¿Por qué utilizamos múltiples barras de refuerzo en lugar de una barra de gran diámetro en hormigón armado?
Respuestas:
Hay unas pocas razones.
En primer lugar, supondré que está hablando de reemplazar un grupo de barras pequeñas por una sola de tamaño razonable: es decir, en lugar de (7.54 cm 2 ), usando (8.04 cm 2 ).
Una razón es mejorar la facilidad de construcción. Las vigas de concreto reforzado también tienen refuerzo transversal, y es muy común colocar barras de refuerzo en las cuatro esquinas del refuerzo transversal para unir todo en una jaula autoportante (esto también inhibe el aplastamiento del concreto en las esquinas del refuerzo transversal). Pero eso solo significa que debe colocar un límite inferior de 2 barras de refuerzo en cada cara (superior e inferior). Pero, ¿por qué no adoptar (8.04 cm 2 ) en lugar de ?
Varias varillas corrugadas pequeñas mejoran el comportamiento de la interfaz hormigón-acero. El área de superficie total para transmitir las fuerzas de tracción del acero al concreto en los anclajes es mayor, lo que reduce la tensión de tracción y, por lo tanto, acorta las longitudes de anclaje y empalme de solape. Esto también reduce las grietas que se desarrollarán en el concreto.
Por último, uno también puede ser más eficiente con barras de refuerzo más pequeñas: si lo que realmente necesita es 7.5 cm 2 , necesitará (7.54 cm 2 ), (7.85 cm 2 ), (8,59 cm 2 ), (8,04 cm 2 ), (9,42 cm 2 ), (9,82 cm 2 ) o (8,04 cm 2 ). ofrece el uso más eficiente del acero, poniendo la menor cantidad de extra posible. Obviamente, sin embargo, este no es siempre el caso. Solo a menudo lo es.
Ahora voy a suponer que está hablando de usar una barra de acero ridículamente grande: es decir, en lugar de (68.2 cm 2 ), usando . Algunos de los puntos planteados aquí siguen siendo válidos, incluso si habla de ser razonable, pero su importancia se reduce.
Una razón es el costo. Este concepto implica hacer barras de refuerzo de diámetro personalizado para cada viga (de lo contrario, todo lo que está diciendo es que la barra de refuerzo actual es demasiado pequeña), lo que impediría el uso de la escala para reducir los costos. Una fábrica puede reducir el costo unitario de una barra haciendo millones de ellas. Si cada viga en cada sitio de trabajo requerirá un diámetro personalizado, tales ahorros de costos no son posibles.
Además, una sola refuerzo pesaría casi 54 kg / m, lo que significa que necesitaría usar una grúa para colocarla en su lugar, mientras que puede ser colocado fácilmente a mano por un solo trabajador, uno a la vez.
Además, en los extremos de la viga, el acero probablemente tendrá que doblarse. Cuanto mayor es el diámetro de la barra de refuerzo, mayor es su radio de curvatura.
Y luego está esto:
Dado que el centro de gravedad de su acero estará más alejado de la superficie del concreto, también será menos eficiente: necesitará más acero para lograr la misma resistencia. Esto también se aplica a la primera parte de esta respuesta, donde estábamos hablando de tamaños razonables, pero la diferencia es obviamente mucho menor.
Pero, ¿por qué no usar una lámina de acero en lugar de una gran barra de refuerzo circular? Demonios, dado que ya no tendría los espacios entre las barras de refuerzo, podría elegir una hoja que sea más delgada que los diámetros de las barras de refuerzo múltiples y que, por lo tanto, también sea más eficiente. Pero entonces su área de superficie se reduciría, aumentando los esfuerzos de transferencia y, por lo tanto, las longitudes de anclaje y empalme de solape. Además, una hoja es un elemento bidimensional, por lo que puede haber otros comportamientos transversales que pueden generar problemas. Además, ¿cómo verterías el concreto para la cara inferior de la viga?
Al final del día, la mejor regla general (o, bueno, la que trato de usar) es hacer todo lo posible para encajar todo en la menor cantidad posible de barras de refuerzo, pero llenando esas capas tanto como sea posible ( sin dejar un espacio cómodo para el vertido de hormigón adecuado, incluido el espacio necesario para el vibrador). La única excepción es la última capa (más alejada de la cara relevante de la viga), que se puede dejar más vacía (pero preferiblemente con una serie de barras que le permite seguir un patrón simétrico de las capas anteriores). Bueno, equilibre eso con ser eficiente con el acero: si esto requiere el uso de barras de refuerzo grandes y resulta en un área de acero adoptada mucho más grande que si se agregara otra capa con barras de refuerzo más pequeñas, entonces quizás otra capa sea mejor.
