexión, en la cual se produce una grieta diagonal que finalmente lleva a
la viga al colapso.
Debido a que la falla de cortante es súbita y no da lugar a tomar medidas correctivas,
las vigas de concreto reforzado se diseñan con el objetivo de garantizar una falla
dúctil: es decir, para que fallen por flexión para un esfuerzo mucho menor del que
producirá la falla por cortante. (Vallecilla, 2017)
Método de la resistencia ultima
En este método las cargas muertas y vivas se mayoran con un factor de carga o
factor de seguridad, que conducen a diseños en los que las estructuras en teoría
fallaran para cargas mayoradas, lo cual implica diseños más óptimos al tener
consideraciones más realistas de la seguridad de la estructura. Este discretiza cada
tipo de carga y le proporciona un factor de seguridad independiente y optimiza la
capacidad de carga de la estructura. Estos factores de seguridad al ser mayores
que la unidad, permiten tener en cuenta cargas mayores a las supuestas. De la
misma manera las resistencias teóricas de los elementos se afectan por factores de
reducción de resistencia que son menores que la unidad; estos factores varían
desde 0.65 en compresión hasta 0.9, en secciones controladas por tracción. El
método de la resistencia ultima toma en consideración la porción no lineal de la
curva de esfuerzo-deformación unitaria, con lo cual la capacidad de carga de la
estructura mejora. (Vallecilla, 2017)
Procedimiento de diseño de las vigas de concreto reforzado
En primera instancia se realiza el cálculo de las cargas de servicio que soportara la
viga, incluyendo su respectiva mayoración teniendo en cuenta los factores de se
seguridad estipulados en el Titulo B de la NSR-10, con estas cargas se realiza el
diseño de la viga por medio del método de la resistencia ultima, el cual considera
las dimensiones principales del elemento, la resistencia de los materiales, las cargas
resistidas por el elemento y los factores de reducción de resistencia. Luego de
estipular el acero necesario para resistir las cargas, se realizan los diferentes
chequeos considerados en el Titulo C de la NSR-10, en el que se tiene en cuenta
las condiciones límites del elemento y se estipulan las áreas de acero máximo y
mínimo, separaciones máximas y momentos mínimos a considerar en el diseño.
Microsoft Excel
Microsoft Excel es una aplicación de hojas de cálculo que forma parte de la suite de
oficina Microsoft Office. Es una aplicación utilizada en tareas financieras y
contables, con fórmulas, gráficos y un lenguaje de programación. Excel permite a
los usuarios elaborar tablas y formatos que incluyan cálculos matemáticos mediante
fórmulas; las cuales pueden usar “operadores matemáticos” como son: +(suma), -
(resta), * (multiplicación), / (división) y ^ (potenciación); además de poder utilizar
elementos denominados “funciones” (especie de fórmulas, pre-configuradas) como,
por ejemplo: Suma, Promedio, Buscar, etc. (WIKIPEDIA, 2018a)
Visual Basic for Applications
Microsoft VBA (Visual Basic para aplicaciones) es el lenguaje de macros de
Microsoft Visual Basic que se utiliza para programar aplicaciones Windows y que se
incluye en varias aplicaciones Microsoft. VBA permite a usuarios y programadores
ampliar la funcionalidad de programas de la suite Microsoft Office. Visual Basic para
Aplicaciones es un subconjunto casi completo de Visual Basic 5.0 y 6.0.
Microsoft VBA viene integrado en aplicaciones de Microsoft Office, como Outlook,
Word, Excel, Access y Powerpoint. Prácticamente cualquier cosa que se pueda
programar en Visual Basic 5.0 o 6.0 se puede hacer también dentro de un
documento de Office, con la sola limitación que el producto final no se puede
compilar separadamente del documento, hoja o base de datos en que fue creado;
es decir, se convierte en una macro (o más bien súper macro). Esta macro puede
instalarse o distribuirse con sólo copiar el documento, presentación o base de datos.
(WIKIPEDIA, 2018b)
NSR-10
El Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente (NSR-10) es el
reglamento colombiano encargado de regular las condiciones con las que deben
contar las construcciones con el fin de que la respuesta estructural a un sismo sea
favorable. Fue promulgada por el Decreto 926 del 19 de marzo de 2010 y
posteriormente han sido introducidas modificaciones en los decretos 2525 del 13 de
julio de 2010, 092 del 17 de enero de 2011, 340 del 13 de febrero de 2012 y 945 del
5 de junio de 2017.(WIKIPEDIA, 2017)
METODOLOGÍA
Para el diseño del aplicativo EASYBEAM se utilizó el Software Excel que cuenta
con una herramienta de programación llamada Visual Basic for Applications, en este
programa se construyó toda la interfaz y algoritmos necesarios para la generación
del aplicativo, adicionalmente fue necesario contar con el conocimiento apropiado
acerca del diseño de vigas en concreto reforzado y todos sus requisitos de diseño,
a continuación se describirán brevemente los procedimientos ejecutados para la
creación de este aplicativo.
Datos de entrada
Lo primera pregunta que surgió en el instante en que se empezó a desarrollar el
aplicativo, fue acerca de los datos necesarios para llevar a cabo el diseño, estos
datos son los correspondientes a las variables fundamentales para la ejecución del
diseño por medio del método de la resistencia última, a continuación, se muestran
los datos de entrada para el diseño a flexión y cortante de vigas de concreto
reforzado.
Diseño a flexión.
𝑴𝒖 = Momento ultimo (MN ∗ m).
𝒇𝒚 = Resistencia de fluencia del acero. (Mpa)
𝒇′𝒄 = Resistencia a compresion del concreto a los 28 dias. (Mpa)
𝒃𝒘 = Base de la seccion transversal de la viga. (m)
𝒅 = Altura efectiva. (m)
𝝓 = coeficiente de reduccion de resistencia. (adimencional)
Diseño a cortante.
𝑽𝒖 = Cortante ultima . (MN)
𝝀 = Factor de modificación por propiedades del concreto. (Mpa)
𝒇𝒚 = Resistencia de fluencia del acero. (Mpa)
𝒇′𝒄 = Resistencia a compresion del concreto a los 28 dias. (Mpa)
𝒃𝒘 = Base de la seccion transversal de la viga. (m)
𝑨𝒗 = Área de acero transversal . (cm2)
𝝓 = coeficiente de reduccion de resistencia. (adimencional)
Una vez conocidas las variables necesarias para el diseño, se establece que unas
variables hacen parte de las propiedades mecánicas de los materiales, otras de las
dimensiones del elemento y otras del análisis estructural, respecto a esto, las
variables que consideran las características mecánicas del material y las
dimensiones del elemento, serán suministradas manualmente por el usuario y las
de análisis estructural provendrán de un software de análisis estructural. Contando
con estas consideraciones y teniendo en cuenta que existen dos casos de entrada
de datos se procede a diseñar dos apartados con su respectiva interfaz para el
suministro de los datos de diseño.
Datos de entrada de propiedades mecánicas del material y dimensiones del
elemento estructural.
Para lograr que el aplicativo almacene los datos correspondientes, se ejecuta un
procedimiento bastante sencillo, se estructura un algoritmo especifico en donde se
almacenan los datos en unas variables, que son suministradas a través de la interfaz
por el usuario, en la ilustración 1, se puede observar la interfaz de suministro de
datos de entrada.
Ilustración 1. Interfaz de datos de entra.
Datos de entrada del análisis estructural
El procedimiento para la lectura de los datos del análisis estructural es un poco más
complejo, debido a que no solo tienen que ser almacenados, sino que también
deben ser seleccionados y organizados, ya que los resultados dados por el
programa de análisis ETABS (único programa con el que funciona el aplicativo), son
extensos y no presentan el orden adecuado para el diseño de las vigas de concreto
reforzado.
Con esta situación, se generó una función en la cual se ejecutará un proceso
automático de selección y organización de los datos que son necesarios para el
diseño. En la ilustración 2, se muestra la interfaz de entrada de datos del análisis
estructural.
Ilustración 2. Interfaz de datos de entrada del análisis estructural.