El objetivo principal de las barras de refuerzo es mejorar la resistencia a la tracción del concreto y, en la práctica, la mayoría de estas cargas provienen de la flexión en lugar de la tensión pura.
Cuando una viga sujeta a fuerzas de flexión, la mayor tensión se encuentra en los bordes y las caras de la viga, por lo que tener una barra grande en el centro no funcionaría mucho, ya que esta parte de la estructura ve muy poca carga hasta que comienza a fallar.
Tener barras de refuerzo de menor diámetro distribuidas por toda la estructura también distribuye la carga del concreto al acero de manera más efectiva ya que existe un área de contacto mayor para la adhesión entre los dos.
En la práctica, el tamaño y la ubicación del refuerzo de acero estarán determinados por la carga esperada en la estructura y es un compromiso entre la resistencia, el peso, el costo y los aspectos prácticos del montaje de la acería durante la construcción.
Desde un punto de vista puramente conceptual, una barra grande de la misma área que varias barras más pequeñas proporciona la misma capacidad de momento para una viga de hormigón. Esto supone que el centro de las barras está a la misma profundidad.
La distribución de las barras (múltiples barras más pequeñas) ayuda a limitar las grietas al extender la fuerza de tensión a través de un ancho mayor de concreto.
Varias barras más pequeñas también ayudan cuando se observa la interacción en la interfaz del hormigón y el acero de refuerzo. Una sola barra grande tiene menos área de superficie que varias barras más pequeñas. Esto significa que para una carga dada, la tensión entre la superficie de la barra y el concreto es mayor en el caso de una sola barra. Esto tiene aplicaciones para la longitud de desarrollo del refuerzo.
Además de la respuesta de Wasabi, que es excelente, las barras de gran diámetro necesitan una longitud de desarrollo y una longitud de vuelta increíbles .
Una regla general estimada para el desarrollo y la longitud de la vuelta es de 40 diámetros. Para barras de 20 mm, es un tamaño grande pero razonable de 80 cm, pero se convierte en 128 cm para barras de 32 mm y 2 metros para barras de 50 mm.
El problema de la longitud del regazo se puede evitar mediante el uso de conectores mecánicos, pero la longitud de desarrollo de 2 metros desperdiciaría mucho acero y necesitaría un gran espacio, a menudo no disponible.
El concreto y el acero se comportan de maneras drásticamente diferentes: se supone que el concreto no puede soportar ningún esfuerzo de tensión tan pronto como aparecen las primeras grietas, mientras que el acero es el material ideal para el esfuerzo de tracción. Óptimamente, sería ideal tener pequeñas y finas hebras de acero en lugar de unas pocas grandes, algo así como el funcionamiento homogéneo de la fibra de vidrio.
Especialmente desde que sabemos que nuestras suposiciones de diseño están altamente simplificadas para que el trabajo de ingeniería sea práctico. Cosas como el clima y la exposición deferente al sol, la humedad, la penetración de agentes corrosivos a través de grietas en un miembro, afectan el comportamiento de un miembro. Además, como se mencionó anteriormente, el área y la superficie de contacto de la barra de acero están relacionadas en una relación de desventaja de potencia de dos para el área de la barra que transfiere la tensión a través de la fricción de la piel al concreto.
Por otro lado, deben permitirse requisitos prácticos durante el curso de la construcción, tales como barras que no se deforman fácilmente bajo el tráfico peatonal de los trabajadores o el espacio de alojamiento para permitir el paso de tuberías o conductos transitorios. ahí es donde entran en juego los códigos de ingeniería para hacer un plan de juego uniforme y predecible. para que el ingeniero mecánico o diseñador de hardware sepa lo que especifica o espera que funcione.
El diámetro pequeño del centro de gravedad de la barra está cerca de la superficie de concreto. El diámetro mayor del centro de gravedad de la barra está lejos de la superficie de concreto. diámetro pequeño de barra fácil de manejar, entonces el diámetro más grande de barra. Cuanto mayor es el diámetro de la barra de refuerzo, mayor es su radio de curvatura.
Creo que 4 barras D1 serán mejores que 1 barra D2 (misma área de tracción, pero más superficie de unión).
Además de eso, las barras más grandes son más frágiles, mientras que las barras más pequeñas tienen un rendimiento superficial dominante (más elástico y plástico que frágil). Agrega seguridad cuando ocurre una falla.