Diseño a flexión y cortante
Con los datos de entrada almacenados en el aplicativo, se inicia con la ejecución
del diseño a flexión y cortante de la viga de concreto reforzado, para esto el método
de diseño empleado fue de la resistencia ultima, las ecuaciones empleadas en este
método generan como resultado el área de acero de refuerzo longitudinal para el
diseño a flexión y la separación de los estribos para el diseño a cortante. A
continuación, se ilustran las dos fórmulas empleadas para el diseño.
𝑎 = 𝑑 − √𝑑2 −2|𝑀𝑢|
0.85 ∗ 𝑓′𝐶
∗ ϕ ∗ 𝑏𝑤
𝐴𝑠 =𝑀𝑢
𝑓′𝑦
∗ 𝜙 ∗ (𝑑 −𝑎2)
Ecuación 1. Fórmula para el diseño a flexión.
𝒔 = 𝜙 ∗ 𝐴𝑣 ∗ 𝑓𝑦 ∗ 𝑑
𝑉𝑢 − 𝜙 ∗ 0.17 ∗ 𝜆 ∗ √𝑓′𝐶
∗ 𝑏𝑤
Ecuación 2. Fórmula para el diseño a cortante.
Adicional a diseñar con las ecuaciones anteriormente mostradas, es necesario
realizar una serie de chequeos, que corresponde a normativas de diseño que cubren
todos las diferentes situaciones y componentes sísmicos. A continuación, se
nombran los distintos chequeos segundo la norma sismo resistente de Colombia
(NSR-10), establecidos en el diseño de las vigas de concreto reforzado.
Chequeos por cortante
Estos chequeos se realizan debido a que la norma exige una separación máxima
de los estribos colocados para el refuerzo transversal que contribuyen a que la viga
resista adecuadamente los esfuerzos a cortante.
C.11.4.5
Este ítem limita el espaciamiento máximo del refuerzo a cortante el cual estipula
que debe ser de d/2 o 600 mm y si Vs sobrepasa el límite permitido, esta
separación se debe reducir a la mitad.
C.21.3.4.6
Este chequeo se realiza para las zonas de confinamiento de la viga con
capacidad moderada de disipación de energía (DMO), las cuales deben ser de
longitudes iguales a 2H y se deben disponer estribos de confinamiento con una
separación máxima de d/4 o 8dbl o 24dbt o 300 mm
C.21.5.3.2
Este chequeo se realiza para las zonas de confinamiento de la viga con
capacidad especial de disipación de energía (DES), las cuales deben ser de
longitudes iguales a 2H y se deben disponer estribos de confinamiento con una
separación máxima de d/4 o 6dbl más pequeño o 150 mm.
Chequeos por flexión
En este literal se presentan las condiciones limites que tiene la NSR-10 con respecto
al diseño a flexión estas limitaciones se presentan para el área de acero mínima,
máxima y momentos positivos y negativos mínimos. Estos requisitos son
importantes para tener en cuenta las condiciones límites de resistencia de la viga
en situaciones críticas.
C.10.3.5
Este requisito establece un límite mínimo de 0.004 para la deformación unitaria
neta de tracción en el acero longitudinal estipulando un área máxima de acero a
flexión para la viga.
C.10.5.1
Para este chequeo se verifica el área de acero mínimo a flexión, seleccionando
el mayor valor calculado en las siguientes dos ecuaciones:
𝐴𝑠,𝑚𝑖𝑛 =0.25√𝑓𝑐
′
𝑓𝑦𝑏𝑤𝑑
𝐴𝑠,𝑚𝑖𝑛 =1.4
𝑓𝑦𝑏𝑤𝑑
Ecuación 3. Áreas de acero mínimo a flexión
C.21.3.4.3
Para este chequeo se introducen nuevos límites de acero máximo y mínimo
debido a requerimientos sísmicos para vigas con capacidad moderada de
disipación de energía (DMO), el acero no debe superar una cuantía máxima de
0.025 y debe haber al menos 2 barras N° 4 (1/2’’) arriba y debajo.
C.21.3.4.4
En este ítem se establecen los valores mínimos de resistencia a flexión a lo largo
de una viga diseñada con capacidad moderada de disipación de energía (DMO),
donde la resistencia a momento negativo o positivo lo largo del elemento no debe
ser menor a 1/5 de la máxima resistencia de momento negativo y la resistencia
a momento positivo no debe ser menor a 1/3 de la resistencia a momento
negativo en sus extremos.
C.21.5.2.1
Para este chequeo se introducen nuevos límites de acero máximo y mínimo
debido a requerimientos sísmicos para vigas con capacidad especial de
disipación de energía (DES), el acero no debe superar una cuantía máxima de
0.025 y debe haber al menos 2 barras N° 5 (5/8’’) arriba y debajo.
C.21.5.2.2
En este ítem se establecen los valores mínimos de resistencia a flexión a lo largo
de una viga diseñada con capacidad especial de disipación de energía (DES),
donde la resistencia a momento negativo o positivo lo largo del elemento no debe
ser menor a 1/4 de la máxima resistencia de momento negativo y la resistencia
a momento positivo no debe ser menor a 1/2 de la resistencia a momento
negativo en sus extremos.
Para la ejecución del diseño utilizando el método correspondiente y los chequeos
establecidos, se estructura diferentes patrones lógicos a través de algoritmos, que
permiten la identificación de las variables y el evaluó de las mismas en las
ecuaciones de diseño, así como condicionales que permiten la selección del caso
pertinente según cada uno de los chequeos establecidos por la norma.
Adicionalmente se escribe un código que permita entregar los resultados del diseño
al usuario de la aplicación, a continuación, se muestra la interfaz de resultados.
Ilustración 3. Interfaz de resultado del diseño.
Grafica de resultados
Para graficar los resultados obtenidos por el diseño fue necesario tener en cuenta
distintos aspectos, que corresponden a la forma en que el programa de análisis
estructural ETABS da los resultados, los datos de análisis se muestran para
diferentes puntos a lo largo de un tramo de la viga que va de columna a columna, el
primer punto se da desde la cara de la columna inicial y el último punto va hasta la
cara de la columna final, en pocas palabras los resultados se dan a lo largo de cada
vano.
Como en la mayoría de casos, la longitud real de cada viga comprende más de un
vano y además el ancho de cada columna hace parte de la viga, fue necesario
establecer patrones que unificaran estos datos para dar la totalidad de abscisas
reales que comprenden la viga.
Para esto se creó una primera interfaz, en donde el usuario estableciera los tramos
que comprenden cada una de las vigas que se van a diseñar (Ilustración 4) y otra
en la que se definiera el ancho de cada columna ubicada a lo largo de la viga,
además de la ubicación de cada uno de los ejes que pasan por ella (Ilustración 5).
Ilustración 4. Interfaz para el suministro de datos de los tramos que comprenden las vigas.
Ilustración 5. Interfaz para el suministro del ancho de columnas y distancia de ejes.
Con los datos anteriormente nombrados, se crean las funciones para ejecutar la
concatenación de todos los puntos de cada viga con el fin de crear la gráfica de
resultados, la cual representa el acero que demanda la viga en toda su longitud.
Ilustración 6. Grafica de resultados.
Despiece y dibujo de diseño
Para el despiece del diseño establecido por el aplicativo, se creó una interfaz que
permite al usuario suministrar el acero necesario para suplir el demandado a través
de la gráfica creada, que sirve de herramienta para tener una visión grafica de la
dinámica del acero a medida que se suministra el requerido.
Ilustración 7. Interfaz para suministrar acero de refuerzo longitudinal.
Ilustración 8. Tabla de comparación de acero de diseño vs acero suministrado.
Ilustración 9. Grafica con acero de diseño y acero suministrado.
Al establecer el acero que contendrá la viga, se procede a realizar una serie de
chequeos correspondientes a distintos requisitos del capítulo C.12 y C.7 de la NSR-
10 que definen la longitud final de cada barra de acero y las dimensiones
correspondientes de cada uno de los ganchos a utilizar. Debido a que en los
capítulos establece solo longitudes mínimas y en la longitud de desarrollo existe un
rango amplio para definir este valor, se decidió crear un apartado en donde el
usuario ingresara estos valores según su criterio de diseño.
Ilustración 10. Tabla para suministro de parámetros para longitudes de barras de acero.
En este apartado el usuario debe tener en cuenta todos los requisitos establecidos
en los capítulos anteriormente nombrados, tales como los ejemplificados a
continuación.
Longitud de desarrollo:
Para establecer las longitudes de desarrollo de cada una de las barras a utilizar,
se debe tener en cuenta lo estipulado en los ítems C.12.2, en donde se establece
la longitud de desarrollo de las barras a utilizar mediante cinco ecuaciones que
se evalúan según el tipo y tamaño del refuerzo a utilizar. C.12.10, en el cual se
explica los puntos en donde se deben aplicar las longitudes de desarrollo y en
C.12.11 y C.12.12, se especifica las condiciones especiales que se deben tener
en cuenta para el desarrollo del refuerzo en momento negativo y positivo.
Empalmes del refuerzo:
Las longitudes de empalme del refuerzo se deben establecer siguiendo los
requisitos de C.12.14 y C.12.15, en donde se especifican las longitudes de
empalme en función de las longitudes de desarrollo y las condiciones en las que
se deben presentar.
Longitud recta embebida en el concreto entre la sección crítica y el
inicio del gancho:
Para el despiece de esta condición se estableció como criterio de despiece
dentro del aplicativo que la longitud recta embebida se extenderá hasta 5
centímetros antes de la cara externa de la columna, sin embargo, como se
muestra en la ilustración 10, el usuario suministra un ldh que debe calcular a
partir de C.12.5 y este se verificará con el ya suministrado por el aplicativo.
Ganchos:
Para el despiece de la viga en el aplicativo se tuvo en cuenta únicamente
ganchos de 90° para refuerzo longitudinal y 135° para refuerzo transversal, los
cuales se rigen a partir de los requisitos estipulados en C.7.1 que establecen las
longitudes mínimas que deben tener los ganchos.
Estos requisitos son fundamentales para generar que el refuerzo que actúa en la
viga tenga las longitudes necesarias para que logren alcanzar sin ningún problema
el esfuerzo de fluencia.
Luego de contar con todos los datos correspondientes al despiece, se procede al
dibujo del diseño y despiece final de las vigas en concreto reforzado, para este se
estableció una amplia estructuración lógica, que comprende algoritmos, funciones
y condicionales, que leen los resultados y los transforman en una secuencia de texto
que son convertidos en un archivo dxf que permite su correspondiente lectura en un
programa de dibujo asistido.
Ilustración 11. Dibujo del diseño y despiece de vigas en concreto reforzado.
EJEMPLO
Para observar un ejemplo y conocer cómo se maneja el aplicativo se fabricó un
manual de usuario, que estará como un anexo digital, el manual es bastante
detallado, cuenta con 26 paginas, pero no es muy extenso de leer debido a que su
mayor contenido corresponde a imágenes.
CONCLUSIONES
● El desarrollo de aplicativos que optimicen los procesos de proyectos
ejecutados por los ingenieros civil, genera un mayor rendimiento y calidad en
los resultados obtenidos en cada uno de ellos, debido a la rapidez y facilidad
con que se realizan cada uno de los procedimientos de diseño, despiece y
dibujo.
● Este aplicativo brinda una ayuda a los procesos de aprendizaje de los
estudiantes de ingeniería civil en el área de estructuras de concreto, debido
a que, con él, obtienen una visión más clara de los fenómenos presentados
en las fuerzas de las vigas y cómo estas son contrarrestadas con el
suministro de acero.
● El tiempo de ejecución del aplicativo es muy corto, siendo un factor muy
importante para la vida laboral y académica de los ingenieros civiles, debido
a que pueden dedicar más tiempo a la revisión de los resultados obtenidos.
● Los resultados obtenidos por el aplicativo son claros y fáciles de interpretar,
lo que ayuda al usuario a entender de una manera más rápida el producto
entregado.
RECOMENDACIONES
● Es importante siempre verificar los diseños realizados con el aplicativo,
debido a que se pueden presentar algunos errores, tanto en el diseño como
en el dibujo de este.
● Es indispensable, seguir al pie de la letra el manual del aplicativo, ya que
cualquier error en la introducción de datos ocasionar diseños y despieces
incorrectos.
● Los datos de análisis estructural de las vigas deben ser los suministrados por
el programa ETABS.
● Es recomendable utilizar el aplicativo con versiones Excel recientes.
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